BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG
ISO 9001:2008
NGHIÊN CỨU MẠCH ĐIỆN ỔN ĐỊNH NGUỒN
CUNG CẤP CHO ĐÈN LED CHIẾU SÁNG
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP
HẢI PHÕNG-2015
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG
ISO 9001:2008
NGHIÊN CỨU MẠCH ĐIỆN ỔN ĐỊNH NGUỒN
CUNG CẤP CHO ĐÈN LED CHIẾU SÁNG
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP
Sinh viên: Nguyễn Văn Kiên
Người hướng dẫn: Th.S Đỗ Anh Dũng
HẢI PHÕNG-2015
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP TỰ DO HẠNH PHÖC
—————-o0o—————–
BỘ GIÁO DỤC& ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG
NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Sinh viên : Nguyễn Văn Kiên – mã SV: 1012103003
Lớp : ĐT1401- Ngành Điện Tử.
Tên đề tài: Nghiên cứu mạch điện ổn định nguồn cung cấp cho đèn
LED chiếu sáng
NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI
1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp(về
lý luận, thực tiễn, các số liệu cần tính toán và các bản vẽ).
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán.
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp:………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
CÁC CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Người hướng dẫn thứ 1.
Họ và tên :
Học hàm, học vị :
Cơ quan công tác :
Nội dung hướng dẫn :
Đỗ Anh Dũng
Thạc sĩ
Trường Đại học dân lập Hải Phòng
Toàn bộ đồ án
Người hướng dẫn thứ 2.
Họ và tên :
Học hàm, học vị :
Cơ quan công tác :
Nội dung hướng dẫn :
Đề tài tốt nghiệp được giao ngày……tháng…..năm 2015.
Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày……tháng……năm 2015.
Đã nhận nhiệm vụ ĐT.T.N.
Sinh viên
Nguyễn Văn Kiên
Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N
Cán bộ hướng dẫn ĐT.T.N
Th.S Đỗ Anh Dũng
Hải Phòng, ngày……tháng…….năm 2015
HIỆU TRƢỞNG
GS.TS.NGƢT TRẦN HỮU NGHỊ
PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
1. Tinh thần, thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp.
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
2. Đánh giá chất lượng của Đ.T.T.N( so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong
nhiệm vụ Đ.T.T.N, trên các mặt lý luận thực tiễn, tính toán giá trị sử dụng,
chất lượng các bản vẽ…)
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
3. Cho điểm của cán bộ hướng dẫn
(Điểm ghi bằng số và chữ)
Ngày…..tháng……năm 2015
Cán bộ hướng dẫn chính
(Ký và ghi rõ họ tên)
NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƢỜI CHẤM PHẢN BIỆN
ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
1. Đánh giá chất lượng đề tài tốt nghiệp về các mặt thu thập và phân tích
số liệu ban đầu, cơ sở lý luận chọn phương án tối ưu, cách tính toán chất
lượng thuyết minh và bản vẽ, giá trị lý luận và thực tiễn đề tài.
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
2. Cho điểm của cán bộ chấm phản biện
( Điểm ghi bằng số và chữ)
Ngày……tháng…….năm 2015
Người chấm phản biện
(Ký và ghi rõ họ tên)
Lời mở đầu
Với các ưu điểm: ánh sáng lớn, độ bền cao và ít tiêu tốn điện năng, Led
được ứng dụng rộng rãi trên các lĩnh vực: bảng quảng cáo ngoài trời ,
bảng quảng báo, đồng hồ cỡ lớn đặt tại các biển quảng cáo tấm lớn trên
đường cao tốc, hệ thống đèn giao thông, biển chỉ dẫn, và các sản phẩm
khác như bảng chạy chữ điện tử, bảng hệ thống giờ, Bảng tỷ giá, bảng
chứng khoán, hệ thống xếp hàng tự động… Việc sử dụng rộng rãi thiết bị
chiếu sáng bằng loại đèn này có thể giúp chúng ta tiết kiệm đuợc nhiều
năng lượng.chính vì vậy mà các nhà kĩ thuật,các nhà khoa học phải nghiên
cứu những cấu tạo.nguyên lý hoạt động,các thông số kỹ thuật …để tạo ra
những sản phẩm tốt sử dụng trên thị trường.
Với để tài Nghiên cứu mạch điện ổn định nguồn cung cấp cho đèn Led
chiếu sáng. Em đã trình bày khái quát về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của
đèn led và những mạch điện ổn định cung cấp cho đèn led chiếu sang.đề
tài được xây dựng với bố cục như sau :
Chương 1. Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động đèn Led.
Chương 2. Phân tích ưu nhược điểm một số loại LED chiếu sáng thông
dụng trên thị trường. LED Xenon, LED Cree.
Chương 3. Phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động các mạch ổn áp nguồn
ngắt mở. Tính toán lắp ráp mạch nguồn dòng dùng LM 2576ADJ.
Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, do hạn chế về trình độ, thời
gian và tài liệu nên không tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong được sự đóng
góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn. Em
xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện – Điện tử, đặc biệt là thầy Đỗ Anh
Dũng đã giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ án này.
Hải Phòng, tháng 4 năm 2015
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Văn Kiên
CHƢƠNG 1
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐÈN LED
I. Mở đầu:
1.1 Lịch sử phát triền công nghệ chiếu sáng:
– Từ xa xưa, người tiền sử sử dụng những ngọn đèn thô sơ để chiếu
sáng hang động của mình. Những đèn đó làm từ những vật liệu sẵn có
như đá, vỏ cây, sừng thú vật chứa mỡ và ngọn bấc. Thông thường sử
dụng mỡ động và thực vật.
– Con người chủ yếu tạo ra ánh sáng từ lửa mặc dù đây là nguồn nhiệt
nhiều hơn ánh sáng. Ở thế kỷ 21, chúng ta vẫn đang sử dụng nguyên tắc
đó để sản sinh ra ánh sáng và nhiệt qua loại đèn nóng sáng. Trong vài thập
kỷ gần đây, các sản phẩm chiếu sáng đã trở nên tinh vi và đa dạng hơn
nhiều.
– Theo ước tính, tiêu thụ năng lượng của việc chiếu sáng chiếm khoảng 20
– 45% tổng tiêu thụ năng lượng của một toà nhà thương mại và khoảng 3
– 10% trong tổng tiêu thụ năng lượng của một nhà máy công nghiệp. Hầu
hết những người sử dụng năng lượng trong công nghiệp và thương mại
đều nhận thức được vấn đề tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống chiếu
sáng.
– Thông thường có thể tiến hành tiết kiệm năng lượng một cách đáng kể
chỉ với vốn đầu tư ít và một chút kinh nghiệm. Thay thế các loại đèn hơi
thuỷ ngân hoặc đèn nóng sáng bằng đèn halogen kim loại hoặc đèn natri
cao áp sẽ giúp giảm chi phí năng lượng và tăng độ chiếu sáng.
– Tuy nhiên, trong một số trường hợp, cần phải xem xét việc sửa đổi thiết
kế hệ thống chiếu sáng để đạt được mục tiêu tiết kiệm như mong đợi. Cần
hiểu rằngnhững loại đèn có hiệu suất cao không phải là yếu tố duy nhất
đảm bảo một hệ thống chiếu sáng hiệu quả.
1.2 Điện cho chiếu sáng
Điện tiêu thụ cho chiếu sáng toàn cầu 60GW/năm (2650 TWh/năm).
+ Chiếm 19% tổng điện tiêu thụ toàn cầu (VN: 25,3%).
+ Khoảng 24 GW/năm cho sử dụng đèn sợi đốt với hiệu suất phát
quang chỉ có 15lm/W.
+ Khoảng 36 GW/năm cho sử dụng đèn FL/HID hiệu suất phát quang
trung bình 75lm/W.
+ Để thắp sáng như hiện nay trên toàn thế giới, mỗi năm các nhà máy
điện đã thải ra 1.900 nghìn tỷ tấn khí CO2, lớn gấp 3 lần lượng khí CO2
do máy bay trên toàn thế giới thải ra, bằng 70% lượng khí CO2 do toàn bộ
xe ô tô thải ra trong 1 năm.
+ Năng lượng (energy – efficient lighting): nâng cao phẩm chất của ánh
sáng, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.
1.3.Yêu cầu chiếu sáng
+ Chiếu để mà sáng (lighting for light): những nỗ lực tìm kiếm những
nguồn sáng tự nhiên để xua đi bóng tối.
+ Chiếu sáng tiện ích (high-benefit lighting), chiếu sáng hiệu quả.
2. Đèn LED.
– LED (Light-Emitting-Diode) có nghĩa là diode phát sáng.
– Đèn LED là loại đèn mới nhất bổ sung vào danh sách các nguồn sáng
sử dụng năng lượng hiệu quả.
– Đèn LED đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng chiếu sáng, bao gồm
biển báo lối thoát, đèn tín hiệu giao thông, đèn dưới tủ, và nhiều ứng dụng
trang trí khác.
2.1. Cấu tạo và nguyên lý chiếu sáng của đèn led:
Để tạo ra một sản phẩm đèn LED, về cơ bản cần có các yếu tố và thành
phần như sau:
a. Thiết kế:
Việc thiết kế một sản phẩm đèn LED hoàn thiện đòi hỏi kiến thức
chuyên sâu, am hiểu trong công nghệ đèn LED, lĩnh vực giải nhiệt và đặc
điểm của các loại nguyên vật liệu. Thiết kế quyết định 80% tuổi thọ và
chất lượng của đèn LED nên việc thiết kế được thực hiện bởi các chuyên
gia có kinh nghiệm. Các thiết kế phải được thử nghiệm kiểm chứng theo
phương pháp thử quy chuẩn để có được thiết kế tối ưu nhất. Sản phẩm của
chúng tôi được thiết kế với tuổi thọ tối thiếu 30,000 hrs.
b. Chip LED:
Việc sản xuất ra chip LED phụ thuộc nhiều vào công nghệ, chất lượng
nguyên vật liệu cấu thành và cấp độ tuổi thọ của chip LED thành phẩm.
Chúng tôi sử dụng chip LED với tuổi thọ 70,000 hrs – 90,000 hrs. Việc
sản xuất chip LED có tuổi thọ cao có chi phí rất cao, tuy nhiên các đặc
tính chịu nhiệt, tạo màu sắc trung thực, độ ổn định màu lâu và tuổi thọ cao
sẽ đem lại nhiều hiệu quả đầu tư cũng như trong quá trình sử dụng hơn.
c. PCB tản nhiệt:
Lớp nhôm nguyên chất tản nhiệt, lớp cách điện cấp 1, lớp dẫn điện, lớp
cách điện cấp 2, lớp phủ bảo vệ, lớp phủ mạch in. Việc tính toán thiết kế
chiều dày, nguyên vật liệu, cấp độ chịu nhiệt và tản nhiệt, cấp độ cách điện
đòi hỏi phải có chuyên gia kinh nghiệm, các thử nghiệm và know-how để
có PCB phù hợp với chip LED được sử dụng cũng như phù hợp với thiết
kế tổng thể của một sản phẩm.
d. Kết cấu tản nhiệt:
Các kết cấu liên quan đến tản nhiệt được làm bằng nhôm nguyên chất
để bảo đảm tính dẫn nhiệt cao nhất có thể. Vật liệu làm bằng nhôm nguyên
chất không bị biến đổi chất liệu vì nhiêt như các loại nhôm lẫn tạp chất
trong quá trình hoạt động, do vậy có thể tái sử dụng trong vòng đời tiếp
theo của đèn LED, giảm chi phí cho khách hàng, nhà xản xuất và xã hội.
Ngoài ra việc thiết kế kết cấu tản nhiệt (chiều dày, kích thước tổng thể,
kích thước cánh tản nhiệt, dung sai chế tạo, tính toán khe hở và hướng gió,
tính toán khe hở liên kết giữa các kết cấu, …) có ảnh hưởng nhiều đến
hiệu quả tản nhiệt và tuổi thọ chung của bóng đèn.
e. Lens (thấu kính):
Bộ phận này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả phát tán và lượng quang
thông phát ra từ chip LED ra ngoài môi trường. Chất lượng của loại lens
được sử dụng ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ phát sáng và màu sắc ánh
sáng của đèn LED ở cùng công suất.
f. Bộ điều khiển:
Mỗi đèn LED hoặc cụm đèn LED cần có bộ điều khiển, bảo đảm cung
cấp đồng đều năng lượng đến từng bóng ở từng vị trí khác nhau trên bản
mạch. Ngoài ra phải cung cấp đúng chế độ dòng phù hợp với chip LED
được sử dụng, tốc độ giải nhiệt của thiết kế. Việc ổn định chế độ làm việc
của bộ điều khiển sẽ bảo đảm các chip LED luôn tạo ra ánh sáng ổn định,
yếu tố này kết hợp với chất lượng của chip LED sẽ tạo ra sự ổn định về
màu sắc ánh sáng và cường độ ánh sáng trong thời gian dài. Để có được
bộ điều khiển tốt, cần phải sử dụng linh kiện điện tử chất lượng, có độ ổn
định cao và đặt ở chế độ cân bằng tải phù hợp với thiết kế của đèn LED.
g. Các bộ phận phụ:
Là các cấu kiện còn lại như bộ gá, vành đỡ, chân đỡ,…. được thiết kế
phù hợp với từng ứng dụng khác nhau. Các chi tiết này chủ yếu liên quan
đến vấn đề thẩm mỹ, tính phù hợp lắp đặt theo ứng dụng, được sản xuất tại
Việt Nam.
Cấu tạo:
– Phần chủ yếu của LED là một mảnh nhỏ chất bán dẫn có pha tạp chất
sao cho trong đó tạo ra được hai miền: Miền p dẫn điện bằng lỗ trống (hạt
tải mang điện dương) và miền n dẫn điện bằng điện tử (hạt tải mang điện
âm), giữa hai miền là lớp tiếp xúc p – n. Khối bán dẫn loại p chứa nhiều
lỗ trống có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối bán dẫn loại
n,cùng lúc khối bán dẫn loại p lại nhận electron từ khối bán dẫn loại n
được chuyển sang. Kết quả hình thành ở khối p điện tích âm và khối n
điện tích dương.
– Dòng điện chỉ chạy theo chiều từ bán dẫn P sang bán dẫn N. Ở giữa
miền tiếp xúc giữa 2 lớp bán dẫn có ánh sáng phát ra, vì điểm phát sáng
rất bé nên phía trên phải có dạng nửa hình cầu để có thể phát ánh sáng tán
xạ trong phạm vi 180 độ về mọi hướng giúp người ta nhìn thấy nó.
Phân cực thuận (phát sáng). Phân cực ngược (không phát
sáng).
– Các đặc trưng điện:
+ Thế phân cực thuận (Forward Voltage): Vf (V).
+ Dòng phân cực thuận (Forward Current): If (mA).
+ Dòng phân cực ngược (Reverse Curent) ở thế làm việc: Ir (μA).
+ Nhiệt độ làm việc của LED hay của lớp bán dẫn p-n: Top.
+ Công suất điện tiêu thụ (Consummation Power): P.
– Vật liệu chế tạo:
+ AllnGaP để tạo ra các LED phát ánh sáng đỏ, da cam hoặc vàng
+ GaN để tạo ra các LED phát ánh sáng xanh dương và xanh da
lam
Loại LED
Điện thế phân cực thuận
Đỏ
1.63
->Nguồn áp:
Sơ đồ khối chức năng động học của bộ nguồn.
-Trong đó nguồn điện sơ cấp có thể là xoay chiều (từ lưới điện Quốc
Gia) hoặc một chiều (từ bình điện hoặc pin năng lượng mặt trời).
Bộ biến đổi thực hiện đồng thời hai chức năng. Một là nhận điện áp một
chiều và biến thành dạng mong muốn để trực tiếp cấp cho các LED. Hai là
đảm bảo tính chất nguồn dòng bằng cách tự động điều chỉnh dòng điện
LED theo điện áp rơi trên điện trở sơn dòng Rs. Trong trường hợp nguồn
điện sơ cấp là xoay chiều thì ngoài chỉnh lưu ra còn thường có bộ hiệu
chỉnh hệ số công suất hay cosφ.
-Để có hiệu suất cao các bộ biến đổi hiện nay hầu hết được thiết kế theo
nguyên lý điều chế bề rộng xung, trong đó điện áp một chiều được biến
thành dãy xung, thường là xung dòng, sau đó nắn và lọc thành dòng một
chiều để cấp cho các LED.
+Vỏ đèn:
Để đảm bảo cho đèn hoạt động ổn định và bền, vỏ đèn được chế tạo để có
độ chống thấm nước cao, đồng thời đảm bảo khả năng tỏa nhiệt nhanh
chóng.
2.2. Nguyên lý phát xạ ánh sáng của LED trắng:
– Do mỗi LED chỉ phát xạ ra một phổ ánh sáng hẹp, nên trên thực tế
không có các LED phát xạ ánh sáng trắng.
– Các LED trắng hiện nay được cấu tạo và hoạt động theo nguyên lý
trộn ba mầu đỏ (Red), xanh dương (Green) và xanh lam (Blue) bằng cách
sử dụng 3 LED có ba mầu nêu trên (RGB Mixed Color White Light).
– Dòng điện chỉ chạy theo chiều từ bán dẫn P sang bán dẫn N. Ở giữa
miền tiếp xúc giữa 2 lớp bán dẫn có ánh sáng phát ra, vì điểm phát sáng
rất bé nên phía trên phải có dạng nửa hình cầu để có thể phát ánh sáng tán
xạ trong phạm vi 180 độ về mọi hướng giúp người ta nhìn thấy nó.
Quang phổ của ánh sáng nhìn thấy
Ánh sáng con người có thế nhìn thấy và cảm nhận được màu sắc là
trong khoảng bước sóng tử ngoại đến hồng ngoại ( 380nm -> 780nm ).
Nguyên lý trộn ba máu để tạo ánh sáng trắng
Phổ phát quang của LED trắng.
– Đặc trưng quang của LED:
+ Hiệu suất phát sáng (Luminous Efficacy) (lm/W).
+ Góc phát sáng (2θ½).+ Cường độ sáng (Luminous Intensity) (mcd).
+ Quang thông hoặc độ rọi (Luminous Flux) (lm).
+ Băng rộng phổ phát sáng (nm).
+ Nhiệt độ màu (Color Temperatures) (K), toạ độ màu (X,Y).
– Ảnh hưởng của môi trường đến đặc trưng I-V của LED:
– Ảnh hưởng của điện áp nguồn nuôi đến đặc trưng I-V của LED:
– Yêu cầu nguồn để bảo đảm chất lượng chiếu sáng và tuổi thọ của LED:
+ Điện áp nuôi con LED là điện ápmột chiều: Giá trị phụ thuộc vào vật
liệu bán dẫn và có độ ổn định cao.
+ Đểsử dụng điện lưới 110, 220V, bắt buộc phải hạ áp và chuyển đổi sang
một chiều.
+ Có thể sử dụng nguồn nuôi thế (điện áp đặt lên LED không đổi) hoặc
nguồn nuôi dòng (dòng điện qua LED không đổi), tuỳ theo điều kiện
hoạt động của đèn LED. Tuy nhiên, để đảm bảo chất lương, độ ổn định
của chiếu sáng và tuổi thọ của LED, nên sử dụng nguồn dòng.
+ Có mạch chuyên dụng để điều khiển cường độ chiếu sáng (Dimming)
2.3. Công nghệ chế tạo LED trắng.
Tất cả công đoạn sản xuất LED đều thuộc lĩnh vực công nghệ cao vì
phải xử lý chính xác các đơn vị có kích thước nano và phải chế tạo các
màng bán dẫn thật mỏng trong môi trường thật sạch để đảm bảo tính năng
và tuổi thọ của tim đèn. Phản ứng tạo thành vật liệu bán dẫn phát sáng
phải được thực hiện trong chân không, thực hiện trong phòng sạch, sạch
hơn cả phòng bào chế y dược. Chính công đoạn này đã đẩy giá LED lên
cao, đây cũng chính là yếu điểm của LED vì chưa thể cạnh tranh về giá
với các công nghệ chiếu sáng truyền thống.
