Nghiên Ứu Hế Tạo Hệ Điện Tử Ho Thiết Bị Đánh Giá Nhanh Hất Lượng Diode Phát Sáng Trắng.pdf

B GIÁO DCăVĨăĐĨOăTO
TRNGăĐI HC BÁCH KHOA HÀ NI
---------------------------------------

LểăTHANHăĐC
NGHIÊN CU CH TO H ĐIN T CHO THIT B ĐÁNHă
GIÁ NHANH CHTăLNG DIODE PHÁT SÁNG TRNG

LUNăVĔNăTHCăSƾăăK THUT

Hà Ni  

1708330030641850652a6-cf93-45f4-8a1e-0f68cf0b79c6
17083300306414ad2ce6c-a760-424d-a393-9d7c02377780
17083300306418be99b9c-256d-47c6-a607-874cde9e0e2e


B GIÁO DCăVĨăĐĨOăTO
TRNGăĐI HC BÁCH KHOA HÀ NI
---------------------------------------

LểăTHANHăĐC

NGHIÊN CU CH TO H ĐIN T CHO THIT B ĐÁNHă
GIÁ NHANH CHTăLNG DIODE PHÁT SÁNG TRNG
Chuyên ngành: K thut vin thông
LUNăVĔNăTHCăSƾăăK THUT

NG DN KHOA HC:
TS. Nguyễn Vũ Thắng

Hà Ni  


LI CMăN
Luc s c h tr v c thc hin ti phịng thí
nghim Hi  n t và vi phân tích i s ng dn v m  ng khoa
h   n ca TS. Nguy  ng và TS. Nguy  . Lun
 c s  c thc hin trong khn kh c  tài:ắNghiênă cu xây dng
quyătrìnhăđánhăgiáănhanhăchtălngăĐi-tăphátăquangăLED”.
Kt qu nghiên cu trong lu  t ph  tài nghiên cu cp
B   u xây d        -t phát
 B2013.01.61.CT.
Tơi xin t lịng kính trng và bii TS Nguyng và TS Nguyn
ng dn và cung cp tài liu, thông tin khoa hc cn thit cho
lung thi hc Bách khoa Hà Ni và
Vi n t - Vi    u kin cho tôi hồn thành tt cơng vic nghiên
cu ca mình.
Cui cùng tơi mun gi li ci toàn th  
ng và tu kii luôn 
bên tôi và ng h tôi. Mt ln na tôi xin chân thành c
Hà Nội, ngày

tháng

Hc viên cao hc

LêăThanhăĐc

năm 2017

LIăCAMăĐOAN
  n lu  t nghip này là công trình nghiên cu thc s
c   c thc hi    nghiên cu lý thuyt, thc t i s ng
dn ca TS Nguyng  Vin t Vin thông và TS Nguy
Vin Tiên tin Khoa hc và Công nghi hc Bách Khoa Hà Ni.
Các s liu, kt qu, kt luc tơi tham khc trích dn ngu.
Mt ln na tơi xin khnh v s trung thc ca li cam kt trên.
Hà Nội, ngày

tháng

Tác gi lunăvĕn

LêăThanhăĐc

năm 2017


MC LC
L
L
Mc lc
Danh mc các ký hiu, các ch vit tt
Danh mc bng
Danh mc các hình v th
Li nói u
 Tng quan v chiu sáng WLED
1
c v chiu sáng rn

1.1
Lch s phát minh, phát trin ca LED
1.2
Các gii pháp chiu sáng trng  ng (WLED)
2
c ca LED
3
 thi gian s tin cy ca LED
4
Kt lun

Nghiên cu và ch to h thng già hóa WLED
1
Thit k ch to h thng ngun dịng ni WLED
1.1
u cu thit k
1.2
 khi
1.3
Thit k ngun lý
1.4
Thit k layout
2
Thit k ch to h 
2.1
Yêu cu thit k
2.2
 thit k
2.3
H thu khin cp nhit

2.4
H thng chuyi tín hiu quang  n
2.5
Kt ni máy tính
3
Mơ hình suy gim quang thông ca LED
3.1
Hàm phân b Weibull dành cho xác sut sng sót
3.2
Mơ hình suy gi d báo thi gian sng
4
Kt lun
 Kt qu thc nghim
1
H  
2
ng thi gian sng ca LED
3
Kt lun
Kt lun ng phát trin
Ph lc 1
Ph lc 2
Tài liu tham kho

C

1

1
2

3
4
6
7
7
7
8
10
21
21
26
26
27
27
32
39
41
41
42
44
52
58
69
69
71
74
75
75
76
79

80
81
84
86


DANH MC CÁC KÝ HIU, CÁC T VIT TT
LED
WLED
CIE
MTBF
MTTF
MFOP
FFOP
CCT
CRI
COB
SSR
PID
ADC
TCVN

C

t phát quang
t phát ánh sáng trng
y ban quc t v chiu sáng
Thng trung bình
Thi trung bình
Chu k hong khơng bo trì

Chu k hong
Nhi màu
H s tr màu
Chip gn mch
n
B u khin vi tích phân t l
Chuyi tín hi sang s
Tiêu chun Vit Nam

2


DANH MC BNG
Bng 1. Tín hiu ngun vào .......................................................................................... 29
Bng 2. Các tín hiu khu khin ............................................................................ 31
Bng 3. Các tín hiu khi giao tip ............................................................................... 31
Bng 4. Các tín hiu khi ngun dịng .......................................................................... 32
Bng 5. Các tín hiu khi hin th ................................................................................. 33
Bng 6. Thông s n tr ca PT100 ng vi nhi  .......................................... 46
Bng 7. Các tín hiu cu ni DB - 9 trên máy tính IBM PC ................... 65

C

3


DANH MC CÁC HÌNH VẼ,ăĐ TH
Hình 1. Cu t phát ánh sáng trng [17] ........................................... 8
Hình 2. Ph phát quang ca WLED s dng chip LED xanh GaN honh
ti 465nm) và bt hunh quang Ce:YAG (trong khong 500-700nm) [20]....................9

Hình 3. Cu to trong ca mi và cu to chi tit ca võng mc vi các t bào
cm quang [21] ..............................................................................................................10
Hình 4. Các ch  nhìn ca mi và các t u ting [5] ... 10
 nhy các t c sóng ánh sáng [22] ........................11
Hình 6. Hàm nhy sáng mi  theo chun CIE [5] ..........................................12
Hình 7. Hàm pha màu    CIE 1931 và 1978 [5] ............................................... 13
Hình 8. Bi màu CIE 1931 ..................................................................................... 14
Hình 9. Phân b các màu trên bi màu CIE 1931 ..................................................14
Hình 10. Các elip MacAdam trên bi màu .............................................................15
Hình 11. Bi màu CIE 1976 vi các elip MacAdam .............................................. 16
Hình 12. Ph ánh sáng ca các vi phát sáng vi nhi khác nhau .... 17
m chun hóa: A  t, B  Ánh sáng
Mt Tri, C  Tri nhiu mây, D65  Ánh sáng ban ngày, E   ..........18
ng nhit trong bi màu x, y ...............................................19
Hình 15. Sut phn x ca 8 màu chu tính CRI ............................................20
Hình 16. D i gian sng ca LED [23] ...........................................................21
Hình 17. Giá tr L70 c cơng nhn rng rãi là thi gian sng ca LED ....................22
ng lòng máng ca t l ng theo thi gian ........................................23
Hình 19. Mơ hình Lịng máng (trên) mang tính thng kê hing, và mơ hình PoF
u vào các ngun nhân mang tính bn cht vng [25] .....24
Hình 20. Hiu sut phát quang ca các loi thit b chiu sáng [29] ........................... 26
Hình 21.  khi h thng ........................................................................................28
Hình 22. Khi ngun vào .............................................................................................. 29
Hình 23. Khu khin .............................................................................................. 29
Hình 24. Khi giao tip ................................................................................................. 30
Hình 25. Khi ngun dịng ............................................................................................ 31
Hình 26. Khi hin th ................................................................................................... 32
Hình 27.  nguyên lý ngun vào ............................................................................33
Hình 28.  nguyên lý khu khin ....................................................................35
Hình 29.  khi khi giao tip ................................................................................ 36

Hình 30. Module LCD20x4 ........................................................................................... 36
Hình 31. S  kt ni module LCD20x4 .....................................................................37
Hình 32. S  khi khi 1 kênh ngun dịng ...............................................................38
Hình 33.  Layout 1 kênh ngun dịng................................................................... 39
Hình 34. Khu khin và hin th ............................................................................40
Hình 35. Khi giao tip ................................................................................................. 40
Hình 36. Phn  b thuc vào s ng m .........41

C

4


Hình 37. Thit k tng th h .............................................................. 43
Hình 38.  u khin nhi ..............................................................44
Hình 39. Mch khui thut tốn ............................................................................ 46
Hình 40.  th PV theo thi gian, ba giá tr Kp (Ki và Kd là hng s) ....................... 48
Hình 41.  th PV theo thng vi 3 giá tr i) . 48
Hình 42.  th PV theo thi gian, vi 3 giá tr i) .................49
Hình 43. n thơng dng ............................................................................... 49
Hình 44. Thơng s k thut ca b u khin TC4M-14R ..........................................51
Hình 45.  u ni thit b TC4M-14R ..................................................................51
Hình 46. H thu khin cp nhit ........................................................................52
Hình 47.  ng ca photodiode PIN .................................................53
Hình 48. Cu trúc cng vùng trơi ................................................... 54
Hình 49.    thu thp tín hiu quang ca WLED v   mch
khui tín hic........................................................................................... 57
Hình 50.  h c tip quang thơng WLED s dng photodiode ....................57
Hình 51.  nghim quang thơng ca WLED b ................ 58
Hình 52. Mch to ngun .............................................................................................. 59

Hình 53. Mch tái bt ngu 89C51 ................................................................60
Hình 54. Mch bip ......................................................................................60
Hình 55. Mch chuyi ADC ...................................................................................61
Hình 56.  liu kí t  ........................................................................ 62
Hình 57. Ni kt khơng modem .................................................................................... 64
Hình 58.  bên trong c ni ghép ca MAX232 vi 8051 ..... 65
Hình 59. To kt ni cng COM o ..............................................................................66
Hình 60.  nguyên lý ..............................................................................................67
Hình 61.  thut tốn ..............................................................................................68
Hình 62.  Weibull........................................................................ 70
Hình 63. Hàm phân b m Weibull ......................................................................... 70
Hình 64. Suy gim quang thơng theo thi gian  các dòng cp khác nhau ca LED
Philips Luxeon K2[41] ..................................................................................................71
Hình 65. Suy gim quang thơng theo thi gian  các nhi  khác nhau ca LED
Philips Luxeon K2 [41] .................................................................................................72
Hình 66. Minh ha quá trình ngoi suy thi gian sng ca LED ti nhi phịng.... 74
Hình 67. H c lt ................................................ 75
Hình 68. Suy gim quang thơng theo th   c ti nhi  100oC (373 K),
dịng phát 150 mA. ........................................................................................................ 77
Hình 69.  i quang thông theo nhi, I = 150mA. ...................................... 78

C

5


LIăNịIăĐU
Công ngh chiu sáng rn (Solid State Lightning) là công ngh hi
c s quan tâm trên tồn cu. Có th  ca hin t
c chiu sáng, khi nó có th thay th công ngh chiu sáng truyn thng

vi hiu sut tri. Trng tâm ca công ngh chiu sáng rn là nghiên cu và phát
trit phát quang (Light Emitting Diode  LED), nht phát ánh sáng trng
(WLED). c phát minh bt ng t i t sau thp k 1960 ca
th k c, LED mi thc s tr thành mt linh king và ha hn cho công
ngh chiu sáng ngày nay v   m nh, bn, sáng, tin cy và hiu sut cao,
ht trong công ngh ngày nay. Các thit b chiu sáng s d
LED xut hin kha máy vi tính, trong b phn
truyn dn tín hiu cu khin t 
Vic i gian s tin c nh và hiu sut ca LED, nht là
vic nghiên cu ng các yu t nhin ti các thơng s trên 
mt vai trị quan trng. Công vii các k thuc chuyên sâu và tn
nhiu thi gian, công sc, xut hin nhu c       này. Mt
 bi    ng, tc là cho các LED hot
u kin c ng hong cao, dòng cp
ln so vi ch  ho các LED già hóa nhanh. T vi
u kin c suy ra s suy giu
ki ng nghiên cu này hin r     
nghiên cu, phát trin. Hn c
LED dng.
 tài này nghiên cu tp trung thit k h thn t ng nhit
 u khin, ngun dịng nh, khui tín hiu, thu thp và ghi s li
cho h già hóa ng nhm phc v nghiên c tin cy và thi
gian sng ca WLED

C

6


CHNG I: TNG QUAN V CHIU SÁNG WLED

1. Sălc v chiu sáng rn
1.1 Lch s phát minh, phát trin ca LED
Hi  n phát quang (electroluminescence  EL),     
1907 bi nhà khoa hi Anh là Henry Joseph Round (1881  1966) ti phịng thí
nghim Marconi, khi mn th t vào tinh th silic cacbua (SiC) to ra ánh
[9].  1927, nhà phát minh Xô Vit Oleg Vladimirovich Losev (1903
 c ghi nhu tiên ch to [10]. Hàng thp
k trôi qua cho ti khi Rubin Braunstein công b ng mt s 
hng ngo  c ni v  n[11]       
phát hin ra rng GaAs phát x hng ngoi mc ni vn, và nhn
bng sáng ch LED hng ngoi sau [12]. Nick Holonyak Jr. phát tri
u tiên,  [13]
          phát sáng t    
phát tri76  s dng si quang cho vin thông[14].
c phát minh bi Shuji Nakamura 
T  Nichia   1994 da trên InGaN[15] ng thi,Isamu Akasaki và
Hi sapphire vàpha tp loi p cho GaN[16].
n gii Nobel Vt lý 2014. Vic nghiên cu
ch to thành công WLED s dng ngun kích thích GaInN/GaN phát x t ngoi
hoc cn t ngoi kt hp vi vt liu hu  c ghi nhn l u tiên vào
c tái khnh bi Nakamura và [17, 18].
T n nay, LED là mt trong nhng nghiên cu thu hút nhiu nht
s quan tâm ca các nhà khoa h   c chiu sáng rn bi kh  ng
d   ng nhu cu ngày m  a th ng. Công ngh chiu sáng s
dng LED có hiu sut t    n 20 ln các cơng ngh truyn thng. Khơng
nhng th, nó cịn ha hn gii quyc nhiu v mang tính tồn cm
phát thng khí CO2, SO2, thu ng nóng lên tồn c
i các cơng ngh y, cơng ngh chiu sáng rn góp phn
làm gim tiêu th  ng, nâng cao hiu qu kinh t, gi ng tiêu cc ti
C

7


ng. Theo th lc s dng LED tru
tit kic khong 11%, c th là 200 t t J tng, 70 t t 
10,7 t tn phát thi CO2 và 2 t USD chi phí tài chính[19].
1.2 Các gii pháp chiu sáng trng ậ đènăLEDătrng (WLED)

Hình 1. Cấu tạo WLED và cơ chế phát ánh sáng tr ắng[17]
 phát quang ca LED là s tái hn t và l trng ti lp tip xúc ca
hai lp bán dn loi n và lon mt chiu chy qua, phát ra các bc
x n t y, bc x hng ngoi và t ngoi, gi là hin
n phát quang. LED gm mt con chip bán dc pha t to thành lp
chuyn tip p-n áp thun t t lp n s c cun sang lp p và
các l trng  lp p s di chuyn theo chic li. Chúng tái hp và phát quang
vc sóng ng vng c rng vùng cm cht bán dn.
 to ra các LED phát sáng trng
(White LED - W i ta s dng mt s       
LED phát sáng màu xanh-tím hoc t ngoi g mt lp bt hunh quang
(phosphor) có th phát vùng màu vàng-lc lên trên. Bt hunh quang hp th tia xanhtím hay t ngoi ca chip LED s phát ra màu vàng-lng tht phn

C

8


màu xanh-tím phát ra ngồi, cng hai di màu này s có mt ph sáng trng ca
c trình bày ti Hình 2.

Hình 2.Phổ phát quang của WLED sử dụng chip LED xanh GaN hoặc InGaN (có đỉnh
tại 465nm) và bột huỳnh quang Ce:YAG (trong khoảng 500-700nm)[20]
Các thông s n ca LED cn xây dng tiêu chí và quy trình cơng ngh 
giá có th chia làm các nhóm sau:
a.    ri, góc m
 c sóng tri, hiu sut chiu sáng, t  màu, nhi   
màu, h s tr 
b. t hc: Nhi lp chuyn tip, nhit tr, các h s nhi
c.   n h c tuyn vơn- n th thun và nghch, dịng
n thun và nghch, công sut tiêu th
d.  thi gian s tin cy
e.  ng c  n ti   c, thi gian
s tin c nh và hiu sut.

C

9


2. Cácăđặcătrngăquangăhc ca LED
Mi có hai loi t bào thu nhi võng mc là t bào que và t
bào nón (Hình 3). T bào que có s ng di dào và nh bào nón. Có ba loi
t bào nón nhy cm v, lng.

Hình 3. Cấu tạo trong của mắt người và cấu tạo chi tiết của võng mạc với các tế bào
cảm quang[21]
V  2 thì các t u tit chính ch  nhìn sáng
(ví d ban ngày). Ch  nhìn ti dành cho mc sáng th 2 (ví d ban
 bào que s u ti nh 
th cm nh    ng sáng y      ng mt

màu mà ch thng. Ch  nhìn m nm gia hai ch  trên.(Hình 4)

Hình 4. Các chế độ nhìn của mắt người và các tế bào điều tiết chính tương ứng [5]
C

10


 nhy trên quang ph ca các t c cho trong Hình 5. T
y vùng ph  c li rõ
o lúc sáng.

Hình 5. Độ nhạy các tế bào que và nón theo bước sóng ánh sáng [22]
   n ca h 
là: nguồn sáng đơn sắc 555 nm phát quang với cơng suất 1/683 W vào góc 1 sr thì có
cường độ sáng 1 cd.
    ng cho bi ng sáng phát ra bi mt ngu  
bnguồn sáng đơn sắc 555 nm phát quang với công
suất 1/683 W thì có quang thơng là 1 lumen. y 1 cd = 1 lm/sr, hay ngun có
 sáng 1 cd thì có quang thơng là 4 lm = 12,57 lm.
Vic chuyi ging x trc và quang trc tin hành thông qua
hàm hiu sut quang hay hàm nhy sáng m i V( c y ban quc t v
chiu sáng CIE cơng b (Hình 6)
Quang thơng cho mi có th c t công sut phát x:
   


    
 

vi P() là m công sut trong quang ph, tng sáng phát ra theo mi

c sóng. Tng cơng sut phát ra bi mt ngun sáng là:
     


C

11


Hình 6. Hàm nhạy sáng mắt người  theo chuẩn CIE [5]

Mi ch có ba loi t bào nón nên da vào t l c  mi t
    nh màu ca ngun sáng. Vì vy, ta dùng hàm pha màu
     ng v, lc
chng nht vi hàm nhy sáng mi .

Vy vi    ng ca tng màu:
      


      


      


T màu x, y ca nguc tính theo công thc:


C


    
12







    



    

Do z có th c t   c b. Ta có bi  màu CIE 1931
(Hình 8 m có x = y = z = 1/3 hay X = Y = Z nm  chính gi ng vi
vùng màu trc nm  rìa trên. Mi màu s u có th nh v
trên bi này.

Hình 7. Hàm pha màu     CIE 1931 và 1978[5]

C

13

Hình 8. Biểu đồ màu CIE 1931

Hình 9. Phân bố các màu trên biểu đồ màu CIE 1931
C

14


  phân tích s khác bit màu sc c m gn nhau
trong bi màu và nhn ra rm màu phi có khong cách ti thi
 mi nhy, màu sc trong mt vùng nào
 có v ng nht vi mi. Ơng chng minh ng elip, sau
c mang tên ơng.

Hình 10. Các elip MacAdam trên biểu đồ màu

C

15


Tng s màu m i phân bi c là khong 50.000 màu, bi c bng
cách chia tng din tích bi màu cho tng din tích các elip MacAdam. Nu tính
c   u màu.
   ng d  lch màu hu
 t l vi khong cách hình hc. Các t m
sau:




    

 

    


hay
   



    




    

 
    




    

 



    

Hình 11. Biểu đồ màu CIE 1976 với các elip MacAdam
C

16