1
LI CM N
Trc tiên, Tôi xin gi li cm n chân thành ti PGS. TS Nguyn Vn c
đư tn tình hng dn, góp ý và đng viên tôi trong quá trình thc hin lun vn tt
nghip này.
Tôi xin chân thành cm n các thy cô giáo Vin i hc M Hà Ni ậ Khoa
ào to Sau đi hc, Trng i hc Bách Khoa Hà Ni các đng nghip trong V
Khoa hc và Công ngh, các chuyên gia trong B Công Thng, Công ty TNHH
mt thành viên Chiu sáng và Thit b đô th Hapulico, Công ty C phn đin t
chuyên dng Hanel đư giúp đ, to điu kin cung cp các d liu cn thit cho
vic nghiên cu thc hin lun vn.
Nhng li cm n sau cùng xin dành cho ba m, v các em trong gia đình đư
ht lòng quan tâm và to điu kin tt nht đ tôi hoàn thành đc lun vn tt
nghip này.
2
MC LC
M U 7
CHNG 1: CÁC KHÁI NIM C BN VÀ NHNG NGUN SÁNG NHÂN
TO THÔNG DNG 9
1.1 Khái nim c bn vƠ các đi lng đo ánh sáng 9
1.1.1 Bn cht sóng - ht ca ánh sáng 9
1.1.2 Ngun sáng t nhiên và quang ph liên tc 10
1.1.3 Ngun sáng nhân to và quang ph vch 10
1.1.4 Các đi lng c bn đo ánh sáng 10
1.2 Mt s hin tng phát sáng vƠ phm vi ng dng trong chiu sáng nhơn to 13
1.2.1 Hin tung phát sáng do nung nóng 13
1.2.2 Hin tung phát sáng do phóng đin 14
1.2.3 Hin tng phát sáng hunh quang 15
1.2.4 Hin tng phát sáng lân quang 16
1.2.5 Hin tng phát sáng th cp 17
1.3 Các loi ngun sáng nhơn to thông dng 17
1.3.1 Bóng đèn nung sáng: (èn si đt) 17
1.3.2 Bóng đèn hunh quang 20
1.3.3 Bóng đèn phóng đin cung đ cao (HID) 22
1.3.4 èn phát sáng quang đin (LED: Lighting Emitting Diode) 23
1.3.5 èn Sulfua 23
CHNG 2: TNG QUAN V H THNG IU KHIN VÀ GIÁM SÁT CÁC
H THNG CHIU SÁNG CÔNG CNG 24
2.1 Cu to vƠ các thông s ca b đèn chiu sáng công cng 24
2.1.1 Cu to ca b đèn chiu sáng công cng 24
2.1.2 Các thông s v quang hc ca b đèn chiu sáng công cng 26
2.1.3 Phân loi các b đèn chiu sáng công cng 28
2.2 H thng điu khin vƠ giám sát chiu sáng công cng 29
2.2.1 S đ khi h thng điu khin và giám sát chiu sáng Công cng đang s dng Hà
Ni hin nay 30
2.2.2 T điu khin khu vc 30
2.2.3 T điu khin chiu sáng 31
2.2.4 Phòng điu khin và giám sát Trung tâm 32
CHNG 3: MÔ HÌNH H THNG IU KHIN VÀ GIÁM SÁT CHIU
SÁNG QUA MNG GSM/GPRS 34
3.1 Gii thiu v Công ngh GSM-GPRS 34
3.2 Mô hình ng dng mng GSM/GPRS trong điu khin 35
3.3 Mô hình ng dng mng GSM/GPRS trong điu khin vƠ giám sát h thng chiu
sáng đô th. 36
3.3.1 Mô hình h thng 36
3.3.2 Phn mm ng dng 37
3
3.3.3 Các yêu cu k thut 37
CHNG 4: THIT K T IU KHIN KHU VC 39
4.1 Các chc nng ca t điu khin chiu sáng khu vc 39
4.2 Các đc đim chính ca t điu khin chiu sáng khu vc 39
4.3 S đ khi ca t điu khin chiu sáng khu vc 40
4.3.1 Các phn t trong mt t chiu sáng khu vc 40
4.3.2 MODEM truyn thông GSM/GPRS 42
4.4 S đ nguyên lỦ mch điu khin trong t khu vc 45
4.4.1 Khi ngun nuôi cho mch 47
4.4.2 Khi qun lý và np c quy 48
4.4.3 Khi chp hành: iu khin các khi đng t và r le ngoài 49
4.4.4 Khi th nh SD Card 50
4.4.5 Khi truyn thông ni tip UART 50
4.4.6 Khi thi gian thc 52
4.4.7 Khi hin th: Graphic LCD 52
4.4.8 Khi Transducer 52
4.4.9 Khi vi điu khin 60
4.4.10 Mch in ca t điu khin khu vc 64
4.5 Phn mm nhúng trong vi điu khin ATMEGA128 66
4.5.1 Bù offset cho các kênh dòng và áp ca ADE7758 67
4.5.2 Cn chnh các khi đo cho ADE7758 68
4.5.3 Lu đ chng trinh chính: 70
4.5.4 Lu đ chng trình đc và gii mư lnh t MODEM 72
4.5.5 Truyn thông gia MODEM và mch điu khin 73
4.6 Kt qu 75
4.6.1 Tìm hiu, kho sát 75
4.6.2 Thc nghim 75
KT LUN 81
4
Mc lc các hình
Hình 1.
Thí nghim quang ph liên tc
Trang 10
Hình 2.
Thí nghim quang ph vch
Trang 10
Hình 3.
ng cong hiu qu ánh sáng
Trang 11
Hình 4.
Biu đ Kruithof
Trang 13
Hình 5.
Thí nghim phóng đin trong cht khí
Trang 15
Hình 6.
Phóng đin trong cht khí vi ngun đin hình Sine
Trang 15
Hình 7.
Gii thích hin tng phát sáng hunh quang
Trang 16
Hình 8.
Cu to và gin đ nng lng ca đèn si đt
Trang 17
Hình 9.
Các loi dây tóc
Trang 18
Hình 10.
Bóng đèn si đt dùng khí halogen
Trang 20
Hình 11.
Cu to bóng đèn hunh quang
Trang 20
Hình 12.
S đ đu dây và gin đ nng lng ca bóng đèn hunh
quang
Trang 21
Hình 13.
Cu to b đèn chiu sáng công cng
Trang 24
Hình 14.
Các loi tm phn quang
Trang 25
Hình 15.
Thit b mi đèn
Trang 25
Hình 16.
nh hng ca s đ b trí đèn đn h s s dng
Trang 27
Hình 17.
Góc bo v ca b đèn
Trang 27
Hình 18.
H thng điu khin và giám sát chiu sáng công cng
Trang 29
Hình 19.
S đ khi h thng điu khin và giám sát chiu sáng hin
nay ti Hà Ni
Trang 30
Hình 20.
Giao din phn mm điu khin và giám sát chiu sáng hin
nay ti Hà Ni
Trang 33
Hình 21.
Mô hình ng dng mng GSM/GPRS trong điu khin
Trang 35
Hình 22.
Mô hình h thng điu khin và giám sát chiu sáng dùng công
ngh GSM/GPRS
Trang 36
Hình 23.
S đ khi ca b điu khin khu vc
Trang 40
Hình 24.
Hình dng ca MODEM Qβ4
Trang 42
Hình 25.
S đ khi MODEM Qβ4
Trang 43
Hình 26.
S đ nguyên lý mch điu khin
Trang 46
Hình 27.
S đ nguyên lý khi ngun
Trang 47
Hình 28.
S đ nguyên lý khi qun lý và np c quy
Trang 48
Hình 29.
S đ nguyên lý khi chp hành
Trang 49
Hình 30.
S đ nguyên lý khi th nh SD Card
Trang 50
Hình 31.
S đ nguyên lý khi truyn thông ni tip
Trang 51
Hình 32.
S đ nguyên lý khi đng h thi gian thc
Trang 52
5
Hình 33.
S đ nguyên lý khi transducer
Trang 53
Hình 34.
S đ khi ca ADE7758
Trang 54
Hình 35.
Khi đo dòng đin hiu dng trong ADE7758
Trang 55
Hình 36.
Khi đo đin áp hiu dng trong ADE7758
Trang 56
Hình 37.
Khi đo đin nng hu công trong ADE7758
Trang 57
Hình 38.
Khi đo đin nng vô công trong ADE7758
Trang 58
Hình 39.
Khi đo nng lng biu kin trong ADE7758
Trang 58
Hình 40.
Gin đ liên h gia nng lng hu công, vô công và biu
kin
Trang 59
Hình 41.
S đ nguyên lý khi vi điu khin
Trang 60
Hình 42.
S đ khi ca vi điu khin ATMEGA1β8
Trang 62
Hình 43.
S đ chân ca vi điu khin ATMEGA1β8
Trang 63
Hình 44.
B trí linh kin trên bn mch in
Trang 64
Hình 45.
ng dây mt trên
Trang 65
Hình 46.
ng dây mt di
Trang 66
Hình 47.
Lu đ chng trình đc các giá tr offset dòng và áp ca
ADE7758
Trang 67
Hình 48.
Thit b cn chun công t 1 pha PTC-8125D
Trang 68
Hình 49.
Lu đ chng trình chính trên ADE7758
Trang 70
Hình 50.
Lu đ chng trình con đc và gii mư lnh t MODEM
Trang 72
Hình 51.
th kt qu đo dòng đin ca thit b
Trang 75
Hình 52.
th kt qu đo đin áp ca thit b
Trang 76
Hình 53.
th kt qu đo đin nng hu công ca thit b
Trang 77
Hình 54.
th theo dõi đin áp γ pha ca t điu khin lp trên ph
Trn Khát Chân t 0 gi ngày ββ/06/β011 đn βγh59 ngày
22/06/2011
Trang 78
Hình 55.
th theo dõi dòng đin tiêu th ca t điu khin lp trên
ph Trn Khát Chân t 0 gi ngày ββ/06/β011 đn βγh59 ngày
22/06/2011
Trang 78
Hình 56.
th theo dõi đin nng tiêu th ca t điu khin lp trên
ph Trn Khát Chân t 0 gi ngày ββ/06/β011 đn βγh59 ngày
22/06/2011
Trang 79
Hình 57.
th theo dõi h s công sut ca t điu khin lp trên ph
Trn Khát Chân t 0 gi ngày ββ/06/β011 đn βγh59 ngày
22/06/2011
Trang 80
Hình 58.
Thit b điu khin khi cha lp vào t chiu sáng
Trang 83
Hình 59.
Giao din màn hình chínhca thit b điu khin
Trang 83
Hình 60.
T điu khin khu vc trên ph Trn Khát Chân, Hà Ni
Trang 84
6
Mc lc bng biu
Bng 1.
Di sóng đin t
Trang 9
Bng β.
Mt s lnh AT giao tip vi MODEM Qβ4 qua UART
Trang 44
Bng γ.
Bng kt qu đo dòng đin ca t chiu sáng
Trang 69
Bng 4.
Bng kt qu đo đin áp ca t chiu sáng
Trang 69
Bng 5.
Bng kt qu đo đin nng hu công ca t chiu sáng
Trang 69
Bng 6.
Tp lnh điu khin t MODEM v t chiu sáng
Trang 74
Bng 7.
Tp lnh tr v trung tâm t t chiu sáng v trung tâm qua
MODEM
Trang 74
7
M U
Ti Vit Nam trc đây, chiu sáng đô th đc xây dng trên c s li đèn chiu
sáng công cng đc xây dng t thi Pháp thuc, ch yu dùng bóng đèn si đt. n
nm 1975, nhng ngn đèn cao áp đu tiên đc lp đt ti khu vc qung trng Ba
ình và lng Ch tch H Chí Minh. Ngoài chiu sáng đng ph, các loi chiu sáng
khác ca đô th nh chiu sáng công viên, vn hoa, chiu sáng cnh quan các công trình
kin trúc vn hoá, lch s, th thao, chiu sáng tng đài còn rt s sài.
Hi ngh chiu sáng đô th ln th nht (4/199β) là mt mc khi đu cho s phát
trin ca ngành chiu sáng đô th Vit Nam. Thc trng chiu sáng đô th lúc đó vn còn
rt kém, lc hu so vi các đô th trong khu vc. Sau Hi ngh chiu sáng đô th toàn quc
ln th hai (1β/1995) t chc ti à Nng, cùng vi s phát trin vt bc ca nn kinh
t, lnh vc chiu sáng đô th nc ta đư thc s hình thành và phát trin [1].
Vai trò ca chiu sáng đô th:
Ti các nc phát trin, đin nng dùng cho chiu sáng chim t 8 đn 1γ% tng
đin nng tiêu th. H thng chiu sáng đô th bao gm nhiu thành phn khác nhau,
trong đó có th k đn chiu sáng phc v giao thông, chiu sáng các c quan chc nng
ca đô th
Chiu sáng đng ph to ra s sng đng, hp dn và tráng l cho các đô th v
đêm, góp phn nâng cao cht lng cuc sng cho ngi dân đô th, thúc đy s phát
trin thng mi và du lch. c bit, h thng chiu sáng trang trí còn to ra không khí l
hi, s khác bit v cnh quan ca các đô th trong các dp l tt và các ngày k nim ln
hoc trong thi đim din ra các hot đng chính tr, vn hóa xư hi cng nh s kin
quc t…
Do đó cn có s đánh giá chính xác và khách quan v hiu qu mà chiu sáng đem
li không ch v mt kinh t, mà còn c trên các phng din vn hóa - xư hi. Không ch
nhìn nhn nhng hiu qu trc tip trc mt, có th tính đc bng tin mà còn c hiu
qu gián tip và lâu dài mà chiu sáng đem li trong vic qung bá, thúc đy s phát trin
ca thng mi, du lch và dch v. Ch có nh vy, h thng chiu sáng đô th mi có th
phát trin và duy trì mt cách bn vng, đóng mt vai trò ngày mt xng đáng trong các
công trình h tng k thut đô th.
Hin nay Vit Nam nhu cu điu khin và giám sát các h thng chiu sáng công
cng rt cp thit nhm đm bo cho vic điu khin chiu sáng mt cách an toàn và ti
u. Mt h thng điu khin và giám sát chiu sáng công cng cn tho mãn mt s tính
nng c bn nh sau:
iu khin n đnh và chính xác các h thng đèn chiu sáng
8
Có th điu khin đèn trong tng khu vc thông qua các trm điu khin
Có th điu khin trc tip ti mi trm điu khin
o đc và giám sát tình trng hot đng ca tng trm điu khin
Có kh nng lu tr các thông s đo đc và điu khin trong mt thi gian dài
Có th điu khin và giám sát riêng r tng trm hay tt c các trm ti trung tâm.
đáp ng nhng yêu cu nh trên vic xây dng mt h thng điu khin và
giám sát phc v cho chiu sáng cho đô th, thành ph là rt phc tp và tn kém.
Cùng vi s phát trin ca công ngh vi đin t, các h vi điu khin ngày càng
tr nên nh gn, tích hp nhiu chc nng, tiêu th ít nng lng, rt phù hp cho vic
thit k ch to các modul điu khin đo đc nh gn thông minh. Bên cnh đó các công
ngh vin thông đang rt phát trin, đc bit là các công ngh truyn dn s liu tc đ
cao thông qua mng di đng nh GPRS, EDGE. Vì vy vic ng dng các công ngh vin
thông kt hp vi mt s thit b đu cui thông minh đ điu khin và giám sát là mt xu
th đang đc phát trin mnh.
Mc tiêu ca lun vn
Thit k, xây dng đc mt thit b có nhng chc nng chính sau:
Nhn lnh trc tip qua bàn phím đ điu khin On/Off hai khi đng t 3 pha
công sut ln.
Giám sát đc các thông s đin áp, dòng đin, công sut, h s công sut và đin
nng tiêu th ca tng pha.
T đng làm vic theo lch trình lp trc.
Có kh nng kt ni vi mt MODEM GSM/GPRS đ điu khin và giám sát t
xa
9
CHNG 1: CÁC KHÁI NIM C BN VÀ NHNG
NGUN SÁNG NHỂN TO THÔNG DNG
1.1 Khái nim c bn vƠ các đi lng đo ánh sáng
1.1.1 Bn cht sóng - ht ca ánh sáng
Ánh sáng nhìn thy, tia cc tím, tia X, sóng radio, sóng vô tuyn,…tt c đu là
nhng dng nng lng đin t đc truyn trong không gian di dng sóng, cng ging
nh các bc x đin t khác đc đc trng bi bc sóng .
Sóng đin t đc chia thành các di nh bng sau, ánh sáng mà mt ngi thy
đc là di sóng đin t hp trong khong 380nm - 780nm:
Bng 1: Di sóng đin t
( 1 µm = 10
-6
m
; 1 nm = 10
-9
m; 1 A
0
= 10
-10
m)
Theo thuyt lng t, ánh sáng còn mang bn cht ht (photon), s phát sáng ca
các vt th có th gii thích nh sau:
Mt photon b bin mt khi nó va vào và đy mt đin t vòng ngoài lên trng thái
kích thích các qu đo xa nhân hn đó là s hp thu nng lng ánh sáng ca vt
cht.
Mt photon đc sinh ra khi đin t t trng thái kích thích chuyn sang mt qu
đo khác gn nhân hn và ti đi mt nng lng mà nguyên t b mt di dng tia
sáng mà bc sóng t l nghch vi nng lng đc truyn đi đó là s phát ra
nng lng ánh sáng ca vt cht.
Nh vy cn c vào bc sóng ta có th phân bit đc sóng ánh sáng và các dng
nng lng khác trên quang ph đin t.
T γ000 m đn 1000 m
Sóng dài (LW = long wave)
T 1000 m đn 100 m
Sóng trung (MW = medium wave)
T 100 m đn 10 m
Sóng ngn (SW = Short wave)
T 10 m đn 0,5 m
Sóng vô tuyn (FM)
T 0,5 m đn 1,0 mm
Sóng rađa
T1000 µm đn 0,78 µm
Sóng hng ngoi
T 780 nm đn γ80 nm
Ánh sáng nhìn thy
T γ80 nm đn 10 nm
Tia cc tím (tia t ngoi, UV)
T 100 A
0
đn 0,01 A
0
Tia X
T 0,01 A
0
đn 0,001 A
0
Tia , tia v tr
10
1.1.2 Ngun sáng t nhiên vƠ quang ph liên tc
Ánh sáng nhìn thy khác vi các dng bc x đin t khác kh nng làm kích
hot võng mc ca mt ngi.
Vùng ánh sáng nhìn thy có bc sóng dao đng t γ80nm - 780nm
Thc nghim cho thy ph ca ánh sáng mt tri là di quang ph liên tc có bc sóng
thay đi t γ80nm ậ780nm.
Hình 1: Thí nghim quang ph liên tc
1.1.3 Ngun sáng nhơn to vƠ quang ph vch
Hình 2: Thí nghm quang ph vch
Ánh sáng nhân to có quang ph đt quưng (quang ph vch). Hình 2 là kt qu thí
nghim xác đnh quang ph ca mt s ngun sáng nhân to sau khi đi qua lng kính:
1.1.4 Các đi lng c bn đo ánh sáng
1.1.4.1 Góc khi
Ký hiu góc khi:
n v: Sr (steradian)
11
Ý ngha: Góc khi là góc trong không gian, đc trng cho góc nhìn (tc là t mt
đim nào đó nhìn vt th di mt góc khi). Trong k thut chiu sáng, góc khi
biu th cho không gian mà ngun sáng bc x nng lng ca nó.
1.1.4.2 Quang thông
Thông lng nng lng ca ánh sáng nhìn thy là mt khái nim có ý ngha quan
trng v mt vt lý. Tuy nhiên trong k thut chiu sáng thì khái nim này ít đc quan
tâm.
Hình 3: ng cong hiu qu ánh sáng
Gi s có hai tia sáng đn sc màu đ (=700nm) và màu vàng (=577nm) có cùng
mc nng lng tác đng đn mt ngi thì kt qu nhn đc là mt ngi cm nhn
tia màu đ tt hn màu vàng. iu này có th gii thích là do s khúc x qua mt (vai trò
là thu kính hi t) khác nhau: các tia sáng có bé b lch nhiu và hi t trc võng
mc, các tia có ln thì li hi t sau võng mc, ch có tia =555nm (vàng) là hi t ngay
trên võng mc. Trên c s này ta phi xây dng mt đng cong hiu qu ánh sáng V()
ca mt ngi (hình 3). ng cong 1 ng vi th giác ban ngày và đng cong β ng
vi th giác ban đêm.
Nh vy thông lng nng lng không th dùng trong k thut chiu sáng phc
v con ngi, do đó phi đa vào mt đi lng mi trong đó ngoài W() còn phi k đn
đng cong V(), đi lng này gi là quang thông.
Ý ngha: V bn cht, quang thông cng chính là nng lng nhng đây đn v
tính không phi bng W mà bng Lumen. ây là đi lng rt quan trng dùng
cho tính toán chiu sáng, th hin phn nng lng mà ngun sáng bc x thành
ánh sáng ra toàn b không gian xung quanh.
1.1.4.3 Cng đ sáng
Ý ngha : Cng đ sáng là đi lng quang hc c bn, các đi lng quang hc
khác đu là đi lng dn sut xác đnh qua cng đ sáng.
Ký hiu : I
n v : Cd (cadela).
12
Cadela có ngha là ắngn nn”, đây là mt trong 7 đn v đo lng c bn (m, kg,
s, A, K, mol, cd)
nh ngha Cd: Cadenla là cng đ sáng theo mt phng đư cho ca ngun phát
bc x đn sc có tn s 540.101βHz (=555mm) và cng đ nng lng theo phng
này là 1/683 W/Sr
1.1.4.4 ri
Ký hiu : E
n v: Lux hay Lx
Lux là đn v đo đ chiu sáng ca mt b mt. chiu sáng duy trì trung bình là
các mc lux trung bình đo đc ti các đim khác nhau ca mt khu vc xác đnh. Mt
lux bng mt lumen trên mi mét vuông.
Ý ngha: Th hin lng quang thông chiu đn 1 đn v din tích ca mt b mt
đc chiu sáng, nói cách khác nó chính là mt đ phân b quang thông trên b mt chiu
sáng.
1.1.4.5 trng
Ý ngha:
trng đc trng cho s phát sáng theo mi phng ca vt phát sáng (bao gm
ngun sáng và ánh sáng phn x ca vt đc chiu sáng).
Ký hiu: R
n v: Lm/m
2
1 Lm/m
2
là đ trng ca mt ngun sáng hình cu có din tích mt ngoài 1m
2
phát
ra quang thông 1 Lumen phân b đu theo mi phng.
1.1.4.6 chói
Ý ngha:
Th hin mt đ phân b cng đ sáng phát ra t mt đn v din tích ca b mt
đó theo mt hng xác đnh đn mt ngi quan sát.
chói ph thuc vào tính cht phn quang ca b mt và hng quan sát (không
ph thuc vào khong cách t mt đó đn đim quan sát).
Ký hiu: L
n v: Cd/m
2
1 Cd/m
2
là đ chói ca mt mt phng phát sáng đu có din tích 1 mβ và có
cng đ sáng 1 Cd theo phng vuông góc vi ngun đó.
1.1.4.7 Nhit đ mƠu
Nhit đ màu ca mt ngun sáng đc th hin theo thang Kelvin (K) là biu hin
màu sc ca ánh sáng do nó phát ra. Mt thanh st khi ngui có màu đen, khi nung nóng
13
đu nó rc lên ánh sáng da cam, tip tc nung nó s có màu vàng, và tip tc nung nó s
tr nên ắnóng trng”. Ti bt k thi đim nào trong quá trình nung, chúng ta có th đo
đc nhit đ ca thanh thép theo đ Kelvin (0C + β7γ) và gán giá tr đó vi màu đc
to ra.
Hình 4: Biu đ Kruithof
i vi đèn si đt, nhit đ màu chính là nhit đ bn thân nó. i vi đèn
hunh quang, đèn phóng đin (nói chung là các loi đèn không dùng si đt) thì nhit đ
màu ch là tng trng bng cách so sánh vi nhit đ tng ng ca vt đen tuyt đi b
nung nóng.
1.2 Mt s hin tng phát sáng vƠ phm vi ng dng trong chiu sáng nhơn
to
1.2.1 Hin tung phát sáng do nung nóng
Bt k vt th nào có nhit đ > 0 K đu bc x nng lng di dng sóng đin
t. Nhit đ càng cao thì cng đ ánh sáng tng lên và màu sc b ngoài cng tr nên
sáng hn. Các loi đèn đin chiu sáng thng dùng dòng đin đ đt nóng si đt (dây
tóc) bng kim loi. Hin tng phát sáng khi nung nóng bng dòng đin đc nhà khoa
hc Anh Humphrey DaVy phát hin nm 180β. Sau đó nhà phát minh ngi M Edison
mi ch to ra đèn si đt đu tiên.
Hin tng phát x ánh sáng do nung nóng đc gii thích nh sau: Khi có đin áp
đt vào hai đu dây tóc, các đin t các lp ngoài ca nguyên t đc gii phóng khi
nguyên t và dch chuyn trong mng tinh th kim loi. Trong quá trình di chuyn, đin
t luôn luôn có va chm vi các nguyên t, do đó đng nng ca đin t đư truyn mt
phn cho nguyên t. Kt qu là các nguyên t b kích thích và mt s đin t lp trong
nhy ra lp ngoài (nu lp đó cha đy). in t này có xu hng tr v v trí trng gn
14
ht nhân hn (v trí n đnh) và nu điu đó xy ra thì đin t s mt mt lng nng
lng E (th nng) đng thi gii phóng mt photon có bc sóng = c.h/E (có th là ánh
sáng nhìn thy hoc không nhìn thy).
Nng lng bc x có th bao gm quang nng, nhit nng và bc x hng ngoi.
ng dng hin tng này đ ch to các loi đèn si đt nh đèn si đt chân
không (trong dân dng 50W-75W), đèn si đt halogen (còn gi là đèn halogen-
Vonfram).
1.2.2 Hin tung phát sáng do phóng đin
Hin tng này do nhà khoa hc Anh Edward Townsend phát hin đu tiên.
Hin tng phóng đin trong cht khí là quá trình din ra rt phc tp, ph thuc vào áp
sut khí, công sut ngun đin và dng đin trng. Tuy nhiên có th mô t tóm tt thông
qua thí nghim sau đây: cho ng phóng đin thy tinh cha hi kim loi hoc mt khí tr
nào đó áp sut thp, bên trong có đt β đin cc và đc ni vi ngun 1 chiu thông
qua bin tr điu chnh đc:
Khi đin áp tng lên thì dòng đin tng theo (đon AB). Nguyên nhân có dòng đin
là do các ion t do tn ti trong cht khí.
n đim B (đim xy ra phóng đin) thì dòng đin tng rt nhanh còn đin áp
gim xung đn đim M (đim duy trì phóng đin). Nguyên nhân dòng đin tng là do
hin tng ion hóa cht khí làm cho s đin t tng lên nhanh.
n đim D (bng cách gim R) s xy ra hin tng phóng đin h quang.
Nguyên nhân là do đin cc b đt nóng quá mc làm phát x đin t bng hiu ng
nhit-ion.
Cn lu ý là nu áp sut cao s xy ra hin tng phóng đin tia la ch không
phi phóng đin ta sáng vì áp sut cao, hin tng phóng đin không t duy trì đc.
Khi ng dng hin tng này vào đèn đin chiu sáng, ngi ta ch cho đèn làm vic
trong khong B-D vi đim làm vic M đc xác lp nh đin tr R gi là ắchn lu”.
in áp ti đim B đc gi là đin áp phóng đin hay đin áp mi. Khi phóng đin, các
nguyên t khí b kích thích lên mc nng lng cao hn, sau đó tr v trng thái ban đu
thì phát ra phôton gây nên hin tng phát sáng hng t cc âm sang cc dng. Ánh
sáng phát ra thng đn sc và mang màu đc trng ca khí trong ng thy tinh. Ngoài
ánh sáng nhìn thy, tùy vào cht khí mà còn có các tia hng ngoi hay t ngoi. Nu có
phát tia t ngoi thì ng phóng đin phi làm bng thy tinh có đc tính cn tia t ngoi
(thy tinh natri cacbonat), tránh hy dit sinh vt sng, tia hng ngoi không nguy him
vì nó ch có tác dng nhit.
15
Hình 5: Thí nghim phóng đin trong cht khí
i vi ngun đin xoay chiu hình sin thì chiu dòng đin duy trì trong ng thy
tinh liên tc thay đi theo tn s ngun đin. C dòng đin và đin áp trong ng phóng
đin không còn là hình sin na nên nó đc xem là mt phn t phi tuyn. Mc dù mt
ngi không cm nhn đc nhng ánh sáng do đèn to ra là ánh sáng nhp nháy liên tc.
Hình 6: Phóng đin trong cht khí vi ngun đin hình Sine
Nng lng bc x gm quang nng, nhit nng, bc x hng ngoi, bc x t
ngoi có t l thay đi theo áp sut và loi khí s dng.
ng dng hin tng này đ ch to các loi đèn hi phóng đin Natri áp sut
thp, Natri áp sut cao, đèn halogen kim loi (hi thy ngân cao áp),…
1.2.3 Hin tng phát sáng hunh quang
Hin tng hunh quang đc bit đn vào gia th k 19 bi nhà khoa hc ngi
Anh George G. Stoke. Khi cho ánh sáng t ngoi chiu vào cht phát hunh quang thì
mt phn nng lng ca nó bin đi thành nhit, phn còn li bin đi thành ánh sáng có
bc sóng dài hn nm trong di quang ph nhìn thy đc.
16
ng dng hin tng này ngi ta ch to ra đèn hunh quang gm bóng thu tinh
không cho tia t ngoi xuyên qua, trong đó cha cht thu ngân áp sut thp. Khi phóng
đin, các đin t phát x t đin cc kích thích nguyên t thu ngân và to ra tia t ngoi
(bc sóng β5γ,7nm), các tia t ngoi đp vào thành ng (có quét bt hunh quang) làm
đèn phát sáng.
Hình 7: Ảii thích hin tng phát sáng hunh quang
Hiu sut phát sáng ca đèn hunh quang khá cao. Cht hunh quang có rt nhiu
loi nhng thng dùng cht halophosphat canxi γ Ca(PO4)
2
. CaF
2
đ quét vào bên trong
thành ng phóng đin mt lp mng.
Nng lng bc x t hin tng phóng đin ngoài tia t ngoi có th còn có tia
hng ngoi.
1.2.4 Hin tng phát sáng lơn quang
Lân quang là mt dng phát quang, trong đó các phân t ca cht lân quang hp
th ánh sáng, chuyn hóa nng lng ca các photon thành nng lng ca các electron
sang trng thái lng t có mc nng lng cao nhng khá bn vng. Sau đó electron
chm chp ri v trng thái lng t mc nng lng thp hn và gii phóng mt phn
nng lng tr li di dng các photon.
Lân quang khác vi hunh quang ch vic electron tr v trng thái c kèm theo
nh ra photon rt chm chp. Trong hunh quang, s ri v trng thái c ca electron gn
nh tc thi khin photon đc gii phóng ngay. Do vy các cht lân quang hot đng
nh nhng b lu tr ánh sáng: thu nhn ánh sáng và chm chp nh ra ánh sáng sau đó.
17
S d có s tr v trng thái c chm chp ca các electron là do mt trong s các
trng thái kích thích khá bn nên vic chuyn hóa t trng thái này v trng thái c bn b
cm bi mt s quy tc lng t. Vic xy ra s tr v trng thái c bn ch có th đc
thc hin khi dao đng nhit đy electron sang trng thái không bn gn đó, đ t đó nó
ri v trng thái c bn. iu này khin hin tng lân quang ph thuc vào nhit đ:
nhit đ càng lnh thì trng thái kích thích càng đc bo tn lâu hn.
a s các cht lân quang có thi gian tn ti ca trng thái kích thích ch vào c
miligiây, có mt s cht có th lên ti vài phút hoc thm chí vài gi. Trong thc t ta
thy con đom đóm phát sáng đc là nh cht lân quang.
Cht d quang là cht có cha các nguyên t phát sáng lân quang.
Hin tng lân quang không đc ng dng trong k thut chiu sáng vì hiu qu
thp và trng thái phát sáng không bn.
1.2.5 Hin tng phát sáng th cp
ây không phi là ngun sáng thc s nh các hin tng đư nêu trên. Khi mt
vt đc chiu sáng thì bn thân nó cng có th phn x mt phn ánh sáng gi là phát
sáng th cp. Ch có vt đen tuyt đi mi hp th toàn b ánh sáng.
Mt vt th bt k tip nhn ánh sáng chiu vào s xy ra các hin tng : phn x,
xuyên qua, hp th. Mi hin tng này li có nhng tính cht riêng, ví d phn x li có
các loi phn x đu, phn x khuych tán,…. Các hin tng này đc nghiên cu đ
ch to các b phn ca đèn (đc bit là tm phn quang) nhm điu khin s phân b ánh
sáng ca ngun sáng hiu qu nht.
1.3 Các loi ngun sáng nhơn to thông dng
1.3.1 Bóng đèn nung sáng: (èn si đt)
Hình 8: Cu to và gin đ nng lng ca đèn si đt
18
1.3.1.1 Cu to
Dây tóc
Hình 9: Các loi dây tóc
Ch to t vt liu chu nhit (thng là vonfram, tungsten,… chu đc nhit đ
rt cao, có khi đn γ6500K).
Khi b nung nóng, si đt ch yu phát x các tia trong vùng hng ngoi (1000 µm
đn 0,78 µm ) không nhìn thy đc. Dòng đin chy qua dây tóc làm nóng nó, quá trình
này làm cho đin tr dây tóc tng lên và nó li càng b đt nóng cho đn khi nhit to ra
cân bng vi nhit tn ra không khí.
Nhit đ càng cao thì ph ánh sáng càng chuyn v vùng nhìn thy và màu sc ánh
sáng cng trng hn. Tuy nhiên nhit đ cao s làm bay hi kim loi làm dây tóc nên
ngi ta thng bm khí tr (Nit, Argon, Kripton) vào bóng đèn đ làm chm quá trình
bay hi nhng đng thi cng làm tng tn tht do các cht khí này dn nhit.
Khi kim loi bay hi s ngng đng trên b mt bóng làm nó b m đi.
V bóng đèn
Ch to bng thy tinh có pha chì.
Áp sut khí tr bm vào bóng rt thp đ tránh tn nhit ra ngoài môi trng.
gim đ chói, mt trong bóng đèn đc ph lp bt m.
ui đèn
Nhim v đui đèn là ni tip xúc ngun đin cung cp cho si đt.
1.3.1.2 c đim
u đim
Ni trc tip vào li đin mà không cn thit b ph nào.
Kích thc nh
S dng đn gin, bt sáng ngay
19
Ch s hoàn màu tt, xp x bng 100
Giá thành r
To màu sc m áp, không nhp nháy.
Nhc đim
Hiu qu phát sáng rt thp do nng lng nhit tn ra môi trng ln.
Quang thông, tui th ca đèn ph thuc mnh vào đin áp ngun.
Hin nay không khuyn khích s dng trong dân dng và công nghip nhng vn
dùng trong chiu sáng s c, chiu sáng an toàn vì nó làm vic đc vi đin áp thp.
1.3.1.3 Mt s loi bóng đèn nung sáng thông dng
Bóng đèn nung sáng kiu chân không hoc áp sut khí tr
Bóng đèn nung sáng phát ra các bc x có la chn vùng ánh sáng nhìn thy.
Bóng đèn có th là chân không hoc np khí tr. Sau mt thi gian s dng, bóng đèn
thng b ti đi là do dây tóc kim loi (vonfram) b bay hi ngng li trên b mt bóng.
Nu bóng hút chân không thì nhit ta ra không khí gim xung, do đó hiu sut
ngun sáng cao hn. Tuy nhiên ch đ chân không, khi b nung nóng lên nhit đ rt
cao kim loi làm dây tóc s b bay hi nhanh, do đó loi bóng này ch ch to công sut
ti đa là vài trm W.
làm chm quá trình bay hi kim loi ngi ta thng cho thêm khí tr (nit,
argon, kripton) vào trong bóng nên công sut có th tng trên lên nhng đi li nhit ta
ra môi trng s ln hn. i vi nhng loi đèn thông dng, hn hp khí Agon-Nit vi
t l 9/1 đc s dng nhiu do giá thành thp. Kripton hoc Xenon khá đt (do công
ngh tinh ch chúng rt phc tp) nên ch đc s dng trong nhng ng dng đc bit
nh đèn chu k hoc khi có yêu cu hiu sut rt cao.
Bóng đèn nung sáng dùng khí halogen
èn nung sáng dùng khí halogen là mt loi đèn nung sáng có dây tóc bng
vonfam ging nh đèn si đt bình thng, tuy nhiên bóng đèn đc bm đy bng khí
halogen (Iod hoc Brom). Nguyên t vonfam bay hi t dây tóc nóng và di chuyn v
phía thành ca bóng đèn. Các nguyên t vonfam, oxy và halogen kt hp vi nhau ti
thành bóng đ to nên phân t vonfam oxyhalogen. Nhit đ thành bóng gi cho các
phân t vonfam oxyhalogen dng hi. Các phân t này di chuyn v phía dây tóc nóng
ni nhit đ cao hn tách chúng ra khi nhau. Nguyên t vonfam li đông li trên vùng
mát hn ca dây tóc nên bóng đèn không b m.
Nh có hi halogen nên nhit đ đt nóng đèn cho phép cao hn, do đó ánh sáng
phát ra trng hn (nhit đ màu có th đt β9000K), hiu sut ca đèn cng cao hn so
vi đèn bm khí tr hoc chân không.
20
Hình 10: Bóng đèn si đt dùng khí halogen
c đim: Gn hn, tui th dài hn, sáng trng hn, giá cao hn, nhiu tia hng
ngoi hn, nhiu tia cc tím hn.
1.3.2 Bóng đèn hunh quang
1.3.2.1 c đim cu to
èn hunh quang cng là mt loi đèn phóng đin, tuy nhiên bn cht và nguyên
lý phát sáng hoàn toàn khác vi đèn phóng đin nên di góc đ chiu sáng nó đc xem
xét vi t cách là mt chng loi đèn riêng. èn hunh quang có hiu sut ln hn đèn
si đt t γ đn 5 ln và có tui th ln hn t 10 đn β0 ln.
Hình 11: Cu to bóng đèn hunh quang
Phía bên trong thành thy tinh ca bóng đèn ngi ta tráng mt lp cht bt hunh
quang, ngoài ra ngi ta còn nh vài git thu ngân (khong 1βmg) và bm khí tr
(thng là khí argon) vào trong ng vi t l thích hp sao cho hin tng ion hoá d xy
ra. Khi bt đèn, thu ngân hoá hi trc do có đin áp hai đu cc, tip sau là hin
tng ion hoá cht khí đ sinh ra tia t ngoi. Tia t ngoi đp vào bt hunh quang và
phát ra ánh sáng nhìn thy.
Do đèn hunh quang phát ra tia t ngoi, nu lt ra ngoài s gây nguy him cho s
sng nên v bóng đèn đc ch to t thy tinh natri cacbonat có tác dng ngn cn tia t
ngoi không cho nó phát x ra ngoài.
21
1.3.2.2 Mch đin thp đèn hunh quang
Hình 12: S đ đu dây và gin đ nng lng ca bóng đèn
hunh quang
Bóng đèn hunh quang khi ni vi ngun đin thì bn thân nó không th t phát
sáng mà phi có b phn khi đng bao gm chn lu (còn gi là ballast) và tc-te (b
ngt mch).
Da vào bin pháp khi đng ngi ta chia thành hai loi : đèn hunh quang catot
nóng và catot ngui. Loi catt nóng thì trc khi phát x electron nó phi đc nung
nóng còn loi catot ngui thì không cn nung nóng nhng đin áp đt vào nó phi đ ln.
Catt là nhng dây tóc Vonfam có m bari cacbonat đ d dàng phát x đin t. Khi nung
nóng lp phát x này không đc nóng quá, nu không tui th ca đèn s gim xung.
Chn lu là mt cun dây đin cm bng st t, khi đèn khi đng nó làm nhim
v cung cp nng lng và to ra đin áp mi rt ln nhng khi đèn làm vic bình thng
thì nó có vai trò xác lp đim làm vic ca đèn.
Tc-te thc cht là mt công tc kiu rle nhit, khi khi đng nó đóng mch đ
cho dòng đin chy qua đt nóng catot đng thi tích lu nng lng t trng cho chn
lu. Khi mi đèn, nó m ra làm dòng đin b gián đon và nng lng trong chn lu gii
phóng di dng xung đin áp u = Ldi/dt khá ln làm catot phát x electron. V nguyên
lý thì tc đ m ca tc-te càng bé thì đin áp xung to ra càng ln và càng giúp đèn d
khi đng.
22
Chn lu st t bn thân nó cng tiêu hao nng lng làm cho hiu sut tng ca
c b đèn hunh quang gim xung. Ngoài ra tc-te kiu rle nhit có đc tính khi đng
không tt (vì có quán tính nhit) nên cht lng ca đèn cng gim và nht là khi đin áp
thp có th không mi đuc đèn. Chn lu st t còn gây ra ting n do có đ rung ln
nên không thích hp cho môi trng vn phòng làm vic. khc phc nhng hn ch
này hin nay ngi ta ch to ra b phn khi đng bng đin t (còn gi là chn lu đin
t). Nguyên lý ca chn lu đin t là to ra xung đin áp có tn s rt cao (khong β0
kHz hoc ln hn) nh đó mà đin áp mi đc to ra rt ln, thi gian ngt mch rt bé
nên có th khi đng ngay c khi đin áp li đin thp.
1.3.3 Bóng đèn phóng đin cung đ cao (HID)
Loi đèn này làm vic da trên hin tng phóng đin h quang nên đc gi
chung là đèn phóng đin cng đ cao (hay đèn HID = Hingh Intentsity Discharge).
1.3.3.1 Cu to ca bóng đèn phóng đin
ng phóng đin
Ông phóng đin là ni xy ra hin tng h quang đin, đc ch to bng cht
trong sut hoc trong m và có dng hình tr. Ngi ta bm vào ng phóng đin hi thu
ngân, mui kim loi, hay các loi khí khác đ to ra hin tng phóng đin h quang
trong cht khí. Phóng đin h quang bao gi cng to ra nhit lng ln nên ng phóng
đin phi đc làm bng vt liu chu nhit rt cao. ng phóng đin và mt s chi tit
khác đc đt trong mt v thu tinh gi là v bóng đèn.
V bóng đèn
V bóng đèn thng làm bng thu tinh hoc các loi vt liu khác nhau nhng
chc nng ca v bóng đèn phi bao gm :
Ngn không cho không khí xâm nhp làm oxit hoá các chi tit kim loi trong bóng
đèn.
n đnh nhit đ làm vic ca đèn (đ h quang không b đt đon).
gn không cho tia t ngoi lt ra ngoài làm hu hoi s sng, đc bit là đèn hi
thu ngân to ra khá nhiu tia t ngoi.
V bóng đèn thng có dng hình ellip, có th có dng hình cu hoc hình tr.
Chn lu
Ging nh đèn hunh quang, đèn HID cng đòi hi chn lu đ mi và n đnh
đim làm vic.
ui đèn
Ch yu là kiu đui xoáy, mt s khác có kiu đui gài.
23
c đim
èn HID có ánh sáng phát ra khá n đnh, không ph thuc nhit đ môi trng
xung quanh nên rt thích hp cho chiu sáng đng ph, qung trng, công viên,…
1.3.4 èn phát sáng quang đin (LED: Lighting Emitting Diode)
Cu to c bn ca đèn LED là hai lp bán dn p và n tip xúc nhau. Tùy cht liu
ca p và n, LED có th phát ra ánh sáng có màu khác nhau, t xanh lá cây, đ, đn trng
Do tiêu hao nhit rt ít, LED hu nh không nung nóng môi trng xung quanh và khác
vi các loi bóng đèn khác, ánh sáng LED không gây chói, mi mt, không phát ra tia cc
tím. Bng vic ghép nhiu LED nh bng ht đ vi nhau, có th to mt môi trng ánh
sáng rc r trong mt không gian rng ln, thm chí có th nhit đ âm γ00C. Tuy vy,
giá thành LED hin vn còn cao nên Vit Nam nó dùng cho qung cáo là ch yu. Còn
các nc khác đư s dng cho khu du lch, vui chi gii trí, hàng nm tit kim đc rt
nhiu tin đin.
V nguyên lý: Ánh sáng đc to ra khi dòng đin chy qua nhng cht rn nht
đnh nh cht bán dn hoc photpho. èn LED là loi đèn mi nht b sung vào danh
sách các ngun sáng s dng nng lng hiu qu. Mc dù đèn LED phát ra ánh sáng
di quang ph rt hp (gn nh đn sc), chúng ta vn có th to ra "ánh sáng trng” bng
cách dùng đèn LED xanh có ph photpho hay dùng di LED màu đ-xanh da tri-xanh lá
cây đ hoà ánh sáng. èn LED có tui th t 40.000 đn 100.000 gi tùy thuc vào màu
sc. èn LED đư đc s dng trong nhiu ng dng chiu sáng, bao gm bin báo li
thoát, đèn tín hiu giao thông và nhiu ng dng trang trí khác. Mc dù còn mi m, công
ngh đèn LED đang phát trin nhanh và ha hn trong tng lai. Ti đèn tín hiu giao
thông, mt th trng th mnh ca LED, tín hiu đèn đ bao gm 196 đèn LED ch tiêu
th 10W trong khi đèn nóng sáng s tiêu th 150W. Kh nng tit kim nng lng c
tính khong t 8β% đn 9γ%. Ngoài ra đèn LED phi hp vi pin mt tri có th to ra
h thng chiu sáng thân thin vi môi trng, không tiêu th đin, tit kim tài nguyên
quc gia, góp phn gim phát thi khí nhà kính. Tuy nhiên đây là công ngh mi, giá
thành đu t rt cao nên cn có thi gian đ thng mi hoá.
1.3.5 èn Sulfua
èn này cng không có đin cc, ánh sáng phát ra do bc x ca các nguyên t
sulfua trong môi trng khí argon b kích thích bng vi sóng. èn có quang hiu rt cao,
c 100lm/W và bc x rt ít tia hng ngoi cng nh t ngoi. Nhit đ màu có th lên
ti 60000K gn vi ánh sáng ban ngày và ch s hoàn màu CRI=80. Khi phân tích ph
màu đèn sulfua ngi ta thy nó gn trùng vi ph màu ca ánh sáng ban ngày nên đây là
loi đèn lý tng đ chiu sáng trong nhà và mang li cm giác d chu.
24
CHNG 2: TNG QUAN V H THNG IU KHIN
VÀ GIÁM SÁT CÁC H THNG CHIU SÁNG CÔNG
CNG
Do nhng u đim ni tri ca đèn phóng đin khi s dng cho chiu sáng đng
giao thông, chiu sáng các khu vc công cng trong đô th mà hin nay đèn phóng đin
HID là ngun sáng đc s dng ch yu.
2.1 Cu to vƠ các thông s ca b đèn chiu sáng công cng
2.1.1 Cu to ca b đèn chiu sáng công cng
2.1.1.1 Tm phn quang
Các loi đèn chiu sáng công cng thng có tm phn quang đ phân b li ánh
sáng ca ngun cho phù hp vi mc đích s dng.
Tm phn quang có th đc làm bng gng hoc đc m màu trng
Hình 13: Cu to b đèn chiu sáng công cng
25
Hình dáng tm phn quang ph thuc vào yêu cu phân b ánh sáng. Thông
thng tm phn quang có dng paraboloit tròn xoay và ngun sáng đt tiêu đim thì
các tia sáng phn x s song song nhau. Mt s b đèn có tm phn quang dng elipxoit
tròn xoay có ngun sáng đt mt tiêu đim thì các tia sáng phn x s hi t v tiêu
đim th β đ to thành ngun sáng đim. Ngoài ra còn có loi tm phn quang hai múi,
gm hai na paraboloit tròn xoay ghép li, s làm tng đáng k hiu sut ca b đèn so
vi loi mt múi.
Hình 14: Các loi tm phn quang
2.1.1.2 Thit b mi đèn (tc te) vƠ chn lu
Thit b mi đèn
Các đèn phóng đin cn phi có thit b mi đ to đin áp ban đu đ ln đ to ra
hin tng phóng đin (hin tng mi). Sau khi xy ra phóng đin ban đu, dòng đin
tng lên, đin áp gim xung và hin tng phóng đin tip tc duy trì đin áp ca li
đin. Thit b mi thng dùng loi rle nhit, hin nay vn còn dùng ph bin nhng dn
dn s b thay th bi thit b mi đin t. Nhc đim là mau hng, to đin áp mi
không ln, có ting đng khi làm vic, khó mi.
Hin nay bt đu s dng thit b mi đin t thay th c b mi và chn lu kiu
đin cm đc gi chung là chn lu đin t. c đim là to ra xung dòng đin rt hp
có tn s cao (trên β0kHz), do đó to đin áp mi ln, không nhp nháy, đin áp ngun
thp vn mi đc. Nh không có chn lu st t nên tn hao nhit gim xung làm tng
đáng k hiu sut ca b đèn.
Hình 15: Thit b mi đèn