Ứng dụng LED để thiết kế đèn chiếu sáng dân dụng và đèn tự hiệu chỉnh độ sáng

TRNG I HC M THÀNH PH H CHÍ MINH
KHOA XÂY DNG VÀ IN



 ÁN TT NGHIP
K S NGÀNH CÔNG NGHIP



NG DNG LED  THIT K ÈN
CHIU SÁNG DÂN DNG VÀ ÈN T
HIU CHNH  SÁNG







SVTH : LÊ TRN NG KHOA
MSSV : 20762062
GVHD : ThS. TNG THANH NHÂN

TP. H Chí Minh, tháng 2 nm 2012
 án tt nghip k s công nghip GVHD: Th.S. Tng Thanh Nhân

SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20732062
LI M U





Trong cuc sng ngày nay cùng vi s phát trin ca khoa hc và công ngh thì vn đ
s dng tit kim và có hiu qu các ngun nng lng đang đc đt lên hàng đu khi
các ngun nng lng đang dn cn kit. i vi ngun nng lng đin thì vn đ đt ra
là làm th nào đ s dng tit kim và có hiu qu.  tit kim đin trong chiu sáng sinh
hot và sn xut, các bóng đèn tit kim đin dn đc ra đi.
Ngày nay, khi công ngh ch to linh kin bán dn phát trin nhanh chóng thì cng
xut hin linh kin bán dn có kh nng phát sáng vi công sut tiêu th đin thp và tui
th bóng cao, đó là LED. LED đc ng dng nhiu trong cuc sng nh hin th, qung
cáo.v.v. nhng ng dng trong chiu sáng thì cha đc phát trin.
Vì vy, đ tài “ ng dng LED đ thit k đèn chiu sáng dân dng và đèn t hiu
chnh đ sáng” vi mc đích nghiên cu sau:
• Nghiên cu cu to và nguyên lý hot đng ca LED
• Thit k đèn chiu sáng dùng LED.
• Thit k mch t đng hiu chnh đ sáng theo ánh sáng ngoài.
• Áp dng các kin thc đã hc vào thc t cuc sng.
Trong khong thi gian tng đi ngn và kin thc còn hn hp nên trong quá trình
thc hin đ tài có nhiu thiu sót. Kính mong s đóng góp ý kin ca các thy cô và các
bn đ tôi hoàn thin và phát trin đ tài hn na.

 án tt nghip k s công nghip GVHD : Th.S Tng Thanh Nhân


SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062
LI CM N





Trc ht, con xin cm n ba m, gia đình đã là ngun đng viên rt ln và là ch da
vng chc nht ca con trong sut quá trình hc tp trên ging đng đi hc.
Em cng xin kính gi đn thy Tng Thanh Nhân li cm n chân thành và sâu sc
nht, cm n thy đã tn tình hng dn, ch dy em trong sut quá trình thc hin đ án tt
nghip này.
Em cng xin cm n tt c các thy cô ca trng i Hc M Tp.HCM nói chung,
quý thy cô ca khoa Xây Dng & in và các thy cô b môn nói riêng đã tn tình ging
dy, trang b cho em nhng kin thc b ích trong thi gian hc đi hc.
Chúng tôi cng xin cm n tt c bn bè đã đng viên, góp ý, giúp đ tôi rt nhiu
trong quá trình hc tp và thc hin đ án tt nghip này.
Xin gi ti mi ngi li cm n chân thành nht.


Sinh viên
Lê Trn ng Khoa

 án tt nghip k s công nghip GVHD : Th.S Tng Thanh Nhân


SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062
MC LC
Li m đu
Li cm n
Mc lc
Chng 1: TNG QUAN V  TÀI 1
1.1.Mc đích chn đ tài 1
1.2.i tng nghiên cu ca đ tài 1
1.3.Phng pháp và phng tin nghiên cu 1
1.3.1.Phng pháp nghiên cu 1
1.3.2.Phng tin nghiên cu 2
1.4. ng dng và kh nng phát trin ca đ tài 2
1.4.1. ng dng 2
1.4.2. Kh nng phát trin ca đ tài 2
Chng 2: TNG QUAN V LED 2
2.1. Diode bán dn 2
2.1.1. Vt liu bán dn 2
2.1.2. Vùng nng lng trong bán dn 4
2.1.3. Tip giáp p-n và diode bán dn 6
2.1.3.1. Cu to diode 6

2.1.3.2. Phân cc cho diode 7
2.1.3.3. c tuyn volt-ampe ca diode 8
2.2. LED 9
2.2.1. Lch s phát trin ca LED 9
2.2.2. Cu to và nguyên lý hot đng ca LED 10
2.2.2.1. Cu to 10
2.2.2.2. Nguyên lý hot đng ca LED 11
2.2.2.3. c tuyn votl-ampe ca LED 12
2.2.2.4. u đim ca LED 13
2.2.2.5. ng dng ca LED 13
Chng 3: THIT K ÈN CHIU SÁNG S DNG LED 15
3.1. èn chiu sáng s dng LED 5mm 15
3.1.1. Yêu cu 15
3.1.2. Thit k 15
3.1.3. Lp ráp và hiu chnh 16
3.1.4. ánh giá và kt lun 17
3.2. èn chiu sáng s dng LED SMD5050 18
3.2.1. Gii thiu v LED SMD5050 18
3.2.2. Thit k 19
3.2.3. Lp ráp và hiu chnh 20
3.2.4. ánh giá và kt lun 21
Chng 4: Thit k mch t điu chnh đ sáng 22
4.1. Gi thiu chung 22
4.2. Vi mch khuch đi thut toán opamp, vi mch TL082 và quang tr 22
4.2.1. C bn v vi mch khuch đi thut toán 22
4.2.2. Các dng c bn ca khuch đi thut toán 23
4.2.3. Gii thiu v vi mch TL082 25
4.2.4. Quang tr 27
 án tt nghip k s công nghip GVHD : Th.S Tng Thanh Nhân

SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062
4.3. Thit k đèn t hiu chnh đ sáng 28
4.3.1. Gii thiu v đèn t hiu chnh đ sáng 28
4.3.2. Thit k 28
4.3.2.1. Khi ngun 28
4.3.2.2. Thit k mch to xung rng ca 28
4.3.2.3. Thit k mch điu rng xung theo ánh sáng 31
4.3.2.4. Khi LED chiu sáng 33
4.3.2.5. S đ nguyên lý ca đèn 33
4.3.2.6. Thi công và hiu chnh 35
KT LUN 37
DANH MC TÀI LIU THAM KHO 38












 án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân


SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 1
CHNG 1: TNG QUAN V  TÀI

1.1. Mc đích chn đ tài
Cùng vi s phát trin ca khoa hc và công ngh. Các vn đ v nng lng là nhng vn đ
quan trng ca th gii hin nay. Khi các ngun nng lng t nhiên đang dn cn kit nh than
đá, du m.v.v. Vn đ đt ra là làm th nào đ s dng nng lng tit kim và hiu qu và tìm
ra các ngun nng lng mi.
i vi nng lng đin đc sn xut t thy đin, nhit đin, phong đin và đin ht nhân
cng vy. Khi nhu cu s dng đin tng cao và các vn đ v t nhiên đang làm thiu ngun
đin cho sinh hot và sn xut. Vì vy, làm th nào đ s dng nng lng đin hiu qu và tit
kim?
Chiu sáng trong sinh hot và sn xut là nhu cu cn thit ca con ngi. Vy làm th nào
đ có mt loi đèn s dng trong sinh hot và sn xut tit kim đin nht, có tui th lâu mà vn
đm bo đ sáng . Vi s phát trin ca linh kin đin t bán dn, mt loi đèn đc ra đi vi
các u đim: tiêu th công sut thp, cho ánh sáng tt và tui th s dng lâu, đó là đèn LED.
LED đc ng dng rt nhiu trong qung cáo, hin th nhng trong lnh vc chiu sáng sinh
hot hay sn xut thì cha đc phát trin. ây là ý tng đ thc hin đ tài: “ng dng LED
đ thit k đèn chiu sáng dân dng và đèn t hiu chnh đ sáng”.
Mc đích nghiên cu ca đ tài:
• Nghiên cu, tìm hiu cu trúc và hot đng ca LED đ thit k đèn tit kim đin s
dng trong sinh hot.
• Thit k mch t điu chnh đ sáng đ giúp có ngi hc và làm vic có đc mt ánh
sáng khi làm vic tt nht.
1.2. i tng nghiên cu ca đ tài:
Thc hin đ tài da trên nhng nghiên cu v vn đ sau:
• Cu to, nguyên lý hot đng ca LED.
• Cu to, hot đng ca quang tr, đáp ng sáng vi mt ngi.
• Nguyên lý ca các mch điu rng xung, các vi mch tích hp.

 án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân


SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 2
1.3. Phng pháp và phng tin nghiên cu:
1.3.1. Phng pháp nghiên cu.
Trong quá trình nghiên cu, sinh viên thc hin ch yu da vào hai phng pháp chính:

- Phng pháp tham kho tài liu: Thu thp các tài liu liên quan đn LED , k thut mch
đin t. Sau đó, sinh viên vn dng các kin thc hin có đ tng hp các tài liu, sau cùng thit k
ra mch đin phù hp vi các yêu cu mà ban đu đã đ ra.
-
Phng pháp quan sát và thc nghim: Sau khi đã có mch theo tính toán lý thuyt, sinh
viên thi công mch thc t theo đúng s đ
nguyên lý đã vch ra. S dng các thit b đo đ hiu
chnh mch đ có nhng đáp ng đt yêu cu.
1.3.2. Phng tin nghiên cu:
• Các tài liu liên quan đn đ tài.
• Máy đo đ ri ánh sáng, dao đng ký, VOM.
• Máy tính
1.4. ng dng và kh nng phát trin ca đ tài:
1.4.1. ng dng:
 tài có tính ng dng thc tin cao:
• ng dng trong chiu sáng tit kim đin thay th dn đèn si đt và đèn hunh quang.
Vi u đim là tit kim đin và tui th cao thì đèn LED hoàn toàn có th thay th các loi đèn
chiu sáng hin nay.
• ng dng mch điu khin đ điu chnh trong hc tp và làm vic giúp tit kim đin
trong trng hp ánh sáng t nhiên nhiu, tránh hin tng chói mt. Giúp có đc ánh sáng tt
nht cho mt.

• ng dng rông rãi trong các lnh vc sinh hot, hc tp, sn xut .v.v.
1.4.2. Kh nng phát trin ca đ tài:
Phát trin đ tài đ sn xut nhng đèn có công sut cao hn, cht lng ánh sáng tt hn.
Phát trin mch t điu chnh đ sáng có đ nhy hot đng tt và nh gn hn.








 án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân


SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 3
Chng 2: TNG QUAN V LED
2.1 Diode bán dn:
2.1.1. Vt liu bán dn:
Trong quá trình phân loi vt cht đi vi quá trình dn đin, ngi ta chia ra thành ba loi:
vt liu dn đin, vt liu cách đin và vt liu bán dn.
Cht dn đin là vt liu cho phép dòng đin truyn qua nó.
Cht cách đin là vt liu không cho phép dòng đin truyn qua nó.
Cht bán dn là vt liu trung gian gia vt liu dn đin và vt liu cách đin.
Các cht bán dn đc to thành t hai loi: Các cht bán dn đn cht là các nguyên t thuc
nhóm IV ca bng tun hoàn các nguyên t hóa hc. Mt khác, các cht bán dn hp cht có th
đc hình thành t các nguyên t nhóm III và nhóm IV (thng gi là hp cht III-V), hay nhóm
II và nhóm VI (gi là hp cht II-VI). Cht bán dn hp cht cng bao gm 3 nguyên t, chng
hn nh: Thy ngân-Cadimi-telurit [mercury- cadmium-telluride]; Ga-Al-As [gallium-aluminum-
arsenic]; Ga-In-Ar [gallium-indium-arsenic]; và Ga-In-P [gallium-indium- phosphide]. Theo lch

s ch to các linh kin bán dn thì Ge là mt trong nhng cht bán dn đu tiên đc s dng.
Tuy nhiên, Ge đã đc thay th mt cách nhanh chóng bi Si dùng đ ch to các dng c bán
dn quan trng nht hin nay.
Ngoài cht bán dn bng Silicon đc dùng nhiu, còn có các cht bán dn nh: GaAr
[gallium- arsenic] và InP [Indium-phosphide] là nhng cht bán dn thông dng hin nay, đó là
nhng vt liu quan trng nht trong vic ch to các cu kin quang đin t nh: diode phát
quang (LED), công ngh Laser và các b tách sóng quang . v. v. . .
Nguyên t Si  nhóm IV trong bng tun hoàn các nguyên t hóa hc nên có 4 electron  lp
ngoài cùng. Vì vy, vt liu đn tinh th ca Si hình thành bng liên kt đng hóa tr vi 4
nguyên t Si lân cn di dng khi không gian ba chiu nh hình:
Hình 2.1: Cu trúc mng tinh th Si
 án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân


SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 4
Liên kt đng hóa tr rt bn v mt hóa hc nhng các đin t hóa tr vn có th hp th các
nng lng đáng k t bên ngoài đ b gãy các liên kt đng hóa tr to thành các đin t t do.
Di tác dng ca đin trng, nh hng ca nng lng ánh sáng di dng các photon hay
di tác đng ca nhit đ thì các đin t hóa tr s b gãy các liên kt to thành các đin t t
do. Các đin t t do mang đin tích âm còn các nguyên t do b mt electron nên mang đin tích
dng.
Trong thc t, u đim ca cht bán dn đc th hin khi các tp cht đc b sung vào các
bán dn nguyên cht. Mc dù vi nng đ rt thp nhng cht bán dn mi đc to thành có ý
ngha điu chnh đc tính dn đin ca vt liu rt tt. Các tp cht thng đc s dng là các
nguyên t thuc nhóm III và nhóm V ca bng tun hoàn các nguyên t hóa hc.
Khi pha tp các bán dn đc ly t nhóm V các nguyên t hóa hc, có 5 electron  lp ngoài
cùng, vào bán dn Si. Các nguyên t thng đc s dng là Phosphorus, Arsenic và Antimony.
Khi mt nguyên t này th mt nguyên t Si, do có 5 electron nên khi hình thành các liên kt vi
các nguyên t Si thì còn d mt electron. Electron này liên kt rt yu vi nguyên t nên ch cn
mt nng lng rt nh là có th b gãy liên kt và to thành mt đin t t do. Nh vy,  nhit

đ phòng, các nguyên t ca tp cht b mt mt electron và mang đin tích dng, tng đng
đin tích không thay đi trong mng tinh th không thay đi. Trong bán dn mi to thành do s
pha tp này s luôn tha eclectron nên mang đin tích âm.
Hình 2.2: Cu trúc mng tinh th Si khi pha tp P
Khi pha các tp cht  nhóm III vào bán dn Si, vì có 3 electron  lp ngoài cùng nên khi hình
thành liên kt vi các nguyên t Si, các nguyên t này còn tha mt khong trng trong cu liên
kt, các l trng rt d cho các đin t xung quanh chuyn sang và hình thành các l trng khác.
Các l trng này xem nh các ht mang đin tích dng. Vy, bán dn mi to thành do s pha
tp này luôn mang đin tích dng trong mng tinh th không thay đi.
 án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân


SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 5
Trong bán dn đc pha tp thì nng đ ca đin t và l trng chênh lch nhau rt nhiu:
Nu nng đ đin t ln hn nng đ l trng, ta gi là bán dn loi N.
Nu nng đ l trng ln hn nng đ đin t, ta gi là bán dn loi P.
2.1.2 Vùng nng lng trong bán dn:
Tính cht dn đin ca các vt liu rn đc gii thích nh lý thuyt vùng nng lng. Nh ta
bit đin t tn ti trong nguyên t trên nhng mc nng lng gián đon (các trng thái dng).
Nhng trong cht rn, khi mà các nguyên t kt hp li vi nhau thành các khi, thì các mc
nng lng này b ph lên nhau, và tr thành các vùng nng lng và s có ba vùng chính.
Hình 2.3: Các vùng nng lng ca cht rn
• Vùng hóa tr (valence band): Là vùng có nng lng thp nht theo thang nng lng, là
vùng mà đin t b liên kt mnh vi nguyên t và không linh đng.
• Vùng dn (Conduction band): Vùng có mc nng lng cao nht, là vùng mà đin t s
linh đng (nh các đin t t do) và đin t  vùng này s là đin t dn, có ngha là cht s có
kh nng dn đin khi có đin t tn ti trên vùng dn. Tính dn đin tng khi mt đ đin t trên
vùng dn tng.
• Vùng cm (Forbidden band): Là vùng nm gia vùng hóa tr và vùng dn, không có mc
nng lng nào do đó đin t không th tn ti trên vùng cm. Nu bán dn pha tp, có th xut

hin các mc nng lng trong vùng cm (mc pha tp). Khong cách gia đáy vùng dn và đnh
vùng hóa tr gi là đ rng vùng cm, hay nng lng vùng cm (Band Gap). Tùy theo đ rng
vùng cm ln hay nh mà cht có th là dn đin hoc không dn đin.
Nh vy, tính dn đin ca các cht rn và tính cht ca cht bán dn có th lý gii mt cách
đn gin nh lý thuyt vùng nng lng nh sau:
• Kim loi có vùng dn và vùng hóa tr ph lên nhau (không có vùng cm) do đó luôn luôn
có đin t trên vùng dn vì th mà kim loi luôn luôn dn đin.
 án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân


SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 6
• Các cht bán dn có vùng cm có mt đ rng xác đnh.  không đ tuyt đi (0 K) mc
Fermi nm gia vùng cm, có ngha là tt c các đin t tn ti  vùng hóa tr, do đó cht bán dn
không dn đin. Khi tng dn nhit đ, các đin t s nhn đc nng lng nhit (k
B
.T vi k
B
là
hng s Boltzmann) nhng nng lng này cha đ đ đin t vt qua vùng cm nên đin t
vn  vùng hóa tr. Khi tng nhit đ đn mc đ cao, s có mt s đin t nhn đc nng lng
ln hn nng lng vùng cm và nó s nhy lên vùng dn và cht rn tr thành dn đin. Khi
nhit đ càng tng lên, mt đ đin t trên vùng dn s càng tng lên, do đó, tính dn đin ca
cht bán dn tng dn theo nhit đ (hay đin tr sut gim dn theo nhit đ). Mt cách gn
đúng, có th vit s ph thuc ca đin tr cht bán dn vào nhit đ nh sau:


Vi: R
0
là hng s, E
g

là đ rng vùng cm.
Ngoài ra, tính dn ca cht bán dn có th thay đi nh các kích thích nng lng khác, ví d
nh ánh sáng. Khi chiu sáng, các đin t s hp thu nng lng t photon, và có th nhy lên
vùng dn nu nng lng đ ln. ây chính là nguyên nhân dn đn s thay đi v tính cht ca
cht bán dn di tác dng ca ánh sáng (quang-bán dn).
2.1.3 Tip giáp P-N và diode bán dn:
Tip giáp P-N là thành phn quan trng trong các cu kin đin t. Mt tip giáp p-n gi là
mt diode.
Diode đã đc phát minh bi Henry Dunwoody vào nm 1906 khi ông đt mt mu
carborundum vào gia hai vòng kp bng đng vào lò din. Sau đó mt vài nm, Greeleaf
Pickard đã phát minh b tách sóng vô tuyn tính. Các nghiên cu khác nhau đc din ra trong
khong thi gian t 1906 dn 1940 đã cho thy rng silicon và germanium là nhng loi vt liu
rt tt dùng đ ch to các diode bán dn. Nhiu vn đ khó khn đã đc khc phc v cu trúc
và công ngh ch to các diode.
2.1.3.1 Cu to diode:
Diode cu to t mt tip giáp p-n. khi ghép 2 bán dn
loi p va loi n li vi nhau ta đc mt tip giáp p-n.
Ti mt tip xúc ca hai bán dn này s xut hin mt
lp có tính cht khác hai lp kia. Bán dn loi n tha
đin tích và bán dn loi p tha l trng thì các đin tích
và l trng có xu hng khuch tán và hình thành mt vùng có rt ít đin t t do gi là vùng
 án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân


SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 7
nghèo ti b mt tip xúc p-n. Vic này to thành mt đin trng tip xúc có chiu tác dng t
bán dn n sang bán dn loi p. in trng này ngn cn s khuch tán ca các đin t t bán
dn n qua lp tip xúc. Trng thái này gi là trng thái cân bng ca diode.
Cu to ca mt diode đc th hin trong hình 2.4 . Trong cu to ca mt diode bao gm
mt tip giáp p-n vi hai đin cc gn vi hai loi bán dn trân tip giáp p-n này. in cc gn

vi bán dn n gi là anode (ký hiu A). in cc gn vi bán dn loi p gi là cathode.
Hình 2.4: Cu to diode bán dn Hình 2.5: Ký hiu diode
2.1.3.2 Phân cc cho diode:
Trong các mch đin t, phân cc là đt cung bc ngun mt chiu (dc) lên cu kin bán
dn bng ngun ngoài (V
D
). Nu ngun đin áp vi đu dng ca ngun ni v phía anode và
đu âm ni v phía cathode ca diode thì gi là phân cc thun, (tc V
D
> 0), nu đo ngc
ngun áp thì gi là phân cc nghch (V
D
< 0). Hình 1.6, cho thy mch ca diode tip giáp pn
khi đc phân cc thun.
Hình 2.6: Phân cc thun cho diode
Khi phân cc thun thì đin áp V
D
s to ra đin trng ch yu đt vào đin tích không gian
có chiu ngc li vi đin trng tip xúc s làm suy gim đin trng tip xúc mt cách hiu
qu. in áp tip xúc khi đó cng s gim xung. Khi đó, các ht ti đin là các electron và l
trng khuch tán vào hai vùng s to ra dòng đin ln chy qua tip giáp p-n. Khi đó, diode s
dn đin.
 án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân


SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 8
Khi phân cc ngc thì đo ngc đin áp V
D
. Khi đó, chiu ca đin trng ngoài cùng chiu
vi đin trng tip xúc làm cho đin áp tip xúc tng lên.  rng vùng nghèo cng tng lên.

Lúc này, diode s không cho dòng đin chay qua nó.
2.1.3.3 c tuyn volt-ampe ca diode:
c tuyn volt-ampe ca diode là đ th mô t mi quan h gia dòng đin qua diode và đin
áp đt vào hai đu diode. c tuyn này đc th hin trong hình 2.7. Trong đó, min bên phi
đ thi là min phân cc thun. đin áp
là đin áp ngng dn, đin áp này ph thuc vào cht
bán dn (
đi vi bán dn Si và 0.3 đi vi bán dn Ge). Khi đin áp V
D
> thì diode
bt đu dn.
 min bên trái đ th là min ngng dn. in áp V
Z
là ngng đin áp đánh thng. Tc là,
ti ngng đin áp thì s làm cho diode b hng.
Hình 2.7: c tuyn volt-ampe ca diode
¬ Mt s loi diode thông dng:
+ Diode bán dn: cu to bi cht bán dn Silic và Gecmani có pha thêm mt s cht đ
tng thêm electron t do. Loi này dùng ch yu đ chnh lu dòng đin.
+ Diode Schottky:  tn s thp, diode thông thng có th d dàng khóa li (ngng dn)
khi chiu phân cc thay đi t thun sang nghch, nhng khi tn s tng đn mt ngng nào đó,
s ngng dn không th đ nhanh đ ngn chn dòng đin sut mt phn ca bán k ngc.
Diode Schottky khc phc đc hin tng này.
+ Diode Zenner, còn gi là "diode n áp": là loi diode thng s dng trong mch n áp.
 án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân


SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 9
Hình 2.8: Mt s loi diode
+ Diode phát quang : hay còn gi là LED (Light Emitting Diode) là các diode có kh nng

phát ra ánh sáng hay tia hng ngoi, t ngoi. Ta s nghiên cu k  phn sau.
+ Diode thu quang : (photodiode): là loi nhy vi ánh sáng, có th bin đi ánh sáng vào
thành đi lng đin.
+ it bin dung (varicap): Có tính cht đc bit, đó là khi phn cc nghch, đit ging nh
mt t đin, loi này đc dùng nhiu cho máy thu hình, máy thu sóng FM và nhiu thit b
truyn thông khác.
+ Diode xung: là loi diode làm vic  tn s cao.
2.2 LED
Led ( light emeting diode) là loi diode phát quang có th phát ra ánh sáng khi có đin áp phân
cc thun đt lên nó. Diode phát quang s chuyn đi dòng đin thành ánh sáng rt hiu qu
trong các loi hin th khác nhau, công sut tiêu th ca LED thp, tui th cao thích hp vi các
ng dng v chiu sáng, là gii pháp tit kim đin trong chiu sáng.
2.2.1 Lch s phát trin ca LED
Nm 1907, Henry Joseph Round đã phát minh ra led đu tiên khi đt mt đin áp 10v vào tinh
th SiC ( carborundum). Sau đó, ông đt đin áp 110v thì tinh th này sáng rc.
Sau đó, nhà khoa hc Nga Oleg Vladimirovich Losev đã to ra LED đu tiên, nghiên cu sau
đó đã b quên lãng do không có ng dng nhiu trong thc tin. Nm 1955, Rubin Braunstein đã
phát hin ra s phát x hng ngoi bi hp cht GaAs(Gallium và Arsenide) và mt s hp cht
bán dn khác.
LED phát ánh sáng đ đu tiên đc phát trin vào nm 1962 bi nhà nghiên cu khoa hc
Nick Holonyak Jr. trong khi ông đang công tác ti công ty General Electric.
M. George Craford. George là ngi đã phát minh ra bóng LED có màu vàng đu tiên có
cng đ sáng gp 10 ln ánh sáng ca bóng LED màu đ và màu cam vào nm 1972. Nm
1976, T.P. Pearsall đã to ra LED hiu sut cao có ng dng quan trng cho lnh vc thông tin
liên lc bng si quang.
 án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân


SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 10
Nm 1968, Hewlett Packard gii thiu đèn LED s dng bán dn GaAsP cho ra ánh sáng đ.

n đu nhng nm 90 ca th k 20,tng công ty công nghip hóa cht Nichia, mt nhóm
các nghiên cu sinh có Fuji Nakamura đã có nhìu đóng góp cho s phát trin ca đèn led, laser
da trên nn bán dn GaN, GaInN.
Nm 1997, Led có ánh sáng trng ra đi da trên nn bán dn GaInN có hiu sut phát sáng
cao hn các loi đèn si đt hay đèn hunh quang, hiu sut phát sáng đt ti 300lm/W.
2.2.2 Cu to và nguyên lý hot đng ca led:
2.2.2.1 Cu to:
Led có cu to t nhng cht bán dn đc pha tp vi các bán dn khác ri to thành mt tip
giáp p-n. Cu to ca led đc th hin trong hình 2.9 .
Bán dn khi phát ra photon ánh sáng thì chì phát ra ánh sáng ti b mt vuông góc vi bán dn.
Vì vy, trong cu trúc ca LED, các nhà sn xut đt tip giáp p-n trong mt mt nón gi là “nón
ánh sáng”. “ Nón ánh sáng này có tác dng phn quang đ giúp có đc ti đa ánh sáng cn thit,
tng hiu sut phát sáng ca LED.

Hình 2.9: Mô hình led thc t và cu to bán dn ca led
Bo v bên ngoài ca LED là lp v nha trong sut. lp v nha này có 3 tác dng nh sau:
+ Giúp gn LED mt cách d dàng.
+ Bo v các dây dn và các câu trúc bên trong.
+ Có tác dng nh mt ng kính khuch tán giúp thúc đy s phát x ánh sáng t trong cht
bán dn.
 án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân


SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 11
Vt liu ch to LED là các liên kt ca các bán dn vi các nguyên t  nhóm III và nhóm V
trong bng tun hoàn các nguyên t hóa hc nh GaAs, GaAsP .v.v. ây là các vt liu tái hp
trc tip , có ngha s tái hp xy ra gia các đin t  sát đáy di dn và các l trng  sát đáy
di hóa tr.
2.2.2.2 Nguyên lý hot đng ca LED:
Hình 2.10: mô hình cu to và ký hiu ca LED

Khi phân cc thun cho LED, tc là đt vào hai đu LED mt đin áp . Khi đó, các ht dn đa
s khuch tán  t qua tip xúc p-n. Khi các electron gp l trng, hin tng tái hp xy ra. Lúc
này các electron  mc nng lng cao ri vào mc nng lng thp hn và gii phóng nng
lng di hình thc mt photon (hình 2.9).
Tc đ tái hp trong quá trình này t l vi nng đ đin t và l trng trong 2 bán dn.
Cng đ dòng đin qua led t l vi nng đ ht dn đc “chích” các phn bán dn. Do đó,
cng đ phát quang ca LED t l vi cng đ dòng đin qua LED.
in áp phân cc cho LED gn bng đ rng vùng cm ca vt liu bán dn. Các led bc x ra
các bc song khác nhau đc cu to t nhng vt liu bán dn có đ rng vùng cm khác nhau
nên đin áp phân cc thun cng khác nhau. in áp phân cc cho LED tng đi cao, khong t
1.6V đn 3.5V. Tuy nhiên, LED có đin áp phân cc ngc tng đi thp (khong 5V)
Cu to bán dn, đ to ra màu sc và đin áp phân cc thun ca các loi LED đc th hin
trong bng sau:
Màu
sc
Bc
sóng(nm)
in áp ri(V) Vt liu
Hng
ngoi
>760 V<1.9
Gallium Arsenide(Ga-As)
Aluminium Gallium Arsennde(AlGaAs)
 610<<760 1.63<V<2.03
Aluminium Gallium Arsennde(AlGaAs)
Gallium Arsennde Phosphide(GaAsP)
Aluminium Gallium Indium
Phosphide(AlGaInP)
 án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân

SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 12
Gallium(III) Phosphide(GaP)
Da
cam
590<<610 2.03<V<2.10
Gallium Arsenide Phosphide(GaAsP)
Aluminium Gallium Indium
Phosphide(AlGaInP)
Gallium(III) Phosphide(GaP)
Vàng 570<<590 2.10<V<2.18
Gallium Arsenide Phosphide(GaAsP)
Aluminium Gallium Indium
Phosphide(AlGaInP)
Gallium(III) Phosphide(GaP)
Lc 500<<570 2.18<V<4.0
Indium Gallium Nitride(InGaN) / Gallium(III)
Nitride(GaN)
Gallium(III) Phosphide(GaP)
Aluminium Gallium Indium
Phosphide(AlGaInP)
Aluminium Gallium Phosphide(AlGaP)
Lam 450<<500 2.48<V<3.7
Zinc Selenide(ZnSe)
Indium Gallium Nitride(InGaN)
Tím 400<<450 2.76<V<4.0 Indium Gallium Nitride(InGaN)
Tía 2.48<V<3.7
Dual blue/red LEDs
Blue with red phosphor
White with purple plastic

T
ngoi
<400 3.1<V<4.4
Diamond(C)
Aluminium Nitride(AlN)
Aluminium Gallium Nitride(AlGaN)
Trng V = 3.5 Blue/UV diode with yellow phosphor

Hình 2.11: Mt s loi LED thông dng
2.2.2.3 c tuyn volt-ampe ca LED.
c tuyn volt-ampe th hin mi quan h gia đin áp đt lên LED và dòng đin.
 án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân


SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 13
Hình 2.12: c tuyn volt-ampe ca LED
c tuyn volt-ampe ca LED có dng tng t ging nh đc tuyn volt-ampe ca diode.
Tuy nhiên, đin áp U
D
là đin áp phân cc trên LED, đin áp này ph thuc vào cu to bán dn
ca mi loi LED. in áp phân cc ngc ca LED khá nh, khong 5V.
2.2.2.4 u đim ca LED:
+ LED có hiu sut phát sáng cao, công sut tiêu th thp.
+ LED có th phát ra nhiu màu sc nên không cn dùng các b lc màu theo phng pháp
truyn thng.
+ Thi gian đáp ng nhanh (khong micro giây), điu này rt quan trng trong truyn thông
tin si quang. Có th điu khin đ sáng ti theo phng pháp điu rng xung.
+ LED có tui th cao, khong 35000 đn 50000 gi , cao hn gp nhiu ln đèn hunh
quang và đèn si đt ( khong 5000 đn 8000 gi)
2.2.2.5 ng dng ca LED:

ng dng rng rãi và ph bin hin nay ca LED là làm b phn hin th trong các thit b
đin t, đèn qung cáo, đèn trang trí, đèn giao thông .v.v.
LED còn ng dng trong lnh vc chiu sáng vì nhng u đim ca nó hoàn toàn có th thay
th nhng ngun sáng thông thng khác.
LED còn đc ng dng trong lnh vc đin t vin thông nh trong thit b điu khin t xa,
cm bin hng ngoi, công ngh truyn d liu qua tia hng ngoi(IrDA), LED UV kh trùng
nc





 án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân


SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 14



Hình 2.12: Mt s ng dng ca LED

 án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân


SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 15
Chng 3: THIT K ÈN CHIU SÁNG S DNG LED
3.1 èn chiu sáng s dng LED 5mm
3.1.1 Yêu cu :
Thit k đèn có công sut t 15w – 25w s dng đin áp 220V xoay chiu.
o cng đ dòng đin, đin áp, và đ ri ánh sáng .
3.1.2 Thit k
Chn led 5mm ánh sáng trng, lùn ca hãng KING sn sut.
Thông s k thut ca led
in áp: 3,2v -3,4v
Màu sc: trng sáng (cool while)
Cu to bán dn : GaInN
Chn s lng bóng : 280 bóng , mc song song 4 dãy Led, mi dãy 70 led mc ni tip.
Chn đin áp: vì Led là linh kin bán dn ch hot đng tt và n đnh  đin áp mt chiu nên
s dng ngun 220AC qua cu chnh lu.

Hình 3.1: S đ mch ngun dc

in áp VDC đc tính qua công thc gn đúng:

in áp ri trên mi LED là 3.2v, vì vy:

Chn đin tr hn dòng :

Chn
nên

Chn đin tr có giá tr
, công sut 5W
 án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân


SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 16
Dòng qua led:
Công sut ca 1 led:

Công sut tiêu tán trên đin tr:

Công sut ca đèn:


Hình 3.2: S đ mch cho đèn
3.1.3 Lp ráp và hiu chnh:
Kích thc đèn:
Chiu dài : 600mm
Chiu rng: 60mm
Lp ráp led trên nha PVE nh hình.
Hình 3.3: Mô hình đèn trong thc t
Sau khi lp ráp tin hành cp đin áp, ta đo đc dòng và áp nh sau:

 án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân


SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 17

Ánh sáng ca đèn không đt yêu cu, thit k hiu chnh vi các thông s nh sau:
in áp sau mch chnh lu khi có ti là :

in áp ri trên 1 nhánh Led là :

Chn
nên

Chn đin tr có giá tr
, công sut 5W
Dòng qua led:

Công sut ca 1 led:

Công sut tiêu tán trên đin tr:

Công sut ca đèn:

Sau khi hiu chnh và cho đèn hot đng trong 5h liên tc, ta có bng sau:
Thi gian V
led
I
led
V
R
[V] I
R
5 phút 3.2V 19mA 28V 71.6mA
10 phút 3.2V 19mA 28V 71.6mA
1 gi 3.2V 19mA 28V 71.6mA

2 gi 3.2V 19mA 28V 71.6mA
3 gi 3.2V 19mA 28V 71.6mA
4 gi 3.2V 19mA 28V 71.6mA
5 gi 3.2V 19mA 28V 71.6mA
 kim tra hot đng ca đèn và đ n đnh ca dòng đin, đin áp và đ sáng ca đèn.
3.1.4 ánh giá và kt lun:
 có th đánh giá v hot đng và s tit kim đin và kh nng kinh t ca đèn, ta đánh giá
so vi đèn tit kim đin compast có cùng công sut nh sau:
Chi phí đ ch to ra b đèn:
STT Tên mt hàng S n Thành tin
 án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân


SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 18
Lng giá(VN)
1 LED 280 350 98000
2 in tr công sut
5W
1 2000 2000
3 T đin 1uF/400v 1 2000 2000
4 Cu diode chnh lu 1 1000 1000
5 ng nha làm máng
đèn
1 15000 15000
6 Chi phí gia công 22000 22000
Tng 140000
Tui th ca bóng : 35000 gi. Mi ngày trung bình s dng 8 gi. Nh vy sau gn 11 nm
360 ngày mi cn thay bóng mi
Trong khi đó, vi đèn compast:
Chi phí cho 1 bóng đèn compast 18W : 35000 vnđ (bng ¼ giá thành bóng LED).

Tui th bóng : 5000 gi. Mi ngày trung bình s dng 8 gi. Nh vy sau gn 1 nm 260
ngày mi cn thay bóng mi.
Nh vy, 1 b đèn led s có thi gian s dng bng 7 đèn compast.
Tính ra chi phí ta tit kim đc: 35000*7 - 140000 = 105000 vnđ.
3.2 èn chiu sáng s dng LED SMD 5050:
3.2.1 Gii thiu v LED SMD5050:
SMD5050 là loi led siêu sáng do hãng WAY JUN sn xut. SMD5050 đc sn xut di
dng chip có 6 chân. Bên trong nó có 3 led đn. Cu to và hình dáng ca led này đc th hin
trong hình 2….

Hình 3.4 : Hình dng và cu to bên trong SMD5050
• Thông s k thut ca SMD5050 màu trng ( cool while):
 án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân


SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 19
S hiu LED: SMD5050 -WVC
Vt liu bán dn: InGaN
Màu sc: Trng sáng ( cool while).
Công sut tiêu th cc đi: 450 mW
Dòng phân cc thun cc đi: 150mA
Dòng đin phá hy: 300mA
in áp ngc: 5V
in áp phân cc thun : 2.8 – 3.6 V
Dòng phân cc ngc: 10

3.2.2 Thit k :
Vì SMD5050 đc ch to vi dng chip dán nên đ cp đin ta phi gn chip lên board mch
. Vì vy, gn led trên board mch theo s đ nh sau:
Hình 3.5: Mt đáy ca bóng Hình 3.6: Mt bên ca bóng

Sau khi v và xác đnh s lng bóng, ta có đc s lng bóng la 62 bóng.
Ni ni tip các mt ca bóng vi nhau và ráp bóng nh hình:
Hình 3.7: Mô hình thc t ca đèn
 án tt nghip k công nghip GVHD : ThS. Tng Thanh Nhân


SVTH : Lê Trn ng Khoa MSSV : 20762062 Trang 20
Cng ging nh đèn s dng LED 5mm, ta cng s dng cu diode chnh luu và đin tr công
sut hn dòng. Mch ngun DC ging nh hình 2.1.
Tính toán:
in áp ri trên mi LED là 3.2v, vì vy:

Chn đin tr hn dòng :

Chn
nên

Chn đin tr có giá tr
, công sut 5W
Dòng qua 1/3led:

Công sut ca 1/3 SMD5050:

Công sut tiêu tán trên đin tr:

Công sut ca đèn:
3.2.3 Lp ráp và hiu chnh:
Sau khi lp ráp tin hành cp đin áp, ta đo đc dòng và áp nh sau:

in áp ri trên mi LED là: 3.4 [V]
Ánh sáng ca đèn không đt yêu cu, thit k hiu chnh vi các thông s nh sau:
in áp sau mch chnh lu khi có ti là :

in áp ri trên dãy LED là :

Chn
nên

Chn đin tr có giá tr
, công sut 5W
Dòng qua 1/3 led: