Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển hệ thống chiếu sáng sử dụng công nghệ GSM GPRS luận văn ths công nghệ điện tử viễn thông 60 52 70 pdf

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Phan Văn Minh

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU
KHIỂN HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG CÔNG
NGHỆ GSM/GPRS

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2010


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Phan Văn Minh

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU
KHIỂN HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG SỬ DỤNG CÔNG
NGHỆ GSM/GPRS

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Thăng Long

Hà Nội - 2010


1

MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 3
CHƢƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ NHỮNG NGUỒN SÁNG NHÂN
TẠO THÔNG DỤNG ...................................................................... 5
1.1
1.1.1
1.1.2
1.1.3
1.1.4
1.2
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.2.4
1.2.5
1.3
1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.3.4
1.3.5

Khái niệm cơ bản và các đại lƣợng đo ánh sáng ................................................. 5
Bản chất sóng - hạt của ánh sáng ....................................................................... 5
Nguồn sáng tự nhiên và quang phổ liên tục ....................................................... 6
Nguồn sáng nhân tạo và quang phổ vạch ........................................................... 6

Các đại lƣợng cơ bản đo ánh sáng ..................................................................... 6
Một số hiện tƣợng phát sáng và phạm vi ứng dụng trong chiếu sáng nhân tạo..... 9
Hiện tuợng phát sáng do nung nóng .................................................................. 9
Hiện tuợng phát sáng do phóng điện ............................................................... 10
Hiện tƣợng phát sáng huỳnh quang ................................................................. 11
Hiện tƣợng phát sáng lân quang ...................................................................... 12
Hiện tƣợng phát sáng thứ cấp .......................................................................... 13
Các loại nguồn sáng nhân tạo thông dụng ........................................................ 13
Bóng đèn nung sáng ........................................................................................ 13
Bóng đèn huỳnh quang .................................................................................... 16
Bóng đèn phóng điện cuờng độ cao (HID) ...................................................... 18
Đèn phát sáng quang điện (LED: Lighting Emitting Diode) ............................ 19
Đèn Sulfua ...................................................................................................... 19

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CÁC
HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG ................................... 20
2.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4

Cấu tạo và các thông số của bộ đèn chiếu sáng công cộng ............................... 20
Cấu tạo của bộ đèn chiếu sáng công cộng ........................................................ 20
Các thông số về quang học của bộ đèn chiếu sáng công cộng .......................... 22
Phân loại các bộ đèn chiếu sáng công cộng ..................................................... 24

Hệ thống điều khiển và giám sát chiếu sáng công cộng .................................... 25
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển và giám sát chiếu sáng Công cộng đang sử dụng
ở Hà Nội hiện nay ........................................................................................... 26
Tủ điều khiển khu vực ..................................................................................... 26
Tủ điều khiển chiếu sáng ................................................................................. 27
Phòng điều khiển và giám sát Trung tâm ......................................................... 28

CHƢƠNG 3: MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHIẾU
SÁNG QUA MẠNG GSM/GPRS .................................................. 30
3.1
Giới thiệu về Công nghệ GSM-GPRS .............................................................. 30
3.2
Mô hình ứng dụng mạng GSM/GPRS trong điều khiển ................................... 31
3.3
Mô hình ứng dụng mạng GSM/GPRS trong điều khiển và giám sát hệ thống
chiếu sáng đô thị. ................................................................................................................. 32
3.3.1
Mô hình hệ thống ............................................................................................ 32
3.3.2
Phần mềm ứng dụng ....................................................................................... 33
3.3.3
Các yêu cầu kỹ thuật ....................................................................................... 33

CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ TỦ ĐIỀU KHIỂN KHU VỰC ...................................... 35
4.1

Các chức năng của tủ điều khiển chiếu sáng khu vực ....................................... 35


2

4.2
4.3
4.3.1
4.3.2
4.4
4.4.1
4.4.2
4.4.3
4.4.4
4.4.5
4.4.6
4.4.7
4.4.8
4.4.9
4.4.10
4.5
4.5.1
4.5.2
4.5.3
4.5.4
4.5.5
4.6
4.6.1
4.6.2

Các đặc điểm chính của tủ điều khiển chiếu sáng khu vực ............................... 35
Sơ đồ khối của tủ điều khiển chiếu sáng khu vực ............................................. 36
Các phần tử trong một tủ chiếu sáng khu vực .................................................. 36
MODEM truyền thông GSM/GPRS ................................................................ 38
Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trong tủ khu vực .......................................... 41

Khối nguồn nuôi cho mạch ............................................................................. 43
Khối quản lý và nạp ắc quy ............................................................................. 44
Khối chấp hành: Điều khiển các khởi động từ và rơ le ngoài ........................... 45
Khối thẻ nhớ SD Card ..................................................................................... 46
Khối truyền thông nối tiếp UART ................................................................... 46
Khối thời gian thực ......................................................................................... 48
Khối hiển thị: Graphic LCD ............................................................................ 48
Khối Transducer ............................................................................................. 48
Khối vi điều khiển ........................................................................................... 56
Mạch in của tủ điều khiển khu vực .................................................................. 60
Phần mếm nhúng trong vi điều khiển ATMEGA128 ....................................... 62
Bù offset cho các kênh dòng và áp của ADE7758 ........................................... 63
Căn chỉnh các khối đo cho ADE7758 .............................................................. 64
Lƣu đồ chƣơng trinh chính: ............................................................................. 66
Lƣu đồ chƣơng trình đọc và giải mã lệnh từ MODEM ..................................... 68
Truyền thông giữa MODEM và mạch điều khiển ............................................ 69
Kết quả ............................................................................................................ 71
Tìm hiểu, khảo sát ........................................................................................... 71
Thực nghiệm ................................................................................................... 71

KẾT LUẬN ........................................................................................................ 77
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 79


3

MỞ ĐẦU
Tại Việt Nam trƣớc đây, chiếu sáng đô thị đƣợc xây dựng trên cơ sở lƣới đèn chiếu
sáng công cộng đƣợc xây dựng từ thời Pháp thuộc, chủ yếu dùng bóng đèn sợi đốt. Đến
năm 1975, những ngọn đèn cao áp đầu tiên đƣợc lắp đặt tại khu vực quảng trƣờng Ba

Đình và lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh. Ngoài chiếu sáng đƣờng phố, các loại chiếu sáng
khác của đô thị nhƣ chiếu sáng công viên, vƣờn hoa, chiếu sáng cảnh quan các công trình
kiến trúc văn hoá, lịch sử, thể thao, chiếu sáng tƣợng đài... còn rất sơ sài.
Hội nghị chiếu sáng đô thị lần thứ nhất (4/1992) là một mốc khởi đầu cho sự phát
triển của ngành chiếu sáng đô thị Việt Nam. Thực trạng chiếu sáng đô thị lúc đó vẫn còn
rất kém, lạc hậu so với các đô thị trong khu vực. Sau Hội nghị chiếu sáng đô thị toàn quốc
lần thứ hai (12/1995) tổ chức tại Đà Nẵng, cùng với sự phát triển vƣợt bậc của nền kinh
tế, lĩnh vực chiếu sáng đô thị ở nƣớc ta đã thực sự hình thành và phát triển [1].
 Vai trò của chiếu sáng đô thị:
Tại các nƣớc phát triển, điện năng dùng cho chiếu sáng chiếm từ 8 đến 13% tổng
điện năng tiêu thụ. Hệ thống chiếu sáng đô thị bao gồm nhiều thành phần khác nhau,
trong đó có thể kể đến chiếu sáng phục vụ giao thông, chiếu sáng các cơ quan chức năng
của đô thị...
Chiếu sáng đƣờng phố tạo ra sự sống động, hấp dẫn và tráng lệ cho các đô thị về
đêm, góp phần nâng cao chất lƣợng cuộc sống cho ngƣời dân đô thị, thúc đẩy sự phát
triển thƣơng mại và du lịch. Đặc biệt, hệ thống chiếu sáng trang trí còn tạo ra không khí lễ
hội, sự khác biệt về cảnh quan của các đô thị trong các dịp lễ tết và các ngày kỷ niệm lớn
hoặc trong thời điểm diễn ra các hoạt động chính trị, văn hóa xã hội cũng nhƣ sự kiện
quốc tế…
Do đó cần có sự đánh giá chính xác và khách quan về hiệu quả mà chiếu sáng đem
lại không chỉ về mặt kinh tế, mà còn cả trên các phƣơng diện văn hóa - xã hội. Không chỉ
nhìn nhận những hiệu quả trực tiếp trƣớc mắt, có thể tính đƣợc bằng tiền mà còn cả hiệu
quả gián tiếp và lâu dài mà chiếu sáng đem lại trong việc quảng bá, thúc đẩy sự phát triển
của thƣơng mại, du lịch và dịch vụ. Chỉ có nhƣ vậy, hệ thống chiếu sáng đô thị mới có thể
phát triển và duy trì một cách bền vững, đóng một vai trò ngày một xứng đáng trong các
công trình hạ tầng kỹ thuật đô thị.
Hiện nay ở Việt Nam nhu cầu điều khiển và giám sát các hệ thống chiếu sáng công
cộng rất cấp thiết nhằm đảm bảo cho việc điều khiển chiếu sáng một cách an toàn và tối
ƣu. Một hệ thống điều khiển và giám sát chiếu sáng công cộng cần thoả mãn một số tính
năng cơ bản nhƣ sau:

4

 Điều khiển ổn định và chính xác các hệ thống đèn chiếu sáng
 Có thể điều khiển đèn trong từng khu vực thông qua các trạm điều khiển
 Có thể điều khiển trực tiếp tại mỗi trạm điều khiển
 Đo đạc và giám sát tình trạng hoạt động của từng trạm điều khiển
 Có khả năng lƣu trữ các thông số đo đạc và điều khiển trong một thời gian
dài
 Có thể điều khiển và giám sát riêng rẽ từng trạm hay tất cả các trạm tại
trung tâm.
Để đáp ứng những yêu cầu nhƣ trên việc xây dựng một hệ thống điều khiển và
giám sát phục vụ cho chiếu sáng cho đô thị, thành phố là rất phức tạp và tốn kém.
Cùng với sự phát triển của công nghệ vi điện tử, các họ vi điều khiển ngày càng
trở nên nhỏ gọn, tích hợp nhiều chức năng, tiêu thụ ít năng lƣợng, rất phù hợp cho việc
thiết kế chế tạo các modul điều khiển đo đạc nhỏ gọn thông minh. Bên cạnh đó các công
nghệ viễn thông đang rất phát triển, đặc biệt là các công nghệ truyền dẫn số liệu tốc độ
cao thông qua mạng di động nhƣ GPRS, EDGE. Vì vậy việc ứng dụng các công nghệ viễn
thông kết hợp với một số thiết bị đầu cuối thông minh để điều khiển và giám sát là một xu
thế đang đƣợc phát triển mạnh.
 Mục tiêu của luận văn
 Thiết kế, xây dựng đƣợc một thiết bị có những chức năng chính sau:
 Nhận lệnh trực tiếp qua bàn phím để điều khiển On/Off hai khởi động từ 3
pha công suất lớn.
 Giám sát đƣợc các thông số điện áp, dòng điện, công suất, hệ số công suất
và điện năng tiêu thụ của từng pha.
 Tự động làm việc theo lịch trình lập trƣớc.
 Có khả năng kết nối với một MODEM GSM/GPRS để điều khiển và giám
sát từ xa

5

CHƢƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ NHỮNG
NGUỒN SÁNG NHÂN TẠO THÔNG DỤNG
1.1 Khái niệm cơ bản và các đại lƣợng đo ánh sáng [1]
1.1.1 Bản chất sóng - hạt của ánh sáng
Ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím, tia X, sóng radio, sóng vô tuyến,…tất cả đều là
những dạng năng lƣợng điện từ đƣợc truyền trong không gian dƣới dạng sóng, cũng giống
nhƣ các bức xạ điện từ khác đƣợc đặc trƣng bởi bƣớc sóng λ.
Sóng điện từ đƣợc chia thành các dải nhƣ bảng sau, ánh sáng mà mắt ngƣời thấy
đƣợc là dải sóng điện từ hẹp trong khoảng 380nm - 780nm:
Từ 3000 m đến 1000 m
Từ 1000 m đến 100 m
Từ 100 m đến 10 m
Từ 10 m đến 0,5 m
Từ 0,5 m đến 1,0 mm
Từ1000 µm đến 0,78 µm
Từ 780 nm đến 380 nm
Từ 380 nm đến 10 nm
Từ 100 A0 đến 0,01 A0
Từ 0,01 A0 đến 0,001 A0

Sóng dài (LW = long wave)
Sóng trung (MW = medium wave)
Sóng ngắn (SW = Short wave)
Sóng vô tuyến (FM)
Sóng rađa
Sóng hồng ngoại

Ánh sáng nhìn thấy
Tia cực tím (tia tử ngoại, UV)
Tia X
Tia γ, tia vũ trụ
Bảng 1: Dải sóng điện từ

( 1 µm = 10-6 m ; 1 nm = 10-9 m; 1 A0 = 10-10 m)
Theo thuyết lƣợng tử, ánh sáng còn mang bản chất hạt (photon), sự phát sáng của
các vật thể có thể giải thích nhƣ sau:
 Một photon bị biến mất khi nó va vào và đẩy một điện tử vòng ngoài lên trạng thái
kích thích ở các quỹ đạo xa nhân hơn đó là sự hấp thu năng lƣợng ánh sáng của vật
chất.
 Một photon đƣợc sinh ra khi điện tử từ trạng thái kích thích chuyển sang một quỹ
đạo khác gần nhân hơn và tải đi một năng lƣợng mà nguyên tử bị mất dƣới dạng tia
sáng mà bƣớc sóng tỷ lệ nghịch với năng lƣợng đƣợc truyền đi đó là sự phát ra
năng lƣợng ánh sáng của vật chất.
Nhƣ vậy căn cứ vào bƣớc sóng ta có thể phân biệt đƣợc sóng ánh sáng và các dạng
năng lƣợng khác trên quang phổ điện từ.


6

1.1.2 Nguồn sáng tự nhiên và quang phổ liên tục
Ánh sáng nhìn thấy khác với các dạng bức xạ điện từ khác ở khả năng làm kích
hoạt võng mạc của mắt ngƣời.
Vùng ánh sáng nhìn thấy có bƣớc sóng dao động từ 380nm - 780nm
Thực nghiệm cho thấy phổ của ánh sáng mặt trời là dải quang phổ liên tục có bƣớc sóng
thay đổi từ 380nm –780nm.

Hình 1: Thí nghiệm quang phổ liên tục

1.1.3 Nguồn sáng nhân tạo và quang phổ vạch

Hình 2: Thí nghệm quang phổ vạch
Ánh sáng nhân tạo có quang phổ đứt quãng (quang phổ vạch). Hình 2 là kết quả thí
nghiệm xác định quang phổ của một số nguồn sáng nhân tạo sau khi đi qua lăng kính:
1.1.4 Các đại lƣợng cơ bản đo ánh sáng
1.1.4.1 Góc khối
 Ký hiệu góc khối: Ω
 Đơn vị: Sr (steradian)


7

 Ý nghĩa: Góc khối là góc trong không gian, đặc trƣng cho góc nhìn (tức là từ một
điểm nào đó nhìn vật thể dƣới một góc khối). Trong kỹ thuật chiếu sáng, góc khối
biểu thị cho không gian mà nguồn sáng bức xạ năng lƣợng của nó.
1.1.4.2 Quang thông
Thông lƣợng năng lƣợng của ánh sáng nhìn thấy là một khái niệm có ý nghĩa quan
trọng về mặt vật lý. Tuy nhiên trong kỹ thuật chiếu sáng thì khái niệm này ít đƣợc quan
tâm.

Hình 3: Đường cong hiệu quả ánh sáng
Giả sử có hai tia sáng đơn sắc màu đỏ (λ=700nm) và màu vàng (λ=577nm) có cùng
mức năng lƣợng tác động đến mắt ngƣời thì kết quả nhận đƣợc là mắt ngƣời cảm nhận
tia màu đỏ tốt hơn màu vàng. Điều này có thể giải thích là do sự khúc xạ qua mắt (vai trò
là thấu kính hội tụ) khác nhau: các tia sáng có λ bé bị lệch nhiều và hội tụ trƣớc võng
mạc, các tia có λ lớn thì lại hội tụ sau võng mạc, chỉ có tia λ=555nm (vàng) là hội tụ ngay
trên võng mạc. Trên cơ sở này ta phải xây dựng một đƣờng cong hiệu quả ánh sáng V(λ)
của mắt ngƣời (hình 3). Đƣờng cong 1 ứng với thị giác ban ngày và đƣờng cong 2 ứng
với thị giác ban đêm.

Nhƣ vậy thông lƣợng năng lƣợng không thể dùng trong kỹ thuật chiếu sáng phục
vụ con ngƣời, do đó phải đƣa vào một đại lƣợng mới trong đó ngoài W(λ) còn phải kể đến
đƣờng cong V(λ), đại lƣợng này gọi là quang thông.
 Ý nghĩa: Về bản chất, quang thông cũng chính là năng lƣợng nhƣng ở đây đơn vị
tính không phải bằng W mà bằng Lumen. Đây là đại lƣợng rất quan trọng dùng
cho tính toán chiếu sáng, thể hiện phần năng lƣợng mà nguồn sáng bức xạ thành
ánh sáng ra toàn bộ không gian xung quanh.
1.1.4.3 Cƣờng độ sáng
 Ý nghĩa : Cƣờng độ sáng là đại lƣợng quang học cơ bản, các đại lƣợng quang học
khác đều là đại lƣợng dẫn suất xác định qua cƣờng độ sáng.
 Ký hiệu : I
 Đơn vị : Cd (cadela).


8

Cadela có nghĩa là “ngọn nến”, đây là một trong 7 đơn vị đo lƣờng cơ bản (m, kg,
s, A, K, mol, cd)
 Định nghĩa Cd: Cadenla là cƣờng độ sáng theo một phƣơng đã cho của nguồn phát
bức xạ đơn sắc có tần số 540.1012Hz (λ=555mm) và cƣờng độ năng lƣợng theo phƣơng
này là 1/683 W/Sr
1.1.4.4 Độ rọi
 Ký hiệu : E
 Đơn vị: Lux hay Lx
Lux là đơn vị đo độ chiếu sáng của một bề mặt. Độ chiếu sáng duy trì trung bình là
các mức lux trung bình đo đƣợc tại các điểm khác nhau của một khu vực xác định. Một
lux bằng một lumen trên mỗi mét vuông.
 Ý nghĩa: Thể hiện lƣợng quang thông chiếu đến 1 đơn vị diện tích của một bề mặt
đƣợc chiếu sáng, nói cách khác nó chính là mật độ phân bố quang thông trên bề mặt chiếu
sáng.

1.1.4.5 Độ trƣng
 Ý nghĩa:
Độ trƣng đặc trƣng cho sự phát sáng theo mọi phƣơng của vật phát sáng (bao gồm
nguồn sáng và ánh sáng phản xạ của vật đƣợc chiếu sáng).
 Ký hiệu: R
 Đơn vị: Lm/m2
1 Lm/m2 là độ trƣng của một nguồn sáng hình cầu có diện tích mặt ngoài 1m2 phát
ra quang thông 1 Lumen phân bố đều theo mọi phƣơng.
1.1.4.6 Độ chói
 Ý nghĩa:
Thể hiện mật độ phân bố cƣờng độ sáng phát ra từ một đơn vị diện tích của bề mặt
đó theo một hƣớng xác định đến một ngƣời quan sát.
Độ chói phụ thuộc vào tính chất phản quang của bề mặt và hƣớng quan sát (không
phụ thuộc vào khoảng cách từ mặt đó đến điểm quan sát).
 Ký hiệu: L
 Đơn vị: Cd/m2
1 Cd/m2 là độ chói của một mặt phẳng phát sáng đều có diện tích 1 m2 và có
cƣờng độ sáng 1 Cd theo phƣơng vuông góc với nguồn đó.
1.1.4.7 Nhiệt độ màu
Nhiệt độ màu của một nguồn sáng đƣợc thể hiện theo thang Kelvin (K) là biểu hiện
màu sắc của ánh sáng do nó phát ra. Một thanh sắt khi nguội có màu đen, khi nung nóng


9

đều nó rực lên ánh sáng da cam, tiếp tục nung nó sẽ có màu vàng, và tiếp tục nung nó sẽ
trở nên “nóng trắng”. Tại bất kỳ thời điểm nào trong quá trình nung, chúng ta có thể đo
đƣợc nhiệt độ của thanh thép theo độ Kelvin (0C + 273) và gán giá trị đó với màu đƣợc
tạo ra.

Hình 4: Biểu đồ Kruithof
Đối với đèn sợi đốt, nhiệt độ màu chính là nhiệt độ bản thân nó. Đối với đèn
huỳnh quang, đèn phóng điện (nói chung là các loại đèn không dùng sợi đốt) thì nhiệt độ
màu chỉ là tƣợng trƣng bằng cách so sánh với nhiệt độ tƣơng ứng của vật đen tuyệt đối bị
nung nóng.

1.2 Một số hiện tƣợng phát sáng và phạm vi ứng dụng trong chiếu sáng nhân
tạo [1]
1.2.1 Hiện tuợng phát sáng do nung nóng
Bất kỳ vật thể nào có nhiệt độ > 0 K đều bức xạ năng lƣợng dƣới dạng sóng điện
từ. Nhiệt độ càng cao thì cƣờng độ ánh sáng tăng lên và màu sắc bề ngoài cũng trở nên
sáng hơn. Các loại đèn điện chiếu sáng thƣờng dùng dòng điện để đốt nóng sợi đốt (dây
tóc) bằng kim loại. Hiện tƣợng phát sáng khi nung nóng bằng dòng điện đƣợc nhà khoa
học Anh Humphrey DaVy phát hiện năm 1802. Sau đó nhà phát minh ngƣời Mỹ Edison
mới chế tạo ra đèn sợi đốt đầu tiên.
Hiện tƣợng phát xạ ánh sáng do nung nóng đƣợc giải thích nhƣ sau: Khi có điện áp
đặt vào hai đầu dây tóc, các điện tử ở các lớp ngoài của nguyên tử đƣợc giải phóng khỏi
nguyên tử và dịch chuyển trong mạng tinh thể kim loại. Trong quá trình di chuyển, điện
tử luôn luôn có va chạm với các nguyên tử, do đó động năng của điện tử đã truyền một
phần cho nguyên tử. Kết quả là các nguyên tử bị kích thích và một số điện tử lớp trong
nhảy ra lớp ngoài (nếu lớp đó chƣa đầy). Điện tử này có xu hƣớng trở về vị trí trống gần
hạt nhân hơn (vị trí ổn định) và nếu điều đó xảy ra thì điện tử sẽ mất một lƣợng năng


10

lƣợng E (thế năng) đồng thời giải phóng một photon có bƣớc sóng λ = c.h/E (có thể là ánh
sáng nhìn thấy hoặc không nhìn thấy).
Năng lƣợng bức xạ có thể bao gồm quang năng, nhiệt năng và bức xạ hồng ngoại.
Ứng dụng hiện tƣợng này để chế tạo các loại đèn sợi đốt nhƣ đèn sợi đốt chân

không (trong dân dụng 50W-75W), đèn sợi đốt halogen (còn gọi là đèn halogenVonfram).
1.2.2 Hiện tuợng phát sáng do phóng điện
Hiện tƣợng này do nhà khoa học Anh Edward Townsend phát hiện đầu tiên.
Hiện tƣợng phóng điện trong chất khí là quá trình diễn ra rất phức tạp, phụ thuộc vào áp
suất khí, công suất nguồn điện và dạng điện trƣờng. Tuy nhiên có thể mô tả tóm tắt thông
qua thí nghiệm sau đây: cho ống phóng điện thủy tinh chứa hơi kim loại hoặc một khí trơ
nào đó ở áp suất thấp, bên trong có đặt 2 điện cực và đƣợc nối với nguồn 1 chiều thông
qua biến trở điều chỉnh đƣợc:
Khi điện áp tăng lên thì dòng điện tăng theo (đoạn AB). Nguyên nhân có dòng điện
là do các ion tự do tồn tại trong chất khí.
Đến điểm B (điểm xảy ra phóng điện) thì dòng điện tăng rất nhanh còn điện áp
giảm xuống đến điểm M (điểm duy trì phóng điện). Nguyên nhân dòng điện tăng là do
hiện tƣợng ion hóa chất khí làm cho số điện tử tăng lên nhanh.
Đến điểm D (bằng cách giảm R) sẽ xảy ra hiện tƣợng phóng điện hồ quang.
Nguyên nhân là do điện cực bị đốt nóng quá mức làm phát xạ điện tử bằng hiệu ứng
nhiệt-ion.
Cần lƣu ý là nếu áp suất cao sẽ xảy ra hiện tƣợng phóng điện tia lửa chứ không
phải phóng điện tỏa sáng vì ở áp suất cao, hiện tƣợng phóng điện không tự duy trì đƣợc.
Khi ứng dụng hiện tƣợng này vào đèn điện chiếu sáng, ngƣời ta chỉ cho đèn làm việc
trong khoảng B-D với điểm làm việc M đƣợc xác lập nhờ điện trở R gọi là “chấn lƣu”.
Điện áp tại điểm B đƣợc gọi là điện áp phóng điện hay điện áp mồi. Khi phóng điện, các
nguyên tử khí bị kích thích lên mức năng lƣợng cao hơn, sau đó trở về trạng thái ban đầu
thì phát ra phôton gây nên hiện tƣợng phát sáng hƣớng từ cực âm sang cực dƣơng. Ánh
sáng phát ra thƣờng đơn sắc và mang màu đặc trƣng của khí trong ống thủy tinh. Ngoài
ánh sáng nhìn thấy, tùy vào chất khí mà còn có các tia hồng ngoại hay tử ngoại. Nếu có
phát tia tử ngoại thì ống phóng điện phải làm bằng thủy tinh có đặc tính cản tia tử ngoại
(thủy tinh natri cacbonat), tránh hủy diệt sinh vật sống, tia hồng ngoại không nguy hiểm
vì nó chỉ có tác dụng nhiệt.

11

Hình 5: Thí nghiệm phóng điện trong chất khí
Đối với nguồn điện xoay chiều hình sin thì chiều dòng điện duy trì trong ống thủy
tinh liên tục thay đổi theo tần số nguồn điện. Cả dòng điện và điện áp trong ống phóng
điện không còn là hình sin nữa nên nó đƣợc xem là một phần tử phi tuyến. Mặc dù mắt
ngƣời không cảm nhận đƣợc nhƣng ánh sáng do đèn tạo ra là ánh sáng nhấp nháy liên tục.

Hình 6: Phóng điện trong chất khí với nguồn điện hình Sine
Năng lƣợng bức xạ gồm quang năng, nhiệt năng, bức xạ hồng ngoại, bức xạ tử
ngoại có tỷ lệ thay đổi theo áp suất và loại khí sử dụng.
Ứng dụng hiện tƣợng này để chế tạo các loại đèn hơi phóng điện Natri áp suất
thấp, Natri áp suất cao, đèn halogen kim loại (hơi thủy ngân cao áp),…
1.2.3 Hiện tƣợng phát sáng huỳnh quang
Hiện tƣợng huỳnh quang đƣợc biết đến vào giữa thế kỉ 19 bởi nhà khoa học ngƣời
Anh George G. Stoke. Khi cho ánh sáng tử ngoại chiếu vào chất phát huỳnh quang thì
một phần năng lƣợng của nó biến đổi thành nhiệt, phần còn lại biến đổi thành ánh sáng có
bƣớc sóng dài hơn nằm trong dải quang phổ nhìn thấy đƣợc.


12

Ứng dụng hiện tƣợng này ngƣời ta chế tạo ra đèn huỳnh quang gồm bóng thuỷ tinh
không cho tia tử ngoại xuyên qua, trong đó chứa chất thuỷ ngân ở áp suất thấp. Khi phóng
điện, các điện tử phát xạ từ điện cực kích thích nguyên tử thuỷ ngân và tạo ra tia tử ngoại
(bƣớc sóng 253,7nm), các tia tử ngoại đập vào thành ống (có quét bột huỳnh quang) làm

Hình 7: Giải thích hiện tượng phát sáng huỳnh quang
đèn phát sáng.
Hiệu suất phát sáng của đèn huỳnh quang khá cao. Chất huỳnh quang có rất nhiều

loại nhƣng thƣờng dùng chất halophosphat canxi 3 Ca(PO4)2. CaF2 để quét vào bên trong
thành ống phóng điện một lớp mỏng.
Năng lƣợng bức xạ từ hiện tƣợng phóng điện ngoài tia tử ngoại có thể còn có tia
hồng ngoại.
1.2.4 Hiện tƣợng phát sáng lân quang
Lân quang là một dạng phát quang, trong đó các phân tử của chất lân quang hấp
thụ ánh sáng, chuyển hóa năng lƣợng của các photon thành năng lƣợng của các electron
sang trạng thái lƣợng tử có mức năng lƣợng cao nhƣng khá bền vững. Sau đó electron
chậm chạp rơi về trạng thái lƣợng tử ở mức năng lƣợng thấp hơn và giải phóng một phần
năng lƣợng trở lại dƣới dạng các photon.
Lân quang khác với huỳnh quang ở chỗ việc electron trở về trạng thái cũ kèm theo
nhả ra photon rất chậm chạp. Trong huỳnh quang, sự rơi về trạng thái cũ của electron gần
nhƣ tức thời khiến photon đƣợc giải phóng ngay. Do vậy các chất lân quang hoạt động
nhƣ những bộ lƣu trữ ánh sáng: thu nhận ánh sáng và chậm chạp nhả ra ánh sáng sau đó.


13

Sở dĩ có sự trở về trạng thái cũ chậm chạp của các electron là do một trong số các
trạng thái kích thích khá bền nên việc chuyển hóa từ trạng thái này về trạng thái cơ bản bị
cấm bởi một số quy tắc lƣợng tử. Việc xảy ra sự trở về trạng thái cơ bản chỉ có thể đƣợc
thực hiện khi dao động nhiệt đẩy electron sang trạng thái không bền gần đó, để từ đó nó
rơi về trạng thái cơ bản. Điều này khiến hiện tƣợng lân quang phụ thuộc vào nhiệt độ:
nhiệt độ càng lạnh thì trạng thái kích thích càng đƣợc bảo tồn lâu hơn.
Đa số các chất lân quang có thời gian tồn tại của trạng thái kích thích chỉ vào cỡ
miligiây, có một số chất có thể lên tới vài phút hoặc thậm chí vài giờ. Trong thực tế ta
thấy con đom đóm phát sáng đƣợc là nhờ chất lân quang.
Chất dạ quang là chất có chứa các nguyên tử phát sáng lân quang.
Hiện tƣợng lân quang không đƣợc ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sáng vì hiệu quả
thấp và trạng thái phát sáng không bền.

1.2.5 Hiện tƣợng phát sáng thứ cấp
Đây không phải là nguồn sáng thực sự nhƣ các hiện tƣợng đã nêu ở trên. Khi một
vật đƣợc chiếu sáng thì bản thân nó cũng có thể phản xạ một phần ánh sáng gọi là phát
sáng thứ cấp. Chỉ có vật đen tuyệt đối mới hấp thụ toàn bộ ánh sáng.
Một vật thể bất kỳ tiếp nhận ánh sáng chiếu vào sẽ xẩy ra các hiện tƣợng : phản xạ,
xuyên qua, hấp thụ. Mỗi hiện tƣợng này lại có những tính chất riêng, ví dụ phản xạ lại có
các loại phản xạ đều, phản xạ khuyếch tán,…. Các hiện tƣợng này đƣợc nghiên cứu để
chế tạo các bộ phận của đèn (đặc biệt là tấm phản quang) nhằm điều khiển sự phân bố ánh
sáng của nguồn sáng hiệu quả nhất.

1.3 Các loại nguồn sáng nhân tạo thông dụng [1]
1.3.1 Bóng đèn nung sáng: (Đèn sợi đốt)

Hình 8: Cấu tạo và giản đồ năng lượng của đèn sợi đốt


14

1.3.1.1 Cấu tạo
 Dây tóc

Hình 9: Các loại dây tóc
Chế tạo từ vật liệu chịu nhiệt (thƣờng là vonfram, tungsten,… chịu đƣợc nhiệt độ
rất cao, có khi đến 36500K).
Khi bị nung nóng, sợi đốt chủ yếu phát xạ các tia trong vùng hồng ngoại (1000 µm
đến 0,78 µm ) không nhìn thấy đƣợc. Dòng điện chạy qua dây tóc làm nóng nó, quá trình
này làm cho điện trở dây tóc tăng lên và nó lại càng bị đốt nóng cho đến khi nhiệt toả ra
cân bằng với nhiệt tản ra không khí.
Nhiệt độ càng cao thì phổ ánh sáng càng chuyển về vùng nhìn thấy và màu sắc ánh
sáng cũng trắng hơn. Tuy nhiên nhiệt độ cao sẽ làm bay hơi kim loại làm dây tóc nên

ngƣời ta thƣờng bơm khí trơ (Nitơ, Argon, Kripton) vào bóng đèn để làm chậm quá trình
bay hơi nhƣng đồng thời cũng làm tăng tổn thất do các chất khí này dẫn nhiệt.
Khi kim loại bay hơi sẽ ngƣng đọng trên bề mặt bóng làm nó bị mờ đi.
 Vỏ bóng đèn
Chế tạo bằng thủy tinh có pha chì.
Áp suất khí trơ bơm vào bóng rất thấp để tránh tản nhiệt ra ngoài môi trƣờng.
Để giảm độ chói, mặt trong bóng đèn đƣợc phủ lớp bột mờ.
 Đui đèn
Nhiệm vụ đui đèn là nơi tiếp xúc nguồn điện cung cấp cho sợi đốt.
1.3.1.2 Đặc điểm
 Ƣu điểm
Nối trực tiếp vào lƣới điện mà không cần thiết bị phụ nào.
Kích thƣớc nhỏ
Sử dụng đơn giản, bật sáng ngay
Chỉ số hoàn màu tốt, xấp xỉ bằng 100


15

Giá thành rẻ
Tạo màu sắc ấm áp, không nhấp nháy.
 Nhƣợc điểm
Hiệu quả phát sáng rất thấp do năng lƣợng nhiệt tản ra môi trƣờng lớn.
Quang thông, tuổi thọ của đèn phụ thuộc mạnh vào điện áp nguồn.
Hiện nay không khuyến khích sử dụng trong dân dụng và công nghiệp nhƣng vẫn
dùng trong chiếu sáng sự cố, chiếu sáng an toàn vì nó làm việc đƣợc với điện áp thấp.
1.3.1.3 Một số loại bóng đèn nung sáng thông dụng
 Bóng đèn nung sáng kiểu chân không hoặc áp suất khí trơ
Bóng đèn nung sáng phát ra các bức xạ có lựa chọn ở vùng ánh sáng nhìn thấy.
Bóng đèn có thể là chân không hoặc nạp khí trơ. Sau một thời gian sử dụng, bóng đèn

thƣờng bị tối đi là do dây tóc kim loại (vonfram) bị bay hơi ngƣng lại trên bề mặt bóng.
Nếu bóng hút chân không thì nhiệt tỏa ra không khí giảm xuống, do đó hiệu suất
nguồn sáng cao hơn. Tuy nhiên ở chế độ chân không, khi bị nung nóng lên nhiệt độ rất
cao kim loại làm dây tóc sẽ bị bay hơi nhanh, do đó loại bóng này chỉ chế tạo công suất
tối đa là vài trăm W.
Để làm chậm quá trình bay hơi kim loại ngƣời ta thƣờng cho thêm khí trơ (nitơ,
argon, kripton) vào trong bóng nên công suất có thể tăng trên lên nhƣng đổi lại nhiệt tỏa
ra môi trƣờng sẽ lớn hơn. Đối với những loại đèn thông dụng, hỗn hợp khí Agon-Nitơ với
tỷ lệ 9/1 đƣợc sử dụng nhiều do giá thành thấp. Kripton hoặc Xenon khá đắt (do công
nghệ tinh chế chúng rất phức tạp) nên chỉ đƣợc sử dụng trong những ứng dụng đặc biệt
nhƣ đèn chu kỳ hoặc khi có yêu cầu hiệu suất rất cao.
 Bóng đèn nung sáng dùng khí halogen
Đèn nung sáng dùng khí halogen là một loại đèn nung sáng có dây tóc bằng
vonfam giống nhƣ đèn sợi đốt bình thƣờng, tuy nhiên bóng đèn đƣợc bơm đầy bằng khí
halogen (Iod hoặc Brom). Nguyên tử vonfam bay hơi từ dây tóc nóng và di chuyển về
phía thành của bóng đèn. Các nguyên tử vonfam, oxy và halogen kết hợp với nhau tại
thành bóng để tạo nên phân tử vonfam oxyhalogen. Nhiệt độ ở thành bóng giữ cho các
phân tử vonfam oxyhalogen ở dạng hơi. Các phân tử này di chuyển về phía dây tóc nóng
nơi nhiệt độ cao hơn tách chúng ra khỏi nhau. Nguyên tử vonfam lại đông lại trên vùng
mát hơn của dây tóc nên bóng đèn không bị mờ.
Nhờ có hơi halogen nên nhiệt độ đốt nóng đèn cho phép cao hơn, do đó ánh sáng
phát ra trắng hơn (nhiệt độ màu có thể đạt 29000K), hiệu suất của đèn cũng cao hơn so
với đèn bơm khí trơ hoặc chân không.


16

Hình 10: Bóng đèn sợi đốt dùng khí halogen
Đặc điểm: Gọn hơn, tuổi thọ dài hơn, sáng trắng hơn, giá cao hơn, nhiều tia hồng
ngoại hơn, nhiều tia cực tím hơn.

1.3.2 Bóng đèn huỳnh quang
1.3.2.1 Đặc điểm cấu tạo
Đèn huỳnh quang cũng là một loại đèn phóng điện, tuy nhiên bản chất và nguyên
lý phát sáng hoàn toàn khác với đèn phóng điện nên dƣới góc độ chiếu sáng nó đƣợc xem
xét với tƣ cách là một chủng loại đèn riêng. Đèn huỳnh quang có hiệu suất lớn hơn đèn
sợi đốt từ 3 đến 5 lần và có tuổi thọ lớn hơn từ 10 đến 20 lần.

Hình 11: Cấu tạo bóng đèn huỳnh quang
Phía bên trong thành thủy tinh của bóng đèn ngƣời ta tráng một lớp chất bột huỳnh
quang, ngoài ra ngƣời ta còn nhỏ vài giọt thuỷ ngân (khoảng 12mg) và bơm khí trơ
(thƣờng là khí argon) vào trong ống với tỷ lệ thích hợp sao cho hiện tƣợng ion hoá dễ xảy
ra. Khi bật đèn, thuỷ ngân hoá hơi trƣớc do có điện áp ở hai đầu cực, tiếp sau là hiện
tƣợng ion hoá chất khí để sinh ra tia tử ngoại. Tia tử ngoại đập vào bột huỳnh quang và
phát ra ánh sáng nhìn thấy.
Do đèn huỳnh quang phát ra tia tử ngoại, nếu lọt ra ngoài sẽ gây nguy hiểm cho sự
sống nên vỏ bóng đèn đƣợc chế tạo từ thủy tinh natri cacbonat có tác dụng ngăn cản tia tử
ngoại không cho nó phát xạ ra ngoài.


17

1.3.2.2 Mạch điện thắp đèn huỳnh quang

Hình 12: Sơ đồ đấu dây và giản đồ năng lượng của bóng đèn
huỳnh quang
Bóng đèn huỳnh quang khi nối với nguồn điện thì bản thân nó không thể tự phát
sáng mà phải có bộ phận khởi động bao gồm chấn lƣu (còn gọi là ballast) và tắc-te (bộ
ngắt mạch).
Dựa vào biện pháp khởi động ngƣời ta chia thành hai loại : đèn huỳnh quang catot
nóng và catot nguội. Loại catốt nóng thì trƣớc khi phát xạ electron nó phải đƣợc nung

nóng còn loại catot nguội thì không cần nung nóng nhƣng điện áp đặt vào nó phải đủ lớn.
Catốt là những dây tóc Vonfam có mạ bari cacbonat để dễ dàng phát xạ điện tử. Khi nung
nóng lớp phát xạ này không đƣợc nóng quá, nếu không tuổi thọ của đèn sẽ giảm xuống.
Chấn lƣu là một cuộn dây điện cảm bằng sắt từ, khi đèn khởi động nó làm nhiệm
vụ cung cấp năng lƣợng và tạo ra điện áp mồi rất lớn nhƣng khi đèn làm việc bình thƣờng
thì nó có vai trò xác lập điểm làm việc của đèn.
Tắc-te thực chất là một công tắc kiểu rơle nhiệt, khi khởi động nó đóng mạch để
cho dòng điện chạy qua đốt nóng catot đồng thời tích luỹ năng lƣợng từ trƣờng cho chấn
lƣu. Khi mồi đèn, nó mở ra làm dòng điện bị gián đoạn và năng lƣợng trong chấn lƣu giải
phóng dƣới dạng xung điện áp u = Ldi/dt khá lớn làm catot phát xạ electron. Về nguyên
lý thì tốc độ mở của tăc-te càng bé thì điện áp xung tạo ra càng lớn và càng giúp đèn dễ
khởi động.


18

Chấn lƣu sắt từ bản thân nó cũng tiêu hao năng lƣợng làm cho hiệu suất tổng của
cả bộ đèn huỳnh quang giảm xuống. Ngoài ra tắc-te kiểu rơle nhiệt có đặc tính khởi động
không tốt (vì có quán tính nhiệt) nên chất lƣợng của đèn cũng giảm và nhất là khi điện áp
thấp có thể không mồi đuợc đèn. Chấn lƣu sắt từ còn gây ra tiếng ồn do có độ rung lớn
nên không thích hợp cho môi trƣờng văn phòng làm việc. Để khắc phục những hạn chế
này hiện nay ngƣời ta chế tạo ra bộ phận khởi động bằng điện tử (còn gọi là chấn lƣu điện
tử). Nguyên lý của chấn lƣu điện tử là tạo ra xung điện áp có tần số rất cao (khoảng 20
kHz hoặc lớn hơn) nhờ đó mà điện áp mồi đƣợc tạo ra rất lớn, thời gian ngắt mạch rất bé
nên có thể khởi động ngay cả khi điện áp lƣới điện thấp.
1.3.3 Bóng đèn phóng điện cuờng độ cao (HID)
Loại đèn này làm việc dựa trên hiện tƣợng phóng điện hồ quang nên đƣợc gọi
chung là đèn phóng điện cƣờng độ cao (hay đèn HID = Hingh Intentsity Discharge).
1.3.3.1 Cấu tạo của bóng đèn phóng điện
 Ống phóng điện

Ông phóng điện là nơi xảy ra hiện tƣợng hồ quang điện, đƣợc chế tạo bằng chất
trong suốt hoặc trong mờ và có dạng hình trụ. Ngƣời ta bơm vào ống phóng điện hơi thuỷ
ngân, muối kim loại, hay các loại khí khác để tạo ra hiện tƣợng phóng điện hồ quang
trong chất khí. Phóng điện hồ quang bao giờ cũng toả ra nhiệt lƣợng lớn nên ống phóng
điện phải đƣợc làm bằng vật liệu chịu nhiệt rất cao. Ống phóng điện và một số chi tiết
khác đƣợc đặt trong một vỏ thuỷ tinh gọi là vỏ bóng đèn.
 Vỏ bóng đèn
Vỏ bóng đèn thƣờng làm bằng thuỷ tinh hoặc các loại vật liệu khác nhau nhƣng
chức năng của vỏ bóng đèn phải bao gồm :
 Ngăn không cho không khí xâm nhập làm oxit hoá các chi tiết kim loại
trong bóng đèn.
 Ổn định nhiệt độ làm việc của đèn (để hồ quang không bị đứt đoạn).
 găn không cho tia tử ngoại lọt ra ngoài làm huỷ hoại sự sống, đặc biệt là đèn
hơi thuỷ ngân tạo ra khá nhiều tia tử ngoại.
Vỏ bóng đèn thƣờng có dạng hình ellip, có thể có dạng hình cầu hoặc hình trụ.
 Chấn lƣu
Giống nhƣ đèn huỳnh quang, đèn HID cũng đòi hỏi chấn lƣu để mồi và ổn định
điểm làm việc.
 Đui đèn
Chủ yếu là kiểu đui xoáy, một số khác có kiểu đui gài.


19

 Đặc điểm
Đèn HID có ánh sáng phát ra khá ổn định, không phụ thuộc nhiệt độ môi trƣờng
xung quanh nên rất thích hợp cho chiếu sáng đƣờng phố, quảng trƣờng, công viên,…
1.3.4 Đèn phát sáng quang điện (LED: Lighting Emitting Diode)
Cấu tạo cơ bản của đèn LED là hai lớp bán dẫn p và n tiếp xúc nhau. Tùy chất liệu
của p và n, LED có thể phát ra ánh sáng có màu khác nhau, từ xanh lá cây, đỏ, đến trắng...

Do tiêu hao nhiệt rất ít, LED hầu nhƣ không nung nóng môi trƣờng xung quanh và khác
với các loại bóng đèn khác, ánh sáng LED không gây chói, mỏi mắt, không phát ra tia cực
tím. Bằng việc ghép nhiều LED nhỏ bằng hạt đỗ với nhau, có thể tạo một môi trƣờng ánh
sáng rực rỡ trong một không gian rộng lớn, thậm chí có thể ở nhiệt độ âm 300C. Tuy vậy,
giá thành LED hiện vẫn còn cao nên ở Việt Nam nó dùng cho quảng cáo là chủ yếu. Còn
ở các nƣớc khác đã sử dụng cho khu du lịch, vui chơi giải trí, hàng năm tiết kiệm đƣợc rất
nhiều tiền điện.
Về nguyên lý: Ánh sáng đƣợc tạo ra khi dòng điện chạy qua những chất rắn nhất
định nhƣ chất bán dẫn hoặc photpho. Đèn LED là loại đèn mới nhất bổ sung vào danh
sách các nguồn sáng sử dụng năng lƣợng hiệu quả. Mặc dù đèn LED phát ra ánh sáng ở
dải quang phổ rất hẹp (gần nhƣ đơn sắc), chúng ta vẫn có thể tạo ra "ánh sáng trắng” bằng
cách dùng đèn LED xanh có phủ photpho hay dùng dải LED màu đỏ-xanh da trời-xanh lá
cây để hoà ánh sáng. Đèn LED có tuổi thọ từ 40.000 đến 100.000 giờ tùy thuộc vào màu
sắc. Đèn LED đã đƣợc sử dụng trong nhiều ứng dụng chiếu sáng, bao gồm biển báo lối
thoát, đèn tín hiệu giao thông và nhiều ứng dụng trang trí khác. Mặc dù còn mới mẻ, công
nghệ đèn LED đang phát triển nhanh và hứa hẹn trong tƣơng lai. Tại đèn tín hiệu giao
thông, một thị trƣờng thế mạnh của LED, tín hiệu đèn đỏ bao gồm 196 đèn LED chỉ tiêu
thụ 10W trong khi đèn nóng sáng sẽ tiêu thụ 150W. Khả năng tiết kiệm năng lƣợng ƣớc
tính khoảng từ 82% đến 93%. Ngoài ra đèn LED phối hợp với pin mặt trời có thể tạo ra
hệ thống chiếu sáng thân thiện với môi trƣờng, không tiêu thụ điện, tiết kiệm tài nguyên
quốc gia, góp phần giảm phát thải khí nhà kính. Tuy nhiên đây là công nghệ mới, giá
thành đầu tƣ rất cao nên cần có thời gian để thƣơng mại hoá.
1.3.5 Đèn Sulfua
Đèn này cũng không có điện cực, ánh sáng phát ra do bức xạ của các nguyên tử
sulfua trong môi trƣờng khí argon bị kích thích bằng vi sóng. Đèn có quang hiệu rất cao,
cỡ 100lm/W và bức xạ rất ít tia hồng ngoại cũng nhƣ tử ngoại. Nhiệt độ màu có thể lên
tới 60000K gần với ánh sáng ban ngày và chỉ số hoàn màu CRI=80. Khi phân tích phổ
màu đèn sulfua ngƣời ta thấy nó gần trùng với phổ màu của ánh sáng ban ngày nên đây là
loại đèn lý tƣởng để chiếu sáng trong nhà và mang lại cảm giác dễ chịu.

20

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
VÀ GIÁM SÁT CÁC HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG
CỘNG
Do những ƣu điểm nổi trội của đèn phóng điện khi sử dụng cho chiếu sáng đƣờng
giao thông, chiếu sáng các khu vực công cộng trong đô thị mà hiện nay đèn phóng điện
HID là nguồn sáng đƣợc sử dụng chủ yếu.

2.1 Cấu tạo và các thông số của bộ đèn chiếu sáng công cộng [1]
2.1.1 Cấu tạo của bộ đèn chiếu sáng công cộng
2.1.1.1 Tấm phản quang
Các loại đèn chiếu sáng công cộng thƣờng có tấm phản quang để phân bố lại ánh
sáng của nguồn cho phù hợp với mục đích sử dụng.
Tấm phản quang có thể đƣợc làm bằng gƣơng hoặc đƣợc mạ màu trắng

Hình 13: Cấu tạo bộ đèn chiếu sáng công cộng


21

Hình dáng tấm phản quang phụ thuộc vào yêu cầu phân bố ánh sáng. Thông
thƣờng tấm phản quang có dạng paraboloit tròn xoay và nguồn sáng đặt ở tiêu điểm thì
các tia sáng phản xạ sẽ song song nhau. Một số bộ đèn có tấm phản quang dạng elipxoit
tròn xoay có nguồn sáng đặt ở một tiêu điểm thì các tia sáng phản xạ sẽ hội tụ về tiêu
điểm thứ 2 để tạo thành nguồn sáng điểm. Ngoài ra còn có loại tấm phản quang hai múi,
gồm hai nửa paraboloit tròn xoay ghép lại, sẽ làm tăng đáng kể hiệu suất của bộ đèn so
với loại một múi.

Hình 14: Các loại tấm phản quang
2.1.1.2 Thiết bị mồi đèn (tắc te) và chấn lƣu
 Thiết bị mồi đèn
Các đèn phóng điện cần phải có thiết bị mồi để tạo điện áp ban đầu đủ lớn để tạo ra
hiện tƣợng phóng điện (hiện tƣợng mồi). Sau khi xảy ra phóng điện ban đầu, dòng điện
tăng lên, điện áp giảm xuống và hiện tƣợng phóng điện tiếp tục duy trì ở điện áp của lƣới
điện. Thiết bị mồi thƣờng dùng loại rơle nhiệt, hiện nay vẫn còn dùng phổ biến nhƣng dần
dần sẽ bị thay thế bởi thiết bị mồi điện tử. Nhƣợc điểm là mau hỏng, tạo điện áp mồi
không lớn, có tiếng động khi làm việc, khó mồi.
Hiện nay bắt đầu sử dụng thiết bị mồi điện tử thay thế cả bộ mồi và chấn lƣu kiểu
điện cảm đƣợc gọi chung là chấn lƣu điện tử. Đặc điểm là tạo ra xung dòng điện rất hẹp
có tần số cao (trên 20kHz), do đó tạo điện áp mồi lớn, không nhấp nháy, điện áp nguồn
thấp vẫn mồi đƣợc. Nhờ không có chấn lƣu sắt từ nên tổn hao nhiệt giảm xuống làm tăng
đáng kể hiệu suất của bộ đèn.

Hình 15: Thiết bị mồi đèn


22

 Chấn lƣu
Chấn lƣu có nhiệm vụ chính là cung cấp điện áp lớn để mồi đèn khi khởi động đèn,
ngoài ra khi đèn làm việc bình thƣờng nó làm nhiệm vụ ổn định điểm làm việc, tránh sự
dao động điện áp lƣới ảnh hƣởng đến sự phát sáng của đèn. Có các loại chấn lƣu sau đây :
Chấn lƣu điện trở: Làm giảm hiệu suất của đèn do tiêu thụ năng lƣợng, hiệu quả
mồi đèn không cao.
Chấn lƣu điện cảm: Không tiêu thụ năng lƣợng cho việc mồi đèn nhƣ điện trở
nhƣng nó lại tiêu hao năng lƣợng dƣới dạng nhiệt và từ trễ, ngoài ra do tiêu thụ nhiều
công suất phản kháng nên làm hệ số công suất cosφ thấp.
Chấn lƣu điện cảm - tụ điện: Tác dụng nhƣ chấn lƣu điện cảm nhƣng có thêm tụ

điện nối tiếp để tăng hệ số công suất cosφ.
Chấn lƣu điện tử: biến đổi tần số 50Hz thành tần số cao (khoảng vài chục kHz).
Không tiêu hao năng lƣợng, loại trừ đƣợc hiện tƣợng nhấp nháy, kích thƣớc nhỏ gọn
nhƣng giá thành cao hơn các loại chấn lƣu nói trên.
2.1.2 Các thông số về quang học của bộ đèn chiếu sáng công cộng
Các thông số cơ bản về quang học của nguồn sáng đã đƣợc nêu trong phần các loại
nguồn sáng và các đại lƣợng cơ bản đo ánh sáng. Ở đây chỉ bổ sung một số thông số
quang học của bộ đèn. Các bộ phận này có nhiệm vụ đảm bảo sự phân bố hợp lý theo
không gian của ánh sáng, đảm bảo chiếu sáng đúng mục đích, có khả năng hạn chế chói
lóa,... không phải là nơi phát ra ánh sáng
2.1.2.1 Hệ số suy giảm quang thông
Sau một thời gian vận hành quang thông của đèn sẽ bị giảm. Để đánh giá sự suy
giảm đó ngƣời ta đƣa ra khái niệm độ suy giảm quang thông V=V1năm/Vban đầu là tỉ số
giữa quang thông của bộ đèn sau 1 năm sử dụng với quang thông ban đầu của đèn. Để
đảm bảo chất lƣợng chiếu sáng, khi thiết kế phải tính đến hệ số này.
Hiện tƣợng suy giảm quang thông do nhiều nguyên nhân nhƣng trong thiết kế
chiếu sáng ngƣời ta chỉ xét đến 2 nguyên nhân chủ yếu sau :
 Sự già hoá của bản thân bộ đèn theo thời gian sử dụng
 Sự bám bẩn của các hạt bụi trong không
2.1.2.2 Hệ số phản quang
Tính chất phản xạ của các bộ đèn thƣờng là phản xạ khuyếch tán hỗn hợp với giá
trị < 1. Đối với đèn đƣờng phố thì hệ số phản quang phải ≥0.8, sau 6000 giờ sử dụng thì
hệ số phản quang phải còn ≥ 90% so với ban đầu.


23

2.1.2.3 Hiệu suất của bộ đèn
Hiệu suất bộ đèn là tỉ số giữa quang thông phát ra của bộ đèn và quang thông của
nguồn sáng. Giá trị hiệu suất này thƣờng dao động trong khoảng từ 0,5-0,9 do vật liệu chế

tạo chế tạo bộ đèn thƣờng hấp thụ một lƣợng quang thông nhất định của nguồn sáng.
2.1.2.4 Hệ số sử dụng của bộ đèn
Xét một diện tích S đƣợc chiếu sáng bởi một bộ đèn có quang thông tổng phát ra là
Φ, gọi ΦS là quang thông do đèn chiếu đến mặt S (quang thông hữu ích). Nhƣ vậy lƣợng
quang thông Φ-ΦS không chiếu đến mặt S nên phần quang thông này là quang thông vô
ích. Trên cơ sở này ngƣời ta đƣa ra hệ số sử dụng K của bộ đèn và đƣợc định nghĩa bằng
tỉ số giữa quang thông hữu ích với tổng quang thông do đèn phát ra K= ΦS/Φ.

Hình 16: Ảnh hưởng của sơ đồ bố trí đèn đến hệ số sử dụng
2.1.2.5 Góc bảo vệ

Hình 17: Góc bảo vệ của bộ đèn
Góc bảo vệ β của bộ đèn là góc hợp bởi đƣờng thẳng nằm ngang đi qua tim bóng
đèn và đƣờng thẳng nối tim đèn đến mép miệng mở của choá đèn.
Gọi R là bán kính choá đèn, r là bán kính bóng đèn và h là chiều cao tính từ miệng
mở của choá đèn đến tim bóng thì đèn ta có công thức tính góc bảo vệ.