Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới về mọi mặt, trong đó khoa
học công nghệ nói chung và ngành công nghệ kỹ thuật điện tử nói riêng đã góp
phần làm cho cuộc sống ngày càng hiện đại và văn minh hơn. Sự phát triển của kỹ
thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm như chính xác cao,
tốc độ nhanh, gọn nhẹ, hoạt động ổn định và là những yếu tố cần thiết làm cho hoạt
động của con người đạt hiệu quả cao. Từ lâu cảm biến được sử dụng trong các
ngành công nghiệp cũng như dân dụng như những thiết bị để cảm nhận và phát hiện
các đối tượng, một trong các đối tượng được quan tâm đó chính là ánh sáng. Cùng
với sự phát triển của xã hội, cơ sở hạ tầng bao gồm các hệ thống chiếu sáng được
xây dựng tiêu thụ một lượng lớn điện năng toàn cầu. Do đó tiết kiệm năng lượng
đang là một chương trình hành động quyết liệt đối với nhiều quốc gia trên thế giới
nói chung và Việt Nam nói riêng. Lĩnh vực chiếu sáng chiếm khoảng 15-20% điện
năng toàn cầu, do vậy yêu cầu chiếu sáng có hiệu quả, tiết kiệm năng lượng là một
yêu cầu vừa cấp bách vừa lâu dài. Để thực hiện triệt để việc tiết kiệm điện trong
chiếu sáng, cần thiết phải thực hiện đồng bộ ba yếu tố: Sử dụng các loại nguồn sáng
có hiệu suất cao trong chiếu sáng, xây dựng hệ thống tự động điều khiển chiếu
sáng sử dụng các cảm biến đảm bảo môi trường hoạt động tiện ích và nguồn sáng
của bóng đèn cần được sử dụng đúng mục đích, đúng thời điểm, đúng nhu cầu đáp
ứng tiết kiệm điện năng tối đa.
Với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu
sáng thông minh” sẽ giải đáp các vấn đề cơ bản về chiếu sáng, áp dụng những tính
chất của cảm biến ánh sáng xây dựng lên hệ thống chiếu sáng giải quyết mục tiêu
tiết kiệm điện năng cũng như đảm bảo tối đa tiện nghi chiếu sáng trong cuộc sống.
Đây là một đề tài mang tính khởi đầu đặt nền móng cho các nghiên cứu phát triển
tối ưu các hệ thống chiếu sáng thông minh sau này.
Dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Phạm Văn Bình – là người đã có rất
nhiều năm kinh nghiệm nghiên cứu, em đã được cung cấp những điều kiện và cơ sở

Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

1

2014B-KTĐT


Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

nhất định, để tự tin bước vào thực hiện luận văn. Mặc dù tính mới luôn là vấn đề
được ưu tiên nhắc tới trong khoa học kỹ thuật, tuy nhiên nhìn chung luận văn mới
dừng lại ở sự tìm tòi, tổng hợp những nghiên cứu về lý thuyết, ứng dụng thực tế, tìm
hiểu các công nghệ hiện đại trên thế giới, sau đó tóm lược lại và đưa ra những chỉ
dẫn cũng như xây dựng mô hình mô phỏng đơn giản. Em xin cảm ơn những công
lao chỉ dạy, hướng dẫn của PGS.TS Phạm Văn Bình, qua thầy em đã biết cách tìm
hiểu cơ sở lý thuyết, tiếp cận vấn đề, xác định ý tưởng và thực hiện ý tưởng. Em
cũng rất biết ơn những công lao chỉ dạy của tất cả các thầy cô trong quá trình tham
gia học tập chương trình Thạc sỹ tại Viện Điện tử Viễn thông- trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội, các thầy cô đã tạo điều kiện giúp đỡ tối đa trong suốt thời gian qua.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng năm 2016
Học viên:

Nguyễn Tuấn Cảnh

Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

2

2014B-KTĐT

Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................... 1
MỤC LỤC ........................................................................................................... 3
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................. 5
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................. 6
DANH MỤC CÁC BẢNG..................................................................................... 7
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ 8
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 10
h
ề tài ........................................................................................................ 10
M
h ghi
u
ề t i ................................................................................ 10
Đ it
gv h
vi ghi
u
ề t i ........................................................... 10
Ph
g h
ghi
u ........................................................................................... 11
gh
h h v th ti ................................................................................... 11
6. Nội dung c a luậ vă ............................................................................................... 11

Ch

g : Tổng quan về kỹ thuật chiếu sáng ...................................................... 12

1.1. Lịch sử kỹ thuật chiếu sáng .................................................................................... 12
Điện cho chiếu sáng:................................................................................................ 13
1.3. Tính chất c a ánh sáng ........................................................................................... 14
C
il
g
h s g bản ......................................................................... 15
C
ịnh luật bản c a quang hình h c ............................................................. 18
1.6. Một s t h ă g thị giác ........................................................................................ 19
6 T h ă g hì rõ a mắt .............................................................................. 19
6

Độ t

g hản .................................................................................................. 19

1.6.3. Hiệ t

ng chói lóa .......................................................................................... 20

1.7. Màu c a nguồn sáng ............................................................................................... 20
1.7.1. Màu và sắc ......................................................................................................... 20
1.7.2. Nhiệt ộ màu và tiệ
1.7.3. Chỉ s truyề

ghi

ôi tr ờng sáng ................................................... 20

t màu ...................................................................................... 21

1.8. Thiết bị v h
g h
t h hất ánh sáng ................................................... 21
8 Đ ộ r i ............................................................................................................ 21
8

Đ

ờ g ộ sáng.............................................................................................. 22

8

Đ qu

g thô g ................................................................................................. 22

1.9. Các lo i nguồn sáng ................................................................................................ 23
1.9.1 Nguồn sáng truyền th ng .................................................................................. 23
1.9.2. Các nguồn sáng mới ......................................................................................... 25
9

Đè Sulfur ...................................................................................................... 25

9

Đè

ser ....................................................................................................... 25

9

Đè

ED ......................................................................................................... 26

Kết luậ

h

g : ..................................................................................................... 40

Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

3

2014B-KTĐT


Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

Ch

g : Cảm biến ánh sáng và ng d ng.................................................... 41

2.1. Phân lo i cảm biế
h s g .................................................................... 41
2.1. S hấp th quang trong chất bán dẫn ............................................................ 45
2.1.1. Hệ s hấp th ........................................................................................................ 45
2.1.2. Hiệu suất l ng tử ................................................................................................ 48
2.2. Một s ặ tr g a các cảm biến quang ...................................................... 52
2.2.1. Tỉ s tín hiệu nhi u v ộ phân giải .................................................................... 52
2.2.2. Thời gi
ng ................................................................................................ 53
Độ nh y c a cảm biến .......................................................................................... 54
Độ tuyến tính ........................................................................................................ 56
2.2.5. Sai s v ộ chính xác .......................................................................................... 58
2.2.6. Vùng phổ làm việc ................................................................................................ 59
2.3. Một s lo i cảm biến quang .......................................................................... 60
2.3.1. Quang trở .............................................................................................................. 60
2.3.2. Photodiode ............................................................................................................ 65
2.3.3. Phototranzito ........................................................................................................ 74
2.3.4. Photo IC ................................................................................................................ 78
Kết luậ h
g .............................................................................................. 86

Ch
g : Ứng d ng cảm biến ánh sáng trong hệ th ng chiếu sáng thông
minh .......................................................................................................................... 87
3.1. Hệ th ng chiếu sáng thông minh ................................................................... 87
3.1.1. Khái niệm hệ th ng chiếu sáng thông minh....................................................... 87
3.1.1.1. Hệ th ng chiếu sáng....................................................................................... 87
3.1.1.2. Hệ th ng chiếu sáng thông minh .................................................................. 87
Kỹ thuật thiết ế hệ th g hiếu s g thô g i h ........................................... 89

Nguồ s g thô g i h ................................................................................ 89
Điều hiể
S

g ả

hiếu s
biế tr

g thô g

i h ............................................................... 90

g hệ th

Kỹ thuật truyề thô g tr

g hiếu sáng thông minh ......................... 93

g hệ th

g hiếu s

g thô g

i h ................. 97

3.2. Demo ng d g iều khiể
ờ g ộ chiếu sáng Led sử d ng Kit Adruino
Uno ................................................................................................................. 100

3.2.1. Sử d ng tế bào quang dẫn ................................................................................. 100
3.2.1. M h iều khiể
ờ g ộ chiếu s g è ed .............................................. 102
3.2.3. Ch
g trì h v ết quả ................................................................................... 108
3.3 H ớng phát triể h t
g l i .................................................................. 111
Kết luậ h
g : ........................................................................................... 112
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 114
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................. 115

Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

4

2014B-KTĐT


Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và tham khảo có dẫn chứng cụ thể. Những đánh
giá, nhận xét của cá nhân được đưa ra từ những nghiên cứu lý thuyết và thực hành
nghiêm túc.

Học viên:

Nguyễn Tuấn Cảnh

Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

5

2014B-KTĐT


Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Từ g

Dị h gh

FL

Fluorescent Lamp

Đèn huỳnh quang

HID

High-Intensity Discharge

Đèn phóng điện cường độ cao

CRI

Colour Rendering Index

Chỉ số truyền đạt màu

GLS

General Lamp Shape

Đèn sợi đốt

LED

Light-Emitting-Diode

Đi ốt phát quang

PCB

printed circuit board

Mạch in PCB

CFL

Compact Fluorescent Lamp

Đèn huỳnh quang compact

LDR

Light Dependent Resistor

Quang trở

CCD

Charge Coupled Device

Linh kiện tích điện kép - Cảm biến
chuyển đổi tín hiệu hình ảnh sang tín
hiệu điện

PAR

Photosynthetically Active

Cảm biến đo bức xạ

Radiation
NEP

Noise Equivalent Power

Công suất nhiễu tương đương

RMS

Root mean square

Giá trị bình phương trung bình

POF

Optical Communication

Giao tiếp quang

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

MCU

MicroController Unit

Bộ vi điều khiển

PIR

Passive InfraRed

Cảm biến hồng ngoại

EPA

United States Environmental

Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ

Protection Agency
EPRI

Viện nghiên cứu điện năng Hoa Kỳ

Electric Power Research
Institute

ALS

Ambient Light Sensors

Cảm biến môi trường xung quanh

PWM

Pulse-Width Modulation

Điều chế độ rộng xung

Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

6

2014B-KTĐT


Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Tương quan nhiệt độ và màu ánh sáng .................................................................. 20
Bảng 2. Công suất tiêu thụ của đèn Led .............................................................................. 34
Bảng 3. Phân tích và so sánh 3 loại bóng đèn thông dụng.................................................. 38
Bảng 4. Chỉ dẫn lựa chọn sử dụng cảm biến quang ............................................................ 44
Bảng 5. Ứng dụng với từng loại Photo IC ........................................................................... 82
Bảng 6. Thông số của Photo IC Hamamatsu S9648-200SB ................................................ 85
Bảng 7. Ước lượng tỉ lệ năng lượng tiết kiệm được khi dùng cảm biến phát hiện người ... 96
Bảng 8. Bảng chỉ dẫn lựa chọn thiết bị điều khiển .............................................................. 97
Bảng 9. Tương quan độ rọi và ánh sáng môi trường ........................................................ 102
Bảng 10. Thông số của Adruino Uno ................................................................................ 103
Bảng 11. Điện áp tương tự gần đúng dựa trên cảm biến ánh sáng .................................. 107

Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

7

2014B-KTĐT


Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 01. Chiếu sáng thô sơ sử dụng đèn và nến ...................................................... 12
Hình 02. Lịch sử phát triển các loại đèn .................................................................. 13
Hình 03. Ánh sáng nhìn thấy trong toàn dải quang phổ sóng điện từ ..................... 14
Hình 04. Cường độ ánh sáng ................................................................................... 16
Hình 05. Góc khối .................................................................................................... 16
Hình 06. Đèn sợi đốt ................................................................................................ 23

Hình 07. Đèn Halogen-Vonfam................................................................................ 23
Hình 08. Đèn huỳnh quang Philips .......................................................................... 24
Hình 09. Đèn LED (Light-Emitting-Diode) ............................................................. 26
Hình 010. Ứng dụng Led trong màn hình trình chiếu, TV và điện thoại di động sử
dụng công nghệ Led .................................................................................................. 27
Hình 11. Cấu tạo Led ................................................................................................ 28
Hình 12. Cấu tạo Chip Led ....................................................................................... 28
Hình 13. Kết cấu tản nhiệt ........................................................................................ 29
Hình 14. Thấu kính Led 97mm Street Light Glass Lens ........................................... 30
Hình 15. Nguyên lý hoạt động Led ........................................................................... 30
Hình 16. Phân cực thuận (phát sáng). ...................................................................... 31
Hình 17. Phân cực ngược (không phát sáng). .......................................................... 31
Hình 18. Đặc trưng điện ........................................................................................... 32
Hình 19. Đặc trưng điện ........................................................................................... 32
Hình 20. Hiệu suất phát quang của đèn Led............................................................. 34
Hình 21. Công suất tiêu thụ thay thế cuả đèn LED .................................................. 35
Hình 22. Cấu tạo màn hình Led ................................................................................ 39
Hình 23. Điểm ảnh được cấu tạo từ ba LED: xanh, xanh lá, đỏ .............................. 39
Hình 24. Hỏa kế quang Omron 50~700C Degree /-58~1292F ................................ 42
Hình 25. Cảm biến Par ............................................................................................. 43
Hình 26. Sự hấp thụ photon trong bán dẫn............................................................... 46
Hình 27. Hệ số hấp thụ của một số bán dẫn quan trọng .......................................... 47
Hình 28. Độ xuyên sâu của photon trong vật liệu bán dẫn Si dùng trong thiết kế
detector ...................................................................................................................... 48
Hình 29. Hiệu suất lượng tử tương đối và độ nhạy phổ của một số vật liệu ............ 51
Hình 30. Một số vật liệu dùng trong chế tạo Photodiode và các vùng nhậy quang
của chúng biểu thị theo độ lớn của độ nhạy ............................................................. 52
Hình 31. Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quan trọng .................................... 60
Hình 32. Một số loại quang trở cơ bản ..................................................................... 60
Hình 33. Cấu tạo quang trở ...................................................................................... 61

Hình 34. Độ nhạy từng chất khác nhau với phổ ánh sáng........................................ 61
Hình 35. Sự phụ thuộc của điện trở vào sự rọi sáng ................................................ 62
Hình 36. Dùng tế bào quang dẫn để điều khiển rơ le ............................................... 65
Hình 37. Một số Photodiode của hãng Hamamatsu ................................................. 65
Hình 38. Sơ đồ chuyển tiếp P – N và hiệu ứng quang điện trong vùng nghèo ......... 66
Hình 39. Cấu trúc của photođiot PIN ....................................................................... 67
Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

8

2014B-KTĐT


Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

Hình 40. Sơ đồ nguyên lý và chế độ làm việc của photodiode ở chế độ quang dẫn . 69
Hình 41. Sơ đồ dòng ngược trong chế độ quang dẫn ............................................... 70
Hình 42. Sự phụ thuộc của thế mạch hở vào thông lượng ........................................ 71
Hình 43. Sự phụ thuộc của dòng ngắn mạch vào thông lượng ánh sáng ................. 72
Hình 44. Sơ đồ đo ở chế độ quang áp ....................................................................... 72
Hình 45. Sơ đồ mạch cảm biến ánh sáng sử dụng khuếch đại thuật toán tốc độ cao.
................................................................................................................................... 74
Hình 46. Nguyên lý hoạt động của Phototranzito ..................................................... 75
Hình 47. Phototranzito trong chế độ chuyển mạch .................................................. 76
Hình 48. Mạch dùng phototranzito để đo thông lượng ánh sáng ............................. 77
Hình 49. Mạch đóng tắt Rơ le dùng phototranzito ................................................... 77
Hình 50. Photo IC Hamamatsu ................................................................................. 79
Hình 51. Cấu trúc Photo IC đơn và lai của Hamamatsu .......................................... 79
Hình 52. Ứng dụng Photo IC trong công nghiệp sản xuất ....................................... 80
Hình 53. Ứng dụng Photo IC trong dân dụng, giao thông, smart home .................. 81

Hình 54. Ứng dụng Photo IC trong công nghiệp auto.............................................. 82
Hình 55. Photo IC diode ........................................................................................... 83
Hình 56. Sơ đồ khối Photo IC diode nhạy với ánh sáng nhìn thấy ........................... 84
Hình 57. Phổ ánh sáng độ nhạy của Photo IC Diode ............................................... 84
Hình 58. Đặc trưng tuyến tính của dòng và cường đồ sáng ..................................... 85
Hình 59. Đặc tính Vôn - Ampe của LED ................................................................... 90
Hình 60. Ma trận LED 8x8 ....................................................................................... 90
Hình 61. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển chiếu sáng ................................................ 91
Hình 62. Điều khiển ma trận LED ............................................................................ 92
Hình 63. Mã màu RGB .............................................................................................. 92
Hình 64. Street Light Controller sử dụng IC 555 ..................................................... 93
Hình 65. Cảm biến siêu âm Omron E4PA-LS50-M1-N ............................................ 94
Hình 66. Nguyên lý cảm biến siêu âm ....................................................................... 94
Hình 67. Cảm biến nhiệt hồng ngoại Omron ES1B 115-165 ................................... 95
Hình 68. Vật liệu nhóm pyroelectric được dùng làm cảm biến dò tia nhiệt ............. 95
Hình 69. Một vài cảm biến ALS ................................................................................ 96
Hình 70. Kết nối trực tiếp thiết bị chiếu sáng LED và bộ vi xử lý ............................ 97
Hình 71. Điều khiển thiết bị chiếu sáng qua mạng ................................................... 98
Hình 72. Hệ thống chiếu sáng cầu Rồng - Đà Nẵng................................................. 99
Hình 73. Mô hình hệ thống chiếu sáng thông minh đường phố ................................ 99
Hình 74. Đặc tính điện trở và cường độ ánh sáng .............................................. 101
Hình 75. Kiểm tra khả năng hoạt động của CdS .................................................... 102
Hình 76. Arduino Uno R3 ....................................................................................... 104
Hình 77. Mạch đọc tín hiệu từ quang trở................................................................... 106
Hình 78. Mạch điều khiển cường độ chiếu sáng đèn Led sử dụng CdS ................. 108
Hình 79. Kết quả đo giá trị quang trở .................................................................... 110
Hình 80. Kết quả điều khiển độ sáng của Led ........................................................ 111

Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

9

2014B-KTĐT


Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

MỞ ĐẦU
Với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu
sáng thông minh” tác giả đã trình bày khái quát cơ sở lý thuyết về ánh sáng, nguồn
sáng mới, nghiên cứu các loại cảm biến ánh sáng, hệ thống điều khiển chiếu sáng
qua đó đưa ra những chỉ dẫn cũng như mô phỏng thiết kế hệ thống chiếu sáng thông
minh đảm bảo yếu tố chiếu sáng hiệu quả và tiết kiệm.
do ch n đề tài

1.

Tiết kiệm năng lượng đang là một chương trình hành động quyết liệt đối với
nhiều quốc gia trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Lĩnh vực chiếu sáng
chiếm khoảng 19% tổng điện tiêu thụ toàn cầu (trong đó Việt Nam là : 25,3%), do
đó yêu cầu chiếu sáng có hiệu quả, tiết kiệm là một yêu cầu vừa cấp bách vừa lâu
dài.
Với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu
sáng thông minh” đáp ứng yêu cầu hiệu quả và tiết kiệm năng lượng thông qua
việc nghiên cứu và sử dụng các linh kiện quang điện tử một các linh hoạt cùng với
việc xây dựng hệ thống điều khiển đáp ứng tối đa yêu cầu.
ục đ ch nghiên cứu c

đề t i

Cảm biến ánh sáng có nhiệm vụ phát hiện sự có mặt của ánh sáng với từng
bước sóng khác nhau. Với từng bước sóng, mỗi loại cảm biến được sử dụng trong
những ứng dụng khác nhau. Việc nghiên cứu các ứng dụng của cảm biến ánh sáng
trong từng ứng dụng kết hợp với công nghệ chế tạo nguồn sáng mới, áp dụng linh
hoạt các linh kiện quang điện tử, linh kiện điều khiển nhằm xây dựng lên hệ thống
điều khiển chiếu sáng thông minh giải quyết bài toàn tiết kiệm điện năng và chiếu
sáng tiện ích.
ối t

ng v ph m vi nghiên cứu c

đề t i

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là các ứng dụng của từng loại cảm biến ánh
sáng mà cụ thể là tập trung vào Quang trở, Photodiode, Phototransistor, Photo IC,
cùng với đó là các thành phần cấu tạo lên hệ thống chiếu sáng thông minh đảm bảo
hai hai mục tiêu: Nâng cao chất lượng chiếu sáng, làm thay đổi các chỉ tiêu ánh

Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

10

2014B-KTĐT


Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

sáng của môi trường được chiếu sáng về độ rọi, độ chói, CRI, thẩm mỹ, tối ưu hoạt
động của mắt và tiết kiệm điện năng tối đa.
4 Ph ơng pháp nghiên cứu

Như đã trình bày trong luận văn thì phương pháp nghiên cứu của tác giả tiến
hành dựa trên nghiên cứu lý thuyết về tính chất ánh sáng, các cảm biến tương ứng
với từng bước sóng ánh sáng, cùng với đó là lý thuyết về điều khiển trong hệ thống
chiếu sáng. Tìm hiểu về các ứng dụng trong thực tế cùng với những nghiên cứu lý
thuyết quốc tế mới nhất qua đó tác giả xây dựng hệ thống mô phỏng đơn giản điêu
khiển cường độ chiếu sáng của đèn Led sử dụng cảm biến CdS.
ngh

ho h c v th c ti n

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài được thể hiện một trong các trọng
tâm của đề tài là nghiên cứu các ứng dụng của cảm biến ánh sáng (Quang trở,
Photodiode, Phototransistor, Photo IC), các nguồn sáng công nghệ mới (Led) kết
hợp với hệ thống điều khiển và các phương pháp chiếu sáng hiệu quả đảm bảo yêu
cầu tiết kiệm điện năng cũng như chiếu sáng tiện ích. Những nghiên cứu của đề tài
này là cơ sở cho việc chọn lựa các thành phần để xây dựng các hệ thống chiếu sáng
ứng với nhu cầu đa dạng trong thực tế.
6. Nội dung c a luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận nội dung chính của luận văn gồm 3 chương, cụ
thể như sau:
Ch

g : Tổng quan về kỹ thuật chiếu sáng

Ch

g : Cảm biến ánh sáng và ứng dụng

Ch

g : Ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông

minh

Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

11

2014B-KTĐT


Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG
1.1. Lịch sử kỹ thuật chiếu sáng
Từ xa xưa, người tiền sử sử dụng những ngọn đèn thô sơ để chiếu sáng hang
động của mình. Những đèn đó làm từ những vật liệu sẵn có như đá, vỏ cây, sừng
thú vật chứa mỡ và ngọn bấc. Thông thường sử dụng mỡ động và thực vật.

Hình 01. Chiếu sáng thô sơ sử dụng đèn và nến

Con người chủ yếu tạo ra ánh sáng từ lửa mặc dù đây là nguồn nhiệt nhiều
hơn ánh sáng. Ở thế kỷ 21, chúng ta vẫn đang sử dụng nguyên tắc đó để sản sinh ra
ánh sáng và nhiệt qua loại đèn nóng sáng. Trong vài thập kỷ gần đây, các sản phẩm
chiếu sáng đã trở nên tinh vi và đa dạng hơn nhiều.
Theo ước tính, tiêu thụ năng lượng của việc chiếu sáng chiếm khoảng 20 –
45% tổng tiêu thụ năng lượng của một toà nhà thương mại và khoảng 3 – 10% trong
tổng tiêu thụ năng lượng của một nhà máy công nghiệp. Hầu hết những người sử
dụng năng lượng trong công nghiệp và thương mại đều nhận thức được vấn đề tiết
kiệm năng lượng trong các hệ thống chiếu sáng.

Thông thường có thể tiến hành tiết kiệm năng lượng một cách đáng kể chỉ
với vốn đầu tư ít và một chút kinh nghiệm. Thay thế các loại đèn hơi thuỷ ngân hoặc
đèn nóng sáng bằng đèn halogen kim loại hoặc đèn natri cao áp sẽ giúp giảm chi phí
năng lượng và tăng độ chiếu sáng.Tuy nhiên, trong một số trường hợp, cần phải
xem xét việc sửa đổi thiết kế hệ thống chiếu sáng để đạt được mục tiêu tiết kiệm

Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

12

2014B-KTĐT


Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

như mong đợi. Cần hiểu rằng những loại đèn có hiệu suất cao không phải là yếu tố
duy nhất đảm bảo một hệ thống chiếu sáng hiệu quả.

Hình 02. Lịch sử phát triển các loại đèn

Điện cho chiếu sáng:
Điện tiêu thụ cho chiếu sáng toàn cầu 60GW/năm (2650 TWh/năm).
+ Chiếm 19% tổng điện tiêu thụ toàn cầu (VN: 25,3%).
+ Khoảng 24 GW/năm cho sử dụng đèn sợi đốt với hiệu suất phát quang chỉ có
15lm/W.
+ Khoảng 36 GW/năm cho sử dụng đèn FL/HID hiệu suất phát quang trung bình
75lm/W.
+ Để thắp sáng như hiện nay trên toàn thế giới, mỗi năm các nhà máy điện đã
thải ra 1.900 nghìn tỷ tấn khí CO2, lớn gấp 3 lần lượng khí CO2 do máy bay trên
toàn thế giới thải ra, bằng 70% lượng khí CO2 do toàn bộ xe ô tô thải ra trong 1

năm.

Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

13

2014B-KTĐT


Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

+ Năng lượng (energy - efficient lighting): nâng cao phẩm chất của ánh sáng, tiết
kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.
1.3. Tính chất c a ánh sáng
Như chúng ta đã biết, ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất
hạt.Ánh sáng là một dạng của sóng điện từ, vùng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng
từ 0,4 - 0,75 μm. Trên hình 1.4 biểu diễn phổ ánh sáng và sự phân chia thành các
dải màu của phổ.

Hình 03. Ánh sáng nhìn thấy trong toàn dải quang phổ sóng điện từ

Vận tốc truyền ánh sáng trong chân không c = 299.792 km/s, trong môi
trường vật chất vận tốc truyền sóng giảm, được xác định theo công thức:

n - chiết suất của môi trường.
Mối quan hệ giữa tần số ν và bước sóng λ của ánh sáng xác định bởi biểu thức:
- Khi môi trường là chân không:

- Khi môi trường là vật chất:

Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

14

2014B-KTĐT


Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

Trong đó ν là tần số ánh sáng.
Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của ánh sáng với vật chất.
Ánh sáng gồm các hạt nhỏ gọi là photon, mỗi hạt mang một năng lượng nhất
định, năng lượng này chỉ phụ thuộc tần số ν của ánh sáng:

Trong đó h là hằng số Planck (h = 6,6256.10-34J.s).
Bước sóng của bức xạ ánh sáng càng dài thì tính chất sóng thể hiện càng rõ,
ngược lại khi bước sóng càng ngắn thì tính chất hạt thể hiện càng rõ.
1.4. C

il

g

hs

g

bản

1.4.1. Quang thông , lumen (lm)

Là đại luợng đặc trưng cho khả năng phát sáng của một nguồn sáng, có xét
đến sự cảm thụ ánh sáng của mắt nguời hay gọi là công suất phát sáng của một
nguồn sáng.
780




F =k.  W V.d
380

Trong đó:
k = 683lm/w là hệ số chuyển đổi đơn vị năng luợng sang đơn vị cảm
nhận ánh sáng.
W là năng luợng bức xạ
V là độ nhạy tuơng đối của mắt nguời
1.4.2. Cường độ sáng I– Candela (cd)
Các nguồn sáng thường bức xạ không đều trong không gian. Để đặc trưng
cho khả năng phát xạ của nguồn sáng và luôn gắn liền với một phương cho trước,
người ta dùng khái niệm cường độ sáng.

Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

15

2014B-KTĐT


Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

Cường độ sáng đặc trưng khả năng phát xạ của nguồn sáng theo một phương
cho trước.

Hình 04. Cường độ ánh sáng

dF dF
≈
dΩ  0dΩ dΩ

I = lim
Trong đó :
F là quang thông (lm)
Ω là góc khối, giá trị cực đại là 4
1.4.3. Góc khối - Ω, steradian (Sr)

Góc khối không chỉ dùng cho phép đo ánh sáng, nó
cần thiết cho sự lập luận trong không gian (là góc trong
không gian). Ký hiệu là Ω.

Hình 05. Góc khối

 =
Góc khối được định nghĩa là tỷ số của S trên bình phương của bán kính
1.4.4. Độ rọi (độ chiếu sáng) - E, lux, lx
Độ rọi là đại lượng đặc trưng cho bề mặt chiếu sáng, là mật độ quang thông 
trên bề mặt có diện tích S. Khi quang thông vuông góc với bề mặt chiếu sáng thì độ
rọi được tính bằng công thức: E =
Đơn vị độ rọi là lux, là mật độ quang thông của một nguồn sáng 1 lumen trên
diện tích 1 m2. Khi mặt được chiếu sáng không đều độ rọi được tính bằng trung bình
đại số của độ rọi các điểm.

Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

16

2014B-KTĐT


Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

1.4.5. Độ chói - L (cd/m2)
Để đặc trưng cho khả năng bức xạ ánh sáng của nguồn hoặc bề mặt phản xạ
gây nên cảm giác chói sáng đối với mắt, người ta đưa ra định nghĩa độ chói.
Là mật độ phân bố I trên bề mặt theo một phương cho trước
=
Nhận xét:
- Độ chói của một bề mặt bức xạ phụ thuộc vào hướng quan sát bề mặt đó.
- Độ chói không phụ thuộc khoảng cách từ mặt đó đến điểm quan sát.
- Độ chói đóng vai trò cơ bản trong kỹ thuật chiếu sáng, nó là cơ sở của các
khái niệm về tri giác và tiện nghi thị giác.
- Độ chói mới phản ánh chất lượng chiếu sáng, còn độ rọi chỉ phản ánh số
lượng chiếu sáng mà thôi.
- Độ chói của bề mặt phản xạ ánh sáng theo một phương còn gọi là độ trưng.
1.4.6. Độ trưng M - lumen/m2 (lm/ m2)
Độ trưng tại một điểm của bề mặt phát xạ M là quang thông phát ra bởi một
đơn vị diện tích tại điểm đó, là tỉ số giữa quang thông phát ra bởi một nguyên tố bề
mặt chứa điểm đó và diện tích của nó. M =
1.4.7. Định luật Lambert
Dù ánh sáng qua bề mặt trong suốt hoặc ánh sáng được phản xạ trên bề mặt
mờ hoặc ánh sáng chịu cả hai hiện tượng trên bề mặt trong mờ, một phần ánh sáng

được mặt này phát lại theo hai cách sau đây, trong đó cách nào chiếm ưu thế hơn là
tuỳ theo vật liệu sử dụng:
- Sự phản xạ hoặc khúc xạ đều tuân theo các định luật của quang hình học
hay định luật Descartes.
- Sự phản xạ hoặc truyền khuếch tán theo định luật Lambert
ịnh luật Lambert:

E = L
Trong đó:

Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

17

2014B-KTĐT


Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

: Hệ số phản xạ bề mặt
E: Độ rọi nguồn
L: Độ chói của bề mặt
Định luật Lambert có vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật chiếu sáng nó cho ta
quan hệ giữa độ chói và độ rọi. Căn cứ vào định luật này, người ta có thể tính toán và
kiểm tra được độ rọi, độ chói của tất cả các điểm trong trường sáng của bộ đèn.
1.5 C

ịnh luật

bản c a quang hình h c

1.5.1. Sự hấp thụ ánh sáng
Khi tia sáng đập vào mặt phân giới một phần năng lượng của nó bị môi
trường hấp thụ. Mức độ hấp thụ thay đổi trong phạm vi rất rộng phụ thuộc vào bản
chất của vật, vào cấu trúc phân tử, vào bước sóng (màu) của tia tới và góc tới. Vì
các vật hấp thụ năng lượng của tia tới có bước sóng khác nhau với mức độ khác
nhau, do đó hệ số hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng của tia tới.
1.5.2. Sự phản xạ ánh sáng
Các bề mặt khác nhau phản xạ tia sáng tới với tỷ lệ phần trăm khác nhau. Có
thể cải thiện việc chiếu sáng cho một phòng nhỏ bằng cách sơn màu sáng có hệ số
phản xạ cao hơn. Nếu phòng rộng hay khi sử dụng chao đèn để tập trung ánh sáng,
sao cho ánh sáng ít chiếu vào tường, trong trường hợp này lớp sơn phủ mặt tường ít
ảnh hưởng tới chiếu sáng chung.
Bề mặt màu sáng phản xạ phần lớn tia sáng chiếu vào nó trong khi bề mặt
màu thẫm hấp thụ phần lớn ánh sáng.
Hệ số phản xạ  được định nghĩa bằng tỷ số của quang thông phản xạ p trên
quang thông rọi tới bề mặt s.
1.5.3. Sự khúc xạ ánh sáng
Khi truyền qua môi trường có chiết suất khác nhau tia sáng bị khúc xạ với
góc khúc xạ khắc nhau. Sự khúc xạ có thề là đều, không đều hoặc khúc xạ khuếch
tán tùy theo bản chất vật liệu và đặc tính bề mặt của chúng.

Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

18

2014B-KTĐT


Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

Sự khúc xạ đều xảy ra khi tia sáng qua bản phẳng. Ánh sáng qua bản bị khúc
xạ hai lần, một lần tới bề mặt trên và một lần rời khỏi bề mặt dưới. Nếu bề mặt là
hai mặt song song thì phương của tia tới và tia rời khỏi hai mặt song song với nhau.
Nếu hai mặt không song song thì phương của tia tới và tia rời khỏi bề mặt sẽ
khác nhau hay gọi là sự khúc xạ không đều. Sự khúc xạ không đều xảy ra khi ánh
sáng truyền qua kính có mặt nhám. Bề mặt này có thể được xem như gồm vô số mặt
phẳng rất nhỏ xếp sắp theo đủ mọi hướng làm cho tia khúc xạ phân bố theo đủ các
phương. Ta thường gặp trường hợp này khi tia sáng truyền qua các tấm kính mờ.
1.5.4. Sự thấu xạ ánh sáng
Sự thấu xạ ánh sáng được đặc trưng bằng hệ số thấu xạ  là tỷ số của quang
thông xuyên qua vật thể x và quang thông rọi tới bề mặt s.
1.6. Một s t h ă g thị giác
1.6.1. Tính năng nhìn rõ của mắt
Trong cấu tạo mắt, các tế bào hình nón tập trung ở giữa võng mạc nên mắt và
tri giác được rõ nét hình ảnh các tia sáng tập trung vào giữa võng mạc. Nói cách
khác khi chúng ta nhìn 1 sự vật chúng ta không tri giác màu sắc của sự vật lân cận.
Năng lực nhìn:
Các thí nghiệm cho thấy mắt co khả năng quan sát phân biệt được hai điểm
quan sát sai lệch nhau 0,017 độ (góc α).
Tính năng nhìn của mắt được đánh giá bởi hàm V phụ thuộc bước sóng ánh
sáng V(α) nói lên khả năng quan sát của người.
V=1 tức nhin rõ 100%.
V=0 không nhìn thấy gì
Tính năng nhìn của mắt rất phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng
1.6.2. Độ tương phản
Gọi Ln là độ chói của nền, Lv là độ chói của vật, ta chỉ có thể phân biệt được
vật so với nền nếu thỏa mãn điều kiện độ chênh lệch độ chói tương đối.

Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

19

2014B-KTĐT


Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

1.6.3. Hiện tượng chói lóa
Khi có sự chênh lệch quá mức về độ chói nhất là trong tầm nhìn không tránh
khỏi nguy cơ bị lóa mắt làm cho tiện nghi nhìn bị suy giảm.
Ta phân biệt hai mức độ gây chói lóa:
- Chói lóa bất lực là hiện tượng phụ thuộc vào độ chói của nguồn và góc tới
của tia sáng đối với người quan sát.
- Chói lóa mất tiện nghi là hiện tượng lóa khi nhìn những đối tượng tương
phản độ chói cao, nói chung không làm giảm khả năng quan sát nhưng gây cảm giác
khó chịu. Mức chói lóa không tiện nghi giảm khi độ chói xung quanh cao.
1.7. Màu c a nguồn sáng
1.7.1. Màu và sắc
Màu vô sắc như màu đen, trắng và xám, chúng không có trong phổ ánh sáng
mặt trời nên coi là “không màu”.
Màu có sắc là tất cả các màu có trong phổ ánh sáng và các màu pha trộn giữa
chúng.
1.7.2. Nhiệt độ màu và tiện nghi môi trường sáng
Nhiệt độ màu là đặc trưng quan trọng cho màu sắc của nguồn sáng.
Để so sánh chất lượng về màu sắc của ánh sáng với ánh sáng tự nhiên ban
ngày người ta đưa ra khái niệm về nhiệt độ màu, nó mô tả bằng cách so sánh ánh
sáng của nó với ánh sáng bức xạ của một vật đen tuyệt đối được nung sáng đến các
nhiệt độ như nhau trong khoảng (2000 đến 10.0000) K. Khi đó chuẩn nhiệt độ nhỏ
nhất sẽ quyết định phổ tần bức xạ và do vậy quyết định được màu sắc ánh sáng:

T0(K)

Màu

1500

Đỏ

2000

Đỏ- trắng

3000

Đỏ trắng ấm

4000-5500

Ánh sáng ban ngày

7000-10000

Ánh sáng lạnh

Bảng 1. Tương quan nhiệt độ và màu ánh sáng
Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

20

2014B-KTĐT

Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

1.7.3. Chỉ số truyền đạt màu (thể hiện màu, hoàn màu, trả màu) CRI (Colour
Rendering Index)
Hệ số hoàn màu (chỉ số truyền đạt màu hay còn được gọi là CRI)
Chỉ số hoàn màu CRI của một nguồn sáng là chỉ số đánh giá độ trung thực về
màu sắc của đối tượng được chiếu sáng. Giá trị CRI càng cao thì màu sắc vật được
chiếu sáng càng trung thực, gần với ánh sáng mặt trời (độ CRI là 100).
Thang đo của chỉ số hoàn màu và các ứng dụng của các ánh sáng có chỉ số khác
nhau:
 CRI = 100 (ánh sáng mặt trời ban ngày, cho màu sắc của sự vật trung thực
nhất)
 CRI = 85 – 95 (ánh sáng trung thực với màu sắc, phục vụ những nơi cần độ
trung thực màu sắc cao như phòng nghiên cứu, phòng pha chế sơn, xưởng in
màu)
 CRI = 70 -85 ( ánh sáng thông dụng, cho cảm nhận trung thực)
 CRI = 50 -70 (màu sắc hơi bị biến đổi, dùng cho những khu vực không cần
độ trung thực màu sắc cao: đèn ngoài sân, đèn đường, những màu sản xuất
công nghiệp không cần độ chính xác màu sắc).
 CRI < 50: màu sắc nhợt nhạt, hiển thị không đúng thực tế.
 CRI = 0: các màu đơn sắc (đỏ, xanh lá cây, tím… làm thay đổi màu sắc khi
bị nhìn thấy của đối tượng bị chiếu sáng) – dùng trong trang trí, lễ hội.
1.8. Thiết bị v

h

g h

t nh chất ánh sáng

1.8.1. Đo độ rọi
Dụng cụ đo độ rọi còn gọi là lux kế là dụng cụ đo cơ bản trong phép trắc
quang.
Dụng cụ gồm một tế bào quang điện phẳng và đã được hiệu chỉnh độ nhạy
phù hợp với đường V (λ), cơ cấu đo là milivôn kế hoặc cơ cấu chỉ thị số. Để giảm
Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

21

2014B-KTĐT


Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

sai số của phép đo do độ nghiêng của chùm sáng, người ta sử dụng một linh kiện
“hiệu chỉnh côsin”, hay còn gọi là mặt vòm khuếch tán. Mặt này có vai trò quan
trọng khi đo độ rọi ở ngoài trời hoặc trong phòng có các tường phản xạ mạnh. Khi
thực hiện phép đo, chỉ cần đặt lux kế trên bề mặt cần đo độ rọi và chọn thang đo
thích hợp. Trên mặt chỉ thị số sẽ cho kết quả độ rọi tính bằng lux.
1.8.2. Đo cường độ sáng
Cường độ sáng của một nguồn sáng theo một phương cho trước được đo
thông qua phép đo độ rọi của nguồn điểm và áp dụng luật độ rọi tỷ lệ nghịch với
bình phương khoảng cách. Phép đo được thực hiện trên bàn trắc quang nhờ so sánh
với nguồn sáng có cường độ sáng chuẩn.
Phép đo cường độ sáng phải được thực hiện trong phòng tối để hạn chế các
ánh sáng ký sinh.
1.8.3. Đo quang thông
Đo quang thông là phép đo quan trọng nhất trong các phép trắc quang nguồn

sáng. Về mặt lý thuyết, khi biết sự phân bố cường độ sáng của một nguồn sáng
trong không gian, người ta có thể tính toán trực tiếp ra quang thông của nó bằng
biểu thức:
=
Trong đó I là cường độ sáng của nguồn sáng phát ra trong góc khối d.
Nếu nguồn sáng là đẳng hướng thì:
=

= 4πI

Trong thực tế, để tính toán quang thông là rất phức tạp, nên người ta thường
dùng phương pháp so sánh với nguồn sáng chuẩn, có quang thông đã biết. Công
việc rất đơn giản như sau:
Đầu tiên, mắc đèn chuẩn có quang thông c vào cầu tích phân, ta thu được
dòng quang điện Ic. Thay đèn chuẩn bằng đèn có quang thông  cần đo, giả sử thu
được dòng quang điện I, ta có:

Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

 = c

22

2014B-KTĐT


Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

1.9. Các lo i nguồn sáng
Các nguồn sáng truyền thống có thể phân thành hai nhóm lớn là đèn sợi đốt

và đèn phóng điện. Tuy nhiên trong thời gian gần đây, công nghệ chiếu sáng bán
dẫn sử dụng các dụng cụ chiếu sáng LED (diot bán dẫn phát quang) với những ưu
điểm vượt trội về hiệu quả chiếu sáng và tiết kiệm năng lượng, đã phát triển thành
một công nghệ tiên tiến trong kỹ thuật chiếu sáng hiện đại.
1.9.1 Nguồn sáng truyền th ng
1.9.1.1. Đèn sợi đốt (GLS)

Hình 06. Đèn sợi đốt

Đèn sợi đốt (đèn dây tóc, đèn nung sáng) do Thomas Edison phát minh từ
năm 1879 bằng sợi đốt cacbon, có hiệu suất quang trung bình 1,4 lm/W, tuổi thọ 40
giờ. Do có cấu tạo đơn giản, giá thành thấp nên vẫn là nguồn chiếu sáng kinh điển
và rất phổ biến trong thực tế.
1.9.1.2. Đèn Halogen-Vonfam

Hình 07. Đèn Halogen-Vonfam
Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

23

2014B-KTĐT


Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

Đèn halogen là một loại đèn nóng sợi đốt.
- Loại đèn này có dây tóc bằng vonfam giống như đèn sợi đốt, tuy nhiên bóng
đèn được bơm đầy bằng khí halogen.
- Nguyên tử vonfam bay hơi từ dây tóc nóng và di chuyển về phía thành mát
hơn của bóng đèn.

- Nhiệt độ ở thành bóng giữ cho các nguyên tử vonfam oxyhalogen ở dạng hơi.
1.9.1.3. Đèn huỳnh quang

Hình 08. Đèn huỳnh quang Philips

Đèn này là loại đèn phát ra ánh sáng lạnh, ít phát nhiệt so với đèn sợi đốt. Nó
dựa trên nguyên tắc phóng điện giữa các điện cực và dưới tác dụng của tia cực tím
lên lớp bột huỳnh quang tráng ở bên trong ống đèn thuỷ tinh, làm phát ra ánh sáng.
Màu sắc ánh sáng phát ra từ đèn tuỳ thuộc vào thành phần lớp bột huỳnh quang bao
gồm các chất tungstat calci, tungstat magne...
1.9.1.4. Các đèn phóng điện
Các đèn phóng điện có ống hồ quang kích thước nhỏ, cường độ cao làm bằng
thạch anh hoặc vật liệu gốm trong suốt. Các ống hồ quang này chứa các điện tích và
hơi kim loại làm việc ở nhiệt độ cao và chia thành 3 loại chính là:
- Đèn thủy ngân cao áp.
- Đèn halogen kim loại (Metal Halide).
- Đèn Sodium (Natri).

Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

24

2014B-KTĐT


Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng thông minh

1.9.2. Các nguồn sáng mới
1.9.2.1. Đèn Sulfur
Đèn Sulfur là loại đèn không có điện cực, ánh sáng phát ra do bức xạ của các

nguyên tử sulfur trong môi trường khí Argon khi bị kích thích bằng vi sóng. Đèn
Sulfur không điện cực được phát minh năm 1990.
Đèn này không chứa thủy ngân, bền màu, ít bị già hóa, thời gian khởi động
rất ngắn, bức xạ hồng ngoại ít, bức xạ cực tím cũng rất yếu, hiệu suất cao (khoảng
100 lm/W), công suất cao, rất sáng và phân bố phổ đầy trong vùng nhìn thấy. Đây là
đèn lý tưởng để chiếu sáng trong nhà tại những nơi diện tích rộng như nhà máy, kho
hàng, nhà thi đấu và các phố buôn bán. Nó cũng là nguồn sáng lý tưởng cho chiếu
sáng ngoài trời, cho chiếu sáng kiến trúc.
1.9.2.2. Đèn Laser
Laser hay máy phát lượng tử là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation (sự phát tia sáng đơn sắc dựa trên hiện tượng khuếch đại
ánh sáng bằng bức xạ kích thích). Cấu tạo của laser gồm bốn bộ phận chính:
- Môi trường hoạt chất.
- Cơ cấu phản xạ.
- Bộ phối ghép đầu ra.
- Cơ cấu kích thích.
Môi trường hoạt chất là tập hợp các nguyên tử, ion, phân tử trong đó xảy ra
bức xạ kích thích và là môi trường làm việc của laser. Môi trường có thể là chất rắn,
chất lỏng, chất khí hoặc bán dẫn. Tên gọi của laser thường lấy theo môi trường tác
dụng. Ví dụ laser hồng ngọc có môi trường tác dụng là tinh thể hồng ngọc (rubi),
laser CO2 có môi trường tác dụng khí cacbonic CO2…
Bước sóng phát xạ của laser phụ thuộc vào bản chất của môi trường hoạt
chất, vì mỗi môi trường có các mức năng lượng xác định. Khi chuyển mức năng
lượng chúng giải phóng các photon. Chỉ một số mức năng lượng được sử dụng để
khuếch đại bức xạ kích thích do đó mỗi laser chỉ phát một bức xạ với bước sóng
nhất định.

Nguyễn Tuấn Cảnh CB140205

25

2014B-KTĐT