Nghiệm thu các công trình chiếu sáng đường phố sử dụng nguồn sáng LED

LỜI CAM ĐOAN
Nội dung luận văn được nghiên cứu từ cơ sở lý thuyết về nguyên lý, cấu tạo LED,
các phương thức hình thành LED trắng, LED công suất cao, cách thay đổi phân bố
trường sáng của từng chip và module LED trắng, cấu tạo và nguyên lý hoạt động
của hệ thống thiết bị đo quang học và thực tiễn một số công trình chiếu sáng LED
tại Việt Nam. Trong luận văn này dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Hải Hưng, tôi đã
nghiên cứu về mặt lý thuyết, tiến hành đo đạc thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm (PTN)
Vật lý và kỹ thuật ánh sáng trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (ĐHBKHN) và tham
gia kiểm định chiếu sáng tại một số công trình chiếu sáng của TP Hải Phòng. Tôi
xin cam đoan những nội dung trong đề tài luận văn này là công trình nghiên cứu của
riêng tôi. Nội dung luận văn hoàn toàn trung thực và chưa được ai công bố trong bất
kỳ các công trình nào. Các trích dẫn trong luận văn là chính xác, trung thực và đã là
các thông tin được công bố rộng rãi.
Tác giả

Nguyễn Văn Thịnh

1


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Lê Hải Hưng, người đã tận tình truyền
đạt và hướng dẫn cho tôi những kiến thức về kỹ thuật chiếu sáng nói chung và chiếu
sáng bằng LED nói riêng, cũng như đã hết sức giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành
luận văn.
Tôi cũng vô cùng cảm ơn thầy PGS, TS. Lê Văn Doanh, người đã không những
trực tiếp truyền đạt những kiến thức cơ bản về kỹ thuật chiếu sáng mà còn là người
giới thiệu tôi đến với thầy TS. Lê Hải Hưng và PTN Vật lý và kỹ thuật ánh sáng,
Viện Vật lý kỹ thuật, trường ĐHBKHN. Chính ở nơi đây tôi đã biết thêm rất nhiều
đều mới mẻ. Đây là những kiến thức vô cùng quan trọng đối với tôi không chỉ trong
việc hoàn thành luận văn mà còn vô cùng hữu ích trong công việc và cuộc sống.

Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong bộ môn Thiết bị điện, Viện Điện
và các anh chị em đồng nghiệp đã tận tình giúp cho tôi trong suốt quá trình làm luận
văn.
Xin cảm ơn Viện Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo
điều kiện cho tôi trong suốt thời gian làm việc và nghiên cứu
Cuối cùng, vô cùng cảm ơn bố mẹ, anh chị em trong gia đình và những người thân
đã dành những tình cảm, động viên giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn
thành luận văn.
Hà nội, ngày 15 tháng 09 năm 2013

Nguyễn Văn Thịnh

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...............................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN.....................................................................................................................2
MỤC LỤC ..........................................................................................................................3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ......................................................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ...........................................................................7
LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................................10
CHƯƠNG 1 ......................................................................................................................13
TỔNG QUAN VỀ LED TRONG CHIẾU SÁNG ĐƯỜNG .........................................13
1.1

Vài nét về lịch sử phát triển của LED. ................................................................13

1.2

Nguyên lý hoạt động (phát sáng) của LED. ........................................................14

1.2.1

Nguyên lý:....................................................................................................14

1.2.2

Cấu tạo thực của LED: .................................................................................15

1.3

LED trắng (White LED)......................................................................................19

1.3.1

Tổng quang về LED trắng. ..........................................................................19

1.3.2

Tạo ánh sáng trắng bằng cơ chế RGB. ........................................................19

1.3.3

Tạo LED trắng bằng cơ chế phát huỳnh quang. ..........................................22

1.4

Phân bố trường sáng của LED trắng. ..................................................................26

1.4.1

Phân bố sáng của LED thông thường. .........................................................26

1.4.2

Phương pháp thay đổi phân bố sáng của LED. ............................................27

CHƯƠNG 2 ......................................................................................................................32
ĐO ĐẠC CÁC THÔNG SỐ CỦA MỘT SỐ BỘ ĐÈN LED ........................................32
2.1

Các vấn đề chung. ...............................................................................................32

2.1.1

Các hệ tọa độ dùng để biểu diễn phân bố cường độ sáng. ...........................32

2.1.2

Góc kế quang học (Goniophotometer).........................................................35

2.1.3

Vùng và quang thông vùng: .........................................................................37

2.2

Các thực nghiệm : ...............................................................................................40

2.2.1
Thực nghiệm 1: Đo tổng quang thông của một số bộ đèn LED bằng phương
pháp quang thông vùng. .............................................................................................40
2.2.2

Thực nghiệm 2: Phép đo phân bố cường độ sáng. .......................................47

CHƯƠNG 3 ......................................................................................................................54
NGHIỆM THU, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CHIẾU SÁNG ĐƯỜNG SỬ DỤNG
NGUỒN SÁNG LED .......................................................................................................54
3.1

Tính toán phân bố độ rọi của một số bộ đèn trong mặt phẳng C00 – C1800 .......54
3


3.1.1

Xây dựng phương pháp tính: .......................................................................54

3.1.2

Kết quả tính toán cho đèn CDM (Ceramic Discharge Metal) 150W...........54

3.1.3

Kết quả tính toán cho đèn LED số 02: .........................................................59

3.1.4

Kết quả tính toán cho đèn LED số 04: .........................................................64

3.1.5

Một số kết quả khác .....................................................................................70

3.1.6

Nhận xét. ......................................................................................................76

3.2

Kiểm định một số công trình chiếu sáng tại Hải Phòng. .....................................77

3.2.1

Công trình thứ nhất: Đường Lê Hồng Phong, Hải An, TP Hải Phòng. .......77

3.2.2

Công trình thứ hai: Chiếu sáng khu vực trung tâm TP Hải Phòng. .............79

3.2.3

Một số kết quả tham khảo. ...........................................................................81

3.3

Kiến nghị về việc tiến hành nghiệm thu công trình chiếu sáng bằng LED. ........84

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .........................................................................................85
1.

Kết luận ...................................................................................................................85

2.

Kiến nghị.................................................................................................................85

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................88
PHỤ LỤC..........................................................................................................................89

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Ý nghĩa

ĐHBKHN

Đại học Bách Khoa Hà Nội

PTN

Phòng thí nghiệm

LED

Light Emitting Diode

CDM

Ceramic Discharge Metal

HPS

High Pressur Sodium

CRI

Color Rendering Index

TP

Thành phố

5


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Tóm tắt quá trình phát triển của đèn LED ............................................. 13
Bảng 1.2 Hiệu suất phát quang của một số loại đèn hiện nay............................... 16
Bảng 1.3 Một vài thông số của một số loại chip LED ........................................... 17
Bảng 1.4 Tỷ lệ độ chói của các thành phần RGB đối với một vài màu sắc ........... 21
Bảng 2.1 : Mô tả quan hệ giữa các hệ tọa độ. ....................................................... 33
Bảng 2.2 Mô tả vùng và hệ số vùng cho các góc 20, 50, 100 .................................. 38

Bảng 2.3 Mô tả việc tính toán quang thông tổng của đèn LED số 01 theo phương
pháp quang thông vùng. ......................................................................................... 41
Bảng 2.4 Kết quả tính toán quang thông tổng của một số bộ đèn LED khác. ....... 47
Bảng 2.5 Mô tả cường độ dòng quang điện, cường độ sáng thực (Cd) của bộ đèn
LED số 01 theo phương ngang và thẳng đứng. ..................................................... 48
Bảng 3.1: Thể hiện số liệu cường độ sáng theo các góc với từng mặt phẳng ngang
(C00-C1800) và thẳng đứng (C900-C2700) của bộ đèn cao áp CDM. ................... 55
Bảng 3.2 Thể hiện độ rọi theo tọa độ của phương dọc đường (ứng với C00-C1800)
của một cột đèn cao 12m ........................................................................................ 57
Bảng 3.3: Thể hiện số liệu cường độ sáng theo các góc với từng mặt phẳng ngang
(C00-C1800) và thẳng đứng (C900-C2700) của bộ đèn LED số 02 ........................ 59
Bảng 3.4 Thể hiện độ rọi theo tọa độ của phương dọc đường (ứng với C00-C1800)
của một cột đèn cao 10m ........................................................................................ 61
Bảng 3.5 Thể hiện độ rọi theo tọa độ của phương dọc đường (ứng với C00-C1800)
của một cột đèn cao 12m ........................................................................................ 63
Bảng 3.6: Thể hiện số liệu cường độ sáng theo các góc với từng mặt phẳng ngang
và thẳng đứng của bộ đèn LED số 04: ................................................................... 65
Bảng 3.7 Thể hiện độ rọi theo tọa độ của phương dọc đường (ứng với C00-C1800)
của một cột đèn cao 10m ........................................................................................ 67
Bảng 3.8 Thể hiện độ rọi theo tọa độ của phương dọc đường (ứng với C00-C1800)
của một cột đèn cao 12m ........................................................................................ 69
Bảng 3.9 So sánh kết quả tính toán chiếu sáng của ba bộ đèn CDM, đèn LED số 02
và bộ đèn LED số 04: ............................................................................................. 76
Bảng 3.10 Mô tả phân bố độ rọi giữa hai cột đèn LED tại đường Lê Hồng Phong.
................................................................................................................................ 78
Bảng 3.11 Số liệu đo độ rọi tại chân cột của đèn HPS và LED ............................ 80
Bảng 3.12 Một số tuyến đường thay thế đèn HPS bằng LED tại TP. Hồ Chí Minh
................................................................................................................................ 81
Bảng 3.13 Bảng so sánh tỷ lệ giữa hai phương án HPS và LED .......................... 84

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Nguyên lý làm việc của LED ................................................................... 14
Hình 1.2 Mô tả cấu trúc thực của mộtchip LED .................................................... 15
Hình 1.3 Phổ của LED đơn sắc màu xanh lục ....................................................... 18
Hình 1.4 Phổ của LED đơn sắc màu xanh lam ...................................................... 18
Hình 1.5 Phổ của LED đơn sắc màu xanh đỏ ........................................................ 18
Hình 1.6 Phổ của LED trắng ................................................................................. 19
Hình 1.7 Đường cong hệ màu RGB ....................................................................... 20
Hình 1.8 Tạo ra LED trắng từ các màu RGB ........................................................ 20
Hình 1.9 Mô tả màn hình CRT hoạt động trên nguyên tắc RGB ........................... 22
Hình 1.10 Đèn ống huỳnh quang ........................................................................... 23
Hình 1.11 Hiện tượng phát quang huỳnh quang (1) Phổ kích thích (phổ hấp thụ),
(2) Phổ huỳnh quang (phổ phát xạ) ....................................................................... 24
Hình 1.12 Quang phổ của LED trắng (a) và đèn huỳnh quang thông thường (b) 24
Hình 1.13 Mô tả chip LED với lớp phủ huỳnh quang ............................................ 25
Hình 1.14 Chip LED (a) và phân bố cường độ sáng của LED nguyên bản (b)..... 26
Hình 1.15 Chip LED (a) và phân bố cường độ sáng của LED sau khi được phủ lớp
thủy tinh hữu cơ dạng thấu kính hội tụ (b)............................................................. 26
Hình 1.16 Lăng kính (a) và phân bố cường độ sáng của LED qua lăng kính (b) . 28
Hình 1.17 Thấu kính (a) và phân bố cường độ sáng của LED qua thấu kính (b) . 28
Hình 1.18 Mẫu thấu kính bất đối xứng HX-SD135 LED đường Osram ................ 29
Hình 1.19 Mẫu thấu kính bất đối xứng HX-SD142 của Osram ............................. 29
Hình 1.20 Một vài mẫu thấu kính bất đối xứng khác của Osram .......................... 29
Hình 1.21 Một vài mẫu thấu kính bất đối xứng khác của Saip – Trung Quốc ...... 30
Hình 1.22 Sắp xếp các chip hoặc module LED theo các phương khác nhau để thay
đổi phân bố trường sáng của bộ đèn ..................................................................... 30
Hình 1.23 Một số mẫu đèn đường của Saip - Trung Quốc .................................... 31

Hình 1.24 Mẫu đèn LED chiếu sáng đường LED Lixway 5 của Inaba, Nhật Bản 31
Hình 2.1 Phân bố cường độ sáng của một bộ đèn hệ tọa độ Đề các (a), hệ tọa độ
cực (b) .................................................................................................................... 34
Hình 2.2 Quy ước các mặt phẳng C,  của bộ đèn trong tọa độ cực ..................... 34
Hình 2.3 Đường cong phân bố cường độ sáng của một bộ đèn theo hệ C- ......... 35

7


(CIE 43-1979 Guide).............................................................................................. 35
Hình 2.4 Góc kế quang học: (a) Loại nguồn sáng quay.

(b) Loại gương quay .. 36

Hình 2.5 Cấu trúc hệ đo góc kế quang học loại gương quay ................................ 36
Hình 2.6 Hình ảnh đo phân bố cường độ sáng của bộ đèn bằng Goniophotometer
tại PTN Kỹ thuật chiếu sáng, Viện Vật lý kỹ thuật, trường ĐHBKHN. ................. 37
Hình 2.7 Mô tả một vùng........................................................................................ 37
Hình 2.8 Tập dữ liệu trắc quang của bộ đèn huỳnh quang trong máng parabol .. 39
Hình 2.9 Hình ảnh mẫu đèn LED số 01 ................................................................. 41
Hình 2.10 Các đường cong phân bố cường độ sáng của đèn LED số 01 .............. 50
Hình 2.11 Hình ảnh mẫu đèn LED số 02 ............................................................... 51
Hình 2.12 Đường cong trắc quang đèn số 02 ........................................................ 51
Hình 2.13 Hình ảnh mẫu đèn LED số 03 ............................................................... 52
Hình 2.14 Các đương cong phấn bố cường độ sáng của đèn LED số 03 .............. 52
Hình 2.15 Hình ảnh mẫu đèn LEDsố 04 ................................................................ 53
Hình 2.16 Các đường cong phân bố quang thông của đèn LED số 04 ................. 53
Hình 3.1 Xác định các tọa độ chiếu sáng .............................................................. 54
Hình 3.2 Hình ảnh (a) và phân bố cường độ sáng của đèn CDM 150W (b) ......... 55
Hình 3.3 Phân bố độ của một cột đèn phương dọc đường (ứng với C00-C1800) với

cột cao 12 m ........................................................................................................... 58
Hình 3.4 Phân bố độ rọi theo phương dọc đường (ứng với C00-C1800) giữa hai cột
đèn cách nhau 35 m................................................................................................ 58
Hình 3.5 Hình ảnh (a) và phân bố cường độ sáng của đèn LED số 02 (b) ........... 59
Hình 3.6 Phân bố độ rọi của một đèn theo phương dọc đường (ứng với C00- C1800)
với cột cao 10 m ..................................................................................................... 62
Hình 3.7 Phân bố độ rọi theo phương dọc đường (ứng với C00-C1800) giữa hai cột
đèn cách nhau 25 m................................................................................................ 62
Hình 3.8 Phân bố độ rọi của một đèn theo phương dọc đường (ứng với C00-C1800)
với cột cao 12 m ..................................................................................................... 64
Hình 3.9 Phân bố độ rọi theo phương dọc đường (ứng với C00-C1800) giữa hai cột
đèn cách nhau 35 m................................................................................................ 64
Hình 3.10 Hình ảnh (a) và phân bố cường độ sáng của đèn LED số 04 (b) ......... 65
Hình 3.11 Phân bố độ rọi của một đèn theo phương dọc đường (ứng với C00-C1800)
với cột cao 10 m ..................................................................................................... 68

8


Hình 3.12 Phân bố độ rọi theo phương dọc đường (ứng với C00-C1800) giữa hai cột
đèn cách nhau 30 m................................................................................................ 68
Hình 3.13 Phân bố độ rọi của một đèn theo phương dọc đường (ứng với C00-C1800)
với cột cao 10 m ..................................................................................................... 70
Hình 3.14 Phân bố độ rọi theo phương dọc đường (ứng với C00-C1800) giữa hai cột
đèn cách nhau 35 m................................................................................................ 70
Hình 3.15 Hình ảnh (a) và phân bố cường độ sáng của đèn LED số 01 (b) ......... 71
Hình 3.16 Phân bố độ rọi của một đèn theo phương dọc đường (ứng với C00-C1800)
với cột cao 10m ...................................................................................................... 71
Hình 3.17 Phân bố độ rọi theo phương dọc đường (ứng với C00-C1800) giữa hai cột
đèn cách nhau 25m ................................................................................................. 71

Hình 3.18 Hình ảnh (a) và phân bố cường độ sáng của đèn LED số 03 (b) ......... 72
Hình 3.19 Phân bố độ rọi của một đèn theo phương dọc đường (ứng với C00-C1800)
với cột cao 10 m ..................................................................................................... 72
Hình 3.20 Phân bố độ rọi theo phương dọc đường (ứng với C00-C1800) giữa hai cột
đèn cách nhau 25 m................................................................................................ 73
Hình 3.21 Hình ảnh (a) và phân bố cường độ sáng của đèn LEDFawoo (b)........ 73
Hình 3.22 Phân bố độ rọi của một đèn theo phương dọc đường (ứng với C00-C1800)
với cột cao 10 m ..................................................................................................... 74
Hình 3.23 Phân bố độ rọi theo phương dọc đường (ứng với C00-C1800) giữa hai
cột đèn cách nhau 20 m .......................................................................................... 74
Hình 3.24 Biển đồ phân bố cường độ sang (a), hình ảnh dèn HPS VEGA (b) ...... 75
Hình 3.25 Phân bố độ rọi của một đèn theo phương dọc đường (ứng với C00-C1800)
với cột cao 12 m ..................................................................................................... 75
Hình 3.26 Phân bố độ rọi theo phương dọc đường (ứng với C00-C1800) giữa hai cột
đèn cách nhau 35 m................................................................................................ 75
Hình 3.27 Hình ảnh (a) và biểu đồ phân bố cường độ sáng (b) của đèn LED tại công
trình chiếu sáng đường Lê Hồng Phong, Hải An, Hải Phòng ............................... 78
Hình 3.28 Phân bố độ rọi giữa hai cột đèn công trình chiếu sáng đường Lê Hồng
Phong, Hải An, Hải Phòng .................................................................................... 78
Hình 3.29 Hình ảnh thực kiểm định chiếu sáng tại công trình chiếu sáng đường Lê
Hồng Phong, Hải An, Hải Phòng........................................................................... 79
Hình 3.30 Đường Trần Hưng Đạo được chiếu sáng hỗn hợp. .............................. 80

9


LỜI NÓI ĐẦU
1. Lý do chon đề tài của luận án
Hiện nay, hầu hết hệ thống đường phố trong các đô thị ở nước ta đều được chiếu
sáng bằng các các loại đèn phóng điện như đèn cao áp Natri (High Pressur Sodium:

HPS), đèn Metal Halide và một số địa điểm vẫn còn dùng đèn cao áp thủy ngân
(High Pressur Mercury: HPM). Đây là các loại đèn có công suất tiêu thụ điện cao,
phát ra quang thông lớn phục vụ chiếu sáng tại những không gian rộng.
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, trong vài năm trở lại đây, đèn
LED đã du nhập khá ồ ạt vào nước ta và chúng đã có chỗ đứng vững chắc trong các
công trình chiếu sáng nhỏ, đặc biệt là chiếu sáng quảng cáo. Tuy nhiên, từ khi LED
trắng ra đời, nó mới thực sự đi vào cuộc sống với vai trò chiếu sáng dân dụng.
LED trắng, đặc biệt là LED trắng công suất lớn đã tạo ra một cuộc cách mạng
trong ngành công nghiệp chiếu sáng. Không chỉ có chất lượng chiếu sáng tốt, LED
còn khẳng định khả năng tiết kiệm năng lượng vô cùng lớn, đây là yếu tố quyết định
giúp LED khẳng định vị trí vai trò to lớn trong sự phát triển của ngành chiếu sáng
trong tương lai.
Ngày nay, các hệ thống chiếu sáng đường phố sử dụng đèn LED đang từng bước
được sử dụng thay thế cho các loại đèn truyền thống ở nước ta. Cho đến nay đã có
một số công trình chiếu sáng bằng LED được triển khai ở một vài thành phố lớn tại
Việt Nam. Cho đến nay, các công trình chiếu sáng bằng LED tiêu biểu ở Việt Nam
là hệ thống chiếu sáng LED trên đường Thành Thái (quận 1), đường Nguyễn Thái
Bình (quận Tân Bình), đường Hoa Lam (quận Phú Nhuận) TP Hồ Chí Minh, hệ
thống 259 đèn LED công suất lớn được lắp đặt tại khu vực trung tâm thành phố Hải
Phòng. LED cũng đã được mắc để chiếu sáng một số tuyến đường tại thành phố Đà
Nẵng hoặc được lắp đặt trên một số cầu vượt tại Hà Nội…
Tất cả các công trình chiếu sáng bằng LED nói trên đều đã khẳng định tính hơn
hẳn về chất lượng ánh sáng và tiết kiệm điện. Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm
đó, có một vài vấn đề lớn thuộc về kỹ thuật còn tồn tại, đó là:

10


Thứ nhất: Chúng ta chưa hề có một công trình chiếu sáng bằng LED được xây
dựng đồng bộ mà mới áp dụng một cách đơn giản là thay thế các bộ đèn HPS hoặc

Metal Halide cũ bằng các bộ đèn LED mới mà không hề quan tâm tới những thông
số như độ cao và khoảng cách các cột đèn, cũng như các dữ liệu trắc quang
(Photometric Data) của chúng có tương thích hay không. Kết quả là hệ thống chiếu
sáng đường bằng LED thường có hề số đồng đều thấp tức là trường sáng có hiện
tượng bậc thang khá rõ ràng [6].
Thứ hai: Khi các đèn LED công suất khá thấp được treo ở những vị trí cao (đôi
khi quá cao) dẫn đến độ rọi sáng trên mặt đường thấp (nhiều khi không đạt so với
tiêu chuẩn), trong khi ưu thế tiện nghi của LED (do có chỉ số CRI cao) lại không
được chú ý thích đáng [6].
Phải khẳng định rằng, tất cả những “điểm yếu” trên không phải do đèn LED mà
do chúng ta đã bỏ qua các nguyên tắc cơ bản khi thay thế hai nguồn sáng có quang
thông và phân bố cường độ sáng hoàn toàn khác nhau vào cùng một vị trí. Mặt khác
vì hiện nay chưa có các tiêu chuẩn nghiệm thu các công trình chiếu sáng bằng LED
nên chúng ta đã “tạm” sử dụng hệ thống tiêu chuẩn nghiệm thu công trình chiếu
sáng đường với các nguồn sáng truyền thống để áp dụng cho công trình chiếu sáng
bằng LED. Điều đó đã gây ra không ít tranh cãi về kết quả nghiệm thu các công
trình chiếu sáng LED và nguy hiểm hơn là gây tâm lý “ngại” đầu tư các công trình
chiếu sáng ưu việt này.
Trong tình hình trên, là người đã thực hiện đồ án Thiết kế chiếu sáng ở trình độ
kỹ sư và với sự yêu thích lĩnh vực này, tôi đã lựa chọn đề tài của luận án cao học là:
“Nghiệm thu các công trình chiếu sáng đường phố sử dụng nguồn sáng LED”.
Mục đích của luận án nhằm đo đạc phân tích sâu về đặc tính chiếu sáng của các loại
đèn LED sử dụng trong chiếu sáng đường, từ đó đưa ra các kiến nghị về một bộ tiêu
chuẩn mới để áp dụng cho việc nghiệm thu các công trình chiếu sáng đường phố khi
sử dụng nguồn sáng LED.

11


2. Phương pháp nghiên cứu

Ngoài những việc nghiên cứu sơ lược các lý thuyết về LED và phương pháp trắc
quang, luận án tập trung vào các thực nghiệm chính là:
- Đo đạc các thông số quang học như quang thông , phân bố cường độ sáng của
một số bộ đèn chiếu sáng đường phố thông thường và đèn LED để phân biệt sự
khác biệt giữa chúng
- Tính toán chiếu sáng với từng loại đèn thông thường và đèn LED
- Đo đạc và kiểm tra so sánh phân bố độ rọi của một và công trình chiếu sáng LED
để đánh giá các thông số chiếu sáng theo tiêu chuẩn
- Đề nghị một phương pháp nghiệm thu công trình chiếu sáng bằng LED
3. Bố cục của luận án
Nội dung luận án gồm có 3 chương:
- Chương 1: Tổng quan về LED trong chiếu sáng đường.
- Chương 2: Đo đạc các thông số của một số bộ đèn LED.
- Chương 3. Nghiệm thu, đánh giá chất lượng chiếu sáng đường sử dụng nguồn
sáng LED.
- Kết luận và kiến nghị.
Toàn bộ số liệu thực nghiệm được đo đạc tại PTN Vật ý và kỹ thuật ánh sáng
thuộc Viện Vật lý kỹ thuật, trường đại học Bách khoa Hà Nội. Các kết quả nghiệm
thu được thực hiện tại công trình chiếu sáng bằng LED, trung tâm thành phố Hải
Phòng.

12


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ LED TRONG CHIẾU SÁNG ĐƯỜNG
1.1 Vài nét về lịch sử phát triển của LED
Năm 1961, hai nhà khoa học người Mỹ là Robert Biard và Gary Pittman, làm
việc ở Texas Instruments, đã phát hiện chất bán dẫn GaAs phát ra tia hồng ngoại khi
có dòng điện chạy qua và đã nhận bằng phát minh LED hồng ngoại. Vì vậy, theo

nhận định của nhiều nhà khoa học thì đây là thời điểm ra đời của chip LED đầu tiên
trên thế giới.
LED đầu tiên phát ra ánh sáng có thể nhìn thấy là loại LED phát ánh sáng màu
đỏ, do Nick Holonyak phát hiện, vào năm 1962 khi ông đang làm việc cho cho
General Electric Company. Holonyak đã báo cáo hiện tượng này trong lá thư anh
gởi cho tạp chí Applied Physics Letters vào ngày 01-12-1962. Holonyak được xem
là cha đẻ của LED. M. George Craford, một sinh viên tốt nghiệp trước Holonyak,
đã phát minh ra LED màu vàng đầu tiên và đã tăng độ sáng lên 10 lần cho LED màu
đỏ và LED màu đỏ - cam vào năm 1972. Vào năm 1976, T. P. Pearsall lần đầu tiên
đã tạo ra LED công suất cao, hiệu suất cao dung cho cáp quang.
Năm 1993, Công ty Hóa chất Nichia của Nhật Bản đã nghiên cứu hoàn chỉnh
công nghệ chế tạo loại LED cho ánh sáng trắng với cơ chế LED huỳnh quang. Kết
quả nghiên cứu nói trên đã mở ra cơ hội mới để ứng dụng đèn LED vào cuộc sống.
LED trắng đã tạo nên cách mạng trong kỹ thuật chiếu sáng.
Quá trình phát triển của đèn LED có thể tóm tắt theo bảng 1.1:
Bảng 1.1 Tóm tắt quá trình phát triển của đèn LED
Năm
1968
1973
1975
1978
1993
1996
10/2008

Loại LED

Vật liệu chế tạo

LED ánh sáng đỏ

LED ánh sáng vàng – Xanh lá cây
LED ánh sáng vàng
LED ánh sáng đỏ rực
LED ánh sáng trắng
LED ánh sáng trắng
LED ánh sáng trắng

13

Bán dẫn GaAs
Bán dẫn GaP + ZnO
Bán dẫn GaAsP
Bán dẫn GaAlAs
Bán dẫn InGaN
Bán dẫn InGaN + YAG Phosphor
Công nghệ nano bán dẫn


1.2 Nguyên lý hoạt động (phát sáng) của LED
1.2.1 Nguyên lý
Bản chất của LED là một diode, nó chứa một chíp bán dẫn có pha các tạp chất để
tạo ra một tiếp giáp P-N.

Hình 1.1 Nguyên lý làm việc của LED
Khối bán dẫn loại P (Positive) chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương
nên khi ghép với khối bán dẫn N (Negative) (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống
này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối N. Đông thời khối P lại nhận
thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối N chuyển sang. Kết quả là khối P tích điện
âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối N tích điện dương (thiếu
hụt điện tử và dư thừa lỗ trống).

Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng
tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung
hòa. Năng lượng dưa thừa do sự tái hợp giữa điện tử và lỗ trống phát sinh photon
dưới dạng ánh sáng.
Chính vì vậy LED được viết tắt của cụm từ “Light Emitting Diode”.

14


1.2.2 Cấu tạo thực của LED
Cấu tạo thực của một đèn LED được thể hiện cụ thể qua hình 1.2

Hình 1.2 Mô tả cấu trúc thực của mộtchip LED
Một LED nói chung được cấu tạo từ những thành phần cơ bản sau:
Lớp chuyển tiếp P – N (là vị trí phát sáng của LED nên đôi khi được gọi là tim
đèn): được cấu tạo từ hai chất bán dẫn loại P và N. Đây là phần phát ra ánh sáng của
chip LED. Thông thường các vật liệu bán dẫn được cấu tạo từ hai chất bán dẫn
chính là AlGaP và InGaN. Tim đèn có chức năng, khi cho dòng điện một chiều đi
qua làm chuyển động khuếch tán các điện tích âm và dương giữa hai điện cực, và
giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng.
Hai điện cực: thông thường chúng có độ dài khác nhau, chân dài là anode (điện
cực dương), ngắn hơn là cathode (điện cực âm), dùng để cung cấp nguồn một chiều.
Thấu kính: lớp vỏ nhựa trong suốt phủ bên ngoài tim đèn và một phần chân cực,
có chức năng bảo vệ mặt phát sáng và hội tụ ánh sáng về phía trước.
Để tăng hiệu quả phát sáng, người ta phủ một lớp phản xạ ở mặt dưới cùng của
chất bán dẫn. Lớp này có tác dụng phản xạ hầu hết các bức xạ sáng phát ra từ lớp
bán dẫn. Điều đó cũng giải thích tại sao các chip LED thường phát sáng về một
hướng nhất định.
15

Khi bắt đầu xuất hiện, các LED trắng thường chỉ đạt hiệu suất phát quang khoảng
40÷60 lm/W (nghĩa là tương đương hiệu suất phát quang của đèn huỳnh quang).
Hiện nay hiệu suất phát quang của đèn LED trắng đã đạt đến 90÷120 lm/W. Đặc
biệt tại một số PTN trên thế giới đã công bố chế tạo thành công LED có hiệu suất
phát quang đạt 150 lm/W (đồng nghĩa với việc LED đã dẫn đầu về hiệu suất phát
quang).
Bảng 1.2 Hiệu suất phát quang của một số loại đèn hiện nay
TT
1
2
3
4
5
6
7

Loại đèn

Hiệu suất (lm/W)
10 ÷ 20
60 ÷ 80
60 ÷ 80
80 ÷ 100
130
80 ÷ 120
150

Sợi đốt, halogen
Huỳnh quang thẳng, compact

Cao áp thủy ngân (HPM)
Metal halide
Natri cao áp (HPS)
LED hiện tại
LED trong tương lai gần

Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát
ra khác nhau (màu sắc của LED sẽ khác nhau). Mức năng lượng lại hoàn toàn phụ
thuộc vào cấu trúc và thành phần của các nguyên tử chất có trong chất bán dẫn.
Bảng 1.3 liệt kê một số loại vật liệu bán dẫn, điện áp nuôi và bước sóng ánh sáng
của một vài loại LED.
Các hình 1.3, 1.4, 1.5 mô tả phổ và thông tin về màu của một vài loại LED:

16


Bảng 1.3 Một vài thông số của một số loại chip LED
Màu
sắc

Bước
sóng [nm]

Điện áp [ΔV]

Hồng
ngoại

λ > 760

ΔV < 1.63

Gallium arsenide (GaAs)
Aluminium gallium arsenide (AlGaAs)

610 < λ < 760

1.63 < ΔV <
2.03

Aluminium gallium arsenide (AlGaAs)
Gallium arsenide phosphide (GaAsP)
Aluminium gallium indium
phosphide (AlGaInP)
Gallium(III) phosphide (GaP)

590 < λ < 610

2.03 < ΔV <
2.10

Gallium arsenide phosphide (GaAsP)
Aluminium gallium indium
phosphide (AlGaInP)
Gallium(III) phosphide (GaP)

570 < λ < 590

2.10 < ΔV <
2.18

Gallium arsenide phosphide (GaAsP)
Aluminium gallium indium
phosphide (AlGaInP)
Gallium(III) phosphide (GaP)

Đỏ

Cam

Vàng

Vật liệu

Xanh lá 500 < λ < 570

Indium gallium nitride (InGaN) / Gallium(III)
nitride (GaN)
1.9[1] < ΔV < Gallium(III) phosphide (GaP)
4.0
Aluminium gallium indium
phosphide (AlGaInP)
Aluminium gallium phosphide (AlGaP)

Xanh
da trời

450 < λ < 500

2.48 < ΔV <

3.7

Zinc selenide (ZnSe)
Indium gallium nitride (InGaN)
Silicon carbide (SiC) as substrate
Silicon (Si) as substrate — under development

Tím

400 < λ < 450

2.76 < ΔV <
4.0

Indium gallium nitride (InGaN)

Đỏ tía

multiple types

2.48 < ΔV <
3.7

Dual blue/red LEDs,
blue with red phosphor,
or white with purple plastic

Tia cực
tím

λ < 400

Kim cương (235 nm)[2]
Boron nitride (215 nm)[3][4]
3.1 < ΔV < 4.4 Aluminium nitride (AlN) (210 nm)
Aluminium gallium nitride (AlGaN)
Aluminium gallium indium nitride (AlGaInN)

Hồng

multiple types

ΔV ~ 3.3[7]

Trắng

Broad
spectrum

ΔV = 3.5

Blue with one or two phosphor layers:
yellow with red, orange or pink phosphor added
afterwards,
or white with pink pigment or dye.
Blue LED/UV + Yellow Phosphorus

17

Hình 1.3 Phổ của LED đơn sắc màu xanh lục

Hình 1.4 Phổ của LED đơn sắc màu xanh lam

Hình 1.5 Phổ của LED đơn sắc màu xanh đỏ
18


Hình 1.6 Phổ của LED trắng
1.3 LED trắng (White LED)
1.3.1 Tổng quang về LED trắng
Thực ra các LED ban đầu con người tạo ra hoàn toàn là các LED đơn sắc. Bản
chất vật lý của vấn đề là ở chỗ mỗi cặp bán dẫn P-N nhất định chỉ cho phép phát xạ
một năng lượng nhất định tức là chỉ phát ra một ánh sáng đơn sắc [2].
Tuy nhiên do yêu cầu phát triển của khoa học công nghệ và đời sống, con người
rất cần các LED phát ra ánh sáng trắng. Và cũng chỉ khi chế tạo được LED trắng thì
LED mới thực sự tạo ra cuộc cách mạng trong chiếu sáng tiết kiệm năng lượng.
Cho đến nay người ta có hai phương pháp chính để tạo ra ánh sáng trắng từ LED,
đó là phương pháp hòa trộn màu RGB và phương pháp phát xạ huỳnh quang. Hai
phương pháp này sẽ được trình bày trong mục 1.3.2 và 1.3.3
1.3.2 Tạo ánh sáng trắng bằng cơ chế RGB
1.3.2.1 Hệ RGB là gì
Nguyên lý trộn ba màu cho cảm nhận màu trắng của thị giác đã có từ thời cổ xưa,
là hệ quả của nguyên lý thị giác ba biến RGB (Red – Green – Blue). Người ta đã
thấy rằng bất kỳ một màu nào trong tự nhiên đều có thể được tạo thành từ ba màu
cơ bản RGB, với quy định R ( màu đỏ) có bước sóng λ = 700μm, G (màu xanh lá
cây) có bước sóng λ = 546 μm và B (màu xanh ra trời) có bước sóng λ = 436μm.
Các đường biểu diễn RGB được mô tả trên hình 1.7. Chú ý rằng, các màu được tạo

19

ra theo nguyên lý này hoàn toàn là do tác dụng sinh lý của thị giác chứ không phải
của vật lý, tuy nhiên sự hỗn hợp tuân theo các định luật tuyến tính (định luật
Grassman), tức là những quang thông đơn sác thành phần sẽ hỗn hợp theo quy tắc
toán học của đại lượng đại số; độ chói của hỗn hợp màu là tổng độ chói của các màu
thành phần [1], [3], [4].

Hình 1.7 Đường cong hệ màu RGB
Nếu muốn có ánh sáng màu trắng của một bộ đèn chuẩn nào đó, chẳng hạn ánh
sáng của đèn với sợi đốt bằng Wolfram, thì độ chói của ba bức xạ đơn sắc cơ bản
của hệ thống RGB phải có tỷ lệ sau đây: G = 4,59R và B = 0,06R [1], (hình 1.8).

Hình 1.8 Tạo ra LED trắng từ các màu RGB
20


Bước sóng trội λ của hỗn hợp màu đơn sắc phụ thuộc vào tỷ lệ độ chói giữa ba
bức xạ thành phần RGB, đồ thị của quan hệ này gọi là hàm số màu (hình 1.7) [1].
Từ đồ thị của hàm số màu, dễ dàng tìm được tỷ lệ độ chói của ba màu cơ bản
RGB để cho hỗn hợp màu đơn sắc bước sóng λ nhất định và tùy ý. Các ví dụ được
dẫn ra ở trong bảng 1.4:
Bảng 1.4 Tỷ lệ độ chói của các thành phần RGB đối với một vài màu sắc
Độ chói thành phần

Bước sóng
cần λ [μm]

R

G

B

1

436

0

0

0

2

600

0,34

0,06

0

3

500

-0,07

0,08

0,05

TT

Nguyên lý tạo màu RGB đã được áp dụng để chế tạo màn hình với ống phóng
CRT (Cathode Ray Tube) của truyền hình màu.
Để tạo ra màn hình màu, người ta sử dụng 3 ống phóng tia âm cực (chùm eletron),
trong đó mỗi ống phóng có chức năng kích thích cho một màu R, G hoặc B trên màn
hình. Trên bề mặt phía trong của màn hình người ta đã phủ sẵn các hạt (pixel) phát
sáng ứng với các màu RGB, các hạt này là các chất huỳnh quang (Halophotphat) có
khả năng phát sáng ra các màu đỏ, lục, lam khi có tia điện tử bắn vào. Tùy theo
cường độ của chùm tia điện tử mà các màu RGB được xuất hiện với các độ chói
khác nhau và kết quả là cho ta các màu sắc giống như màu của các các vật ngoài tự
nhiên. Nguyên tắc tạo màu của màn hình CRT theo hệ RGB được mô tả trên hình
1.9.

21


Hình 1.9 Mô tả màn hình CRT hoạt động trên nguyên tắc RGB
1.3.2.2 Nhược điểm của phương pháp tạo LED trắng sử dụng nguyên lý RGB
Mặc dù phương pháp tạo màu theo nguyên lý RGB đã mang lại cho con người
một trong những sản phẩm thiết yếu nhất là Tivi màu nhưng nó cũng bộc lộ một loạt
các điểm hạn chế nếu ta dùng chúng trong lĩnh vực chiếu sáng, đó là:
 Chỉ tạo ra được những hệ phát ánh sáng trắng công suất nhỏ.
 Hiệu suất năng lượng của quá trình là rất thấp. Chúng ta có thể kiểm chứng điều
này qua việc nếu ta sử dụng một Tivi 100W để chiếu sáng thì độ sáng của nó vẫn
không thể vượt quá độ sáng của một đèn Compact khoảng 7W.

 Ngoài ra các hệ phát sáng trắng theo nguyên lý RGB thường là các hệ cồng kềnh,
đắt tiền và không thể chịu được những tác động khắc nghiệt của khí hậu nếu dùng
nó để chiếu sáng ngoài trời.
Ngày nay người ta đã tìm ra phương pháp chế tạo LED phát ánh sáng trắng có
hiệu quả cao hơn, đó là phương pháp huỳnh quang.
1.3.3 Tạo LED trắng bằng cơ chế phát huỳnh quang
1.3.3.1 Sơ lược về hiện tượng huỳnh quang
 Định nghĩa: hiện tương huỳnh quang là hiện tượng bức xạ thứ cấp của các phân
tử ở trạng thái kích thích
 Các phương pháp kích thích:
22


Kích thích quang – huỳnh quang:
Bản chất của quá trình này là dùng bức xạ quang học làm cho một chất phát
quang. Nguyên tắc này được ứng dụng trong đèn huỳnh quang.

Hình 1.10 Đèn ống huỳnh quang
Theo nguyên tắc này, các electron phóng qua lại giữa hai điện cực trong ống đèn
đã va chạm với các nguyên tử thủy ngân đang ở trạng thái hơi bão hòa. Sau khi nhận
được năng lượng do va chạm, các nguyên tử thủy ngân phát ra một quang phổ vạch
trong đó bức xạ sóng λ = 253,7 nm chiếm khoảng 60% [5]. Bức xạ này đã kích thích
lớp bột huỳnh quang trên thành ống. Kết quả là chúng sẽ phát ra ánh sáng trắng.
Sinh hóa huỳnh quang:
Là các quá trình trao đổi sinh học ở trong cơ thể động thực vật làm cho chúng
phát sáng. Đây là trường hợp phát huỳnh quang của một số côn trùng như con đom
đóm hoặc hột số nhuyễn thể ở dưới biển.
 Hai đặc điểm quan trọng của hiện tượng huỳnh quang:
Thứ nhất: Các chất huỳnh quang có thể phát ra ánh sáng trắng ngay ở nhiệt độ
phòng. Điều này giúp ta phân biệt hiện tượng huỳnh quang với hiện tượng phát

sáng do bức xạ nhiệt (như ở đèn sợi đốt cần nhiệt độ t0> 20000C mới bắt đầu phát
sáng trắng). Điều này cũng giải thích tại sao các hiệu ứng huỳnh quang thường có
hiệu suất năng lượng cao hơn nhiều so với các nguồn sáng nhiệt (đèn sợi đốt hoặc
đốt than, củi …)

23


Thứ hai: Phổ huỳnh quang bao giờ cũng dịch chuyển về phía sóng dài so với phổ
kích thích (hình 1.11). Điều này gợi ý cho ta biết muốn LED trắng có phổ huỳnh
quang nằm trong vùng nhìn thấy (bước sóng từ 380nm đến 760nm) thì ta phải dùng
các LED đơn sắc có bước sóng rất ngắn.
Năng lượng
1

2

nm
200

300

400

500

600

700

Hình 1.11 Hiện tượng phát quang huỳnh quang (1) Phổ kích thích (phổ hấp thụ),
(2) Phổ huỳnh quang (phổ phát xạ)

Hình 1.12 Quang phổ của LED trắng (a) và đèn huỳnh quang thông thường (b)
Hình 1.12 (a) mô tả quang phổ tổng quát của một LED trắng. Quang phổ này bao
giờ cũng gồm hai đỉnh, trong đó đỉnh hẹp ở phía sóng ngắn là phần còn dư của bức
xạ kích thích và phần phổ rộng hơn ở phía sóng dài chính là phổ huỳnh quang.
Quan sát các phổ huỳnh quang của LED trắng (hình 1.12 (a)) ta thấy chúng có
dáng dấp của một quang phổ liên tục, trong khi đó các đèn huỳnh quang và compact
đều có phổ dạng vạch khá rõ ràng (hình 1.12 (b)). Điều đó chứng tỏ tại sao LED
trắng luôn luôn cho ánh sáng có CRI (Color Rendering Index) cao hơn so với các

24


đèn huỳnh quang ống thẳng và huỳnh quang compact. Và CRI cao chính là một ưu
thế nổi trội của LED so với các nguồn sáng khác (trừ đèn sợi đốt).
Dựa trên nguyên lý này người ta đã sử dụng các bức xạ đơn sắc của các LED phát
sóng ngắn để kích thích bột huỳnh quang làm cho lớp bột huỳnh quang phát ra ánh
sáng trắng. Hình 1.12 mô tả cấu tạo của một chip LED phát ánh sáng trắng bằng
phương pháp huỳnh quang.

Hình 1.13 Mô tả chip LED với lớp phủ huỳnh quang
1.3.3.2 Một số mẫu chất huỳnh quang thường dùng
Hiện nay trong công nghệ LED, người ta có thể tạo ra một chip LED phát ra ánh
sáng có màu sắc tùy ý. Các chất huỳnh quang thường được dùng là:
 Photpho ba màu LPTB-69 (CT = 6800-7000 K) phát ra ánh sáng ban ngày.
Toạ độ màu
Nhiệt độ màu (K)
Chỉ số thể hiện màu

x = 0.308, y = 0.317
6800 - 7000
90

 Photpho ba màu LPTB-65 (CT = 6500-6700 K) phát ra ánh sáng ban ngày
Toạ độ màu
Nhiệt độ màu (K)
Chỉ số thể hiện màu

x = 0.314, y = 0.334
6500 - 6700
90

 Photpho ba màu LPTB-28 (CT = 2700 - 2900 K) phát ra ánh sáng trắng ấm.
Toạ độ màu
Nhiệ độ màu (K)
Chỉ số thể hiện màu

x = 0.465, y = 0.445
2700 - 2900
85
25