Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED dùng quả cầu

Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

Mục lục
LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................................4
Danh mục các bảng biểu .............................................................................................5
Lời nói đầu ...................................................................................................................7
Tóm tắt .........................................................................................................................9
CHƢƠNG I:

GIỚI THIỆU ...................................................................................11

CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .....................................................................14
2.1

Cơ sở lý thuyết về LED ...............................................................................14

2.1.1

Hoạt động của LED ............................................................................ 14

2.1.2

Lớp tráng phủ của LED ..................................................................... 15

2.1.3

Màu sắc của LED ................................................................................ 16

2.1.4

Tính chất của LED .............................................................................. 18

2.1.5

Các tham số cơ bản của LED. ............................................................ 19

2.1.6

Phân loại các LED. .............................................................................. 20

2.1.7

LED hồng ngoại ................................................................................... 21

2.1.8

Phƣơng pháp tạo ra LED sáng trắng ................................................ 23

2.1.9

Các tính chất phổ của LED ................................................................ 27

2.1.10 Ứng dụng của đèn LED. ..................................................................... 29
2.2

Khái niệm và phƣơng pháp tính các tọa độ màu của LED ......................32

2.2.1

Khái niệm về tọa độ màu. ................................................................... 32

2.2.2

Không gian màu XYZ ......................................................................... 33

2.2.3

Giản đồ kết tủa màu sắc CIE xyY ..................................................... 35

2.2.4

Những hạn chế của giản đồ kết tủa màu sắc CIE xyY 1931 ........... 37

2.2.5

Giản đồ màu CIE Luv ........................................................................ 38

2.2.6

Phƣơng pháp tính tọa độ màu ........................................................... 39

2.3

Khái niệm và phƣơng pháp tính nhiệt độ màu tƣơng quan CCT ...........41

2.3.1

Khái niệm về nhiệt độ màu ................................................................ 41

2.3.2

Tính nhiệt độ màu tƣơng quan CCT................................................. 42

Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 1


Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

2.4

Khái niệm và phƣơng pháp tính độ hoàn màu .........................................43

2.4.1

Khái niệm độ hoàn màu ..................................................................... 43

2.4.2

Tính hệ số hoàn màu CRI .................................................................. 44

CHƢƠNG III: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐO CÁC THÔNG SỐ
QUANG HỌC CỦA LED SỬ DỤNG QUẢ CẦU TÍCH PHÂN...........................49
3.1

Sơ đồ khối hệ thống đo ................................................................................49

3.2

Quả cầu tích phân ........................................................................................50

3.2.1

Cấu trúc quả cầu tích phân ................................................................ 50

3.2.2

Các thông số của quả cầu tích phân. ................................................. 52

3.2.3

Lắp đặt quả cầu và thiết bị................................................................. 53

3.2.4

Gắn đèn LED vào quả cầu tích phân ................................................ 53

3.3

Quang phổ kế USB 4000..............................................................................55

3.3.1

Khái niệm quang phổ kế..................................................................... 55

3.3.2

Giới thiệu về quang phổ kế USB 4000 ............................................... 56

3.3.3

Hoạt động của quang phổ kế USB 4000 ............................................ 57

3.3.4

Các thông số kỹ thuật chủ yếu của quang phổ kế USB 4000 .......... 59

3.3.5

Kết nối USB 4000 với máy tính .......................................................... 60

3.4

Bộ phần mềm đo lƣờng SpectraSuite.........................................................61

3.4.1

Giới thiệu phần mềm đo lƣờng SpectraSuite ................................... 61

3.4.2

Các tính năng của SpectraSuite ......................................................... 61

3.4.3

Các chức năng của bộ phần mềm SpectraSuite ............................... 62

3.5

Bộ phần mềm tính toán ...............................................................................63

CHƢƠNG IV: PHƢƠNG PHÁP VÀ KẾT QUẢ ĐO BỨC XẠ TUYỆT ĐỐI
CỦA LED
64
4.1

Cơ sở lý thuyết tính toán bức xạ của đèn ..................................................64

4.2

Các bƣớc đo bức xạ tuyệt đối bằng phần mềm đo Spectra Suites ..........65

4.3

Kết quả đo.....................................................................................................65

4.3.1

LED trắng sáng ................................................................................... 66

Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 2


Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

4.3.2

OLED vàng ấm (da cam) .................................................................... 67

4.3.3

LED tím ................................................................................................ 68

4.3.4

LED vàng ............................................................................................. 68

4.3.5

LED đỏ ................................................................................................. 69

4.4

Kết luận chƣơng ...........................................................................................69

CHƢƠNG V:

PHẦN MỀM TÍNH TOÁN VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU .........................71

5.1

Xử lý dữ liệu đầu vào ...................................................................................71

5.2

Tính toán thông số LED ..............................................................................72

5.2.1

Nhập dữ liệu đầu vào và các dữ liệu tham chiếu ............................. 72

5.2.2

Tính tọa độ màu .................................................................................. 74

5.2.3

Tính nhiệt độ màu tƣơng quan CCT................................................. 75

5.2.4

Tính hệ số hoàn màu CRI. ................................................................. 75

5.3

Phần mềm tính toán và kết quả thông số kỹ thuật của LED ...................81

5.4

Kết quả và đánh giá .....................................................................................82

5.4.1

LED trắng sáng ................................................................................... 83

5.4.2

OLED sáng vàng ấm ........................................................................... 84

5.4.3

LED tím ................................................................................................ 85

5.4.4

LED vàng ............................................................................................. 86

5.4.5

LED đỏ ................................................................................................. 87

5.4.6

Nhận xét chung .................................................................................... 88

CHƢƠNG VI: KẾT LUẬN ....................................................................................91

Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 3


Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

LỜI CAM ĐOAN
Trƣớc hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô trong Viện
Điện tử viễn thông, trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo ra một môi trƣờng
thuận lợi về cơ sở vật chất cũng nhƣ về chuyên môn trong quá trình em thực hiện đề

tại. Em cũng xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Đào tạo sau đại học đã quan tâm đến
khóa học này, tạo điều kiện cho các học viên có điều kiện thuận lợi để học tập và
nghiên cứu. Và đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS. Nguyễn Vũ
Thắng đã tận tình chỉ bảo, định hƣớng khoa học và hƣớng dẫn, sửa chữa cho nội
dung của luận văn này.
Em xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này là hoàn toàn do em tìm hiểu,
nghiên cứu và viết ra. Tất cả đều đƣợc em thực hiện cẩn thận và có sự định hƣớng và
sửa chữa của giáo viên hƣớng dẫn.
Em xin chịu trách nhiệm với những nội dung trong luận văn này.
Tác giả

Nguyễn Đức Anh

Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 4


Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

Danh mục các bảng biểu
Bảng 2.1: Điện áp, màu sắc, vật liệu của các loại LED ..............................................18
Bảng 2.2: Điện thế phân cực thuận của LED .............................................................18
Bảng 2.3: Bảng vật liệu làm ra LED ...........................................................................20
Bảng 2.4: Bảng số liệu 𝒙(λ), 𝒚 (λ), 𝒛 (λ) tại các bƣớc sóng ........................................40
Bảng 2.5: Bảng phạm vi ứng dụng của các nhóm hoàn màu ......................................44
Bảng 2.6: Bảng số liệu biểu diễn hàm mật độ năng lƣợng tại từng bƣớc sóng ..........45
Bảng 2.7: Bảng số liệu biểu diễn phổ phản xạ tại các bƣớc sóng khi đi qua các tấm
phải xạ có độ phản xạ khác nhau.................................................................................47
Bảng 5.1: Tổng hợp các thông số thu đƣợc từ các loại LED ......................................89

Danh mục các hình vẽ
Hình 2.1: Đặc tuyến Von – Ampe của LED

19

Hình 2.2: Các loại LED hiện có

21

Hình 2.3: Cấu tạo LED hồng ngoại bƣớc sóng 980nm

22

Hình 2.4: Cấu trúc của LED hồng ngoại bức xạ bƣớc sóng 950 nm

22

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của LED hồng ngoại

23

Hình 2.6: Phổ của ba màu LED cơ bản

25

Hình 2.7: Phân bố phổ của các LED

27

Hình 2.8: Bảng điện tử LED

30

Hình 2.9: LED trang trí

31

Hình 2.10: Không gian màu XYZ

34

Hình 2.11: Giản đồ kết tủa màu sắc CRI xyY

35

Hình 2.12: Nhiệt độ màu bằng giản đồ CIE xyY

37

Hình 2.13: Hạn chế của giản đồ kết tủa màu sắc CIE xyY 1931

37

Hình 2.14: Không gian màu CIE LUV[1]

38

Hình 2.15: Giản đồ CIE Luv[1]

39

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống đo thông số đèn LED

49

Hình 3.2: 2 quả cầu tích phân đƣợc chế tạo để đo

51

Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 5


Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

Hình 3.3: Hệ thống đo dùng quả cầu tích phân

52

Hình 3.4: Bản vẽ thiết kế mặt cắt ngang, trƣớc và hình ảnh của bộ lắp đặt LED

54

Hình 3.5: Đầu gắn LED thực tế

54

Hình 3.6: Quang phổ kế USB 4000 của hãng OceanOptics trong trạng thái làm việc
57

Hình 3.7: Các thành phần cấu tạo nên USB 4000

57

Hình 4.1: Phổ bức xạ đo đƣợc đối với LED ánh sáng trắng

66

Hình 4.2: Phổ bức xạ đo đƣợc đối với OLED da cam

67

Hình 4.3: Phổ bức xạ đo đƣợc đối với ánh sáng tím

68

Hình 4.4: Phổ bức xạ đo đƣợc đối với ánh sáng vàng

68

Hình 4.5: Phổ bức xạ đo đƣợc đối với LED ánh sáng đỏ

69

Hình 5.1: 2 file kết quả đo tƣơng ứng với cƣờng độ bức xạ lúc tắt đèn và bật đèn

71

Hình 5.2: File đƣợc chuẩn hóa từ kết quả đo

72

Hình 5.3: Bảng giá trị hàm độ nhạy đối với 3 màu cơ bản (blue, green, red) với từng
bƣớc sóng λ.

72

Hình 5.4: Giá trị hàm mật độ năng lƣợng theo bƣớc sóng.

73

Hình 5.5: Hệ số phản xạ khi ánh sáng đèn LED chiếu tới các tấm mẫu phản xạ Ri với
i = 1÷8.

73

Hình 5.6: Sơ đồ thuật toán tính các giá trị kích thích màu

74

Hình 5.7: Biểu đồ thuật toán đối với tấm phản xạ có hệ số phản xạ R1.

77

Hình 5.8: Biểu đồ thuật toán đối với tấm phản xạ có hệ số phản xạ R0

79

Hình 5.9: Giao diện phần mềm

82

Hình 5.10: Nhiệt độ màu LED trắng

83

Hình 5.11: Độ hoàn màu LED trắng

83

Hình 5.12: Nhiệt độ màu LED vàng ấm

84

Hình 5.13: Độ hoàn màu LED vàng ấm

85

Hình 5.14: Nhiệt độ màu LED tím

86

Hình 5.15: Nhiệt độ màu LED vàng

87

Hình 5.16: Nhiệt độ màu LED đỏ

88

Hình 5.17: Chỉ số CRI của các loại LED tƣơng ứng với từng mức điện áp

90

Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 6


Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

Lời nói đầu
Chiếu sáng hiệu suấ t cao đã và đang đƣợc quan tâm nghiên cứu và ứng dụng

cả

trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam trong thời gian gần đây . Trong lĩnh vực này, chiếu
sáng rắ n (SSL - solid state lighting ), cụ thể hơn là chiếu sáng dùng LED đƣợc nhìn
nhận nhƣ tƣơng lai tiề m năng cho chiếu sáng hiệu suấ t cao
sáng hiệu suấ t cao phổ biến hiện nay

. So với các loại nguồn

(đèn huỳnh quang , sodium cao áp ...), nguồn

sáng LED có thế mạnh rõ rệt về hiệu suấ t phát quang khá cao và ngày càng đƣợc cải
thiện cùng với sự phát triển của công nghệ.
Theo xu hƣớng chung sử dụng điện tiết kiệm và hiệu quả, các sản phẩm chiếu sáng
rắ n dù còn chƣa phổ biến nhƣng cũng xuấ t hiện ngày càng nhiề u trên thị trƣờng trong
nƣớc. Ngoài một số sản phẩm nguồn sáng rắ n đƣợc các đầu tƣ sản xuấ t tại Việt Nam

hoặc đƣợc các công ty nhập khẩu chính thức, phần lớn sản phẩm nguồn sáng và linh
kiện LED đƣợc nhập lậu (chủ yếu từ Trung Quốc ). Nếu nhƣ các sản phẩm nguồn
sáng LED đƣợc sản xuấ t và nhập khẩu chính thức đã bƣớc đầu có thể đƣợc giám sát
chấ t lƣợng nhờ có các thiết bị đo chuyên dụng mới đƣợc một số đơn vị đầu tƣ nhƣ đã
nói ở trên thì toàn bộ các sản phẩm nguồn sáng rắn nhập lậu và đặc biệt là một lƣợng
vô cùng lớn linh kiện LED kể cả đƣợc nhập theo đƣờng tiểu ngạch hay chính ngạch
vẫn không có phƣơng thức để kiểm soát chấ t lƣợng . Lƣợng LED này đang hàng ngày
đƣợc cả các đơn vị sản xuấ t nguồn sáng lớn lẫn các cơ sở sản xuấ t

, dịch vụ qui mô

nhỏ đƣa vào sử dụng trong các sản phẩm chiếu sáng , trang trí hay quảng cáo . Ngay
cả với các đơn vị sản xuấ t nguồn sáng trong nƣớc

, thông số LED cũng chỉ có

thể

đƣợc giám sát thông qua công bố của hãng cung cấ p linh kiện . Khi thị trƣờng chiếu
sáng LED chƣa bùng nổ mà giá thành các thiết bị đo thông số quang học chuyên
dụng cho LED còn khá cao thì chƣa nơi nào đầu tƣ các thiết bị đo này . Vì vậy, có thể
khẳng định LED thƣơng phẩm có mặt trên thị trƣờng hiện nay hầu nhƣ chƣa thể kiểm
soát chấ t lƣợng . Hệ lụy trực tiếp của hiện tƣợng trên là biến thị trƣờng thiết bị chiếu
sáng LED của Việt Nam thành địa điểm lý tƣởng tiêu tiêu thụ hàng kém chấ t lƣợng ,
ảnh hƣởng trực tiếp tới quyề n lợi ngƣời tiêu dùng cũng nhƣ lợi ích và uy tín của các
nhà sản xuấ t nguồn sáng trong nƣớc . Hậu quả lâu dài mà nó để lại là ảnh hƣởng tới
Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 7

Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

niề m tin của ngƣời tiêu dùng vào một xu hƣớng sản phẩm có lợi cho kinh tế và môi
trƣờng, kìm hãm sự phát triển của một ngành công nghệ chiếu sáng còn nhiề u tiề m
năng tại Việt Nam.
Luận văn ―Nghiên cƣ́u chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED dùng quả
cầu tích phân‖ vì vậy là một nội dung nghiên cứu cần thiết phải đặt ra ở thời điểm
hiện nay. Với mục tiêu xây dựng một hệ đo các thông số quang học của LED dùng
quả cầu tích phân và quang phổ kế có độ nhạy cao , nhiễu thấ p , hệ đo sẽ có khả năng
đo đƣợc phổ bức xạ ánh sáng của hầu hết các sản phẩm LED trên thị trƣờng hiện nay
(có công suấ t từ 10 mW trở lên). Với phổ bức xạ ánh sáng đo đƣợc, hệ thống tiếp tục
phân tích và tính toán để đƣa ra các thông số quang học của LED đặc biệt là các yếu
tố ảnh hƣởng tới chấ t lƣợng nguồn sáng nhƣ là nhiệt độ màu tƣơng quan CCT và chỉ
số hoàn mầu. Một hệ đo chuyên dụng đƣợc xây dựng sẽ trực tiếp làm lành mạnh và
minh bạch nguồn thông tin về

các sản phẩm chiếu sáng LED , gián tiếp hỗ trợ cho

quyề n lợi của cả nhà sản xuấ t nguồn sáng và ngƣời tiêu dùng trong nƣớc .
Nội dung luận văn nằm trong phần nghiên cứu của đề tài ―Nghiên cƣ́u chế tạo hệ
đo các thông số quang học của LED dùng quả cầu tích phân‖ mã số B 2013-01-59 do
PGS.TS Lê Tuấn thuộc viện vật lý kỹ thuật, trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội là chủ
nhiệm đề tài. Toàn bộ quyền sở hữu với nội dung trong luận văn thuộc về đề tài. Em
xin chân thành cám ơn thày Nguyễn Vũ Thắng đã trực tiếp hƣớng dẫn em hoàn thành
luận văn. Em cũng xin cám ơn thày Lê Tuấn đã hết sức tạo điều kiện và hỗ trợ em
trong quá trình hoàn thành luận văn này.

Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 8


Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

Tóm tắ t
LED (Light Emitting Diode- Diot phát quang) là các điot có khả năng phát ra ánh
sáng, hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Hiện nay, trên thế giới công nghệ chiếu sáng
LED được coi là công nghệ chiếu sáng cho thế kỷ 21 với nhiều ưu điểm vượt trội.
Đèn LED đang dần dần thay thế đèn huỳnh quang, đèn sợi tóc vốn là những loại đèn
chiếu sáng cơ bản và phổ biến trước đây. Ngoài ra, LED còn được ứng dụng vào vô
số các lĩnh vực khác. Do đó, việc nghiên cứu về LED và nguồn ánh sáng LED phát
ra là rất thực tế, phù hợp với nhu cầu của nền kinh tế đang ngày càng phát triển.
Trong luận văn này, phần 1 là phần giới thiệu về ý nghĩa của việc thực hiện luận văn
với nhu cầu thực tế. Sau đó trong phần 2, em trình bày cơ sở lý thuyết về đèn LED và
các khái niệm cơ bản về ánh sáng. Cơ sở lý thuyết về đèn LED bao gồm tất cả các
khía cạnh của đèn LED cơ bản như: hoạt động của LED, màu sắc của LED, tính chất
của LED ..v..v. Về phần các khái niệm cơ bản về ánh sáng, em đề cập đến các khái
niệm về màu sắc như tọa độ màu, độ hoàn màu, nhiệt độ màu. Từ các khái niệm đó,
em tiếp tục trình bày về hệ tính toán các thông số kỹ thuật của LED. Đầu tiên là cách
tính tọa độ màu, sau đó là nhiệt độ màu tương quan và hệ số hoàn màu CRI. Phần 3
là phần trình bày chi tiết về việc xây dựng hệ thống đo các thông số quang học của
đèn LED. Hệ thống đo gồm 4 thành phần chính là nguồn nuôi LED, quả cầu tích
phân, máy đo quang phổ và phần mềm điều khiển. Sau khi đo và lấy kết quả, kết quả
sẽ được đưa vào phần mềm tính toán để có thể tính ra được các thông số cần thiết để
đánh giá chất lượng của LED. Việc thí nghiệm sử dụng hệ thống đo bằng quang phổ
kế được miêu tả tại phần 4 bài thí nghiệm cụ thể là đo bức xạ tuyệt đối của đèn LED.
Với mỗi bài thí nghiệm, em sử dụng nhiều loại đèn LED khác nhau như led trắng,
vàng ấm và các loại màu khác. Trong phần 5, kết quả đo thu được qua các bài thí
nghiệm sẽ được tính toán bằng các công thức đã được nêu tại phần II, cơ sở lý

thuyết. Và sau đó, ta sẽ đưa ra được các thông số của LED như bức xạ tuyệt đối, tọa
độ màu, nhiệt độ màu, độ hoàn màu. Từ các chỉ số đó, ta có thể đưa ra được các
khuyến nghị để sử dụng đèn LED cũng như đánh giá được chất lượng các loại LED
trên thị trường.

Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 9


Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

Abstract
LED (Light Emitting Diode) is the diode which is capable of emitting light,
infrared, and ultraviolet. Currently, LED lighting technology is considered the
lighting technology for the 21st century with many outstanding features. LEDs are
gradually replacing fluorescent lamps, incandescent lamps which are the basic and
popular types of lights before. In addition, LEDs are also applied in numerous
applications in other fields. Therefore, studying about LEDs and light source emitted
from LEDs is very realistic, consistent with the needs of the developing economy. In
this project, part 1 is an introduction to the significance of the implementation of the
scheme with the actual needs.After that in part 2, I present the theoretical basis of
LEDs and the basic concepts of light. Theoretical Foundations of LEDs covering all
aspects of LEDs such as basic operation of LEDs, the color of the LEDs,
characteristic of LEDs, etc. As for the basic concepts of light, I am referring to the
the concepts of color such as color coordinates, color rendering, color temperature.
From these concepts, I continually present the method to calculate the technical
parameters of LEDs. The first is how to calculate the coordinates of color, then the
correlated color temperature and coefficient of color rendering CRI. Part 3 is a
detailed presentation about the construction of the system for measuring the optical

parameters of LEDs. The measurement system consists of four main components
which are the power supply, integrating sphere, spectrometers and software. After
measuring and retrieve the results, the results will be taken into calculation software
that can calculate the necessary parameters to assess the quality of the LED. The
experiment using the spectrometer is described in part 4 with a specific experiment
which are measuring absolute radiation. For each experiment, I use different types of
LEDs such as white LED, white warm LED and other kinds of color. In part 5, the
measurement results obtained from these experiments will be calculated by the
formula laid down in Part 2, the theoretical basis. And then, we will come up with the
parameters of the LED such as absolute radiation, color temperature, color
rendering. From these indicators, we can come up with recommendations to use LED
lights as well as evaluate the quality of the LED on the market.
Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 10


Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

CHƢƠNG I:

GIỚI THIỆU

Với ƣu điểm tiết kiệm điện, sử dụng hiệu quả trong chiếu sáng nói chung và chiếu
sáng chuyên dụng nói riêng và không gây ô nhiễm môi trƣờng, công nghệ LED là
một trong những hƣớng phát triển quan trọng trong lĩnh vực tiết kiệm năng lƣợng cho
chiếu sáng của nhiều quốc gia. Tại Việt Nam, công nghệ LED còn rất mới mẻ. Hiệu
quả đã có nhƣng cũng không ít tồn tại, thách thức cần phải giải quyết trƣớc khi công
nghệ này có thể thay thế phƣơng pháp chiếu sáng truyền thống hiện nay.Ở Việt Nam,
điện tiêu thụ cho chiếu sáng trên toàn quốc chiếm hơn 25% tổng lƣợng điện tiêu

thụ[11]. Việc sử dụng các thiết bị chiếu sáng truyền thống nhƣ đèn sợi đốt, đèn
Halogen, đèn huỳnh quang compact gây tiêu tốn năng lƣợng rất cao. Công nghệ
chiếu sáng bằng LED đã và đang đƣợc các nƣớc trên thế giới nghiên cứu và ứng
dụng hiệu quả, đƣợc đánh giá là công nghệ chiếu sáng của thế kỷ 21, một trong
những hƣớng phát triển quan trọng trong lĩnh vực tiết kiệm năng lƣợng cho chiếu
sáng của nhiều quốc gia. Công nghệ LED nổi trội hơn so với các nguồn sáng thông
thƣờng khác bởi hiệu suất phát quang cao, độ rọi tăng, tiết kiệm điện và không gây ô
nhiễm môi trƣờng.[15]
Một nghiên cứu của các nhà khoa học Mỹ công bố mới đây, dự báo đến năm 2020
sản phẩm công nghệ LED chiếm trên 70% thị trƣờng chiếu sáng nói chung trên toàn
thế giới, doanh thu đạt gần 100 tỷ USD, trong đó châu Á chiếm 45%, châu Âu 25%
và Bắc Mỹ 20%. Các quốc gia và vùng lãnh thổ nhƣ Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung
Quốc, Đài Loan đã hình thành và phát triển mạnh công nghiệp LED. Hệ thống chiếu
sáng công nghệ LED đang đƣợc lắp đạt thử nghiệm tại một số nơi nhƣ Tòa nhà Bộ
Công thƣơng, Viện KH&CN Việt Nam, một số tuyến đƣờng tại TP.HCM…đều cho
kết quả rất khả quan, hiệu suất phát quang liên tục tăng cao lên tới 150Lm/W, độ rọi
tăng đến 60%, tiết kiệm điện 30-70% và tuổi thọ đạt từ 30-60 nghìn giờ, gấp 6 lần so
với bóng đèn huỳnh quang compact và 60 lần so với bóng đèn sợi đốt [15].
Những phƣơng pháp thắp sáng truyền thống trƣớc đây nhƣ dùng đèn sợi đốt hay
đèn huỳnh quang đều có những nhƣợc điểm to lớn về tiêu thụ năng lƣợng và hiệu
suất. Cụ thể:
Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 11


Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

Đèn thắp sáng bằng hiệu ứng nóng sáng (luminescence) cho dòng điện chạy qua
một sợi đốt rất mảnh làm bằng tungsten (đặt trong bóng thủy tinh đã rút chân không)

để nung lên đến một nhiệt độ rất cao và tạo ra ánh sáng nhìn thấy đƣợc. Hiệu suất
phát sáng rất thấp vì 98% năng lƣợng bức xạ ra thuộc dải sóng hồng ngoại (bức xạ
nhiệt), không nhìn thấy đƣợc. Hiệu suất này thƣờng chỉ đạt 18 lm/W, (lm là viết tắt
của lumen, đơn vị thông lƣợng ánh sáng trong hệ SI. Thông lƣợng ánh sáng là số đo
năng lƣợng mà một nguốn sáng tỏa ra mọi hƣớng).
Đèn thắp sáng bằng hiệu ứng huỳnh quang cho truyền điện qua một ống dài hình
trụ chứa hơi thủy ngân, tạo ra ánh sáng tử ngoại. Ánh sang này bị lớp phốt pho phủ ở
mặt trong ống hình trụ hấp thu và tạo ra huỳnh quang. Đèn huỳnh quang không phát
nhiệt nhiều nhƣ đèn nóng sáng, nhƣng hiệu suất phát sáng cũng bị giảm sút do tổn
hao trong quá trình bức xạ ra ánh sáng tử ngoại và chuyển đổi thành ánh sáng nhìn
thấy đƣợc[13].
Vì vậy để tiết kiệm điện, nƣớc nào cũng nghĩ đến cách tiết kiệm điện chiếu sáng.
Nhƣng tiết kiệm bằng cách cắt điện, giảm điện chiếu sáng dƣới mức cần thiết thì ít
nƣớc làm vì ảnh hƣởng đến xã hội, giao thông, an ninh, giáo dục.... Hƣớng quan
trọng để tiết kiệm điện chiếu sáng là sử dụng những kỹ thuật chiếu sáng mới, năng
lƣợng điện tiêu thụ ít hơn nhiều nhƣng kết quả chiếu sáng không giảm, có khi còn tốt
hơn. Kỹ thuật chiếu sáng mới nhất, tiết kiệm nhất nhƣng lại có hiệu quả cao nhất là
kỹ thuật chiếu sáng bằng chất rắn (SSL - Solid State Lighting) hay nói nôm na chiếu
sáng bằng LED (LED: Light emiting diode - điôt phát sáng).
Bộ Năng lƣợng Mỹ báo cáo rằng nếu 50% việc chiếu sáng ở Mỹ hiện nay đƣợc
thay thế bằng cách chiếu sáng bằng LED, nƣớc Mỹ vẫn đƣợc chiếu sáng nhƣ vậy
nhƣng bớt đi đƣợc 41 GW điện (GW: gigawatt - nghìn tỷ watt). Một nhà máy điện cỡ
trung bình có công suất cỡ 1GW, vì vậy chỉ thay thế 50% cách chiếu sáng hiện nay
bằng cách chiếu sáng dùng LED, nƣớc Mỹ có thể giảm đi 41 nhà máy điện. Bỏ đi 41
nhà máy điện, ngoài lợi ích kinh tế, còn đỡ thải ra môi trƣờng một lƣợng đáng kể khí
CO2 gây hiệu ứng nhà kính. [22]

Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 12

Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

Có thể hình dung lƣợng khí CO2 thải ra làm tổn hại môi trƣờng qua số liệu lấy từ
báo cáo của cơ quan năng lƣợng quốc tế IEA năm 2006: để có điện thắp sáng nhƣ
hiện nay trên toàn thế giới mỗi năm phải thải ra 1900 nghìn tỷ tấn khí CO2, ba lần lớn
hơn lƣợng khí CO2 do máy bay trên toàn thế giới thải ra, bằng 70% lƣợng khí CO2 do
tòan bộ xe ô tô thải ra trong 1 năm. [22]
Tóm lại, có thể không giảm yêu cầu chiếu sáng mà chỉ thay đổi cách chiếu sáng
nhờ dùng đèn LED điện năng tiêu thụ giảm đáng kể, lƣợng khí CO 2 làm ô nhiễm môi
trƣờng cũng giảm đáng kể.
Dù rằng LED đƣợc phát minh từ 20 năm trở về trƣớc, các ứng dụng của đèn LED
còn đƣợc tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực trong cuộc sống.
Chính vì những lợi ích to lớn đó, việc nghiên cứu và phát triển các đề tài về LED là
rất cần thiết và phù hợp với nhu cầu của thị trƣờng. Trong luận văn này, em xây dựng
một hệ thống đo phổ bức xạ của đèn LED và từ đó tính toán ra các thông số quang
học của LED. Dựa vào các thông số quang học đó, ngƣời tiêu dùng có thể nắm đƣợc
nhiều hơn các thông tin về loại đèn LED mình sử dụng cũng nhƣ các nhà nghiên cứu
có thể dựa vào các thông số đó để phát triển, tìm ra các ứng dụng mới cho từng loại
LED.

Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 13


Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trong chƣơng này, phần đầu tiên nói đến các cơ sở lý thuyết về đèn LED. Sau đó
tác giả tiếp tục trình bày các khái niệm và phƣơng pháp tính toán các thông số quang
học của LED gồm có tọa độ màu, nhiệt độ màu và độ hoàn màu. Dựa vào phƣơng
pháp tính toán này, phần mềm tính toán sẽ xử lý các kết quả đo để tính toán ra các
thông số quang học của đèn LED. [16]
2.1 Cơ sở lý thuyết về LED[10]
LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là các điốt có
khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồ ng ngoa ̣i , tƣ̉ ngoa ̣i. Cũng giống nhƣ điốt , LED
đƣợc cấu tạo từ một khối bán dẫn loa ̣i P ghép với một khối bán dẫn loại N. Đƣợc biết
tới từ những năm đầu của thế kỷ 20, công nghệ LED ngày càng phát triển, từ những
diode phát sáng đầu tiên với ánh sáng yếu và đơn sắc đến những nguồn phát sáng đa
sắc, công suất lớn và cho hiệu quả chiếu sáng cao.
2.1.1 Hoạt động của LED
Hoạt động của LED dựa trên công nghệ bán dẫn. Trong khối điốt bán dẫn, electron
chuyển từ trạng thái có mức năng lƣợng cao xuống trạng thái có mức năng lƣợng
thấp hơn và sự chênh lệch năng lƣợng này đƣợc phát xạ thành những dạng ánh sáng
khác nhau. Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dƣơng nên
khi ghép với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hƣớng
chuyển động khuếch tán sang khối n. Cùng lúc 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
dƣ thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dƣơng (thiếu hụt điện tử và dƣ 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 hƣớng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử
trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lƣợng dƣới dạng ánh sáng (hay các
bức xạ điện từ có bƣớc sóng gần đó) [9].

Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 14

Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

Hầu hết các vật liệu làm LED có chiết suất rất cao, tức là hầu hết ánh sáng phát ra
sẽ quay ngƣợc vào bên trong thay vì phát ra ngoài không khí. Các chất bán dẫn nhƣ
SiO2 có chiết suất rất cao khi chƣa có lớp tráng phủ. Điều này sẽ ngăn cản phô ton đi
ra khỏi chất bán dẫn. Đặc điểm này ảnh hƣởng đến hiệu suất LED và tế bào quang
điện. Chiết suất của SiO2 là 3.96(590 nm), còn không khí là 1.0002926.
Nói chung, chỉ có những phô ton vuông góc với mặt bán dẫn hoặc góc tới cỡ vài
độ thì mới có thể thoát ra ngoài. Những phô ton này sẽ tạo thành 1 chùm sáng dƣới
dạng hình nón. Những phô ton không thể thoát ra ngoài sẽ chui ngƣợc vào bên trong
chất bán dẫn.
Những phô ton phản xạ toàn phần có thể thoát ra ngoài qua các mặt khác của chất
bán dẫn nếu góc tới đủ nhỏ và chất bán dẫn đủ trong suốt để không hấp thụ hoàn toàn
các phô ton. Tuy nhiên, với LED đều vuông góc ở tất cả các mặt thì ánh sáng hoàn
toàn không thể thoát ra và sẽ biến thành nhiệt làm nóng chất bán dẫn.
Hình dáng lý tƣởng cho phép tối đa phát sáng là dạng vi cầu, là các hình cầu có
kích thƣớc siêu nhỏ từ 1 μm đến 1000 μm. Ánh sáng sẽ phát ra từ điểm trung tâm và
điện cực cũng phải chạm điểm trung tâm. Tất cả ánh sáng phát ra sẽ vuông góc toàn
bộ bề mặt quả cầu, do đó sẽ không có phản xạ. Bán cầu cũng có thể cho kết quả
tƣơng tự nếu mặt lƣng hoàn toàn phẳng để phản xạ hoàn toàn các tia phát về phía mặt
lƣng.
2.1.2 Lớp tráng phủ của LED
Rất nhiều LED đƣợc bọc bằng 1 vỏ nhựa màu hoặc trong suốt vì 3 mục đích
 Hàn LED vào bảng mạch sẽ dễ hơn.
 Dây dẫn bên trong LED rất mỏng sẽ đƣợc bảo vệ tốt hơn.
 Lớp nhựa sẽ đóng vai trò nhƣ là môi trƣờng trung gian. Chiết suất của vỏ nhựa
sẽ thấp hơn chiết suất bán dẫn nhƣng cao hơn không khí

Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 15


Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

Lý do thứ ba sẽ gia tăng khả năng phát sáng của LED vì nó sẽ nhƣ 1 thấu kính
phân kỳ, cho phép ánh sáng có góc tới cao hơn góc tới hạn có thể lọt ra ngoài không
khí.
2.1.3 Màu sắc của LED
Màu sắc của LED phát ra phụ thuộc vào hợp chất bán dẫn và đặc trƣng bởi bƣớc
sóng của ánh sáng đƣợc phát ra. LED truyền thống đƣợc làm từ 1 số chất bán dẫn vô
cơ. Bảng dƣới đây trình bày các loại màu sắc cùng với bƣớc sóng, điện áp và vật liệu:
Màu

Bƣớc sóng

Điện áp

sắc

[nm]

[ΔV]

Λ > 760

ΔV < 1.63

Hồng

ngoai

Vật liệu

Gallium arsenide (GaAs)
Aluminium gallium arsenide (AlGaAs)
Aluminium gallium arsenide (AlGaAs)

Đỏ

610 < λ <

1.63 < ΔV <

760

2.03

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

Cam

590 < λ <
610

2.03 < ΔV < Aluminium gallium indium phosphide

2.10

(AlGaInP)
Gallium(III) phosphide (GaP)
Gallium arsenide phosphide (GaAsP)

Vàng

570 < λ <
590

2.10 < ΔV < Aluminium gallium indium phosphide
2.18

(AlGaInP)
Gallium(III) phosphide (GaP)

Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 16


Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

Indium gallium nitride (InGaN) / Gallium(III)
nitride (GaN)
Xanh

500 < λ <

lá

570

1.9 < ΔV < Gallium(III) phosphide (GaP)
4.0

Aluminium gallium indium phosphide
(AlGaInP)
Aluminium gallium phosphide (AlGaP)
Zinc selenide (ZnSe)

Xanh

450 < λ <

2.48 < ΔV <

da trời

500

3.7

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

Tím

Đỏ tía

400 < λ <

2.76 < ΔV <

450

4.0

multiple

2.48 < ΔV <

types

3.7

Indium gallium nitride (InGaN)

Dual blue/red LEDs,
blue with red phosphor,
or white with purple plastic
Kim cƣơng (235 nm)
Boron nitride (215 nm)

Tia cực
tím

λ < 400

3.1 < ΔV < Aluminium nitride (AlN) (210 nm)
4.4

Aluminium gallium nitride (AlGaN)
Aluminium gallium indium nitride
(AlGaInN) — down to 210 nm

Hồng

multiple
types

Blue with one or two phosphor layers:
ΔV ~ 3.3

yellow with red, orange or pink phosphor
added afterwards,

Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 17


Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

or white with pink pigment or dye.

Trắng

Broad
spectrum

ΔV = 3.5

điốt xanh da trời/UV kết hợp với lớp phủ cho
màu vàng

Bảng 2.1: Điện áp, màu sắc, vật liệu của các loại LED[10]
2.1.4 Tính chất của LED
Tùy theo mức năng lƣợng giải phóng cao hay thấp mà bƣớc sóng ánh sáng phát ra
khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau). Mức năng lƣợng (và màu sắc của
LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lƣợng của các nguyên tử chất bán dẫn.
LED thƣờng có điện thế phân cực thuận cao hơn điốt thông thƣờng, trong khoảng 1.5
đến 3V. Nhƣng điện thế phân cực nghịch ở LED thì không cao. Do đó, LED dễ bị hƣ
hỏng do điện thế ngƣợc gây ra.
Loại LED

Điện thế phân cực thuận

Đỏ

1.4V – 1.8V

Vàng

2V – 2.5V

Xanh lá cây

2V – 2.8V

Bảng 2.2: Điện thế phân cực thuận của LED[2]
Đặc tuyến V – A của LED giống của diode thông thƣờng.
Điện áp phân cực thuận UD =1.6V – 3V; điện áp phân cực ngƣợc Ung= 3V – 5V;
dòng ID khoảng vài chục mA.

Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 18


Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

Hình 2.1: Đặc tuyến Von – Ampe của LED
2.1.5 Các tham số cơ bản của LED.


Nhiệt độ

Khoảng nhiệt độ làm việc của LED : -600C đến +800C LED rất nhạy với nhiệt độ.
Nhiệt độ càng tăng bƣớc sóng của LED càng ngắn (bƣớc sóng giảm 0.02 μm- 0.009
μm/ 0C) đồng thời điện áp phân cực cho điôt có thể bị giảm (khoảng từ 1.3mV đến
2.3 mV/0C). Độ rộng vùng cấm của các vật liệu càng lớn thì năng lƣợng đƣợc giải
phóng ra càng lớn và bức xạ đƣợc phát ra có bƣớc sóng càng ngắn.
Nhiệt độ tăng dẫn tới cƣờng độ bức xạ quang giảm (1% / 0C)
 Công suất phát xa vài trăm mW đến vài W.
 Vật liệu
Về nguyên tắc tất cả các chuyển tiếp P – N đều có khả năng phát ra ánh sáng khi

đƣợc phân cực thuận nhƣng chỉ có một số loại vật liệu tái hợp trực tiếp mới cho hiệu
suất tái hợp cao.
Với sự thay đổi đa dạng của màu sắc, nhƣng LED đa màu có thể đƣợc thiết kế để
sản xuất những mẫu mới lạ. [12]
Một số loại LED đơn giản:

Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 19


Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

Vật

EG (eV)

Λp(nm) Vùng bức

Liệu

xạ

UD(V)

Ungƣợc

Tr

Loại tái

Max

(nsec)

hợp

ở I = 20mA

Ge

0.66

-

-

-

-

-

G.tiếp

Si

1.09

-

-

-

-

-

G.tiếp

GaAs

1.43

910

Hồng

1.6 ÷ 1.8

5

50

T.tiếp

ngoại
GaAlP

1.9

660

Đỏ

1.6 ÷ 1.8

5

T.tiếp

GaAlAs

1.91

650

Đỏ

1.6 ÷ 1.8

5

T.tiếp

GaAsP

2.0

635

Cam

2.0 ÷ 2.2

5

100

T.tiếp

GaAsP

2.1

585

Vàng

2.2 ÷ 2.4

5

100

T.tiếp

GaAsP

2.2

565

Lá cây

2.4 ÷ 2.7

5

400

T.tiếp

GaP

2.24

560

Lá cây

2.7 ÷ 3.0

5

-

G.tiếp

SiC

2.5

490

Da trời

3.0

-

900

G.tiếp

Gallium

3.1

400

Tím

3.0

-

-

G.tiếp

– Nitrit

Bảng 2.3: Bảng vật liệu làm ra LED [10]
2.1.6 Phân loại các LED.
LED bức xạ ánh sáng nhìn thấy sử dụng trong báo hiệu, màn hình, quảng cáo…
còn LED bức xạ ánh sáng trong vùng hồng ngoại dùng trong các hệ thông thông tin
quang hoặc các hệ thống tự động điều khiển hoặc bảo mật.

Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 20


Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

Để việc sử dụng đƣợc đơn giản và gọn nhẹ ngƣời ta thƣơng ghép nhiều LED với
nhau, nếu ghép các cực anot với nhau thì các đầu điều khiển đi vào các catot (điều
khiển bằng xung âm) và LED gọi là anot chung. Nếu ghép các cực catot với nhau thì
cực điều khiển đi vào anot (điều khiển bằng xung dƣơng) và LED gọi là catot chung.
Ngƣời ta thƣờng tạo LED theo LED theo cấu trúc sau: [4]
 LED đơn
 LED đội
 LED 7 đoạn. Đây là một tổ hợp gồm có 7 LED đƣợc đấu nối với nhau
dùng để hiện thị các số thập phân từ 0 đến 9.

Hình 2.2: Các loại LED hiện có
2.1.7

LED hồng ngoại[4]

Đối với các hệ thống thông tin quang yêu cầu tốc độ bit xấp xỉ 100 đến 200Mbit/s
cùng sợi quang đa mốt với công suất quang khoảng vài chục μW, các điôt phát quang
bán dẫn thƣờng dùng làm các nguồn sáng.
Hồng ngoại ít bị suy giảm khi qua khói bụi và chất bán dẫn nên LED hồng ngoại
có hiều suất cao.

Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 21


Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

Cấu tạo của LED hồng ngoại cơ bản giống với các LED chỉ thị. Chỉ có một điểm
khác biệt là một mặt của bán dẫn đƣợc mài nhẵn làm gƣơng phản chiếu để đƣa ánh
sáng ra khỏi LED theo một chiều với độ tập trung cao.
Do đặc điểm cấu tạo đặc biệt nền LED hồng ngoại tạo ra ánh sáng nằm trong vùng
hồng ngoại. Ngoài ra, những tia có hƣớng đi vào trong lớp bán dẫn sẽ gặp gƣơng
phản chiếu và bị phản xạ trở lại để đi ra ngoài theo cùng một hƣớng. Việc này sẽ tăng
hiệu suất một cách đang kể cho LED. Tia hồng ngoại có khả năng xuyên qua chất
ban dẫn tốt hơn so với ánh sáng nhìn thấy nên hiệu suất phát của LED hồng ngoại
cao hơn rất nhiều so với LED phát sáng màu.

Hình 2.3: Cấu tạo LED hồng ngoại bƣớc sóng 980nm
Để bức xạ ánh sáng hồng ngoại, LED hồng ngoại đƣợc chế tạo từ vật liệu Galium
Asenit (GaAs) với độ rộng vùng cấm EG = 1.43 eV tƣơng ứng với bức xạ bƣớc sóng
khoảng 900nm.

Hình 2.4: Cấu trúc của LED hồng ngoại bức xạ bƣớc sóng 950 nm

Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 22


Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

Trong GaAs (N) tạo một lớp tinh thể có tính chất lƣơng tính với tạp chất Silic là
GaAsSi (N) và một tiếp xúc P-N đƣợc hình thành. Tùy theo nồng độ pha tạp chất
Silic ta có bức xạ với bƣớc sóng phù hợp với các điểm cực đại của các detector (LED
thu). Mặt dƣới của LED đƣợc mài nhẵn tạo thành một gƣơng phản chiếu tia hồng
ngoại phát ra từ lớp tiếp xúc P-N.
Hình sau mô tả nguyên lý đấu nối LED hồng ngoại trong mạch điện.

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của LED hồng ngoại
Khi phân cực thuận cho điôt, các hạt dẫn đa số sẽ khuếch tán qua tiếp xúc P-N,
chúng tái hợp với nhau và phát ra bức xạ hồng ngoại. Các tia hồng ngoại bức xạ theo
nhiều hƣớng khác nhau. Những tia hồng ngoại có hƣớng đi vào trong các lớp chất
bán dẫn, gặp gƣơng phản chiếu sẽ đƣợc phản xạ trở lại để đi ra ngoài theo cùng
hƣớng với các tia khác. Điều này làm tăng hiệu suất của LED.
Ánh sáng hồng ngoại có đặc tính quang học giống nhƣ ánh sáng nhìn thấy, nghĩa
là nó có khả năng hội tụ, phân kỳ qua thấu kính, có tiêu cự… Tuy nhiên, ánh sáng
hồng ngoại rất khác ánh sáng nhìn thấy ở khả năng xuyên suốt qua vật chất, trong đó
có chất bán dẫn. Điều này giải thích tại sao LED hồng ngoại có hiệu suất cao hơn
LED chỉ thị vì tia hồng ngoại không bị yếu đi khi vƣợt qua các bán dẫn để ra ngoài.
Tuổi thọ của LED hồng ngoại dài đến 100.000 giờ. LED hồng ngoại không phát ra
ánh sáng nhìn thấy nên rất có lợi trong các thiết bị kiểm soát vì không gây sự chú ý.
2.1.8 Phƣơng pháp tạo ra LED sáng trắng[3]

Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 23


Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

Năm 1993 Shuji Nakamura đã chế tạo đƣợc đèn LED cho ánh sáng xanh lam rất sáng
đã hé mở ra nhiều cách từ LED tạo ra ánh sáng trắng. Một số cách chủ yếu nhƣ sau:
- Dùng ba LED màu đỏ, lục, lam (RGB - red, green, blue), trộn bao màu lại với
nhau, có đƣợc ánh sáng trắng:
Phƣơng pháp này thƣờng đƣợc biết đến với tên gọi RGB system.
Bởi vì những cần mạch điện tử để điều khiển việc trộn màu và khuếch tán của các
màu sắc khác nhau. Thêm nữa, các đèn LED màu sắc khác nhau thƣờng có mô hình
phát xạ hơi khác nhau (dẫn đến sự biến đổi của màu sắc tùy thuộc vào hƣớng) ngay
cả khi chúng đƣợc thực hiện nhƣ một đơn vị duy nhất, do đó phƣơng pháp này hiếm
khi đƣợc sử dụng để tạo ra ánh sáng trắng. Tuy nhiên, phƣơng pháp này đặc biệt hữu
dụng trong một số lĩnh vực vì tính linh hoạt của pha trộn màu sắc khác nhau và về
nguyên tắc, cơ chế này cũng có hiệu quả lƣợng tử cao hơn trong sản xuất ánh sáng
trắng.
Có một số loại LED trắng: LED trắng hai màu (dichromatic), LED trắng ba màu
(trichromatic), và LED trắng bốn màu (tetrachromatic). Một số yếu tố quan trọng
quyết định các phƣơng pháp sản xuất LED trắng là: độ ổn định màu sắc, khả năng
dựng hình màu, và hiệu quả chiếu sáng. Thông thƣờng, hiệu quả chiếu sáng cao đồng
nghĩa với khả năng dựng hình màu thấp hơn, nhƣ vậy cần cân bằng giữa các yếu tố.
Ví dụ, các đèn LED trắng hai màu có hiệu quả chiếu sáng tốt nhất (120 lm/W), nhƣng
khả năng dựng hình màu thấp nhất. Tuy nhiên, mặc dù đèn LED trắng tetrachromatic
có khả năng dựng hình màu tuyệt vời nhƣng thƣờng có hiệu quả chiếu sáng kém.
LED trắng ba màu có cả tốt hiệu quả chiếu sáng (> 70 lm/W) và khả năng dựng hình

màu.
Đèn LED đa màu sắc không chỉ đơn thuần là một phƣơng tiện để tạo ánh sáng
trắng mà còn là một phƣơng tiện mới để tạo ánh sáng màu sắc khác nhau. Mọi màu
sắc mà ta nhìn thấy đƣợc đều đƣợc hình thành bằng cách trộn một lƣợng khác nhau
của ba màu cơ bản. Điều này cho phép điều chỉnh màu sắc chính xác. Đèn LED đa
màu sắc nên có ảnh hƣởng sâu sắc đến các phƣơng pháp cơ bản sử dụng để sản xuất

Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 24


Nghiên cứu chế tạo hệ đo các thông số quang học của LED sử dụng quả cầu tích phân

và kiểm soát màu sắc ánh sáng. Tuy nhiên, trƣớc khi loại đèn LED này có thể đóng
một vai trò trên thị trƣờng, một số vấn đề kỹ thuật cần giải quyết bao gồm các loại
này năng lƣợng phát xạ của LED phân rã theo cấp số nhân với nhiệt độ tăng cao, dẫn
đến một sự thay đổi đáng kể trong sự ổn định màu sắc. Vấn đề nhƣ vậy ngăn cản việc
sản xuất công nghiệp.Vì thế, nhiều thiết kế mới nhằm giải quyết vấn đề này đã đƣợc
đề xuất và đang đƣợc nghiên cứu bởi các nhà khoa học.

Hình 2.6: Phổ của ba màu LED cơ bản[10]
- Phosphor-based LEDs:
Phƣơng pháp này bao gồm việc phủ đèn LED một màu (chủ yếu là đèn LED màu
xanh làm bằng InGaN) bằng chất lân quang màu sắc khác nhau để tạo thành ánh sáng
trắng. Một phần nhỏ của ánh sáng màu xanh trải qua sự thay đổi Stokes đƣợc chuyển
đổi từ các bƣớc sóng ngắn thành bƣớc sóng dài. Tùy thuộc vào màu sắc của đèn LED
ban đầu, chất lân quang màu sắc khác nhau có thể đƣợc sử dụng. Nếu một số lớp
phosphor màu sắc riêng biệt đƣợc áp dụng, phổ phát ra đƣợc mở rộng, nâng cao hiệu
quả các chỉ số hoàn màu (CRI) giá trị của một cho LED.

Hạn chế của phƣơng pháp này là sự mất nhiệt từ sự thay đổi Stokes và vấn đề suy
hao khác liên quan đến phosphor. Hiệu năng sáng của đèn LED loại này so với đèn
LED thông thƣờng phụ thuộc vào sự phân bố phổ của ánh sáng của đèn sau khi phủ
phosphor và bƣớc sóng ban đầu của đèn LED (chƣa phủ phosphor). Ví dụ, hiệu quả

Nguyễn Đức Anh- CB130565

Page 25