Nghiên cứu chế tạo hệ điện tử cho thiết bị đánh giá nhanh chất lượng diode phát sáng trắng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LÊ THANH ĐỨC
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ ĐIỆN TỬ CHO THIẾT BỊ ĐÁNH
GIÁ NHANH CHẤT LƢỢNG DIODE PHÁT SÁNG TRẮNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – Năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LÊ THANH ĐỨC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ ĐIỆN TỬ CHO THIẾT BỊ ĐÁNH
GIÁ NHANH CHẤT LƢỢNG DIODE PHÁT SÁNG TRẮNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Nguyễn Vũ Thắng

Hà Nội – Năm 2017

LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sỹ này được hỗ trợ về chun mơn và được thực hiện tại phịng thí
nghiệm Hiển vi điện tử và vi phân tích dưới sự hướng dẫn về mặt định hướng khoa
học, phương pháp luận của TS. Nguyễn Vũ Thắng và TS. Nguyễn Đức Dũng. Luận
văn thạc sỹ này được thực hiện trong khuôn khổ của đề tài:“Nghiên cứu xây dựng
quy trình đánh giá nhanh chất lƣợng Đi-ốt phát quang LED”.
Kết quả nghiên cứu trong luận văn này là một phần trong Đề tài nghiên cứu cấp
Bộ GD&ĐT ―Nghiên cứu xây dựng quy trình đánh giá nhanh chất lượng Đi-ốt phát
quang LED‖ mã số B2013.01.61.CT.
Tôi xin tỏ lịng kính trọng và biết ơn đơi với TS Nguyễn Vũ Thắng và TS Nguyễn
Đức Dũng đã tận tình hướng dẫn và cung cấp tài liệu, thơng tin khoa học cần thiết cho
luận văn này. Đồng thời tôi xin cám ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách khoa Hà Nội và
Viện Điện tử - Viễn thông đã tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt cơng việc nghiên
cứu của mình.
Cuối cùng tơi muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới tồn thể gia đình tơi đã ni
dưỡng và tạo điều kiện cho tôi được như ngày hôm nay, cảm ơn những người luôn ở
bên tôi và ủng hộ tôi. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

Học viên cao học

Lê Thanh Đức

năm 2017


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp này là cơng trình nghiên cứu thực sự
của cá nhân, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dưới sự hướng
dẫn của TS Nguyễn Vũ Thắng – Viện Điện tử Viễn thông và TS Nguyễn Đức Dũng –
Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Các số liệu, kết quả, kết luận được tơi tham khảo đã được trích dẫn nguồn đẩy đủ.
Một lần nữa tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên.
Hà Nội, ngày

tháng

Tác giả luận văn

Lê Thanh Đức

năm 2017


MỤC LỤC
Lời cám ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Lời nói đầu
Chương I. Tổng quan về chiếu sáng WLED
1
Sơ lược về chiếu sáng rắn
1.1
Lịch sử phát minh, phát triển của LED

1.2
Các giải pháp chiếu sáng trắng – đèn LED trắng (WLED)
2
Các đặc trưng quang học của LED
3
Đặc trưng về thời gian sống và độ tin cậy của LED
4
Kết luận
Chương II.
Nghiên cứu và chế tạo hệ thống già hóa WLED
1
Thiết kế chế tạo hệ thống nguồn dịng ni WLED
1.1
Yêu cầu thiết kế
1.2
Sơ đồ khối
1.3
Thiết kế nguyên lý
1.4
Thiết kế layout
2
Thiết kế chế tạo hệ đo già hóa đèn WLED
2.1
Yêu cầu thiết kế
2.2
Sơ đồ thiết kế
2.3
Hệ thống điều khiển cấp nhiệt
2.4
Hệ thống chuyển đổi tín hiệu quang – điện

2.5
Kết nối máy tính
3
Mơ hình suy giảm quang thơng của LED
3.1
Hàm phân bố Weibull dành cho xác suất sống sót
3.2
Mơ hình suy giảm quang thông để dự báo thời gian sống
4
Kết luận
Chương III. Kết quả thực nghiệm
1
Hệ già hóa tăng cường để đánh giá nhanh WLED
2
Ước lượng thời gian sống của LED
3
Kết luận
Kết luận và phương hướng phát triển
Phụ lục 1
Phụ lục 2
Tài liệu tham khảo

LÊ THANH ĐỨC

1

1
2
3
4

6
7
7
7
8
10
21
21
26
26
27
27
32
39
41
41
42
44
52
58
69
69
71
74
75
75
76
79
80
81

84
86


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT
Điốt phát quang
Điốt phát ánh sáng trắng
Ủy ban quốc tế về chiếu sáng
Thời gian hư hỏng trung bình
Thời gian hư hoại trung bình
Chu kỳ hoạt động khơng bảo trì
Chu kỳ hoạt động không hư hỏng
Nhiệt độ tương quan màu
Hệ số trả màu
Chip gắn mạch
Rơ le bán dẫn
Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ
Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số
Tiêu chuẩn Việt Nam

LED
WLED
CIE
MTBF
MTTF
MFOP
FFOP
CCT
CRI
COB

SSR
PID
ADC
TCVN

LÊ THANH ĐỨC

2


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Tín hiệu nguồn vào .......................................................................................... 29
Bảng 2. Các tín hiệu khối điều khiển ............................................................................ 31
Bảng 3. Các tín hiệu khối giao tiếp ............................................................................... 31
Bảng 4. Các tín hiệu khối nguồn dịng .......................................................................... 32
Bảng 5. Các tín hiệu khối hiển thị ................................................................................. 33
Bảng 6. Thông số điện trở của PT100 ứng với nhiệt độ đo .......................................... 46
Bảng 7. Các tín hiệu của các chân đầu nối DB - 9 trên máy tính IBM PC ................... 65

LÊ THANH ĐỨC

3


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1. Cấu tạo WLED và cơ chế phát ánh sáng trắng [17] ........................................... 8
Hình 2. Phổ phát quang của WLED sử dụng chip LED xanh GaN hoặc InGaN (có đỉnh
tại 465nm) và bột huỳnh quang Ce:YAG (trong khoảng 500-700nm) [20].................... 9
Hình 3. Cấu tạo trong của mắt người và cấu tạo chi tiết của võng mạc với các tế bào
cảm quang [21] .............................................................................................................. 10

Hình 4. Các chế độ nhìn của mắt người và các tế bào điều tiết chính tương ứng [5] ... 10
Hình 5. Độ nhạy các tế bào que và nón theo bước sóng ánh sáng [22] ........................ 11
Hình 6. Hàm nhạy sáng mắt người
theo chuẩn CIE [5] .......................................... 12
Hình 7. Hàm pha màu
CIE 1931 và 1978 [5] ............................................... 13
Hình 8. Biểu đồ màu CIE 1931 ..................................................................................... 14
Hình 9. Phân bố các màu trên biểu đồ màu CIE 1931 .................................................. 14
Hình 10. Các elip MacAdam trên biểu đồ màu ............................................................. 15
Hình 11. Biểu đồ màu CIE 1976 với các elip MacAdam .............................................. 16
Hình 12. Phổ ánh sáng của các vật đen tuyệt đối phát sáng với nhiệt độ khác nhau .... 17
Hình 13. Đường cong Planck và các điểm chuẩn hóa: A – Đèn sợi đốt, B – Ánh sáng
Mặt Trời, C – Trời nhiều mây, D65 – Ánh sáng ban ngày, E – Điểm đẳng năng .......... 18
Hình 14. Các đường đẳng nhiệt trong biểu đồ màu x, y ............................................... 19
Hình 15. Suất phản xạ của 8 màu chuẩn CIE để tính CRI ............................................ 20
Hình 16. Dự đốn thời gian sống của LED [23] ........................................................... 21
Hình 17. Giá trị L70 được công nhận rộng rãi là thời gian sống của LED .................... 22
Hình 18. Đường lịng máng của tỉ lệ hư hỏng theo thời gian ........................................ 23
Hình 19. Mơ hình Lịng máng (trên) mang tính thống kê hiện tượng, và mơ hình PoF
(dưới) đi sâu vào các ngun nhân mang tính bản chất vật lý gây ra hư hỏng [25] ..... 24
Hình 20. Hiệu suất phát quang của các loại thiết bị chiếu sáng [29] ........................... 26
Hình 21. Sơ đồ khối hệ thống ........................................................................................ 28
Hình 22. Khối nguồn vào .............................................................................................. 29
Hình 23. Khối điều khiển .............................................................................................. 29
Hình 24. Khối giao tiếp ................................................................................................. 30
Hình 25. Khối nguồn dịng ............................................................................................ 31
Hình 26. Khối hiển thị ................................................................................................... 32
Hình 27. Sơ đồ nguyên lý nguồn vào ............................................................................ 33
Hình 28. Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển .................................................................... 35
Hình 29. Sơ đồ khối khối giao tiếp ................................................................................ 36

Hình 30. Module LCD20x4 ........................................................................................... 36
Hình 31. Sơ đồ kết nối module LCD20x4 ..................................................................... 37
Hình 32. Sơ đồ khối khối 1 kênh nguồn dịng ............................................................... 38
Hình 33. Sơ đồ Layout 1 kênh nguồn dịng ................................................................... 39
Hình 34. Khối điều khiển và hiển thị ............................................................................ 40
Hình 35. Khối giao tiếp ................................................................................................. 40
Hình 36. Phần trăm độ bất định trong đánh giá phụ thuộc vào số lượng mẫu đo ......... 41

LÊ THANH ĐỨC

4


Hình 37. Thiết kế tổng thể hệ đo già hóa LED .............................................................. 43
Hình 38. Sơ đồ nguyên lý điều khiển nhiệt độ .............................................................. 44
Hình 39. Mạch khuếch đại thuật tốn ............................................................................ 46
Hình 40. Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki và Kd là hằng số) ....................... 48
Hình 41. Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị Ki (Kp và Kd không đổi) . 48
Hình 42. Đồ thị PV theo thời gian, với 3 giá trị Kd (Kp and Ki khơng đổi)................. 49
Hình 43. Rơ le bán dẫn thơng dụng ............................................................................... 49
Hình 44. Thông số kỹ thuật của bộ điều khiển TC4M-14R .......................................... 51
Hình 45. Sơ đồ đấu nối thiết bị TC4M-14R .................................................................. 51
Hình 46. Hệ thống điều khiển cấp nhiệt ........................................................................ 52
Hình 47. Sơ đồ vùng năng lượng của photodiode PIN ................................................. 53
Hình 48. Cấu trúc của APD và điện trường vùng trơi ................................................... 54
Hình 49. Photodiode dùng để thu thập tín hiệu quang của WLED với sơ đồ mạch
khuếch đại tín hiệu đo được........................................................................................... 57
Hình 50. Sơ đồ hệ đo trực tiếp quang thơng WLED sử dụng photodiode .................... 57
Hình 51. Đo thử nghiệm quang thông của WLED bằng đầu đo photodiode ................ 58
Hình 52. Mạch tạo nguồn .............................................................................................. 59

Hình 53. Mạch tái bật nguồn reset để 89C51 ................................................................ 60
Hình 54. Mạch biến đổi sơ cấp ...................................................................................... 60
Hình 55. Mạch chuyển đổi ADC ................................................................................... 61
Hình 56. Đóng khung dữ liệu kí tự ―A‖ ........................................................................ 62
Hình 57. Nối kết khơng modem .................................................................................... 64
Hình 58. Sơ đồ bên trong của MAX232 vàsơ đồ nối ghép của MAX232 với 8051 ..... 65
Hình 59. Tạo kết nối cổng COM ảo .............................................................................. 66
Hình 60. Sơ đồ ngun lý .............................................................................................. 67
Hình 61. Sơ đồ thuật tốn .............................................................................................. 68
Hình 62. Hàm tích lũy phân bố Weibull........................................................................ 70
Hình 63. Hàm phân bố mật độ Weibull ......................................................................... 70
Hình 64. Suy giảm quang thơng theo thời gian ở các dịng cấp khác nhau của LED
Philips Luxeon K2[41] .................................................................................................. 71
Hình 65. Suy giảm quang thông theo thời gian ở các nhiệt độ khác nhau của LED
Philips Luxeon K2 [41] ................................................................................................. 72
Hình 66. Minh họa quá trình ngoại suy thời gian sống của LED tại nhiệt độ phịng.... 74
Hình 67. Hệ đánh giá nhanh LED sau khi được lắp đặt ................................................ 75
Hình 68. Suy giảm quang thông theo thời gian đo được tại nhiệt độ 100oC (373 K),
dịng phát 150 mA. ........................................................................................................ 77
Hình 69. Độ thay đổi quang thông theo nhiệt độ, I = 150mA. ...................................... 78

LÊ THANH ĐỨC

5


LỜI NĨI ĐẦU
Cơng nghệ chiếu sáng rắn (Solid State Lightning) là công nghệ hiện đại, đang thu
hút được sự quan tâm trên tồn cầu. Có thể nói đây là cơng nghệ của hiện tại và tương
lai trong lĩnh vực chiếu sáng, khi nó có thể thay thế cơng nghệ chiếu sáng truyền thống

với hiệu suất vượt trội. Trọng tâm của công nghệ chiếu sáng rắn là nghiên cứu và phát
triển điốt phát quang (Light Emitting Diode – LED), nhất là điốt phát ánh sáng trắng
(WLED). Được phát minh bất ngờ từ năm 1907, nhưng phải từ sau thập kỷ 1960 của
thế kỷ trước, LED mới thực sự trở thành một linh kiện đa dụng và hứa hẹn cho công
nghệ chiếu sáng ngày nay với các ưu điểm nhỏ, bền, sáng, tin cậy và hiệu suất cao,
đóng vai trị then chốt trong công nghệ ngày nay. Các thiết bị chiếu sáng sử dụng đèn
LED xuất hiện khắp nơi, trong đầu đọc đĩa CD và DVD của máy vi tính, trong bộ phận
truyền dẫn tín hiệu của điều khiển từ xa, trong đèn tín hiệu giao thơng…
Việc đánh giá thời gian sống, độ tin cậy, độ ổn định và hiệu suất của LED, nhất là
việc nghiên cứu ảnh hưởng tác động các yếu tố nhiệt, điện tới các thơng số trên đóng
một vai trị quan trọng. Cơng việc này địi hỏi các kỹ thuật đo đạc chuyên sâu và tốn
nhiều thời gian, công sức, xuất hiện nhu cầu đánh giá nhanh các thông số này. Một
phương pháp phổ biến là phương pháp già hóa tăng cường, tức là cho các LED hoạt
động trong các điều kiện cực đoan như nhiệt độ môi trường hoạt động cao, dòng cấp
lớn so với chế độ hoạt động thơng thường để các LED già hóa nhanh. Từ việc đánh giá
các đặc trưng suy giảm trong điều kiện cực đoan có thể suy ra sự suy giảm trong điều
kiện thường. Hướng nghiên cứu này hiện rất được quan tâm và đang trong quá trình
nghiên cứu, phát triển. Hầu như chưa có các tiêu chuẩn cho quy trình đánh giá nhanh
LED dựa trên phương pháp già hóa tăng cường.
Đề tài này nghiên cứu tập trung thiết kế hệ thống điện tử (đầu đo, mỗi trường nhiệt
độ có điều khiển, nguồn dịng ổn định, khuếch đại tín hiệu, thu thập và ghi số liệu…)
cho hệ già hóa tăng cường nhằm phục vụ nghiên cứu đánh giá nhanh độ tin cậy và thời
gian sống của WLED

LÊ THANH ĐỨC

6


CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CHIẾU SÁNG WLED

1. Sơ lƣợc về chiếu sáng rắn
1.1 Lịch sử phát minh, phát triển của LED
Hiện tượng điện phát quang (electroluminescence – EL), được tìm ra vào năm
1907 bởi nhà khoa học người Anh là Henry Joseph Round (1881 – 1966) tại phịng thí
nghiệm Marconi, khi một điện thế 10V đặt vào tinh thể silic cacbua (SiC) tạo ra ánh
sáng hơi vàng[9]. Năm 1927, nhà phát minh Xô Viết Oleg Vladimirovich Losev (1903
– 1942) được ghi nhận là người đầu tiên chế tạo thành công đèn LED[10]. Hàng thập
kỷ trôi qua cho tới khi Rubin Braunstein công bố năm 1955 rằng một số điôt phát xạ
hồng ngoại khi được nối với dòng điện[11]. Năm 1961, Gary Pittman và Bob Biard
phát hiện ra rằng GaAs phát xạ hồng ngoại mỗi khi được nối với dòng điện, và nhận
bằng sáng chế LED hồng ngoại sau đó[12]. Nick Holonyak Jr. phát triển đèn LED phát
sáng đầu tiên, ở vùng màu đỏ, vào năm 1962[13]. Năm 1972, M. George Craford, phát
minh đèn LED vàng đầu tiên và đèn LED đỏ phát sáng tốt hơn. Thomas P. Pearsall
phát triển LED phát sáng cao vào năm 1976 để sử dụng sợi quang cho viễn thông[14].
Đèn LED xanh dương phát sáng mạnh đầu tiên được phát minh bởi Shuji Nakamura ở
Tập đoàn Nichia vào năm 1994 dựa trên InGaN[15]. Đồng thời,Isamu Akasaki và
Hiroshi Amano đã phát triển nhân GaN trên đế sapphire vàpha tạp loại p cho GaN[16].
Nakamura, Akasakivà Amano sau đó đã nhận giải Nobel Vật lý 2014. Việc nghiên cứu
chế tạo thành cơng WLED sử dụng nguồn kích thích GaInN/GaN phát xạ tử ngoại
hoặc cận tử ngoại kết hợp với vật liệu huỳnh quang được ghi nhận lần đầu tiên vào
năm 1996 và sau đó được tái khẳng định bởi Nakamura và Fasol vào năm 1997[17, 18].
Từ đó đến nay, LED là một trong những đối tượng nghiên cứu thu hút nhiều nhất
sự quan tâm của các nhà khoa học trong lĩnh vực chiếu sáng rắn bởi khả năng ứng
dụng cao, đáp ứng nhu cầu ngày một tăng của thị trường. Cơng nghệ chiếu sáng sử
dụng LED có hiệu suất tốt hơn từ 5 đến 20 lần các công nghệ truyền thống. Khơng
những thế, nó cịn hứa hẹn giải quyết được nhiều vấn đề mang tính tồn cầu, như giảm
phát thải ra mơi trường khí CO2, SO2, thủy ngân…, hiệu ứng nóng lên tồn cầu, mưa
axit… so với các công nghệ trước đây. Như vậy, công nghệ chiếu sáng rắn góp phần
làm giảm tiêu thụ năng lượng, nâng cao hiệu quả kinh tế, giảm tác động tiêu cực tới
LÊ THANH ĐỨC

7


môi trường. Theo thống kê trong 10 năm trở lại đây, việc sử dụng LED trung bình đã
tiết kiệm được khoảng 11%, cụ thể là 200 tỷ tỷ J tổng năng lượng, 70 tỷ tỷ J điện năng,
10,7 tỷ tấn phát thải CO2 và 2 tỷ USD chi phí tài chính[19].
1.2 Các giải pháp chiếu sáng trắng – đèn LED trắng (WLED)

Hình 1. Cấu tạo WLED và cơ chế phát ánh sáng trắng[17]
Cơ chế phát quang của LED là sự tái hợp điện tử và lỗ trống tại lớp tiếp xúc của
hai lớp bán dẫn loại n và loại p khi có dịng điện một chiều chạy qua, phát ra các bức
xạ điện từ trong đó có ánh sáng nhìn thấy, bức xạ hồng ngoại và tử ngoại, gọi là hiện
tượng điện phát quang. LED gồm một con chip bán dẫn được pha tạp để tạo thành lớp
chuyển tiếp p-n. Khi đặt điện áp thuận, các điện tử từ lớp n sẽ được cuốn sang lớp p và
các lỗ trống ở lớp p sẽ di chuyển theo chiều ngược lại. Chúng tái hợp và phát quang
với bước sóng ứng với năng lượng của độ rộng vùng cấm chất bán dẫn.
Thông thường chip LED phát sáng khá đơn sắc. Để tạo ra các LED phát sáng trắng
(White LED - WLED), người ta sử dụng một số phương pháp, ví dụ như dùng chip
LED phát sáng màu xanh-tím hoặc tử ngoại gần, sau đó phủ một lớp bột huỳnh quang
(phosphor) có thể phát vùng màu vàng-lục lên trên. Bột huỳnh quang hấp thụ tia xanhtím hay tử ngoại của chip LED sẽ phát ra màu vàng-lục, đồng thời cũng có một phần

LÊ THANH ĐỨC

8


màu xanh-tím phát ra ngồi, cộng hai dải màu này sẽ có một phổ sáng trắng của
WLED như được trình bày tại Hình 2.

Hình 2.Phổ phát quang của WLED sử dụng chip LED xanh GaN hoặc InGaN (có đỉnh
tại 465nm) và bột huỳnh quang Ce:YAG (trong khoảng 500-700nm)[20]
Các thông số cơ bản của LED cần xây dựng tiêu chí và quy trình cơng nghệ đánh
giá có thể chia làm các nhóm sau:
a. Các đặc trưng quang học: Cường độ sáng, quang thơng, độ chói, độ rọi, góc mở
sáng, bước sóng trội, hiệu suất chiếu sáng, tọa độ màu, nhiệt độ tương quan
màu, hệ số trả màu…
b. Các đặc trưng nhiệt học: Nhiệt độ lớp chuyển tiếp, nhiệt trở, các hệ số nhiệt…
c. Các đặc trưng điện học: Đặc tuyến vôn-ampe, điện thế thuận và nghịch, dịng
điện thuận và nghịch, cơng suất tiêu thụ…
d. Các đặc trưng về thời gian sống và độ tin cậy
e. Tác động của các đặc trưng nhiệt, điện tới các đặc trưng quang học, thời gian
sống, độ tin cậy, độ ổn định và hiệu suất.

LÊ THANH ĐỨC

9


2. Các đặc trƣng quang học của LED
Mắt người có hai loại tế bào thu nhận ánh sáng dưới võng mạc là tế bào que và tế
bào nón (Hình 3). Tế bào que có số lượng dồi dào và nhạy hơn tế bào nón. Có ba loại
tế bào nón nhạy cảm với ba màu đỏ, lục, lam tương ứng.

Hình 3. Cấu tạo trong của mắt người và cấu tạo chi tiết của võng mạc với các tế bào
cảm quang[21]
Với độ trưng lớn hơn 3 cd/m2 thì các tế bào nón điều tiết chính chế độ nhìn sáng
(ví dụ ban ngày). Chế độ nhìn tối dành cho mức sáng thấp hơn 0,003 cd/m2 (ví dụ ban
đêm) thì các tế bào que sẽ điều tiết chính, có độ nhạy cao hơn tế bào nón nhưng khơng
thể cảm nhận màu. Trong mơi trường sáng yếu như đêm trăng, các vật thường mất

màu mà chỉ thấy màu đen trắng. Chế độ nhìn mờ nằm giữa hai chế độ trên.(Hình 4)

Hình 4. Các chế độ nhìn của mắt người và các tế bào điều tiết chính tương ứng [5]

LÊ THANH ĐỨC

10


Hàm độ nhạy trên quang phổ của các tế bào que và nón được cho trong Hình 5. Từ
đó ta thấy vùng phổ màu đỏ nhìn kém hơn vùng màu lam vào lúc tối và ngược lại rõ
hơn vào lúc sáng.

Hình 5. Độ nhạy các tế bào que và nón theo bước sóng ánh sáng [22]
Đơn vị đo cường độ sáng candela (cd) là đơn vị cơ bản của hệ SI, được định nghĩa
là: nguồn sáng đơn sắc 555 nm phát quang với cơng suất 1/683 W vào góc 1 sr thì có
cường độ sáng 1 cd.
Quang thơng là đại lượng cho biết lượng sáng phát ra bởi một nguồn sáng, đo
bằng lumen (lm), được định nghĩa là: nguồn sáng đơn sắc 555 nm phát quang với công
suất 1/683 W thì có quang thơng là 1 lumen. Như vậy 1 cd = 1 lm/sr, hay nguồn có
cường độ sáng 1 cd thì có quang thơng là 4π lm = 12,57 lm.
Việc chuyển đổi giữa các đại lượng xạ trắc và quang trắc được tiến hành thông qua
hàm hiệu suất quang hay hàm nhạy sáng mắt người V(λ), được Ủy ban quốc tế về
chiếu sáng CIE công bố vào năm 1924, sửa đổi năm 1978.(Hình 6)
Quang thơng cho mắt người có thể tính được từ cơng suất phát xạ:
(

)∫

( ) ( )

với P(λ) là mật độ công suất trong quang phổ, tức là lượng sáng phát ra theo mỗi
bước sóng. Tổng công suất phát ra bởi một nguồn sáng là:
∫

LÊ THANH ĐỨC

( )

11


Hình 6. Hàm nhạy sáng mắt người ( ) theo chuẩn CIE [5]
Mắt người chỉ có ba loại tế bào nón nên dựa vào tỉ lệ ánh sáng thu được ở mỗi tế
bào này để xác định màu của nguồn sáng. Vì vậy, ta dùng hàm pha màu
̅ ( ) ̅ ( ) ̅( ), tương ứng với ba màu đỏ, lục, lam, trong đó hàm pha màu lục được
chọn là đồng nhất với hàm nhạy sáng mắt người ( ).
Vậy với ( ) đã biết, ta tính được độ tác động của từng màu:
∫

̅( ) ( )

∫ ̅( ) ( )
∫

̅( ) ( )

Tọa độ màu x, y của nguồn sáng được tính theo cơng thức:

LÊ THANH ĐỨC

12


Do z có thể tính được từ x và y nên được lược bỏ. Ta có biểu đồ màu CIE 1931
(Hình 8). Điểm có x = y = z = 1/3 hay X = Y = Z nằm ở chính giữa, tương ứng với
vùng màu trắn, còn các màu đơn sắc nằm ở rìa trên. Mọi màu sắc đều có thể định vị
trên biểu đồ này.

Hình 7. Hàm pha màu ̅ ( ) ̅ ( ) (̅ )CIE 1931 và 1978[5]

LÊ THANH ĐỨC

13


Hình 8. Biểu đồ màu CIE 1931

Hình 9. Phân bố các màu trên biểu đồ màu CIE 1931
LÊ THANH ĐỨC

14


MacAdam vào năm 1943 phân tích sự khác biệt màu sắc của các điểm gần nhau
trong biểu đồ màu và nhận ra rằng hai điểm màu phải có khoảng cách tối thiểu nào đó
để mắt người nhận ra chúng có màu khác nhau. Như vậy, màu sắc trong một vùng nào
đó sẽ có vẻ đồng nhất với mắt người. Ơng chứng minh các vùng đó có dạng elip, sau
đó được mang tên ơng.

Hình 10. Các elip MacAdam trên biểu đồ màu

LÊ THANH ĐỨC

15


Tổng số màu mắt người phân biệt được là khoảng 50.000 màu, biết được bằng
cách chia tổng diện tích biểu đồ màu cho tổng diện tích các elip MacAdam. Nếu tính
cả độ trưng thì con số đó lên tới hơn 1 triệu màu.
Năm 1960 và 1976, CIE đưa ra biểu đồ màu đồng dạng để cho độ lệch màu hầu
như tỉ lệ với khoảng cách hình học. Các tọa độ mới là (u, v) và (u‘, v‘) được tính như
sau:

hay

Hình 11. Biểu đồ màu CIE 1976 với các elip MacAdam
LÊ THANH ĐỨC

16


Màu nguồn sáng càng đơn sắc thì càng nằm gần rìa biểu đồ, trong khi quang phổ
càng rộng thì càng gần tâm. Nếu quang phổ đó rộng đáng kể với khoảng ánh sáng nhìn
thấy, nguồn sáng đó có màu trắng và nằm gần trung tâm biểu đồ.
Bước sóng trội do đó được định nghĩa là bước sóng (màu đơn sắc) nằm trên rìa
biểu đồ gần tọa độ màu của nguồn sáng nhất. Nó được xác định bằng cách kẻ một
đường thẳng từ tâm tới điểm tọa độ màu, kéo dài cắt đường rìa tại điểm của bước sóng
trội. Tỉ lệ khoảng cách từ một điểm tới tâm với khoảng cách từ bước sóng trội của nó
tới tâm, gọi là độ bão hòa màu. Như vậy để xác định một màu, có thể bằng cách cho

bước sóng trội và độ bão hịa, nếu khơng tính đến yếu tố độ sáng nằm ngồi biểu đồ
này.

Hình 12. Phổ ánh sáng của các vật đen tuyệt đối phát sáng với nhiệt độ khác nhau
Một vật đen tuyệt đối có nhiệt độ T sẽ phát ra một phổ bức xạ (ánh sáng), xem
Hình 12, với cường độ:
( )

(

)

và bước sóng cực đại tính theo định luật Wien:

LÊ THANH ĐỨC

17


Tọa độ của các bức xạ này trong tọa độ màu là đường cong Planck. Khi nhiệt độ
vật đen tuyệt đối tăng lên, bắt đầu phát xạ vào vùng nhìn thấy, tọa độ màu của nó bắt
đầu từ bước sóng đỏ vào tâm của biểu đồ. Nhiệt độ tương ứng của vùng trắng trong
biểu đồ trong khoảng 2500 K đến 10.000 K. Trên đó, có các điểm được chuẩn hóa như
trong Hình 13. Đường cong Planck ln bắt đầu từ màu đỏ, đi qua vùng màu cam,
vàng và tới vùng màu trắng, phù hợp với hiện tượng một thanh kim loại được nung
nóng đỏ rồi nóng sáng.

Hình 13. Đường cong Planck và các điểm chuẩn hóa: A – Đèn sợi đốt, B – Ánh sáng
Mặt Trời, C – Trời nhiều mây, D65 – Ánh sáng ban ngày, E – Điểm đẳng năng

LÊ THANH ĐỨC

18


Nhiệt độ màu của một nguồn sáng trắng (đo bằng K) là nhiệt độ của một vật đen
tuyệt đối có cùng tọa độ màu trên đường cong Planck. Nếu tọa độ màu của nguồn sáng
không nằm trên đường cong Planck thì dùng khái niệm nhiệt độ tương quan màu
(CCT), tức là nhiệt độ màu của điểm trên đường cong Planck có tọa độ gần nhất với
tọa độ màu của nguồn sáng trên biểu đồ (u‘, v‘). Cách xác định nhiệt độ tương quan
màu trong biểu đồ màu (x, y) phải sử dụng các đường đẳng nhiệt như trong Hình 14.

Hình 14. Các đường đẳng nhiệt trong biểu đồ màu x, y
Một đặc trưng khác của nguồn sáng trắng là khả năng hoàn trả màu sắc thực của
các vật được chiếu sáng, được đo bằng hệ số trả màu (CRI). Giá trị CRI = 100 tức là
khi mắt người nhìn vật do nguồn sáng chiếu tới thì màu sắc của vật ―chân thực‖ nhất.
CRI càng nhỏ thì độ trả màu càng kém.
CRI được đo bằng cách so sánh với hệ số trả màu của một nguồn sáng tham chiếu
được chọn như sau:
-

Nếu tọa độ màu của nguồn cần đo nằm trên đường cong Planck thì nguồn tham
chiếu là vật đen tuyệt đối có cùng nhiệt độ màu.

-

Nếu tọa độ màu của nguồn cần đo nằm ngồi đường cong Planck thì nguồn
tham chiếu là vật đen tuyệt đối có cùng nhiệt độ tương quan màu.

-

Các điểm chuẩn hóa trên đường cong Planck, ví dụ D65, cũng có thể dùng làm
nguồn tham chiếu.

Nguồn tham chiếu lý tưởng là có cùng tọa độ màu và quang thơng với nguồn cần
đo. Theo quy ước thì CRI đạt 100 với các điểm nằm trên đường cong Planck, ví dụ đối
LÊ THANH ĐỨC

19


với bóng đèn sợi đốt. Các bóng sợi đốt thạch anh-halogen được dùng ở những nơi cần
màu chân thực như bảo tàng, phịng tranh, cửa hàng quần áo.
Ngồi ra, các mẫu màu chuẩn cũng được dùng để đo CRI. Theo quy ước quốc tế,
có 14 màu chuẩn được đồng ý rộng rãi. CRI tổng qt được tính bằng trung bình cộng
suất phản xạ của 8 màu chuẩn trong Hình 15:
∑
với Ri là CRI cụ thể của từng màu chuẩn, được tính theo cơng thức:

với

là chênh lệch lượng màu của màu chuẩn khi được chiếu bởi nguồn tham

chiếu và nguồn cần đo.

Hình 15. Suất phản xạ của 8 màu chuẩn CIE để tính CRI

LÊ THANH ĐỨC

20

3. Đặc trƣng về thời gian sống và độ tin cậy của LED
Một trong những đặc trưng phẩm chất của WLED dùng trong công nghệ chiếu
sáng rắn là độ tin cậy, độ ổn định và tuổi thọ (thời gian sống). Thông thường, thời gian
sống của một thiết bị chiếu sáng truyền thống được định nghĩa là thời gian để 50% số
thiết bị bị hỏng hồn tồn, đơi khi tương đương với khái niệm thời gian hư hỏng trung
bình (Mean time between failure – MTBF) của các thiết bị có thể sửa chữa.
Đối với LED, thời gian sống của một WLED là thời gian mà WLED được sử dụng
hoạt động liên tục tại điều kiện hoạt động tiêu chuẩn (dòng cấp và nhiệt độ môi trường
xung quanh thỏa mãn điều kiện WLED hoạt động bình thường) cho đến khi tổng
quang thơng mà WLED đó phát ra chỉ cịn bằng 70% so với thời điểm bắt đầu hoạt
động [23], gọi là thời gian hư hoại trung bình (Mean time to failure – MTTF). Độ tin
cậy và ổn định liên quan trực tiếp tới thời gian sống nói trên, tức là một WLED phải
hoạt động bình thường với sự suy giảm từ từ về quang thơng trong thời gian hoạt động
(già hóa do hoạt động bình thường), ngồi ra cịn liên quan tới tính thống kê khi cùng
một chủng loại WLED, các WLED giống nhau thì phải hoạt động tương đối giống
nhau.

Hình 16. Dự đoán thời gian sống của LED [23]

LÊ THANH ĐỨC

21