Nghiên cứu xây dựng quy trình đánh giá và đánh giá nhanh chất lượng Led trắng dùng trong các thiết bị chiếu sáng

- PHẠM VŨ LỘC NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ VÀ ĐÁNH GIÁ NHANH CHẤT LƯỢNG LED TRẮNG DÙNG TRONG CÁC THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Chương trình: Khoa học và công nghệ nano NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.
- Luận văn này nằm trong khuôn khổ đề tài khoa học công nghệ cấp bộ: “Nghiên cứu xây dựng quy trình đánh giá nhanh chất lượng điốt phát quang (LED.
- Tổng quan I.1 Sơ lược về chiếu sáng rắn I.2 Các đặc trưng quang học của LED dùng trong chiếu sáng.
- 10 I.3 Đặc trưng về thời gian sống và độ tin cậy của LED.
- 19 I.3.1 Dẫn nhập về thời gian sống và độ tin cậy.
- 26 II.1 Phương pháp đánh giá.
- 26 II.2 Phương pháp đánh giá nhanh.
- 31 III.1 Bộ tiêu chí và quy trình đánh giá chất lượng WLED.
- 32 III.1.2 Nhiệt độ tương quan màu CCT.
- 46 III.3.3 Quy trình đánh giá.
- 61 3 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt LED Điốt phát quang WLED Điốt phát ánh sáng trắng CIE Ủy ban quốc tế về chiếu sáng ANSI Viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ IESNA Hội kỹ thuật chiếu sáng Bắc Mỹ UL Tập đoàn Underwriters Laboratories ISO Tổ chức quốc tế về chuẩn hóa MTBF Thời gian hư hỏng trung bình MTTF Thời gian hư hoại trung bình CCT Nhiệt độ tương quan màu CRI Hệ số trả màu Danh mục các bảng Bảng 1.
- Tiêu chuẩn về nhiệt độ tương quan màu và khoảng cách tới đường cong Planck theo [1.
- Phổ ánh sáng của các vật đen tuyệt đối phát sáng với nhiệt độ khác nhau.
- Giá trị L70 được công nhận rộng rãi là thời gian sống của LED [23.
- Dự đoán thời gian sống của LED [23.
- Đường lòng máng của tốc độ hư hỏng theo thời gian.
- Hàm tốc độ hư hỏng Weibull.
- Cấu hình hệ đo đánh giá và đánh giá nhanh WLED.
- Hiệu suất năng lượng của các loại thiết bị chiếu sáng [33.
- Các tứ giác sai số của mỗi nhiệt độ tương quan màu theo [1.
- Hệ đánh giá nhanh LED sau khi được lắp đặt.
- Suy giảm quang thông theo thời gian ở các dòng cấp khác nhau của LED Philips Luxeon K2 [40.
- Suy giảm quang thông theo thời gian ở các nhiệt độ khác nhau của LED Philips Luxeon K2 [40.
- Minh họa quá trình ngoại suy thời gian sống của LED tại nhiệt độ phòng.
- Suy giảm quang thông theo thời gian đo được tại nhiệt độ 100oC (373 K.
- Độ thay đổi quang thông theo nhiệt độ.
- 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).
- 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 thông… Việc nghiên cứu đưa ra các tiêu chí cho LED cũng như các quy trình công nghệ đánh giá LED là một nhu cầu nội tại và cũng là đòi hỏi bức thiết của ngành công nghiệp và thị trường thương mại các sản phẩm LED.
- Trên thế giới hiện đã có một số các nước phát triển, các tổ chức tiêu chuẩn quốc tế, các hiệp hội về lĩnh vực linh kiện điện tử và chiếu sáng, các công ty sản xuất sản phẩm LED và các nghiên cứu khoa học mới đây đưa ra các tiêu chí, tiêu chuẩn liên quan tới LED và các quy trình đo thử nghiệm, đánh giá LED [6, 7].
- Việc khảo sát, so sánh và đánh giá các bộ tiêu chuẩn LED trên là cần thiết.
- Qua đó, có thể bước đầu đề xuất các thông số kỹ thuật dành cho LED dùng trong chiếu sáng rắn về các đặc trưng quang, nhiệt, điện, độ ổn định, thời gian sống…để loại bỏ các sản phẩm kém chất lượng trên thị trường tùy theo thực tế hàng năm.
- Cùng với đó, việc đánh giá thời gian sống, độ ổn định và hiệu suất của LED, nhất là việc nghiên cứu ảnh hưởng tác động các yếu tố nhiệt, điện tới các thông số trên 6 Lời mở đầu đóng một vai trò quan trọng.
- Công việc này đòi 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 thông thường để các LED già hóa nhanh [8].
- 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 vì hầu như chưa có các tiêu chuẩn cho quy trình đánh giá nhanh LED dựa trên phương pháp già hóa tăng cường.
- Đề tài nghiên cứu các mô hình toán cho qua trình già hóa LED và tiến hành đo đạc thực nghiệm để xác minh, kiểm nghiệm và thảo luận, cuối cùng đưa ra được một quy trình để đánh giá nhanh thời gian sống của LED có thể áp dụng trong sản xuất.
- Công nghệ chiếu sáng sử dụng LED có hiệu suất tốt hơn từ 5 đến 20 lần các công nghệ truyền thống.
- 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 công nghệ đánh giá có thể chia làm các nhóm sau: a.
- Các đặc trưng quang học: Cường độ sáng, quang thông, 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 về thời gian sống e.
- Tác động của các đặc trưng nhiệt, điện tới các đặc trưng quang học, thời gian sống, độ ổn định và hiệu suất.
- 10 Tổng quan I.2 Các đặc trưng quang học của LED dùng trong chiếu sáng Mắt người có hai loại tế bào thu nhận ánh sáng dưới võng mạc là tế bào que và tế bào nón (Hình 3).
- 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 11, với cường độ.
- 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.
- Các đường đẳng nhiệt trong biểu đồ màu x, y 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 13.
- 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 ngoài đường cong Planck thì nguồn tham chiếu là vật đen tuyệt đối có cùng nhiệt độ tương quan màu.
- Suất phản xạ của 8 màu chuẩn CIE để tính CRI [5] 19 Tổng quan I.3 Đặc trưng về thời gian sống và độ tin cậy của LED I.3.1 Dẫn nhập về thời gian sống và độ tin cậy Thử nghiệm ở nhiệt độ cao là cách thay thế cho thử nghiệm hoạt động tại nhiệt độ phòng nhằm dự đoán nhanh thời gian sống của LED.
- Thời gian sống của LED là Lp được định nghĩa là 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) mà quang thông suy giảm so với ban đầu còn p%, thông thường người ta quan tâm tới p và 80%.
- Hiện tại L70 được coi là thời gian sống của LED [23].
- Giá trị L70 được công nhận rộng rãi là thời gian sống của LED [23] Tuy nhiên, LED rất hiếm khi hỏng hoàn toàn, thời gian sống của WLED theo định nghĩa trên cỡ vài chục ngàn giờ, tức là khoảng hàng năm, một thời gian khá dài để có được đánh giá về tuổi thọ, độ ổn định của một loại WLED cho trước.
- Thời gian sống của LED dao động từ 3 tháng (2000 h) đến tận 6 – 8 năm h) tùy theo ứng dụng và lắp đặt [24].
- Thời gian sống của LED được đo bằng độ duy trì quang thông, tức là đo cường độ sáng giảm theo thời gian như thế nào.
- Liên đoàn công nghệ và hệ thống chiếu sáng rắn (ASSIST) định nghĩa thời gian sống của 20 Tổng quan LED dựa trên thời gian mà 50% (L50: cho công nghiệp hiển thị) hoặc 70% (L70: cho công nghiệp chiếu sáng) ánh sáng phát ra suy giảm ở nhiệt độ phòng, như trong Hình 16 [23].
- Các mô hình suy hao, già hóa và hư hỏng của WLED theo thời gian là chủ đề thu hút được sự quan tâm lớn và còn đang được nghiên cứu trên bình diện quốc tế.
- Dự đoán thời gian sống của LED [23] Có các mô hình khác nhau cho độ tin cậy, đó là mô hình Lòng máng và PoF (Physics of Failure).
- Tốc độ này được hiểu là số hư hỏng trên số sống sót trong một đơn vị thời gian.
- Theo đó, nhiều sản phẩm bắt đầu thời gian sống với tốc độ hư hỏng cao (do sai sót chế tạo, tay nghề kém, quản lý chất lượng đầu vào kém, v.v.
- Tốc độ này giảm dần 21 Tổng quan theo thời gian cho tới khi đạt giá trị ổn định gần như không đổi trong khoảng hoạt động hữu ích mà hư hỏng diễn ra ngẫu nhiên.
- Theo thời gian sử dụng, tốc độ hư hỏng lại tăng dần do hao mòn.
- Ví dụ với đời người cũng tương tự, trẻ sơ sinh có tốc độ tử vong cao nhất và giảm dần trong thời gian thiếu nhi rồi thiếu niên và đạt mức thấp nhất ổn định vào thời thanh niên, trước khi tăng trở lại theo năm tháng sau đó.
- Đường lòng máng của tốc độ hư hỏng theo thời gian Hình 18.
- Mô hình Lòng máng (trên) mang tính thống kê hiện tượng, và mô hình PoF (dưới) đi sâu vào các nguyên nhân mang tính bản chất vật lý gây ra hư hỏng [25] Thời gian sống cho biết thời gian hoạt động của thiết bị, hay thời gian tới lúc hỏng (time-to-failure).
- Đại lượng đánh giá là tốc độ hư hỏng, tốc độ ngẫu nhiên hoặc thời gian hư hỏng trung bình (MTBF).
- Trong khi ngược lại, mô hình PoF coi độ tin cậy là khả năng sống sót sau một thời gian cho trước.
- Đại lượng đánh giá là chu kỳ hoạt động không bảo trì (MFOP – Maintenance-Free Operating Period) hoặc chu kỳ hoạt động không hư hỏng (FFOP – Failure Free Operating Period) với mức tin cậy cho trước.
- Hàm phân phối tích lũy Weibull thường được áp dụng cho phân tích thời gian sống, cho biết xác suất xảy ra hư hỏng tại một thời điểm.
- Hàm xác suất hư hỏng.
- Hàm mật độ xác suất Weibull Hàm tốc độ hư hỏng Weibull (Hình 22.
- Hàm tốc độ hư hỏng Weibull 26 Phương pháp thực nghiệm Chương II.
- Phương pháp thực nghiệm II.1 Phương pháp đánh giá Để đo được phổ phân bố quang thông, công suất quang theo bước sóng của nguồn sáng, người ta sử dụng quả cầu tích phân với sơ đồ nguyên lý như Hình 23 và Hình 24.
- Hình 25 là quả cầu tích phân GS-IS4 tại Viện tiên tiến khoa học và công nghệ AIST, Đại học Bách khoa Hà Nội thỏa mãn các điều kiện của tiêu chuẩn LM thời gian đo tương đối nhanh và chi phí đo không quá tốn kém, có thể dùng vào việc đo đánh giá các tiêu chuẩn kỹ thuật cơ bản của LED trắng sử dụng trong thiết bị chiếu sáng.
- Nhiệt độ môi trường: 25°C ± 1°C, đo ở vị trí cùng độ cao và cách LED ≤ 1m.
- Thời gian chờ ổn định: phải loại trừ được yếu tố độ sáng tăng nhẹ khi LED bắt đầu hoạt động (vài giờ đến vài trăm giờ.
- Thời gian cân bằng trước kiểm tra: từ 30 phút, cho LED nhỏ trong nhiệt độ môi trường.
- Sau khi đo xong, các kết quả đo được phân tích, tính toán và đánh giá các thông số cơ bản như đã trình bày ở phần giới thiệu.
- Đo phổ quang thông và công suất quang phụ thuộc bước sóng - Tính tổng quang thông, tọa độ màu, nhiệt độ tương quan màu - Để đánh giá đặc trưng V-I của LED, thay đổi dòng cấp và đo điện thế trên LED.
- 29 Phương pháp thực nghiệm II.2 Phương pháp đánh giá nhanh Để rút ngắn thời gian đánh giá tuổi thọ của WLED, một trong những cách là phương pháp già hóa tăng cường, tức là cho WLED hoạt động ở các điều kiện cực đoan như nhiệt độ môi trường xung quanh lớn (dẫn đến nhiệt độ lớp tiếp xúc bán dẫn p-n của chip LED lớn) hoặc cho WLED hoạt động ở điều kiện dòng cấp lớn (khi này nhiệt tỏa ra cũng lớn, làm tăng nhiệt độ cả hệ LED, đồng thời LED cũng đạt tới trạng thái hoạt động ở tình trạng gần tới hạn).
- Đo liên tục các đại lượng đặc trưng cho WLED trong quá trình này theo thời gian, như sự suy giảm của quang thông, nhiệt độ lớp chuyển tiếp p-n [8], sự dịch chuyển các đỉnh và vùng phổ phát quang của WLED… sẽ thu được kết quả đo thực nghiệm, từ đó dùng mô hình toán ngoại suy ra thời gian sống, độ ổn định, tin cậy của WLED khi chúng hoạt động ở điều kiện thông thường.
- Tạo một môi trường có nhiệt độ ổn định để WLED hoạt động.
- Môi trường này phải thay đổi được các nhiệt độ khác nhau tùy biến theo yêu cầu nghiên cứu.
- Vì là môi trường nhiệt độ cao hơn nhiệt độ phòng, nên phải đảm bảo tính cách nhiệt, cũng như vẫn phải đảm bảo để các hệ đầu đo, hệ cấp nguồn dòng cho WLED trong môi trường này hoạt động bình thường, không bị hư hại bởi môi trường nhiệt độ cao.
- Tạo nguồn cung cấp dòng không đổi có giá trị lớn, thay đổi được cho WLED hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao.
- Đo được các đặc trưng quang hoc, nhiệt của WLED liên tục theo thời gian để nghiên cứu sự suy giảm, ngoại suy tính toán được thời gian sống của WLED theo các mô hình.
- Hình 26 mô tả sơ đồ hệ đo đánh giá và đánh giá già hóa cho WLED.
- Để đánh giá già hóa, khi này WLED sẽ được cho vào một lò ủ tạo môi trường nhiệt độ khác nhau.
- 30 Phương pháp thực nghiệm Nhiệt độ và dòng cấp cho WLED có thể điều chỉnh được và được kiểm soát bằng cơ chế phản hồi để đảm bảo nhiệt độ và dòng cấp giữ ổn định trong thời dài.
- Cấu hình hệ đo đánh giá và đánh giá nhanh WLED Khi có môi trường và nguồn dòng cung cấp để tạo điều kiện làm việc khắc nghiệt, một vấn đề quan trọng là thu được thông tin về các đặc trưng hoạt động của WLED trong quá trình già hóa tăng cường này.
- hoặc - Dẫn quang của WLED phát ra vào quả cầu tích phân để đo phổ quang thông của WLED, từ đó xác định được các thông số như bước sóng chính, nhiệt độ tương quan màu, tọa độ màu.
- biến đổi theo thời gian già hóa.
- Thời gian già hóa tăng cường của WLED cần từ 30 – 60 ngày, trung bình một ngày cần 1 đến 2 lần đo lấy số liệu.
- Kết quả & thảo luận III.1 Bộ tiêu chí và quy trình đánh giá chất lượng WLED Trên thế giới và tại Việt Nam, đến nay chưa có một bộ tiêu chuẩn đầy đủ cho các LED trắng sử dụng trong các thiết bị chiếu sáng dân dụng.
- Hiện giờ, nhiều tổ chức quốc tế về chiếu sáng, về tiêu chuẩn chất lượng đang tiến hành xây dựng từng bước các tiêu chí tiêu chuẩn, tiến tới xây dựng hoàn thiện bộ tiêu chuẩn cho các LED trắng sử dụng trong các thiết bị chiếu sáng dân dụng và xây dựng các quy trình đánh giá chuẩn, ví dụ ANSI - American National Standards Institute [1, 2], CIE - International Commission on Illumination [3, 6], IESNA - Illuminating Engineering Society of North America UL - Underwriters Laboratories Inc.
- Tuy nhiên các tiêu chuẩn, tiêu chí đánh giá về một tính chất đơn lẻ cũng như quy trình đo đánh giá được công bố đến thời điểm này là rất hạn chế.
- Các nhà sản xuất khi sử dụng các LED trắng để sản xuất ra các sản phẩm chiếu sáng chủ yếu dựa vào các thông số kỹ thuật do các nhà cung cấp công bố, hầu như chưa có các quy trình và phương pháp đo chuẩn để đánh giá lại chất lượng đã được công bố này

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt