Khi cĩ phĩng điện tỏa sáng, tùy vào loại hơi kim loại trong ống mà ánh sáng phát ra cĩ màu sắc khác nhau. Bức xạ ánh sáng phát ra là đơn sắc mang đặc trưng của kim loại (ví dụ natri cĩ màu vàng, thuỷ ngân màu vàng - xanh dương,…). Trong thực tế người ta chỉ sử dụng hai loại hơi kim loại là hơi thủy ngân và hơi natri (sodium là tên gọi khác của nguyên tố natri, tuy nhiên tên gọi này lại được dùng rất phổ biến trong kỹ thuật chiếu sáng).
Đèn hơi thủy ngân là kiểu đèn HID được phát minh sớm nhất trong các loại đèn HID. Đèn thuỷ ngân phát ra ánh sáng phần lớn nhờ sự kích thích nguyên tử thuỷ ngân. Khi ống phĩng điện hồ quang đủ nĩng nĩ sẽ phát đồng thời hai loại tia là tử ngoại và ánh sáng nhìn thấy ở các vạch vàng – xanh lá cây – xanh dương và một ít vạch đỏ - cam. Nhiệt độ màu khoảng 3000-70000K, chỉ số hồn màu rất thấp khoảng 15-25. Người ta thường phủ một lớp huỳnh quang bên ngồi vỏ bĩng đèn, nhờ đĩ cải thiện được chỉ số hồn màu lên 40-55. Quang hiệu của đèn cũng rất thấp, chỉ 30-65 lm/W.
Cĩ lẽ vấn đề quan trọng nhất liên quan đến đèn hơi thủy ngân là làm sao thay thế chúng bằng những loại đèn HID hoặc huỳnh quang cĩ hiệu suất và độ hồn màu tốt hơn. Những chiếc đèn thuỷ ngân nĩi chung cĩ hiệu suất thấp nhất trong họ đèn HID, quang thơng giảm nhanh sau khi đưa vào sử dụng.
Ánh sáng do đèn phát ra trắng lạnh, khi sương mù hay mưa thì hiệu quả chiếu sáng giảm khá nhiều, ngồi ra hơi thủy ngân rất độc, ánh sáng phát ra cĩ nhiều tia tử ngoại nguy hiểm nên hiện nay ít được dùng trong các dự án mới, nĩ chỉ cịn ở những nơi đã lắp đặt trước đây.
b) Đèn Metal Halide (cịn gọi là đèn phĩng điện Halogen kim loại):
Đèn Metal Halide về cơ bản giống đèn hơi thuỷ ngân nhưng người ta cho thêm vào ống phĩng điện muối iơt của các kim loại như indi, thali, natri. Vì iơt thuộc nhĩm halogen nên đèn này cĩ tên gọi là halogen kim loại (Metal Halide).
Ánh sáng phát ra nhờ sự kích thích của hỗn hợp hơi kim loại gồm thuỷ ngân và muối halogen kim loại. Ánh sáng cĩ nhiệt độ màu khoảng 4000-60000K và chỉ số hồn màu từ 60- 93. Quang hiệu của đèn từ 75-125lm/W. Ánh sáng phát ra cĩ màu trắng lạnh nên khơng cần thiết phải phủ một lớp bột huỳnh quang lên vỏ bĩng đèn. Phổ màu ánh sáng liên tục hơn và phát nhiều vạch hơn so với đèn thuỷ ngân
15% ánh sáng nhìn thấy 50% nhiệt và đối lưu 20% tử ngoại 15% hồng ngoại
Giản đồ năng lượng
Bột huỳnh quang Ống phĩng điện Điện cực khởi động Giá đỡ Đui đèn Khe co giãn Điện cực chính Vỏ bĩng đèn Điện cực chính Khung đỡ
Hình 3.7_Cấu tạo, giản đồ năng lượng và phổ màu đèn HID thuỷ ngân Điện trở khởi động 400 450 500 550 600 650 700 Mức năng lượng
Tuy nhiên đèn này cĩ nhược điểm làm giá thành đắt, màu sắc của đèn thay đổi theo thời gian sử dụng.
c) Đèn hơi Natri áp suất cao (HPS: High Pressure Sodium)
Ánh sáng phát ra nhờ sự kích thích hơi natri trong điều kiện áp suất cao. Cấu tạo của nĩ về cơ bản giống đèn hơi thuỷ ngân. Ống phĩng hồ quang thường được chế tạo từ gốm ơxit nhơm cĩ thể chịu được nhiệt độ lên đến 13000C vì nếu chế tạo bằng thuỷ tinh thì natri sẽ tác dụng hố học với thuỷ tinh làm hỏng ống phĩng điện. Ngồi hơi natri, trong ống phĩng cịn cĩ một ít khí xenon để dễ tạo ra hiện tượng phĩng điện (mồi ống) hoặc cho thêm hơi thuỷ ngân để giảm dịng điện và điện áp phĩng điện. Đèn hơi natri cao áp khơng cĩ các điện cực khởi động, chấn lưu mà chỉ cĩ tắc-te điện tử cao áp.
Quang hiệu khá cao đạt 120lm/W nhưng chỉ số thể hiện màu rất kém (CRI=20), tuổi thọ đạt 10.000 giờ. Khi phĩng điện hồ quang trong điều kiện áp suất cao thì natri bức xạ ánh sáng cĩ màu đặc trưng vàng - trắng với nhiệt độ màu 2000-25000K. Khi phân tích phổ màu thì nĩ cĩ các vạch vàng - xanh lá cây - cam và một ít vạch đỏ - xanh dương.
Đèn hơi Natri cao áp (HPS) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng chiếu sáng ngồi trời và chiếu sáng cơng nghiệp, đặc biệt là chiếu sáng đường phố. Khơng nên sử dụng cho nơi cổ kính rêu phong vì làm cho cỏ cây cĩ màu úa vàng. Hiệu suất cao là đặc điểm ưu việt hơn của loại đèn này so với đèn halogen kim loại vì những chiếu sáng đường phố khơng địi hỏi độ hồn màu cao.
Hình 3.8_Cấu tạo, giản đồ năng lượng và phổ màu đèn Metal Halide Khe co giãn Vỏ bĩng đèn Điện cực Đầu dây Đui đèn Giá đỡ Khung đỡ Ống phĩng điện Khung đỡ Nắp 25% ánh sáng nhìn thấy 45% nhiệt và đối lưu 10% tử ngoại 20% hồng ngoại 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 Mức năng lượng
d) Đèn hơi Natri áp suất thấp (LPS: Low Pressure Sodium)
Đèn cĩ dạng ống trụ, đơi khi hình chữ U, bên trong cĩ hơi natri với áp suất thấp khoảng 10-3mmHg. Ngồi ra để dễ tạo ra phĩng điện (mồi ống) người ta cịn nạp một ít khí xenon. Mức điện áp từ 18-180 V. Bình thường hơi natri ở trạng thái ngưng tụ, phải sau vài phút bật đèn hơi natri mới bốc lên và phát 2 vạch ánh sáng màu vàng - da cam rất nhạy cảm với mắt người (bước sĩng 555nm). Đèn cĩ quang hiệu cao nhất trong các loại đèn phĩng điện, cĩ thể đạt 190lm/W.
Phân tích phổ màu ta thấy ánh sáng gần như đơn sắc, chỉ số thể hiện màu CRI gần bằng 0 do đĩ LPS thường dùng cho những nơi khơng cần chất lượng màu tốt (như cầu
thang) và hạn chế sử dụng cho chiếu sáng an ninh hoặc chiếu sáng đường phố.
e) Đèn phĩng điện xenon:
Đây là loại đèn phĩng điện cao áp nhưng bên trong nạp khí xenon tinh khiết. Khi phĩng điện, các nguyên tử khí xenon bị kích thích lên mức năng lượng cao hơn, sau đĩ trở về trạng thái ban đầu sẽ nhả ra photon.
Giá đỡ dẫn điện Điện cực Ống phĩng điện Vỏ bĩng đèn Thuỷ ngân và muối iơt kim loại Điện cực Ánh sáng 30% Nhiệt và đối lưu 49,5% Hồng ngoại 20% Tử ngoại 0,5%
Hình 3.9_Cấu tạo, giản đồ năng lượng và phổ màu của đèn sodium áp suất cao
300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 Mức năng lượng 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 Hình 3.10_ Phổ màu đèn hơi Natri áp suất thấp Mức năng lượng
Đèn xenon cho ánh sáng trắng xanh gần giống ánh sáng ban ngày khi trời quang mây nên rất tốt. Tuy nhiên giá thành rất đắt khơng thể dùng vào chiếu sáng cơng cộng mà chỉ dùng cho xe hơi cao cấp. Giá thành đắt là do cơng nghệ tinh chế chất xenon tinh khiết rất đắt vì nếu xenon khơng tinh khiết thì khi xảy ra phĩng điện sẽ phát nổ.
Ưu điểm : tuổi thọ cao, cường độ sáng cao hơn, tiết kiệm năng lượng do khơng phải đốt nĩng dây tĩc
3.4 Đèn phát sáng quang điện (LED: Lighting Emitting Diode)
Cấu tạo cơ bản của đèn LED là hai lớp bán dẫn p và n tiếp xúc nhau. Tùy chất liệu của p và n, LED cĩ thể phát ra ánh sáng cĩ màu khác nhau, từ xanh lá cây, đỏ, đến trắng... Do tiêu hao nhiệt rất ít, LED hầu như khơng nung nĩng mơi trường xung quanh và khác với các loại bĩng đèn khác, ánh sáng LED khơng gây chĩi, mỏi mắt, khơng phát ra tia cực tím. Bằng việc ghép nhiều LED nhỏ bằng hạt đỗ với nhau, cĩ thể tạo một mơi trường ánh sáng rực rỡ trong một khơng gian rộng lớn, thậm chí cĩ thể ở nhiệt độ âm 300C. Tuy vậy, giá thành LED hiện vẫn cịn cao nên ở Việt Nam nĩ dùng cho quảng cáo là chủ yếu. Cịn ở các nước khác đã sử dụng cho khu du lịch, vui chơi giải trí, hàng năm tiết kiệm được rất nhiều tiền điện.
Về nguyên lý: Ánh sáng được tạo ra khi dịng điện chạy qua những chất rắn nhất định như chất bán dẫn hoặc photpho. Đèn LED là loại đèn mới nhất bổ sung vào danh sách các nguồn sáng sử dụng năng lượng hiệu quả. Mặc dù đèn LED phát ra ánh sáng ở dải quang phổ rất hẹp (gần như đơn sắc), chúng ta vẫn cĩ thể tạo ra "ánh sáng trắng” bằng cách dùng đèn LED xanh cĩ phủ photpho hay dùng dải LED màu đỏ-xanh da trời-xanh lá cây để hồ ánh sáng. Đèn LED cĩ tuổi thọ từ 40.000 đến 100.000 giờ tùy thuộc vào màu sắc. Đèn LED đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng chiếu sáng, bao gồm biển báo lối thốt, đèn tín hiệu giao thơng và nhiều ứng dụng trang trí khác. Mặc dù cịn mới mẻ, cơng nghệ đèn LED đang phát triển nhanh và hứa hẹn trong tương lai. Tại đèn tín hiệu giao thơng, một thị trường thế mạnh của LED, tín hiệu đèn đỏ bao gồm 196 đèn LED chỉ tiêu thụ 10W trong khi đèn nĩng sáng sẽ tiêu thụ 150W. Khả năng tiết kiệm năng lượng ước tính khoảng từ 82% đến 93%.
Ngồi ra đèn LED phối hợp với pin mặt trời cĩ thể tạo ra hệ thống chiếu sáng thân thiện với mơi trường, khơng tiêu thụ điện, tiết kiệm tài nguyên quốc gia, gĩp phần giảm phát thải khí nhà kính. Tuy nhiên đây là cơng nghệ mới, giá thành đầu tư rất cao nên cần cĩ thời gian để thương mại hố.
Ánh sáng đèn phĩng điện Xenon
Hình 3.11_ Phổ màu đèn Xenon so với ánh sáng ban ngày ánh sáng ban ngày
khi trời trong
3.5 Đèn cảm ứng (đèn khơng điện cực)
Làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, khơng cĩ điện cực, khơng cĩ dây tĩc. Tuổi thọ 60.000 giờ, quang hiệu cĩ thể đạt 90lm/W. Thường dùng trong những ứng dụng đặc biệt quan trọng như đèn báo khơng …Bĩng cảm ứng được dùng cho những loại đèn treo ở những nơi rất cao, khĩ thay, chẳng hạn trên các tháp lớn, hải đăng, cầu treo...
Nguyên lý phát sáng: Từ điện sản sinh ra từ trường, sau đĩ từ trường sản sinh ra dịng điện cảm ứng, ứng dụng nguyên lý dao động ngẫu hợp đưa sĩng điện cao tần vào trong bĩng đèn chân khơng, dưới tác dụng của bột huỳnh quang và khí trơ tạo ra hiện tượng phát sáng.
3.6 Đèn Sulfua :
Hình 3.12_ Chiếu sáng bằng đèn LED sử dụng năng lượng mặt trời
Hình 3.14_ Hình dáng và phổ màu đèn Sulfua so với ánh sáng ban ngày Phổ ánh sáng ban ngày khi trời nhiều mây
Phổ màu của đèn sulfua
Hình 3.13_ Hình dáng đèn khơng điện cực
Đèn này cũng khơng cĩ điện cực, ánh sáng phát ra do bức xạ của các nguyên tử sulfua trong mơi trường khí argon bị kích thích bằng vi sĩng. Đèn cĩ quang hiệu rất cao, cỡ 100lm/W và bức xạ rất ít tia hồng ngoại cũng như tử ngoại. Nhiệt độ màu cĩ thể lên tới 60000K gần với ánh sáng ban ngày và chỉ số hồn màu CRI=80. Khi phân tích phổ màu đèn sulfua người ta thấy nĩ gần trùng với phổ màu của ánh sáng ban ngày (khi trời nhiều mây).
Bảng thơng số kỹ thuật của các loại đèn thơng dụng
(Theo số liệu do hãng Schréder cung cấp năm 2006)
Loại đèn Cơng suất (W) Từ Đến Lm/W Tuổi thọ (giờ) T(°K) Hồn màu thước thành Chất lượng màu Kích Giá
Sợi đốt 15 200 10 1.000 3000° 100 Nhỏ Rẻ
Sợi đốt-Halogen 50 2.000 20 2.000 3000° 100 Nhỏ Rẻ Huỳnh quang 8 58 90 15.000 Thay đổi 85 Dài Rẻ Cao áp thủy ngân 50 1.000 55 12.000 3800° 45 Lớn Rẻ Cao áp Metal Halide 35 150 85 8.000 4000° 85 Nhỏ Đắt Cao áp Metal Halide 250 400 85 12.000 4000° 65 Nhỏ Đắt Thấp áp Sodium 18 131 200 15.000 1800° 0 Dài T.Bình Cao áp Sodium 35 1.000 120 20.000 2000° 25-85 Nhỏ T.Bình
Cảm ứng 55 180 70 60.000 3-4000° 80 Lớn Đắt
LED 0,07 1,2 15 10.000100.000 Nhiều loại Nhiều loại Nhỏ Đắt
Bảng tĩm tắt phạm vi sử dụng phổ biến của các loại đèn
Loại đèn Ứng dụng đặc trưng
Sợi đốt Gia đình, khách sạn, chiếu sáng chung, chiếu sáng khẩn cấp. Huỳnh quang Văn phịng, cửa hàng, bệnh viện, gia đình
Huỳnh quang compact Khách sạn, cửa hàng, gia đình, văn phịng
Thủy ngân cao áp HPM Chiếu sáng chung trong nhà máy, ga ra, đỗ xe, chiếu sáng bằng đèn pha Metal halide MH Trưng bày, chiếu sáng bằng đèn pha, khu triển lãm ở sân vận động, cơng viên, vườn hoa, khu vực xây dựng, sân thể
thao, phát truyền hình màu
Hơi Natri cao áp HPS Chiếu sáng chung trong nhà máy, kho hàng, đường phố Hơi Natri hạ áp LPS Lịng đường, đường hầm, kênh, đèn đường, cầu thang cĩ yêu cầu khơng cao về thể hiện màu.
CHƯƠNG 4
CẤU TẠO CỦA BỘ ĐÈN CHIẾU SÁNG CƠNG CỘNG
Trong chương trước chúng ta đã nghiên cứu về nguồn sáng là nơi phát ra ánh sáng. Tuy nhiên chỉ cĩ mỗi nguồn sáng thì khơng thể ứng dụng được trong chiếu sáng cơng cộng cũng như các mục đích chiếu sáng khác. Do vậy người ta cần phải sử dụng các bộ phận khác như bộ linh kiện điện để mồi cho đèn làm việc, bộ phận phản quang để điều khiển ánh sáng đến đúng đối tượng cần chiếu sáng, kính bảo vệ để chống ẩm, chống sương mù, chống nổ,… nĩi chung là bộ đèn cĩ đầy đủ ba thành phần : điện - cơ - quang học.
Các bộ phận nĩi trên khi lắp ráp hồn chỉnh gọi là bộ đèn hoặc chố đèn (theo Quyết định số 13/2008/QĐ-BCT của Bộ Cơng Thương) . Cĩ thể nĩi nguồn sáng chính là trái tim của bộ đèn. Do những ưu điểm nổi trội của đèn phĩng điện khi sử dụng cho chiếu sáng đường giao thơng, chiếu sáng các khu vực cơng cộng trong đơ thị mà hiện nay đèn phĩng điện HID là nguồn sáng được sử dụng chủ yếu. Trong chương này ta sẽ nghiên cứu về các thành phần cơ bản cấu tạo nên bộ đèn phĩng điện HID..
4.1. Cấu tạo chung của một bộ đèn chiếu sáng cơng cộng
1 2 4 3 5 6 7 8 9 10
1. Đầu dây điện vào đèn
2. Tấm đế lắp linh kiện điện cĩ thể tháo rời 3. Lỗ để lắp cần đèn
4. Lỗ đui đèn lắp nguồn sáng (điều chỉnh được) 5. Roăng cao su làm kín 5. Roăng cao su làm kín
6. Kính bảo vệ (thủy tinh hoặc nhựa) 7. Bản lề bằng thép khơng gỉ
8. Tấm phản quang mạ nhơm bằng phương pháp hĩa hơi. 9. Vỏ đèn cĩ 2 ngăn (linh kiện điện và quang học)
10. Nắp bảo vệ ngăn điện Mặt trước một bộ đèn
Về hình dáng, mỗi hãng chế tạo đèn cĩ một kiểu dáng khác nhau tuy nhiên đều cĩ các bộ phận cơ bản như trên. Mỗi bộ đèn đều cĩ thể lắp được nhiều loại nguồn sáng khác nhau và tương thích với nhiều cơng suất khác nhau. Điều này cho phép chuyên biệt hố trong sản xuất : bộ đèn của hãng này cĩ thể lắp nguồn sáng của hãng kia, do đĩ nĩ cũng cho phép thay thế dễ dàng.
4.2. Các bộ phận chính của bộ đèn chiếu sáng cơng cộng 1. Tấm phản quang 1. Tấm phản quang
Các loại đèn chiếu sáng cơng cộng thường cĩ tấm phản quang để phân bố lại ánh sáng của nguồn sáng bằng cách ứng dụng định luật phản xạ đều. Nhiệm vụ của nĩ là điều khiển ánh sáng phát ra phù hợp với mục đích sử dụng.
Tấm phản quang cĩ thể được làm bằng gương hoặc được mạ màu trắng (mạ nhơm hoặc bạc), mục đích chính là tăng hệ số phản xạ đều r. Hệ số này cĩ thể từ 0,85 (đối với gương)
đến 0,93 (tráng bạc). Trong thực tế, tấm phản quang thường mạ bằng nhơm tinh chất theo phương pháp bay hơi, vừa giảm được giá thành so với mạ bạc mà vẫn đảm bảo hệ số r khá
cao. Theo quy định trong tiêu chuẩn Việt Nam TCVN5828-1994 đối với đèn đường phố thì hệ số phản quang ban đầu phải 0,8.
Chất lượng tấm phản quang được đánh giá qua độ dày và độ đồng nhất của lớp mạ phản quang. Đặc điểm của nĩ là rất dễ bị phá huỷ nên khi lau chùi phải dùng thổi bằng khơng khí khơ áp suất nhỏ hay dùng cồn lau nhẹ. Theo quy định, khi sử dụng đèn tiết kiệm năng lượng