a) Bĩng đèn nung sáng kiểu chân khơng hoặc áp suất khí trơ:
Bĩng đèn nung sáng hoạt động như một “vật đen”, phát ra các bức xạ cĩ lựa chọn ở vùng ánh sáng nhìn thấy. Bĩng đèn cĩ thể là chân khơng hoặc nạp khí trơ. Sau một thời gian sử dụng, bĩng đèn thường bị tối đi là do dây tĩc kim loại (vonfam) bị bay hơi ngưng lại trên bề
mặt bĩng.
Nếu bĩng hút chân khơng thì nhiệt tỏa ra khơng khí giảm xuống, do đĩ hiệu suất nguồn sáng cao hơn. Tuy nhiên ở chế độ chân khơng, khi bị nung nĩng lên nhiệt độ rất cao kim loại làm dây tĩc sẽ bị bay hơi nhanh, do đĩ loại bĩng này chỉ chế tạo cơng suất 75W.
Để làm chậm quá trình bay hơi kim loại người ta thường cho thêm khí trơ (nitơ, argon, kripton) vào trong bĩng nên cơng suất cĩ thể tăng trên 75W nhưng đổi lại nhiệt tỏa ra mơi trường sẽ lớn hơn. Đối với những loại đèn thơng dụng, hỗn hợp khí Agon-Nitơ với tỷ lệ 9/1 được sử dụng nhiều do giá thành thấp. Kripton hoặc Xenon khá đắt (do cơng nghệ tinh chế chúng rất phức tạp) nên chỉ được sử dụng trong những ứng dụng đặc biệt như đèn chu kỳ hoặc khi cĩ yêu cầu hiệu suất rất cao.
b) Bĩng đèn nung sáng dùng khí halogen:
Đèn nung sáng dùng khí halogen là một loại đèn nung sáng cĩ dây tĩc bằng vonfam giống như đèn sợi đốt bình thường, tuy nhiên bĩng đèn được bơm đầy bằng khí halogen (Iod hoặc Brom). Nguyên tử vonfam bay hơi từ dây tĩc nĩng và di chuyển về phía thành của bĩng đèn. Các nguyên tử vonfam, oxy và halogen kết hợp với nhau tại thành bĩng để tạo nên phân tử vonfam oxyhalogen. Nhiệt độ ở thành bĩng giữ cho các phân tử vonfam oxyhalogen ở dạng hơi. Các phân tử này di chuyển về phía dây tĩc nĩng nơi nhiệt độ cao hơn tách chúng ra khỏi nhau. Nguyên tử vonfam lại đơng lại trên vùng mát hơn của dây tĩc nên bĩng đèn khơng bị mờ.
Nhờ cĩ hơi halogen nên nhiệt độ đốt nĩng đèn cho phép cao hơn, do đĩ ánh sáng phát ra trắng hơn (nhiệt độ màu cĩ thể đạt 29000K), hiệu suất của đèn cũng cao hơn so với đèn bơm khí trơ hoặc chân khơng.
Đặc điểm: Gọn hơn, tuổi thọ dài hơn, sáng trắng hơn, giá cao hơn, nhiều tia hồng ngoại hơn, nhiều tia cực tím hơn.
3.2 Bĩng đèn huỳnh quang 1. Đặc điểm cấu tạo: 1. Đặc điểm cấu tạo:
Đèn huỳnh quang cũng là một loại đèn phĩng điện, tuy nhiên bản chất và nguyên lý phát sáng hồn tồn khác với đèn phĩng điện nên dưới gĩc độ chiếu sáng nĩ được xem xét với tư cách là một chủng loại đèn riêng. Đèn huỳnh quang cĩ hiệu suất lớn hơn đèn sợi đốt từ 3 đến 5 lần và cĩ tuổi thọ lớn hơn từ 10 đến 20 lần.
Trước khi phát minh ra bĩng đèn huỳnh quang người ta nhận thấy : dịng điện chạy qua chất khí hoặc kim loại bay hơi cĩ thể gây ra bức xạ điện từ tại những bước sĩng nhất định tuỳ theo thành phần cấu tạo hố học và áp suất chất khí. Ngồi ra theo định luật Stoke, khi cho
sáng nhìn thấy được. Ứng dụng hai hiện tượng này người ta chế tạo đèn huỳnh quang.
Phía bên trong thành thủy tinh của bĩng đèn người ta tráng một lớp chất bột huỳnh quang, ngồi ra người ta cịn nhỏ vài giọt thuỷ ngân (khoảng 12mg) và bơm khí trơ (thường là khí argon) vào trong ống với tỷ lệ thích hợp sao cho hiện tượng ion hố dễ xảy ra. Khi bật đèn, thuỷ ngân hố hơi trước do cĩ điện áp ở hai đầu cực, tiếp sau là hiện tượng ion hố chất khí để sinh ra tia tử ngoại. Tia tử ngoại đập vào bột huỳnh quang và phát ra ánh sáng nhìn thấy.
Do đèn huỳnh quang phát ra tia tử ngoại, nếu lọt ra ngồi sẽ gây nguy hiểm cho sự sống nên vỏ bĩng đèn được chế tạo từ thủy tinh natri cacbonat cĩ tác dụng ngăn cản tia tử ngoại khơng cho nĩ phát xạ ra ngồi.
Bĩng đèn huỳnh quang khi nối với nguồn điện thì bản thân nĩ khơng thể tự phát sáng mà phải cĩ bộ phận khởi động bao gồm chấn lưu (cịn gọi là ballast) và tăc-te (bộ ngắt mạch). Dựa vào biện pháp khởi động người ta chia thành hai loại : đèn huỳnh quang catot nĩng và catot nguội. Loại catốt nĩng thì trước khi phát xạ electron nĩ phải được nung nĩng cịn loại catot nguội thì khơng cần nung nĩng nhưng điện áp đặt vào nĩ phải đủ lớn. Catốt là những dây tĩc Vonfam cĩ mạ bari cacbonat để dễ dàng phát xạ điện tử. Khi nung nĩng lớp phát xạ này khơng được nĩng quá, nếu khơng tuổi thọ của đèn sẽ giảm xuống.
Chấn lưu là một cuộn dây điện cảm bằng sắt từ, khi đèn khởi động nĩ làm nhiệm vụ cung cấp năng lượng và tạo ra điện áp mồi rất lớn nhưng khi đèn làm việc bình thường thì nĩ cĩ vai trị xác lập điểm làm việc của đèn.
Tắc-te thực chất là một cơng tắc kiểu rơle nhiệt, khi khởi động nĩ đĩng mạch để cho dịng điện chạy qua đốt nĩng catot đồng thời tích luỹ năng lượng từ trường cho chấn lưu. Khi mồi đèn, nĩ mở ra làm dịng điện bị gián đoạn và năng lượng trong chấn lưu giải phĩng dưới dạng xung điện áp u=Ldi/dt khá lớn làm catot phát xạ electron. Về nguyên lý thì tốc độ mở của tăc- te càng bé thì điện áp xung tạo ra càng lớn và càng giúp đèn dễ khởi động.
Chấn lưu sắt từ bản thân nĩ cũng tiêu hao năng lượng làm cho hiệu suất tổng của cả bộ đèn huỳnh quang giảm xuống. Ngồi ra tắc-te kiểu rơle nhiệt cĩ đặc tính khởi động khơng tốt (vì cĩ qn tính nhiệt) nên chất lượng của đèn cũng giảm và nhất là khi điện áp thấp cĩ thể khơng mồi được đèn. Chấn lưu sắt từ cịn gây ra tiếng ồn do cĩ độ rung lớn nên khơng thích hợp cho mơi trường văn phịng làm việc. Để khắc phục những hạn chế này hiện nay người ta chế tạo ra bộ phận khởi động bằng điện tử (cịn gọi là chấn lưu điện tử). Nguyên lý của chấn lưu điện tử là tạo ra xung điện áp cĩ tần số rất cao (khoảng 20 kHz hoặc lớn hơn) nhờ đĩ mà điện áp mồi được tạo ra rất lớn, thời gian ngắt mạch rất bé nên cĩ thể khởi động ngay cả khi điện áp lưới điện thấp.
Hình 3.4_ Cấu tạo bĩng đèn huỳnh quang Khí argon và
hơi thuỷ ngân Catot tráng bari cacbonat
Giọt thuỷ ngân ngưng đọng Lớp bột huỳnh quang Ống xả khí khi chế tạo Đầu cực điện
Cũng cần lưu ý thêm là loại bĩng đèn huỳnh quang cịn cĩ một số tên gọi khác như đèn tuyp, đèn neon,.. tuy nhiên tên gọi “đèn neon” là tên gọi sai vì thơng thường nĩ khơng chứa khí neon.
2. Một số bĩng đèn huỳnh quang thơng dụng
a) Bĩng đèn huỳnh quang thường (T12)
Đây là loại bĩng đèn huỳnh quang được dùng phổ biến trong dân dụng và cơng nghiệp và đến nay nĩ vẫn chiếm số lượng lớn. Tuy nhiên trong tương lai người ta sẽ thay thế bằng các loại đèn tiết kiệm điện hơn.
Ký hiệu T12 được xác định theo đường kính ống là 12/8 inch 38mm Chiều dài và cơng suất chế tạo được tiêu chuẩn hĩa như sau:
2,4 m - 110W ; 1,5 m – 65 W ; 1,2 m – 40 W ; 0,6 m – 20 W 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 Phổ kích thích (miền tử ngoại) Phổ phát xạ ở miền nhìn thấy dùng Halophotphat Canxi.Bari làm chất huỳnh quang Kích thích 21% ánh sáng nhìn thấy 54,2% nhiệt
năng và đối lưu 24,8% bức xạ
hồng ngoại
Hình 3.5_ Nguyên lý, giản đồ năng lượng và phổ màu bĩng đèn huỳnh quang Bột huỳnh quang
quét bên trong ống
Electron Điện cực phát xạ electron Tia cực tím Ánh sáng nhìn thấy Nguyên tử thuỷ ngân
Ba loại đèn này khác nhau về đường kính : từ 10/8 inch với đèn T10 đến 5/8 inch với đèn T5 (cũng chính là ký hiệu của đèn). Ngày nay người ta đã chế được bĩng T2 nhưng chưa được sử dụng phổ biến lắm.
Hiệu suất của các loại đèn này cũng khác nhau. Đèn T5 & T8 cho hiệu suất cao hơn 5% so với đèn T12 và hai loại này được ưa chuộng lắp đặt nhiều hơn trong các hệ thống chiếu sáng dân dụng và cơng nghiệp.
Trên thị trường hiện nay xuất hiện loại T10, T8 chủ yếu và giá thành cũng cao hơn so với bĩng T12.
c) Bĩng đèn huỳnh quang compact:
Loại đèn huỳnh quang compact xuất hiện gần đây đã mở ra một thị trường hồn tồn mới của nguồn sáng huỳnh quang. Đây thực chất là đèn huỳnh quang T3 (3/8 inch). Những chiếc đèn này cho phép thiết kế bộ đèn nhỏ hơn nhiều, cĩ thể cạnh tranh với loại đèn nung nĩng và đèn huỳnh quang thường. Với một số loại bĩng đèn compact tốt cĩ thể chuyển được 90% năng lượng thành ánh sáng và chỉ 10% tổn hao nhiệt và phát tia hồng ngoại.
Nhiều người cho rằng ánh sáng từ đèn compact yếu hơn so với huỳnh quang thường, lý do là đèn compact phát xạ ánh sáng cĩ độ phân tán lớn hơn do cĩ nhiều tầng xoắn.
Về cấu tạo nĩ cĩ rất nhiều hình dáng khác nhau, thường là hình trịn hoặc vuơng và lại được xoắn thành nhiều tầng. Sản phẩm bán trên thị trường cĩ bộ điều khiển gắn liền (CFG) hoặc điều khiển tách rời (CFN). Tương lai các loại đèn này sẽ được sử dụng rộng rãi và nhà nước cũng cĩ chính sách trợ giá với đèn này. Nhờ chấn lưu điện tử nên hiện tượng nhấp nháy khơng cịn.
3.3 Bĩng đèn phĩng điện cường độ cao (HID)
Loại đèn này làm việc dựa trên hiện tượng phĩng điện hồ quang nên được gọi chung là đèn phĩng điện cường độ cao (hay đèn HID = Hingh Intentsity Discharge).
1. Cấu tạo của bĩng đèn phĩng điện:
a) Ống phĩng điện:
Ơng phĩng điện là nơi xảy ra hiện tượng hồ quang điện, được chế tạo bằng chất trong Hình 3.6_ Các loại bĩng đèn huỳnh quang compact
muối kim loại, hay các loại khí khác để tạo ra hiện tượng phĩng điện hồ quang trong chất khí. Phĩng điện hồ quang bao giờ cũng toả ra nhiệt lượng lớn nên ống phĩng điện phải được làm bằng vật liệu chịu nhiệt rất cao. Ống phĩng điện và một số chi tiết khác được đặt trong một vỏ thuỷ tinh gọi là vỏ bĩng đèn.
Khi đèn đang làm việc, hiện tượng phĩng điện hồ quang đang diễn ra nếu cĩ một số sự cố (hỏng chấn lưu, điện áp thay đổi đột ngột,…) đều cĩ thể gây nổ ống phĩng điện và tạo ra các mảnh vỡ nhỏ cĩ nhiệt độ khoảng 10000C phá huỷ vỏ bĩng đèn và gây nguy hiểm cho người đi đường, huỷ hoại tài sản hay hoả hoạn. Do đĩ khi chế tạo bộ đèn này người ta phải bao bọc nĩ bằng vật liệu chịu được va đập và cĩ khơng gian đủ lớn để cĩ thể giữ lại tồn bộ các mảnh vỡ văng ra.
b) Vỏ bĩng đèn:
Vỏ bĩng đèn thường làm bằng thuỷ tinh hoặc các loại vật liệu khác nhau nhưng chức năng của vỏ bĩng đèn phải bao gồm :
- Ngăn khơng cho khơng khí xâm nhập làm oxit hố các chi tiết kim loại trong bĩng đèn. - Ổn định nhiệt độ làm việc của đèn (để hồ quang khơng bị đứt đoạn).
- Ngăn khơng cho tia tử ngoại lọt ra ngồi làm huỷ hoại sự sống, đặc biệt là đèn hơi thuỷ ngân tạo ra khá nhiều tia tử ngoại.
Vỏ bĩng đèn thường cĩ dạng hình ellip, cĩ thể cĩ dạng hình cầu hoặc hình trụ.
c) Chấn lưu :
Giống như đèn huỳnh quang, đèn HID cũng địi hỏi chấn lưu để mồi và ổn định điểm làm việc.
d) Đui đèn :
Chủ yếu là kiểu đui xốy, một số khác cĩ kiểu đui gài.
e) Đặc điểm :
Đèn HID cĩ ánh sáng phát ra khá ổn định, khơng phụ thuộc nhiệt độ mơi trường xung quanh nên rất thích hợp cho chiếu sáng đường phố, quảng trường, cơng viên,…
2. Một số loại bĩng đèn phĩng điện HID thơng dụng:
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