Công nghệ chiếu sáng đang thay đổi rất nhanh. Các nhà sản xuất ngày càng đưa ra nhiều sản phẩm và cải thiện các đặc trưng của sản phẩm. Những loại đèn cũ được hạn chế nhường cho những sản phẩm phù hợp hơn cho các ứng dụng đại trà. Đối với mỗi hệ thống, những sản phẩm chiếu sáng mới này mỏ ra một phương thức chiếu sáng mới làm giảm năng lượng tiêu thụ, giảm giá thành bảo dưỡng và tăng chất lượng ánh sáng mà hệ thống cung cấp.
Trước khi lựa chọn một loại đèn nào đó để cho ứng dụng thực tế điều rất quan trọng là cần hiểu về cơ chế làm việc của nó và những yêu cầu chính về chất lượng và hiệu suất của chúng.
Phần 2: CƠ CHẾ LÀM VIỆC CỦA CÁC NGUỒN SÁNG
Nguồn sáng dùng sợi đốt
Đèn sợi đốt phát ánh sáng do dùng dòng điện để đốt nóng sợi chỉ Wolfram đạt trong bóng đèn chứakhí trơ. Tiếp xúc với nguồn điện ậưt ở đui đèn, dòng điện chạy qua dây dẫn nối vào sợi đốt. Sợi đốt được đốt nóng đến 3000oC và phát ra ánh sáng. Ánh sáng phát từ đèn sợi đốt có phân bố đẹp, liên tục trong cả dải phổ từ xanh đến đỏ.
Nguồn sáng phóng điện khí
Đèn phát sáng do phóng điện trong khí chia ra làm hai loại: (1) loại phóng điện trong khí áp suất thấp và (2) loại phóng điện trong khí áp suất cao. Áp suất thấp có nghĩa là ống phóng điện được rút khí một phần. Áp suất cao có nghĩa ống phóng điện được nạp khí có áp suất cao hơn áp suất khí quyển một chút.
Những thuộc tính cơ bản của các nguồn sáng phóng điện thay đổi theo từng loại. uy vậy chúng cũng có một số đặc tính chung. Chúng phát ánh sáng do hồ quang điện kích thích các nguyên tử khí, khi các nguyên tử này quay trở về trạng thái cơ bản thì chúng phát ra photon (lượng tử ánh sáng). Trong một số loại đèn bước sóng của photon nằm trong vùng cực tím, trong một só loại khác thuộc vùng nhìn thấy, còn trong một số loại khác nữa thì cả cực tím và nhìn thấy. Trong trường hợp ánh sáng vùng nhìn thấy không có hoặc rất ít thì mặt trong của bóng đèn được phủ bột huỳnh quang phát ánh sáng nhìn thấy khi bị kích thích bởi tia cực tím.
NGUỒN SÁNG PHÓNG ĐIỆN TRONG KHÍ ÁP SUẤT THẤP
Có hai loại thuộc nguồn sáng này: (1) Đèn huỳnh quang (2) Đèn Natri áp suất thấp.
Đèn huỳnh quang
Buổi trình diễn đầu tiên của đèn huỳnh quang được tổ chức vào năm 1938-1939 tại hội chợ thế giới tại New York. Các đèn huỳnh quang được mắc dọc các cột cờ dải trên con đường mặt tiền.
Ngoại trừ bóng đèn, đèn huỳnh quang còn yêu cầu thêm 3 phần tử nữa để có thể phát sáng: (1) điện cực, (2) khí, và (3) bột huỳnh quang (xem hình H. II.2.2):
Điện cực. Điện cực dùng để phát điện tử. Hiện nay thông dụng có hai loại điện cực. Loại điện cực nóng được làm từ dây Wolfram quấn xoắn phủ một lớp ôxýt kiềm thổ, chúng phát xạ điện tử khi được nung nóng đến khoảng 900oC. Loại điện cực lạnh được làm từ những ống sắt sạch chứa chất phát xạ điện tử ở bên trong. Dưới tác động của hiệu điện thế lớn chúng sẽ phát xạ điện tử tại khoảng 150oC. Đèn điện cực lạnh được sử dụng trong các ứng dụng chuyên dùng, thí dụ làm đèn chữ vì có thể uốn cong theo các hình khác nhau. Đèn huỳnh quang điện cực nóng được dùng thường xuyên hơn.
Khí. Một lượng nhỏ các giọt thuỷ ngân được cho vào trong ống huỳnh quang. Trong khi làm việc thủy ngân bốc hơi và tạo áp suất riên phần thấp. Dòng điện chạy qua khí kém này khiến chúng phát bức xạ tại một bước sóng cực tím (253.7 nm). Áp suất hơi thủy ngân được giữ ổn định trong quá trình làm việc bằng chính nhiệt độ của thành bóng đèn.
Đèn cũng chứa một lượng nhỏ những khí hiếm và sạch khác. Thường dùng khí argon và argon-neon, đôi khi krypton cũng được dùng. Những khí này được iôn hóa ngay khi bật đèn. Khí đã iôn hóa này giảm điện trở rất nhanh cho phép dòng điện chạy qua và thủy ngân bay hơi.
Phosphor. Đó là một hợp chất hóa học tráng lên mặt trong của thành ống. Khi bị kích thích bởi tia cực tím chúng sẽ phát ánh sáng vùng nhìn thấy theo cơ chế hiùnh quang. Dùng hỗn hợp các phosphor có thể thay đổi màu ánh sáng hoặc phổ của đèn. Những đặc trưng chính của các loại bột phosphor nền aluminate và phosphate đang sử dụng hiện nay để sản xuất đèn huỳnh quang được liệt kê dưới đây.
Đèn Natri áp suất thấp
Đèn hơi Natri áp suất thấp (LPS) (hình H. II.2.3) được sử dụng rộng rãi ở Châu Âu từ những năm 1940. Chiến dịch quảng cáo chủ yếu bắt đầu ở Mỹ từ những năm 1970, tuy vậy thị trường vẫn còn nhỏ bé.
Phần tử phát ánh sáng là ống phát hồ quang. Ống này có hình chữ U làm từ thủy tinh borát. Ống có những điểm lún để chứa và phân bố đều Natri dọc theo ống. Ống có chứa một lượng nhỏ khí argon và neon để khởi động đèn. Áp suất trong ống khoảng 103mm Hg, khoảng giữa ống phóng điện và ống phía ngoài là chân không. Ánh sáng được phát ra bởi điện tử tác động lên các nguyên tử Natri gây ra hồ quang. Nguyên tử Natri ở trạng thái kích thích khi chuyển về trạng thái cơ bản sẽ phát ra ánh sáng đơn sác màu vàng, trong đó 95% tại bước sóng 589nm còn lại 5% phát tại bước sóng 586nm.
NGUỒN SÁNG PHÓNG ĐIỆN TRONG KHÍ ÁP SUẤT CAO
Có ba loại đèn phóng điện trong khí áp suất cao, chúng thường có ký hiệu chung là HID. Những đèn HID là (1) đèn hơi thủy ngân, (2) đèn hơi kim loại Halide, và (3) đèn Natri áp suất cao.
Đèn hơi thủy ngân:
Phần tử phát ánh sáng cũng là ống phóng điện có chứa hai điện cực làm việc và một điện cực khởi động. Ống phóng điện được làm từ thạch anh cho phép tia tử ngoại đi qua (xem hình H.II.2.4). Chúng chứa thủy ngân và một lượng nhỏ argon, neon và krypton. Khi đèn nối vào nguồn điện hồ quang điện phóng giữa điện cực chính và điện cực khởi động. Khi các nguyên tử thủy ngân được ion hóa, điện trở trong ống phóng giảm. Khi điện trở trong ống phóng nhỏ hơn điện trở mạch ngoài thì hồ quang sẽ chuyển sang phát giữa hai điện cực chính. Nguyên tử thủy ngân tiếp tục iôn hóa làm tăng thông lượng ánh sáng phát ra. Ánh sáng phát ra chứa các vạch phổ đặc trưng của thủy ngân (tại các bước sóng 404.7 nm, 435.8 nm, 546.1 nm, and 577.9 nm) cùng với các tia cực tím. Các ống phóng điện có áp suất trong khoảng từ 1 đến 10 átmốtphe.
Đèn thủy ngân bóng trong suốt phát ánh sáng màu xanh – xanh lá cây. Để cải thiện chất lượng ánh sáng một lớp phosphor được tráng lên mặt trong của bóng ngoài. Phần tia cực tím do ống phóng điện phát ra sẽ kích thích bột phosphor tạo ra ánh sáng làm cải thiện chỉ số hoàn màu của đèn thủy ngân.
Đèn hơi kim loại Halide
Đèn halide (hình H. II.2.5) có kết cấu tương tự như đèn thủy ngân ở chỗ phần tử phát ánh sáng của chúng cũng là ống phóng điện cũng chứa hai điện cực làm việc và một điện cực khởi động. Ống phóng của chúng cũng có kết cấu tương tự như của đèn thủy ngân. Ngoài hơi thủy ngân, argon, neon và krypton, ống phóng điện của đèn halide còn chứa muối halôgen (muối iốt) của kim loại. Đầu tiên đây là muối iode của thủy ngân, natri và scandi, tiếp theo là muối iốt của thalli, indi, and cesi. Khi được hồ quang điện kích thích những muối này sẽ phát ra những vạch phổ khác với các vạch của thủy ngân, đó là các vạch màu đỏ, da cam và vàng. Do vậy ánh sáng của đèn halide trở nên trắng hơn. Do cải thiện được chất lượng của ánh sáng mà không cần tráng thêm lớp bột huỳnh quang đèn halide có thể dùng như nguồn sáng điểm dùng rộng rãi trong các ứng dụng phản xạ quang học. Đối với kiểu phóng điện nằm ngang hồ quang trong ống phóng điện trở nên đồng đều hơn.
Đèn thủy ngân và đèn halide (công suất 175 – 1500 watt) có điện cực đặt tại ở một đuôi của ống phóng điện để trợ giúp khở động đèn. Những đèn này yêu cầu thế mạch hở (OCV) gấp khoảng 2 lần so với thế hiệu làm việc để khởi động đèn.
Đèn Natri áp suất cao và đèn halide hiện đại không có điện cực khởi động. Để tạo thế hiệu khởi động gấp đôi thế hiệu làm việc những đèn này dùng bộ khởi động (tắc te) tạo ra xung điện thế cao giữa hai điện cực chính (về vật lý mà nói cao thế này cần thiết để “nhảy quãng” hoặc khởi động hồ quang giữa hai điểm, sau đó thế hiệu cần thiết duy trì hồ quang mới được thiết lập). Sau khi hồ quang đã được thiết lập, tắc te ngừng hoạt động và đèn phát đầy đủ thông lượng ánh sáng của mình sử dụng mối quan hệ giữa thế hiệu và công suất tạo bởi cuộn dây và lõi từ của chấn lưu.
Đèn Natri này sử dụng thế mạch hở gấp thế hiệu làm việc của đèn từ 3 đến 7 lần để khởi động đèn.
Đèn phóng điện có đặc trưng điện trở âm khiến nếu nối thẳng chúng với lưới điện thì dòng điện qua chúng tăng không ngừng. Chấn lưu (xem kỹ trong chương sau) chính là phần tử hạn chế dòng. Công suất của đèn có thể không thay đổi khi dùng với chấn lưu của cùng một loại đèn. Không thể dùng đèn khác loại với chấn lưu đã được thiết kế cho một loại đèn cho trước. Đối với các đèn halide trước đây có thể dùng chung với chấn lưu của đèn thủy ngân nhưng đối với đèn halide hiện giờ thì thường được khuyến cáo là không nên dùng. Xung cao thế phát từ tắc te của đèn halide hiện đại có thể gây hỏng (nổ) ống phóng điện của đèn. Trong một vài trường hợp khi làm việc với chấn lưu được thiết kế cho loại đèn khác hoặc công suất khác thì thời gian sống của đèn và của chấn lưu đều bị giảm. Kết quả thường thấy là ống phóng điện phồng ra và đen đi, ánh sáng phát ra bị suy giảm và có thể ống phóng điện và bóng đèn phía ngoài bị vỡ.
Tất cả các đèn HID trong đó có đèn LPS cần có vài phút để làm nóng đèn trước khi phát đủ thông lượng ánh sáng danh định. Một khi thông lượng đã phát đủ, nếu điện nguồn vào chấn lưư bị ngắt thì hồ quang bị ngắt. Lúc này đèn vẫn còn nóng và hồ quang không thể phát ngay lại được. Đèn cần phải nguội lại để giảm áp suất bên trong ống phóng điện về đến mức mà hồ quang có thể phát lại được. Thời gian nghỉ để phát lại phụ thuộc vào từng đèn và công suất của đèn. Bảng dưới đây liệt kê thời gian đốt nóng và thời gian nghỉ để phát lại của đèn HID và LPS. Công suất của đèn được lẩn vào trong khoảng thời gian tính theo phút. Công suất càng nhỏ hai đại lượng thời gian nói trên càng ngắn.
| Loại đèn | Thời gian đốt nóng (phút) | Thời gian nghỉ để phát lại (phút) |
|---|---|---|
| Thủy ngân | 5-7 | 3-6 |
| Halide | 3-4 | 10-20 |
| Natri áp suất cao | 3-4 | 1/2-1 |
| Natri áp suất thấp | 7-10 | 3-12 giây |
Đèn Natri áp suất cao (HPS)
Phần tử phát ánh sáng là ống phóng điện đường kính nhỏ chịu được nhiệt độ cao. Do đường kính của ống nhỏ nên chúng không có điện cực khởi động. Natri tại áp suất thấp và nhiệt độ cao sẽ ăn mòn thành ống nếu chúng được làm từ thủy tinh bình thường hoặc thạch anh. Ống phóng điện chứa xenon, hỗn hống thủy ngân và natri làm việc tại áp suất 200 mm thủy ngân.
Trong đèn HPS động năng trung bình của điện tử tự do (gọi là nhiệt độ của điện tử) thường lớn hơn một chút so với nhiệt độ của khí phóng điện. Có thể coi hai nhiệt độ này tương tự nhau và coi chung như nhiệt độ của phóng điện. Việc nhiệt độ của điện tử lớn hơn một chút để tạo ra hiệu ứng truyền tải năng lượng từ điện tử cho các nguyên tử khí.
Rất đúng nếu nghĩ rằng chất khí là vật bức xạ phát ra những vạch phổ đặc trưng. Thông thường độ dài phóng điện gấp khoảng 50 lần quãng đường tự do trung bình. Nói chung không có tương tác nhiệt, quang, cơ giữa hồ quang và ống phóng điện ngoại trừ phần cuối của hồ quang.
Để phát ánh sáng có hiệu suất, công suất vào phải lớn hơn lượng nhiệt truyền từ hồ quang cỡ khoảng 10 watts trên 1 cm độ dài vùng hồ quang. Vì vậy công suất vào của HPS thường khoảng 20 watts trên 1 cm độ dài vùng hồ quang. Điều kiện này phải được thoả mãn ngay cả khi áp suất nhỏ hơn 1 atm.
Ở áp suất thấp nhiệt độ điện tử và nhiệt độ khí của đèn rất khác nhau. Trong đèn áp suất thấp có môi trường khí là thủy ngân hoặc natri, hơi kim loại được trộn với khí trơ thường là neon hoặc argon. Áp suất hơi kim loại thường dưới 1/1000 atm hoặc nói cách khác là phần lẻ của mm thủy ngân. Hỗn hợp thường có 1% hoặc ít hơn như 0.1% hơi kim loại, 99 đến 99.9% khí trơ.
Xem thêm: Đèn Metal Halide, đèn Sodium và đèn LED có gì khác nhau không? Tôi có nên thay thế MH & HPS?
