Bài giảng Bài 5: Các loại đèn chiếu sáng

CHƯƠNG 5CÁC LOẠI ĐÈN GIA DỤNG VÀ TRANG TRÍ5-1. CÁC LOẠI ĐÈN CHIẾU SÁNG 5.1.1. Đèn sợi đốtĐèn sợi đốt dúng nguyên tắc đốt nóng dây dẫn để phát sáng. a) Cấu tạo (Hình 5-1) Đèn gồm:Dây tóc để nóng sáng, Các móc giữ bằng molipđen (râu đỡ), Giá đỡ dây tóc bằng thuỷ tinh, Dây dẫn, Đế đèn kiểu ren hoặc kiểu ngạnh, Sứ cách điện, Đầu tiếp xúc điện.a)Hình 5-1. Cấu tạo đèn sợi đốtDây tóc: được làm bằng wolfram, được giữ bởi các móc bằng molipđen cắm sâu vào phần đĩa thuỷ tinh của giá đỡ tóc. Hai đầu dây tóc được nối với hai điện cực (Cu hay Ni), hai đầu điện cực được gắn chặt ở phần dưới của giá đỡ tóc, phần nằm trong giá đỡ tóc làm bằng hợp kim có cùng hệ số giãn nở với hệ số giãn nở của thuỷ tinh. Thực hiện tiếp xúc với cực đế bên ngoài bằng cách hàn đồng hay thiếc. Dây wolfram có phẩm chất tốt hơn các loại dây đốt nóng khác (như cacbon, tantan...) vì điểm nóng chảy của dây đốt loại này cao (36500C) và sự bốc hơi của nó chậm (áp suất bốc hơi 5.10-6 mmHg ở 28000K) đồng thời sức bền cơ khí lớn.Bóng thuỷ tinh: dùng để bảo vệ dây tóc. Bên trong bóng thuỷ tinh là chân không (10-3 – 10-5 mmHg) hay đầy khí trơ.Đế đèn: làm nhiệm vụ đỡ các bộ phận của đèn và dùng để lắp với đui đèn. Đế đèn có hai kiểu: kiểu ngạnh trê và kiểu ren.Đuôi đèn: dùng để mắc đèn vào mạng điện. Đuôi đèn có hai điện cực để nối với mạch điện nguồn cung cấp. Đuôi đèn cũng có hai kiểu tương ứng với đế.Thông số cơ bản của đèn bao gồm: điện áp, công suất, quang thông, hiệu suất phát quang, tuổi thọ của đèn. Các đặc tính của đèn phụ thuộc rất nhiều vào điện áp đặt vào đèn. Khi điện áp đặt vào đèn tăng cao thì dòng điện, nhiệt độ, quang thông và hiệu suất của đèn đều tăng, nhưng dây tóc sẽ bốc hơi nhiều, tuổi thọ của đèn giảm. Khi điện áp giảm thì sẽ có hiện tượng ngược lại. Vì vậy để đảm bảo tuổi thọ đúng định mức, hiệu suất quang tốt, điện áp đặt vào hai cực của đèn chỉ được dao động trong phạm vi  2,5%. Các đèn nung sáng thông dụng được tính toán ở thời gian làm việc 1000 giờ (tuổi thọ trung bình). b) Nguyên lý làm việcKhi có dòng điện chạy qua đèn, do tác dụng nhiệt, sợi dây điện trở (dây tóc) bị nung nóng đến nhiệt độ nóng sáng (khoảng 26000C). Như vậy, đèn dây tóc làm việc dựa trên nguyên lí phát quang của một số vật liệu dẫn điện khi có dòng điện chạy qua. 5.1.2. Đèn huỳnh quang (còn gọi là đèn ống)Đèn huỳnh quang là những đèn ống làm việc dựa trên cơ sở sự phóng điện trong hơi thuỷ ngân áp suất thấp. Chúng biến đổi một phần của các tia bức xạ cực tím của quá trình phóng thành các tia nhận thấy được. Sự biến đổi này được thực hiện nhờ màn huỳnh quang ở trên các bờ bên trong ống.Ưu điểm: - Hiệu suất ánh sáng lớn; - Tuổi thọ cao; - Diện tích phát quang lớn; - Khi điện áp thay đổi trong phạm vi cho phép, quang thông giảm ít (1%).Nhược điểm: - Chế tạo phức tạp, giá thành cao, cos thấp. - Quang thông phụ thuộc vào nhiệt độ, phạm vi phục vụ cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ thấp thì stăcte làm việc khó khăn. - Khi đóng điện đèn không thể sáng ngay Hình 5-2. Cấu tạo của đèn huỳnh quang a) Cấu tạo của bóng đèn huỳnh quang (hình 5-2).Đèn huỳnh quang nhìn chung có ba phần, đó là: - Các điện cực, - Ống thuỷ tinh hàn kín hai đầu, mặt trong ống phủ một lớp mỏng chất đặc biệt (chất phát quang), hơi được nạp đầy ống. Chất phát quang có khả năng tự phát sáng khi có bức xạ cực tím chiếu vào nó. - Các trang bị phụ. Hình 5-2. Cấu tạo của đèn huỳnh quang + Các điện cực: Các điện cực của đèn giống nhau ở cả hai đầu. Theo nhiệt độ làm việc của điện cực thì các đèn huỳnh quang có thể các đèn với các điện cực lạnh (catốt lạnh) hay với các điện cực nóng (catốt nóng). Nhiệt độ của chế độ catốt lạnh là 1500 – 2000C, còn của chế độ catốt nóng là 9000 – 9500C. + Bóng thuỷ tinh: Trong ống thuỷ tính của đèn huỳnh quang người ta hút hết không khí ra và nạp váo đó khí argon thuần khiết (khí trơ) ở áp suất 3 ÷ 4 mmHg và một vài mg (miligam) thuỷ ngân. Argon trong đèn đóng vai trò tạo điều kiện dễ dàng cho mồi phóng điện. Khi đốt nóng, thuỷ ngân bốc hơi, áp suất của hơi thuỷ ngân trong đèn phụ thuộc vào nhiệt độ của đèn, nhiệt độ này được xác định bởi công suất của đèn và tổn thất nhiệt (diện tích đèn, nhiệt độ môi trường xung quanh). Sự phóng điện trong hơi thuỷ ngân có áp suất thấp là một nguồn bức xạ tia cực tím. Những tia cực tím này sau đó chuyển thành ánh sáng của màn huỳnh quang.Màu của đèn huỳnh quang được tạo nên bằng cách, người ta cho vào trong đèn một trong những chất biến sáng. Ví dụ, Silicátkẽm (ZnSiO3) cho màu xanh lá cây, Silicát cadmi (CdSiO3) cho màu vàng hồng, Borat cdmi (CdB2O4) cho màu hồng, Wolframat calci (CaWO4) cho màu xanh da trời... + Các trang bị phụ của đèn huỳnh quang:- Stăc-te: Stăc-te: nhiệm vụ để bật mồi đèn sáng với catốt nóng (hâm nóng trước) và ngắt dòng điện đốt nóng ngay khi đèn đã được cháy sáng.Stắc-te được tạo thành từ một ống thuỷ tinh nhỏ, bên trong đầy argon hay neon, có hai điện cực 1 và 2 được cấu tạo từ thanh lưỡng kim mỏng uốn cong hình chữ U (hình 5-4a). Tụ điện (có trị số khoảng 0,005 F) hấp thụ nhiễu vô tuyến phát sinh do sự phóng điện trong đèn và do tia lửa trong stắc-te. - Chấn lưu: chấn lưu là cuộn cảm (cuộn kháng) gồm dây quấn trên lõi thép có điện cảm lớn. Nhiệm vụ của chấn lưu: để tạo ra điện áp đỉnh (1000 ÷ 2000V) đủ để thiết lập sự phóng điện trong đèn như đã nêu ở trên. Chấn lưu thông thường có hai đầu ra, nhưng cũng có loại có 3 hoặc 4 đầu ra.Hiện nay, người ta đã chế tạo ra chấn lưu điện tử để thay thế cho chấn lưu lõi thép ở trên. Chấn lưu điện tử có ưu điểm là gọn nhẹ, tiêu thụ ít điện năng, thời gian tác động nhanh, loại trừ được hiệu ứng nhấp nháy.- Các phụ kiện khác: đui đèn, chao đèn, máng đèn, kính tản xạ ánh sáng...123a)b)Hình 5-4. Cấu tạo của Stăc-te b) Nguyên lý làm việc của đèn huỳnh quangKhi đóng điện áp cho đèn, giữa các điện cực của stắcte xuất hiện sự phóng điện âm ỉ và khép kín mạch dòng điện qua các điện cực của đèn. Điện cực lưỡng kim của stắcte bị đốt nóng. Khi bị đốt nóng, điện cực lưỡng kim của stắcte dãn nở và khép kín mạch điện, khi ấy dòng điện tăng (đến 0,5A với đèn 40W) và các điện cực của đèn huỳnh quang được đốt nóng, đồng thời các điện cực của stắcte nguội đi và mở mạch dòng điện. Khi đứt mạch tức thời, chấn lưu sinh ra một sức điện động ngược và cho một xung điện áp cao (1000 ÷ 2000V) gây nên sự mồi đèn.Đầu tiên là sự phóng điện trong môi trường acgon chứa ở trong đèn, sau đó phóng điện trong hơi thuỷ ngân tạo thành bức xạ tia cực tím. Sau khi đèn đã được mồi, trong mạch đèn có dòng điện làm việc (khoảng 0,3 - 0,4 A với đèn 40W), điện áp trên đèn chỉ vào khoảng một nửa điện áp lưới (khoảng 80-90V), nửa còn lại rơi trên chấn lưu. Điện áp trên các cực của stắcte cũng chỉ còn một nửa điện áp lưới nên nó không đủ để sinh ra phóng điện âm ỉ lặp lại. Hình 5-5. Mạch điện của đèn huỳnh quang dùng stắcteChấn lưuĐènStắcte 5.1.3. Những bóng đèn có áp suất lớna) Đèn thuỷ ngân có áp suất cao và rất caoCấu tạo của đèn thuỷ ngân áp suất cao như ở hình 5-6. Cả hai điện cực được lắp trong ống thuỷ tinh với điểm nóng chảy cao để cho nhiệt độ ở trong đèn sẽ nâng cao hơn 5000C. Sự bật sáng của đèn này thực hiện nhờ một điện cực phụ đặt gần một trong các điện cực chính và được liên hệ với một điện cực chính khác thông qua một điện trở khoảng vài nghìn ôm.Ống phóng điện được đặt trong một ống hay bầu thuỷ tinh thứ hai với mục đích làm đồng đều tổn thất nhiệt.Những đèn loại này có nhược điểm là chỉ có thể bật sáng trở lại sau khi đã nguội hoàn toàn (5-6 phút). Hiệu quả ánh sáng của đèn từ 30 ÷ 40 lm/W. Độ chói của ống phóng của đèn từ 200 - 600 sb.Chấn lưuTụ bù Điện áp vào 220VAC Điện trở phụ Điện cực chính Ống thạch anh Giọt thủy ngân Điện cực 2 Điện cực phụHình 5-6. Cấu tạo đèn thuỷ ngân cao áp có chấn lưu b) Đèn hơi natri có áp suất caoỞ nhiệt độ trên 10000, có áp suất cao thì natri phát ra các vạch khác trong phổ nhìn thấy và do đó cho ánh sáng hơn màu sắc “nóng” hay còn gọi là màu ắc ấm áp, nhiệt độ màu từ 2000 đến 25000K Ống phóng điện có kích thước giảm tương đối nhiều để duy trì nhiệt độ và áp suất. Đèn được làm bằng thuỷ tinh alumin vì thạch anh bị ăn mòn bởi Na. Ống đặt trong bóng hình quả trứng hay hình ống có đui xoáy (hình 5-7). Các đặc tính của đèn: Hiệu quả ánh sáng có thể đạt 120 lm/W; Chỉ số màu xấu (Ra ≈ 20); Tuổi thọ theo lý thuyết là 10.000 giờ.Đèn được dùng chủ yếu để chiếu sáng ngoài trời, trong các vùng dân cư như đường xá, bến đậu xe, bến đậu tầu và một số công trình thể thao.123456Hình 5-7. Đèn natri cao áp1- Giá đỡ giữ đèn ống; 2- Dây dẫn điện vào; 3- Vỏ thuỷ tinh bền; 4- Ống phóng điện ôxt nhôm để có hiệu suất cao; 5- Giá đỡ đưa dòng điện vào; 6- đui xoáy. c) Đèn halogen kim loại Trong hỗn hợp hơi thuỷ ngân và halogen áp suất cao như iođua-natri hoặc tati thì sự phóng điện cho ta một màu trắng từ 4000 – 60000K. Các đặc tính của đèn như sau: - Hiệu quả ánh sáng có thể đạt 95 lm/W; - Tuổi thọ trung bình là 4000 giờ; - Chỉ số màu chấp nhận được, khoảng 60-90. Cỡ công suất: từ 250 - 2000W, đèn halogen kim loại được sử dụng để chiếu sáng diện tích lớn với yêu cầu cao trong việc thể hiện màu sắc như chiếu sáng sân thể thao khi cần truyền hình màu. Nhược điểm của loại đèn này là giá thành cao và trong quá trình sử dụng bị giảm nhiệt độ màu. Thông thường dùng từ 500 đến 1000 giờ thì nên thay đèn để giữ vững chất lượng màu trong việc truyền hình. Hình 5-8 là hình dạng và cấu tạo của một loại đèn halogen kim loại cao áp.Hình 5-8. Hình dạng và cấu tạo của một số đèn halogen 5.1.4. Một số loại đèn kháca) Đèn phát quang có điện cực lạnh + Cấu tạo: gồm một ống thuỷ tinh dài, hình dáng ống có thể uốn cong nhiều dạng, đường kính ống khoảng từ 10 đến 45mm, hai đầu ống đèn có hai điện cực bằng kền-crôm hay bằng đồng, sắt. Bên trong ống được hút chân không và thay vào đó các chất khí tuỳ theo màu sắc phát ra của ánh sáng, như: khí neon cho ánh sáng màu đỏ-cam; khí azote cho ánh sáng màu vàng-cam; khí helium cho ánh sáng màu hồng tươi...+ Nguyên lý làm việc:Đèn phát quang loại này làm việc dựa trên sự phóng điện giữa hai điện cực dưới điện áp cao (10.000V hoặc hơn nữa).Khi đóng điện, dưới tác dụng của điện cao thế, chất khí chứa trong đèn bị ion hoá tạo ra dòng điện phóng giữa hai điện cực. Sự phóng điện kéo theo bức xạ và phát ra ánh sáng. Dòng điện trong ống đèn được giữ ổn định nhờ cuộn kháng mắc nối tiếp trong mạch (hình 5 - 9) nên giữ vững nguồn sáng liên tục. Ánh sáng của đèn phát ra kèm ít nhiệt nên bản chất là ánh sáng lạnh. Nhiệt độ của ống đèn bình thường khoảng 350C. Tuổi thọ của đèn khoảng 2000 giờ.Máy biến thếCuộn kháng6 m ống đènHình 5-9. Mạch đèn neon điện cực lạnh b) Bóng neonBóng neon là một dạng bóng đèn phát quang dùng để làm đèn báo hoặc phổ biến hiện nay là làm nhang điện, nến điện... Cấu tạo của bóng neon này gồm một bóng thuỷ tinh bên trong có hai điện cực đặt kế cận, không có tim đèn, trong bóng chứa neon. Do khoảng cách giữa hai điện cực rất gần nên khi đặt điện áp thấp khoảng 110V hoặc 220V cũng đủ sức phóng điện làm khí neon bức xạ phát sáng màu vàng cam. Để ổn định dòng điện qua đèn neon, cần phải mắc nối tiếp với bóng một điện trở có trị số khoảng 1500 ôm c) Đèn hồng ngoại Đèn dây tóc khi làm việc ở nhiệt độ thấp, dây tóc bị nung đỏ sẽ sản sinh ra nhiều tia hồng ngoại. Dựa trên nguyên lí đó, đèn hồng ngoại được được cấu tạo giống như đèn dây tóc, dây tóc làm bằng tungstene làm việc ở nhiệt độ khoảng 2000 đến 25000C. Phía ngoài bóng được phủ một lớp kim loại có công dụng như choá bóng để phản chiếu tia sáng hội tụ về một hướng nhất định.Do đèn làm việc với nhiệt độ thấp nên tuổi thọ của đèn cao hơn loại đèn thường và được sản xuất với công suất 250 W, sử dụng điện áp 110/220V.Đèn hồng ngoại được ứng dụng để sấy khô nhanh các loại sơn có gốc pha xăng, aceton, sấy khô các dạng vecni tẩm máy điện, động cơ điện, sấy khô cá, thịt...Hình 5-10. Bóng đèn neonRKhí neon220VĐiện cựcBóng thuỷ tinh Các loại đèn chiếu sáng áp suất cao