Đèn Huỳnh Quang Và Những Thông Tin Thú Vị Bạn Cần Biết

0
379

Ngày nay, đèn huỳnh quang là một loại đèn vô cùng phổ biến được mọi người sử dụng rộng rãi bởi những đặc điểm và tính năng vượt trội của chúng. Nhưng không mấy ai hiểu đúng về kỹ về các loại đèn này để có thể tận dụng hết những công dụng của chúng.

1. Đôi nét về đèn huỳnh quang

Đôi nét về đèn huỳnh quang

Đèn huỳnh quang hay còn gọi là đèn ống huỳnh quang, là loại đèn phóng điện hơi thủy ngân áp suất thấp sử dụng huỳnh quang để tạo ra ánh sáng nhìn thấy được. Dòng điện trong chất khí kích thích hơi thủy ngân, tạo ra ánh sáng cực tím sóng ngắn, sau đó làm cho một lớp phủ phosphor ở bên trong đèn phát sáng. 

Đèn huỳnh quang chuyển đổi năng lượng điện thành ánh sáng hữu ích hiệu quả hơn nhiều so với đèn sợi đốt. Hiệu suất phát sáng điển hình của hệ thống chiếu sáng huỳnh quang là 50–100 lumen mỗi watt, gấp nhiều lần hiệu quả của bóng đèn sợi đốt có công suất ánh sáng tương đương.

Đèn huỳnh quang đắt hơn đèn sợi đốt vì chúng yêu cầu chấn lưu để điều chỉnh dòng điện qua đèn, nhưng chi phí năng lượng thấp hơn thường bù lại chi phí ban đầu cao hơn. Đèn huỳnh quang compact hiện nay có kích thước phổ biến tương tự như đèn sợi đốt và được sử dụng như một giải pháp thay thế tiết kiệm năng lượng trong gia đình.

Bởi vì chúng chứa thủy ngân, nhiều đèn huỳnh quang được xếp vào loại chất thải nguy hại. Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ khuyến nghị rằng đèn huỳnh quang được tách biệt khỏi chất thải thông thường để tái chế hoặc xử lý an toàn và một số khu vực pháp lý yêu cầu tái chế chúng

2. Nguyên lý hoạt động

Cơ chế cơ bản để chuyển đổi năng lượng điện thành ánh sáng là phát xạ một photon khi một điện tử trong nguyên tử thủy ngân rơi từ trạng thái kích thích xuống mức năng lượng thấp hơn. Các electron chạy trong hồ quang va chạm với các nguyên tử thủy ngân. Nếu electron tới có đủ động năng, nó sẽ truyền năng lượng cho electron ngoài cùng của nguyên tử, làm cho electron đó tạm thời nhảy lên mức năng lượng cao hơn mà nó không bền. 

Nguyên tử sẽ phát ra một photon tử ngoại khi điện tử của nguyên tử chuyển về mức năng lượng thấp hơn, ổn định hơn. Hầu hết các photon được giải phóng từ các nguyên tử thủy ngân có bước sóng trong vùng tử ngoại (UV) của quang phổ, chủ yếu ở bước sóng 253,7 và 185 nanomet (nm). 

Chúng không thể nhìn thấy bằng mắt người, vì vậy năng lượng tia cực tím được chuyển đổi thành ánh sáng nhìn thấy bởi huỳnh quang của lớp phủ phosphor bên trong. Sự khác biệt về năng lượng giữa photon tia cực tím bị hấp thụ và photon ánh sáng nhìn thấy được phát ra sẽ làm nóng lớp phủ phosphor.

Dòng điện chạy qua ống phóng điện hồ quang áp suất thấp. Các điện tử va chạm và ion hóa các nguyên tử khí cao quý bên trong bóng đèn bao quanh dây tóc để tạo thành plasma bằng quá trình ion hóa va chạm. Kết quả của quá trình ion hóa tuyết lở, độ dẫn của khí bị ion hóa tăng lên nhanh chóng, cho phép dòng điện cao hơn chạy qua đèn.

Khí nạp giúp xác định các đặc tính điện của đèn huỳnh quang , nhưng không tự phát ra ánh sáng. Khí điền đầy làm tăng khoảng cách mà các điện tử di chuyển qua ống một cách hiệu quả, cho phép một điện tử có cơ hội tương tác với nguyên tử thủy ngân nhiều hơn.

 Ngoài ra, các nguyên tử argon, được kích thích đến trạng thái siêu bền do tác động của một electron, có thể truyền năng lượng cho một nguyên tử thủy ngân và ion hóa nó, được mô tả là hiệu ứng Penning. Điều này làm giảm sự cố và điện áp hoạt động của đèn, so với các loại khí điền đầy có thể có khác như krypton

3. Cấu trúc đèn huỳnh quang

Cấu trúc của đèn

Một ống đèn huỳnh quang chứa đầy hỗn hợp hơi argon, xenon, neon hoặc krypton và thủy ngân. Áp suất bên trong đèn khoảng 0,3% áp suất khí quyển. Riêng áp suất và riêng phần của hơi thủy ngân là khoảng 0,8 Pa (8 phần triệu áp suất khí quyển), trong đèn T12 40 watt. 

Bề mặt bên trong của đèn được phủ một lớp phủ huỳnh quang được làm từ các hỗn hợp muối photpho kim loại và đất hiếm khác nhau. Các điện cực của đèn thường được làm bằng vonfram cuộn và được phủ bằng hỗn hợp oxit bari, stronti và canxi để cải thiện sự phát xạ nhiệt.

Ống đèn huỳnh quang thường thẳng và có chiều dài từ khoảng 100 milimét (3,9 in) đối với đèn thu nhỏ, đến 2,43 mét (8,0 ft) đối với đèn công suất cao. Một số loại đèn có ống được uốn cong thành hình tròn, được sử dụng cho đèn bàn hoặc những nơi khác muốn có nguồn sáng nhỏ gọn hơn. 

Đèn hình chữ U lớn hơn được sử dụng để cung cấp cùng một lượng ánh sáng trong một khu vực nhỏ gọn hơn và được sử dụng cho các mục đích kiến ​​trúc đặc biệt. Đèn huỳnh quang compact có một số ống đường kính nhỏ được ghép thành một bó gồm hai, bốn hoặc sáu, hoặc một ống có đường kính nhỏ được cuộn lại thành một vòng xoắn, để cung cấp lượng ánh sáng phát ra cao với khối lượng nhỏ.

Phốt pho phát sáng được phủ như một lớp sơn phủ bên trong ống. Các dung môi hữu cơ được phép bay hơi, sau đó ống được nung nóng đến gần điểm nóng chảy của thủy tinh để loại bỏ các hợp chất hữu cơ còn lại và nung chảy lớp phủ vào ống đèn. 

Cần kiểm soát cẩn thận kích thước hạt của các phốt pho lơ lửng; các hạt lớn dẫn đến lớp phủ yếu, và các hạt nhỏ dẫn đến hiệu quả và khả năng duy trì ánh sáng kém. Hầu hết các phốt pho hoạt động tốt nhất với kích thước hạt khoảng 10 micromet. 

Lớp phủ phải đủ dày để thu được tất cả ánh sáng cực tím do hồ quang thủy ngân tạo ra, nhưng không dày đến mức lớp phủ phosphor hấp thụ quá nhiều ánh sáng nhìn thấy. Các phốt pho đầu tiên là phiên bản tổng hợp của các khoáng chất huỳnh quang tự nhiên, với một lượng nhỏ kim loại được thêm vào làm chất hoạt hóa. Sau đó, các hợp chất khác được phát hiện, cho phép tạo ra các màu sắc khác nhau của đèn.

4. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Hiệu suất của đèn huỳnh quang bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi nhiệt độ của thành bóng đèn và ảnh hưởng của nó đối với áp suất riêng phần của hơi thủy ngân trong bóng đèn. Vì thủy ngân ngưng tụ ở điểm mát nhất trong đèn, nên cần có thiết kế cẩn thận để duy trì điểm đó ở nhiệt độ tối ưu, khoảng 40 ° C (104 ° F).

Sử dụng hỗn hống với một số kim loại khác làm giảm áp suất hơi và mở rộng phạm vi nhiệt độ tối ưu lên trên; tuy nhiên, nhiệt độ “điểm lạnh” trên tường bóng đèn vẫn phải được kiểm soát để tránh ngưng tụ. 

Đèn huỳnh quang công suất cao có các tính năng như ống biến dạng hoặc các tấm tản nhiệt bên trong để kiểm soát nhiệt độ điểm lạnh và sự phân bố thủy ngân. Các đèn nhỏ chịu tải nặng, chẳng hạn như đèn huỳnh quang compact, cũng bao gồm các khu vực tản nhiệt trong ống để duy trì áp suất hơi thủy ngân ở giá trị tối ưu

5. Tuổi thọ của bóng đèn huỳnh quang 

Tuổi thọ của đèn

Tuổi thọ của bóng đèn huỳnh quang chủ yếu bị giới hạn bởi tuổi thọ của các điện cực catốt. Để duy trì mức dòng điện thích hợp, các điện cực được phủ một hỗn hợp phát xạ của các oxit kim loại. Mỗi khi đèn được khởi động và trong quá trình hoạt động, một lượng nhỏ lớp phủ catốt bị văng ra khỏi các điện cực do tác động của các điện tử và các ion nặng trong ống. Vật liệu rơi vãi đọng lại trên thành ống, làm nó tối dần. Phương pháp bắt đầu và tần số ảnh hưởng đến phún xạ catốt. Dây tóc cũng có thể bị đứt, làm tắt đèn.

Các thiết kế đèn có hàm lượng thủy ngân thấp có thể không thành công khi thủy ngân bị hấp thụ bởi ống thủy tinh, phosphor và các thành phần bên trong, và không còn khả năng hóa hơi trong khí nạp. Việc mất thủy ngân ban đầu gây ra thời gian hoạt động kéo dài đến mức phát sáng đầy đủ, và cuối cùng làm cho đèn phát sáng màu hồng mờ khi khí argon tiếp nhận làm phóng điện chính. 

Đặt ống vào dòng điện không đối xứng, vận hành hiệu quả dưới phân cực DC và gây ra sự phân bố không đối xứng của các ion thủy ngân dọc theo ống. Sự suy giảm cục bộ của áp suất hơi thủy ngân biểu hiện như sự phát quang màu hồng của khí cơ bản ở vùng lân cận của một trong các điện cực và tuổi thọ hoạt động của bóng đèn có thể bị rút ngắn đáng kể. Đây có thể là vấn đề với một số biến tần được thiết kế kém. 

Các phốt pho bên trong bóng đèn cũng suy giảm theo thời gian, cho đến khi đèn không còn tạo ra một phần ánh sáng ban đầu có thể chấp nhận được.

Hỏng chấn lưu điện tử tích hợp của bóng đèn huỳnh quang compact cũng sẽ làm mất tuổi thọ sử dụng của nó.

6. So sánh với đèn sợi đốt

6.1 Hiệu quả chiếu sáng

Đèn huỳnh quang chuyển đổi nhiều năng lượng đầu vào thành ánh sáng nhìn thấy hơn so với đèn sợi đốt. Một bóng đèn sợi đốt dây tóc vonfram 100 watt điển hình có thể chỉ chuyển đổi 5% công suất đầu vào thành ánh sáng trắng nhìn thấy được (bước sóng 400–700 nm), trong khi đèn huỳnh quang điển hình chuyển đổi khoảng 22% công suất đầu vào thành ánh sáng trắng nhìn thấy được. 

Hiệu quả của các ống huỳnh quang nằm trong khoảng từ 16 lumen / watt đối với ống 4 watt có chấn lưu thông thường đến hơn 100 lumen / watt  với chấn lưu điện tử hiện đại, thường đạt trung bình từ 50 đến 67 lm / W.  Tổn thất chấn lưu có thể là khoảng 25% công suất đèn với chấn lưu từ tính và khoảng 10% với chấn lưu điện tử.

Hiệu quả của đèn huỳnh quang phụ thuộc vào nhiệt độ đèn ở phần lạnh nhất của đèn. Trong đèn T8, đây là trung tâm của ống. Ở đèn T5, phần này ở cuối ống với dòng chữ được đóng dấu trên đó. Nhiệt độ lý tưởng cho đèn T8 là 25 ° C (77 ° F) trong khi đèn T5 lý tưởng là 35 ° C (95 ° F).

6.2 Tuổi thọ

Thông thường, một bóng đèn huỳnh quang sẽ có tuổi thọ cao gấp 10 đến 20 lần so với một bóng đèn sợi đốt tương đương khi hoạt động vài giờ một lần. Trong điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn, bóng đèn huỳnh quang có tuổi thọ từ 6.000 đến 80.000 giờ (2 đến 27 năm với 8 giờ mỗi ngày). 

Chi phí ban đầu cao hơn của đèn huỳnh quang so với đèn sợi đốt thường được bù đắp bằng mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn trong suốt thời gian sử dụng. 

6.3 Độ sáng

So với đèn sợi đốt, đèn ống huỳnh quang là nguồn sáng có tính khuếch tán và vật lý lớn hơn. Trong các loại đèn được thiết kế phù hợp, ánh sáng có thể được phân bổ đều hơn mà không có nguồn chói sáng như được nhìn thấy từ dây tóc sợi đốt không sử dụng; đèn lớn so với khoảng cách điển hình giữa đèn và bề mặt được chiếu sáng.

6.4 Hạ nhiệt

Đèn huỳnh quang tỏa ra nhiệt lượng bằng 1/5 so với đèn sợi đốt tương đương. Điều này làm giảm đáng kể kích thước, chi phí và tiêu thụ năng lượng dành cho điều hòa không khí cho các tòa nhà văn phòng thường có nhiều đèn và ít cửa sổ.

Mong rằng bài viết về đèn huỳnh quang sẽ cung cấp cho bạn nhiều thông tin bổ ích giúp bạn hiểu thêm về đèn và ứng dụng chúng một cách phù hợp.

BÌNH LUẬN

Vui lòng nhập bình luận của bạn
Vui lòng nhập tên của bạn ở đây