Thiết kế chiếu sáng cho phân xưởng cơ khí ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Phần 1. Khái quát chung về đèn phóng điện cường độ cao 1.1 Giới thiệu chung: Còn gọi là đèn cao áp Xenon( đèn HID) khác với đèn phóng điện huỳnh quang ở chỗ loại bóng này phóng điện trong môi trường áp suất cao ( trừ đèn sodium thấp áp). Trong vài chục năm trở lại đây, loại bóng đèn cao áp Xenon (tên không phổ biến là bóng cao áp HID) được các nhà chế tạo cho ra đời tiếp tục mang đến một cuộc cách mạng về công nghệ chế tạo đèn xe ô tô trên thế giới. Bóng đèn Xenon này được các nhà sản xuất đánh giá là có công suất chiếu sáng cao hơn đến 60% so với đèn halogen trước đó và năng lượng sử dụng lại ít hơn nhiều do không tốn điện năng để đốt nóng sợi dây tóc.

BÀI TIỀU LUẬN:

TÌM HIỂU VỀ ĐÈN PHÓNG ĐIỆN CƯỜNG

ĐỘ CAO (HID)

Giáo viên hướng dẫn:

Sùng A Nguyên Trương Thanh Long

Mục lục

Phần 1 Khái quát chung về đèn phóng điện

cường độ cao

1.1 Giới thiệu chung:

Còn gọi là đèn cao áp Xenon( đèn HID) khác với đèn phóng điện huỳnh quang ở chỗ loại bóng này phóng điện trong môi trường áp suất cao ( trừ đèn sodium thấp áp)

Trong vài chục năm trở lại đây, loại bóng đèn cao áp Xenon (tên không phổ biến là bóng cao áp HID) được các nhà chế tạo cho ra đời tiếp tục mang đến một cuộc cách mạng về công nghệ chế tạo đèn xe

ô tô trên thế giới Bóng đèn Xenon này được các nhà sản xuất đánh giá là có công suất chiếu sáng cao hơn đến 60% so với đèn halogen trước đó và năng lượng sử dụng lại ít hơn nhiều do không tốn điện năng để đốt nóng sợi dây tóc

Hình 1 Đèn pha bi -Xenon được trang bị cho những xe cao cấp

1.2 Cấu tạo cơ bản:

Gồm ống phóng điện hồ quang nhỏ hình trụ được chế tạo bởi chất trong suốt hoặc mờ có khả năng chịu nhiệt cao(thạch anh hoặc gốm sứ) Trong ống, người ta bơm vào hơi thủy ngân, muối kim loại, hay các chất khí khác để tạo ra hiện tượng phóng điện hồ quang trong chất khí

Nguyên lí hoạt động gồm 3 bước:

+ Bước 1: Phóng điện hồ quang

Hình 2 Đèn phóng điện hồ quang

Đặt điện áp đủ lớn lên hai điện cực trong ống Giữa hai điện cực xảy ra quá trình phóng điện

+ Bước 2: Bức xạ nhiệt

Do hiện tượng phóng điện hồ quang, các hạt điện tử sẽ va vào các nguyên tử ion trong ống phóng điện làm thay đổi động năng của các nguyên tử, phân tử này gây đến tăng tốc các điện tích và gây dao động lưỡng cực từ đó sản sinh ra bức xạ nhiệt Độ rộng phổ của bức

xạ tương ứng độ rộng phổ của năng lượng và ở một nhiệt độ nhất định

+ Bước 3: Bức xạ huỳnh quang

Các phân tử khí ion trong ống điện hấp thụ năng lượng chuyển lên mức năng lượng cao hơn (trạng thái kích thích), đây là một mức năng lượng không bền, do đó sẽ nó sẽ bức xạ năng lượng dưới dạng photon để về mức thấp hơn Các photon này va vào thành ống phóng điện phát ra dải ánh sáng

Nhận xét

Ưu điểm:

 Hiệu suất phát quang và độ bền cơ học cao

 Đa dạng về hình dáng, kích thước và gam màu sang

 Một số đèn có CRI tương đối cao như Metal-Halide(60-90)

và Sodium cao áp(70)

Nhược điểm:

 Đòi hỏi thiết bị đi kèm, chi phí đầu tư ban đầu lớn

 Tạo ra hiệu ứng nhấp nháy gây mỏi mắt tương tự như đèn phóng điện huỳnh quang

 Thời gian khởi động lâu do phải đốt nóng điện cực; sau khi tắt cũng gần thời gian để khởi động lại

 Quang thông giảm nhiều nếu điện áp đặt vào đèn giảm

 Khi đèn đang làm việc, hiện tượng phóng điện hồ quang đang diễn ra nếu như có sự cố đều có thể gây nổ ống phóng

điện tạo ra các mảnh vỡ nhỏ với nhiệt độ có thể gây nguy hiểm cho người và thiết bị

Phần 2 Một số loại đèn phóng điện cường độ

cao

2.1 Đèn thủy ngân cao áp HPM

Đây là thế hệ đầu đèn phóng điện cường độ cao Do Peter

Cooper Hewitt chế tạo năm 1901

a Cấu tạo

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 Chúng chứa thủy ngân và một lượng nhỏ argon, neon và krypton

Phân bố phổ của đèn thủy ngân

b Nguyên lý làm việc:

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

Đặc trưng chính:

P = 50 - 1000 W,

CT = 3900 - 4300 K,

CRI = 33 – 50,

Tuổi thọ trung bình

10000 - 24000

giờ.

Hình 3 Phân bố phổ của đèn thủy ngân

c Ứng dụng

Ứng dụng rộng rãi để chiếu sáng những nơi có không gian rộng như chiếu sáng đường phố, công xưởng, sân vận động…

Ưu điểm : Tuổi thọ cao,bền chắc,ít bị tác động từ môi trường Nhược điểm: Không giống như các loại pha trộn, đèn thủy ngân cao áp tiêu chuẩn không có điện cực khởi động Do chúng có hiệu suất thấp, CRI thấp và ảnh hưởng không tốt lên môi trường do chứa thủy ngân nên loại đèn này hiện đã trở nên lỗi thời

2.2 Đèn Metal Halide (MH)

a Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Đèn halide 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

Phân bố phổ của đèn MH tiêu chuẩn Phân bố phổ của đèn MH cải thiện màu.

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

b Đặc trưng chủ yếu của nguồn sáng

P = 35 - 3500 W,

CT = 2900 - 6000 K,

CRI = 60 – 93,

Hiệu suất = 65 - 120

lm/W (tiêu biểu là 70),

Tuổi thọ trung bình

khoảng 3000 - 20000

giờ.

c Nhận xét

Đây là loại đèn phóng điện mà phần lớn ánh sáng được phát bởi hỗn hợp hơi thủy ngân và các sản phẩm phân ly của muối kim loại nhóm halogen (halide) So với đèn thủy ngân cao áp, đèn halide có hiệu suất cao hơn nhiều

So với đèn Natri cao áp đèn halide có cùng nhiều ưu điểm nhưng

có các đặc trưng khác nhau Hiệu suất của MH tương đương của đèn HPS, chúng có công suất trong khoảng rộng từ 50 đến 2000 W MH

có ánh sáng trắng và lạnh hơn đèn HPS và có tính hoàn màu tốt hơn HPS và do đó được dùng ở những chỗ đòi hỏi hiệu suất và tính chất hoàn màu của đèn Tuy nhiên với thời gian ánh sáng của MH cũng thay đổi Những nhược điểm của MH so với HPS là chúng có thời gian sống ngắn hơn để trả giá lại cho việc có tính hoàn màu tốt hơn

Phân bố của đèn MH cải thiện màu

Phân bố của đèn MH tiêu chuẩn

Phân bố phổ của đèn LPS

2.3 Đèn sodium thấp áp LPS

a Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Bên trong ống phóng điện có hơi natri với áp suất thấp (khoảng 3-10 mmHg) Dòng điện được cung cấp thông qua các điện cực thermionic ở hai đầu Ống phóng yêu cầu cách nhiệt để đảm bảo hiệu quả đèn cao, điều này được thực hiện bằng cách lắp nó bên trong một bóng đèn, ở giữa là lớp chân không do đó có thể giảm thiểu dẫn nhiệt

và đối lưu nhiệt Trong các loại đèn hiện đại hơn được phủ trên bề mặt bên trong của lớp indium phản chiếu tia hồng ngoại để giảm thiểu tổn thất nhiệt bức xạ

Đây là một trong các đèn phóng

điện Áng sáng phát ra do bức xạ của

hơi natri LPS là loại đèn hiệu suất cao

nhất hiện nay có giá trị đến 200 lm/W

Bởi vì ánh sáng của đèn là màu vàng

đơn sắc nên chỉ dùng chúng ở

những chỗ không cần đến sự phân biệt

màu sắc

13

b Những đặc trưng chính: Hiệu suất = 100 - 200 lm/W,

P = 18 - 185 W, Tuổi thọ trung bình là 12000 - 24000 giờ

c.Ứng dụng:

- Là nguồn ánh sáng phù hợp nhất cho chiếu sáng đường, đặc biệt trong đường hầm

- Đèn phòng chụp ảnh, xử lý ảnh

 Ưu điểm:

- Ánh sáng phát ra rất nhạy cảm với mắt người

- Không chứa thủy ngân, có thể xử lý như không gây hại môi trường

- Quang thông của đèn gần như không thay đổi trong thời gian hoạt động

- Có thể khởi động lại ngay khi có điện

 Nhược điểm:

- Chỉ số hoàn màu thấp

- Tuổi thọ thấp

2.4 Đèn sodium cao áp HPS

a Cấu tạo

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

b Nguyên lý làm việc

Hỗn hợp sodium và thủy ngân nằm tại vị trí có nhiệt độ thấp nhất của đèn và cung cấp hơi sodium và thủy ngân cần thiết để tạo ra hồ quang Tại điện áp được cung cấp, thông thường ta có 3 chế độ hoạt động:

- Đèn sẽ tắt và không có dòng điện

- Đèn sẽ hoạt động với hỗn hợp lỏng trong ống đèn

- Đèn hoạt động với tất cả hỗn hống đã bay hơi

Trạng thái đầu tiên và cuối cùng là ổn định, bởi vì điện trở của đèn là khá nhỏ so với điện áp, trong khi trạng thái hai là không ổn định Vì với sự tăng bất thường của dòng điện sẽ làm tăng công suất, làm tăng nhiệt độ của hỗn hống, và tiếp

tục làm tăng dòng Điều này tạo ra hiệu ứng chạy-quá làm cho đèn vọt tới trạng thái dòng cao Trạng thái 2 là trạng thái hoạt động mong muốn của đèn, bởi vì quá trình bay hơi chậm của hỗn hống sẽ gây ít ảnh hưởng tới đặc tính của đèn hơn là quá trình bay hơi hoàn toàn

So với đèn tiêu chuẩn loại đèn này có ánh sáng trắng hơn Đèn HPS có hiệu suất thấp hơn đèn HPS tiêu chuẩn nhưng tiêu thụ công suất ít hơn và có đặc trưng màu cải thiện hơn Do vậy mà chúng được

sử dụng trong các ứng dụng giống như đèn MH kể cả các cửa hàng bán lẻ tư nhân

c Đặc trưng chính

P = 35 - 100 W,

CT = 2500 K, CRI = 80,

Hiệu suất = 57 - 76 lm/W (thông thường là 65), Tuổi thọ trung bình khoảng 15000 giờ