Sau khi nhà hoáhọc người Áo K.Auer phát minh ra đèn măng sông chế tạo bằng chất chịu được nhiệt độ cựccao đã cho ánh sáng trắng khi đốt cháy trong ngọn lửa chất khí thì đèn măng sông trở
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
Kiên Giang – 05/2019
Trang 2LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian học tập và rèn luyện tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật, chúng
em đã được sự dạy bảo tận tình của tập thể Thầy Cô của trường Những kiến thức và sự thànhđạt mà em đạt được hôm nay chính là nhờ sự dạy bảo của các Thầy Cô
Chúng em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến quý Thầy Cô, những người đã tận tâm truyềnđạt những tri thức khoa học cơ bản cũng như những kiến thức chuyên nghành cho em Đặcbiệt em xin cảm ơn quý Thầy Cô khoa Điện - Điện Tử, những người đã bỏ bao tâm huyết đểtruyền đạt những tri thức, những kỹ năng, những kinh nghiệm quý báu trong chuyên môn đểchúng em vững tin khi bước vào cuộc sống
Chúng em xin gửi lời cảm ơn riêng đến thầy Nguyễn Ngọc Âu giảng viên trường Đạihọc Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, đã tận tình hướng dẫn em thực hiện đồ án môn họcTruyền Động Điện Chúng em xin gửi đến Thầy lời chúc sức khỏe và ngày càng thành côngtrên bục giảng
Cuối cùng, chúng tôi xin cảm ơn tất cả bạn bè thân mến đã động viên, góp ý để mìnhhoàn thành tốt đồ án này
Trang 3MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU 4
I CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN TRONG TÍNH TOÁN CHIẾU SÁNG 4
1 Q UANG THÔNG 4
2 Q UANG HIỆU 6
3 C ƯỜNG ĐỘ SÁNG 6
4 Đ Ộ RỌI 7
5 Đ Ộ SÁNG : 8
6 Đ Ộ CHÓI 8
Bảng phạm vi ứng dụng của các nhóm hoàn màu 9
II CÁC LOẠI ĐÈN, ỨNG DỤNG 10
1 C ẤU TẠO CỦA BÓNG ĐÈN NUNG SÁNG ( HÌNH 3.1): 10
2 M ỘT SỐ LOẠI BÓNG ĐÈN NUNG SÁNG THÔNG DỤNG : 11
a Bóng đèn nung sáng kiểu chân không hoặc áp suất khí trơ: 12
b Bóng đèn nung sáng dùng khí halogen: 12
3 B ÓNG ĐÈN HUỲNH QUANG 12
3.1 Đặc điểm cấu tạo: 12
3.2 Một số bóng đèn huỳnh quang thông dụng 14
3.3 Bóng đèn phóng điện cuờng độ cao (HID) 15
1 C ẤU TẠO CỦA BÓNG ĐÈN PHÓNG ĐIỆN : 15
2 M ỘT SỐ LOẠI BÓNG ĐÈN PHÓNG ĐIỆN HID THÔNG DỤNG : 16
a Đèn hơi thủy ngân áp suất cao (HPM: High Pressure Mercury) 16
b Đèn Metal Halide (còn gọi là đèn Halogen kim loại): 17
c Đèn hơi Natri áp suất cao (HPS: High Pressure Sodium) 17
d Đèn hơi Natri áp suất thấp (LPS: Low Pressure Sodium) 18
e Đèn phóng điện xenon: 18
f Đèn phát sáng quang điện (LED: Lighting Emitting Diode) 19
g Đèn cảm ứng (đèn không điện cực) 19
h Đèn Sulfua : 20
III TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG CHO CÔNG TRÌNH 20
IV TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN CHIẾU SÁNG CHO CÔNG TRÌNH 21
V THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG 21
- P HÒNG SINH HOẠT : FILE LIVINGROOMLIGHTING PDF 21
- P HÒNG NGỦ : FILE BEDROOMLIGHTING PDF 23
- P HÒNG BẾP : FILE KITCHENROOM LIGHTING PDF 25
- P HÒNG TẮM : FILE BATHROOMLIGHTING PDF 27
- P HÒNG ĂN : FILE DININGIGHTING PDF 29
B ÀI TẬP : T ÍNH TOÁN CHIẾU SÁNG CHO ĐÈN GIAO THÔNG : 32
I C ÁC THÔNG SỐ CƠ HỌC CHỦ YẾU CỦA BỘ ĐÈN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG : 32
1 Độ kín (IP): 32
2 Cấp bảo vệ cơ học chống nổ (còn gọi là độ chịu va đập của kính đèn): 32
3 Diện tích cản gió 33
4 Chỉ tiêu lão hóa kính bảo vệ: 33
5 Trọng lượng: 33
Trang 4PHẦN MỞ ĐẦU LỊCH SỬ CHIẾU SÁNG NHÂN TẠO VÀ VAI TRÒ CỦA NÓ
Từ thời kỳ sơ khai con người đã biết tạo ra ánh sáng từ lửa, tuy nhiên lúc đó con ngườidùng lửa với tư cách là nguồn nhiệt chứ không phải là nguồn sáng Trải qua một thời kỳ dàicủa lịch sử, con người mới phát minh ra loại đèn thắp sáng bằng chất khí Sau khi nhà hoáhọc người Áo K.Auer phát minh ra đèn măng sông chế tạo bằng chất chịu được nhiệt độ cựccao đã cho ánh sáng trắng khi đốt cháy trong ngọn lửa chất khí thì đèn măng sông trở nên phổbiến khắp các thành phố lớn trên thế giới, đến nỗi tưởng như không thể còn loại đèn nào cóthể thay thế được
Tuy nhiên cuối thế kỷ 19 người ta bắt đầu nhận thấy ưu điểm khi thắp sáng bằng điện.Cho đến nay người ta vẫn chưa biết chính xác ai là người đầu tiên chế tạo ra chiếc đèn điệnđầu tiên Tuy nhiên để đi đến chiếc bóng đèn hoàn thiện như ngày nay chắc chắn phải có sựcống hiến của nhiều nhà khoa học, trong đó người có công lớn nhất và là người đã đăng kýbản quyền phát minh đầu tiên về bóng đèn dây tóc vào năm 1878 là Thomas Edison - một nhàphát minh nổi tiếng của Mỹ Để ghi nhận công lao và sự nỗ lực của ông trong việc đem ánhsáng đến cho nhân loại mà ngày nay người ta đã tưởng nhớ ông như là cha đẻ của mọi loạibóng đèn điện dùng sợi đốt
Đêm 24/12/1879 Edison mời hàng trăm người thuộc đủ mọi thành phần trong xã hội ởthành phố New York tới dự bữa tiệc tại nhà ông nhằm quảng cáo sản phẩm đèn điện do ôngchế tạo lần đầu tiên Tại bữa tiệc này ông cho thắp sáng hàng loạt bóng đèn ở tất cả khu nhà
ở, xưởng máy, phòng thí nghiệm và sân vườn Kết quả bữa tiệc đã giúp ông nhận được sự tàitrợ của chính quyền cho đề án thắp sáng thành phố Cuối cùng, đến 5h sáng ngày 04/9/1882hàng trăm ngọn đèn trên các phố đồng loạt bật sáng làm cả một góc thành phố NewYork trànngập ánh sáng điện, đánh dấu thời khắc lịch sử ánh sáng điện chinh phục bóng đêm Đâycũng được xem là thời điểm ra đời của ngành chiếu sáng đô thị
Tại Việt Nam trước đây, chiếu sáng đô thị được xây dựng trên cơ sở lưới đèn chiếu sángcông cộng được xây dựng từ thời Pháp thuộc, chủ yếu dùng bóng đèn sợi tóc Đến năm 1975,những ngọn đèn cao áp đầu tiên được lắp đặt tại khu vực quảng trường Ba Đình và lăng Chủtịch Hồ Chí Minh Ngoài chiếu sáng đường phố, các loại chiếu sáng khác của đô thị nhưchiếu sáng công viên, vườn hoa, chiếu sáng cảnh quan các công trình kiến trúc văn hoá, lịch
sử, thể thao, chiếu sáng tượng đài hầu như chưa có gì
Hội nghị chiếu sáng đô thị lần thứ nhất (4/1992) là một mốc khởi đầu cho sự phát triểncủa ngành chiếu sáng đô thị Việt Nam Thực trạng chiếu sáng đô thị lúc bấy giờ vẫn còn rấtkém, lạc hậu so với các đô thị trong khu vực Sau Hội nghị chiếu sáng đô thị toàn quốc lầnthứ hai (12/1995) tổ chức tại Đà Nẵng, cùng với sự phát triển vượt bậc của nền kinh tế, lĩnhvực chiếu sáng đô thị ở nước ta đã thực sự hình thành và phát triển Hiện nay chúng ta đã cóHội chiếu sáng đô thị Việt nam
I Các đại lượng cơ bản trong tính toán chiếu sáng.
1 Quang thông
Trang 5- Khái niệm: Thông lượng năng lượng của ánh sáng nhìn thấy là một khái niệm có ýnghĩa quan trọng về mặt vật lý Tuy nhiên trong kỹ thuật chiếu sáng
thì khái niệm này ít được quan tâm
- Thật vậy, giả sử có hai tia sáng đơn sắc màu 0,9
đỏ (λ=700nm) và màu vàng (λ=577nm) có cùng 0,8
mức năng lượng tác động đến mắt người thì kết 0,7
quả nhận được là mắt người cảm nhận tia màu đỏ 0,60,5
tốt hơn màu vàng Điều này có thể giải thích là do 0,4
sự khúc xạ qua mắt (vai trò là thấu kính hội tụ) 0,3
khác nhau: các tia sáng có λ bé bị lệch nhiều và 0,2
hội tụ trước võng mạc, các tia có λ lớn thì lại hội 0,10,0
tụ sau võng mạc, chỉ có tia λ=555nm (vàng) là hội 400 450 500 550600 650 700 nm
tụ ngay trên võng mạc Trên cơ sở này người ta
xây dựng đường cong hiệu quả ánh sáng V(λ)
của mắt người (hình 1.8) Đường cong 1 ứng với
thị giác ban ngày và đường cong 2 ứng với thị giác ban đêm Biểu thức gần đúng của đườngcong V(λ) được cho trong phụ lục ở cuối sách, đồng thời trong phụ lục cũng có bảng giá trịcủa hàm V(λ)
- Như vậy rõ ràng thông lượng năng lượng không thể dùng trong kỹ thuật chiếu sángphục vụ con người, do đó người ta phải đưa vào một đại lượng mới trong đó ngoài W(λ) còn
phải kể đến đường cong V(λ), đại lượng này gọi là quang thông và được xác định như sau:
- Trong các công thức trên :
n là tổng số tia sáng đơn sắc do nguồn phát ra
P(λi) là mức năng lượng của tia đơn sắc thứ i (W)
W(λ) là phân bố phổ năng lượng của các tia sáng liên tục (W/nm)
λi là bước sóng của tia đơn sắc thứ i (nm)
683 lm/W là hằng số vật lý xuất phát từ định nghĩa đơn vị cường độ sáng (Cadela),biểu thị sự chuyển đổi đơn vị năng lượng sang đơn vị cảm nhận thị giác Giá trị 683được đưa vào để tạo ra giá trị tương đương với định nghĩa cũ của cadela
λ1 và λ2 là giới hạn bước sóng (cận dưới và trên) của quang phổ liên tục
- Ý nghĩa: Về bản chất, quang thông cũng chính là năng lượng nhưng ở đây đơn vị tínhkhông phải bằng Oát mà bằng Lumen Đây là đại lượng rất quan trọng dùng cho tính toánchiếu sáng, thể hiện phần năng lượng mà nguồn sáng bức xạ thành ánh sáng ra toàn bộ khônggian xung quanh Để thấy rõ sự khác nhau giữa Oát và Lumen ta có sự so sánh sau:
Trang 6- Giả sử có một nguồn sáng công suất 1W biến đổi toàn bộ công suất này thành ánh sángnhìn thấy Nếu ánh sáng nó phát ra là một tia đơn sắc λ=555nm (màu vàng) sẽ cho quangthông 683 lm nhưng nếu ánh sáng phát ra là quang phổ liên tục với năng lượng phân bố đềuthì quang thông khoảng 179 lm (xem phụ lục 1).
- Ký hiệu: Φ (ký hiệu chữ cái Hy Lạp, đọc là phi)
- Đơn vị: Lm (Lumen) Lumen là quang thông do nguồn sáng phát ra trong một góc khốibằng 1 Sr
- Ví dụ giá trị quang thông một số nguồn sáng thông dụng:
+ Xét một nguồn sáng điểm có cường độ sáng I không đổi theo mọi phương thì quang
4π
thông là : Φ = ∫IdΩ = 4πI
0
+ Thiết bị dùng để đo quang thông gọi là Lumen kế.
+ Quang thông do mặt trời gửi xuống trái đất là 145.1017lm
đủ khả năng biến đổi năng lượng mà nguồn sáng tiêu thụ thành quang năng
- Một số tài liệu gọi khái niệm này là hiệu suất của nguồn sáng Tuy nhiên, nếu ta sử dụng khái niệm hiệu suất thì sẽ liên tưởng đến tỉ lệ % (giá trị ≤ 1) giữa các đại lượng cùng
đơn vị đo Trái ngược hoàn toàn với quan niệm về hiệu suất, quang hiệu lại có giá trị lớn hơn
1 rất nhiều và là tỉ số của 2 đơn vị đo khác nhau (lm/W) do đó việc dùng khái niệm hiệu suất
là không hợp lý
- Ký hiệu: η (Chữ cái Hy Lạp, đọc là êta)
- Đơn vị: lm/W (lumen/Oát)
- Ví dụ: Quang hiệu một số nguồn sáng thông dụng (theo tài liệu Schréder năm 2006)
Nguồn sáng Công suất (W) Quang thông (Lm) Quang hiệu (Lm/W)
+ Xét trường hợp một nguồn sáng điểm đặt tại O và ta quan sát theo phương Ox Gọi dΦ
là quang thông phát ra trong góc khối dΩ lân cận phương Ox Cường độ sáng của nguồn theophương Ox được định nghĩa là : I = d
dΦΩ
Trang 7+ Cường độ sáng I của nguồn phụ thuộc vào
phương quan sát Trong trường hợp đặc biệt, nếu I
không thay đổi theo phương (nguồn đẳng hướng), ta x
có quang thông phát ra trong toàn không gian là:
Φ = 4π I
- Ý nghĩa : Cường độ sáng là đại lượng quang học O
Hình 1.9
cơ bản, các đại lượng quang học khác đều là đại
lượng dẫn suất xác định qua cường độ sáng
- Ký hiệu : I (Viết tắt của tiếng Anh là Intensity : cường độ)
- Ví dụ :
+ Đèn sợi đốt 40W/220V có I= 35 Cd (theo mọi hướng)
+ Ngọn nến có I=0,8 Cd (theo mọi hướng)
+ Theo định nghĩa với nguồn sáng đơn sắc λ=555nm thì 1W=683lm Nếu nguồn sángđơn sắc có λ≠555nm thì 1W=683.V(λ) Ví dụ : nguồn sáng đơn sắc có λ=650nm thì1W=683.0,2=136,6 lm
4 Độ rọi
- Khái niệm: Giả thiết mặt S được rọi sáng bởi một nguồn sáng Độ rọi tại một điểm nào
đó trên mặt S là tỉ số E = d
dSΦ , trong đó dΦ là quang thông toàn phần do nguồn gửi đến
diện tích vi phân dS lân cận điểm đã cho
Nếu mặt S được chiếu sáng đều với tổng quang thông gửi đến S là Φ thì độ rọi tại mọiđiểm trên mặt S là E = Φ
dS
MS
dSHình 1.10_Định nghĩa độ rọi
Hình 1.11
- Đơn vị: Lux hay Lx (đọc là luych)
- Lux là đơn vị đo độ chiếu sáng của một b ề mặt Độ chiếu sáng duy trì trung bình là cácmức lux trung bình đo được tại các điểm khác nhau của một khu vực xác định Một lux bằngmột lumen trên mỗi mét vuông
- Ý nghĩa: Thể hiện lượng quang thông chiếu đến 1 đơn vị diện tích của một bề mặt đượcchiếu sáng, nói cách khác nó chính là mật độ phân bố quang thông trên bề mặt chiếu sáng
- Định luật tỷ lệ nghịch bình phương :
Trang 8Xét một nguồn sáng đ iểm O, bức xạ tới mặt nguyên tố hình tròn dS có tâm M cách O mộtkhoảng r Cường độ sáng của nguồn theo phương OM là I (hình 1.11) Do dS khá nhỏ nên
xem là mặt phẳng, do đó ta gọi
thức độ rọi:
E = dΦ = I.dΩ = I.dS cosα
dS dS r 2 dS
Trang 9chiếu sáng Đây chính là công thức của định luật tỷ lệ nghịch bình phương.
- Một số giá trị độ rọi thường gặp:
* Trưa nắng không mây 100.000 lux
* Đêm trăng tròn không mây 0,25 lux
* Ban đêm với hệ thống chiếu sáng công cộng 10-30 lux
* Nhà ở bình thường ban đêm: 159-300lux
* Phòng làm việc: 400-600lux
5 Độ sáng:
- Khái niệm: Cho một mặt phát sáng S có kích thước
giới hạn (có thể là bề mặt của nguồn sáng hoặc bề mặt
vật phản xạ ánh sáng,…) Độ sáng tại một điểm nào đó
+ Nguồn sáng ở đây cần hiểu theo nghĩa rộng hơn là "mặt phát sáng" bao gồm nguồn phát
ra ánh sáng và nguồn ánh sáng phản xạ của vật được chiếu sáng
+ Độ rọi E trên bề mặt được chiếu sáng không phụ thuộc vào hệ số phản xạ bề mặt nhưng
độ trưng của bề mặt được chiếu sáng thì phụ thuộc vào hệ số phản xạ bề mặt
+ Hai bóng đèn sợi đốt hình tròn công suất 40W
thì có cùng quang thông Một bóng thủy tinh trong,
Omột bóng thủy tinh mờ thì bóng thủy tinh trong sẽ gây
chói mắt hơn Điều này được giải thích là: với bóng dScosα
Trang 10thuỷ tinh mờ, tia sáng bức xạ từ nguồn khi đập vào bề
mặt thuỷ tinh mờ (vỏ bóng đèn), nó bị tán xạ theo n
nhiều hướng và cường độ sáng theo một hướng nhất
định giảm đi so với cường độ của tia tới do đó ít chói
hơn > độ chói phụ thuộc vào cường độ sáng α dI
Mặt khác với đèn pha xe máy nếu nhìn trực diện
ta thấy chói mắt nhưng nếu nhìn nghiêng một góc nào
dS M
đó thì sẽ bớt chói mắt hơn > độ chói phụ thuộc vào
phương quan sát, được đặc trưng bằng diện tích biểu
Hình 1.13_Định nghĩa độ chói
kiến của mặt phát sáng theo phương quan sát
Từ những nhận xét trên ta thấy cần thiết phải đưa
ra khái niệm độ chói phụ thuộc vào cường độ sáng của nguồn và diện tích biểu kiến của mặtphát sáng
+ Mắt người đặt tại điểm O quan sát bề mặt phát sáng dS theo phương OM Bề mặt dSnghiêng một góc α so với phương OM Gọi dI là cường độ sáng phát ra bởi dS theo phương
+ Độ chói đóng vai trò rất quan trọng khi thiết kế chiếu sáng, là cơ sở khái niệm về trigiác và tiện nghi nhìn
+ Độ chói trung bình của mặt đường là tiêu chuẩn đầu tiên để đánh giá chất lượng của
chiếu sáng đường phố
- Ký hiệu: L
- Đơn vị: Cd/m2 1 Cd/m2 là độ chói của một mặt phẳng phát sáng đều có diện tích 1m2
và có cường độ sáng 1 Cd theo phương vuông góc với nguồn đó
- Ví dụ về độ chói một số bề mặt:
+ Bề mặt đèn huỳnh quang: 5.000-15.000cd/m2
+ Bề mặt đường nhựa chiếu sáng với độ rọi 30lux có độ chói khoảng 2cd/m2
+ Mặt trời mới mọc : khoảng 5.106 Cd/m2
+ Mặt trời giữa trưa : khoảng 1,5 – 2.109 Cd/m2
sự ảnh hưởng ánh sáng (do nguồn phát ra) đến màu sắc của vật, người ta dùng chỉ số độ hoàn
màu hay còn gọi là chỉ số thể hiện màu củ a nguồn sáng, ký hiệu CRI (Color Rendering
Index) Nguyên nhân sự thể hiện màu của vật bị biển đổi là do sự phát xạ phổ ánh sáng khácnhau giữa nguồn sáng và vật được chiếu sáng
Chỉ số CRI của nguồn sáng thay đổi theo thang chia từ 0 đến 100 Giá trị CRI=0 ứng vớinguồn ánh sáng đơn sắc khi làm biến đổi màu của vật mạnh nhất, CRI=100 ứng v ới ánh sángmặt trời khi màu của vật được thể hiện thực chất nhất Nói chung chỉ số CRI càng cao thì chấtlượng nguồn sáng được chọn càng tốt Để dễ áp dụng trong kỹ thuật chiếu sáng, người ta chiaCRI thành 4 thang cấp độ sau:
Trang 11Bảng phạm vi ứng dụng của các nhóm hoàn màu
Nhóm Chỉ số hoàn Chất lượng Chất lượng nhìn màu và phạm vi ứng dụng
1A CRI > 90 Cao Công việc cần sự hoàn màu chính xác, ví dụviệc kiểm tra in màu, nhuộm màu, xưởng vẽ1B 80 < CRI < 90 Cao
Công việc cần đánh giá màu chính xác hoặccần có sự hoàn màu tốt vì lý do thể hiện, ví dụchiếu sáng trưng bày
2 60 < CRI < 80 Trung bình Công việc cần sự phân biệt màu tương đối
3 40 < CRI < 60 Thấp Công việc cần phân biệt màu sắc nhưng chỉchấp nhận biểu hiện sự sai lệch màu sắc ít
4 20 < CRI < 40 Thấp Công việc không cần phân biệt màu sắc
Đối với chiếu sáng nhà dân thường ít quan tâm đến CRI, những gia đình có mức sống cao
mớ i chú ý đến tiêu chuẩn này và tất nhiên khi đó môi trường sống sẽ tiện nghi hơn kèm theochi phí đầu tư tăng lên
Đối với chiếu sáng đường phố chỉ có mục đích đảm bảo an toàn giao thông là chính hơnnữa chi phí đầu tư ban đầu khá lớn nên gần như không quan tâm đến chỉ số CRI Cuối cùngcần lưu ý: chúng ta rất dễ bị nhầm lẫn giữa nhiệt độ màu và độ hoàn màu, do đó ở đây cầnnhắc lại: nhiệt độ màu biểu thị màu sắc của nguồn sáng - là nơi ánh sáng phát ra,còn độ hoànmàu biểu thị độ chính xác màu của nguồn khi chiếu lên vật thể
II.Các loại đèn, ứng dụng
Trong phần này ta lần lượt nghiên cứu cấu tạo của các loại nguồn sáng nhân tạo thôngdụng - trái tim của bộ đèn chiếu sáng Ở đây ta chỉ nêu sơ bộ cấu tạo, nguyên lý hoạt động,các đặc điểm chính dưới góc độ ứng dụng mà không đi sâu giải thích phân tích các hiệntượng quang học như: phân tích quá trình già hóa, sự biến đổi quang thông theo điện áp, hiệntượng mờ, hiện tượng đen ở 2 đầu ống phóng điện,… Các vấn đề này cần phải tìm đọc cáctài liệu chuyên sâu hoặc tham khảo tài liệu của các nhà chế tạo
(70%)
Trang 12Hình 3.1_Cấu tạo và giản đồ năng lượng của bóng đèn sợi đốt
1 Cấu tạo của bóng đèn nung sáng (hình 3.1):
+ Nhiệt độ càng cao thì phổ ánh sáng càng chuyển về vùng nhìn thấy và màu sắc ánhsáng cũng trắng hơn Tuy nhiên nhiệt độ cao sẽ làm bay hơi kim loại làm dây tóc nên người tathường bơm khí trơ (Nitơ, Argon, Kripton) vào bóng đèn để làm chậm quá trình bay hơinhưng đồng thời cũng làm tăng tổn thất do các chất khí này dẫn nhiệt
+ Khi kim loại bay hơi sẽ ngưng đọng trên bề mặt bóng làm nó bị mờ đi
+ Về cấu tạo, dây tóc có nhiều loại như
b) Vỏ bóng đèn:
+ Chế tạo bằng thủy tinh có pha chì
+ Áp suất khí trơ bơm vào bóng rất thấp để tránh tản nhiệt ra ngoài môi trường
+ Để giảm độ chói, mặt trong bóng đèn được phủ lớp bột mờ
c) Đui đèn:
Nhiệm vụ đui đèn là nơi tiếp xúc nguồn điện cung cấp cho sợi đốt
+ Đui gài B15 hoặc B22
+ Đui xoáy E14, E27, E40
Trang 13- Nhược điểm:
+ Hiệu quả phát sáng rất thấp do năng lượng nhiệt tản ra môi trường lớn
+ Quang thông, tuổi thọ của đèn phụ thuộc mạnh vào điện áp nguồn
+ Hiện nay không khuyến khích sử dụng trong dân dụng và công nghiệp nhưng vẫn dùng trong chiếu sáng sự cố, chiếu sáng an toàn vì nó làm việc được với điện áp thấp
2 Một số loại bóng đèn nung sáng thông dụng:
a Bóng đèn nung sáng kiểu chân không hoặc áp suất khí trơ:
Bóng đèn nung sáng hoạt động nh ư một “vật đen”, phát ra các bức xạ có lựa chọn ở vùngánh sáng nhìn thấy Bóng đèn có thể là chân không hoặc nạp khí trơ Sau một th ời gian sửdụng, bóng đèn thường bị tối đi là do dây tóc kim loại (vonfam) bị bay hơi ngưng lại trên bềmặt bóng Nếu bóng hút chân không thì nhiệt tỏa ra không khí giảm xuống, do đó hiệu suấtnguồn sáng cao hơn Tuy nhiên ở chế độ chân không, khi bị nung nóng lên nhiệt độ rất caokim loại làm dây tóc sẽ bị bay hơi nhanh, do đó loại bóng này chỉ chế tạo công suất ≤ 75W
Để làm chậm quá trình bay hơi kim loại người ta thường cho thêm khí trơ (nitơ, argon,kripton) vào trong bóng nên công suất có thể tăng trên 75W nh ưng đổi lại nhiệt tỏ a ra môitrường sẽ lớn hơn Đối với những loại đèn thông dụng, hỗn hợp khí Agon-Nitơ với tỷ lệ 9/1được sử dụng nhiều do giá thành thấp Kripton hoặc Xenon khá đắt (do công nghệ tinh chếchúng rất phức tạp) nên chỉ được sử dụng trong những ứng dụng đặc biệt như đèn chu kỳhoặc khi có yêu cầu hiệu suất rất cao
b Bóng đèn nung sáng dùng khí halogen:
Đèn nung sáng dùng khí halogen là mộ t loại đèn nung sáng có dây tóc bằng vonfamgiống như đèn sợi đố t bình thườ ng, tuy nhiên bóng đèn được bơm đầy bằng khí halogen (Iodhoặc Brom) Nguyên tử vonfam bay hơi từ dây tóc nóng và di chuyển về phía thành của bóngđèn Các nguyên tử vonfam, oxy và halogen kết hợp với nhau tại thành bóng để tạo nên phân
tử vonfam oxyhalogen Nhiệt độ ở thành bóng giữ cho các phân tử vonfam oxyhalogen ởdạng hơi Các phân tử này di chuyển v ề phía dây tóc nóng nơi nhiệt độ cao hơn tách chúng rakhỏi nhau Nguyên tử vonfam lại đông lại trên vùng mát hơn của dây tóc nên bóng đèn không
bị mờ
Nhờ có hơi halogen nên nhiệt độ đốt nóng đèn cho phép cao hơn, do đó ánh sáng phát ratrắng hơn (nhiệt độ màu có thể đạt 29000K), hiệu suất của đèn cũng cao hơn so với đèn bơmkhí trơ hoặc chân không
Hình 3.3_ Bóng đèn sợi đốt dùng khí halogenĐặc điểm: Gọn hơn, tuổi thọ dài hơn, sáng trắng hơn, giá cao hơn, nhiều tia hồng ngoạihơn, nhiều tia cực tím hơn
3 Bóng đèn huỳnh quang
3.1 Đặc điểm cấu tạo:
Đèn huỳnh quang cũng là một loại đèn phóng điện, tuy nhiên bản chất và nguyên lý phátsáng hoàn toàn khác với đèn phóng điện nên dưới góc độ chiếu sáng nó được xem xét với tưcách là một chủng loại đèn riêng Đèn huỳnh quang có hiệu suất lớn hơn đèn sợi đốt từ 3 đến
5 lần và có tuổi thọ lớn hơn từ 10 đến 20 lần
Trang 14Trước khi phát minh ra bóng đèn huỳnh quang người ta nhận thấy: dòng điện chạy quachất khí hoặc kim loại bay hơi có thể gây ra bức xạ điện từ tại những bước sóng nhất định tuỳtheo thành phần cấu tạo hoá học và áp suất chất khí Ngoài ra theo định luật Stoke, khi choánh sáng tử ngoại chiếu vào chất phát huỳnh quang thì một phần năng lượng của nó biến đổithành nhiệt, phần còn lại biến đổi thành ánh sáng có bước sóng dài hơn nằm trong dải ánhsáng nhìn thấy được Ứng dụng hai hiện tượng này người ta chế tạo đèn huỳnh quang.
Trang 15Khí argon và Catot tránghơi thuỷ ngân bari cacbonat
Đầu cựcđiện
khi chế tạo
Hình 3.4_ Cấu tạo bóng đèn huỳnh quang
Phía bên trong thành thủy tinh của bóng đèn người ta tráng một lớp chất bột huỳnh quang,ngoài ra ngườ i ta còn nhỏ vài giọt thuỷ ngân (khoảng 12mg) và bơm khí trơ (thường là khíargon) vào trong ống với tỷ lệ thích hợp sao cho hiện tượng ion hoá dễ xảy ra Khi bật đèn, thuỷngân hoá hơi trước do có điện áp ở hai đầu cực, tiếp sau là hiện tượng ion hoá 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, nêu lọt ra ngoài sẽ gây nguy hiểm cho sự sống nên
vỏ bóng đèn được chế tạo từ thủy tinh natri cacbonat có tác dụng ngăn cản tia tử ngoại khôngcho nó phát xạ ra ngoài
21% ánh sángnhìn thấy
Giản đồ năng lượng
54,2% nhiệtnăng và đối lưu24,8% bức xạ
hồng ngoại
Hình 3.5_ Sơ đồ nối điện và giản đồ năng lượng bóng đèn huỳnh quangBóng đèn huỳnh quang khi nối với nguồn điện thì bản thân nó không thể tự phát sáng màphải có bộ phận khởi động bao gồm chấn lưu (còn gọi là ballast) và tăc-te (bộ ngắt mạch) Dựa
Trang 16vào biện pháp khởi động người ta chia thành hai loại : đèn huỳnh quang catot nóng và catotnguội Loại catốt nóng thì trước khi phát xạ electron nó phải được nung nóng còn loại catotnguội thì không cần nung nóng nhưng điện áp đặt vào nó phải đủ lớn Catốt là những dây tócVonfam có mạ bari cacbonat để dễ dàng phát xạ điện tử Khi nung nóng lớp phát xạ này khôngđược nóng quá, nếu không tuổi thọ của đèn sẽ giảm xuống.
Chấn lưu là một cu ộn dây điện cảm bằng sắt từ, khi đèn khởi động nó làm nhiệm vụ cungcấp năng lượng và tạo ra điện áp mồi rất lớn nhưng khi đèn làm việc bình thường thì nó có vaitrò xác lập điểm làm việc của đèn
Tắc-te thực chất là một công tắc kiểu rơle nhiệt, khi khởi động nó đóng mạch để cho dòngđiện ch ạy qua đốt nóng catot đồng thời tích luỹ năng lượng từ trường cho chấn lưu Khi mồiđèn, nó mở ra làm dòng điện bị gián đoạn và năng lượng trong chấn lưu giải phóng dưới dạngxung điện áp u=Ldi/dt khá lớn làm catot phát xạ electron Về nguyên lý thì tốc độ mở của tăc-tecàng bé thì điện áp xung tạo ra càng lớn và càng giúp đèn dễ khởi động
Chấn lưu sắt từ bản thân nó cũng tiêu hao năng lượng làm cho hiệu suất tổng của cả bộ đènhuỳnh quang giảm xuống Ngoài ra tắc-te kiểu rơle nhiệt có đặc tính khởi động không tốt (vì cóquán tính nhiệt) nên chất lượng của đèn cũng giảm và nhất là khi điện áp thấp có thể không mồiđuợc đèn Chấn lưu sắt từ còn gây ra tiếng ồn do có độ rung lớ n nên không thích hợp cho môitrường văn phòng làm việc Để khắc phục những hạn chế này hiện nay người ta chế tạo ra bộphận khởi động bằng điện tử (còn gọi là chấn lưu điện tử) Nguyên lý của chấn lưu điện tử là tạo
ra xung đ iện áp có tần số rất cao (khoảng 20 kHz ho ặc lớn hơn) nhờ đó mà điện áp mồi đượctạo ra rất lớn, thời gian ngắt mạch rất bé nên có thể khởi động ngay cả khi điện áp lưới điệnthấp
Cũng cần lưu ý thêm là loại bóng đèn huỳ nh quang còn có một số tên gọi khác như đèntuyp, đèn neon, tuy nhiên tên gọi “đèn neon” là tên gọi sai vì thông thường nó không chứa khíneon
3.2 Một số bóng đèn huỳnh quang thông dụng
a) Bóng đèn huỳnh quang thường (T12)
Đây là loại bóng đ èn huỳnh quang được dùng phổ biến trong dân dụng và công nghiệp vàđến nay nó vẫn chiếm số lượng lớn Tuy nhiên trong tương lai người ta sẽ thay thế bằng các loạiđèn tiết kiệm điện hơn.Ký hiệu T12 được xác định theo đường kính ống là 12/8 inch ≈ 38mmChiều dài và công suất chế tạo được tiêu chuẩn hóa như sau:
2,4 m - 110W1,5 m – 65 W1,2 m – 40 W0,6 m – 20 W
b) Bóng đèn huỳnh quang tiết kiệm điện T10-T8-T5:
Ba loại đèn này khác nhau về đường kính : từ 10/8 inch với đèn T10 đến 5/8 inch với đènT5 (cũng chính là ký hiệu của đèn) Ngày nay người ta đã chế được bóng T2 nhưng chưa được
sử dụng phổ biến lắm Hiệu suất của các loại đèn này cũng khác nhau Đèn T5 & T8 cho hiệusuất cao hơn 5% so với đèn T12 và hai loại này được ưa chuộng lắp đặt nhiều hơn trong các hệthống chiếu sáng dân dụng và công nghiệp
Trên thị trường hiện nay xuất hiện loại T10, T8 chủ yếu và giá thành cũng cao hơn so vớibóng T12
c) Bóng đèn huỳnh quang compact:
Trang 17Loại đ èn huỳnh quang compact xuất hiện gần đây đã mở ra một thị trường hoàn toàn mớicủa ngu ồn sáng huỳnh quang Đây thực chất là đ èn huỳ nh quang T3 (3/8 inch) Nhữ ng chiếcđèn này cho phép thiết kế bộ đèn nhỏ hơn nhiều, có thể cạnh tranh với loại đèn nung nóng vàđèn huỳnh quang thường Với một số loại bóng đèn compact tốt có thể chuyển được 90% nănglượng 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 có độ phân tán lớn hơn do có nhiều tầng xoắn
Về cấu tạo nó có rất nhiều hình dáng khác nhau, thường là hình tròn hoặc vuông và lại đượcxoắn thành nhiều tầng Sản phẩm bán trên thị trường có bộ điều khiển gắn liền (CFG) hoặc điềukhiển tách rời (CFN) Tương lai các lo ại đèn này sẽ được sử dụng rộng rãi và nhà nước cũng cóchính sách trợ giá với đèn này Nhờ chấn lưu điện tử nên hiện tượng nhấp nháy không còn
Hình 3.6_ Các loại bóng đèn huỳnh quang compact
3.3 Bóng đèn phóng điện cuờng độ cao (HID)
Loại đ èn này làm việ c dựa trên hiện tượng phóng điện hồ quang nên được gọi chung là đènphóng điện cường độ cao (hay đèn HID = Hingh Intentsity Discharge)
1 Cấu tạo của bóng đèn phóng điện:
a) Ống phóng điện:
Ông phóng điện là nơi xảy ra hiện tượng hồ quang điện, được chế tạo bằng chất trong suốthoặc trong mờ và có dạng hình trụ Người ta bơm vào ống phóng điện hơi thuỷ ngân, muối kimloại, hay các loại khí khác để tạo ra hiện tượng phóng điện hồ quang trong chất khí Phóng điện
h ồ quang bao giờ cũng toả ra nhiệt lượ ng lớn nên ống phóng điện phải được làm bằng vật liệuchịu nhiệt rất cao Ống phóng điện và một số chi tiết khác được đặt trong một vỏ thuỷ tinh gọi là
vỏ bóng đèn.
Khi đèn đang làm việc, hiện tượng phóng điện hồ quang đang diễn ra nếu có một số sự cố (hỏng
ch ấn lưu, điện áp thay đổi đột ngột,…) đều có thể gây nổ ống phóng điện và tạo ra các mảnh vỡnhỏ có nhiệt độ khoảng 10000C phá huỷ vỏ bóng đèn và gây nguy hiểm cho người đi đường, huỷhoại tài sản hay ho ả hoạn Do đó khi ch ế tạo bộ đèn này người ta phải bao bọc nó bằng vật liệuchịu được va đập và có không gian đủ lớn để có thể giữ lại toàn bộ các mảnh vỡ văng ra
b) Vỏ bóng đèn:
Vỏ bóng đèn thường làm bằng thuỷ tinh hoặc các loại vật liệu khác nhau nhưng chức năngcủa vỏ bóng đèn phải bao gồm :
- Ngăn không cho không khí xâm nhập làm oxit hoá các chi tiết kim loại trong bóng đèn
- Ổn định nhiệt độ làm việc của đèn (để hồ quang không bị đứt đoạn)
- Ngăn không cho tia tử ngoại lọt ra ngoài làm huỷ hoại sự sống, đặc biệt là đèn hơi thuỷ ngân tạo ra khá nhiều tia tử ngoại
Trang 18Vỏ bóng đèn thường có dạng hình ellip, có thể có dạng hình cầu hoặc hình trụ.
2 Một số loại bóng đèn phóng điện HID thông dụng:
Khi có phóng điện tỏa sáng, tùy vào loại hơi kim lo ại trong ống mà ánh sáng phát ra cómàu sắc khác nhau Bức xạ ánh sáng phát ra là đơn sắc mang đặc trưng của kim loại (ví dụ natri
có màu vàng, thuỷ ngân màu vàng - xanh dương,…) Trong thực tế người ta chỉ sử dụng hai loạihơi kim loại là hơi thủy ngân và hơi natri (sodium là tên gọi khác của nguyên tố natri, tuy nhiêntên gọi này lại được dùng rất phổ biến trong kỹ thuật chiếu sáng)
a Đèn hơi thủy ngân áp suất cao (HPM: High Pressure Mercury)
Đèn hơi thủy ngân là kiểu đèn HID được phát minh sớm nhất trong các loại đèn HID Đènthuỷ ngân phát ra ánh sáng phần lớn nhờ sự kích thích nguyên tử thuỷ ngân Khi ống phóng điện
hồ quang đủ nóng nó sẽ phát đồng thời hai loại tia là tử ngoại và ánh sáng nhìn thấy ở các vạchvàng – xanh lá cây – xanh dương và một ít vạch đỏ - cam Nhiệt độ màu khoảng 3000-70000K,chỉ số hoàn màu rất thấp khoảng 15-25 Người ta thường phủ một lớp huỳnh quang bên ngoài vỏbóng đèn, nhờ đó cải thiện được chỉ số hoàn màu lên 40-55
Quang hiệu của đèn cũng rất thấp, chỉ 30-65 lm/W
Điện cựcchính
Vỏ bóngđènĐiện cựcchínhKhung đỡ
Đui đèn
Giản đồ năng lượng 15% ánh
sángnhìn thấy
hồng ngoại 20% và đối lưu
tử ngoại
Trang 19Hình 3.7_Cấu tạo đèn HID thuỷ ngân và giản đồ năng lượng
Có lẽ vấn đề quan trọng nhất liên quan đến đèn hơi thủy ngân là làm sao thay thếchúng bằng những loại đèn HID hoặc huỳnh quang có hiệu suất và độ hoàn màu tốt hơn.Những chiếc đèn thuỷ ngân nói chung có hiệu suất thấp nhất trong họ đèn HID, quangthông 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 giảmkhá nhiều, ngoài ra hơi thủy ngân rất độc, ánh sáng phát ra có nhiều tia tử ngoại nguy hiểm nênhiện nay ít được dùng trong các dự án mới, nó chỉ còn ở những nơi đã lắp đặt trước đây
b Đèn Metal Halide (còn gọi là đèn Halogen kim loại):
Đèn Metal Halide về cơ bản giống đèn hơi thuỷ ngân nhưng người ta cho thêm vào ốngphóng điện muối iôt của các kim loại như indi, thali, natri Vì iôt thuộc nhóm halogen nênđèn này có 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 muốihalogen kim loại Ánh sáng có nhiệt độ màu khoảng 4000-6000 0K và chỉ số hoàn màu từ60-93 Quang hiệu của đèn từ 75-125lm/W Ánh sáng phát ra có màu trắng lạnh nên khôngcần thiết phải phủ một lớp bột huỳ nh quang lên vỏ bóng đèn Phổ màu ánh sáng liên tụchơn và phát nhiều vạch hơn so với đèn thuỷ ngân
Tuy nhiên đèn này có nhược điểm làm giá thành đắt, màu sắc của đèn thay đổi theothời 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 củ a
nó về cơ bản giống đèn hơi thuỷ ngân Ống phóng hồ quang thường được chế tạo từ gốmôxit nhôm có thể chịu được nhiệt độ lên đến 13000C vì nếu chế tạo bằng thuỷ tinh thì natri
sẽ tác dụng hoá học với thuỷ tinh làm hỏng ống phóng điện Ngoài hơi natri, trong ốngphóng còn có một ít khí xenon để dễ tạo ra hiện tượng phóng điện (mồi ống) hoặc cho thêmhơi thuỷ ngân để giảm dòng điện và điện áp phóng điện Đèn hơi natri cao áp không có cácđiện cực khởi động, chấn lưu mà chỉ có tắc-te điện tử cao áp
Quang hiệu khá cao đạt 120lm/W nhưng chỉ số thể hiện màu rất kém (CRI=20), tuổ ithọ đạt 10.000 giờ Khi phóng điện hồ quang trong điều kiện áp suất cao thì natri bức xạánh sáng màu vàng - trắng với nhiệt độ màu 2000-25000K Khi phân tích phổ màu thì nó cócác 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 sángngoài trờ i và chiếu sáng công nghiệp, đặc biệt là chiếu sáng đường phố Không nên sửdụng cho nơi cổ kính rêu phong vì làm cho cỏ cây có màu úa vàng Hiệu suất cao là đặcđiểm ưu việt hơn của loại đèn này so với đèn halogen kim loại vì những chiếu sáng đườngphố không đòi hỏi độ hoàn màu cao