Đèn huỳnh quang và Nguyên lý hoạt động của đèn huỳnh quang

Electrical4u

Trường dữ liệu: Điện Cơ Bản

China

Đèn huỳnh quang là gì?

Một đèn huỳnh quang là một loại đèn hơi thủy ngân có trọng lượng nhẹ đèn hơi thủy ngân sử dụng hiện tượng huỳnh quang để tạo ra ánh sáng nhìn thấy. Một dòng điện trong khí làm cho hơi thủy ngân được kích thích, tạo ra bức xạ tia cực tím thông qua quá trình phóng điện và bức xạ tia cực tím này khiến lớp phủ phốt pho trên thành bên trong của đèn phát ra ánh sáng nhìn thấy.

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

Cách hoạt động của Đèn Huỳnh Quang

Trước khi đi vào nguyên lý hoạt động của đèn huỳnh quang, chúng ta sẽ trước tiên xem xét mạch của đèn huỳnh quang, hay còn gọi là mạch của đèn tuýp.

Ở đây, chúng ta kết nối một cuộn cảm, một công tắc và nguồn điện theo chuỗi như hình vẽ. Sau đó, chúng ta kết nối đèn huỳnh quang và bộ khởi động song song với nó.

Khi chúng ta bật nguồn, toàn bộ điện áp xuất hiện trên đèn và cũng trên bộ khởi động thông qua cuộn cảm. Nhưng tại thời điểm đó, không có sự phóng điện, nghĩa là không có đầu ra ánh sáng từ đèn.
Tại thời điểm có điện áp đầy đủ, đầu tiên dòng điện phát quang được thiết lập trong bộ khởi động. Điều này là do khoảng cách giữa các điện cực trong bóng neon của bộ khởi động nhỏ hơn nhiều so với đèn huỳnh quang.
Sau đó, khí bên trong bộ khởi động bị ion hóa do điện áp đầy đủ và làm nóng thanh hai kim loại. Điều này gây ra việc uốn cong thanh hai kim loại để tiếp xúc với tiếp điểm cố định. Bây giờ, dòng điện bắt đầu chảy qua bộ khởi động. Mặc dù tiềm năng ion hóa của neon cao hơn so với argon, nhưng do khoảng cách giữa các điện cực nhỏ, nên có độ dốc điện áp cao xuất hiện trong bóng neon và do đó dòng điện phát quang bắt đầu trước trong bộ khởi động.
Ngay khi dòng điện bắt đầu chảy qua các tiếp điểm chạm nhau của bóng neon của bộ khởi động, điện áp trên bóng neon giảm vì dòng điện gây ra sự giảm điện áp trên cuộn cảm (cuộn cảm). Khi không có hoặc ít điện áp trên bóng neon của bộ khởi động, sẽ không có sự phóng điện khí nào xảy ra và do đó thanh hai kim loại nguội và tách khỏi tiếp điểm cố định. Tại thời điểm tách tiếp điểm trong bóng neon của bộ khởi động, dòng điện bị gián đoạn, và do đó tại thời điểm đó, một đợt tăng điện áp lớn xuất hiện trên cuộn cảm (cuộn cảm).
Đợt tăng điện áp lớn này xuất hiện trên các điện cực của đèn huỳnh quang (đèn tuýp) và đánh lửa hỗn hợp penning (hỗn hợp khí argon và hơi thủy ngân).
Quá trình phóng điện khí bắt đầu và tiếp tục, và do đó dòng điện lại có đường đi để chảy qua đèn huỳnh quang (đèn tuýp). Trong quá trình phóng điện hỗn hợp khí penning, điện trở do khí cung cấp thấp hơn so với điện trở của bộ khởi động.
Phóng điện của nguyên tử thủy ngân sản sinh ra bức xạ tia cực tím, điều này kích thích lớp phủ bột phốt pho phát ra ánh sáng nhìn thấy.
Bộ khởi động ngừng hoạt động khi đèn huỳnh quang (đèn tuýp) phát sáng vì không có dòng điện nào đi qua bộ khởi động trong tình huống đó.

Vật lý đằng sau Đèn Huỳnh Quang

Khi áp dụng một điện áp đủ cao giữa các điện cực, một trường điện mạnh được thiết lập. Một lượng nhỏ dòng điện qua các dây tóc điện cực làm nóng dây tóc. Vì dây tóc được phủ oxit, nên một lượng lớn electron được tạo ra, và chúng di chuyển từ điện cực âm (cathode) sang điện cực dương (anode) do trường điện mạnh. Trong quá trình di chuyển của các electron tự do, quá trình phóng điện được thiết lập.

Quá trình phóng điện cơ bản luôn tuân theo ba bước:

Electron tự do được lấy từ các điện cực và được gia tốc bởi trường điện áp đặt.
Năng lượng động của các electron tự do được chuyển đổi thành năng lượng kích thích của các nguyên tử khí.
Năng lượng kích thích của các nguyên tử khí được chuyển đổi thành bức xạ.

Trong quá trình phóng điện, một đường phổ tia cực tím duy nhất ở 253,7 nm được tạo ra ở áp suất thấp của hơi thủy ngân. Để tạo ra tia cực tím 253,7 nm, nhiệt độ của bóng đèn được giữ trong khoảng 105 đến 115oF.
Tỷ lệ chiều dài đến đường kính của ống phải sao cho mất mát công suất cố định xảy ra ở cả hai đầu. Nơi xảy ra mất mát công suất hoặc phát sáng của các điện cực được gọi là vùng rơi cathode và anode. Mất mát công suất này rất nhỏ.
Lại nữa, các cathode phải được phủ oxit. Cathode nóng cung cấp một lượng lớn electron tự do. Cathode nóng, nghĩa là các điện cực được làm nóng bằng dòng điện tuần hoàn và dòng điện này được cung cấp bởi choke hoặc thiết bị điều khiển. Một số đèn có cathode lạnh. Cathode lạnh có diện tích hiệu dụng lớn hơn và điện áp cao hơn, chẳng hạn như 11 kv, được áp dụng để tạo ion. Khí bắt đầu được phóng điện do áp dụng điện áp cao. Nhưng ở 100 đến 200 V, phát sáng cathode tách khỏi cathode, điều này được gọi là rơi cathode. Điều này cung cấp một lượng lớn ion, được gia tốc đến anode để tạo ra electron thứ cấp khi va chạm, từ đó tạo ra nhiều ion hơn. Nhưng rơi cathode trong quá trình phóng điện cathode nóng chỉ ở 10 V.

Lịch Sử & Phát Minh của Đèn Huỳnh Quang

Năm 1852, Sir George Stokes đã phát hiện ra sự biến đổi bức xạ tia cực tím thành bức xạ nhìn thấy.
Từ thời điểm đó đến năm 1920, nhiều loại thí nghiệm đã được thực hiện để phát triển các dòng điện phóng điện ở áp suất thấp và cao trong hơi thủy ngân và natri. Tuy nhiên, tất cả các mạch được phát triển đều không hiệu quả để biến đổi bức xạ tia cực tím thành bức xạ nhìn thấy. Điều này là do các điện cực không thể phát ra đủ electron để thiết lập hiện tượng phóng điện hồ quang. Lại nữa, nhiều electron va chạm với các nguyên tử khí một cách đàn hồi. Do đó, sự kích thích không tạo ra đường phổ để sử dụng. Tuy nhiên, rất ít công việc được thực hiện trên đèn huỳnh quang.
Nhưng vào những năm 1920, một bước đột phá lớn đã xảy ra. Sự kiện đã được phát hiện rằng hỗn hợp của hơi thủy ngân và khí trơ ở áp suất thấp có hiệu suất 60% để chuyển đổi công suất điện đầu vào thành một đường phổ duy nhất ở 253,7 nm.
Bức xạ tia cực tím được chuyển đổi thành tia sáng nhìn thấy bằng cách sử dụng vật liệu huỳnh quang phù hợp bên trong đèn. Từ thời điểm này, đèn huỳnh quang đã được đưa vào cuộc sống hàng ngày của mọi người.
Sau đó, vào năm 1934, Dr. W. L. Enfield đã nhận được báo cáo từ Dr. A. H. Crompton về việc sử dụng đèn có lớp phủ huỳnh quang. Ngay lập tức, Enfield đã thành lập một đội nghiên cứu và bắt đầu tạo ra đèn huỳnh quang thương mại. Năm 1935, đội của họ đã sản xuất một mẫu đèn huỳnh quang màu xanh lá cây có hiệu suất khoảng 60%.
Hai năm rưỡi sau, đèn huỳnh quang đã được giới thiệu trên thị trường với màu trắng và sáu màu khác. Các hỗn hợp bột phốt pho khác nhau được sử dụng để tạo ra các màu khác nhau từ đèn huỳnh quang. Đèn đầu tiên được giới thiệu với công suất 15, 20 và 30 W ở các chiều dài 18 inch, 25 inch và 36 inch.
Sớm sau đó, đèn T12, 40W, 4 ft đã được giới thiệu và được sử dụng rộng rãi trong chiếu sáng văn phòng, trường học, công nghiệp. Các đèn ban đầu tạo ra ánh sáng hơi vàng ở 3500K. Sau đó, đèn 6500K mô phỏng ánh sáng bầu trời trung bình ở bầu trời nhiều mây.
Thông thường, đèn 4 ft, đường kính 1,5 inch, 40W đã có sẵn trên thị trường vào năm 1940. Nhưng dần dần, thiết kế đã được thay đổi để sử dụng tốt hơn. Phần phóng điện hồ quang của đèn đã được thay đổi. Nhưng argon vẫn được sử dụng mặc dù áp suất thấp hơn so với trước. Hơi thủy ngân được duy trì ở áp suất như cũ. Đèn này yêu cầu 425 mA với sự giảm điện áp 100 đến 105 V.