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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
 KHOA ĐIỆN 

BÀI TIỀU LUẬN:

TÌM HIỂU VỀ ĐÈN PHÓNG ĐIỆN CƯỜNG
ĐỘ CAO (HID)
Giáo viên hướng dẫn:
Nhóm:

8

Họ và tên:

Đoàn Duy Đạt
Sùng A Nguyên
Trương Thanh Long

Lớp:

Điện 7 – K9

Hà nội 9/2017


Kỹ thuật chiếu sáng

Mục lục

2

Kỹ thuật chiếu sáng

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
3


Kỹ thuật chiếu sáng
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.
4


Kỹ thuật chiếu sáng
+ 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

5


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

6


Kỹ thuật chiếu sáng

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

7


Kỹ thuật chiếu sáng

8


Kỹ thuật chiếu sáng
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,
Hiệu suất = 32 - 60
Tuổi thọ trung bình
Phân bố phổ của đèn thủy ngân
10000 - 24000
giờ.

lm/W,

Hình 3. Phân bố phổ của đèn thủy ngân

9


Kỹ thuật chiếu sáng

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.

10


Kỹ thuật chiếu sáng
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
cần tráng thêm lớp bột huỳnh quang đèn halide có thể dùng như
11


Kỹ thuật chiếu sáng
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

bố của
bốcủa
củađèn
đènMH
MHcải
cảithiện màu.
PhânPhân
bố phổ
của đèn
đèn MH
MH tiêu
tiêu chuẩn.
Phân Phân
bố phổ
chuẩn
thiện màu

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.

12


Kỹ thuật chiếu sáng
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

Phân bố phổ của đèn LPS

những chỗ không cần đến sự phân biệt
màu sắc.

13

Phân bố phổ của đèn LPS


Kỹ thuật chiếu sáng
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

14


Kỹ thuật chiếu sáng
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
15


Kỹ thuật chiếu sáng
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.

16

Kỹ thuật chiếu sáng

17