Đèn phóng khí là một họ nguồn ánh sáng nhân tạo tạo ra ánh sáng bằng cách gửi một luồng điện qua khí ion hóa, huyết tương. Thông thường, các loại đèn như vậy sử dụng một loại khí cao quý (argon, neon, krypton và xenon) hoặc hỗn hợp các loại khí này. Một số bao gồm các chất bổ sung, như thủy ngân, natri và halogen kim loại, được hóa hơi trong quá trình khởi động để trở thành một phần của hỗn hợp khí. Khi hoạt động, một số electron buộc phải để các nguyên tử của khí gần cực dương bởi điện trường được đặt giữa hai điện cực, khiến các nguyên tử này bị ion hóa tích cực. Do đó, các electron tự do được giải phóng chảy vào cực dương, trong khi các cation được hình thành được gia tốc bởi điện trường và chảy về phía cực âm. Thông thường, sau khi di chuyển một khoảng cách rất ngắn, các ion va chạm với các nguyên tử khí trung tính, chúng chuyển các electron của chúng sang các ion. Các nguyên tử, bị mất một electron trong các va chạm, ion hóa và tăng tốc về phía cực âm trong khi các ion, có được một electron trong các va chạm, trở lại trạng thái năng lượng thấp hơn trong khi giải phóng năng lượng dưới dạng photon. Ánh sáng của một tần số đặc trưng do đó được phát ra. Theo cách này, các electron được chuyển tiếp qua khí từ cực âm đến cực dương. Màu sắc của ánh sáng được tạo ra phụ thuộc vào phổ phát xạ của các nguyên tử tạo thành khí, cũng như áp suất của khí, mật độ dòng điện và các biến khác. Đèn phóng khí có thể tạo ra một loạt các màu sắc. Một số đèn tạo ra bức xạ cực tím được chuyển đổi thành ánh sáng khả kiến bằng một lớp huỳnh quang ở bên trong bề mặt kính của đèn. Đèn huỳnh quang có lẽ là đèn phóng khí được biết đến nhiều nhất.
So với đèn sợi đốt, đèn phóng khí mang lại hiệu quả cao hơn, [1][2] nhưng sản xuất phức tạp hơn và hầu hết thể hiện điện trở âm, làm cho điện trở trong plasma giảm khi dòng chảy tăng. Do đó, họ thường yêu cầu các thiết bị điện tử phụ trợ như chấn lưu để kiểm soát dòng chảy qua khí, ngăn chặn dòng chảy (đèn flash hồ quang). Một số đèn phóng khí cũng có thời gian khởi động dễ nhận biết để đạt được sản lượng ánh sáng đầy đủ. Tuy nhiên, do hiệu quả cao hơn, đèn phóng khí được ưa thích hơn đèn sợi đốt trong nhiều ứng dụng chiếu sáng, cho đến những cải tiến gần đây trong công nghệ đèn LED.
Lịch sử [ chỉnh sửa ]
Lịch sử của đèn phóng khí bắt đầu vào năm 1675 khi nhà thiên văn học người Pháp Jean-Felix Picard quan sát thấy không gian trống rỗng trong phong vũ biểu thủy ngân của ông phát sáng khi thủy ngân bật cười. Trong khi anh ta đang mang phong vũ biểu. Các nhà điều tra, bao gồm cả Francis Hauksbee, đã cố gắng xác định nguyên nhân của hiện tượng này. Lần đầu tiên Hauksbee trình diễn một đèn phóng khí vào năm 1705. Ông cho thấy một quả cầu thủy tinh được sơ tán hoặc sơ tán một phần, trong đó ông đặt một lượng thủy ngân nhỏ, trong khi được tích điện bằng tĩnh điện có thể tạo ra ánh sáng đủ để đọc được. Hiện tượng hồ quang điện được mô tả lần đầu tiên bởi Vasily V. Petrov vào năm 1802; Ngài Humphry Davy đã trình diễn trong cùng năm vòng cung điện tại Viện Hoàng gia Anh Quốc. Kể từ đó, các nguồn sáng phóng điện đã được nghiên cứu vì chúng tạo ra ánh sáng từ điện hiệu quả hơn đáng kể so với bóng đèn sợi đốt.
Cha đẻ của ống phóng khí áp suất thấp là thợ thổi thủy tinh Đức Heinrich Geissler, người bắt đầu vào năm 1857 đã chế tạo các ống catốt lạnh nghệ thuật đầy màu sắc với các loại khí khác nhau phát sáng với nhiều màu sắc khác nhau, được gọi là ống Geissler. Nó đã được tìm thấy rằng các khí trơ như các loại khí quý hiếm neon, argon, krypton hoặc xenon, cũng như carbon dioxide hoạt động tốt trong các ống. Công nghệ này được kỹ sư người Pháp Georges Claude thương mại hóa vào năm 1910 và trở thành ánh sáng neon, được sử dụng trong các dấu hiệu neon.
Sự ra đời của đèn hơi kim loại, bao gồm các kim loại khác nhau trong ống phóng điện, là một bước tiến sau đó. Nhiệt của khí thải làm bốc hơi một số kim loại và sự phóng điện sau đó được tạo ra gần như hoàn toàn bởi hơi kim loại. Các kim loại thông thường là natri và thủy ngân do phát xạ phổ nhìn thấy được.
Một trăm năm nghiên cứu sau đó đã dẫn đến đèn không có điện cực mà thay vào đó được cung cấp năng lượng bằng các nguồn tần số vô tuyến hoặc sóng vô tuyến. Ngoài ra, các nguồn sáng có công suất thấp hơn nhiều đã được tạo ra, mở rộng các ứng dụng chiếu sáng phóng điện sang sử dụng trong nhà hoặc trong nhà.
Mỗi khí, tùy thuộc vào cấu trúc nguyên tử của nó phát ra các bước sóng nhất định, phổ phát xạ của nó, xác định màu sắc của ánh sáng từ đèn. Như một cách đánh giá khả năng của nguồn sáng để tái tạo màu sắc của các vật thể khác nhau được chiếu sáng bởi nguồn sáng, Ủy ban Quốc tế về Chiếu sáng (CIE) đã giới thiệu chỉ số kết xuất màu (CRI). Một số đèn phóng khí có CRI tương đối thấp, có nghĩa là màu sắc chúng chiếu sáng trông khác biệt đáng kể so với cách chúng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc chiếu sáng CRI cao khác.
| Khí | Màu | Phổ | Ghi chú | Hình ảnh |
|---|---|---|---|---|
| Heli | Trắng sang cam; trong một số điều kiện có thể có màu xám, xanh dương hoặc xanh lục. |  |
Được sử dụng bởi các nghệ sĩ cho mục đích chiếu sáng đặc biệt. |  |
| neon | Đỏ cam |  |
Ánh sáng dữ dội. Được sử dụng thường xuyên trong các dấu hiệu neon và đèn neon. |  |
| Argon | Màu tím nhạt đến xanh nhạt |  |
Thường được sử dụng cùng với hơi thủy ngân. |  |
| Krypton | Màu xám từ trắng sang xanh. Ở dòng điện cao điểm, màu xanh trắng sáng. |  |
Được sử dụng bởi các nghệ sĩ cho mục đích chiếu sáng đặc biệt. |  |
| Xenon | Xám mờ hoặc xám xanh trắng. Ở các dòng điện cực đại, màu xanh lục rất sáng. |  |
Được sử dụng trong flashtubes, đèn pha xenon HID và đèn hồ quang xenon. |  |
| Nitơ | Tương tự argon nhưng xỉn hơn, màu hồng hơn; tại các dòng điện cao điểm sáng xanh trắng. |  |
 |
|
| Oxy | Màu tím đến hoa oải hương, mờ hơn argon |  |
 |
|
| Hydrogen | Hoa oải hương ở dòng chảy thấp, màu hồng đến đỏ tươi trên 10 mA |  |
 |
|
| Hơi nước | Tương tự như hydro, mờ hơn | |||
| Carbon dioxide | Màu xanh trắng đến hồng, ở dòng thấp hơn sáng hơn xenon | Được sử dụng trong laser carbon dioxide. |  |
|
| Hơi thủy ngân | Màu xanh lam nhạt, cực tím dữ dội | 
Tia cực tím không được hiển thị |
Kết hợp với phốt pho được sử dụng để tạo ra nhiều màu sắc của ánh sáng. Được sử dụng rộng rãi trong đèn hơi thủy ngân. |  |
| Hơi natri (áp suất thấp) | Màu vàng cam sáng |  |
Được sử dụng rộng rãi trong đèn hơi natri. |  |
Đèn được chia thành các gia đình dựa trên áp suất của khí, và liệu cực âm có được đốt nóng hay không. Đèn catốt nóng có các điện cực hoạt động ở nhiệt độ cao và được làm nóng bởi dòng hồ quang trong đèn. Nhiệt đẩy các electron ra khỏi các điện cực bằng phát xạ nhiệt, giúp duy trì hồ quang. Trong nhiều loại, các điện cực bao gồm các dây tóc được làm bằng dây mảnh, được đốt nóng bởi một dòng điện riêng khi khởi động, để bắt đầu hồ quang. Đèn catốt lạnh có các điện cực hoạt động ở nhiệt độ phòng. Để bắt đầu dẫn trong đèn, một điện áp đủ cao (điện áp nổi) phải được áp dụng để ion hóa khí, vì vậy những đèn này đòi hỏi điện áp cao hơn để bắt đầu.
Đèn phóng áp suất thấp [ chỉnh sửa ]
Đèn áp suất thấp có áp suất làm việc thấp hơn nhiều so với áp suất khí quyển. Ví dụ, đèn huỳnh quang thông thường hoạt động ở áp suất khoảng 0,3% áp suất khí quyển.
Đèn huỳnh quang, đèn cực âm, đèn phổ biến nhất trong chiếu sáng văn phòng và nhiều ứng dụng khác, tạo ra tới 100 lumens mỗi watt
Ánh sáng neon, một dạng chiếu sáng đặc biệt được sử dụng rộng rãi bao gồm các ống dài chứa đầy các loại khí khác nhau ở áp suất thấp được kích thích bởi điện áp cao, được sử dụng làm quảng cáo trong các dấu hiệu neon.
Đèn natri áp suất thấp, loại đèn xả khí hiệu quả nhất, sản xuất tới 200 lumens mỗi watt, nhưng với chi phí hiển thị màu rất kém. Đèn vàng gần như đơn sắc chỉ được chấp nhận cho chiếu sáng đường phố và các ứng dụng tương tự.
Một đèn phóng điện nhỏ chứa công tắc kim loại được sử dụng để khởi động đèn huỳnh quang. Trong trường hợp này, nhiệt của xả được sử dụng để kích hoạt công tắc; bộ khởi động được chứa trong vỏ bọc mờ và sản lượng ánh sáng nhỏ không được sử dụng.
Đèn phát sáng liên tục được sản xuất cho các ứng dụng đặc biệt trong đó các điện cực có thể được cắt theo hình dạng của các ký tự chữ và số. [3]
Một bóng đèn nhấp nháy, bóng đèn nhấp nháy hoặc nhấp nháy đèn phát sáng là đèn phóng khí tạo ra ánh sáng bằng cách ion hóa khí, thường là neon trộn với heli và một lượng nhỏ khí nitơ, bằng một dòng điện đi qua hai màn hình điện cực hình ngọn lửa được phủ một phần barium azide. Khí ion hóa di chuyển ngẫu nhiên giữa hai điện cực tạo ra hiệu ứng nhấp nháy, thường được bán trên thị trường như một ngọn lửa nến (xem hình). [4]
Đèn phóng áp suất cao [ chỉnh sửa ]
Đèn cao áp có sự phóng điện diễn ra trong khí dưới một chút ít đến lớn hơn áp suất khí quyển. Ví dụ, đèn natri cao áp có ống hồ quang dưới áp suất 100 đến 200 torr, khoảng 14% đến 28% áp suất khí quyển; một số đèn pha HID ô tô có tới 50 bar hoặc gấp năm mươi lần áp suất khí quyển.
Đèn halogen kim loại tạo ra ánh sáng gần như trắng và đạt được 100 lum trên mỗi watt ánh sáng. Các ứng dụng bao gồm chiếu sáng trong nhà của các tòa nhà cao tầng, bãi đỗ xe, cửa hàng, địa hình thể thao.
Đèn natri cao áp, tạo ra tới 150 lumens mỗi watt tạo ra phổ ánh sáng rộng hơn so với đèn natri áp suất thấp. Cũng được sử dụng để chiếu sáng đường phố và quang hóa nhân tạo để trồng cây
Đèn hơi thủy ngân áp suất cao là loại đèn cao áp lâu đời nhất và đã được thay thế trong hầu hết các ứng dụng bằng halogen kim loại và đèn natri cao áp. Chúng đòi hỏi một chiều dài vòng cung ngắn hơn.
Đèn phóng điện cường độ cao [ chỉnh sửa ]
Đèn phóng điện cường độ cao (HID) là loại đèn điện tạo ra ánh sáng bằng hồ quang điện giữa các điện cực vonfram được đặt bên trong một ống thạch anh trong suốt hoặc trong suốt hoặc ống hồ quang alumina hợp nhất. So với các loại đèn khác, công suất hồ quang tương đối cao tồn tại cho chiều dài hồ quang. Ví dụ về đèn HID bao gồm đèn hơi thủy ngân, đèn halogen kim loại, đèn halogen kim loại xả gốm, đèn hơi natri và đèn hồ quang xenon
Đèn HID thường được sử dụng khi cần mức độ hiệu quả năng lượng và ánh sáng cao.
Các ví dụ khác [ chỉnh sửa ]
Đèn flash Xenon tạo ra một tia sáng duy nhất trong phạm vi mili giây và thường được sử dụng trong phim, chụp ảnh và chiếu sáng sân khấu. Các phiên bản đặc biệt mạnh mẽ của loại đèn này, được gọi là đèn nhấp nháy, có thể tạo ra các chuỗi dài của đèn flash, cho phép kiểm tra chuyển động stroboscopic. Điều này đã được sử dụng trong nghiên cứu về chuyển động cơ học, trong y học và trong ánh sáng của vũ trường.
Xem thêm
Liên kết ngoài [ chỉnh sửa ]