Cơ chế hoạt động của đèn huỳnh quang

Đèn huỳnh quang có ở khắp nơi xung quanh ta, nhưng làm thế nào nó có thể phát sáng và hoạt động hiệu quả hơn bóng đèn sợi đốt gấp nhiều lần?

Từ khi được kỹ sư người Mỹ Peter Cooper Hewitt sáng chế vào năm 1902 và được phổ biến từ 1939 đến nay, đèn huỳnh quang được cải tiến để sử dụng rộng rãi từ gia đình cho đến các cửa hàng, văn phòng, đường phố… với vô số kiểu dáng, màu sắc, kích thước, công suất tùy theo công dụng của chúng.  

Đèn huỳnh quang phát sáng

Đèn huỳnh quang có cấu tạo gồm hai bộ phận chính đó là ống tuýp đèn và hai điện cực ở hai đầu. Cơ chế phát sáng của đèn huỳnh quang khá phức tạp điễn ra bên trong ống thủy tinh hình trụ bịt kín. Ống được hút chân không, bên trong có một chút thủy ngân và được bơm đầy khí trơ, thường là khí argon hay neon. Mặt bên trong ống được tráng một lớp lớp huỳnh quang tức là bột phốt pho. Ống có hai điện cực ở hai đầu, được nối với mạch điện xoay chiều.

Khi ta bật công tắc đèn sẽ xảy ra hiện tượng hồ quang điện tức là sự phóng điện trong khí trơ để kích thích tạo ra ánh sáng. Hiện tượng này như sau: Khi dòng điện đi vào và gây ra một hiệu điện thế lớn giữa các điện cực thì các dây tóc trên các đầu điện cực nóng lên, phát xạ ra các hạt electron di chuyển trong ống với vận tốc cao từ đầu này đến đầu kia. Trên đường vận động, chúng va chạm vào các phân tử khí trơ làm phóng ra nhiều các hạt ion hơn.

Quá trình này tỏa nhiệt sẽ làm thủy ngân trong ống hóa hơi. Khi các electron và ion di chuyển trong ống, chúng sẽ va chạm vào các nguyên tử khí thủy ngân. Những va chạm này sẽ làm các nguyên tử thủy ngân phát xạ ra các photon ánh sáng cực tím tức là các tia tử ngoại mà mắt thường không thấy được. Do đó, loại ánh sáng này cần phải được chuyển đổi thành ánh sáng nhìn thấy để thắp sáng bóng đèn và đây chính là nhiệm vụ của lớp huỳnh quang trong ống.

Khi những tia cực tím này va chạm vào mặt trong bóng đèn, nó sẽ làm cho các nguyên tử phốt pho giải phóng ra các hạt photon dạng tia hồng ngoại với ánh sáng trắng mắt thường có thể thấy được mà không sinh ra nhiệt lượng lớn. Các nhà sản xuất có thể thay đổi màu sắc của ánh sáng bằng cách sử dụng các hợp chất huỳnh quang khác nhau.

Trong các loại bóng đèn sợi đốt, chúng cũng phát ra một ít tia tử ngoại nhưng không được chuyển đổi sang tia hồng ngoại như cơ chế của đèn huỳnh quang. Đồng thời các đèn sợi đốt cũng tỏa nhiệt nhiều hơn bởi các sợi tóc nóng sáng do đó làm lãng phí năng lượng. Chính vì vậy, một bóng đèn huỳnh quang có hiệu suất phát sáng hiệu quả hơn một bóng đèn sợi đốt thông thường từ 4-6 lần với tuổi thọ khoảng 8.000 giờ.

Đèn huỳnh quang hoạt động

Đèn huỳnh quang là dạng đèn phóng điện trong môi trường khí. Sự phóng điện trong môi trường khí không giống như trong dây dẫn, vì để có được sự phóng điện trong ống đòi hỏi phải có một hiệu điện thế hay điện áp ban đầu đủ lớn giữa hai điện cực để tạo ra hồ quang điện kích thích sự phát sáng. Do vậy, bóng đèn cần phải mồi phóng điện nhờ hai bộ phận là chấn lưu hay còn gọi là tăng phô và tắc te (starter).

Chấn lưu: Chấn lưu được mắc nối tiếp với hai đầu điện cực, có tác dụng điều chỉnh và ổn định tần số của dòng điện. Nó là một cuộn dây cảm kháng có tác dụng duy trì độ tự cảm tức là điện áp rơi trên nó để điện áp trên bóng luôn khoảng từ 80 -140V.

Tắc te: Tắc te được mắc song song với hai đầu điện cực. Bản chất của nó là một tụ điện dùng rơle nhiệt lưỡng kim, bên trong chứa khí neon. Khi có dòng điện đi qua, hai cực của nó tích điện đến một mức nào đó thì phóng điện. Nó có tác dụng khởi động đèn ban đầu.

Khi bật công tắc, lúc này điện áp giữa hai đầu cực là 220V chưa đủ lớn để phóng điện. Khi đó, vì tắc te mắc song song với bóng đèn nên nó cũng có điện áp là 220V và đóng vai trò như con mồi sẽ phóng điện khiến hai mạch của nó nóng lên chạm vào nhau khép kín mạch điện.

Tuy nhiên, sau một lúc nó sẽ bị nguội đi và co lại gây hở mạch đột ngột. Khi đó cuộn chấn lưu sẽ bị mất điện áp và sẽ sinh ra một suất điện động chống lại sự mất của dòng điện ban đầu. Lúc này trên hai điện cực của đèn có điện áp bằng tổng điện áp trên chấn lưu cộng với điện áp đầu vào là 220V gây ra một tổng điện áp khoảng 350V đến 400V giữa hai điện cực bóng đèn (tùy vào đèn bị lão hóa, đen đầu nhiều hay ít). Khi đó, nó sẽ tạo thành một nguồn điện cao nung nóng dây tóc bóng đèn, hiện tượng hồ quang điện như đã giải thích ở trên sẽ xảy ra và đèn phát sáng. Nếu đèn chưa cháy thì tắc te sẽ phải khởi động vài lần gây nên hiện tượng “chớp tắt” mà chúng ta thường thấy.

Đồng thời, khi đèn đã sáng lên, chấn lưu lại có nhiệm vụ giảm điện áp lên bóng đèn, duy trì ở mức 80 - 140V tùy theo từng loại đèn. Tắc te lúc này không còn tác dụng vì điện áp đặt lên hai đầu tắc te nhỏ hơn điện áp hoạt động của nó và đèn sáng liên tục.

Sử dụng chấn lưu điện từ có ưu điểm là rẻ tiền, dễ lắp ráp sửa chữa, tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là khởi động chậm, hay khó khởi động khi giảm áp lưới điện.  Do vậy, người ta có thể thay thế bằng loại chấn lưu điện tử không cần tắc te có thể khởi động ngay lập tức do đó tiết kiệm hơn nhưng cũng đắt hơn.

Ngày nay, với chủ trương tiết kiệm điện và sử dụng năng lượng hiệu quả của Nhà nước thì việc sử dụng các loại đèn huỳnh quang, compact huỳnh quang không những gọn nhẹ lại tiết kiệm chi phí với hiệu suất cao hơn bóng đèn sợi đốt nhiều lần.

Ngọc Vân