Đèn HPS là gì? Đèn HPS là viết tắt của High Pressure Sodium ở Việt Nam thường được gọi là đèn cao áp Sodium hay đèn cao áp Natri.
Chiếc đèn Sodium đầu tiên được sản xuất và bán ra bởi Philips ở Hà Lan vào năm 1932. Có hai loại bóng đèn Sodium là đèn thấp áp Sodium (LPS / Low Pressure Sodium) và đèn cao áp Sodium (HPS). Chúng thường được sử dụng để chiếu sáng đường, và chiếu sáng trong công nghiệp. Bài viết này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu chúng là hoạt động ra sao và ưu nhược điểm của chúng.
Đèn natri áp suất thấp (LPS) có ống đèn làm bằng thủy tinh borosilicate bên trong có chứa natri rắn, một lượng nhỏ hỗn hợp khí neon và agon để khởi động quá trình phóng điện. Ống đèn có thể ở dạng ống dài (đen SLI) hoặc hình chữ U. Khi đèn mới được bật đèn phát ra ánh sáng mờ màu đỏ/hồng do quá trình làm nóng natri; sau một vài phút natri hóa hơi thì đèn mới hoạt động và phát ra ánh sáng màu vàng. Đèn hầu như chỉ phát ra ánh sáng đơn sắc màu vàng có bước sóng khoảng 589.3 nm do vậy rất khó để phân biệt màu sắc của vật thể được chiếu sáng.
Ống đèn LPS được bao bởi một lớp chân không, nhằm mục đích cách nhiệt từ đó làm tăng hiệu suất đèn. Đèn LPS đời cũ có lớp chân không có thể tháo ra được (đèn SO). Đèn có lớp chân không cố định (SOI) được phát triển nhằm tăng hiệu quả cách nhiệt. Cải tiến sau này người ta phủ thêm một lớp phản xạ hồng ngoại làm bằng ô-xít thiếc-indi (SOX)
Đèn LPS là một trong những loại đèn có hiệu suất cao nhất có thể đạt 200lm/W. Đèn chủ yếu dùng để chiếu sáng ngoài trời (ví dụ chiếu sáng công cộng, an ninh), khi không cần thiết phải phân biệt màu sắc. Một số nghiên cứu gần đây cho rằng trong điều kiện ánh sáng yếu thì ánh sáng trắng cho tầm nhìn tốt hơn.
Tương tự đèn huỳnh quang đèn LPS phát ra ánh sáng dịu và có dạng thẳng. Nó không phát ra ánh sáng chói như các dạng đèn phóng điện cường độ cao (HID), nó phát ra ánh sáng dịu hơn, và ít chói hơn. Không như đèn HID đèn LPS rất nhanh hồi phục độ sáng trong trường hợp điện chập chờn. Đèn LPS có các loại có công suất từ 10 W đến 180 W; có thể làm được đèn có ống đèn dài hơn, tuy nhiên do vấn đề về thiết kế và kỹ thuật nên người ta không làm ra những loại đèn đó.
Đèn LPS hiện nay có tuổi thọ khoảng 18000 giờ và độ sáng không giảm trong suốt tuổi thọ đèn mặc dù công suất tiêu thụ sẽ tăng dần đến khoảng 10% khi hết tuổi thọ. Điều này khác với đèn hơi thủy ngân HID, có độ sáng giảm dần theo tuổi thọ, nhưng công suất tiêu thụ không đổi.
Đèn natri áp suất cao (HPS) được sử dụng một cách thông dụng trong việc chiếu sáng cho cây trồng. Ngoài ra chúng còn được sử dụng rộng rãi trong việc chiếu sáng ngoài trời như làm đèn đường và đèn bảo vệ. Cần có hiểu biết về sự thay đổi về khả năng phân việt mầu sắc của con người trong điều kiện ánh sáng yếu và ban đêm thì mới có thể có kế hoạch thiết kế hợp lý trong chiếu sáng giao thông.
Đèn HPS có hiệu suất khá cao vào khoảng 100 lm/W – trong điều kiện ánh sáng đầy đủ. Đèn có công suất cao hơn (600W) và hiệu suất cao hơn (150 lm/W)
Bởi vì hơi natri có khả năng hoạt động hoá học rất mạnh, ống đèn thường được làm bằng lớp nhôm ô xít trong suốt. Cấu trúc này đã được General Electronic đăng ký bảo hộ với tên thương mại là “Lucalox” cho dòng bóng đèn HPS của họ.
Khí xenon trong điều kiện áp suất thấp được sử dụng làm “khí khởi động” trong đèn HPS. Do nó có độ dẫn nhiệt thấp nhất và khó có khả nằn bị ion hoá trong tất cả các loại khí trơ. Vì là khí trơ nên nó sẽ không làm ảnh hưởng đến phản ứng hoá học diễn ra khi đèn hoạt động. Độ dẫn nhiệt kém làm giảm sự tổn thất nhiệt khi bóng hoạt động, và do khó bị ion hoá nên đèn sẽ có điện áp khởi động thấp, làm đèn dễ dàng khởi động hơn.
Một biến thể khác của đèn cao áp Sodium được giới thiệu vào năm 1986, đèn SON có áp suất cao hơn đền HPS/SON thông thường, tạo ra ánh sáng có nhiệt độ màu 2700 K và chỉ số hoàn màu (CRI) là 85, gần tương tự với màu sắc của đèn sợ đốt. Loại đèn này thường được sử dụng để chiếu sáng trong nhà tại quán cafe nhà hàng để tạo hiệu ứng thẩm mỹ. Tuy nhiên đèn SON “Trắng” có giá thành cao, tuổi thọ ngắn và hiệu suất thấp nên không thể cạnh tranh với đèn HPS tại thời điểm đó.
Nguyên lý hoạt động
Hỗn hống của natri và thuỷ ngân nằm tại vị trí có nhiệt độ thấp nhất của đèn và cung cấp hơi natri và thuỷ ngân cần thiết để tạo ra hồ quang. Nhiệt độ của hỗn hống được quyết định phần lớn bởi công suất đèn. Công suất đèn càng lớn thì nhiệt độ của hỗn hống càng lớn. Nhiệt độ hỗn hống càng lớn thì áp suất hơi thuỷ ngân và natri càng lớn và cần điện áp hoạt động càng lớn. Khi nhiệt độ tăng, cường độ dòng điện được giữ nguyên và điện áp tăng dần đến khi đạt được công suất hoạt động. Tại điện áp được cung cấp, thông thường ta có 3 chế độ hoạt động:
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 tục làm tăng dòng. Điều này tạo ra hiệu ứng chạy-quá làm cho đèn vọt tới trạng thái dòng cao. Bởi vì thực tế đèn không được thiết kế để chịu được năng lượng lớn, nên điều này sẽ đẫn tới cháy nổ đèn. Tương tự, khi dòng giảm bất thường sẽ làm cho đèn bị tắt. 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. Kết quả là tuổi thọ trung bình của đèn có thể vượt qua 20 000 giờ.
Trong thực tế, đèn được cấp điện xoay chiều AC từ lưới một cách liên tục với chấn lưu cuộn cảm, hơn là một điện áp cố định, điều này đảm bảo quá trình hoạt động được ổn định. Chấn lưu được sử dụng thường là chấn lưu điện cảm hơn là cung cấp trực tiếp qua điện trở để giảm tổn thất năng lượng do trở kháng. Bởi vì đèn sẽ tắt tại thời điểm điện áp bằng không trong chu trình của dòng điện xoay chiều, chấn lưu điện cảm sẽ có tác dụng mồi đèn nhờ cung cấp xung áp tại điểm điện áp bằng 0.
Ánh sáng phát ra từ đèn gồm có các vạch phát xạ từ thủy ngân và natri, nhưng chủ yếu phát xạ là từ vạch D-line của natri. Vạch này có tính cộng hưởng áp suất mạnh và cũng có tính tự hấp thu bởi vì sự hấp thu tại lớp có nhiệt độ thấp hơn của hồ quang, làm cho ánh sáng đèn có khả năng thể hiện màu tốt hơn. Ngoài ra, tại phía đỏ của vạch phát xạ D-line cũng được mở rộng nhờ lực Van der Waals từ nguyên tử thủy ngân trong hồ quang.
Khi đèn hết tuổi thọ
Tại điểm kết thúc vòng đời, đèn natri áp suất cao (HPS) xuất hiện hiện tượng được biết đến với tên gọi “nhấp nháy”, gây ra bởi sự mất mát natri trong hồ quang. Natri là kim loại có tính hoạt động hóa học mạnh và mất dần trong phản ứng với nhôm ô-xít trong ống hồ quang. Sản phẩm tạo ra là natri ô-xít và nhôm:
6 Na + Al2O3 → 3 Na2O + 2 AlKết quả là, những đèn đó có thể hoạt động được với điện áp thấp, nhưng, do chúng bị nóng lên trong quá trình hoạt động, áp suất khí bên trong ống đèn tăng lên, và điện áp cần để giữ hồ quang càng tăng lên. Khi bóng đèn già, điện áp duy trì cho hồ quang cuối cùng tăng lên vượt quá khả năng đáp ứng của chấn lưu. Khi đèn chạm tởi điểm này, hồ quang không được hình thành, bóng đèn hỏng. Cuối cùng, cùng với hồ quang bị tắt, nhiệt độ đèn giảm, áp suất trong ống đèn giảm, và chấn lưu lại có khả năng tạo ra hồ quang. Tác động này làm cho đèn có thể phát sáng trong một thời gian rồi tắt, rồi lại sáng, thông thường ban đầu ánh sáng trắng hoặc hơi xanh rồi chuyển thành màu đỏ cam trược khi tắt.
Một số chấn lưu có thiết kế phức tạp hơn có thể xác định được hiện tượng “nhấp nháy” và sẽ không cố gắng để khởi động đèn sau một vài chu kỳ, do việc phải lặp đi lặp lại việc tạo ra điện áp mồi cao để khởi động lại hồ quang sẽ làm giảm thời gian sống của chấn lưu. Nếu nguồn bị tắt và được cung cấp lại, chấn lưu sẽ tiếp tục tạo ra quá trình khởi động mới.
Đèn LPS hỏng sẽ không gây ra hiện tượng “nhấp nháy”, mà đèn sẽ không thể phát sáng hoặc tạo ra ánh sáng yếu màu đỏ trong pha khởi động. Trong một chế độ hỏng khác, khi có một số lỗ nhỏ làm cho hơi natri từ ống hồ quang rò rỉ vào bóng chân không. Natri sẽ ngưng tụ và tạo ra một lớp phản chiếu trong lớp kính ngoài, ngăn cản một phần ánh sáng từ ống hồ quang. Đèn có thể hoạt động bình thường nhưng hầu hết ánh sáng bị chặn bởi lớp phủ natri khiến cho đèn bị tối hoặc thậm chí không sáng.
Dựa vào tất cả những thông tin đã được kể đến ở trên, chúng ta cùng thống kê lại những ưu và nhược điểm của công nghệ đèn HPS so với các loại đèn khác.
Ưu điểm:
Nhược điểm:
Hiện tại với khoa học công nghệ phát triển rất nhanh như hiện tại. Một loại đèn mới đã ra đời với các tính năng vượt trội đó là đèn LED. So với đèn HPS có thể nói chúng khắc phục toàn bộ nhược điểm của đèn và có các ưu điểm tốt hơn đèn HPS nữa. Trong thời điểm hiện tại chắc chắn đây là sự lựa chọn hàng đầu cho bất kì ứng dụng chiếu sáng nào. Xem thêm:
