Đèn dây tóc

Đèn dây tóc, còn được gọi là đèn sợi đốt, là loại bóng đèn phát sáng nhờ vào dây tóc được làm nóng. Dây tóc là phần quan trọng tạo ra ánh sáng, và ánh sáng này được truyền qua lớp vỏ thủy tinh trong suốt. Dây tóc – phần phát sáng chính – được bảo vệ bằng lớp thủy tinh trong suốt hoặc mờ, đã được hút hết không khí và bơm khí trơ (hoặc khí hiếm). Kích thước của bóng đèn phải đủ lớn để chịu đựng nhiệt độ cao mà không bị nổ. Hầu hết bóng đèn được lắp vào đui đèn, dòng điện đi qua đuôi đèn, rồi qua đuôi kim loại đến dây tóc, làm nó nóng và phát sáng. Đèn dây tóc hiện ít được sử dụng hơn vì công suất tiêu tốn lớn (thường là 60W) và hiệu suất phát quang thấp (chỉ khoảng 5% điện năng biến thành ánh sáng, phần còn lại tỏa nhiệt khiến bóng đèn nóng và có thể gây bỏng). Đèn dây tóc hoạt động với điện áp từ 1,5 vôn đến 300 vôn.

Về nguồn gốc của bóng đèn dây tóc, các nhà sử học Robert Friedel và Paul Israel đã xác định có tới 22 nhà phát minh trước Joseph Swan và Thomas Edison (1847 – 1931). Họ kết luận rằng phiên bản đèn dây tóc của Edison (sản xuất hàng loạt từ năm 1880) vượt trội hơn các phiên bản khác nhờ vào ba yếu tố chính: vật liệu dây tóc hiệu quả hơn, độ chân không trong bóng đèn cao hơn nhờ bơm Sprengel và điện trở cao hơn giúp phân phối điện từ nguồn trung tâm một cách kinh tế (còn gọi là đèn nung sáng).

Tuy nhiên, do đèn tiêu tốn năng lượng không hiệu quả (khoảng 10-22 lumen / watt so với 61-140 lumens / watt của đèn LED trắng), từ năm 2007, một số quốc gia và vùng lãnh thổ, bao gồm Liên minh Châu Âu, Thụy Sĩ, Trung Quốc và Úc, đã quyết định từng bước cấm sản xuất và phân phối các bóng đèn dây tóc với hiệu suất năng lượng thấp. Việc này nhằm nâng cao hiệu suất năng lượng và tiết kiệm năng lượng.

Lịch sử

Vào năm 1800, nhà phát minh người Ý Alessandro Volta đã tạo ra phương pháp đầu tiên để sản sinh điện, gọi là cột volta.

Năm 1809, Humphrey Davy đã trình diễn đèn hồ quang carbon đầu tiên tại Viện Hoàng Gia ở London. Đến năm 1877, đèn hồ quang được lắp đặt bên ngoài Nhà hát Kịch Balê Paris. Những đèn này hoạt động giống như nến, với hai thanh carbon đồng trục phát sáng khi được tách nhau ra. Đèn hồ quang xuất hiện vào thời điểm quan trọng khi điện bắt đầu xuất hiện trong đời sống hàng ngày, thời điểm sau cuộc nội chiến Mỹ hơn mười năm. Với nhiều người, đèn hồ quang là thiết bị điện đầu tiên họ thấy.

Vào tháng 1 năm 1879, tại phòng thí nghiệm ở Menlo Park, New Jersey, Thomas Edison – một trong những nhà phát minh vĩ đại nhất – đã tạo ra bóng đèn điện sợi đốt đầu tiên. Đèn hoạt động khi dòng điện đi qua dây tóc mỏng bằng platin trong một bóng thủy tinh chân không để chống oxy hóa. Ban đầu, đèn chỉ cháy được vài giờ. Đèn hiệu quả đầu tiên sử dụng dây tóc là sợi vải tẩm carbon. Vào trưa ngày 21 tháng 10 năm 1879, mẫu đèn đầu tiên của Edison đã hoạt động trong 45 giờ. Ngày hôm sau, Edison bắt đầu thử nghiệm với bìa các tôn tẩm carbon làm dây tóc. Vào đêm giao thừa 31 tháng 12 năm 1879, Edison đã trình diễn phát minh của mình tại công viên Menlo, New Jersey. Vào ngày 17 tháng 1 năm 1880, Edison được cấp bằng sáng chế số 223,898 cho bóng đèn này. Đó là kết quả của nhiều năm cải tiến liên tục của Edison và đến nay, đèn vẫn giữ thiết kế tương tự như đèn hiện đại. Đui đèn của bóng đèn thế kỷ 19 này vẫn giống như đui đèn ngày nay, là một trong những đặc điểm quan trọng của thiết kế đèn và hệ thống điện của Edison. Nhãn trên bóng đèn có dòng chữ: 'New Type Edison Lamp. Patented Jan. 27, 1880 OTHER EDISON PATENT.'

Đèn phóng điện công suất cao (HID) đã thay thế đèn sợi đốt từ đầu thế kỷ 20. Đèn HID đầu tiên là đèn hơi thủy ngân do Peter Cooper Hewitt chế tạo vào năm 1901, có hình dạng dài khoảng 1.2 mét và phát ánh sáng màu xanh – xanh lá cây.

Các đèn hơi thủy ngân bền chắc, tương tự như những mẫu đèn hiện đại, đã được đưa vào sử dụng từ năm 1934 với công suất 400 W.

Nghiên cứu về đèn hơi natri áp suất thấp bắt đầu từ những năm 1920. Ứng dụng thương mại đầu tiên của loại đèn này là chiếu sáng các đại lộ nối Beek và Geleen ở phía bắc Hà Lan vào ngày 1 tháng 7 năm 1932. Cùng năm đó, đường Purley Way ở London cũng được chiếu sáng bằng đèn này. Đèn hơi natri áp suất thấp nổi bật với ánh sáng màu vàng hổ phách.

Đèn huỳnh quang lần đầu tiên được trình diễn công khai tại hội chợ quốc tế ở New York vào năm 1937. Loại đèn này được thương mại hóa vào khoảng năm 1938. Đèn huỳnh quang là loại nguồn sáng phóng điện áp suất thấp, ánh sáng được phát ra nhờ lớp bột huỳnh quang được kích thích bởi tia cực tím phát ra từ hơi thủy ngân.

Đèn sợi đốt với dây tóc wolfram có pha thêm nguyên tố halogen được phát minh vào năm 1957 và bắt đầu được sử dụng từ năm 1960 để chiếu sáng các cảnh trong nhà hát kịch. Loại bóng đèn này thường bị đen theo thời gian do wolfram bay hơi khỏi dây tóc và bám lên thành bóng đèn. Hơi halogen giúp tự làm sạch bằng cách kết hợp với nguyên tử wolfram bay hơi và lắng đọng lại trên dây tóc.

Đèn hơi kim loại halide được phát triển vào khoảng năm 1960. Đèn halide là loại đèn phóng điện trong môi trường hơi thủy ngân áp suất cao, với thêm hơi của các nguyên tố halogen.

Đèn hơi Natri áp suất cao đã được sử dụng phổ biến ngay khi ra mắt vào năm 1966. Loại đèn này cung cấp độ rọi cao hơn so với đèn thủy ngân, huỳnh quang hoặc sợi đốt, và ánh sáng của nó tự nhiên hơn so với đèn Natri áp suất thấp.

Cấu trúc

Bao gồm sợi đốt, vỏ thủy tinh và đuôi đèn

- Sợi đốt được chế tạo từ Wolfram, có khả năng chịu nhiệt tốt và chuyển đổi điện năng thành ánh sáng.

- Vỏ đèn làm từ thủy tinh chịu nhiệt, có khả năng chống chịu nhiệt độ cao và bảo vệ sợi đốt bên trong.

- Đuôi đèn (đuôi xoáy E27 hoặc E14 và đuôi ngạnh B22) được chế tạo từ đồng hoặc sắt tráng kẽm, gắn chặt với bóng thủy tinh, và có nhiệm vụ kết nối với hệ thống điện để cung cấp năng lượng cho đèn.

Đặc điểm

Cung cấp ánh sáng liên tục (không gây mỏi mắt). Hiệu suất phát quang thấp (không tiết kiệm năng lượng). Tuổi thọ ngắn (khoảng 1000 giờ). Đèn sợi đốt hiện nay có hai loại:

1. Loại chứa khí trơ: Bầu đèn lớn, bao gồm:

1. Đèn sợi đốt phổ biến:

Là đèn sử dụng sợi đốt wolfram tiêu chuẩn, có nhiều kiểu dáng bóng khác nhau (trong suốt, mờ, trắng đục, màu sắc, v.v.). Hiện nay, phổ biến nhất là loại trắng đục với công suất từ 15 đến 1000 watts, đi kèm với đui xoáy hoặc đui ngạnh. Một số loại còn có hình dạng trang trí như ngọn nến hoặc hình chữ nhỏ. Những bóng đèn này thường kém hiệu quả, với hiệu suất chỉ khoảng 11-19 lm/W. Thời gian sử dụng thường ngắn khoảng 1000 giờ, nhưng giá thành ban đầu thấp và có chỉ số hoàn màu CRI=100, nhiệt độ màu CT=2700K. Với sự phát triển của đèn huỳnh quang compact và đèn sợi đốt halogen, việc tiếp tục sử dụng đèn sợi đốt truyền thống ngày càng ít được ưa chuộng.

1. Đèn sợi đốt có lớp phản xạ:

Là loại bóng đèn sợi đốt wolfram tiêu chuẩn với lớp phản xạ được phủ ở bên trong hoặc bên ngoài để tăng cường ánh sáng theo một hướng cụ thể. Có hai loại chính: bóng phản xạ nhôm dạng chùm và bóng phản xạ dạng nở xòe. Như các bóng sợi đốt khác, loại này cũng có tuổi thọ ngắn và hiệu suất rất thấp. Công suất của bóng dao động từ 40-300W.

2. Loại chứa khí Halogen: Bầu đèn nhỏ, công suất cao

Trong suốt quá trình sử dụng, việc bay hơi của sợi đốt wolfram gây ra hiện tượng làm đen vỏ thủy tinh, làm giảm cường độ ánh sáng. Dù có thể giảm hiện tượng này bằng cách sử dụng bóng thủy tinh lớn hơn, nhưng cường độ ánh sáng của bóng đèn vẫn bị suy giảm sau một thời gian sử dụng.

Sự ra đời của bóng đèn Halogen đã giải quyết vấn đề này. Bóng Halogen có công suất và tuổi thọ vượt trội hơn so với bóng đèn thông thường. Đây là thế hệ đèn mới với nhiều ưu điểm hơn đèn cũ: Đèn Halogen chứa khí halogen như i-ốt hoặc brom. Những khí này tạo ra một phản ứng hóa học kín: i-ốt kết hợp với wolfram bay hơi thành iodur wolfram. Hỗn hợp khí này không bám vào vỏ thủy tinh như các loại bóng đèn thông thường, mà thay vào đó, sự chuyển động đối lưu mang hỗn hợp này trở lại khu vực có nhiệt độ cao xung quanh dây tóc đèn (trên 1450°C), khiến nó phân tách thành hai chất: wolfram bám lại vào dây tóc và khí halogen được giải phóng trở lại dạng khí. Quá trình tái tạo này không chỉ ngăn cản sự đổi màu của bóng đèn mà còn giúp dây tóc hoạt động hiệu quả lâu dài. Đèn halogen cần phải hoạt động ở nhiệt độ cao hơn 250°C. Ở nhiệt độ này, khí halogen mới bắt đầu bay hơi. Vì lý do này, người ta thường sử dụng thủy tinh thạch anh để chế tạo bóng đèn, vì loại vật liệu này có khả năng chịu nhiệt và áp suất rất cao (khoảng 5 đến 7 bar), giúp dây tóc đèn sáng hơn và kéo dài tuổi thọ hơn so với bóng đèn thường.

Một ưu điểm khác của bóng đèn halogen là kích thước tim đèn nhỏ hơn so với bóng thông thường, cho phép điều chỉnh tiêu điểm chính xác hơn. (Lưu ý rằng trên thị trường hiện nay có nhiều bóng đèn giả halogen.)

Cách phân biệt đèn sợi đốt khí trơ và đèn sợi đốt khí halogen

Đèn sợi đốt phát sáng khi dòng điện đi qua sợi tóc wolfram, làm nó nóng đỏ và phát ra ánh sáng.

Đèn halogen cũng là một dạng đèn sợi đốt, nhưng bên trong bóng không chỉ chứa khí trơ mà còn có thêm khí halogen (i-ốt, brom), giúp khắc phục tình trạng bóng đèn bị đen do kim loại wolfram bốc hơi và tích tụ trên thành bóng. Mặc dù hiện tượng bốc hơi vẫn xảy ra, nhưng sự tích tụ wolfram trên thành bóng gần như không còn. So với đèn sợi đốt thông thường, với cùng công suất và tuổi thọ, đèn halogen có kích thước nhỏ hơn, hiệu suất sáng cao hơn và ổn định quang thông tốt hơn, được chế tạo với công suất từ vài watt đến vài chục kilowatt, dùng để chiếu sáng ngoài trời, trong các trường quay, máy sao chụp và máy chiếu.

Bóng đèn sợi đốt halogen thường có một hoặc hai đầu kết nối trực tiếp với nguồn điện lưới mà không cần bộ chuyển đổi. Dù thuộc loại bóng sợi đốt với hiệu suất không cao so với các loại bóng khác, nhưng nhờ vào sự hiện diện của khí halogen, chúng có hiệu suất cao hơn 20% so với bóng sợi đốt thông thường và đặc tính quang học ổn định hơn theo thời gian. Các bóng halogen mới được trang bị lớp phủ phản xạ tia hồng ngoại, giúp nâng cao hiệu suất lên đến 25-30% so với loại halogen truyền thống. Các đặc điểm chính của loại bóng đèn này bao gồm:

• Công suất từ 25-250 Watt (loại một đầu), và 60-2000 Watt (loại hai đầu)

• Nhiệt độ màu 3000 Kelvin, chỉ số hoàn màu CRI=100

• Hiệu suất chiếu sáng từ 11-17 lm/W (loại một đầu) và 14-23 lm/W (loại hai đầu)

• Tuổi thọ khoảng 2000 giờ (loại một đầu) và 3000 giờ (loại hai đầu)

Thông số kỹ thuật

Điện áp sử dụng phổ biến cho đèn sợi đốt là: 127V, 220V và 110V.

Các mức công suất tiêu chuẩn bao gồm: 15W, 25W, 40W, 60W, 75W, 100W, 200W, 300W.