Các loại bóng đèn

Các loại bóng đèn. (Nguồn: energy.gov)

Khoảng mười năm trước đi mua bóng đèn là một chuyện đơn giản. Nếu

muốn sáng thì mua bóng 75 hay 100 watt, không muốn sáng lắm thì

mua bóng 40 hay 60 watt.

Bây giờ không còn đơn giản như vậy nữa, ngoài bóng đèn bình thường

còn có bóng Halogen, bóng CFL, và bóng LED. Biết chọn cái nào? Cái

nào tốt, cái nào xấu? Trong bài này chúng tôi nói về các loại bóng đèn

và sự lợi hại của chúng.

Bóng đèn nóng sáng (incandescent bulb)

Chữ “bóng đèn nóng sáng” thật ra không có gì khác hơn là bóng đèn vẫn

thường dùng. Sở dĩ gọi như vậy là để phân biệt với những loại bóng đèn

khác. Vào đầu thế kỷ thứ 18, sau khi phát minh ra điện, các nhà sáng chế

bên Âu Châu đã nghĩ đến việc dùng điện để phát ra ánh sáng thay cho đèn

dầu. Tuy nhiên phải mất rất nhiều năm mới hoàn thành được bóng đèn.

Từ ông Humphrey Davy bên Anh năm 1802 phát minh ra đèn điện đầu tiên,

tới ông Thomas Edison được cấp bằng sáng chế về bóng đèn điện bên Hoa

Kỳ vào năm 1879.

Vấn đề khó khăn là dây tóc đèn (filament) không bền, hay bị cháy. Lịch sử

cho biết là ông Edison đã thử nghiệm tới 3,000 kiểu bóng đèn khác nhau từ năm 1878 đến năm 1880. Sau đó thì ông Edison dành suốt một năm để tìm chất liệu hoàn hảo cho dây tóc đèn, ông đã thử nghiệm tới 6,000 loại cây cỏ.

Bóng đèn nóng sáng thường gồm có một trái cầu bằng thủy tinh, bên trong chứa một chất khí trơ (inert gas) và một dây tóc đèn bằng tung-ten (tungsten) nối với dây điện. Khi bật đèn lên thì một dòng điện chạy qua dây tung-ten làm cho dây này nóng lên cao độ và phát ra ánh sáng.

Bóng đèn Halogen

Đèn Halogen trên nguyên tắc là một loại bóng đèn nóng sáng. Nghĩa là vẫn dùng tung-ten làm dây tóc đèn, nhưng vỏ bọc bằng thạch anh (quartz) chứ không bằng thủy tinh và chất hơi bên trong có một ít chất hơi thuộc họ halogen như iodine hay bromine. Với những kỹ thuật này nên bóng đèn Halogen có thể cháy sáng với nhiệt độ cao hơn bóng đèn thường rất nhiều

và như vậy tăng năng suất của bóng đèn lên gấp đôi. Tuy nhiên một trở ngại lớn của bóng đèn Halogen là sức nóng quá cao. Nếu để gần một vật gì dễ cháy có thể gây hỏa hoạn.

Bóng đèn nóng sáng tuy rẻ tiền nhưng hiệu năng rất thấp. Chỉ có 10% năng lượng dùng làm sáng còn 90% thì bị thất thoát như là nhiệt. Đèn Halogen thì khá hơn, 20% năng lượng dùng để tỏa sáng còn 80% thì thất thoát. Vì lý do đó hầu hết các nước trên thế giới đã loại dần bóng đèn nóng sáng thường và thay vào đó là bóng đèn Halogen hay hai loại bóng đèn mới. Đó là bóng đèn huỳnh quang gọn (compact fluorescent lamp CFL) và bóng đèn đi-ốt phát quang (light emitting diode LED). Trong bài này chúng tôi dùng chữ bóng đèn CFL và LED cho tiện.

Đơn vị đo ánh sáng

Hồi trước người ta thường dùng watt để phân biệt các bóng đèn, như 60 watt hay 100 watt, với ý nghĩa watt là đơn vị đo ánh sáng. Thật ra không phải vậy, watt là đơn vị đo lượng tiêu thụ điện. Đơn vị đo ánh sáng tỏa ra là lu-men (lumen). Một lu-men tương đương với ánh sáng tỏa ra bởi một đèn cầy.

Để được chính xác các nhà sản xuất bóng đèn bắt đầu dùng từ lu-men thay cho watt, thí dụ như trên hộp bóng đèn có in chữ “300 lumens.” Nhưng vì người ta vẫn quen với watt nên họ còn để thêm câu “40 watt equivalent.”

Bóng đèn CFL

Tiền thân của đèn CFL là đèn huỳnh quang (fluorescent lamp). Đèn huỳnh quang hồi xưa còn được gọi là đèn nê-ông (theo tiếng Pháp néon) hay đèn ống vì nó dài như cái ống. Loại đèn huỳnh quang mới nhỏ và gọn hơn nhiều, nên gọi là bóng đèn huỳnh quang gọn CFL. Có nhiều hình thể của bóng đèn CFL (nguồn: energy.gov), như hình sau đây:

Nguyên tắc bóng đèn CFL

Khi bật đèn huỳnh quang lên thì một dòng điện đi qua một môi trường khí trơ có trộn một ít khí thủy ngân để dẫn điện. Khí này phát ra ánh sáng tử ngoại (ultraviolet light), ánh sáng này mắt thường không nhìn thấy. Nhưng tia tử ngoại tác động với một hợp chất đặc biệt phốt-pho tráng quanh phần trong của đèn và biến thành ánh sáng trắng, mắt thường thấy được. Hình minh họa nguyên tắc đèn huỳnh quang (nguồn: energy.gov):

Đèn huỳnh quang cần có một dụng cụ đặc biệt, gọi là chấn lưu (ballast), dùng để điều hòa dòng điện và cung cấp điện áp lúc khởi đầu. Có hai loại chấn lưu, loại cũ là chấn lưu từ (magnetic ballast) không còn được dùng nữa và loại mới là chấn lưu điện tử (electronic ballast).

Chấn lưu điện tử có hiệu năng cao hơn và không có tiếng kêu như chấn lưu từ. Tuy nhiên vẫn phải chờ một lúc đèn mới sáng. Nhưng nó có khả năng làm đèn mờ đi (dimmable) và nối vào mạng để có thể kiểm soát ánh sáng một cách dễ dàng.

Bóng đèn CFL có hiệu năng cao hơn bóng đèn nóng sáng, dùng năng lượng ít hơn khoảng từ 25% đến 80% và cũng bền hơn. Một bóng đèn CFL có thể kéo dài tới 10,000 giờ, tức là bền hơn bóng đèn thường từ 3 tới 25 lần.

Bóng đèn LED

Ông Nick Holonuak phát minh ra đèn LED năm 1962 khi đang làm cho công ty GE. Nhưng công ty Texas Instrument có bằng sáng chế và bán đèn LED đầu tiên. Cho tới gần đây chỉ có đèn LED màu đỏ và màu xanh lá cây như thường thấy trên các dụng cụ điện tử.

Nguyên tắc bóng đèn LED

Như tên gọi, bóng đèn đi-ốt phát quang (LED) là một đi-ốt phát ra ánh sáng. Đi-ốt là một chất bán dẫn điện (semiconductor) cho phép dòng điện chạy qua theo một chiều. Chất bán dẫn điện được cấu tạo bởi hai thành phần gọi là p-type và n-type. Ở giữa là mặt tiếp giáp (junction). Phía bên p-type có những “lỗ hổng” để nhận điện tử (electron), phía bên n-type có dư điện tử.

Khi dòng điện đi qua thì điện tử từ bên n-type đi qua bên p-type để lấp vào lỗ hổng. Khi đó điện tử phóng thích năng lượng theo dạng quang tử (photon), tức là phát ra ánh sáng. Đây là hình minh họa của đi-ốt phát quang (nguồn: http://www.colorkinetics.com):

Tùy theo chất liệu dùng làm chất bán dẫn ánh sáng phát ra có màu khác nhau. Vì hiệu năng cao nên từ lâu người ta đã muốn dùng LED cho đèn thường nhưng không có chất bán dẫn nào mà phát ra ánh sáng trắng như bóng đèn nóng sáng hay bóng đèn CFL. Người ta cũng biết rằng có thể tạo ra ánh sáng trắng bằng cách phối hợp ánh sáng ba màu đỏ, xanh lá cây và xanh. Nhưng cho tới thập niên 1990 chưa có ai làm được LED với ánh sáng xanh.

Năm 1991 ông Shuji Nakamura đã thí nghiệm thành công việc dùng chất bán dẫn gallium nitride để tạo LED với ánh sáng xanh. Được biết ông Nakamura lúc ấy đang làm cho Nichia, một công ty rất nhỏ bên Nhật. Ông làm việc nghiên cứu dưới một điều kiện khó khăn. Nhưng vì tính kiên trì, chịu khó và khéo léo ông đã làm được một việc mà chưa có ai làm được. Vì khám phá này ông Nakamura đã được trao giải Nobel về vật lý vào năm 2014.

Đặc điểm của bóng đèn LED

Bóng đèn LED đắt hơn các thứ bóng đèn khác, nhưng tính về lâu về dài thì mua bóng đèn LED có lợi hơn vì có nhiều điểm tốt. Những đặc điểm của bóng đèn LED:

-Hiệu năng cao và có thể giảm năng lượng tiêu thụ tới 80% so với bóng đèn thường.

-Rất là bền, có thể dùng tới 25,000 giờ.

-Ít phải bảo trì.

-Không tỏa nhiệt.

-Nhỏ, có thể nhỏ tới mức 0.3 mm x 0.3 mm.

-Bật lên là sáng liền.

-Màu sắc rực rỡ.

 

——-

Nguồn tài liệu: http://www.livescience.com, http://www.energystar.gov, http://www.consumerenergycenter.org, http://www.colorkinetics.com