1. Những chiếc đèn điện đầu tiên.
Những chiếc đèn điện đầu tiên được con người sáng tạo ra từ đầu những năm 40 của thế kỷ 19. Chiếu sáng là nhu cầu tự nhiên và tồn tại cùng với con người, thời tiền sử con người tạo ra ánh sáng nhờ đốt củi, sau đó dùng nến, rồi đến đèn dầu và đèn khí. Ý tưởng chiếu sáng bằng điện ra đời trên cơ sở phát hiện ra hồ quang điện của Pê-trốp (người Nga), và hiện tượng nung đỏ dây dẫn bằng dòng điện của Đê-vi (người Anh), đều vào năm 1802. Phát hiện của Pê-trốp mở ra hướng phát triển của đèn phóng điện, còn phát hiện của Đê-vi thì dẫn đến con đường của đèn sợi đốt. Ngay sau khi phát hiện hồ quang điện Pê-trốp đã kết luận: “có thể làm sáng tỏ đêm tối nhờ hồ quang điện”.

Những chiếc đèn điện đầu tiên được con người sử dụng trong thực tế là đèn hồ quang, ra đời vào 1844 và do Dzan-Bernar-Fucô (người Pháp) sáng chế. Trong đó ông đã dùng điện cực than quay thay cho điện cực than tĩnh, và nhờ đó kéo dài được thời gian duy trì của hồ quang đến mức có ý nghĩa thực tế.

Đèn hồ quang có mức sáng hay quang thông lớn, nhưng có thời gian duy trì ngắn vì các điện cực bị cụt dần trong quá trình cháy của hồ quang, và dễ gây hỏa hoạn vì cháy trong không gian hở. Những hạn chế này làm cho đèn hồ quang không được dùng trong chiếu sáng thông dụng, mà chủ yếu được dùng trong trong hải đăng, trong kính hiển vi và trong sân khấu. Năm 1847 nhà hát Opera Paris đã làm ngạc nhiên và tạo được một ấn tượng rất mạnh đối với khán giả nhờ sử dụng đèn hồ quang để tả cảnh mặt trời mọc trong vở diễn.

Hình1. Nguyên lý cấu tạo đèn hồ quang

Khi các điện cực cụt dần thì khoảng cách giữa chúng tăng dần làm cho hồ quang dễ tắt, do đó khoảng cách giữa hai điện cực cần được điều chỉnh liên tục trong quá trình làm việc của đèn. Việc này được thực hiện bằng tay trong các mẫu đèn đầu tiên, nhưng sau đó được tự động hóa nhờ ứng dụng kỹ thuật tự động hóa. Những chiếc đèn hồ quang dùng trong thực tế ở thời kỳ này đều có chung cấu tạo như minh họa trong hình 1, trong đó khoảng cách giữa hai điện cực được duy trì không đổi nhờ nam châm điện từ N. Các đèn này được sử dụng trong thực tế cho đến những năm 70 của thế kỷ 19, trước khi ra đời nến điện của La-blôch-kôv (Яблочков) vào năm 1876.

Cấu tạo của nến điện có dạng trong hình 2, trong đó hai điện cực than A và K được đặt song song và cách điện với nhau bằng lớp cách điện cháy được J, hai đầu trên của các điện cực được nối với nhau bằng một cầu dẫn điện có tiết diện nhỏ. Ngay sau khi được cấp điện cầu J đứt, và hồ quang xuất hiện nhưng sau đó khoảng cách giữa hai điện cực không thay đổi. Trong trường hợp này khoảng cách giữa hai điện cực không thay đổi, do đó hồ quang được duy trì khá ổn định mà không cần đến hệ thống điều chỉnh khoảng cách trước đây. Hơn nữa bằng cách thay đổi bề dày của lớp cách điện có thể điều chỉnh được năng lượng của hồ quang, do đó mức sáng của nến, đến mức phù hợp với chiếu sáng thông dụng. Về cách phát sáng được chế tạo rất giống với nến truyền thống nên đèn này được gọi là nến điện.

Hình 2. Nến điện

Nến điện nhanh chóng được sản xuất hàng loạt, được ứng dụng rộng rãi và đã tạo ra bước đột phá đầu tiên trong chiếu sáng và ngành chế tạo máy phát điện lúc bấy giờ. Nếu như trước khi có nhà máy sản xuất nến điện vào nămg 1976, hãng sản xuất máy điện Gramma chỉ xuất xưởng được vài chục, thì sau đó được hàng ngàn chiếc mỗi năm.

2. Một số loại đèn truyền thống
Công nghệ chiếu sáng điện nói riêng và kỹ thuật điện nói chung có bước nhảy vọt thứ hai nhờ phát minh ra đèn sợi đốt, loại đèn được con người sử dụng rộng rãi từ 1880 đến nay. Hiện tượng nung đỏ dây dẫn điện mà Đê-vi phát hiện vào năm 1802 nói đến ở trên đã được Lô-đư-gin (người Nga) nghiên cứu và ứng dụng để làm đèn chiếu sáng trong các năm từ 1870 đến 1978. Năm 1874 ông nhận bằng sáng chế ở Nga và sau đó đăng ký sáng chế ở một vài nước châu Âu. Những chiếc đèn đầu tiên của Lô đư gin có tuổi thọ từ 30 đến 40 phút, nhưng sau đó đạt được vài trăm giờ nhờ sử dụng bầu thủy tinh chân không.

Đèn sợi đốt tiếp theo được nhà phát minh vĩ đại Edison hoàn thiện. Ông đặt ra cho mình hai nhiệm vụ: 1) làm cho đèn có cường độ sáng phù hợp hơn với con người và 2) các đèn không ảnh hưởng lẫn nhau. Từ đó ông đi đến kết luận là phải dùng sợi đốt có điện trở cao, nhờ đó có thể mắc song song, thay cho mắc nối tiếp như tất cả các loại đèn trước đó. Edison nhận bằng sáng chế đèn có sợi đốt bằng bạch kim vào tháng tư năm 1879, và đèn có sợi đốt bằng than vào tháng hai 1880. Sau năm 1880 sản xuất và sử dụng đèn sợi đốt bùng nổ, kéo theo sự phát triển mạnh mẽ của nhiều ngành công nghiệp điện kỹ thuật; từ máy phát điện, các thiết bị phân phối và điều khiển điện, đến vật liệu cách điện. Đèn sợi đang được sử dụng phổ biến hiện nay chỉ khác đèn Edison ở vật liệu làm sợi đốt, sợi đó hiện nay được làm từ Vonfram.

3. Sự ra đời ngành kỹ thuật ánh sáng
Chiếu sáng là nhu cầu tự nhiên và không thay đổi của con người, do đó liên tục phát triển. Theo thời gian con người đã sử dụng ngày càng nhiều các dạng chiếu sáng khác nhau: chiếu sáng gia dụng và nhà xưởng, chiếu sáng đường phố và các công trình công cộng, chiếu sáng công nghệ và kiến trúc, chiếu sáng nghệ thuật và hiển thị thông tin,… Năng lượng điện con người dành cho chiếu sáng ngày càng tăng, hiện nay phần điện năng này chiếm đến 20% tổng điện sản xuất ra. Sự phát triển mạnh mẽ về loại hình và lượng điện năng chiếu sáng đã dẫn đến sự ra đời của nghành kỹ thuật ánh sáng, nhằm nghiên cứu về phát triển ứng dụng các nguồn và các thiết bị chiếu sáng. Rất tiếc vì chưa rõ kỹ thuật ánh sáng trở thành một ngành khoa học và công nghệ riêng từ khi nào nhưng dưới đây có thể kể ra một số lĩnh vức của kỹ thuật ánh sáng hiện nay.

1) Nâng cao hiệu quả sử dụng điện năng, được đánh giá bằng hiệu suất phát sáng, và đó là tỷ số giữa quang thông (đặc trưng cho năng lượng ánh sáng và được đo bằng Lumen ) và công suất điện năng tiêu thụ. Những mẫu đèn sợi đốt kiểu Edison ngày nay có hiệu suất phát sáng từ 7 đến 16 Lm/W;

2) Nâng cao tuổi thọ, là khoảng thời gian sau đó quang thông giảm còn 30%, của nguồn sáng.

3) Nâng cao chất lượng hay tính chất (biểu hiện ở màu hay phổ) của ánh sáng. Mỗi màu tương ứng với một tần số của phổ ánh sáng. Ánh sáng một màu, được gọi là đơn sắc, thường dùng trong y tế, trong trang trí hoặc công nghệ; ánh sáng hợp nhất với mắt người ánh phát ra từ mặt trời, được gọi là sáng trắng, chứa nhiều màu hay đa sắc.

4) Tạo ra các nguồn sáng theo các nhu cầu riêng.
Trong lĩnh vực chiếu sáng thông dụng kỹ thuật ánh sáng tập trung vào việc tạo ra các nguồn sáng có hiệu suất phát sáng và tuổi thọ cao, có màu phù hợp với con người. Ánh sáng của đèn sợi đốt Edison có tính chất, màu hay phổ gần với ánh sáng mặt trời, và để nâng cao hiệu suất phát sáng sợi đốt của đèn này được thay từ Titan bằng than kim loại hóa, rồi đến Vonfram từ 1906 đến nay. Nhờ đó đạt được hiệu suất đến 17Lm/W và tuổi thọ đến 1500 giờ.

Cũng theo hướng tăng hiệu suất phát sáng và kéo dài tuổi thọ đèn sợi đốt nhồi khí ra đời, đèn Kxênôn xuất hiện vào năm 1936, sau đó là đèn Iốt và Brôm vào những năm 50 của thế kỷ trước. Trong các loại đèn này kim loại điện cực thoát ra có thể hồi phục trở lại, do đó hiệu suất và tuổi thọ đều tăng, đạt đến 30Lm/W và trên 1.000 giờ.

Đèn thủy ngân ra đời vào 1901 đã đem lại cho ý tưởng đèn phóng điện của Pê-trốp một cú hích mới, mà sau đó dẫn đến sự ra đời của đèn quang dạng ống và compac hiện nay. Trong các đèn này sử dụng hiện tượng phóng điện trong chất khí, ở đây là thủy ngân bốc hơi, được gọi là phóng điện lạnh. Trong quá trình phóng điện dạng này điện năng trực tiếp biến thành quang năng, không qua nhiệt năng như trong đèn sợi đốt, do đó có hiệu suất cao. Vì phóng điện trong buồng kín và có năng lượng phải chăng nên đèn thủy ngân khắc phục được hầu hết các nhược điểm đèn hồ quang trước đây. Nhược điểm của đèn thủy ngân ban đầu là có ánh sáng không phù hợp với mặt người, nhưng sau đó được khắc phục vào năm 1941 kỹ thuật biến đổi ánh sáng bằng các chất huỳnh quang phủ mặt trong của bầu đèn. Từ đó đến nay đèn huỳnh quang phóng điện thủy ngân được sản suất hàng loạt và ứng dụng phổ biến còn hơn cả đèn sợi đốt nhờ chúng có hiệu suất phát sáng từ 60 đến 100 Lm/W và tuổi thọ đến đến 6.000 giờ (so tương ứng với đèn sợi đốt là 5 – 17Lm và 1.500 giờ ). Đèn thủy ngân cũng rất đa dạng, ví dụ như: 1) đèn áp suất thấp, có mức sáng phải chăng nên được dùng trong chiếu sáng gia dụng và công nghiệp, 2) đèn áp suất cao, có mức sáng lớn, được dùng trong chiếu sáng công cộng và trang trí.

4. Đèn Led
Đèn Led hiện nay đang được xem như nguồn sáng của tương lai vì có tuổi thọ vượt trội, trong khi hiệu suất quang thấp hơn không quá nhiều so với đèn compac, Đèn led có tuổi thọ 50. 000 giờ và hiệu suất 30 Lm/W, các thông số này tương ứng của đèn compac là 6.000 và 50. Một số nước đã đặt ra kế hoạch thay thế toàn bộ các đèn sợi đốt và đèn huỳnh quang bằng đèn Led trong vài năm tới.

Ngày nay đèn Led còn phổ biến trong công nghệ giải trí

Đèn Led ra đời từ những năm 20 của thế kỷ trước, nhưng sau đó chủ yếu được dùng trong hiển thị tín hiệu vì công suất mỗi đèn còn nhỏ. Cấu tạo của đèn Led hiện nay có dạng trong hình 3, trong đó gồm một cấu trúc bán dẫn (gồm hai thanh p và n) đặt trong thấu kính L, thanh bán dẫn p được nối với điện cực A và thanh bán dẫn n được nối với điện cực K. Khi cấp điện một chiều, khoảng vài vôn, cấu trúc bán dẫn phát sáng và được tập trung nhờ thấu kính L. Bằng cách thay đổi vật liệu làm các chất bán dẫn có thể nhận được ánh sáng với các màu mong muốn hoặc màu trắng.

Hình 3. Đèn Led

Đèn Led có hai nhược điểm: độ sáng hay quang thông của một đèn không lớn đòi hỏi bộ nguồn riêng, và có giá thành tương đối cao. Tuy nhiên hạn chế về độ sáng có thể khắc phục được bằng cách nối song song nhiều đèn, còn yêu cầu nguồn riêng cũng không khó khăn gì đối với kỹ thuật điện tử ngày nay. Nhược điểm thứ ba làm tăng chi phí đầu tư ban đầu, tuy nhiên sẽ được bù lại nhờ tuổi thọ cao. Các số liệu trong bảng dưới đây cho thấy ưu thế sử dụng loại đèn này trong chiếu sáng lâu dài, ví dụ như chiếu sáng nhà ở và xưởng sản xuất.

Nhận xét bổ sung về đèn Led
Những nhận xét và các số liệu ở trên đều được đưa ra trên cơ sở điểm mạnh của riêng đèn Led, mà chưa tính đến tuổi thọ của nguồn điện. Các nguồn này hiện nay đều là các nguồn xung, chúng khá tin cậy nhưng có tuổi thọ chắc chắn thấp hơn đáng kể tuổi thọ của đèn. Có thể xem nguồn như một thiết bị điện tử, có tuổi thọ vài năm, trong khi tuổi thọ của đèn xấp xỉ 17 năm nếu mỗi ngày sử dụng tám tiếng. Nhưng vì giá thành của bộ nguồn tương đối thấp so với tiền đèn, vài chục ngàn hiện nay so với hơn hai trăm ngàn đồng cho một đèn 3W. Như vậy tuổi thọ của nguồn ảnh hưởng không đáng kể đến chỉ tiêu kinh tế của chiếu sáng dùng Led. Tuy nhiên tuổi thọ của nguồn cần được nâng cao nhằm đảm bảo độ tin cậy chiếu sáng đang là một trong những vấn đề được quan tâm của kỹ thuật chiếu sáng hiện nay.

(Nguồn: automation.net)