โครงสร้าง ส่วนประกอบ และการนำไปใช้งานของหลอดไฟฟ้า

เครื่องใช้ไฟฟ้าที่ให้แสงสว่าง

อุปกรณ์ที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานแสง ได้แก่ หลอดไฟฟ้า หลอดฟลูออเรสเซนต์ และหลอดไฟโฆษณา โธมัส แอลวา เอดิสัน (Thomas Alva Edison) นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน ได้ประดิษฐ์หลอดไฟฟ้า ขึ้นเป็นครั้งแรกเมื่อ พ . ศ . 2422 โดยใช้คาร์บอนเส้นเล็ก ๆ เป็นไส้หลอดและต่อมาได้มีการพัฒนาขึ้น จนเป็นหลอดไฟฟ้าที่ใช้ในปัจจุบัน

การพัฒนารูปแบบของหลอดไฟฟ้าให้เหมาะสมกับการใช้งาน

หลอดไฟฟ้า

หลอดไฟฟ้า มีส่วนประกอบดังนี้

ส่วนประกอบของหลอดไฟฟ้าแบบเขี้ยว

• ไส้หลอด ครั้งแรก เอดิสันใช้คาร์บอนเส้นเล็ก ๆ เป็นไส้หลอด ซึ่งมีปัญหาคือ ไส้หลอดขาดง่ายเมื่อได้รับความร้อน ปัจจุบันไส้หลอดทำด้วยทังสเตน ซึ่งเป็นโลหะที่หาง่าย ราคาไม่แพง มี ความต้านทานสูง มีจุดหลอดเหลวสูงมาก เมื่อได้รับความร้อนจึงไม่ขาดง่าย ลักษณะของไส้หลอด ขดไว้เหมือนสปริง มีขนาดแตกต่างกันขึ้นอยู่กับกำลังไฟฟ้าของหลอดไฟฟ้า กล่าวคือ หลอดที่มีกำลังไฟฟ้าต่ำไส้หลอดจะใหญ่ ความต้านทานน้อย ส่วนหลอดที่มีกำลังไฟฟ้าสูง ไส้หลอดจะเล็ก มีความต้านทานมาก
• หลอดแก้ว ทำจากหลอดแก้วใส ทนความร้อนได้ดี ภายในสูบอากาศออกจนหมด แล้วบรรจุแก๊สไนโตรเจน และอาร์กอนเพียงเล็กน้อยไว้แทนที่ แก๊สที่บรรจุไว้นี้จะช่วยให้ทังสเตนที่ได้รับความร้อนไม่ระเหิดไปจับที่ผิว ในของหลอดไฟฟ้า ซึ่งจะทำให้หลอดไฟฟ้าดำ
• ขั้วต่อไฟ เป็นจุดต่อวงจรไฟฟ้าภายในหลอด

หลักการทำงานของหลอดไฟฟ้า

การที่หลอด ไฟฟ้าให้แสงสว่างได้เป็นไปตามหลักการดังนี้ เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านไส้หลอด ซึ่งมีความต้านทานสูง พลังงานไฟฟ้าจะเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน ทำให้ไส้หลอดร้อนจัดจนเปล่งแสง ออกมาได้ ซึ่งมีการเปลี่ยนรูปพลังงานดังนี้

พลังงานไฟฟ้า ----> พลังงานความร้อน ----> พลังงานแสง

หลอดฟลูออเรสเซนต์

หลอดฟลูออเรสเซนต์

(fluorescent) หรือหลอดเรืองแสง เป็นอุปกรณ์ที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นแสงสว่างที่นิยมใช้กันมาก มีรูปร่างหลายแบบเช่น ทรงกระบอกสั้น ยาว ครึ่งวงกลม หรือวงกลม หลอดฟลูออเรสเซนต์ มีส่วนประกอบดังนี้
ส่วนประกอบของหลอดฟลูออเรสเซนต์

• ขั้วต่อไฟ เป็นจุดต่อวงจรไฟฟ้าของหลอดฟลูออเรสเซนต์
• ไส้หลอด ทำด้วยโลหะทังสเตนอยู่ที่ปลายหลอดทั้งสองข้าง
• หลอดแก้ว ภายในหลอดสูบอากาศออกจนหมด แล้วใส่ไอปรอทไว้เล็กน้อย ผิวหลอดแก้วด้านใน ฉาบด้วยสารวาวแสง (fluorescent coating) ชนิดต่าง ๆ ซึ่งจะให้สีต่าง ๆ กันออกไป

อุปกรณ์ที่ต้องใช้ประกอบกับหลอดฟลูออเรสเซนต์ มีดังนี้

แบลลัสต์ และสตาร์ตเตอร์
สตาร์ตเตอร์ (starter) ทำหน้าที่เป็นสวิตซ์อัตโนมัติในขณะหลอดฟลูออเรสเซนต์ยังไม่ติด และหยุดทำงานเมื่อหลอดติดแล้ว
แบลลัสต์ (ballast) ทำหน้าที่เพิ่มความต่างศักย์ เพื่อให้หลอดฟลูออเรสเซนต์ติดในตอนแรก และทำให้กระแสไฟฟ้าที่ผ่านหลอดไฟลดลงเมื่อหลอดติดแล้ว พร้อมทั้งควบคุมให้กระแสไฟฟ้าคงตัว
การใช้หลอดฟลูออเรสเซนต์ทุกชนิดต้องต่อวงจรเข้ากับสตาร์ตเตอร์และแบลลัสต์ แล้วจึงต่อเข้ากับสายไฟฟ้าในบ้าน ดังรูป

การต่อวงจรไฟฟ้าของหลอดฟลูออเรสเซนต์

หลักการทำงานของหลอดฟลูออเรสเซนต์

การทำงานของหลอดฟลูออเรสเซนต์
เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านไอปรอท จะคายพลังงานไฟฟ้าให้แก่ไอปรอท ซึ่งจะทำให้อะตอม ของไอปรอทอยู่ในสภาวะถูกกระตุ้น (exited state) เป็นผลให้อะตอมปรอทคายพลังงานออกมาเพื่อ ลดระดับพลังงานในตัวเองในรูปของรังสีอัลตราไวโอเลต ซึ่งมองไม่เห็น เมื่อรังสีชนิดนี้ไปกระทบกับสารวาวแสงที่ฉาบไว้ที่ผิวด้านในของหลอดฟลูออเรส เซนต์ สารเหล่านี้จะเปล่งแสงได้ โดยให้แสงสีต่างๆตามชนิดของสารวาวแสงที่ฉาบไว้ภายในหลอดนั้น เช่น แคดเมียมบอเรท (Cadmium borate) ให้ แสงสีชมพู แคดเมียมซิลิเคท (Cadmium silicate) ให้แสงสีชมพูอ่อน แมกนีเซียมทังสเตท (Magnesium tungstate) ให้แสงสีขาวอมฟ้า แคลเซียมทังสเตท (Calcium tungstate) ให้แสงสีน้ำเงิน ซิงค์ซิลิเคท (Zinc silicate) ให้แสงสีเขียว ซิงค์เบริลเลียมซิลิเคท (Zinc Beryllium silicate) ให้แสงสีเหลืองนวล นอกจากนี้ยังอาจผสมสารวาวแสงเหล่านี้ เพื่อให้ได้แสงสีผสมที่แตกต่างกันออกไปได้อีกด้วย

ข้อเปรียบเทียบระหว่างหลอดไฟฟ้ากับหลอดฟลูออเรสเซนต์ ซึ่งใช้พลังงานไฟฟ้าเท่ากัน

• หลอดไฟฟ้าสว่างน้อยกว่าหลอดฟลูออเรสเซนต์ เมื่อมีจำนวนวัตต์เท่ากัน
• หลอดไฟฟ้ามีอายุการใช้งานสั้นกว่าหลอดฟลูออเรสเซนต์
• ขณะใช้งานอุณหภูมิของหลอดไฟฟ้าสูงกว่าหลอดฟลูออเรสเซนต์
• หลอดไฟฟ้าเสียค่าใช้จ่ายในการติดตั้งน้อยกว่าหลอดฟลูออเรสเซนต์ เพราะหลอดฟลูออเรสเซนต์ต้องต่อวงจรเข้ากับแบลลัสต์และสตาร์ตเตอร์เสมอ

หลอดคอมแพคฟลูออเรสเซนต์

หลอดคอมแพคฟลูออเรสเซนต์หรือที่เรียกกันทั่วไปว่าหลอดตะเกียบ หลอดคอมแพค

ฟลูออเรสเซนต์มี 2 ชนิด คือ ชนิดที่มีแบลลัสต์ภายใน สามารถใช้แทนหลอดไฟฟ้าแบบมีเขี้ยวและแบบเกลียวได้ อีกชนิดหนึ่งเป็นแบบที่มีแบลลัสต์อยู่ภายนอกจะมีขาเสียบ เพื่อต่อเข้ากับแบลลัสต์ สมบัติที่สำคัญของหลอดคอมแพคฟลูออเรสเซนต์ คือ ช่วยประหยัดพลังงานไฟฟ้า และมีอายุการใช้งาน ที่ยาวนานกว่าหลอดฟลูออเรสเซนต์

หลอดคอมแพคฟลูออเรสเซนต์

หลอดไฟโฆษณา

หลอดไฟโฆษณา เป็นหลอดแก้วขนาดเล็กที่ถูกลนไฟดัดให้เป็นรูปภาพหรือตัวอักษรต่าง ๆ ไม่มีไส้หลอดไฟ แต่ที่ปลายทั้ง 2 ข้างจะมีขั้วไฟฟ้าทำด้วยโลหะต่อกับแหล่ง กำเนิดไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์สูงประมาณ 10,000 โวลต์ ภายในหลอดชนิดนี้จะสูบอากาศออกจนเป็น สูญญากาศ แล้วบรรจุแก๊สบางชนิดที่จะให้แสงสีต่าง ๆ เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน เช่น แก๊สนีออน จะให้แสงสีแดง หรือส้ม แก๊สฮีเลียมให้แสงสีชมพู แก๊สอาร์กอนให้แสงสีขาวอมน้ำเงิน แก๊สคริปตอนให้แสงสีม่วงอ่อน แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ให้แสงสีขาว แก๊สซีนอนให้แสงสีฟ้า แก๊สไนโตรเจนให้แสงสีม่วงแก่ นอกจากนี้ถ้าใช้แก๊สต่าง ๆ ผสมกันก็จะได้แสงสีต่าง ๆ กันออกไปอีกด้วย จากความต่างศักย์ที่ สูงมาก ๆ นี้จะทำให้แก๊สที่บรรจุอยู่ภายในหลอดเกิดการแตกตัวเป็นไอออนและนำไฟฟ้าได้ ซึ่งจะร้อนและติดไฟให้แสงสีต่าง ๆ ได้เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน
ตัวเลขที่ปรากฏบนหลอดไฟฟ้า และหลอดฟลูออเรสเซนต์ ซึ่งบอกกำลังไฟฟ้าเป็นวัตต์ (W) เป็นการบอกถึงปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ไปใน 1 วินาที เช่น 18 W หมายถึงหลอดไฟฟ้าชนิดนี้จะใช้พลังงานไฟฟ้าไป 18 จูล ใน 1 วินาที ดังนั้นหลอดไฟฟ้าและหลอดฟลูออเรสเซนต์ที่ใช้กำลังไฟฟ้ามากเมื่อใช้งานจะสิ้น เปลืองพลังงานไฟฟ้ามาก

ข้อแนะนำเกี่ยวกับเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ให้แสงสว่าง

หลอดฟลูออเรสเซนต์รุ่นใหม่ซึ่งเป็นหลอดที่มีประสิทธิภาพสูง ( หลอดผอม ) ให้ความสว่างสูง เท่ากับหลอดฟลูออเรสเซนต์ธรรมดา แต่สิ้นเปลืองพลังงานไฟฟ้าน้อยกว่า มีประสิทธิภาพสูงกว่า ตัวหลอดจะเล็กกว่าหลอดธรรมดา มีขนาด 18 วัตต์ ใช้แทนขนาด 20 วัตต์ และขนาด 36 วัตต์ ใช้แทนขนาด 40 วัตต์ สามารถนำไปสวมเข้ากับขั้วและขาหลอดเดิมได้ทันทีโดยไม่ต้องเปลี่ยน แบลลัสต์ และสตาร์ตเตอร์ หลอดไฟชนิดดังกล่าวจะประหยัดพลังงานไฟฟ้าได้ประมาณร้อยละ 10
หลอดคอมแพคฟลูออเรสเซนต์ เป็นหลอดไฟชนิดใหม่ มีลักษณะเป็นหลอดฟลูออเรสเซนต์ ขนาดเล็ก ที่ได้พัฒนาเพื่อให้เกิดการประหยัดพลังงาน โดยใช้แทนหลอดไฟฟ้าได้ มีอายุการใช้งานมากกว่าหลอดไฟฟ้าถึง 8 เท่า ใช้พลังงานไฟฟ้าน้อยกว่าหลอดไฟฟ้า 4 เท่า เป็นหลอดที่ประหยัดพลังงานไฟฟ้าได้ถึงร้อยละ 75 ปัจจุบันมี 2 ประเภทคือ ประเภทที่มีแบลลัสต์ และสตาร์ตเตอร์รวมอยู่ภายในหลอด สามารถนำไปใช้แทนหลอดไฟฟ้าชนิดเกลียวได้ทันทีโดยไม่ต้องเพิ่มอุปกรณ์อื่น มีหลายขนาดให้เลือกใช้คือ

• ขนาด 9 วัตต์ ให้แสงสว่างเท่ากับหลอดไฟฟ้า ขนาด 40 วัตต์
• ขนาด 13 วัตต์ ให้แสงสว่างเท่ากับหลอดไฟฟ้า ขนาด 60 วัตต์
• ขนาด 18 วัตต์ ให้แสงสว่างเท่ากับหลอดไฟฟ้า ขนาด 75 วัตต์
• ขนาด 25 วัตต์ ให้แสงสว่างเท่ากับหลอดไฟฟ้า ขนาด 100 วัตต์

จะเห็นได้ว่าหลอดคอมแพคฟลูออเรสเซนต์ มีคุณสมบัติดีกว่า ช่วยประหยัดค่าไฟฟ้า หากใช้ หลอดคอมแพคฟลูออเรสเซนต์ ชนิดที่มีแบลลัสต์ภายใน ขนาด 13 วัตต์ 1 หลอด แทนหลอดไฟฟ้าขนาด 60 วัตต์ จำนวน 1 หลอด จะประหยัดค่าไฟฟ้าได้ ประมาณปีละ 142 บาท หลอดคอม - แพคฟลูออเรสเซนต์อีกชนิดหนึ่ง เป็นหลอดคอมแพคฟลูออเรสเซนต์แบลลัสต์ภายนอก ซึ่งมีหลักการเดียวกับหลอดคอมแพคฟลูออเรสเซนต์แบลลัสต์ภายใน แต่หลอดคอมแพคฟลูออเรสเซนต์แบลลัสต์ ภายนอก สามารถเปลี่ยนหลอดได้ง่ายเมื่อหลอดชำรุด ตัวหลอดมีลักษณะงอโค้งเป็นรูปตัวยู ภายในขั้วของหลอดจะมีสตาร์ตเตอร์อยู่ภายใน และมีแบลลัสต์อยู่ภายนอก การติดตั้งใช้งานต้องมีขาเสียบ เพื่อใช้กับแบลลัสต์ที่แยกออกมา มีขนาดให้เลือกใช้ตั้งแต่ 5 วัตต์ 7 วัตต์ 9 วัตต์ และ 11 วัตต์
ที่มา https://wiki.stjohn.ac.th/groups/poly_power/wiki/bbf18/_.html