วิศวกรรมไฟฟ้า

ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับไฟฟ้าแสงสว่าง


โดย เขมะณัฐ เที่ยงตรง
บริษัท เอ็นไวรอนเมนตอล เอ็นจิเนียริ่ง คอนซัลแตนส์ จำกัด


  1. แสง

    เราอาจนิยามความหมายของแสงได้หลายอย่าง เช่น แสงเป็นพลังงานรูปหนึ่ง แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หรือนิยามอื่นๆ แล้วแต่นักวิทยาศาสตร์แต่ละสาขาจะกล่าวถึงแสงในแง่มุมใด สำหรับวิศวกรรมการส่องสว่างแล้ว แสง คือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่อยู่ในช่วงที่ตาคนเราสามารถมองเห็นได้

  2. ปริมาณแสง

    หน่วยการวัดปริมาณแสงที่นิยมใช้ในงานวิศวกรรม คือ การวัดในรูปของเส้นแรงของแสง ซึ่งมีหน่วยเป็น ลูเมน (Lumen) และหน่วยที่แสดงการส่องสว่าง หรือความสว่างจะใช้หน่วย ลักซ์ (Lux) ซึ่งเป็นค่าเส้นแรงของแสงที่ตกบนพื้นที่ 1 ตารางเมตร นั่นคือ

    Lux = Lumen/m2 = lm/m2

    โดยการบอกค่าปริมาณแสงที่ออกมาจากหลอดใดๆ ก็จะบอกเป็นค่าลูเมน เช่น

    ฯลฯ

    อนึ่ง การบอกประสิทธิภาพทางแสงของหลอดฟลูออเรสเซนต์หรือหลอด HID นั้น บางกรณีเราจะใช้ค่ากำลังไฟฟ้าที่รวมเอากำลังสูญเสียของบัลลาสต์เข้าไปด้วย ทำให้ค่าประสิทธิภาพต่ำลง ซึ่งการบอกค่าแบบนี้ แม้ว่าจะได้ค่าที่ใกล้เคียงกับการใช้งานจริง แต่ไม่สามารถใช้เป็นมาตรฐานได้เพราะบัลลาสต์ที่ใช้จะมีหลายชนิด การบอกค่าประสิทธิภาพแบบรวมกำลังสูญเสียของบัลลาสต์จึงควรระบุชนิดของบัลลาสต์ที่ใช้ด้วย

  3. สีของแสง

    การที่ตาเรามองเห็นสีของวัตถุต่างๆ เป็นเพราะมีแสงตกกระทบลงบนวัตถุนั้นแล้วสะท้อนเข้าตาเรา โดยเราจะมองเห็นวัตถุนั้นมีสีอะไรนั้น ขึ้นอยู่กับ

    แสงอาทิตย์จะเป็นแสงที่มีความถี่ครบทุกความถี่ในย่านความถี่แสง ซึ่งเราเรียกแสงลักษณะนี้ว่า “แสงขาว” ซึ่งเมื่อสะท้อนวัตถุแล้วจะให้สีที่ถูกต้องที่สุด ส่วนแสงที่เกิดจากหลอดไฟจะไม่สมบูรณ์เท่า ทำให้มองเห็นวัตถุสีเพี้ยนไป ในการออกแบบจึงต้องคำนึกถึงความต้องการด้านนี้ด้วย เช่นในพื้นที่ที่ใช้แสดงงานศิลปะแสดงแฟร์ชั่น ก็ควรเลือกหลอดไฟที่ให้ความถูกต้องของสีสูง จำพวกหลอด อินแคนเดสเซนต์ เป็นต้น

  4. สีของแสงกับระดับความสว่าง

    สีของแสงนั้นเรามักจะบอกในหน่วยขององศาเคลวิน และเรียกมันว่า “อุณหภูมิสี” ซึ่งสำหรับหลอดไฟชนิดต่างๆ จะมีค่าอุณหภูมิสีโดยประมาณ คือ

    อุณหภูมิสีความสัมพันธ์กับความสว่างดังกราฟรูปที่ 1

    จากรูปกราฟ ส่วนแรเงาที่ติดกับแกนตั้ง แสดงว่าความสัมพันธ์บริเวณนั้นจะทำให้บรรยากาศดู สว่างจ้าเกินไป ส่วนที่แรเงาติดกับแกนนอน แสดงว่าบรรยากาศจะดูทึมๆ ดังนั้นการเลือกใช้หลอดไฟจึงควรให้สัมพันธ์กับระดับความสว่าง คือให้ตกอยู่บริเวณพื้นที่สีขาวในกราฟ

    ในพื้นที่ที่ไม่ได้ใช้งานอย่าต่อเนื่อง อาจจะเลยเรื่องระดับความสว่างกับอุณหภูมิสีนี้ได้บ้าง เช่น ห้องน้ำ ซึ่งแม้ว่าไฟในห้องน้ำจะเปิดทิ้งไว้ แต่คนที่เข้าไปใช้ห้องน้ำจะใช้เวลาในห้องน้ำไม่นาน จึงไม่จำเป็นต้องเคร่งครัดในเรื่องนี้มากนัก

  5. หลอดไฟ

    หลอดไฟที่ใช้ในงานวิศวกรรมส่องสว่าง ที่ใช้บ่อยและน่าสนใจ มีดังนี้

    1. หลอดไส้

      แสงจากหลอดไส้จะมีความใกล้เคียงกับแสงจากดวงอาทิตย์มาก เพราะกำเนิดแสงมาจากวัตถุที่ร้อนแดงเช่นกัน หลอดไส้เป็นหลอดไฟรุ่นแรกที่มีในโลก และยังมีใช้ในปัจจุบัน มีข้อดี ข้อเสีย ดังนี้

      wpe7C.jpg (6909 bytes)

      รูปที่ 2 หลอดไส้ (Incandescent Lamp)

      ข้อดี	- ให้แสงที่มีความถูกต้องของสีสูง			-  เปิดปุ๊บติดปั๊บ
      	-  ทำการหรี่ได้ (ใช้ระบบหรี่ไฟง่ายๆ)			-  ไม่กำเนิดคลื่นรบกวน
      
      ข้อเสีย	- กินไฟสูง (ค่าไฟไม่คุ้มกับราคาหลอดที่ถูกมากๆ)		-  อายุการใช้งานสั้น (750 ชั่วโมง)
      	- เป็นแหล่งกำเนิดความร้อน			- ประสิทธิภาพทางแสงต่ำ
      
    2. หลอดทังสเตน ฮาโลเจน

      เป็นหลอดไส้ที่พัฒนาต่อมาจากหลอดอินแคนเดสเซนต์ บางครั้งเรียกว่าหลอดฮาโลเจน เพราะภายในกระเปาะหลอดจะบรรจุธาตุตระกูลฮาโลเจนไว้ภายใน ในหลอดอินแคนเดสเซนต์นั้น เมื่อไส้หลอดร้อนแดงและเกิดการระเหิดออกไปเกาะที่ผิวแก้ว ทำให้กระเปาะแก้วมีสีดำ (เรียกว่า Blackening Effect) และไส้หลอดบางลง จนขาดในที่สุด เมื่อหลอดฮาโลเจนถูกพัฒนาขึ้น ไส้หลอดซึ่งทำด้วยโลหะทังสเตนที่ร้อนจนระเหิดขึ้นไป จะรวมตัวกับก๊าซฮาโลเจนกลายเป็นสารประกอบทังสเตน-ฮาโลเจน และกลับมาเกาะที่ไส้หลอดใหม่ ทำให้หลอดมีอายุการใช้งานนานขึ้น เราเรียกปรากฎการณ์นี้ว่า Halogen Regenerative Cycle

      หลอดฮาโลเจนบางรุ่น จะเคลือบ Dichroic Film ที่แผ่นสะท้อนแสง ทำให้รังสีความร้อน(Infrared Ray) ประมาณ 60% ผ่านทะลุ Dichroic Film ออกไปด้านหลังหลอดไม่ออกมากับลำแสงด้วย บางครั้งจึงเรียกกันว่าลำแสงเย็น (Cool Beam) เหมาะสำหรับใช้ส่องวัตถุที่ไวต่อความร้อน เช่น ผลไม้ อาหาร หรืองานศิลปะ ที่ความร้อนจากลำแสงสามารถทำให้สีของวัตถุซีดจางได้ อย่างไรก็ตาม การเลือกโคมที่ใช้กับหลอดชนิดนี้จะต้องพิจารณาถึงการระบายความร้อนออกด้านหลังโคมด้วย

      wpeA3.jpg (6295 bytes)

      รูปที่ 3 หลอดทังสเตน ฮาโลเจน

      หลอดฮาโลเจนบางรุ่นจะใช้กับไฟแรงต่ำ 12 โวลต์ หรือ 24 โวลต์ หลอดพวกนี้จะมีไส้หลอดหนาแต่สั้นเพื่อทนกระแสได้สูงขึ้น การที่ไส้หลอดสั้นนี้จะทำให้ต้นกำเนิดแสงมีลักษณะใกล้จะเป็นจุด เป็นผลให้การควบคุมลำแสงทำได้ง่าย และบางครั้งจะติดแผ่นสะท้อนแสงไว้ด้านหลังช่วยในการควบคุมลำแสง หลอดแบบนี้จะระบุมุมของลำแสงต่างๆ กันให้เลือกใช้ให้เหมาะกับสภาพการใช้งาน เช่น 12O 24O 38O และ 60O

      หลอดฮาโลเจนแรงดันต่ำนี้ จะต้องใช้หม้อแปลงในการแปลงแรงดันลงมาให้เหมาะสมกับหลอด ซึ่งในการคิดขนาดโหลดของหลอดชนิดนี้ จะต้องคิดรวมกำลังสูญเสียของหม้อแปลงด้วย ดังตารางที่1.

      ข้อดี
      - ความถูกต้องของสีสูง มักใช้ส่งสินค้าในตู้โชว์ งานศิลปะ ซึ่งจะให้สีที่ถูกต้อง
      - อายุการใช้งานยาวกว่าหลอดอินแคนเดสเซนต์  ( ประมาณ 2,000 - 5,000 ชั่วโมงขึ้นอยู่กับรุ่นและชนิด )
      - มี Lumen Output ค่อนข้างคงที่ตลอดการใช้งาน เนื่องจากปรากฎการณ์ Halogen Regenerative Cycle   ที่ทำให้ไส้หลอดมีอายุยาวนานและไม่เกิดคราบดำจับที่ผิวหลอด
      - เปิดปุ๊ปติดปั๊บ
      - หรี่ไฟได้
      - แสงเป็นประกายสวยงาม
      
      ข้อเสีย		
      - ไม่ประหยัดไฟ
      - LV. Halogen  ต้องใช้หม้อแปลงร่วมด้วย  ซึ่งหากหม้อแปลงไม่ดีอาจส่งเสียรบกวนได้  โดยเฉพาะขณะทำการหรี่ไฟ
      
    3. หลอดฟลูออเรสเซนต์

      หรือที่เรียกกันผิดๆ ว่าหลอดนีออน เป็นหลอดไฟฟ้าที่ใช้กันมากที่สุด ตามอาคารบ้านเรือน มีคุณสมบัติเด่น คือ มีสีของแสงทีเหมาะกับระดับความสว่างในการทำงาน คือ หลอดคูลไวท์ หรือวอร์มไวท์ นั้นมีอุณหภูมิ 3500-4500 และระดับแสงสว่างที่ต้องการในพื้นที่สำนักงานตกประมาณ 500 ลักซ์ ซึ่งจากกราฟรูปที่ 1 จะตกในบริเวณพื้นที่สีขาวพอดี

      wpeA4.jpg (5871 bytes)

      รูปที 4 หลอดฟลูออเรสเซนต์

      หลอดฟลูออเรสเซนต์ เป็นหลอด “Gas Discharge” ชนิดหนึ่ง หลังจากเกิดแสงสว่างจะต่างจากหลอด 2 ชนิดแรก โดยในหลอดชนิดนี้ แสงจะถูกเปล่งมาจากสารฟอสเฟอร์ที่เคลือบผิวด้านในของหลอดซึ่งถูกกระตุ้นจากการชนของอีเล็คตรอนที่ปล่อยมาจากไส้หลอด ดังนั้นสีของแสงที่เปล่งออกมาจึงขึ้นกับคุณสมบัติของสารที่ใช้เคลือบหลอด เป็นเหตุผลที่บอกว่าทำไมหลอดฟลูออเรสเซนต์จึงมีหลายสี (และหลายราคา)

      วงจรการทำงานของหลอดฟลูออเรสเซนต์จะมีบัลลาสต์ และสตาร์ทเตอร์เข้ามาเกี่ยวข้องด้วย โดยบัลลาสต์จะต่ออนุกรมกับหลอด ทำหน้าที่ควบคุมกระแสที่ไหลเข้าสู่ขั้วหลอด ส่วนสตาร์ทเตอร์จะต่อขนานกับขั้วหลอดทั้งสองข้าง ทำหน้าที่จุดหลอด และถูกตัดออกมาจากวงจรเมื่อหลอดติดแล้ว

      wpe4.jpg (3335 bytes)wpe5.jpg (8239 bytes)

       

       

      รูปที่ 5. บัลลาสต์และสตาร์ทเตอร์สำหรับหลอดฟลูออเรสเซนต์

      หลอดฟลูออเรสเซนต์ ยังรวมไปถึงหลอดประหยัดไฟทั้งหลายด้วย หลอดเหล่านั้นถูกออกแบบมาใช้แทนหลอดอินแคนเดสเซนต์ในโคมประเภทดาว์นไลท์ และโคมตั้งโต๊ะ จะเป็นหลอดที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าหลอดไส้มาก และสูงกว่าฟลูออเรสเซนต์มาตรฐานอยู่เล็กน้อย แต่หากเทียบที่กำลังวัตต์เท่ากันแล้ว หลอดประหยัดไฟนี้จะมีขนาดเล็กกระทัดรัดกว่ามาก จึงถูกเรียกว่า “Compact Fluorescent”

      wpe7D.jpg (5915 bytes)

       

      รูปที่ 6. หลอดคอมแพคฟลูออเรสเซนต์

      ข้อดี
      - ประสิทธิภาพสูง
      - อายุการใช้งาน (20,000 ชั่วโมง)
      - เลือกสีได้
      - ประหยัดไฟ
      
      ข้อเสีย
      - ถ้าหลอดแตก จะมีไอปรอทระเหยออกมาซึ่งไอปรอทนี้เป็นสารก่อมะเร็งชนิดหนึ่ง
      - มีอุปกรณ์ประกอบหลายชนิด ทำให้ติดตั้งยาก โดยเฉพาะการติดตั้งเพิ่มเติมภายในบ้าน
      - หลอด Compact จะมีความจ้ามาก และแสบตามากหากมองที่หลอดตรงๆ
      - หรี่ไฟด้วยระบบง่ายๆ ไม่ได้
      - หลอดฟลูออเรสเซนต์มาตรฐาน จะให้ค่าความถูกต้องของสีไม่ดีนัก
      - ใช้ได้กับเพดานสูงไม่เกิน 5 เมตร
      
    4. หลอด HID

      เป็นหลอดไฟที่มีประสิทธิภาพสูง และ มีอายุการใช้งานที่นาน (10,000-20,000 ชั่วโมง) นิยมใช้ติดตั้งในบริเวณที่สูง หรือ การใช้งานในลักษณะไฟส่องอาคาร

      4.1 หลอด High Pressure Mercury หรือ หลอดแสงจันทร์ มีอายุการใช้งานประมาณ 24,000 ชั่วโมง ประสิทธิภาพประมาณ 40 - 60 ลูเมนต่อวัตต์ (ต่ำกว่าฟลูออเรสเซนต์ ) ค่าความถูกต้องของสีต่ำ แสงจากหลอดจะมีสีออกนวลๆ

      wpe82.jpg (3051 bytes)

      รูปที่ 7. หลอด High Pressure Mercury

      4.2 หลอด Metal Halide เป็นหลอด HID ที่นิยมใช้มาก เพราะมีค่าความถูกต้องของสีค่อนข้างดี ประสิทธิภาพประมาณ 60-90 ลูเมนต่อวัตต์ แต่อายุการใช้งานไม่ดีนัก คือ 7,500-10,500 ชั่วโมง

      wpe8D.jpg (4070 bytes)

      รูปที่ 8. หลอด Metal Halide

      4.3 หลอด High Pressure Sodium เป็นหลอดที่มีประสิทธิภาพสูงมาก คือ สูงได้ถึง 140 ลูเมนต่อวัตต์ และอายุการใช้งานยาวนานเท่ากับหลอดแสงจันทร์ คือ 24,000 ชั่วโมง แต่คุณสมบัติเรื่องสีของหลอดชนิดนี้อยู่ในชั้นเลว คือ แสงจะมีสีเหลืองอมส้ม นิยมใช้ติดตามถนน และลานจอดรถใหญ่ๆ

      wpe92.jpg (3894 bytes)

      รูปที่ 9. หลอด High Pressure Sodium

      ข้อดี
      - เป็นหลอดที่มีประสิทธิภาพสูงและวัตต์สูง จึงเหมาะที่จะใช้ในบริเวณที่เป็นเพดานสูง (สูงกว่า 4.5 เมตร)
      - อายุการใช้งานที่ยาวนานทำให้ไม่ต้องเปลี่ยนหลอดบ่อย ซึ่งการติดตั้งในที่สูงการเปลี่ยนหลอดจะทำได้ยากมาก
      
      ข้อเสีย
      - การจุดหลอดต้องใช้เวลานานประมาณ 3-10 นาที ดังนั้นหากเกิดไฟกระพริบหลอด HID จะดับและต้องใช้เวลานานกว่าจะติดขึ้นมาใหม่
      - ความถูกต้องของสีต่ำ ทำให้บางครั้งเป็นปัญหา เช่น กรณีไฟสนามกีฬาที่มีการถ่ายทอดสด จะเห็นสีเสื้อหรือสีของวัตถุต่างๆ ผิดไป
      - หลอด HID สามารถระเบิดได้
      - ขณะจุดหลอดจะมีกระแสสูง ดังนั้นการคิดหากระแสของเบรคเกอร์ จึงต้องระวังตรงจุดนี้ด้วย
      - มีอุปกรณ์ประกอบมาก เช่น บัลลาสต์, อิกนิเตอร์, หม้อแปลง ทำให้การติดตั้งอุปกรณ์ยุ่งยากขึ้น
      
      	
    5. โคมไฟฟ้า

      ทำหน้าที่บังคับทิศทางของแสงจากหลอดไฟ ให้กระจายไปในทิศทางต่างๆ โคมไฟแต่ละชนิดจึงเหมาะสมกับงานที่แตกต่างกันไป การเลือกใช้งานโคมไฟจึงต้องพิจารณา
      ปัจจัยต่างๆ ให้เหมาะสมกับสภาพาการใช้งาน และความต้องการในเรื่องความสวยงามไปพร้อมๆ กันด้วย

      โคมไฟที่ใช้งานพวกอาคารสำนักงานหรืออาคารพักอาศัย มีดังนี้

      1. โคมดาวน์ไลท์ ใช้กับหลอดพวกอินแคนเดสเซนต์, หลอดฮาโลเจนและคอมแพคฟลูออเรสเซนต์ ส่วนใหญ่แล้วโคมดาวน์ไลท์จะให้แสงส่องลงใต้โคมไม่ค่อยกระจายออก
        ด้านข้าง แต่ก็มีบางรุ่นที่ให้แสงกระจายออกด้านข้าง (ส่วนใหญ่จะเป็นโคมนำเข้า) มักใช้ติดตั้งบริเวณทางเดิน, โถงลิฟต์, โถงพักคอย, โถงต้อนรับ, ห้องน้ำและบางครั้ง
        มีการใช้ในห้องประชุมหรือห้องทำงานเล็กๆ ซึ่งไม่เหมาะสมนักเพราะโคมดาวน์ไลท์ มักใช้กับหลอดที่กำลังวัตต์ไม่สูง ทำให้ได้ความสว่างต่ำกว่าระดับที่ใช้ทำงาน
      2. โคมสำหรับหลอดฟลูออเรสเซนต์ มีทั้งโคมเปลือยและโคมแบบมีแผ่นสะท้อนแสงด้านหลัง เป็นโคมที่เหมาะสมสำหรับใช้ในพื้นที่ทำงานและพื้นที่ทั่วไป เพราะมีการกระ
        จายแสงที่ดี สามารถคลุมพื้นที่ทำงานได้บริเวณกว้าง และให้ระดับแสงที่สม่ำเสมอ และโคมบางรุ่นยังมีรูปลักษณ์ที่สวยงามอีกด้วย

         

         

        รูปที่ 11. โคมสำหรับหลอดฟลูออเรสเซนต์

      3. โคมไฮเบย์ บางครั้งเรียกว่าโคมโรงงาน เป็นโคมสำหรับหลอด HID มีลักษณะการกระจายแสงทั้งกว้างและแคบ แล้วแต่ระดับการติดตั้ง ถ้าติดตั้งสูงตั้งแต่ 4.5-6 เมตร
        ก็ควรใช้แบบมุมกว้าง ถ้าสูงเกิน 6 เมตร ก็ใช้แบบมุมแคบ ส่วนขนาดกำลังวัตต์ของหลอดนั้นขึ้นกับระดับความสว่างที่ต้องการและจำนวนโคมที่ติดตั้ง
      4. โคมไฟส่องอาคาร มักใช้กับหลอด HID ชนิด Double Ended โคมชนิดนี้มีมุมแสงกว้างแคบให้เลือก ขึ้นกับระยะติดตั้งของโคมว่าห่างจากจุดที่ต้องการส่องมากน้อยเพียงใด
      5. โคมไฟชนิด Up Light หรือ Indirect Light จะใช้ในการตกแต่งให้แสงขึ้นไปสะท้อนเพดานลงมา
    6. สรุป

      หลอดไฟและโคมไฟฟ้านั้นมีให้เลือกใช้งานอยู่หลายหลากมากชนิด ซี่งเราจะเลือกใช้โคมประเภทใดในพื้นที่ใดนั้น มิได้พิจารณาจากระดับความสว่างเพียงประการเดียว
      ในหลายๆ ครั้งที่เราจำเป็นจะต้องพิจารณาถึงข้อกำหนดอื่นๆ มาประกอบ เช่น ความต้องการในการหรี่ไฟ อายุการใช้งานที่ยาวนาน ความสวยงาม หรือ งบประมาณ
      ที่จำกัด สิ่งเหล่านี้ล้วนเป็นปัจจัยที่ต้องพิจารณาในการเลือกใช้ชนิดหลอดและโคมไฟทั้งสิ้น ดังนั้นการเลือกใช้หลอดไฟและโคมไฟจึงเป็นศิลปะอย่างหนึ่งซึ่งจะต้องค่อยๆ
      ศึกษาและพิจารณาในรายละเอียดกันเป็นกรณี ๆ ไป.


                [home]