ขวัญชัย กุลสันติธำรงค์
นวพร กุลสันติธำรงค์
kwanchai2002@hotmail.com

ระบบไฟฟ้าแสงสว่างเป็นระบบที่ใช้พลังงานไฟฟ้ามากระบบหนึ่งของอาคารและโรงงานอุตสาหกรรม หลอดไฟฟ้าชนิดฟลูออเรสเซ้นต์และหลอดแก๊สดิสชาร์จ (High Intensity Discharge Lamp: HID) เป็นหลอดไฟฟ้าที่ติดตั้งอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน การพัฒนาทางเทคโนโลยีอย่างรวดเร็วทำให้หลอดไฟฟ้าทั้งสองประเภทดังกล่าวมีความซับซ้อน และมีสมรรถนะที่หลากหลาย ดังนั้นความเข้าใจในการพัฒนาดังกล่าวจะเป็นประโยชน์ในการติดตั้ง การบำรุงรักษา การซ่อมบำรุง และแก้ไขปัญหาได้อย่างมีประสิทธิภาพ ติดตามรายละเอียดในบทความฉบับนี้ได้เลยครับ

แสงสว่างทิ่เกิดจากหลอดแก๊สดิสชาร์จเกิดขึ้นจากอาร์กไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้า หรือ คาโธดทั้งสอง บัลลาสต์ที่ติดตั้งในวงจรไฟฟ้าจะทำหน้าที่ควบคุมอาร์กไฟฟ้าให้เกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอ ควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านหลอดไฟฟ้า และรักษาสภาวะทางไฟฟ้าให้มีความเหมาะสม ทำให้หลอดแก๊สดิสชาร์จสามารถจุดติดขึ้นมาได้และทำงานได้อย่างมีเสถียรภาพ

หลอดฟลูออเรสเซ้นต์ทำขึ้นมาจากหลอดแก้วทรงกระบอกโดยมีขั้วหลอดอยู่ที่ปลายทั้งสอง และบรรจุก๊าซอาร์กอนที่ความดันบรรยากาศและมีปรอทผสมอยู่ปริมาณเล็กน้อย และเคลือบผนังภายในหลอดแก้วด้วยสารฟอสฟอร์ (Phosphor) ขั้วหลอดฟลูออเรสเซ้นต์จะทำหน้าที่เช่นเดียวกันขดลวดของหลอดไส้ (Incandescent Lamp) โดยสารฟอสฟอร์ที่เคลือบไว้จะช่วยเพิ่มปริมาณอิเลคตรอนให้มากขึ้น

เมื่อมีแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมเกิดขึ้นระหว่างขั้วหลอดทั้งสองจะเกิดการอาร์กไฟฟ้า (การไหลของกระแสไฟฟ้า) ที่ไหลทะลุผ่านไอปรอท (Mercury Vapor) ทำให้เกิดแสงอัลตร้าไวโอเลต (UV) ซึ่งจะถูกสารฟอสฟอร์ที่เคลือบไว้ดูดซับไว้ และปล่อยพลังงานออกมาในรูปของแสงที่ตามองเห็น (Visible Light Energy)

หลอดฟลูออเรสเซ้นต์ที่ประดิษฐ์ขึ้นมาตั้งแต่ทศวรรษ 1940 จะทำงานร่วมกับบัลลาสต์ชนิดแกนเหล็ก (Magnetic Ballast) และมีการพัฒนาหลอดฟลูออเรสเซ้นต์อย่างต่อเนื่อง ในปัจจุบันมีบัลลาสต์แกนเหล็กที่ใช้งานร่วมกับหลอดฟลูออเรสเซ้นต์อย่างแพร่หลายอยู่ 3 ชนิด ได้แก่

• บัลลาสต์ชนิด Rapid Start (RS) เป็นการอุ่นขั้วหลอด (Preheat) ด้วยหม้อแปลงไฟฟ้าแรงต่ำเป็นเวลา 1 วินาทีก่อนจุดหลอด หลังจากหลอดติดแล้ว ก็จะอุ่นขั้วหลอดอย่างต่อเนื่องด้วยกระแสไฟฟ้าที่ลดลงเล็กน้อยระหว่างที่หลอดทำงานเพื่อยืดอายุหลอด

• บัลลาสต์ชนิด High - Output (HO) เป็นหลอดชนิด Rapid Start (RS) ที่ถูกออกแบบให้ทำงานโดยมีกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านหลอดมากขึ้น ซึ่งจะทำให้มีแสงสว่างเพิ่มขึ้น 40%

• บัลลาสต์ชนิด Instant–Start (Slim Line) ไม่มีขั้วคาโธดที่อุ่นให้ร้อนก่อนการจุดหลอด ทำให้ต้องการแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอีก 40% เมื่อเทียบกับหลอดที่มีการอุ่นขั้วหลอด

ในปัจจุบันที่การประหยัดพลังงานเป็นประเด็นที่สำคัญ หน่วยงานที่ชื่อว่า Department of Energy (DOE) ในประเทศสหรัฐอเมริกาได้ยกเลิก (Phase Out) การผลิตและการใช้งานบัลลาสต์ชนิดแกนเหล็กที่ใช้กับหลอดฟูลออเรสเซ้นต์ทั้งสามชนิดข้างต้น โดยจะให้ใช้บัลลาสต์อิเลคทรอนิกส์แทน

ในขณะนี้อุตสาหกรรมหลอดไฟและอุปกรณ์ส่องสว่างได้พัฒนาหลอดฟลูออเรสเซ้นต์ตระกูล T8 และ ตระกูล T5 ให้ใช้งานกับบัลลาสต์อิเลคทรอนิคส์เท่านั้น บัลลาสต์อิเลคทรอนิกส์จะทำให้กระแสไฟฟ้าด้านเข้าของหลอดมีความถี่สูงถึง 20,000 Hz - 40,000 Hz (ไม่ใช่ 50 - 60 Hz เหมือนเมื่อก่อน) เพื่อกระตุ้นการทำงานของสารฟอสฟอร์ ทำให้เกิดการส่องสว่างมากขึ้น

การพัฒนาบัลลาสต์อิเลคทรอนิกส์

วิธีที่ดีที่สุดในการศึกษาบัลลาสต์อิเลคทรอนิกส์ที่ใช้งานกับหลอดฟลูออเรสเซ้นต์ก็คือ การศึกษาวิธีการจุดหลอด (Starting Method) บัลลาสต์อิเลคทรอนิกส์ชนิดจุดติดทันที (Instant - Start Electronic Ballast) จะเหมือนกับบัลลาสต์แกนเหล็กชนิดเดียวกัน โดยสร้างแรงดันไฟฟ้าให้สูงขึ้นที่ขั้วหลอด (ปกติจะมีแรงดันไฟฟ้า 600 โวลต์ สำหรับหลอด T8 ชนิด 32 วัตต์) โดยไม่มีการอุ่นขั้วหลอด การต่อหลอดไฟฟ้าจะขนานกับบัลลาสต์ บัลลาสต์อิเลคทรอนิกส์ชนิดนี้จะมีการสวิตชิ่ง (On - Off) 10,000 - 15,000 ครั้งต่อหนึ่งรูปคลื่น (Cycle)

รูปที่ 1: Electronic Ballast

• บัลลาสต์อิเลคทรอนิกส์ชนิดจุดติดเร็ว (Rapid Start Electronic Ballast) ภายในจะมีขดลวดต่างหากที่สร้างไฟฟ้าแรงดันต่ำ (Low Voltage) ที่มีค่าประมาณ 3.5 โวลต์ ให้กับขั้วหลอดเป็นเวลา 1 วินาที ก่อนทึ่จะจุดหลอด แรงดันไฟฟ้าที่ใช้จุดหลอดของหลอดฟลูออเรสเซ้นต์ T8 ชนิด 32 วัตต์ จะมีค่าระหว่าง 450 - 550 โวลต์ บัลลาสต์อิเลคทรอนิกส์ชนิดนี้จะมีการสวิตชิ่ง (On - Off) 15,000 - 20,000  ครั้งต่อหนึ่งรูปคลื่น (Cycle) หลอดไฟฟ้าจะต่ออนุกรมกับบัลลาสต์ ดังนั้นถ้าหลอดที่หนึ่งขาด หลอดที่สองก็จะดับด้วย

• บัลลาสต์ชนิด Programmed Start บัลลาสต์ชนิดนี้ภายในจะมีขดลวดแยกต่างหาก ทำหน้าที่อุ่นขั้วหลอด และควบคุมเวลาในการอุ่นขั้วหลอดก่อนการจุดหลอดแม่นยำขึ้น ซึ่งจะช่วยลดความเครียดให้กับขั้วหลอด ขั้วคาโธดจะถูกทำให้ร้อนไปที่อุณหภูมิประมาณ 700 ๐C ก่อนจุดหลอด ทำให้บัลลาสต์สามารถจุดหลอดได้มากกว่า 50,000 ครั้ง

ทำให้สามารถยืดอายุหลอด เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องเปิด - ปิดหลอดมาก เช่นใช้ติดตั้งร่วมกับ Occupancy Sensor นอกจากนี้บัลลาสต์ชนิดนี้ยังเหมาะสมใช้งานร่วมกับระบบควบคุมอัตโนมัติ เช่น ระบบควบคุมแสงธรรมชาติ (Day - Lighting Control) ระบบที่เปิด-ปิดหลอดตามการใช้งาน (Demand Response Control) บัลลาสต์อิเลคทรอนิกส์ชนิดนี้จะมีการสวิตชิ่ง (On - Off) 20,000 - 40,000 ครั้งต่อหนึ่งรูปคลื่น (Cycle)

บัลลาสต์อิเลคทรอนิกส์กินไฟฟ้าน้อยกว่าบัลลาสต์แกนเหล็ก สามารถควบคุมการทำงานของหลอดฟลูออเรสเซ้นต์ได้อย่างสม่ำเสมอ รวมถึงมีขนาดที่เล็กกว่าบัลลาสต์แกนเหล็กอีกด้วย อย่างไรก็ตาม การติดตั้งบัลลาสต์อิเลคทรอนิกส์ต้องคำนึงถึงการระบายความร้อนที่เกิดขึ้นขณะที่บัลลาสต์ทำงาน เพราะความร้อนเกินที่เกิดขึ้นจะทำให้ชิ้นส่วนอิเลคทรอนิกส์เสียหายและมีอายุใช้งานที่สั้นลง

รูปที่ 2: แสดงวงจรการต่อสายของบัลลาสต์แกนเหล็กชนิด Rapid Start และบัลลาสต์อิเลคทรอนิกส์ชนิด Instant Start

อ้างอิง
1.  Installing and Troubleshooting Arc Discharge Lamps: EC&M April 2009 page 14–18
2. Philips Product Catalogue