วงจรหลอดฟลูออเรสเซนต์ MO Memoir : Saturday 9 June 2555

เวลาจะลองภูมิกัน ก็ลองกันด้วยเรื่องง่าย ๆ นั่นแหละ ทำนองว่าเรื่องง่าย ๆ แค่นี้ยังทำไม่เป็น

หลายต่อหลายรายเอาแต่เรียนสูง ๆ เรียนแต่เรื่องที่มันดูซับซ้อน ล้ำหน้า ทันสมัย (ที่อาจหาที่ใช้ในชีวิตประจำวันหรือในโลกนี้ไม่ได้) พูดจาแต่ละอย่างคนที่ไม่มีความรู้ด้านนั้นก็นึกว่าเป็นคนเก่ง แต่พอเจอเข้ากับเรื่องง่าย ๆ ในชีวิตประจำวันกลับทำอะไรไม่เป็น

คำถามหนึ่งที่ใช้ทดสอบความรู้พื้นฐานทางไฟฟ้าของวิศวกร (ซึ่งทุกสาขาต้องเรียนอยู่แล้ว) ก็คือให้เขียนแผนผังวงจรหลอดฟลูออเรสเซนต์

หลอดไฟฟ้าที่ให้แสงสว่างที่ใชักันตามบ้านเรือนจะมีอยู่ ๒ ชนิดคือหลอดไส้ (incandescent lamp) ซึ่งมีราคาถูก (ราคาประมาณ ๒๐ บาทต่อหลอด) หลอดชนิดนี้เวลาทำงานจะร้อนจัดมาก (อย่าเผลอเอามือเปล่าจับนะ) พลังงานไฟฟ้าส่วนใหญ่ถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานความร้อน มีเพียงส่วนน้อยเท่านั้นที่กลายเป็นแสง ปริมาณแสงที่ได้ต่อพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ (ลูเมนต่อวัตต์) มีค่าต่ำ

มีงานอยู่ประเภทหนึ่งที่ยังต้องใช้หลอดไส้อยู่คืองานให้ความอบอุ่น เช่นพวกฟักไข่หรือเลี้ยงไก่

หลอดไส้จะให้แสงออกโทนสีเหลือง หลอดไส้ชนิดใสเวลามองดูจะรู้สึกแสงจ้ามาก ก็เลยมีการทำหลอดไส้ชนิดขุ่นออกมา แต่ถ้าต้องการให้แสงเป็นสีขาวก็ต้องไปหาซื้อหลอด day light ซึ่งเป็นหลอดไส้ที่ตัวหลอดเป็นแก้วสีน้ำเงิน

หลอดอีกชนิดหนึ่งที่ใช้กันคือหลอดฟลูออเรสเซนต์ (fluorescent lamp) หรือหลอดเรืองแสง แต่คนทั่วไปชอบเรียกว่าหลอดนีออน ทั้ง ๆ ที่หลอดนีออนนั้นเป็นหลอดอีกชนิดหนึ่ง (พวกหลอดไฟให้แสงสีต่าง ๆ ที่นำมาขดเป็นตัวหนังสือหรือภาพโฆษณา) หลอดฟลูออเรสเซนต์นี้ทำงานโดยการกระตุ้นให้แก๊สในหลอดเปล่งรังสีอัลตร้าไวโอเล็ตออกมา โฟตอนของรังสีอัลตร้าไวโอเล็ตดังกล่าวจะถูกดูดกลืนด้วยสารที่เคลือบไว้ที่ผนังด้านในของหลอดแก้ว จากนั้นสารเคลือบจะคายพลังงานที่ดูดกลืนไว้ออกมาในรูปของโฟตอนที่มีพลังงานต่ำกว่า คืออยู่ในช่วงแสงที่ตามองเห็น (ปรากฎการณ์เรืองแสง) หลอดชนิดนี้ให้ปริมาณแสงที่ได้ต่อปริมาณไฟฟ้าที่ใช้สูงกว่าหลอดไส้ แต่หลอดฟลูออเรสเซนต์ใช้แล้วถือว่าเป็น "ขยะพิษ"

รูปที่ ๑ แผนผังวงจรหลอดฟลูออเรสเซนต์ (Fluorescent lamp)

หลอดชนิดนี้เวลาทำงานจะไม่ร้อนจัดเหมือนหลอดไส้ จะรู้สึกว่าหลอดอุ่น (ยังสามารถเอามือจับได้) 

แสงที่ออกมานั้นเวลาดูด้วยตาเปล่าจะเห็นเป็นแสงขาว แต่ถ้าถ่ายรูปด้วยกล้องโดยไม่ใช้แฟลชจะพบว่าแสงจะออกโทนสีเหลือง

หลอดฟลูออเรสเซนต์นั้นต้องมีอุปกรณ์ช่วยในการทำงานได้แก่บัลลาสต์ (ballast) และสตาร์ตเตอร์ (starter)

บัลลาสต์ทำหน้าที่ควบคุมแรงดันไฟฟ้าให้สูงพอที่จะทำให้กระแสไฟฟ้าเคลื่อนผ่านแก๊สในหลอดได้ ส่วนสตาร์ตเตอร์เป็นเสมือนสวิตช์อัตโนมัติที่จะปิดวงจรเมื่อเปิดสวิตช์ไฟ และจะเปิดวงจรเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวหลอด (ทบทวนนิดนึง ปิดวงจรจะมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน เปิดวงจรจะไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านนะ)

การต่อวงจรหลอดฟลูออเรสเซนต์แสดงไว้ในรูปที่ ๑ แล้ว

สายไฟที่ใช้ในบ้านยุคใหม่ในปัจจุบันจะมีอยู่ ๓ เส้น คือสาย line ซึ่งเป็นสายที่มีไฟ (เอาไขควงเช็คไฟไปจิ้มจะเห็นหลอดไฟที่ไขควงสว่าง) สาย neutral ซึ่งเป็นสายที่ไม่มีไฟ (เอาไขควงเช็คไฟไปจิ้ม หลอดไฟที่ไขควงจะไม่ติด) และสายดิน (ground หรือ earth ซึ่งจะเชื่อมต่อกับแท่งโลหะที่ฝังลงดิน ณ ที่ใดที่หนึ่งในบ้าน) สายดินนี้บ้านรุ่นเก่าจะไม่มี

การติดตั้งสวิตช์เปิด-ปิดจะต้องอยู่ที่สาย line ถ้าสวิตช์เปิด-ปิดอยู่ที่สาย neutral แม้ว่าเราจะปิดสวิตช์ไฟ (เปิดวงจร) กระแสไฟในสาย line จะยังคงไหลผ่านบัลลาสต์ไปยังหลอด เวลากลางคืนจะเห็นว่าหลอดมีการเรืองแสงเล็กน้อยอยู่ ถ้าเป็นเช่นนี้ก็แสดงว่าสวิตช์เปิด-ปิดนั้นติดตั้งผิด การแก้ปัญหาต้องติดตั้งให้สวิตช์ปิด-เปิดอยู่ที่สาย line

เมื่อเราเปิดไฟนั้น กระแสไฟฟ้าจะวิ่งผ่านบัลลาสต์ไปยังไส้หลอด และผ่านไส้หลอดไปยังสตาร์ตเตอร์ และออกไปทางสาย neutral และพอไส้หลอดอุ่นพอก็จะมีอิเล็กตรอนวิ่งผ่านแก๊สในหลอดจากฝั่งหนึ่งไปยังอีกฝั่งหนึ่ง สตาร์ตเตอร์ก็จะเปิดวงจร (ไม่มีกระแสไฟไหลผ่านสตาร์ตเตอร์แต่ไหลผ่านหลอดฟลูออเรสเซนต์แทน)

ดังนั้นในช่วงแรกที่เปิดหลอดฟลูออเรสเซนต์นั้นจะเห็นสตาร์ตเตอร์สว่างแบบกระพริบ (เป็นจังหวะที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน) และเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านหลอดฟลูออเรสเซนต์แล้วไฟที่สตาร์ตเตอร์จะดับ

ถ้าไม่มีสตาร์ตเตอร์จะเปิดหลอดฟลูออเรสเซนต์ไม่ได้ แต่เมื่อหลอดฟลูออเรสเซนต์ติดแล้วสามารถถอดสตาร์ตเตอร์ออกได้โดยที่หลอดจะไม่ดับ

บัลลาสต์ที่ใช้กันมากนั้นคือชนิดที่เป็นแกนเหล็ก ข้อดีของบัลลาสต์ชนิดนี้คือมีความทนทานสูง (ที่เห็นใช้กันตามบ้านก็อายุนานเกินกว่า ๑๐ ปีทั้งนั้น) แต่มีข้อเสียคือมีการสูญเสียพลังงานค่อนข้างสูงอยู่เหมือนกัน บัลลาสต์สำหรับหลอดขนาด ๓๖-๔๐ วัตต์จะมีการสูญเสียพลังงานประมาณ ๕๐ วัตต์ และยังมีค่าตัวประกอบกำลัง (power factor) ที่ต่ำด้วย (ประมาณ ๐.๓ ถึง ๐.๕) ดังนั้นถ้ามีการใช้หลอดฟลูออเรสเซนต์จำนวนมากก็จะทำให้ต้องมีการดึงกระแสมากไปด้วย ยิ่งต้องการกระแสไฟมากเท่าใดก็ต้องการสายไฟเส้นใหญ่ขึ้น และการสูญเสียพลังงานในสายไฟก็จะเพิ่มขึ้นด้วย (ความร้อนที่เกิดจากการไหลผ่านของกระแสไฟฟ้ามีค่า I²R เมื่อ I คือกระแสไฟฟ้าและ R คือความต้านทาน)

การประหยัดพลังงานที่บัลลาสต์ทำได้โดยการเปลี่ยนไปใช้บัลลาสต์ที่มีการสูญเสียพลังงานต่ำลง (เหลือประมาณ ๕ วัตต์) และมีค่าตัวประกอบกำลังสูงขึ้น (เพื่อลดการดึงกระแส)

ที่จำได้คือแต่ก่อนหลอดฟลูออเรสเซนต์ในบ้านตามต่างจังหวัดจะต้องติดตัวเก็บประจุโดยต่อขนานกับวงจรหลอดฟลูออเรสเซนต์ดังแสดงในรูปที่ ๑ เพื่อลดปัญหาไฟตก แต่บ้านในเขตกรุงเทพนั้นไม่ต้องมี หน้าที่ของตัวเก็บประจุคือทำให้ค่าตัวประกอบกำลังเพิ่มสูงขึ้น แต่ปัจจุบันดูเหมือนจะไม่จำเป็นเสียแล้ว

บัลลาสต์อีกชนิดคือบัลลาสต์อิเล็กทรอนิกส์ ข้อดีของบัลลาสต์อิเล็กทรอนิกส์คือทำให้หลอดติดได้ทันทีเมื่อเปิดสวิตช์ (ไม่มีการกระพริบ) มีค่าตัวประกอบกำลังสูง (ที่เคยเห็นอยู่ที่ระดับ ๐.๕-๐.๘) มีการสูญเสียพลังงานต่ำ และมีน้ำหนักเบา แต่ข้อเสียคือมีราคาแพงและไม่ทนทาน ที่เคยใช้พบว่าบัลลาสต์พังก่อนหลอด ทำให้ผมเลิกซื้อโคมบัลลาสต์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดสำเร็จรูป เพราะพอบัลลาสต์พังก็ต้องเปลี่ยนทั้งโคม แต่ถ้าเป็นบัลลาสต์แบบแกนเหล็กจะพบว่าเปลี่ยนหลอดไม่รู้กี่หลอดกว่าที่จะเปลี่ยนบัลลาสต์ (เปลี่ยนหลอดมันง่ายกว่าเปลี่ยนโคม)

หวังว่าบันทึกนี้คงจะช่วยเพิ่มพูนความรู้ที่ใช้ในชีวิตประจำวันให้กับพวกคุณบ้าง