Lampa fluorescenční a princip fungování fluorescenční lampy
Co je fluorescentní lampou?
Fluorescentní lampa je lehká rtuťová parová lampa, která využívá fluorescenci k vyzařování viditelného světla. Elektrický proud v plyně způsobí zánik rtuťového paru, což vedne k vydávání ultrafialového záření prostřednictvím procesu výboje, a toto ultrafialové záření způsobí, že fosforové povlak uvnitř stěny lampy vyzařuje viditelné světlo.
Fluorescentní lampa převádí elektrickou energii na užitečnou světelnou energii mnohem efektivněji než žárovky. Průměrná světelná účinnost systémů s fluorescentními lampami je 50 až 100 lumenů na watt, což je několikanásobně větší než účinnost žárovek se stejným světelným výkonem.
Jak funguje fluorescentní lampa?
Než se podíváme na princip fungování fluorescentní lampy, nejprve ukážeme obvod fluorescentní lampy, jinak řečeno obvod trubkové lampy.
Zde připojíme jednu balastu, jeden spínač a napájení je sériové, jak je znázorněno. Pak připojíme fluorescentní trubku a starter naproti ní.
Když zapneme napájení, plná napětí se objeví napříč lampou a také napříč starterem přes balast. Ale v tu chvíli nedochází k výboji, tj. žádný světelný výkon z lampy.
V této fázi se nejprve vytvoří výboj v starteru. Důvodem je, že mezera mezi elektrodami v neonové žárovce starteru je mnohem menší než u fluorescentní lampy.
Poté se plyn uvnitř starteru ionizuje díky tomuto plnému napětí a ohřívá dvojmetall. To způsobí ohnutí dvojmetallu, který se spojí s pevným kontaktem. Nyní začne proud protékat starterem. I když ionizační potenciál neonu je vyšší než argonu, kvůli malé mezeře mezi elektrodami se v neonové žárovce objeví vysoký napěťový gradient a tedy se v starteru nejprve zahajuje výboj.
Jakmile začne proud protékat dotykovými styky neonové žárovky starteru, napětí napříč neonovou žárovkou se sníží, protože proud způsobí padění napětí napříč induktor (balast). Při sníženém nebo žádném napětí napříč neonovou žárovkou starteru nebude probíhat žádný výboj a tedy se dvojmetall ochladí a odpojí od pevného kontaktu. V okamžiku, kdy se styky v neonové žárovce starteru rozdělí, dojde k přerušení proudu a tedy v tu chvíli se objeví velký napěťový špička napříč induktorem (balastem).
Toto vysoké napěťové špička se objeví napříč elektrodami fluorescentní lampy (trubkové lampy) a zasáhne směs Penning (směs argonu a rtuťového paru).
Proces výboje se zahájí a bude pokračovat, a tedy proud opět získá cestu k protékaní přímo přes trubkovou lampu (fluorescentní lampa). Během vypouštění směsi Penning odpor nabízený plynem je nižší než odpor starteru.
Výboj rtuťových atomů produkují ultrafialové záření, které pak vyvolá fosforový prášek na povrchu lampy, aby vyzařoval viditelné světlo.
Starter se deaktivuje během svěcení fluorescentní lampy (trubkové lampy), protože v této situaci žádný proud neprochází starterem.
Fyzika fluorescentní lampy
Když se na elektrody aplikuje dostatečně vysoké napětí, vznikne silné elektrické pole. Malý proud procházející elektrodami způsobí ohřátí filamentu. Protože filament je oxidově natřen, vznikne dostatečný počet elektronů, kteří se pohybují od negativní elektrody (katody) k pozitivní elektrodě (anodě) díky tomuto silnému elektrickému poli. Během pohybu volných elektronů se zahajuje proces výboje.
Základní proces výboje vždy sleduje tři kroky:
Volné elektrony jsou získány z elektrod a jsou akcelerovány aplikovaným elektrickým polem.
Kinetická energie volných elektronů se přeměňuje na expanzní energii atomů plynu.
Expanzní energie atomů plynu se přeměňuje na záření.
Během procesu výboje se vytváří jediná ultrafialová spektrální linka o délce 253,7 nm při nízkém tlaku rtuťového paru. Pro generování ultrafialového záření o délce 253,7 nm se teplota bubliny udržuje mezi 105 a 115oC.
Poměr délky k průměru trubky by měl být takový, aby se v obou koncích vyskytly fixní ztráty výkonu. Místo, kde se tyto ztráty výkonu nebo světlo elektrod vyskytují, se nazývá oblast padění katody a anody. Tato ztráta výkonu je velmi malá.
Katody by měly být oxidově natřené. Horká katoda poskytuje hojnost volných elektronů. Horké katody, to znamená ty, které jsou ohřívány proudem, který je poskytnut dušníkem nebo ovládacím zařízením. Některé lampy mají také studené katody. Studené katody mají větší efektivní plochu a vyšší napětí, jako je 11 kV, které se aplikuje na ně, aby se získaly ionty. Plyn začíná vypouštět díky tomuto vysokému napětí. Ale při 100 až 200 V se světlo katody odděluje od katody, což se nazývá padění katody. To poskytuje velké množství iontů, které jsou akcelerovány k anodě, aby vyprodukovaly sekundární elektrony na dopad, což v termínu produkuje více iontů. Avšak padění katody u horké katody je pouze 10 V.
Dějiny a vynález fluorescentní lampy
V roce 1852 objevil Sir George Stokes transformaci ultrafialového záření na viditelné záření.
Od té doby až do roku 1920 bylo provedeno mnoho různých experimentů, aby se vyvinuly nízkotlaké a vysokotlaké elektrické výboje v rtuťovém a sodíkovém paru. Ale všechny tyto obvody byly neefektivní při transformaci ultrafialového záření na viditelné záření. Důvodem bylo, že elektrody nemohly emitovat dostatečný počet elektronů, aby se zahájil výbojový fenomén. Znovu se mnoho elektronů sráželo s atomy plynu a ta byla elastická. Takže excitace nevytvářela spektrální linku, kterou by bylo možné využít. Ale velmi málo práce bylo vynaloženo na fluorescentní lampy.
Ale v 20. letech se odehrála velká přestavba. Bylo zjištěno, že směs rtuťového paru a inertního plynu při nízkém tlaku je 60 % efektivní při převodu elektrického vstupního výkonu na jednu spektrální linku o délce 253,7 nm.
Ultrafialové záření se přeměňuje na viditelné světlo pomocí vhodného fluorescenčního materiálu uvnitř lampy. Od té doby se fluorescentní lampa stala součástí každodenního života lidí.Později, v roce 1934, Dr. W. L. Enfield obdržel zprávu od Dr. A. H. Cromptona o použití lampy s fluorescenčním povlakem. Okamžitě vytvořil výzkumný tým, který se začal zabývat vytvářením komerčních fluorescentních lamp. V roce 1935 jejich tým vyrobil prototyp zelené fluorescentní lampy s účinností asi 60 %.
O dva a půl roku později byly fluorescentní lampy uvedeny na trh v bílé a šesti dalších barvách. Různé směsi fosforového prášku se používají k vytváření různých barev z fluorescentních lamp. První lampa byla uvedena s výkonem 15, 20 a 30 W v délkách 18 palců, 25 palců a 36 palců.
