Leuchtstofflampe und Arbeitsprinzip der Leuchtstofflampe

Was ist eine Leuchtstoffröhre?

Eine Leuchtstoffröhre ist eine leichte Quecksilberdampflampe, die Fluoreszenz nutzt, um sichtbares Licht zu erzeugen. Ein elektrischer Strom in dem Gas aktiviert den Quecksilberdampf, der durch den Entladungsprozess ultraviolette Strahlung erzeugt, und diese ultraviolette Strahlung bewirkt, dass die Phosphorbeschichtung an der Innenseite der Lampe sichtbares Licht emittiert.

Eine Leuchtstoffröhre wandelt elektrische Energie effizienter in nützliche Lichtenergie um als Glühbirnen. Die typische Luminanzleistung von Leuchtstoffbeleuchtungssystemen beträgt 50 bis 100 Lumen pro Watt, was mehrere Male die Effizienz von Glühbirnen mit vergleichbarem Lichtausstoß ist.

Wie funktioniert eine Leuchtstoffröhre?

Bevor wir das Funktionsprinzip einer Leuchtstoffröhre durchgehen, zeigen wir zunächst den Schaltkreis einer Leuchtstoffröhre, auch bekannt als Schaltkreis einer Röhre.

Hier verbinden wir einen Ballast und einen Schalter, und die Spannungsversorgung erfolgt in Reihe, wie dargestellt. Dann verbinden wir die Leuchtstoffröhre und einen Starter über sie.

• Wenn wir die Spannungsversorgung einschalten, kommt die volle Spannung sowohl auf die Lampe als auch über den Ballast auf den Starter. Aber in diesem Moment findet keine Entladung statt, d.h. es gibt keinen Lichtausstoß von der Lampe.

• Bei dieser vollen Spannung wird zunächst die Glühdiskussion im Starter etabliert. Dies liegt daran, dass der Elektrodenabstand in der Neonlampe des Starters viel geringer ist als bei der Leuchtstoffröhre.

• Dann wird das Gas im Starter aufgrund dieser vollen Spannung ionisiert und heizt den bimetallischen Streifen. Das führt dazu, dass sich der bimetallische Streifen verbiegt, um den festen Kontakt herzustellen. Nun beginnt der Strom, durch den Starter zu fließen. Obwohl das Ionisationspotential des Neons höher ist als das des Argons, entsteht aufgrund des kleinen Elektrodenabstands in der Neonlampe ein hoher Spannungsgradient, wodurch die Glühdiskussion im Starter zuerst beginnt.

• Sobald der Strom durch die berührten Kontakte der Neonlampe des Starters fließt, reduziert sich die Spannung über der Neonlampe, da der Strom einen Spannungsabfall über dem Induktor (Ballast) verursacht. Bei reduzierter oder keiner Spannung über der Neonlampe des Starters findet keine weitere Gasentladung statt, und daher kühlt sich der bimetallische Streifen ab und trennt sich vom festen Kontakt. Wenn die Kontakte in der Neonlampe des Starters getrennt werden, wird der Strom unterbrochen, und daher tritt in diesem Moment ein hoher Spannungssprung über dem Induktor (Ballast) auf.
  

  

• Dieser hohe Spannungssprung tritt über den Elektroden der Leuchtstoffröhre (Röhre) auf und schlägt das Penning-Gemisch (Gemisch aus Argongas und Quecksilberdampf).

• Der Gasentladungsprozess beginnt und setzt fort, und daher erhält der Strom wieder einen Weg, durch die Leuchtstoffröhre (Röhre) selbst zu fließen. Während der Entladung des Penning-Gases bietet das Gas einen niedrigeren Widerstand als der Starter.

• Die Entladung der Quecksilberatome produziert ultraviolette Strahlung, die die Phosphorpulverbeschichtung anregt, um sichtbares Licht auszustrahlen.

• Der Starter wird während des Leuchten der Leuchtstoffröhre (Röhre) inaktiv, da kein Strom durch den Starter fließt.

Physik hinter der Leuchtstoffröhre

Wenn eine ausreichend hohe Spannung über die Elektroden angelegt wird, wird ein starkes elektrisches Feld aufgebaut. Ein kleiner Strom durch die Elektrodenfilamente erwärmt die Filamentwicklung. Da das Filament mit Oxid beschichtet ist, werden ausreichend viele Elektronen erzeugt, die aufgrund dieses starken elektrischen Feldes von der negativen Elektrode oder Kathode zur positiven Elektrode oder Anode eilen. Während der Bewegung der freien Elektronen wird der Entladungsprozess etabliert.

Der grundlegende Entladungsprozess folgt immer drei Schritten:

1. Freie Elektronen werden von den Elektroden abgegeben und durch das angelegte elektrische Feld beschleunigt.

2. Die kinetische Energie der freien Elektronen wird in die Anregungsenergie der Gaselemente umgewandelt.

3. Die Anregungsenergie der Gaselemente wird in Strahlung umgewandelt.

Im Entladungsprozess wird bei einem niedrigen Quecksilberdampfdruck eine einzige ultraviolette Spektrallinie von 253,7 nm erzeugt. Um ultraviolette Strahlung von 253,7 nm zu erzeugen, wird die Glühbirnentemperatur zwischen 105 und 115oF gehalten. Das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Röhre sollte so sein, dass ein fester Wattaufwand an beiden Enden entsteht. Wo dieser Wattaufwand oder das Glühen der Elektroden stattfindet, wird als Kathoden- und Anodenfallbereich bezeichnet. Dieser Wattaufwand ist sehr gering. Wiederum sollten die Kathoden mit Oxid beschichtet sein. Eine heiße Kathode liefert eine Fülle von freien Elektronen. Heiße Kathoden sind Elektroden, die durch zirkulierenden Strom erhitzt werden, und dieser zirkulierende Strom wird durch einen Drossel oder Steuergerät bereitgestellt. Einige Lampen haben auch kalte Kathoden. Kalte Kathoden haben eine größere effektive Fläche und höhere Spannungen, wie 11 kV, die darauf angewendet werden, um Ionen zu erhalten. Das Gas beginnt, aufgrund dieser hohen Spannungsanwendung zu entladen. Aber bei 100 bis 200 V trennt sich das Kathodenglühen von der Kathode, was als Kathodenfall bezeichnet wird. Dies liefert eine große Menge an Ionen, die zur Anode beschleunigt werden, um sekundäre Elektronen beim Aufprall zu erzeugen, die ihrerseits mehr Ionen erzeugen. Der Kathodenfall bei heißen Kathodenentladungen liegt jedoch nur bei 10 V.

Geschichte und Erfindung der Leuchtstoffröhre

• Im Jahr 1852 hatte Sir George Stokes die Transformation von ultravioletter Strahlung in sichtbare Strahlung entdeckt.

• Von dieser Zeit bis 1920 wurden verschiedene Arten von Experimenten durchgeführt, um elektrische Entladungen bei niedrigem und hohem Druck in Quecksilber- und Natriumdampf zu entwickeln. Aber alle diese entwickelten Schaltkreise waren ineffektiv, um ultraviolette Strahlung in sichtbare Strahlung zu transformieren. Dies lag daran, dass die Elektroden nicht genügend Elektronen aussenden konnten, um den Bogenentladungsphänomen zu etablieren. Zudem stießen viele der Elektronen elastisch mit den Gasatomen zusammen, sodass die Anregung keine spektrale Linie erzeugte, die genutzt werden konnte. Aber sehr wenig Arbeit wurde an Leuchtstofflampen geleistet.

• Aber in den 1920er Jahren gab es einen großen Durchbruch. Es wurde entdeckt, dass das Gemisch aus Quecksilberdampf und inertem Gas bei niedrigem Druck 60% effektiv ist, um die eingesetzte elektrische Leistung in eine einzige spektrale Linie bei 253,7 nm umzuwandeln. Ultraviolette Strahlung wird durch geeignetes fluoreszierendes Material innerhalb der Lampe in sichtbares Licht umgewandelt. Von diesem Zeitpunkt an wurde die Leuchtstofflampe eingeführt, um in das tägliche Leben der Menschen zu gelangen.

• Später erhielt Dr. W. L. Enfield 1934 einen Bericht von Dr. A. H. Crompton über die Verwendung von fluoreszierend beschichteten Lampen. Sofort wurde von Enfield ein Forschungsteam gegründet und begann, kommerzielle Leuchtstofflampen zu entwickeln. Im Jahr 1935 produzierte ihr Team einen Prototyp einer grünen Leuchtstofflampe, die eine Effizienz von etwa 60% hatte.

• Zwei Jahre und sechs Monate später wurden Leuchtstofflampen in Weiß und sechs anderen Farben auf den Markt gebracht. Verschiedene Mischungen von Phosphorpulver werden verwendet, um verschiedene Farben von Leuchtstofflampen zu erzeugen. Die erste Lampe wurde mit 15, 20 und 30 W in Längen von 18, 25 und 36 Zoll eingeführt.

• Bald darauf wurde die 40 W T12, 4-Fuß-Lampe eingeführt und in Büros, Schulen und Industriebeleuchtung weit verbreitet. Die frühen Lampen erzeugten ein etwas gelbliches Licht bei 3500K. Später wurden 6500K Tageslichtlampen entwickelt, die ein Licht erzeugen, das das durchschnittliche Nordlicht am bedeckten Himmel simuliert.

• Allgemein waren 4-Fuß-Lampen mit 1,5 Zoll Durchmesser und 40 W im Jahr 1940 auf dem Markt verfügbar. Aber allmählich wurde das Design geändert, um seine Nutzung zu verbessern. Der Entladungsabschnitt der Lampen wurde geändert. Allerdings wird Argon weiterhin verwendet, wenn auch bei einem Druck, der etwas niedriger als der vorherige Druck ist. Der Quecksilberdampf wird bei demselben Druck wie zuvor gehalten. Diese Lampe benötigt 425 mA mit 100 bis 105 V Spannungsabfall.

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