لامپ فلورسنت و اصل کار لامپ فلورسنت
چیست لامپ فلورسنت؟
لامپ فلورسنت یک لامپ بخار جیوه با وزن کم است که از فلورسانس برای تولید نور قابل مشاهده استفاده میکند. یک جریان الکتریکی در گاز، بخار جیوه را تحریک میکند که از طریق فرآیند دیسچارژ، تابش فرابنفش تولید میکند و این تابش فرابنفش باعث میشود که پوشش فسفری داخل دیواره لامپ، نور قابل مشاهده را تابش کند.
لامپ فلورسنت انرژی الکتریکی را به انرژی نوری مفید به طور قابل توجهی موثرتر از لامپهای سیمانی تبدیل کرده است. معمولاً کارایی روشنایی سیستمهای فلورسنت بین ۵۰ تا ۱۰۰ لمبرت بر وات است که چندین برابر کارایی لامپهای سیمانی با خروجی نوری مشابه است.
لامپ فلورسنت چگونه کار میکند؟
قبل از بررسی اصل کار لامپ فلورسنت، ابتدا مدار لامپ فلورسنت یا به عبارت دیگر مدار لامپ لولهای را نشان خواهیم داد.
در اینجا یک بالاست و یک کلید متصل میکنیم و تغذیه به صورت سری انجام میشود. سپس لامپ فلورسنت و یک استارتر را به آن متصل میکنیم.
وقتی تغذیه را روشن میکنیم، ولتاژ کامل به لامپ و همچنین به استارتر از طریق بالاست میرسد. اما در آن لحظه، هیچ دیسچارژی رخ نمیدهد، یعنی خروجی نوری از لامپ وجود ندارد.
در آن ولتاژ کامل ابتدا دیسچارژ گلوئی در استارتر ایجاد میشود. این به دلیل این است که فاصله الکترودها در لامپ نئون استارتر بسیار کمتر از لامپ فلورسنت است.
سپس گاز داخل استارتر به دلیل این ولتاژ کامل یونیزه میشود و نوار دو فلزی را گرم میکند. این باعث میشود که نوار دو فلزی خم شده و به تماس ثابت متصل شود. حالا، جریان از طریق استارتر شروع به جریان دارد. اگرچه پتانسیل یونیزاسیون نئون بیشتر از آرگون است، اما به دلیل فاصله کم الکترودها، گرادیان ولتاژ بالایی در لامپ نئون ظاهر میشود و بنابراین دیسچارژ گلوئی ابتدا در استارتر شروع میشود.
همینطور که جریان از طریق تماسهای متصل شده در لامپ نئون استارتر شروع میشود، ولتاژ بر روی لامپ نئون کاهش مییابد زیرا جریان یک کاهش ولتاژ در اندکتور (بالاست) ایجاد میکند. بدون ولتاژ یا با ولتاژ کم در لامپ نئون استارتر، دیگر هیچ دیسچارژ گازی رخ نمیدهد و بنابراین نوار دو فلزی سرد شده و از تماس ثابت جدا میشود. در زمان جدا شدن تماسها در لامپ نئون استارتر، جریان قطع میشود و بنابراین در آن لحظه، یک شتاب ولتاژ بزرگ به بالاست (اندکتور) میرسد.
این شتاب ولتاژ با مقدار بالا به الکترودهای لامپ فلورسنت (لامپ لولهای) میرسد و مخلوط پنینگ (مخلوط گاز آرگون و بخار جیوه) را ضربه میزند.
فرآیند دیسچارژ گاز شروع میشود و ادامه مییابد و بنابراین جریان مجدداً مسیری برای جریان از طریق خود لامپ فلورسنت (لامپ لولهای) مییابد. در طول دیسچارژ مخلوط گاز پنینگ، مقاومت ارائه شده توسط گاز کمتر از مقاومت استارتر است.
دیسچارژ جیوه اتمها تابش فرابنفش تولید میکند که به نوبه خود پوشش پودر فسفری را برای تابش نور قابل مشاهده تحریک میکند.
استارتر در زمان روشن شدن لامپ فلورسنت (لامپ لولهای) غیرفعال میشود زیرا در آن حالت هیچ جریانی از طریق استارتر عبور نمیکند.
فیزیک پشت لامپ فلورسنت
وقتی ولتاژ کافی به الکترودها وارد میشود، یک میدان الکتریکی قوی تشکیل میشود. جریان کمی از طریق سیمهای الکترودها حرارت میدهد. از آنجا که سیمهای الکترود با اکسید پوشش داده شدهاند، تعداد کافی الکترون تولید میشود و آنها به دلیل این میدان الکتریکی قوی از الکترود منفی یا کاتد به الکترود مثبت یا آنود حرکت میکنند. در طول حرکت الکترونهای آزاد، فرآیند دیسچارژ ایجاد میشود.
فرآیند دیسچارژ پایه همیشه شامل سه مرحله است:
الکترونهای آزاد از الکترودها به دست میآیند و توسط میدان الکتریکی وارد شده شتاب میگیرند.
انرژی جنبشی الکترونهای آزاد به انرژی تحریک اتمهای گاز تبدیل میشود.
انرژی تحریک اتمهای گاز به تابش تبدیل میشود.
در فرآیند دیسچارژ، یک خط طیفی فرابنفش با طول موج ۲۵۳٫۷ نانومتر در فشار کم بخار جیوه تولید میشود. برای تولید تابش فرابنفش ۲۵۳٫۷ نانومتر، دمای لامپ بین ۴۰ تا ۴۶ درجه سانتیگراد نگهداری میشود. نسبت طول به قطر لوله باید به گونهای باشد که تلفات ثابت واتی در هر دو انتهای لوله رخ دهد. محلی که این تلفات واتی یا تابش الکترودها رخ میدهد به عنوان ناحیه فروافتادگی کاتد و آنود شناخته میشود. این تلفات بسیار کم است. دوباره الکترودها باید با اکسید پوشش داده شده باشند. کاتد گرم تعداد زیادی الکترون آزاد ارائه میدهد. کاتد گرم به معنای الکترودهایی است که با جریان دورانی گرم میشوند و این جریان دورانی توسط چوک یا تجهیزات کنترلی تأمین میشود. برخی لامپها نیز کاتد سرد دارند. کاتدهای سرد سطح مؤثر بزرگتری دارند و ولتاژ بالاتری مانند ۱۱ کیلوولت به آنها وارد میشود تا یونها را تولید کنند. گاز به دلیل اعمال این ولتاژ بالا شروع به دیسچارژ میکند. اما در ۱۰۰ تا ۲۰۰ ولت، تابش کاتد از کاتد جدا میشود که به آن فروافتادگی کاتد گفته میشود. این باعث تأمین زیادی از یونها میشود که به آنود شتاب میگیرند و در برخورد الکترونهای ثانویه تولید میکنند که به نوبه خود یونهای بیشتری تولید میکنند. اما فروافتادگی کاتد در دیسچارژ کاتد گرم فقط ۱۰ ولت است.
تاریخچه و اختراع لامپ فلورسنت
در سال ۱۸۵۲، سر جرج استوکس تبدیل تابش فرابنفش به تابش قابل مشاهده را کشف کرد.
از این زمان تا سال ۱۹۲۰، آزمایشهای مختلفی برای توسعه دیسچارژ الکتریکی با فشار پایین و بالا در بخار جیوه و سدیم انجام شد. اما تمام مدارهای توسعه یافته برای تبدیل تابش فرابنفش به تابش قابل مشاهده کارایی نداشتند. این به دلیل این بود که الکترودها نتوانستند الکترونهای کافی برای ایجاد پدیده دیسچارژ آرک تولید کنند. همچنین بسیاری از الکترونها با اتمهای گاز برخورد کردند و این برخوردها الاستیک بودند. بنابراین تحریک طیف خطی قابل استفاده ایجاد نکرد. اما کار بسیار کمی در زمینه لامپهای فلورسنت انجام شد.
اما در دهه ۱۹۲۰، پیشرفت مهمی رخ داد. این واقعیت کشف شد که مخلوط بخار جیوه و گاز غیرreaktive در فشار پایین ۶۰٪ کارایی برای تبدیل انرژی ورودی الکتریکی به یک خط طیفی در ۲۵۳٫۷ نانومتر دارد. تابش فرابنفش با استفاد
