Lampada fluorescente e principio di funzionamento della lampada fluorescente
Cos'è una Lampada Fluorescente?
Una lampada fluorescente è una lampada a vapore di mercurio leggera che utilizza la fluorescenza per produrre luce visibile. Un vapore di mercurio viene eccitato da una corrente elettrica, producendo radiazione ultravioletta attraverso un processo di scarica, e questa radiazione ultravioletta causa la fluorescenza del rivestimento fosforico interno della lampada, generando luce visibile.
Una lampada fluorescente converte l'energia elettrica in luce utile molto più efficacemente delle lampade a incandescenza. L'efficacia luminosa media dei sistemi di illuminazione a fluorescenza è di 50 a 100 lumen per watt, che è diverse volte superiore all'efficacia delle lampade a incandescenza con lo stesso output luminoso.
Come funziona una Lampada Fluorescente?
Prima di esaminare il principio di funzionamento di una lampada fluorescente, mostreremo il circuito di una lampada fluorescente, in altre parole, il circuito di una tubo al neon.
Qui connettiamo un ballast, un interruttore e l'alimentazione in serie come mostrato. Poi collegiamo il tubo fluorescente e un avviatore (starter) ad esso.
Quando si attiva l'alimentazione, la tensione completa viene applicata alla lampada e allo starter attraverso il ballast. Tuttavia, in quel momento, non si verifica alcuna scarica, cioè non c'è alcuna emissione luminosa dalla lampada.
A quella tensione completa, prima si stabilisce la scarica di globo nello starter. Questo perché la distanza tra gli elettrodi nel bulbo a neon dello starter è molto inferiore rispetto a quella della lampada fluorescente.
Il gas all'interno dello starter viene ionizzato a causa di questa tensione completa e riscalda la striscia bimetallica. Ciò causa la flessione della striscia bimetallica per collegarsi al contatto fisso. Ora, la corrente inizia a fluire attraverso lo starter. Anche se il potenziale di ionizzazione del neon è maggiore di quello dell'argon, a causa della piccola distanza tra gli elettrodi, si forma un gradiente di alta tensione nel bulbo a neon e quindi la scarica di globo si inizia prima nello starter.
Non appena la corrente inizia a fluire attraverso i contatti toccati del bulbo a neon dello starter, la tensione sul bulbo a neon si riduce poiché la corrente causa una caduta di tensione sull'induttore (ballast). A una tensione ridotta o assente sul bulbo a neon dello starter, non si verifica ulteriore scarica di gas e quindi la striscia bimetallica si raffredda e si stacca dal contatto fisso. Al momento dello spegnimento dei contatti nel bulbo a neon dello starter, la corrente viene interrotta, e quindi in quel momento, un grande impulso di tensione si genera sull'induttore (ballast).
Questo impulso di alta tensione viene applicato agli elettrodi della lampada fluorescente (tubo al neon) e colpisce la miscela di Penning (miscela di gas argon e vapore di mercurio).
Il processo di scarica di gas si inizia e continua, e quindi la corrente riprende a fluire attraverso il tubo della lampada fluorescente (tubo al neon) stesso. Durante la scarica della miscela di gas di Penning, la resistenza offerta dal gas è inferiore rispetto alla resistenza dello starter.
La scarica del vapore di mercurio produce radiazioni ultraviolette che, a loro volta, eccitano il rivestimento di polvere fosforica per emettere luce visibile.
Lo starter diventa inattivo durante la luminescenza della lampada fluorescente (tubo al neon) perché nessuna corrente passa attraverso lo starter in tale condizione.
Fisica dietro la Lampada Fluorescente
Quando si applica una tensione sufficientemente alta tra gli elettrodi, si crea un forte campo elettrico. Una piccola quantità di corrente attraverso le filiere degli elettrodi riscalda la spirale. Poiché la filiera è ricoperta di ossido, viene prodotta una quantità sufficiente di elettroni, e questi si muovono dall'elettrodo negativo (catodo) all'elettrodo positivo (anodo) a causa di questo forte campo elettrico. Durante il movimento degli elettroni liberi, il processo di scarica si stabilisce.
Il processo di scarica di base segue sempre tre passaggi:
Gli elettroni liberi derivano dagli elettrodi e vengono accelerati dal campo elettrico applicato.
L'energia cinetica degli elettroni liberi viene convertita nell'energia di eccitazione degli atomi di gas.
L'energia di eccitazione degli atomi di gas viene convertita in radiazione.
Nel processo di scarica, una singola linea spettrale ultravioletta di 253,7 nm viene prodotta a bassa pressione di vapore di mercurio. Per generare il raggio ultravioletto di 253,7 nm, la temperatura del bulbo viene mantenuta tra 105 e 115°C. Il rapporto lunghezza-diametro del tubo deve essere tale da garantire una perdita di watt fissata alle estremità. Dove questa perdita di watt o luminescenza degli elettrodi si verifica, si chiama regione di caduta catodica e anodica. Questa perdita di watt è molto piccola. Ancora, i catodi dovrebbero essere ricoperti di ossido. I catodi caldi forniscono un'abbondanza di elettroni liberi. I catodi caldi, intesi come quelli riscaldati da una corrente circolante, e questa corrente circolante è fornita dallo strozzatore o dispositivo di controllo. Alcune lampade hanno anche catodi freddi. I catodi freddi hanno un'area effettiva maggiore e una tensione più elevata, come 11 kV, applicata su di loro per ottenere ioni. Il gas inizia a scaricare a causa di questa alta tensione. Ma a 100-200 V, la luminescenza del catodo si separa dal catodo, chiamata caduta catodica. Questo fornisce un'ampia fornitura di ioni che vengono accelerati verso l'anodo per produrre elettroni secondari all'impatto, che a loro volta producono più ioni. Ma la caduta catodica nella scarica a catodo caldo è solo di 10 V.
Storia e Invenzione della Lampada Fluorescente
Nel 1852, Sir George Stokes aveva scoperto la trasformazione della radiazione ultravioletta in luce visibile.
Da quel momento fino al 1920, vari tipi di esperimenti sono stati condotti per sviluppare scariche elettriche a bassa e alta pressione nei vapori di mercurio e sodio. Tuttavia, tutte quelle circuitazioni sviluppate erano inefficienti per trasformare i raggi ultravioletti in raggi visibili. Questo era dovuto al fatto che gli elettrodi non potevano emettere elettroni sufficienti per stabilire il fenomeno di scarica ad arco. Inoltre, molti elettroni collidono con gli atomi di gas in modo elastico, quindi l'eccitazione non creava una linea spettrale da utilizzare. Ma molto poco lavoro è stato fatto sulle lampade fluorescenti.
Ma negli anni '20, si è verificata una svolta importante. È stata scoperta la possibilità che la miscela di vapore di mercurio e gas inerte a bassa pressione sia efficiente al 60% per convertire la potenza di input elettrica in una singola linea spettrale a 253,7 nm. I raggi ultravioletti vengono convertiti in raggi luminosi visibili utilizzando un materiale fluorescente appropriato all'interno della lampada. Da quel momento, la lampada fluorescente ha iniziato a essere introdotta nella vita quotidiana delle persone.
Successivamente, nel 1934, Dr. W. L. Enfield ricevette un rapporto dal Dr. A. H. Crompton riguardo all'uso di lampade rivestite di materiale fluorescente. Immediatamente, Enfield ha creato un team di ricerca e ha iniziato a creare lampade fluorescenti commerciali. Nel 1935, il loro team ha prodotto un prototipo di lampada fluorescente verde con un'efficienza del 60%.
Dopo due anni e mezzo, le lampade fluorescenti sono state introdotte in bianco e in altri sei colori sul mercato. Sono stati utilizzati vari miscugli di polvere fosforica per produrre diversi colori dalle lampade fluorescenti. La prima lampada è stata introdotta con 15, 20 e 30 W in lunghezze di 18, 25 e 36 pollici.
Poco dopo, la lampada T12 da 40 W, 4 piedi, è stata introdotta e ampiamente utilizzata per l'illuminazione in uffici, scuole e industrie. Le prime lampade emettevano una luce leggermente giallastra a 3500K. Successivamente, sono state sviluppate lampade a 6500K per simulare la luce media del cielo settentrionale in un cielo nuvoloso.
Generalmente, le lampade da 4 piedi, con 1,5 pollici di diametro, 40 W, erano disponibili sul mercato nel 1940. Tuttavia, gradualmente, il design è stato modificato per un utilizzo migliore. Nella porzione di scarica ad arco delle lampade è stato modificato. Tuttavia, l'arg
