蛍光灯と蛍光灯の動作原理

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フィールド: 基本電気

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蛍光灯とは何ですか？

蛍光灯は軽量の水銀蒸気ランプで、蛍光を用いて可視光を発するものです。電流がガス中の水銀蒸気を励起し、放電過程を通じて紫外線を放出し、この紫外線がランプ内壁の燐光体コーティングを励起して可視光を放射します。

蛍光灯は白熱電球よりも効率的に電気エネルギーを有用な光エネルギーに変換します。蛍光照明システムの一般的な明るさ効率はワットあたり50〜100ルーメンであり、これは同等の光出力を持つ白熱電球の効率の数倍です。

蛍光灯の仕組み

蛍光灯の動作原理を説明する前に、蛍光灯の回路、つまり管状ランプの回路を示します。

ここでは、バラストとスイッチを接続し、供給電源をシリーズに接続します。次に、蛍光管とスターターを接続します。

供給電源をオンにすると、全電圧がランプとバラストを通じてスターターにもかかります。しかし、その瞬間には放電が起こらず、つまりランプからの光出力はありません。
その全電圧により最初にスターター内のグロウ放電が確立されます。これは、スターターのネオンバルブ内の電極間隙が蛍光灯よりも小さいためです。
その後、スターター内のガスがこの全電圧によってイオン化され、バイメタルストリップを加熱します。これによりバイメタルストリップが曲がり、固定コンタクトに接続します。これにより、スターターを通じて電流が流れ始めます。ネオンのイオン化ポテンシャルはアルゴンよりも高いですが、小さな電極間隙により、ネオンバルブに高電圧勾配が現れ、そのため最初にスターター内でグロウ放電が始まります。
スターターのネオンバルブの接触部に電流が流れ始めると、ネオンバルブの電圧が低下します。これは、電流が電圧降下を引き起こすインダクタ(バラスト)によるものです。ネオンバルブのスターターに電圧が低下またはない場合、それ以上のガス放電は起こらず、バイメタルストリップが冷えて固定コンタクトから離れることになります。スターターのネオンバルブの接触部が開く瞬間に、電流が中断され、その瞬間にインダクタ(バラスト)に大きな電圧スパイクが現れます。
この高電圧スパイクが蛍光灯(管状ランプ)の電極にかかり、ペンニング混合物(アルゴンガスと水銀蒸気の混合物)を打撃します。
ガス放電プロセスが始まり続け、蛍光灯(管状ランプ)自体を通じて再び電流が流れ始めます。ペンニングガス混合物の放出中に、抵抗がスターターよりも低いです。
水銀原子の放出により紫外線が生成され、これが蛍光粉コートを励起して可視光を放射します。
蛍光灯(管状ランプ)が輝いている間、スターターは非活性になります。これは、その状態ではスターターに電流が流れないためです。

蛍光灯の背後にある物理学

十分な高電圧が電極間に印加されると、強い電界が設定されます。電極フィラメントを通過する少量の電流がフィラメントコイルを加熱します。フィラメントが酸化物でコーティングされているため、十分な電子が生成され、これらの電子はこの強い電界により負極（カソード）から正極（アノード）へと移動します。自由電子の移動中に放電プロセスが確立されます。

基本的な放電プロセスは常に以下の3つのステップに従います：

自由電子は電極から導き出され、適用された電界によって加速されます。
自由電子の運動エネルギーはガス原子の励起エネルギーに変換されます。
ガス原子の励起エネルギーは放射エネルギーに変換されます。

放電プロセスでは、水銀蒸気の低圧条件下で253.7 nmの単一波長の紫外線が生成されます。253.7 nmの紫外線を生成するためには、バルブ温度を105〜115°Cに保つ必要があります。
チューブの長さと直径の比率は、両端での固定ワット損失が発生するように調整されます。ここでワット損失や電極の輝きが起こる領域はカソードフォールとアノードフォール領域と呼ばれ、このワット損失は非常に小さいです。
また、カソードは酸化物でコーティングされているべきです。ホットカソードは自由電子を豊富に提供します。ホットカソードとは、チョークまたは制御装置によって供給される循環電流によって加熱される電極のことです。いくつかのランプにはコールドカソードもあります。コールドカソードは有効面積が大きく、11 kVのような高電圧が適用されることでイオンが生成されます。ガスはこの高電圧によって放出を開始しますが、100〜200 Vの電圧ではカソード輝きがカソードから分離し、カソードフォールと呼ばれます。これは多くのイオンを供給し、それらはアノードに向かって加速され、衝突により二次電子を生成し、さらに多くのイオンを生成します。しかし、ホットカソード放電におけるカソードフォールはわずか10 Vです。

蛍光灯の歴史と発明

1852年、サー・ジョージ・ストークスが紫外線放射を可視光に変換することを発見しました。
この時期から1920年までの間、様々な実験が行われ、水銀とナトリウム蒸気中の低圧および高圧の電気放電を開発しましたが、これらの回路は紫外線を可視光に変換するのに効率的ではありませんでした。これは、電極が十分な電子を放出できず、アーチ放電現象を確立できなかったためです。また、多くの電子がガス原子と弾性衝突し、励起がスペクトル線を生成しなかったためです。ただし、蛍光灯に関する研究はほとんど行われていませんでした。
しかし、1920年代には大きな進展がありました。水銀蒸気と不活性ガスの混合物が低圧条件下で60%の効率で電気入力パワーや253.7 nmの単一波長スペクトルラインに変換されることが発見されました。水銀蒸気と不活性ガスの混合物が適切な蛍光材料を使用して紫外線を可視光に変換できることが分かり、蛍光灯が人々の日常生活に導入される道が開かれました。
その後、1934年にW. L. エンフィールド博士がA. H. クロンプトン博士から蛍光塗布ランプの使用についての報告を受け取りました。エンフィールドは直ちに研究チームを結成し、商業用蛍光灯の開発を始めました。1935年には、効率約60%のプロトタイプの緑色蛍光灯を製造しました。
2年半後、蛍光灯は白色とその他の6色で市場に導入されました。さまざまな蛍光粉末の混合物を使用して、蛍光灯からさまざまな色を生成します。最初のランプは15 W、20 W、30 Wで、長さは18インチ、25インチ、36インチでした。
その後、40 W T12、4フィートのランプが導入され、オフィス、学校、産業照明で広く使用されました。初期のランプは若干黄色がかった3500Kの光を発しましたが、後に6500Kの昼白色ランプが開発され、平均的な曇天時の北空の光を模倣するようになりました。
一般的に、直径1.5インチ、40 Wの4フィートランプは1940年に市場に登場しましたが、徐々に設計が改善され、より効果的に利用されるようになりました。ランプの放電部分が変更されましたが、アルゴンは以前よりも少し低い圧力で使用され、水銀蒸気の圧力は以前と同じです。このランプは100〜105 Vの電圧降下で425 mAを必要とします。