형광등과 형광등의 작동 원리
플루오레센트 램프란?
플루오레센트 램프는 가벼운 무게의 수은 증기 램프로, 플루오레센스를 통해 가시광을 발생시키는 램프입니다. 전류가 가스를 통해 수은 증기를 활성화하여 방전 과정에서 자외선을 발생시키고, 이 자외선이 램프 내벽의 인광체 코팅을 통해 가시광을 방출합니다.
플루오레센트 램프는 전기 에너지를 유용한 빛 에너지로 변환하는 데 있어 백열 램프보다 훨씬 효율적으로 작동합니다. 플루오레센트 조명 시스템의 평균적인 발광 효율은 와트당 50~100 루멘으로, 동일한 빛 출력을 가진 백열 램프의 효율보다 몇 배나 높습니다.
플루오레센트 램프는 어떻게 작동하나요?
플루오레센트 램프의 작동 원리를 살펴보기 전에, 먼저 플루오레센트 램프 또는 형광등 튜브의 회로를 보여드리겠습니다.
여기서 하나의 볼라스트와 스위치를 연결하고, 공급전원을 직렬로 연결합니다. 그런 다음 형광 튜브와 스타터를 연결합니다.
공급전원을 켤 때, 전체 전압이 램프와 볼라스트를 통해 스타터에도 걸립니다. 그러나 그 순간에는 방전이 일어나지 않으며, 즉 램프에서 루멘 출력이 없습니다.
그런 다음, 스타터의 네온 불에서 처음으로 방전이 시작됩니다. 이는 스타터의 전극 간격이 형광 램프의 전극 간격보다 훨씬 작기 때문입니다.
그 후, 스타터 내부의 가스가 이전압으로 인해 이온화되어 바이메탈 스트립을 가열합니다. 이로 인해 바이메탈 스트립이 고정 접점과 연결됩니다. 이제, 전류가 스타터를 통해 흐르기 시작합니다. 네온의 이온화 잠재력이 아르곤보다 높지만, 작은 전극 간격으로 인해 네온 불에서 높은 전압 경사가 나타나며, 따라서 스타터에서 먼저 방전이 시작됩니다.
스타터의 네온 불의 접점 사이에 전류가 흐르자마자, 네온 불의 전압이 감소합니다. 전류가 전압 강하를 일으키기 때문입니다. (볼라스트). 네온 불의 전압이 없거나 낮아지면 더 이상의 가스 방전이 일어나지 않으며, 따라서 바이메탈 스트립이 차가워져 고정 접점에서 떨어집니다. 스타터의 네온 불의 접점이 끊어질 때, 전류가 중단되며, 이 순간에 볼라스트(볼라스트)에 큰 전압 서지가 발생합니다.
이 높은 값의 서지 전압이 형광 램프(튜브 라이트)의 전극에 걸리고, 펜닝 혼합물(아르곤 가스와 수은 증기의 혼합물)을 타격합니다.
가스 방전 과정이 시작되고 계속되면서, 다시 전류가 형광 램프 튜브(튜브 라이트) 자체를 통해 흐르게 됩니다. 펜닝 가스 혼합물의 방전 중에 가스가 제공하는 저항은 스타터의 저항보다 낮습니다.
수은 원자들의 방전은 자외선을 생성하며, 이는 인광체 분말 코팅을 자극하여 가시광을 방출합니다.
형광 램프(튜브 라이트)가 광을 방출할 때, 스타터는 비활성 상태가 됩니다. 이 경우 스타터를 통한 전류가 흐르지 않기 때문입니다.
플루오레센트 램프의 물리학
전극에 충분히 높은 전압을 가하면 강한 전기장이 설정됩니다. 전극 필라멘트를 통해 소량의 전류가 흐르면서 필라멘트 코일이 가열됩니다. 필라멘트가 산화물로 코팅되어 충분한 양의 전자가 생성되며, 이러한 강한 전기장 때문에 음극에서 양극으로 이동합니다. 자유 전자의 이동 중에 방전 과정이 설정됩니다.
기본적인 방전 과정은 항상 세 단계를 따릅니다:
자유 전자는 전극에서 유래하며, 적용된 전기장에 의해 가속됩니다.
자유 전자의 운동 에너지는 가스 원자의 자극 에너지로 변환됩니다.
가스 원자의 자극 에너지는 방사 에너지로 변환됩니다.
방전 과정에서, 수은 증기의 낮은 압력에서 253.7 nm의 단일 자외선 스펙트럼 라인이 생성됩니다. 253.7 nm의 자외선을 생성하기 위해 램프 온도는 105~115oF 사이로 유지됩니다. 튜브의 길이 대 지름 비율은 양쪽 끝에서 고정된 와트 손실이 발생하도록 설정되어야 합니다. 여기서 와트 손실이나 전극의 광이 발생하는 영역을 캐소드 및 아노드 팔 지역이라고 합니다. 이 와트 손실은 매우 작습니다. 또한 캐소드는 산화물로 코팅되어야 합니다. 열 캐소드는 많은 양의 자유 전자를 제공합니다. 열 캐소드는 전류가 순환하면서 가열되는 전극을 의미하며, 이 순환 전류는 초크 또는 제어 장비에서 제공됩니다. 일부 램프는 냉각 캐소드도 있습니다. 냉각 캐소드는 더 큰 효과적인 면적과 11 kV와 같은 높은 전압을 가지며, 이를 통해 이온이 생성됩니다. 이 높은 전압이 적용되면 가스 방전이 시작됩니다. 그러나 100~200 V에서는 캐소드 광이 캐소드에서 분리되어 캐소드 팔 현상이 발생합니다. 이는 많은 양의 이온을 제공하며, 이들은 아노드로 가속되어 충돌하여 더 많은 이온을 생성합니다. 그러나 열 캐소드 방전의 캐소드 팔은 10 V에서만 발생합니다.
플루오레센트 램프의 역사와 발명
1852년, Sir George Stokes은 자외선 복사를 가시광으로 변환하는 것을 발견했습니다.
이때부터 1920년까지 다양한 실험이 수행되어 수은과 나트륨 증기에서 저압 및 고압 전기 방전을 개발하려고 했습니다. 그러나 모든 회로는 자외선을 가시광으로 변환하는 데 효율적이지 않았습니다. 전극이 충분한 전자를 방출하지 못했기 때문입니다. 또한 많은 전자들이 가스 원자와 충돌했으며, 이것은 탄성적이었습니다. 따라서 스펙트럼 라인을 생성하는 자극이 이루어지지 않았습니다. 그러나 플루오레센트 램프에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았습니다.
하지만 1920년대에 주요 돌파구가 생겼습니다. 저압에서 수은 증기와 불활성 가스의 혼합물이 전기 입력 전력을 253.7 nm의 단일 스펙트럼 라인으로 60% 효율적으로 변환한다는 사실이 발견되었습니다. 적절한 인광체를 사용하여 자외선을 가시광으로 변환할 수 있었습니다. 이때부터 플루오레센트 램프가 일반인의 일상생활에 도입되기 시작했습니다.
후에 1934년, Dr. W. L. Enfield은 Dr. A. H. Crompton으로부터 인광체 코팅 램프의 사용에 대한 보고서를 받았습니다. 즉시 Enfield은 연구팀을 구성하여 상업용 플루오레센트 램프를 개발하기 시작했습니다. 1935년 그들의 팀은 효율이 약 60%인 프로토타입 녹색 플루오레센트 램프를 생산했습니다.
그로부터 2년 반 후, 플루오레센트 램프가 흰색과 다른 6가지 색상으로 시장에 도입되었습니다. 다양한 인광체 분말 혼합물을 사용하여 다양한 색상을 생성합니다. 첫 번째 램프는 18인치, 25인치, 36인치 길이로 15W, 20W, 30W로 출시되었습니다.
곧 40W T12, 4피트 램프가 도입되어 사무실, 학교, 산업 조명 등에 널리 사용되었습니다. 초기 램프는 약간 노란빛의 3500K를 제공했습니다. 이후 6500K의 낮 조명이 개발되어 평균적인 흐린 하늘의 빛을 재현하도록 설계되었습니다.
일반적으로 4피트 램프, 1.5인치 직경, 40W는 1940년에 시장에 출시되었습니다. 그러나 점차 설계가 변경되어 더 효율적으로 사용될 수 있게 되었습니다. 램프의 방전 부분이 변경되었지만, 아르곤은 여전히 사용되며 약간 낮은 압력으로 유지됩니다. 수은 증기는 이전과 동일한 압력으로 유지됩니다. 이 램프는 100~105V의 전압 강하와 함께 425mA를 필요로 합니다.
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