Lampa fluorescencyjna i zasada działania lampy fluorescencyjnej

Co to jest lampa fluorescencyjna?

Lampą fluorescencyjną nazywamy lekką lampę fluorescencyjną, która używa fluorescencji do generowania światła widzialnego. Prąd elektryczny w gazie aktywuje pary rtęci, które poprzez proces wyładowania emitują promieniowanie ultrafioletowe, a to z kolei powoduje, że fosforowy nalot na ściankach lampy emituje światło widzialne.

Lampa fluorescencyjna przekształca energię elektryczną w użyteczną energię świetlną znacznie skuteczniej niż lampy żarowe. Średnia efektywność oświetlenia systemów fluorescencyjnych wynosi 50-100 lumenów na watt, co jest kilkukrotnie wyższe od efektywności lamp żarowych o takiej samej mocy.

Jak działa lampa fluorescencyjna?

Zanim przejdziemy do zasady działania lampy fluorescencyjnej, najpierw pokażemy schemat lampy fluorescencyjnej, czyli schemat lampy rurkowej.

Łączymy jeden balast, jeden przełącznik i zasilanie szeregowe, jak pokazano. Następnie podłączamy lampę fluorescencyjną i starter.

• Gdy włączamy zasilanie, pełna napędowa napięcie pojawia się na lampie oraz na starcie przez balast. W tym momencie jednak nie następuje wyładowanie, czyli nie ma emisji światła.

• W tym pełnym napięciu pierwszy rozряд ustanawia się w starterze. Wynika to z tego, że odległość między elektrodami w neonowej żarówce startera jest znacznie mniejsza niż w lampie fluorescencyjnej.

• Następnie gaz w starterze jonizuje się pod wpływem tego pełnego napięcia i ogrzewa dwumetalową taśmę, powodując jej wygięcie i połączenie z stałym kontaktem. Teraz prąd zaczyna płynąć przez starter. Mimo że potencjał jonizacji neonu jest większy niż argonu, małe odstępy elektrod w neonowej żarówce powodują, że wysokie gradienty napięcia pojawiają się w neonowej żarówce, a więc rozряд ustanawia się najpierw w starterze.

• Jak tylko prąd zaczyna płynąć przez dotykające się kontakty neonowej żarówki startera, napięcie na neonowej żarówce zmniejsza się, ponieważ prąd powoduje spadek napięcia na induktorze (balast). Bez napięcia lub przy zredukowanym napięciu na neonowej żarówce startera nie będzie już więcej rozładów gazu, a więc dwumetalowa taśma ochłodzi się i oderwie się od stałego kontaktu. W momencie rozłączenia kontaktów w neonowej żarówce startera, prąd zostaje przerwany, a wtedy pojawia się duży impuls napięcia na induktorze (balast).

• Ten wysoki impuls napięcia pojawia się na elektrodach lampy fluorescencyjnej (rurka) i uderza w mieszankę penninga (mieszaninę gazu argonowego i par rtęci).

• Proces wyładowania gazu rozpoczyna się i trwa, a więc prąd znowu zaczyna płynąć przez samą lampę fluorescencyjną (rurkę). Podczas wyładowania mieszanki gazu penninga opór oferowany przez gaz jest mniejszy niż opór startera.

• Wyładowanie atomów rtęci produkuje promieniowanie ultrafioletowe, które z kolei pobudza fosforowy proszek do emitowania światła widzialnego.

• Starter staje się nieaktywny podczas świecenia lampy fluorescencyjnej (rurki), ponieważ w tym stanie nie przepływa przez niego prąd.

Fizyka za lampą fluorescencyjną

Gdy wystarczająco wysokie napięcie jest zastosowane do elektrod, powstaje silne pole elektryczne. Mała ilość prądu przez filamenty elektrod grzeje cewkę filamentu. Ponieważ filament jest pokryty tlenkiem, powstaje wystarczająca ilość elektronów, które ruszają od negatywnej elektrody lub katody do dodatniej elektrody lub anody pod wpływem tego silnego pola elektrycznego. Podczas ruchu wolnych elektronów, proces wyładowania się ustanawia.

Podstawowy proces wyładowania zawsze obejmuje trzy kroki:

1. Wolne elektrony są uzyskiwane z elektrod i są przyspieszane przez zastosowane pole elektryczne.

2. Energia kinetyczna wolnych elektronów jest przekształcana w energię pobudzenia atomów gazu.

3. Energia pobudzenia atomów gazu jest przekształcana w promieniowanie.

W procesie wyładowania, pojedyncza ultrafioletowa linia spektralna o długości fali 253,7 nm jest produkowana przy niskim ciśnieniu par rtęci. Aby wygenerować ultrafioletowe promieniowanie o długości fali 253,7 nm, temperatura bańki jest utrzymywana w zakresie 105-115oC.
Stosunek długości do średnicy rury powinien być taki, aby stałe straty mocy miały miejsce na obu końcach. Gdzie te straty mocy lub świecenie elektrod zachodzi, nazywane jest obszarem spadku katodowego i anodowego. Te straty są bardzo małe.
Ponownie, katody powinny być pokryte tlenkiem. Gorąca katoda zapewnia obfitość wolnych elektronów. Gorące katody, to te, które są nagrzewane przez krążący prąd, a ten prąd jest dostarczany przez dławik lub układ sterujący. Niektóre lampy mają również zimne katody. Zimne katody mają większą efektywną powierzchnię i wyższe napięcie, takie jak 11 kV, stosowane między nimi, aby uzyskać jony. Gaz zaczyna się wyładowywać pod wpływem tego wysokiego napięcia. Ale przy 100-200 V świecenie katody oddziela się od katody, co nazywane jest spadkiem katodowym. To zapewnia dużą ilość jonów, które są przyspieszane do anody, aby wyprodukować wtórne elektrony na impakcie, co z kolei produkuje więcej jonów. Ale spadek katodowy w gorącym wyładowaniu katodowym wynosi tylko 10 V.

Historia i wynalazek lampy fluorescencyjnej

• W 1852 roku sir George Stokes odkrył transformację promieniowania ultrafioletowego w widzialne promieniowanie.

• Od tego czasu do 1920 roku przeprowadzono różne eksperymenty, aby opracować niskie i wysokie ciśnienie wyładowań elektrycznych w parach rtęci i pary sodowej. Jednak wszystkie opracowane układy były nieefektywne w przekształcaniu promieniowania ultrafioletowego w widzialne. Dzieje się tak, ponieważ elektrody nie mogły emitować wystarczającej ilości elektronów, aby ustanowić zjawisko łuku wyładowania. Poza tym wiele elektronów zderzało się z atomami gazu, co było sprężyste, a więc pobudzenie nie tworzyło linii spektralnych do wykorzystania. Jednak bardzo niewiele prac wykonano nad lampami fluorescencyjnymi.

• Ale w latach 20. XX wieku nastąpił wielki przełom. Odkryto, że mieszanka par rtęci i gazu szlachetnego pod niskim ciśnieniem jest 60% efektywna w przekształcaniu wejściowej mocy elektrycznej w pojedynczą linię spektralną o długości fali 253,7 nm.
  Promieniowanie ultrafioletowe jest przekształcane w widzialne promieniowanie świetlne za pomocą odpowiedniego materiału fluorescencyjnego wewnątrz lampy. Od tego czasu lampy fluorescencyjne zostały wprowadzone do codziennego życia ludzi.

• Później, w 1934 roku, dr W. L. Enfield otrzymał raport od dra A. H. Cromptona o użyciu lampy pokrytej fluorescencyjnym materiałem. Natychmiast Enfield stworzył zespół badawczy i rozpoczął pracę nad komercyjną lampą fluorescencyjną. W 1935 roku ich zespół wyproduował prototyp zielonej lampy fluorescencyjnej, której efektywność wynosiła około 60%.

• Po dwóch i pół latach lampy fluorescencyjne zostały wprowadzone na rynek w kolorze białym i sześciu innych kolorach. Do produkcji różnych kolorów z lamp fluorescencyjnych używana jest różnorodna mieszanka proszku fosforowego. Pierwsza lampa została wprowadzona z mocą 15, 20 i 30 W w długościach 18 cali, 25 cali i 36 cali.

• Niedługo potem, 40 W T12, 4-stopeowa lampa została wprowadzona i szeroko stosowana w oświetleniu biurowym, szkolnym i przemysłowym. Początkowe lampy emitowały światło nieco żółtawe, o temperaturze koloru 3500K. Później opracowano lampy dzienny światło o temperaturze koloru 6500K, które symulują przeciętne światło nieba północnego w chmurze.

• Ogólnie 4-stopowe lampy, o średnicy 1,5 cala, 40 W były dostępne na rynku w 1940 roku. Jednak stopniowo projekt został zmieniony dla lepszego wykorzystania. W części wyładowania łuku lampy dokonano zmian. Nadal jednak stosowany jest argon, choć pod nieco mniejszym ciśnieniem niż wcześniej. Par rtęci jest utrzymywane pod takim samym ciśnieniem jak wcześniej. Ta lampa wymaga 425 mA z 100-105 V spadkiem napięcia.

Oświadczenie: Szanuj oryginał, dobre artykuły warto udostępniać, w przypadku naruszenia praw autorskich prosimy o usunięcie.