หลอดฟลูออเรสเซนต์และหลักการทำงานของหลอดฟลูออเรสเซนต์
หลอดฟลูออเรสเซนต์คืออะไร
หลอดฟลูออเรสเซนต์ เป็นหลอดไฟที่มีน้ำหนักเบาที่ใช้ไอน้ำเงิน ในการผลิตแสงสว่างที่มองเห็นได้ โดยการใช้กระบวนการฟลูออเรสเซนต์ กระแสไฟฟ้าในแก๊สจะกระตุ้นให้ไอน้ำเงินปล่อยรังสีอัลตราไวโอเลตผ่านกระบวนการระบาย และรังสีอัลตราไวโอเลตนี้จะทำให้สารเคลือบฟอสฟอรัสบนผนังด้านในของหลอดส่องสว่าง.
หลอดฟลูออเรสเซนต์สามารถเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าหลอดไฟแบบความร้อน อย่างมาก ความสว่างเฉลี่ยของระบบหลอดฟลูออเรสเซนต์คือ 50 ถึง 100 ลูเมนต่อวัตต์ ซึ่งเป็นหลายเท่าของความมีประสิทธิภาพของหลอดไฟแบบความร้อน ที่มีกำลังส่องสว่างเท่ากัน.
หลอดฟลูออเรสเซนต์ทำงานอย่างไร?
ก่อนที่เราจะเข้าใจหลักการทำงานของหลอดฟลูออเรสเซนต์ เราจะแสดงวงจรของหลอดฟลูออเรสเซนต์หรือวงจรของหลอดไฟเสียก่อน.
ที่นี่เราเชื่อมต่อบาลลาสต์และสวิตช์หนึ่งตัว และแหล่งจ่ายไฟเป็นแบบอนุกรมตามที่แสดง แล้วเราเชื่อมต่อหลอดฟลูออเรสเซนต์และสตาร์เตอร์ข้ามกัน.
เมื่อเราเปิดสวิตช์ แรงดันไฟฟ้าเต็มมาที่หลอดและสตาร์เตอร์ผ่านบาลลาสต์ แต่ในขณะนั้นไม่มีการปล่อยประจุเกิดขึ้น กล่าวคือ ไม่มีแสงออกมาจากหลอด.
ที่แรงดันเต็มนั้น การปล่อยประจุเริ่มต้นในสตาร์เตอร์ เนื่องจากช่องว่างระหว่างอิเล็กโทรดในหลอดสตาร์เตอร์น้อยกว่าของหลอดฟลูออเรสเซนต์.
แก๊สภายในสตาร์เตอร์ถูกไอออนไนซ์โดยแรงดันเต็มและทำความร้อนให้กับแถบไบเมทัลลิก ทำให้แถบนี้โค้งไปสัมผัสกับตัวต่อคงที่ ตอนนี้กระแสเริ่มไหลผ่านสตาร์เตอร์ แม้ว่าศักยภาพการไอออนไนซ์ของเนออนจะมากกว่าอาร์กอน แต่เนื่องจากช่องว่างระหว่างอิเล็กโทรดน้อย แรงดันสูงปรากฏในหลอดสตาร์เตอร์และทำให้การปล่อยประจุเริ่มต้นในสตาร์เตอร์.
เมื่อกระแสเริ่มไหลผ่านตัวต่อที่สัมผัสกันในหลอดสตาร์เตอร์ แรงดันที่หลอดสตาร์เตอร์ลดลงเนื่องจากกระแสทำให้เกิดการลดลงของแรงดัน ที่ อินดักเตอร์(บาลลาสต์) เมื่อไม่มีแรงดันที่หลอดสตาร์เตอร์ ไม่มีการปล่อยประจุเกิดขึ้น และแถบไบเมทัลลิกเย็นลงและแยกออกจากตัวต่อคงที่ ณ จุดที่ตัวต่อในหลอดสตาร์เตอร์ขาด กระแสหยุด และทำให้เกิดแรงดันสูงขึ้นที่อินดักเตอร์(บาลลาสต์).
แรงดันสูงนี้มาที่อิเล็กโทรดของหลอดฟลูออเรสเซนต์ (หลอดไฟ) และกระตุ้นส่วนผสมของอาร์กอนและไอน้ำเงิน.
กระบวนการปล่อยประจุเริ่มต้นและดำเนินต่อไป และกระแสเริ่มไหลผ่านหลอดฟลูออเรสเซนต์ (หลอดไฟ) เอง ในระหว่างการปล่อยประจุของส่วนผสมของอาร์กอนและไอน้ำเงิน ความต้านทาน ที่แก๊สเสนอต่ำกว่า ความต้านทาน ของสตาร์เตอร์.
การปล่อยประจุของอะตอมของน้ำเงินทำให้เกิดรังสีอัลตราไวโอเลต ซึ่งทำให้สารเคลือบฟอสฟอรัสเรืองแสงเป็นแสงที่มองเห็นได้.
สตาร์เตอร์ไม่ทำงานในระหว่างการเรืองแสงของหลอดฟลูออเรสเซนต์ (หลอดไฟ) เนื่องจากไม่มีกระแสผ่านสตาร์เตอร์ในสถานะนี้.
ฟิสิกส์เบื้องหลังหลอดฟลูออเรสเซนต์
เมื่อมีแรงดันไฟฟ้าเพียงพอถูกนำไปที่อิเล็กโทรด จะเกิดสนามไฟฟ้าที่แข็งแกร่งขึ้น กระแสไฟฟ้าเล็กน้อยผ่านอิเล็กโทรดทำให้สายฟิลิเมนต์ร้อนขึ้น ด้วยการเคลือบออกไซด์ อิเล็กตรอนฟรีเพียงพอจะถูกสร้างขึ้น และพวกมันจะวิ่งจากอิเล็กโทรดลบหรือแคโทดไปยังอิเล็กโทรดบวกหรือแอโนด เนื่องจากสนามไฟฟ้าที่แข็งแกร่ง ในระหว่างการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนฟรี กระบวนการปล่อยประจุเริ่มต้น.
กระบวนการปล่อยประจุพื้นฐานจะดำเนินตามสามขั้นตอน:
อิเล็กตรอนฟรีมาจากอิเล็กโทรด และได้รับการเร่งความเร็วโดยสนามไฟฟ้าที่นำมาใช้.
พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนฟรีถูกแปลงเป็นพลังงานกระตุ้นของอะตอมแก๊ส.
พลังงานกระตุ้นของอะตอมแก๊สถูกแปลงเป็นรังสี.
ในการปล่อยประจุ รังสีสเปกตรัลเดียวที่ 253.7 nm ถูกสร้างขึ้นที่ความดันไอน้ำเงินต่ำ เพื่อสร้างรังสีอัลตราไวโอเลต 253.7 nm ความร้อนของหลอดควรอยู่ระหว่าง 105 ถึง 115oF.
อัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางของหลอดควรถูกตั้งค่าให้มีการสูญเสียวัตต์คงที่ที่ทั้งสองปลาย ที่นี่การสูญเสียวัตต์หรือการเรืองแสงของอิเล็กโทรดเรียกว่าภูมิภาคการตกของแคโทดและแอโนด การสูญเสียวัตต์นี้น้อยมาก.
อีกครั้งอิเล็กโทรดควรเคลือบออกไซด์ แคโทดที่ร้อนให้อิเล็กตรอนฟรีมากมาย แคโทดที่ร้อนหมายถึงอิเล็กโทรดที่ถูกทำความร้อนโดยการไหลเวียนของกระแส และกระแสที่ไหลเวียนนี้ถูกให้โดย choke หรือ control gear บางหลอดมีแคโทดที่เย็น แคโทดที่เย็นมีพื้นที่มีประสิทธิภาพใหญ่และแรงดันสูง เช่น 11 kv ถูกนำไปใช้ที่พวกเขาเพื่อให้ได้ไอออน แก๊สเริ่มปล่อยประจุเนื่องจากการใช้แรงดันสูง แต่ที่ 100 ถึง 200 V การเรืองแสงของแคโทดแยกจากแคโทด มันเรียกว่าการตกของแคโทด นี่ให้ปริมาณไอออนขนาดใหญ่ที่ถูกเร่งไปยังแอโนดเพื่อสร้างอิเล็กตรอนรองจากการกระทบ ซึ่งทำให้เกิดไอออนเพิ่มขึ้น แต่การตกของแคโทดในกระบวนการปล่อยประจุที่ร้อนเพียง 10 V.
ประวัติและการประดิษฐ์หลอดฟลูออเรสเซนต์
ในปี ค.ศ. 1852 Sir George Stokes ได้ค้นพบการแปลงรังสีอัลตราไวโอเลตเป็นรังสีที่มองเห็นได้.
ตั้งแต่เวลานั้นจนถึงปี ค.ศ. 1920 มีการทดลองหลายประเภทเพื่อพัฒนาการปล่อยประจุไฟฟ้าที่ความดันต่ำและสูงในไอน้ำเงินและโซเดียม แต่วงจรที่พัฒนาขึ้นมานั้นไม่มีประสิทธิภาพในการแปลงรังสีอัลตราไวโอเลตเป็นรังสีที่มองเห็นได้ เนื่องจากอิเล็กโทรดไม่สามารถปล่อยอิเล็กตรอนเพียงพอเพื่อสร้างปรากฏการณ์การปล่อยประจุ นอกจากนี้อิเล็กตรอนจำนวนมากชนกับอะตอมของแก๊สและเป็นการชนแบบยืดหยุ่น ดังนั้นการกระตุ้นไม่ได้สร้างสเปกตรัลไลน์ที่สามารถใช้ประโยชน์ได้ แต่การทดลองกับหลอดฟลูออเรสเซนต์มีน้อยมาก.
แต่ในช่วงทศวรรษ 1920 มีการค้นพบที่สำคัญ ได้ค้นพบว่าส่วนผสมของไอน้ำเงินและแก๊สเฉื่อยที่ความดันต่ำมีประสิทธิภาพ 60% ในการแปลงพลังงานไฟฟ้าขาเข้าเป็นสเปกตรัลไลน์เดียวที่ 253.7 nm.
รังสีอัลตราไวโอเลตถูกแปลงเป็นรังสีที่มองเห็นได้โดยใช้วัสดุฟลูออเรสเซนต์ที่เหมาะสมภายในหลอด จากเวลานั้นหลอดฟลูออเรสเซนต์ได้เริ่มเปิดทางสู่ชีวิตประจำวันของคน.ต่อมาในปี ค.ศ. 1934 Dr. W. L. Enfield ได้รับรายงานจาก Dr. A. H. Crompton เกี่ยวกับการใช้หลอดที่เคลือบด้วยฟลูออเรสเซนต์ Enfield ได้สร้างทีมวิจัยและเริ่มสร้างหลอดฟลูออเรสเซนต์เชิงพาณิชย์ ในปี ค.ศ. 1935 ทีมของเขาได้ผลิตหลอดฟลูออเรสเซนต์สีเขียวต้นแบบที่มีประสิทธิภาพประมาณ 60%.
หลังจากนั้นสองปีครึ่ง หลอดฟลูออเรสเซนต์ได้ถูกนำเข้าสู่ตลาดในสีขาวและหกสีอื่น ๆ ส่วนผสมของผงฟอสฟอรัสที่แตกต่างกันถูกใช้เพื่อสร้างสีที่แตกต่างกันจากหลอดฟลูออเรสเซนต์ หลอดแรกถูกแนะนำในขนาด 15, 20 และ 30 W ในความยาว 18 นิ้ว, 25 นิ้ว และ 36 นิ้ว.
หลังจากนั้น T12 ขนาด 40 W ความยาว 4 ฟุต ได้ถูกแนะนำและใช้กันอย่างแพร่หลายในการส่องสว่างสำนักงาน โรงเรียน และอุตสาหกรรม หลอดไฟในระยะแรกให้แสงสีเหลืองนิดหน่อยที่ 3500K ต่อมาหลอดไฟ 6500K ที่ให้แสงคล้ายแสงธรรมชาติบนท้องฟ้าที่มีเมฆปกคลุมได้ถูกพัฒนาขึ้น.
โดยทั่วไปหลอดไฟ 4 ฟุต ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.5 นิ้ว ขนาด 40 W ได้ถูกวางจำหน่ายในตลาดในปี ค.ศ. 1940 แต่การออกแบบได้เปลี่ยนแปลงเพื่อการใช้งานที่ดีขึ้น ส่วนของการปล่อยประจุของหลอดได้ถูกเปลี่ยนแปลง แต่ยังคงใช้อาร์กอน แม้ว่าความดันจะน้อยกว่าความดันก่อนหน้านี้ ไอน้ำเงินยังคงอยู่ที่ความดันเดียวกับก่อนหน้านี้ หลอดไฟนี้ต้องการ 425 mA ที่แรงดันตก 100 ถึง 105 V
