Lămpi fluorescente

(Lampă fluorescentă. )

O lampă fluorescentă sau un tub fluorescent este o lampă cu descărcare în gaz cu vapori de mercur de joasă presiune care utilizează fluorescența pentru a produce lumină vizibilă. Un curent electric în gaze excită vaporii de mercur, care produc lumină ultravioletă de scurtă durată, care apoi provoacă o strălucire a fosforului pe interiorul lămpii. O lampă fluorescentă transformă energia electrică în lumină utilă mult mai eficient decât lămpile cu incandescență. Eficiența tipică a luminozității a sistemelor de iluminat fluorescente este de 50-100 lumeni pe watt, de câteva ori eficacitatea becurilor cu incandescență, cu luminozități comparabile.

Dispozitivele cu lămpi fluorescente sunt mai costisitoare decât lămpile incandescente deoarece necesită un balast pentru a regla curentul prin lampă, dar costul scăzut al energiei compensează costul inițial mai ridicat. Lămpile fluorescente compacte sunt acum disponibile în aceleași mărimi populare precum cele incandescente și sunt folosite ca alternativă de economisire a energiei în locuințe.

Deoarece conțin mercur, multe lămpi fluorescente sunt clasificate ca deșeuri periculoase. Se recomandă ca lămpile fluorescente să fie separate de deșeurile generale pentru reciclare sau eliminarea în siguranță, iar unele jurisdicții necesită reciclarea lor.

(Partea de sus: două lămpi fluorescente compacte, partea inferioară: două lămpi fluorescente. Un indicator este afișat pentru compararea dimensiunilor. )

Principiile de funcționare

Mijloacele fundamentale de conversie a energiei electrice în energie radiantă într-o lampă fluorescentă se bazează pe împrăștierea inelastică a electronilor atunci când un electron incident se ciocnește cu un atom din gazul de mercur. Dacă electronul liber (incident) are suficientă energie cinetică, el transferă energia către electronul exterior al atomului, determinând electronul să sară temporar până la un nivel de energie mai ridicat. Coliziunea este “inelastică” deoarece are loc o pierdere a energiei cinetice.

Această stare de energie mai ridicată este instabilă, iar atomul va emite un foton ultraviolet, pe măsură ce electronul atomului revine la un nivel de energie mai scăzut și mai stabil. Majoritatea fotonilor eliberați de atomii de mercur au lungimi de undă în regiunea ultravioletă (UV) a spectrului, predominant la lungimi de undă de 253,7 și 185 nanometri (nm). Acestea nu sunt vizibile ochiului uman, deci trebuie transformate în lumină vizibilă. Acest lucru se face prin utilizarea fluorescenței. Fotonii ultraviolet sunt absorbiți de electroni în atomii de înveliș fluorescent interior al lămpii, provocând un salt similar energetic, apoi cad pe un nivel inferior, cu emisia unui foton suplimentar. Fotonul care este emis de această a doua interacțiune are o energie mai mică decât cea care a cauzat-o. Acești fotoni emiși sunt la lungimi de undă vizibile ochiului uman. Diferența de energie dintre fotonul ultraviolet absorbit și fotonul luminii vizibile emis duce la încălzirea stratului de fosfor.

Atunci când lumina este pornită, energia electrică încălzește suficient catodul pentru a emite electroni (emisie termică). Acești electroni se ciocnesc cu și ionizează atomii de gaz nobil în interiorul bulbului care înconjoară filamentul pentru a forma o plasmă prin procesul de ionizare a impactului. Ca urmare a ionizării avalanșei, conductivitatea gazului ionizat se ridică rapid, permițând curenților mai mari să curgă prin lampă.

Gazul de umplere ajută la determinarea caracteristicilor electrice de funcționare ale lămpii, dar nu eliberează lumina în sine. Gazul de umplere mărește în mod eficient distanța pe care electronii se deplasează prin tub, ceea ce permite unui electron o mai mare probabilitate de a interacționa cu un atom de mercur. Atomii de argon, excitați la o stare metastabilă prin impactul unui electron, pot conferi această energie unui atom neutru de mercur și îl pot ioniza, fenomen descris ca efectul Penning. Acest lucru are avantajul de a reduce tensiunea de funcționare a lămpii, în comparație cu alte gaze de umplere posibile, cum ar fi kriptonul.

Construcție

(Apropierea catozilor unei lampi germicide (un design esențial similar, care nu utilizează fosfor fluorescent, permițând ca electrozii să fie văzuți) )

Un tub de lampă fluorescentă este umplut cu un gaz care conține vapori de mercur sub presiune și argon, xenon, neon sau kripton. Presiunea din interiorul lămpii este în jur de 0,3% din presiunea atmosferică. Suprafața interioară a lămpii este acoperită cu un strat fluorescent (și adesea puțin fosforescent) realizat din diferite amestecuri de săruri fosforice metalice și pământuri rare. Electrozii lămpii sunt în mod obișnuit realizați din tungsten înfășurat și denumiți de obicei catozi din cauza funcției lor principale de a emite electroni. Pentru aceasta, ei sunt acoperiți cu un amestec de oxizi de bariu, stronțiu și calciu aleși pentru a avea o temperatură de emisie termionică scăzută.

(O lampă germicidă utilizează o descărcare de tensiune scăzută a vaporilor de mercur, identică cu cea a unei lămpi fluorescente, dar învelișul de cuarț topit neacoperit permite apariția radiației ultraviolete. )

Tuburile cu lămpi fluorescente sunt în mod obișnuit drepte și au o lungime de la aproximativ 100 de milimetri la lămpile miniatură, până la 2.43 metri pentru lămpi de înaltă performanță. Unele lămpi au tubul îndoit într-un cerc, folosit pentru lămpi de masă sau în alte locuri unde este dorită o sursă de lumină mai compactă. Lămpile în formă de U mai mari sunt utilizate pentru a furniza aceeași cantitate de lumină într-o zonă mai compactă și sunt folosite în scopuri arhitecturale speciale. Lămpile fluorescente compacte au mai multe tuburi cu diametru mic îmbinate într-un pachet de două, patru sau șase sau un tub cu diametru mic înfășurat într-o spirală, pentru a furniza o cantitate mare de luminozitate în volum mic.

Fosforul cu emisie de lumină este aplicat ca o vopsea asemănătoare vopselei în interiorul tubului. Solvenții organici sunt lăsați să se evapore, apoi tubul este încălzit până aproape de punctul de topire al sticlei pentru a îndepărta compușii organici rămași și a fuziona acoperirea cu tubul lămpii. Este necesară controlul atent al mărimii granulelor de fosfor suspendate; granulele mari, de 35 micrometri sau mai mari, duc la acoperirea slabă a granulelor, în timp ce prea multe particule mici, de 1 sau 2 micrometri sau mai mici, conduc la o întreținere și o eficiență scăzută a luminii. Majoritatea produselor pe bază de fosfor funcționează cel mai bine cu o dimensiune a particulelor de aproximativ 10 micrometri. Acoperirea trebuie să fie suficient de groasă pentru a capta toată lumina ultravioletă produsă de arcul de mercur, dar nu atât de groasă încât acoperirea cu fosfor să absoarbă prea multă lumină vizibilă. Primele produse pe bază de fosfor erau versiuni sintetice ale mineralelor fluorescente apărute în mod natural, cu cantități mici de metale adăugate ca activatori. Mai târziu, au fost descoperiți alți compuși, permițând realizarea unor culori diferite ale lămpilor.

Aspecte electrice ale funcționării

(Balasturi diferite pentru lămpi fluorescente și cu descărcare. )

Lămpile fluorescente sunt dispozitive cu rezistență diferențială negativă, astfel încât, cu cât se scurge mai mult curent prin ele, rezistența electrică a lămpii fluorescente scade, permițând curgerea unui curent mai mare. Conectat direct la o sursă de alimentare cu tensiune constantă, o lampă fluorescentă s-ar auto-distruge rapid datorită fluxului necontrolat de curent. Pentru a preveni acest lucru, lămpile fluorescente trebuie să utilizeze un dispozitiv auxiliar, un balast, pentru a regla curgerea curentului prin lampă.

Tensiunea terminală pe o lampă funcțională variază în funcție de curentul arcului, diametrul tubului, temperatura și gazul de umplere. O parte fixă ​​a căderii de tensiune se datorează electrozilor. Un serviciu general de iluminare, cu lampa T12 de 48 inci (1.219 mm) funcționează la 430 mA, cu o cădere de tensiune de 100 de volți. Lămpile performante funcționează la 800 mA, iar unele tipuri funcționează până la 1,5 A. Nivelul de putere variază de la 33 la 82 de wați pe metru de lungime a tubului (10-25 W/ft) pentru lămpile T12.

Cel mai simplu balast pentru utilizarea în curent alternativ este un inductor plasat în serie, constând dintr-o înfășurare pe un miez magnetic laminat. Inducția acestei înfășurări limitează curentul alternativ. Acest tip este încă folosit, de exemplu, în lămpi de birou de 120 volți, care utilizează lămpi relativ scurte. Balasturile sunt evaluate în funcție de mărimea lămpii și a frecvenței de putere. În cazul în care tensiunea de curent alternativ este insuficientă pentru pornirea lămpilor fluorescente lungi, balastul este adesea un autotransformator în trepte, cu o inductanță substanțială de scurgere (astfel încât să se limiteze debitul curentului). Orice formă de balast inductiv poate include de asemenea un condensator pentru corecția factorului de putere.

(Balast 230 V pentru 18-20 W)

Multe circuite diferite au fost utilizate pentru a opera lămpi fluorescente. Alegerea circuitului se bazează pe tensiunea de curent alternativ, lungimea tubului, costul inițial, costul pe termen lung, pornirea instantanee față de cea non-instantanee, intervalele de temperatură și disponibilitatea pieselor, etc.

Lămpile fluorescente pot funcționa direct de la o sursă de curent continuu cu o tensiune suficientă pentru a declanșa un arc. Balastul trebuie să fie rezistiv și să consume aproximativ aceeași putere ca lampa. Când este acționat de la CC, comutatorul de pornire este adesea aranjat pentru a inversa polaritatea alimentării la lampă de fiecare dată când este pornit; în caz contrar, mercurul se acumulează la un capăt al tubului. Lămpile fluorescente nu sunt (aproape) niciodată operate direct de la CC din aceste motive. În schimb, un invertor convertește CC în CA și oferă funcția de limitare a curentului pentru balasturile electronice.

Efectul temperaturii

(Imaginea termică a unei lămpi fluorescente elicoidale.)

Puterea luminii și performanțele lămpilor fluorescente sunt influențate critic de temperatura peretelui becului și de efectul său asupra presiunii parțiale a vaporilor de mercur din interiorul lămpii. Fiecare lampă conține o cantitate mică de mercur, care trebuie să se vaporizeze pentru a susține curentul lămpii și pentru a genera lumină. La temperaturi scăzute, mercurul este sub formă de picături lichide dispersate. Pe măsură ce lămpile se încălzesc, mai mult mercur ajunge în formă de vapori. La temperaturi mai ridicate, auto-absorbția în vapori reduce randamentul de lumină UV și vizibilă. Deoarece mercurul se condensează la locul cel mai rece al lămpii, este necesară o proiectare atentă pentru a menține acel punct la temperatura optimă, în jur de 40 °C.

Folosirea unui amalgam cu alte metale reduce presiunea de vapori și extinde domeniul optim de temperatură în sus; cu toate acestea, temperatura “zonei reci” a peretelui becului trebuie să fie în continuare controlată pentru a preveni migrarea mercurului din amalgam și condensarea pe zona rece. Lămpile fluorescente destinate producției mai mari vor avea caracteristici structurale, cum ar fi un tub deformat sau radiator intern, pentru a controla temperatura la rece și distribuția mercurului. Lămpile mici cu încărcătură foarte mare, cum ar fi lămpile fluorescente compacte, includ, de asemenea, zone de disipare a căldurii în tub pentru a menține presiunea vaporilor de mercur la valoarea optimă.

Fosforul și spectrul luminii emise

(Lumina de la o lampă fluorescentă reflectată de un CD arată benzile individuale de culoare.)

Spectrul de lumină emis de o lampă fluorescentă este combinația de lumină direct emisă de vaporii de mercur și lumina emisă de stratul fosforescent. Liniile spectrale din emisia de mercur și efectul fosforescenței dau o distribuție spectrală combinată a luminii care este diferită de cea produsă de sursele incandescente. Intensitatea relativă a luminii emise în fiecare bandă îngustă de lungimi de undă peste spectrul vizibil este în proporții diferite față de cea a unei surse incandescente. Obiectele colorate sunt percepute diferit în cadrul surselor de lumină cu distribuții spectrale diferite. De exemplu, unii oameni consideră culoarea rezultată produsă de unele lămpi fluorescente ca fiind dură și neplăcută. O persoană sănătoasă poate uneori să pară că are un aspect nesănătoa al pielii sub iluminare fluorescentă. Măsura în care are loc acest fenomen este legată de compoziția spectrală a luminii și poate fi măsurată prin indicele de redare a culorii (CRI).