Plynová výbojka - Gas-discharge lamp

Plynové výbojky jsou rodina umělých světelných zdrojů, které generují světlo zasláním elektrický výboj přes ionizovaný plyn, plazma .

Typicky takové lampy používají vzácný plyn ( argon , neon , krypton a xenon ) nebo směs těchto plynů. Některé obsahují další látky, jako je rtuť , sodík a halogenidy kovů , které se během spouštění odpařují, aby se staly součástí plynné směsi.

V provozu, některé elektrony jsou nuceny opustit atomy plynu v blízkosti anody pomocí elektrického pole aplikovaného mezi dvěma elektrodami, přičemž tyto atomy pozitivně ionizovány . Takto uvolněné volné elektrony proudí na anodu, zatímco takto vytvořené kationty jsou urychlovány elektrickým polem a proudí směrem ke katodě .

Po cestování na velmi krátkou vzdálenost se ionty obvykle srazí s neutrálními atomy plynu, které přenesou své elektrony na ionty. Atomy, které při srážkách ztratily elektron, ionizují a otáčejí se směrem ke katodě, zatímco ionty, které při srážkách získaly elektron, se vrací do stavu s nižší energií a uvolňují energii ve formě fotonů. Vyzařuje se tak světlo charakteristické frekvence. Tímto způsobem jsou elektrony přenášeny plynem z katody na anodu.

Barva produkovaného světla závisí na emisních spektrech atomů tvořících plyn, stejně jako na tlaku plynu, hustotě proudu a dalších proměnných. Plynové výbojky mohou produkovat širokou škálu barev. Některé žárovky produkují ultrafialové záření, které je přeměněno na viditelné světlo pomocí fluorescenčního povlaku na vnitřní straně skleněného povrchu lampy. Zářivka je snad nejznámější výbojkových lamp.

Ve srovnání se žárovkami nabízejí plynové výbojky vyšší účinnost , ale jsou složitější na výrobu a většinou vykazují negativní odpor , což způsobuje, že odpor v plazmě klesá se zvyšujícím se proudovým tokem. Proto obvykle vyžadují pomocná elektronická zařízení, jako jsou předřadníky, pro řízení toku proudu plynem, čímž se zabrání úniku proudu ( obloukový záblesk ).

Některé plynové výbojky mají také viditelnou dobu spuštění, aby dosáhly svého plného světelného výkonu. Přesto, kvůli jejich větší účinnosti, plynové výbojky byly upřednostňovány před žárovkami v mnoha aplikacích osvětlení, dokud nedávná vylepšení v technologii LED žárovky .

Dějiny

Historie výbojek začala v roce 1675, kdy francouzský astronom Jean Picard zjistil, že prázdný prostor v jeho rtuťovém barometru zářil, když se rtuť třásla, když nesl barometr. Vyšetřovatelé, mezi nimi i Francis Hauksbee , se pokusili určit příčinu jevu. Hauksbee poprvé předvedl lampu s plynovou výbojkou v roce 1705. Ukázal, že evakuovaná nebo částečně evakuovaná skleněná koule, do které umístil malé množství rtuti, zatímco je nabitá statickou elektřinou, by mohla produkovat světlo dostatečně jasné na čtení. Fenomén elektrického oblouku poprvé popsal Vasily V. Petrov v roce 1802. V roce 1809 Sir Humphry Davy demonstroval elektrický oblouk na Královské instituci Velké Británie. Od té doby byly zkoumány zdroje výbojkového světla, protože vytvářejí světlo z elektřiny podstatně efektivněji než žárovky .

Otcem nízkotlaké plynové výbojky byl německý sklář Heinrich Geissler , který počínaje rokem 1857 konstruoval barevné umělecké studené katodové trubice s různými plyny, které zářily mnoha různými barvami, nazývané Geisslerovy trubice . Bylo zjištěno, že inertní plyny, jako jsou vzácné plyny neon, argon, krypton nebo xenon, stejně jako oxid uhličitý dobře fungují v trubkách. Tuto technologii uvedl na trh francouzský inženýr Georges Claude v roce 1910 a stalo se z ní neonové osvětlení , používané v neonových nápisech .

Zavedení kovové výbojky, včetně různých kovů ve výbojce, bylo pozdějším pokrokem. Teplo výbojů plynu odpařilo část kovu a výboj je pak produkován téměř výhradně kovovou párou. Obvyklými kovy jsou sodík a rtuť kvůli jejich emisi viditelného spektra.

Sto let výzkumu později vedlo k lampám bez elektrod, které jsou místo toho napájeny mikrovlnnými nebo radiofrekvenčními zdroji. Kromě toho byly vytvořeny světelné zdroje s mnohem nižším výkonem, které rozšiřují aplikace výbojkového osvětlení na domácí nebo vnitřní použití.

Lampa „Ruhmkorff“

Ruhmkorffovy lampy byly ranou formou přenosné elektrické lampy pojmenované po Heinrichovi Danielu Ruhmkorffovi a poprvé byly použity v 60. letech 19. století. Lampa se skládala z Geisslerovy trubice, která byla buzena indukční cívkou Ruhmkorff napájenou bateriemi ; raný transformátor schopný převádět stejnosměrné proudy nízkého napětí na vysoká napětí. Zpočátku lampa generovala bílé světlo pomocí Geisslerovy trubice naplněné oxidem uhličitým. Oxid uhličitý však měl tendenci se rozpadat. V pozdějších lampách byla tedy Geisslerova trubice naplněna dusíkem (který generoval červené světlo) a sklo bylo nahrazeno sklem obsahujícím soli uranu (které fluoreskovalo zeleným světlem).

Určen pro použití v prostředí ohroženém výbuchem hornictví, stejně jako prostředí bez přístupu kyslíku, jako je potápění nebo na nevytápěných lampou pro případné použití v chirurgii, lampa byla vlastně rozvinutý jak Alphonse Dumas, inženýr v železných dolech Saint- Priest a Lac, poblíž Privas , v departementu Ardèche , Francie, a Dr. Camille Benoît, lékař v Privas. V roce 1864 udělila Francouzská akademie věd Dumasovi a Benoîtovi cenu 1 000 franků za jejich vynález. Svítidla, ve své době špičková technologie, získala věhlas poté, co byla popsána v několika sci-fi románech Julese Verna .

Barva

Každý plyn v závislosti na své atomové struktuře vyzařuje záření určitých vlnových délek, své emisní spektrum , které určuje barvu světla z lampy. Jako způsob hodnocení schopnosti světelného zdroje reprodukovat barvy různých objektů, které jsou zdrojem osvětleny, zavedla Mezinárodní komise pro osvětlení (CIE) index podání barev (CRI). Některé výbojky s plynem mají relativně nízkou CRI, což znamená, že barvy, které osvětlují, vypadají podstatně odlišně od toho, jak fungují za slunečního světla nebo jiného osvětlení s vysokým CRI.

Plyn	Barva	Spektrum	Poznámky	obraz
Hélium	Bílá až oranžová ; za určitých podmínek může být šedá, modrá nebo zelenomodrá.		Používají ho umělci pro speciální účelové osvětlení.
Neon	Červený pomeranč		Intenzivní světlo. Často se používá v neonových nápisech a neonových lampách .
Argon	Fialová až světle levandulová modrá		Často se používá společně s parami rtuti.
Krypton	Šedá špinavě bílá až zelená . Při vysokých špičkových proudech jasně modrobílá.		Používají ho umělci pro speciální účelové osvětlení.
Xenon	Šedá nebo modrošedá matně bílá. Při vysokých špičkových proudech velmi jasně zeleno-modrá.		Používá se v zábleskových trubicích , xenonových HID světlometech a xenonových obloukových lampách .
Dusík	Podobně jako argon, ale matnější, růžovější; při vysokých špičkových proudech jasně modrobílá.
Kyslík	Fialová až levandule , slabší než argon
Vodík	Levandule při nízkých proudech, růžová až purpurová nad 10 mA
Vodní pára	Podobně jako vodík, stmívač
Oxid uhličitý	Modrobílý až růžový, v nižších proudech jasnější než xenon		Používá se v laserech oxidu uhličitého .
Rtuťové páry	Světle modrá , intenzivní ultrafialová	Ultrafialové světlo není zobrazeno	V kombinaci s luminofory se používá ke generování mnoha barev světla. Široce se používá v rtuťových výbojkách .
Páry sodíku (nízký tlak)	Jasně oranžově žlutá		Široce se používá v sodíkových výbojkách .

Typy

Lampy jsou rozděleny do rodin podle tlaku plynu a podle toho, zda je katoda zahřívána či nikoli. Žárovky s horkou katodou mají elektrody, které pracují při vysoké teplotě a jsou zahřívány obloukovým proudem v lampě. Teplo vyrazí elektrony z elektrod termionickou emisí , což pomáhá udržovat oblouk. V mnoha typech se elektrody skládají z elektrických vláken vyrobených z jemného drátu, které jsou při spuštění zahřívány samostatným proudem, aby se oblouk spustil. Lampy se studenou katodou mají elektrody, které pracují při pokojové teplotě. K zahájení vedení v lampě musí být k ionizaci plynu použito dostatečně vysoké napětí ( zarážející napětí ), takže tyto lampy ke spuštění vyžadují vyšší napětí.

Nízkotlaké výbojky

Nízkotlaké lampy mají pracovní tlak mnohem nižší než atmosférický tlak. Například běžné zářivky pracují při tlaku asi 0,3% atmosférického tlaku.

Zářivky, žárovka s vyhřívanou katodou, nejběžnější lampa v kancelářském osvětlení a mnoho dalších aplikací, produkují až 100 lumenů na watt

Neonové osvětlení , široce používaná forma speciálního osvětlení se studenou katodou, skládající se z dlouhých trubic naplněných různými plyny při nízkém tlaku budeném vysokými napětími, používaných jako reklama v neonových nápisech .

Nízkotlaké sodíkové výbojky , nejúčinnější typ výbojek s plynovou výbojkou, produkující až 200 lumenů na watt, ale na úkor velmi špatného podání barev . Téměř monochromatické žluté světlo je přijatelné pouze pro pouliční osvětlení a podobné aplikace.

Ke spuštění zářivky se používá malá výbojka obsahující bimetalický spínač . V tomto případě je teplo výboje použito k ovládání spínače; startér je obsažen v neprůhledném pouzdře a malý světelný výkon není použit.

Kontinuální zářiče se vyrábějí pro speciální aplikace, kde lze elektrody řezat do tvaru alfanumerických znaků a figurálních tvarů.

Záblesk žárovka, blikání plamen žárovka nebo blikat doutnavka je plynové výbojky, která produkuje světlo prostřednictvím ionizujícím na plyn , obvykle neon směsi s heliem a malým množstvím dusíku plynu pomocí elektrického proudu procházejícího dvěma plamene ve tvaru elektrody sítka potažená částečně rozloženým azidem barnatým . Ionizovaný plyn se pohybuje náhodně mezi dvěma elektrodami, což vytváří efekt blikání, často uváděný na trh jako sugestivní plamen svíčky (viz obrázek).

Vysokotlaké výbojky

Vysokotlaké výbojky mají výboj, který probíhá v plynu pod mírně menším až vyšším než atmosférickým tlakem. Například vysokotlaká sodíková výbojka má obloukovou trubici pod tlakem 100 až 200 torr , přibližně 14% až 28% atmosférického tlaku; některé automobilové světlomety HID mají až 50 barů nebo padesátinásobek atmosférického tlaku.

Halogenidové výbojky produkují téměř bílé světlo a dosahují světelného výkonu 100 lumenů na watt. Aplikace zahrnují vnitřní osvětlení vysokých budov, parkovišť, obchodů, sportovních terénů.

Vysokotlaké sodíkové výbojky produkující až 150 lumenů na watt produkují širší spektrum světla než nízkotlaké sodíkové výbojky. Používá se také pro pouliční osvětlení a pro umělou fotoasimilaci pro pěstování rostlin

Vysokotlaké rtuťové výbojky jsou nejstarším typem vysokotlakých výbojek a ve většině aplikací byly nahrazeny halogenidem kovů a vysokotlakými sodíkovými výbojkami. Vyžadují kratší délku oblouku.

Vysoce intenzivní výbojky

Výbojka s vysokou intenzitou (HID) je typ elektrické lampy, která produkuje světlo pomocí elektrického oblouku mezi wolframovými elektrodami uloženými uvnitř průsvitné nebo průhledné tavené křemenné nebo obloukové trubice z taveného oxidu hlinitého . Ve srovnání s jinými typy žárovek existuje pro délku oblouku relativně vysoký výkon oblouku. Příklady lamp HID zahrnují rtuťové výbojky , halogenidové výbojky , keramické výbojky, halogenidové výbojky , sodíkové výbojky a xenonové obloukové výbojky

Žárovky HID se obvykle používají tam, kde jsou požadovány vysoké úrovně světelné a energetické účinnosti.

Další příklady

Blesku Xenon produkuje jediný záblesk světla v rozsahu milisekund-mikrosekund a je běžně používán ve filmu, fotografie a divadelní osvětlení. Obzvláště robustní verze této lampy, známé jako stroboskopická světla , mohou vytvářet dlouhé sekvence záblesků, což umožňuje stroboskopické zkoumání pohybu . To našlo uplatnění při studiu mechanického pohybu, v medicíně a při osvětlení tanečních sálů.

Viz také

Reference

Další čtení

• Waymouth, John (1971). Elektrické výbojky . Cambridge, MA: MIT Press. ISBN 978-0-262-23048-3.
• Národní správa bezpečnosti silničního provozu. „Oslnění světlomety a jinými předními světlomety“ . Federální bezpečnostní norma pro motorová vozidla č. 108 . Americké ministerstvo dopravy . Citováno 2006-01-23 .

externí odkazy

• Svítidla a indikátory v Curlie