Lampa neonowa
Lampa neonowa (także neonowa lampa jarzeniowa ) to miniaturowa lampa wyładowcza . Lampa zazwyczaj składa się z małej szklanej kapsułki zawierającej mieszaninę neonu i innych gazów pod niskim ciśnieniem oraz dwóch elektrod ( anody i katody ). Po przyłożeniu wystarczającego napięcia i dostarczeniu wystarczającego prądu między elektrodami, lampa wytwarza pomarańczowe wyładowanie jarzeniowe . Świecąca część lampy to cienki obszar w pobliżu katody; większy i znacznie dłuższy neony to również wyładowania jarzeniowe, ale wykorzystują kolumnę dodatnią , której nie ma w zwykłej lampie neonowej. Neonowe lampy jarzeniowe były szeroko stosowane jako lampki kontrolne w wyświetlaczach instrumentów i urządzeń elektronicznych. Nadal są czasami używane ze względu na swoją prostotę elektryczną w obwodach wysokiego napięcia.
Historia
Neon został odkryty w 1898 roku przez Williama Ramsaya i Morrisa W. Traversa . Charakterystyczny, lśniący czerwony kolor, który jest emitowany przez gazowy neon po wzbudzeniu elektrycznym, został zauważony natychmiast; Travers napisał później: „płomień szkarłatnego światła z tuby opowiedział swoją własną historię i był widokiem, nad którym można się rozwodzić i którego nigdy nie można zapomnieć”.
Niedobór neonu wykluczył jego szybkie zastosowanie w oświetleniu elektrycznym na wzór lamp Moore'a , które wykorzystywały wyładowania elektryczne w azocie. Rurki Moore'a zostały skomercjalizowane przez ich wynalazcę, Daniela McFarlana Moore'a , na początku XX wieku. Po 1902 roku firma Georgesa Claude'a , Air Liquide , produkowała przemysłowe ilości neonu jako produktu ubocznego jego działalności w zakresie skraplania powietrza, aw grudniu 1910 roku Claude zademonstrował nowoczesne oświetlenie neonowe oparty na zamkniętej tubie neonu. W 1915 r. Claude otrzymał amerykański patent obejmujący projekt elektrod do lamp neonowych; patent ten stał się podstawą monopolu posiadanego w USA przez jego firmę Claude Neon Lights do wczesnych lat trzydziestych XX wieku.
Około 1917 roku Daniel Moore opracował lampę neonową, pracując w General Electric Company . Lampa ma zupełnie inną konstrukcję niż znacznie większe tuby neonowe używane do oświetlenia neonów . Różnica w konstrukcji była na tyle duża, że w 1919 roku udzielono patentu na lampę w USA. Na stronie internetowej Smithsonian Institution czytamy: „Te małe urządzenia o niskim poborze mocy wykorzystują zasadę fizyczną zwaną wyładowaniem koronowym . Moore zamontował dwie elektrody blisko siebie w żarówce i dodał neon lub argon. Elektrody świeciły jasno na czerwono lub niebiesko, w zależności od gazu, a lampy działały latami. Ponieważ elektrody mogą przybierać niemal dowolne kształty, popularnym zastosowaniem są fantazyjne lampy dekoracyjne.
Lampy jarzeniowe znalazły praktyczne zastosowanie jako wskaźniki na tablicach przyrządów i wielu urządzeniach domowych, aż do powszechnej komercjalizacji diod elektroluminescencyjnych (LED) w latach siedemdziesiątych.
Opis
Charakterystyka napięciowo-prądowa wyładowania elektrycznego w neonach przy 1 torze, przy dwóch płaskich elektrodach oddalonych od siebie o 50 cm. A: przypadkowe impulsy promieniowania kosmicznego B: prąd nasycenia C: przebicie lawinowe wyładowanie Townsenda D: samopodtrzymujące się wyładowanie Townsenda E: region niestabilny: wyładowanie koronowe F: wyładowanie jarzeniowe poniżej normy G: normalne wyładowanie jarzeniowe H: nienormalne wyładowanie jarzeniowe I: obszar niestabilny: przejście jarzenia-łuku J: łuk elektryczny K: łuk elektryczny
region AD: ciemne wyładowanie ; następuje jonizacja, prąd poniżej 10 mikroamperów. Region FH: wyładowanie jarzeniowe ; plazma emituje słabą poświatę. region IK: wyładowanie łukowe ; wytwarzane są duże ilości promieniowania.
Mały prąd elektryczny (dla żarówki NE-2 o średnicy 5 mm prąd spoczynkowy wynosi około 400 µA), który może być prądem zmiennym lub stałym , przepływa przez rurkę, powodując jej pomarańczowo-czerwone światło. Gazem jest zazwyczaj mieszanina Penninga , 99,5% neonu i 0,5% argonu , która ma niższe napięcie uderzenia niż czysty neon, przy ciśnieniu 1–20 torów (0,13–2,67 kPa).
Lampa wyładowania jarzeniowego świeci przy swoim uderzającym napięciu. Uderzające napięcie jest zmniejszane przez światło otoczenia lub radioaktywność. Aby zmniejszyć „efekt ciemności”, niektóre lampy zostały wykonane z niewielkiej ilości materiału radioaktywnego, zwykle Kryptonu-85 , dodanego do powłoki w celu zapewnienia jonizacji w ciemności.
Napięcie wymagane do podtrzymania wyładowania jest znacznie (nawet o 30%) niższe niż napięcie udarowe. Wynika to z organizacji jonów dodatnich w pobliżu katody. Lampy neonowe działają przy użyciu niskoprądowego wyładowania jarzeniowego .
Urządzenia o większej mocy, takie jak lampy rtęciowe lub lampy metalohalogenkowe, wykorzystują wyładowanie łukowe o wyższym natężeniu prądu . Niskociśnieniowe lampy sodowe wykorzystują neonową mieszaninę Penninga do rozgrzewania i mogą działać jak gigantyczne lampy neonowe, jeśli działają w trybie niskiego poboru mocy.
Ograniczenie prądu
Gdy lampa neonowa ulegnie awarii, może wytrzymać duży przepływ prądu. Ze względu na tę charakterystykę obwód elektryczny znajdujący się na zewnątrz lampy neonowej musi ograniczać prąd przepływający przez obwód, w przeciwnym razie prąd gwałtownie wzrośnie, aż do zniszczenia lampy.
W przypadku lamp o wielkości wskaźnika rezystor zwykle ogranicza prąd. W przeciwieństwie do tego, lampy o większych rozmiarach często wykorzystują specjalnie skonstruowany transformator wysokiego napięcia o dużej indukcyjności rozproszenia lub inny statecznik elektryczny w celu ograniczenia dostępnego prądu (patrz neon ).
Migoczący płomień
Gdy prąd płynący przez lampę jest niższy niż prąd dla ścieżki wyładowania o najwyższym natężeniu, wyładowanie jarzeniowe może stać się niestabilne i nie pokryć całej powierzchni elektrod. Może to świadczyć o starzeniu się kierunkowskazu i jest wykorzystywane w dekoracyjnych neonach typu „migoczący płomień”. Jednak o ile zbyt mały prąd powoduje migotanie, o tyle zbyt duży zwiększa zużycie elektrod poprzez stymulację rozpylania , które pokrywa wewnętrzną powierzchnię lampy metalem i powoduje jej ciemnienie.
Potencjał potrzebny do wywołania wyładowania jest wyższy niż potencjał potrzebny do podtrzymania wyładowania. Gdy nie ma wystarczającej ilości prądu, poświata tworzy się tylko wokół części powierzchni elektrody. Prądy konwekcyjne powodują, że świecące obszary płyną do góry, podobnie jak wyładowanie w drabinie Jakuba . Można tu również zaobserwować efekt fotojonizacji , ponieważ obszar elektrody objęty wyładowaniem jarzeniowym można zwiększyć, świecąc światłem w lampę.
Efektywność
W porównaniu z lampami żarowymi , neonówki mają znacznie wyższą skuteczność świetlną . Żarówka to emisja światła napędzana ciepłem, więc duża część energii elektrycznej wprowadzonej do żarówki jest przekształcana w ciepło. Nieżarowe źródła światła, takie jak lampy neonowe, świetlówki i diody elektroluminescencyjne , są zatem znacznie bardziej energooszczędne niż zwykłe żarówki.
Zielone lampy neonowe mogą wytwarzać do 65 lumenów na wat mocy wejściowej, podczas gdy białe lampy neonowe mają skuteczność około 50 lumenów na wat. Z kolei standardowa żarówka wytwarza tylko około 13,5 lumenów na wat.
Efekty środowiskowe
Dokładne wartości napięć rozruchowych i podtrzymujących neonów mogą ulec zmianie ze względu na kilka efektów. Światło zewnętrzne padające na elektrody stanowi źródło jonizacji do uruchomienia lampy; w całkowitej ciemności lampy mogą osiągnąć wysokie i nieregularne napięcie początkowe. Jednym ze środków łagodzących ten efekt jest umieszczenie lampki kontrolnej w obudowie, aby zapewnić początkowe źródło światła. Lampy są również nieco wrażliwe na zewnętrzne pola elektrostatyczne, temperaturę i starzenie. Lampy przeznaczone do użytku jako elementy obwodów mogą być specjalnie przetwarzane w celu wyeliminowania większości początkowych efektów starzenia.
Aplikacje
Wskaźnik wizualny
Małe neonówki są najczęściej stosowane jako wskaźniki wizualne w sprzęcie i sprzęcie elektronicznym, ze względu na niski pobór mocy, długą żywotność i możliwość pracy na zasilaniu sieciowym.
Tłumienie skoków napięcia
ochronniki przeciwprzepięciowe niskiego napięcia , ale generalnie są gorsze od ochronników przeciwprzepięciowych z lampami wyładowczymi (GDT) (które mogą być zaprojektowane do zastosowań o wyższym napięciu). Lampy neonowe były używane jako niedroga metoda ochrony odbiorników RF przed skokami napięcia (lampa podłączona do wejścia RF i uziemienia obudowy), ale nie nadają się do nadajników RF o większej mocy.
Tester napięcia
Większość małych lamp neonowych (wielkości wskaźnika), takich jak zwykła NE-2 , ma napięcie przebicia około 90 woltów . Podczas zasilania ze źródła prądu stałego świecić będzie tylko ujemnie naładowana elektroda ( katoda ). Podczas zasilania ze źródła prądu przemiennego obie elektrody będą się świecić (każda podczas naprzemiennych półcykli). Te cechy sprawiają, że neonówki (z rezystorami szeregowymi) są wygodnym i niedrogim testerem napięcia . Badając, która elektroda się świeci, mogą ujawnić, czy dane źródło napięcia to prąd zmienny czy stały, a jeśli prąd stały, polaryzacja badanych punktów.
Regulacja napięcia
Charakterystyka przebicia lamp jarzeniowych pozwala na zastosowanie ich jako regulatorów napięcia lub urządzeń zabezpieczających przed przepięciami . Począwszy od około lat trzydziestych XX wieku General Electric (GE), Signalite i inne firmy produkowały lampy regulujące napięcie.
Element przełączający/oscylator
Podobnie jak inne lampy wyładowcze , lampa neonowa ma rezystancję ujemną ; jego napięcie spada wraz ze wzrostem prądu po osiągnięciu przez lampę napięcia przebicia. Dlatego lampa ma histerezę ; jego napięcie wyłączenia (wygaszania) jest niższe niż napięcie włączenia (przebicia).
Dzięki temu może być używany jako aktywny element przełączający. Lampy neonowe były używane do tworzenia oscylatora relaksacyjnego przy użyciu tego mechanizmu, czasami określanego jako efekt Pearsona-Ansona , do zastosowań o niskiej częstotliwości, takich jak migające światła ostrzegawcze, generatory tonów stroboskopowych w organach elektronicznych oraz jako podstawy czasu i oscylatory odchylające we wczesnej katodzie oscyloskopy ray .
Lampy neonowe mogą być również bistabilne , a nawet były używane do budowy cyfrowych obwodów logicznych, takich jak bramki logiczne , przerzutniki , pamięci binarne i liczniki cyfrowe . Zastosowania te były na tyle powszechne, że producenci wytwarzali lampy neonowe specjalnie do tego zastosowania, czasami nazywane lampami „elementów obwodów”. Przynajmniej niektóre z tych lamp mają poświatę skoncentrowaną w małym miejscu na katodzie, co czyni je nieodpowiednimi do wykorzystania jako wskaźniki. Aby zapewnić bardziej powtarzalną charakterystykę lampy i zredukować „efekt ciemności” (wzrost napięcia początkowego obserwowany w lampach trzymanych w całkowitej ciemności), niektóre typy lamp, takie jak NE83 (5AH), zawierają niewielką ilość radioizotopu, aby zapewnić początkową jonizację.
Wariant lampy typu NE-2 do zastosowań obwodowych, NE-77, ma trzy elektrody drutowe w lampie (w płaszczyźnie) zamiast zwykłych dwóch, trzecia służy jako elektroda kontrolna.
Detektor
Lampy neonowe były historycznie używane jako detektory mikrofal i fal milimetrowych („diody plazmowe” lub detektory wyładowań jarzeniowych (GDD)) do około 100 GHz lub coś koło tego i mówiono, że w takiej służbie wykazują porównywalną czułość (rzędu kilku 10s do około 100 mikrowoltów) do znanych diod krzemowych typu 1N23 z kontaktem z kocimi wąsami [ potrzebne źródło ] kiedyś wszechobecny w sprzęcie mikrofalowym. Niedawno odkryto, że lampy te działają dobrze jako detektory nawet przy częstotliwościach submilimetrowych („terahercowych”) i zostały z powodzeniem wykorzystane jako piksele w kilku eksperymentalnych macierzach obrazowania na tych długościach fal.
W tych zastosowaniach lampy działają albo w trybie „głodzenia” (w celu zmniejszenia szumu prądu lampy), albo w normalnym trybie wyładowania jarzeniowego; niektóre literatura wspomina o ich zastosowaniu jako detektorów promieniowania aż do reżimu optycznego, gdy działają w trybie nienormalnego jarzenia. Sprzęganie mikrofal z plazmą może odbywać się w wolnej przestrzeni, w falowodzie, za pomocą koncentratora parabolicznego (np. stożka Winstona ) lub za pomocą środków pojemnościowych za pośrednictwem anteny pętlowej lub dipolowej zamontowanej bezpośrednio na lampie.
Chociaż większość tych zastosowań wykorzystuje zwykłe, dostępne lampy dwuelektrodowe, w jednym przypadku stwierdzono, że specjalne lampy z trzema (lub więcej) elektrodami, z dodatkową elektrodą działającą jako antena sprzęgająca, dawały jeszcze lepsze wyniki (mniejszy szum i wyższa czułość). To odkrycie otrzymało patent w USA.
Wyświetlacz alfanumeryczny
Lampy neonowe z kilkoma ukształtowanymi elektrodami były używane jako wyświetlacze alfanumeryczne, znane jako tuby Nixie . Od tego czasu zostały one zastąpione innymi urządzeniami wyświetlającymi, takimi jak diody elektroluminescencyjne , próżniowe wyświetlacze fluorescencyjne i wyświetlacze ciekłokrystaliczne .
Co najmniej od lat czterdziestych XX wieku argonowe, neonowe i fosforowane wskaźniki zatrzaskowe tyratronu żarowego (które zapalały się po impulsie na ich elektrodzie rozruchowej i gasły dopiero po odcięciu ich napięcia anodowego) były dostępne na przykład jako samowyświetlające się rejestry przesuwne w dużych formatu, wyświetlacze z matrycą punktową z indeksowanym tekstem lub, połączone w czterokolorową matrycę fosforowo-tyratronową 4 × 4, jako 625-kolorowy piksel RGBA do układania w stosy dla dużych macierzy grafiki wideo. Tyratrony świecące z wieloma katodami i / lub anodami zwane dekatronami mogli liczyć do przodu i do tyłu, podczas gdy ich stan zliczania był widoczny jako poświata na jednej z ponumerowanych katod. Były one używane jako samoczynnie wyświetlające się liczniki / timery / preskalery dzielenia przez n w przyrządach liczących lub jako sumatory / subtraktory w kalkulatorach .
Inny
W radioodbiornikach z lat trzydziestych XX wieku neony były używane jako wskaźniki strojenia, zwane „tuneonami”, i dawały jaśniejszy blask, gdy stacja była prawidłowo dostrojona.
Ze względu na ich stosunkowo krótki czas reakcji, we wczesnym rozwoju telewizji lampy neonowe były używane jako źródło światła w wielu ekranach telewizyjnych ze skanowaniem mechanicznym .
Nowatorskie lampy jarzeniowe z ukształtowanymi elektrodami (takimi jak kwiaty i liście), często pokryte luminoforami, zostały wykonane do celów artystycznych. W niektórych z nich poświata otaczająca elektrodę jest częścią projektu.
Kolor
Neonowe lampki kontrolne są zwykle pomarańczowe i często są używane z kolorowym filtrem w celu poprawy kontrastu i zmiany ich koloru na czerwony lub bardziej czerwono-pomarańczowy.
Mogą być również wypełnione argonem , kryptonem lub ksenonem zamiast neonu lub zmieszane z nim. Podczas gdy charakterystyka elektryczna pozostaje podobna, lampy te świecą niebieskawą poświatą (w tym trochę ultrafioletu ), a nie charakterystyczną czerwonawo-pomarańczową poświatą neonu. Promieniowanie ultrafioletowe może następnie zostać wykorzystane do wzbudzenia luminoforowej wewnątrz żarówki i zapewnienia szerokiej gamy różnych kolorów, w tym bieli. Mieszanka 95% neonu, 2,5% kryptonu , a 2,5% argonu może być użyte do uzyskania zielonej poświaty, ale mimo to lampy „zielonego neonu” są częściej oparte na luminoforze.
Zobacz też
- Firma Aerolux Light
- Rurka wypełniona gazem
- Lekka sztuka
- Lista źródeł światła
- Magiczna rurka do oczu
- Neonowy znak
- Efekt Pearsona-Ansona
- Kalendarium technologii oświetleniowej
Dalsza lektura
- Używanie i zrozumienie miniaturowych lamp neonowych ; wydanie pierwsze; Williama G. Millera; Wydawnictwo Sams; 127 stron; 1969; LCCN 69-16778. (archiwum)
- rury z zimną katodą ; wydanie pierwsze; taniec JB; Książki Iliffe'a; 125 stron; 1967. (archiwum)
- Podręcznik lampy jarzeniowej - teoria, obwody, oceny ; wydanie drugie; General Electric; 122 strony; 1966. (archiwum)
- Zastosowania lamp neonowych i lamp wyładowczych ; wydanie pierwsze; Edwarda Baumana; Carlton Prasa; 1966. (archiwum)
Linki zewnętrzne
- Oscylator relaksacyjny z żarówką neonową - Clifton Laboratories
- Arkusz danych lampki neonowej — VCC (Visual Communications Company), spółka dominująca firmy Chicago Miniature Lighting (CML)
| Biblioteki Narodowe | |
|---|---|
| Inny | |
