Tubo fluorescente
Tubos ou lâmpadas fluorescentes de cátodo frio (engl. Lâmpada Fluorescente de Cátodo Frio , CCFL curto ) são tubos de descarga de gás , um entre os eletrodos dos mesmos, através da aplicação de uma descarga luminescente de alta tensão , acende-se, as luzes coloridas da coluna positiva estendida dependem do gás de enchimento. O cátodo não é aquecido e, portanto, dificilmente emite elétrons térmicos, - a emissão ocorre pela emissão de elétrons secundários do cátodo que os íons positivos acelerados caem sobre o cátodo.
Tubos fluorescentes de emissão branca são usados para iluminação quando uma longa vida útil é necessária, por exemplo, para a iluminação de fundo dos primeiros monitores de tela plana ( LCD ) ou, anteriormente, para elementos de design e campos de luz em áreas centrais da cidade.
Os tubos de néon vermelhos foram os primeiros tubos fluorescentes praticamente utilizáveis, desenvolvidos por volta de 1909 pelo francês Georges Claude . Na verdade, eles contêm néon como gás de enchimento e deram às lâmpadas fluorescentes seu nome trivial.
Outras cores podem ser obtidas com outros gases, mas também com um revestimento fluorescente no interior, como acontece com as lâmpadas fluorescentes . Nesse caso, a mistura gasosa consiste em argônio e mercúrio e emite principalmente ultravioleta , que é convertido na cor de luz desejada pelo fósforo. (Embora tubos fluorescentes como lâmpadas catódicas frias também possam conter material fluorescente, o termo tubo fluorescente é geralmente usado apenas para lâmpadas catódicas quentes .)
Tubos fluorescentes também são amplamente usados hoje em dia para publicidade em neon , mas estão cada vez mais sendo substituídos por diodos emissores de luz .
Para tubos fluorescentes para fins de demonstração nas aulas de física, consulte Tubo de Geissler .
Estrutura, modo de operação, operação
Os eletrodos são fundidos nas extremidades de um tubo de vidro fino preenchido com gás, ambos chamados de cátodo, embora na operação quase exclusivamente usada com corrente alternada, um seja sempre o ânodo. O motivo está em sua função de liberar elétrons.
O termo tubo catódico frio não significa que os eletrodos permanecem frios durante a operação, mas que o mecanismo de emissão de elétrons não é a emissão térmica . Este seria um revestimento dos eletrodos com um material de baixa função de trabalho necessário para os elétrons, como nas lâmpadas fluorescentes cuja vida é limitada pela lenta evaporação desse material. Em contraste, os tubos fluorescentes funcionam com elétrons secundários . A tensão aplicada cria um campo elétrico entre o cátodo e o ânodo, que move os íons de gás presentes no gás rapidamente em direção ao respectivo cátodo. A energia liberada no impacto libera elétrons do cátodo de alguns íons, mas na maioria deles é completamente convertida em calor, o que significa que os "cátodos frios" costumam se tornar mais quentes do que os cátodos quentes em altas correntes. Outro efeito colateral indesejável é a remoção de material . Uma forma de anel ou copo dos eletrodos leva à redeposição do material.
Para a emissão secundária, há uma queda acentuada de tensão, i. H. um forte campo elétrico é necessário imediatamente na frente do cátodo, uma vez que os íons perdem velocidade e, portanto, energia em distâncias curtas devido a colisões com átomos de gás. Ao mesmo tempo, esse campo acelera os elétrons liberados para longe do cátodo com tanta força que os átomos de gás perdem elétrons quando colidem (ionização por impacto), o que multiplica o número de elétrons. No entanto, até que os elétrons da coluna positiva carreguem a maior parte da corrente, a intensidade do campo permanece alta, de modo que, a essa altura, uma parte considerável da tensão de operação, 50 a 100 volts , já foi perdida. A área na frente do cátodo é, portanto, chamada de queda catódica . Sua expansão depende da pressão do gás.
Na coluna positiva, que preenche o comprimento restante do tubo, a intensidade do campo e, portanto, a energia dos elétrons é menor. É de aproximadamente 400 volts por metro para tubos com um diâmetro de 30 mm e até 1000 V / m para um diâmetro de aproximadamente 80 mm. Colisões entre elétrons e átomos de gás fazem com que eles brilhem; a ionização de impacto mais rara apenas substitui a perda de portadores de carga por meio da recombinação.
Para que as perdas na caixa do cátodo sejam menos significativas, normalmente são escolhidas tensões de operação de várias centenas de volts; a tensão de ignição é consideravelmente mais alta. Os regulamentos VDE limitam a tensão permissível (e, portanto, o comprimento dos tubos) a 7,5 kV.
Embora as lâmpadas fluorescentes possam ser operadas com um simples choke na tensão da rede (com emissão incandescente, a queda do cátodo é da ordem de magnitude da energia de ionização do gás e a tensão de operação é muito mais baixa de 100 a 200 volts), isso não é possível com tubos fluorescentes.
Um transformador de campo perdido foi usado anteriormente como reator para tubos fluorescentes . Muitas vezes, eles têm a opção de definir a corrente de operação ou adaptá-la a diferentes números de tubos conectados em série, como é típico para publicidade em neon. A corrente foi ajustada com um shunt magnético ajustável mecanicamente. As tensões usuais são 2 × 2,5… 4 kV. A operação com correntes abaixo da corrente nominal - como com outros tubos catódicos frios - não é crítica, então tubos de neon podem ser regulados com dimmers de corte de fase . Hoje, a maioria dos reatores eletrônicos são usados com base no princípio de uma fonte de alimentação comutada ; estes geralmente têm uma opção de configuração para a própria corrente. Para baterias ou fontes de tensão CC, eles são chamados de conversores de ressonância ou (do inglês) inversores .
Quando em marcha lenta, o reator fornece uma alta tensão de ignição, que cai para aproximadamente 30% durante a operação. O consumo de energia das lâmpadas fluorescentes é de aproximadamente 30 W / m, a eficiência luminosa é de 30–100 lm / W. As lâmpadas catódicas frias não revestidas têm uma vida útil de até 20 anos, dependendo do gás de enchimento. É independente de ligar e desligar; uma propriedade que é benéfica para sinais de néon piscando
Os conversores de ressonância usados para lâmpadas catódicas frias para retroiluminação de displays LC e TFT , uma forma especial de inversor com transformador de ressonância , permitem que a corrente seja regulada por meio de um sinal de controle . Em termos de circuitos, eles geralmente são projetados como um conversor push-pull de ressonância que usa dois transistores como elementos de comutação. Os reatores para operação da rede também são frequentemente controláveis. As vantagens (início instantâneo sem cintilação, escurecimento de 0 a 100%, cores diferentes) também são vantajosas para instalações artísticas e trocadores de cores RGB .
Como as lâmpadas de descarga de gás têm uma resistência interna diferencial negativa (quanto mais corrente flui pelo tubo, menos voltagem cai), os reatores devem limitar a corrente de saída. Em inversores, a marcha lenta às vezes pode levar à sua destruição, os reatores eletrônicos têm um desligamento automático se não acenderem.
A tensão alternada gerada pelo inversor tem uma alta frequência de 30 ... 100 kilohertz , muitas vezes um valor de <50 kHz, pois a radiação de interferência do terceiro harmônico está abaixo de 150 kHz (limite inferior das medições EMC). Os fios elétricos entre o inversor e o cátodo frio não devem, portanto, ser muito longos ou passar sobre superfícies condutoras (por exemplo, a caixa do computador), caso contrário, parte da energia do inversor é perdida devido à alta capacidade e o tubo fica mais escuro, apaga ou não acende mais em todo o seu comprimento .
Os cabos e as extremidades da lâmpada têm isolamento à prova de alta tensão (geralmente borracha de silicone ) que não deve ser danificado.
Transformadores de campo parasitas e inversores geralmente fornecem uma tensão alternada que é simétrica ao potencial de terra e livre de potencial em termos de corrente contínua; Os reatores de letreiros de neon podem detectar curtos-circuitos no aterramento dessa forma. Isso também reduz a radiação de interferência.
Cores
A cor do tubo fluorescente depende do tipo de gás preenchido (gases não nobres suscetíveis ao envelhecimento entre parênteses):
- Neon : vermelho alaranjado
- Néon com mercúrio em tubo amarelo: verde
- Hélio : rosa branco
- Hélio em tubo amarelo: amarelo
- ( Nitrogênio : rosa amarelo)
- ( Dióxido de carbono : branco azulado)
- Krypton : branco
- Argônio : rosa
- Argônio com mercúrio: azul
Tubos fluorescentes coloridos geralmente funcionam como lâmpadas fluorescentes com corantes fluorescentes. Existem lâmpadas cátodo frio e cátodo quente para cores diferentes. As cores, então, não são obtidas pelo enchimento de gás, mas por vários fósforos que convertem a emissão ultravioleta da descarga de gás de um enchimento de mercúrio - argônio em luz visível.
Tubos incolores, d. H. aqueles sem filtro de vidro colorido e / ou corante fluorescente raramente são usados porque são difíceis de ver quando desligados e, portanto, menos adequados para publicidade iluminada. No entanto, ao piscar, eles produzem um efeito claro de mudança de cor nas decorações.
Tubos de néon
Os tubos de néon são preenchidos com o gás nobre néon e brilham em vermelho-laranja de acordo com seu espectro de emissão. Coloquialmente, as lâmpadas fluorescentes também são chamadas incorretamente de tubos de néon - no entanto, as lâmpadas fluorescentes contêm vapor de mercúrio e têm uma substância fluorescente no interior do vidro. Os tubos de néon têm um envelope de vidro colorido transparente ou vermelho não revestido. Os tubos de néon são usados há muito tempo para publicidade iluminada (publicidade em neon) e para iluminar estruturas altas, enquanto designs menores são conhecidos como lâmpadas incandescentes .
Junto com a luz de Moore, os tubos de néon estavam entre os primeiros tubos fluorescentes. Eles foram inventados em 1909 pelo francês Georges Claude , que recebeu a patente dos EUA número 1.125.476 em 19 de janeiro de 1915.
Os tubos de néon ainda são usados hoje como letreiros de néon e para fins decorativos. Para este propósito, são frequentemente dobrados em letras. É mais barato fazer letras de um tubo longo e cobrir as transições entre as letras, em vez de conectar um tubo separado para cada letra. Os reatores necessários para a operação (transformadores de campo parasitas ou dispositivos eletrônicos) são freqüentemente chamados de transformadores de neon ou NST (de Neon Sign Transformer ).
No espectro de emissão do néon (ver foto), podem-se encontrar não apenas as linhas intensas na área vermelha, mas também aquelas em laranja e amarelo, enquanto as linhas verdes brilham fracamente. Portanto, um tubo de néon geralmente parece vermelho brilhante. Para gerar luz vermelha escura (vermelho de sinal mais forte), os tubos de vidro são adicionalmente coloridos de vermelho para absorver a parte amarela (e verde).
inscrição
A principal área de aplicação das lâmpadas fluorescentes é tradicionalmente na publicidade de neon. As letras são formadas por tubos devidamente curvos pintados de preto entre as letras. Vários tubos podem ser operados um atrás do outro (em série) em um reator.
Tubos catódicos frios iluminam os originais em scanners e aparelhos de fax .
Eles se tornaram a luz de fundo para televisores de tela plana , LC - ou TFT - telas de tela plana usadas, mas estão cada vez mais aqui de lâmpadas LED substituídas. Via de regra, dois CCFLs foram instalados em um notebook e têm uma vida útil estimada em torno de 15.000 horas. Após este tempo, não falham, apenas brilham com brilho menor - o fim da vida útil é definido pela metade do brilho. No entanto, dispositivos de controle mais recentes funcionam com uma fonte de corrente constante, de forma que a perda de brilho devido ao reajuste automático não seja visível. Se o tubo envelheceu tanto que a faixa de controle da unidade de controle não é mais suficiente para atingir o brilho anterior, ele geralmente desliga completamente. Isso leva a uma falha repentina; ao fazer a ponte entre o monitoramento de corrente, normalmente é possível uma operação adicional com brilho reduzido. Outras probabilidades de falha são freqüentemente baseadas no isolamento inadequado das tensões muito altas.
Tubos catódicos frios também são usados para efeitos de iluminação em gabinetes de computador ( modding de gabinete ). Eles são usados para iluminar o interior da caixa transparente em cores diferentes. Essas luzes são fornecidas com um inversor adequado para operação em 12 volts e possuem conexões de fio ou um plugue adequado para a alimentação do computador. Um tubo catódico frio de aproximadamente 30 cm de comprimento com um inversor consome aproximadamente 4,5 watts de energia elétrica.
Tubos fluorescentes também são usados na arte moderna. As primeiras obras foram criadas na década de 1960 por Bruce Nauman e Dan Flavin, entre outros .
Tubos catódicos frios com inversores de 12 ou 24 volts para afinação do veículo iluminam o interior, o compartimento do motor ou são instalados sob o veículo. Essas mudanças violam principalmente os regulamentos de aprovação na Alemanha e em outros países .
literatura
- Christoph Ribbat : modernidade oscilante . A história da luz neon. Steiner, Stuttgart 2011. ISBN 978-3-515-09890-8 .
- Günter Springer: Experiência em engenharia elétrica. 18ª edição, Europa-Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9 ; 29ª edição 2014, ISBN 978-3-8085-3190-7 .
- Adolf Senner: Engenharia elétrica. 4ª edição. Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 1965 DNB 451091205