اصول عملکرد لامپهای فلورسنت

برای یادآوری بد نیست درباره‌ی نور بدانیم. نور نوعی از انرژی است که می‌تواند از یک اتم خارج شود. این ازتعداد زیادی ذره‌های کوچک مثل بسته هایی که دارای انرژی و اندازه حرکت هستند، ولی جرمی ندارند. این ذرات فوتون‌های نوری نام دارند و واحد‌های اساسی نور هستند.

اتم‌ها وفتی فوتون آزاد می‌کند که الکترون‌های آن‌ها برانگیخته شود. الکترون‌ها ترازهای انرژی متفاوتی دارند که به چند عامل وابسته است از جمله سرعت آن‌ها و فاصله‌ی آن‌ها از هسته. الکترون‌های با ترازهای متفاوت انرژی اوربیتال‌های مختلفی را اشغال می‌کنند. به طور کلی الکترون با انرژی بالاتر در اوربیتال دورتری نسبت به هسته قرار دارد.

وقتی اتمی انرژی بگیرد یا از دست بدهد، این با تغییر سرعت آن دیده می‌شود. دریافت انرژی (گرما برای مثال) ممکن است باعث شود به طور لحظه‌ای آن را به یک اوربیتال بالاتر (دورتر از هسته) ببرد. الکترون فقط برای کسری از ثانیه در اوربیتال بالاتر باقی می‌ماند و به اوربیتال اصلی خودش بر می‌گردد. البته با برگشت خود انرژی دریافتی را به صورت فوتون آزاد می‌کند که در برخی موارد فوتون نوری است.

طول موج نور گسیل شده به مقدار انرژی خارج شده بستگی دارد که این هم به مکان قرارگیری الکترون وابسته است. در نتیجه انواع گوناگون اتم‌ها فوتون‌های نوری متفاوتی را آزاد می‌کنند. به عبارت دیگر رنگ نور با نوع اتم برانگیخته شده مشخص می‌شود.

این مکانیزم اساسی کاری اکثر منابع نوری است. تفاوت اصلی این منابع در فرآیند برانگیختن اتم هاست. در یک منبع نور نئونی مثل لامپ‌های حبابی یا لامپ گازی اتم‌ها با گرما تحریک می‌شوند؛ در light stick با واکنش شیمیایی این کار انجام پذیرد. در لامپ‌های فلئورسان از یکی از خلاقانه‌ترین سیستم‌ها در تحریک اتم‌ها استفاده می‌شود..

داخل لامپ ها:

المان اصلی لامپ فلئورسان یک لوله‌ی شیشه‌ای کاملا درز بندی شده است. این لوله حاوی مقدار اندکی جیوه و یک گاز نجیب (معمولا آرگون) است که در فشار خیلی کمی نگه داشته شده اند. با پودر فسفر داخل این لامپ را پوشانده اند. دارای دو الکترود است که در انتهای لامپ قرار دارند و به مدار الکتریکی متصل می‌شوند. تغذیه‌ی مدار الکتریکی آن، که در ادامه بیشتر از آن خواهم گفت، با یک منبع تغذیه متناوب است.

وقتی لامپ را روشن می‌کنید، جریان از طریق مدار الکتریکی به داخل الکترود‌ها شارش می‌کند. یک ولتاژ قابل توجهی دو سر الکترود‌ها ایجاد شده لذا الکترون‌ها از یک انت‌ها به طرف دیگر (در داخل گاز) می‌روند. این انرژی مقداری از جیوه را از حالت مایع به گازی تبدیل می‌کند. هنگام حرکت الکترون‌ها و اتم‌های باردار داخل لامپ، تعدادی با اتم‌های گازی جیوه برخورد می‌کنند. این برخورد اتم‌ها را برانگیخته می‌کند و الکترون‌ها را به تراز انرژی بالاتر می‌برد و همانگونه که در ابتدا گفته شد با بازگشت الکترون‌ها به اوربیتال اصلی فوتون‌های نوری از خود آزاد می‌کنند.

گفتیم که طول موج فوتون گسیلی به نوع قرارگیری اتم بستگی دارد. الکترون‌های اتم جیوه به گونه‌ای قرار گرفته اند که بیشتر فوتون هایی با طول موج در رنج ماورای بنفش آزاد می‌کنند. این نور مرئی نیست، پس باید به نور مرئی تبدیل شود.

فلسفه‌ی وجود لایه‌ی فسفری داخل لامپ اینجا مشخص می‌شود. الکترون‌های فسفر هنگام قرار گرفتن در معرض فوتون‌های گسیلی از الکترون‌های اتم جیوه به اوربیتال بالاتر رفته و هنگام بازگشت فوتون نوری مرئی (سفید) آزاد می‌کنند. البته تمام انرژی دریافتی از فوتون‌های آزاد شده از اتم جیوه به صورت نور آزاد نمی‌شود بلکه مقداری از آن در برخورد با لایه‌ی فسفری به صورت گرما هدر می‌رود. کارخانه‌ها نور لامپ با انتخاب ترکیبات مختلف فسفر تغییر می‌دهند.

لامپ‌های نئونی مرسوم نیز مقدار قابل توجهی نور ماورای بنفش ساطع می‌کنند، ولی آن‌ها آن را به نور مرئی تبدیل نمی‌کنند.

لذا مقدار زیادی از انرژی بدون آنکه نقشی در روشنایی داشته باشد هدر می‌رود. لامپ فلئورسان نور ماورای بنفش خود را به کار می‌گیرد و موثرتر است. لامپ‌های نئونی انرژی بیشتری نیز نسبت به لامپ‌های فلئورسان به صورت گرما تلف می‌کنند. روی هم رفته یک لامپ فلئورسان ۴ تا ۶ برابر موثرتر از لامپ نئونی است. با این حال مردم در خانه هاشان از لامپ‌های نئونی استفاده می‌کنند، چون نور ملایم تری ایجاد می‌کند. نوری با قرمزی بیشتر و آبی کمتر.

گفتیم تمام سیستم لامپ فلئورسان به جریان شارش شده داخل لامپ بستگی دارد. در قسمت بعدی خواهیم دید که لامپ فلئورسان چه چیزهایی برای تولید آن نیاز دارد.

آماده سازی گاز:

جریانی که تا به حال صحبت آن بود از مدیومی گازی می‌گذرد و هادی‌های گازی با هادی‌های جامد در برخی موارد تفاوت دارند. در هادی جامد حامل‌های جریان الکترون‌ها هستند در حالی که در نوع گازی علاوه بر الکترون‌های آزاد، یون‌ها نیز در هدایت الکتریکی نقش دارند. برای ایجاد جریان در لامپ فلئورسان به دو چیز نیاز داریم:

۱ – الکترون‌های آزاد و یون‌ها

۲ – اختلاف پتانسیل بین دو سر لامپ

به طور کلی مقدار اندکی الکترون آزاد و یون در گاز وجود دارند، زیرا اتم‌ها به طور طبیعی خنثی هستند؛ بنابراین گذراندن جریان از اغلب گاز‌ها دشوار است. پس اولین چیزی که باید تولید شود حامل جریان در دو الکترود است.

روشن کردن آن:

در طراحی کلاسیک لامپ فلئورسان از یک استارتر برای روشن سازی لامپ استفاده می‌شود. می‌توانید در دیاگرام پایینی ببینید این سیستم چگونه کار میکند.

هنگامی که لامپ را روشن کنیم جریان از طریق مدار بایپس داخل الکترود‌ها شارش می‌کند. این الکترود‌ها رشته‌های (فیلامان های) ساده‌ای هستند که می‌توانید در لامپ نئونی ببینید. با عبور جریان فیلامان‌ها داغ شده و الکترون‌ها را از سطح آهنی خود ر‌ها کرده و به داخل لامپ می‌فرستد که گاز را نیز یونیزه می‌کند. حال ببینیم در استارتر چه می‌گذرد. استارتر مرسوم یک لامپ تخلیه‌ای کوچک است که از نئون یا گاز دیگری تشکیل شده است. این لامپ دارای دو الکترود است که روبروی هم قرار دارند. وقتی در آغاز ولتاژ دو سر آن بیفتد قوص الکتریکی ایجاد شده مسیر جریان ایجاد می‌شود. این قوص به شکلی همانی است که در مقیاس بزرگ‌تر باعث روشن شدن لامپ فلئورسان می‌شود. از الکترود‌ها ورقه‌ای از نوع بی متال است و هنگام گرم شدن خم می‌شود. آن مقدار گرمای ایجاد شده از جرقه کافیست تا این الکترود دا الکترود دیگر تماس برقرار کند؛ لذا دیگر جرقه‌ای ایجاد نشده و این باعث سرد شدن نوار بی متال شده و اتصال دو کنتاکت قطع می‌شود. هنگامی که مدار باز می‌شود فیلامان گاز داخل لامپ را یونیزه کرده و مدیومی، هادی الکتریسیته ایجاد کرده است. لامپ تن‌ها به یک ضربه‌ی ولتاژ بین الکترود‌ها نیاز دارد تا یک قوص الکتریکی ایجاد کند. این ضربه نوسط بالاست (چوک)، ترنسفورمری که در مدار قرار دارد، زده می‌شود. وقتی جریان از مدار بایپس می‌گذرد، میدان مغناطیسی را در داخل چوک ایجاد می‌کند. این میدان توسط جریان در حال شارش حفظ می‌شود. باز شدن سوئیج استارت باعث قطع شدن جریان داخل چوک می‌شود انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی به صورت ولتاژ بزرگی دو سر چوک آزاد می‌شود که میزان اختلاف ولتاژ لازم را برای تشکیل قوص الکتریکی درون لامپ فلئورسان را فراهم می‌کند و از این به بعد به جای عبور جریان از مدار بایپس، از داخل لامپ فلئورسان خواهد گذشت.

این باعث حرکت الکترون‌های آزاد و برخورد آن‌ها با اتم‌ها و تشکیل فضایی از یون‌ها و الکترون‌های آزاد می‌شود (پلاسما). با برخورد الکترون‌ها با فیلامان ها، آن دو گرم باقی مانده و به گسیل الکترون به داخل پلاسما ادامه می‌دهند. تن‌ها مشکل این نوع لامپ‌ها این است که برای روشن شدن چند ثانیه زمان لازم دارند. امروزه اغلب لامپ‌های فلئورسان به گونه‌ای طراحی می‌شوند که مینیمم زمان را برای روشن شدن بگیرند. در قسمت بعدی در باره‌ی این خواهم نوشت. عملکرد سریع امروزه طراحی لامپ‌های فلورسان به گونه‌ای است که زمان روشن شدن آن‌ها سریع باشد. این طراحی دارای اصولی مانند همان لامپ فلورسان دارای استارتر قدیمی است، ولی این دارای سوئیچ استارتر نیست و به جای آن بالاست لامپ، جریان را داخل دو الکترود به طور ثابت برقرار می‌کند. این شارش جریان به گونه‌ای تنظیم شده که بین دو الکترود اختلاف ولتاژ ایجاد می‌کند. وقتی لامپ فلورسان روشن می‌شود، هر دو فیلامان به سرعت داغ می‌شوند و شروع به گسیل الکترون‌ها می‌کنند که گاز درون لامپ را یونیزه می‌کند. وقتی که گاز یونیزه شد اختلاف ولتاژ بین الکترود‌ها یک قوص الکتریکی ایجاد می‌کند. ذرات شارش کننده باردار (قرمز) اتم‌های جیوه (نقرهای) را تحریک کرده، فرآیند روشن شدن را آغاز میکنند.

یک روش جایگزین که در استارت لحظه‌ای لامپ‌های فلورسان اعمال ولتاژ بسیار بالای اولیه به الکترود‌ها است. این ولتاژ به علت فزونی الکترون‌های روی سطح فیلامان (گرادیان ولتاژ بالا) یک تخلیه‌ی هاله‌ای (کرونا) را بوجود آورده و باعث یونیزاسیون گاز شده و به علت اختلاف ولتاژ بالا، تقریبا به طور لحظه ای، باعث ایجاد جرقه بین الکترود‌ها می‌شود. بدون توجه به آنکه چگونه مکانیزم استارت تنظیم شده است نتیجه یکسان است: شارشی از جریان الکتریکی درون گاز یونیزه شده. این نوع از تخلیه‌ی گازی یک مشکل غریب کیفی نیز دارد: اگر جریان با دقت کنترل نشود، می‌تواند پیوسته زیاد شده و باعث منفجر شدن لامپ گردد. در قسمت بعدی در باره‌ی این مطلب روشن می‌شویم و می‌بینیم چگونه یک لامپ فلورسان به راحتی کار می‌کند. چوک (بالاست) تنظیم همان طوری که می‌دانیم هادی‌های گازی در مقایسه با نوع جامد به طور یکسان جریان را هدایت نمی‌کنند. یک تفاوت عمده‌ی آن‌ها مقاومت الکتریکی آن‌ها است. در هادی فلزی جامد مثل یک سیم، مقاومت در هر دمایی ثابت است و با طبیعت و اندازه‌ی آن هادی ارتباط دارد. در تخلیه‌ی گازی مانند در لامپ فلورسان، جریان باعث کاهش مقاومت می‌شود. این به دلیل آن است که وقتی تعداد بیشتری الکترون و یون داخل محیط خاصی شارش کنند، به اتم‌های بیشتری برخورد کرده که الکترون‌ها را آزاد کرده و باعث ایجاد ذرات باردار بیشتری می‌شود. اینگونه، جریان، مادامی که ولتاژ کافی (جریان ac خانگی ولتاژ زیادی دارد) وجود دارد، بالا می‌رود. اگر این جریان کنترل نشود، می‌تواند اجزای الکتریکی متنوعی را منفجر کند.

چوک لامپ فلورسان برای کنترل این به کار می‌رود. این نوع ساده‌ی چوک را به طور کلی چوک مغناطیسی می‌نامند که رفتاری شبیه یک سلف دارد. سلف (القاگر) به طور کلی از یک کلاف سیم که می‌تواند روی یک فلز پیچانده شده باشد تشکیل شده است. می‌دانید که عبور جریان از یک سیم میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند و قرار دادن سیم‌ها به طور حلقه‌های هم مرکز این میدان را فقویت می‌کند. این نوع میدان نه تن‌ها روی اطراف حلقه، بلکه روی خود حلقه نیز اثر می‌گذارد. افزایش جریان حلقه افزایش میدان را در پی دارد که باعث ایجاد ولتاژی دو سر حلقه می‌شود که با این افزایش مخالفت می‌کند.

یعنی در جهتی که جریان بر عکس جریان فعلی باشد. به طور مختصر یک سلف در مدار با تعییرات جریان در خود مخالفت می‌کند. عناصر ترانسفورمر در چوک مغناطیسی اینگونه جریان را در لامپ فلورسان تنظیم می‌کنند. یک بالاست تنها می‌تواند سرعت تغییرات جریان را کم کند. نمی‌تواند آن را متوقف کند. ولی به دلیل این که جریان ما متناوب است مدام در حال عکس شدن است و بالاست تن‌ها جلوی جریان افزایش شونده را برای زکان کوتاه و در جهت مشخص می‌گیرد.

بالاست‌های مغناطیسی جریان الکتریکی را در فرکانس نسبتا کمی میزان می‌کنند که می‌تواند باعث یک فلیکر قابل توجهی شود. چوک‌ها ممکن است لرزش با فرکانس کم داشته باشند که منبع صدای وز وزی است که مردم از لامپ‌های فلورسان می‌شنوند. در طراحی بالاست‌های مدرن از الکترونیک پیشرفته برای تنظیم دقیق جریان عبوری از مدار الکتریکی استفاده شده است. وقتی با فرکانس بالاتری کار می‌کنند شما متوجه فلیکر یا صدای وز وز از یک بالاست الکترونیکی نمی‌شوید.

لامپ‌های مختلف به طراحی بالاست ویژه‌ی خود نیاز دارند تا سطح ولتاژ و جریان مشخصی را بسته یه طرح‌های متفاوت لامپ، ایجاد کنند. لامپ‌های فلورسان در تمامی شکل‌ها و رنگ‌ها موجود هستند که تمامی آن‌ها طبق اصلی یکسان کار می‌کنند: جریان الکتریکی اتم‌های جیوه را تحریک میکند، که باعث آزاد کردن فوتون‌های ماورای بنفش می‌شود. این فوتون‌ها اتم‌های فسفر را تحریک کرده تا نور سفید رنگی منتشر کنند.