Неоновая лампа (также неоновая лампа накаливания ) — миниатюрная газоразрядная лампа . Лампа обычно состоит из небольшой стеклянной капсулы, содержащей смесь неона и других газов под низким давлением, и двух электродов ( анода и катода ). Когда приложено достаточное напряжение и между электродами подается достаточный ток, лампа производит оранжевый тлеющий разряд . Светящаяся часть лампы представляет собой тонкую область возле катода; более крупные и длинные неоновые вывески также являются тлеющими разрядами, но в них используется положительный столб , которого нет в обычной неоновой лампе. Неоновые лампы накаливания широко использовались в качестве индикаторных ламп в дисплеях электронных приборов и приборов. Они до сих пор иногда используются из-за своей электрической простоты в цепях высокого напряжения.
Неон был открыт в 1898 году Уильямом Рамзи и Моррисом Трэверсом . Сразу же был отмечен характерный ярко-красный цвет, который излучается газообразным неоном при электрическом возбуждении; Позже Трэверс писал: «Сияние малинового света из трубки рассказывало свою собственную историю и было зрелищем, на котором стоит остановиться и никогда не забыть». [1]
Дефицит неона препятствовал его быстрому применению для электрического освещения по типу трубок Мура , в которых использовались электрические разряды в азоте. Трубки Мура были коммерциализированы их изобретателем Дэниелом Макфарланом Муром в начале 1900-х годов. После 1902 года компания Жоржа Клода Air Liquide производила неон в промышленных количествах в качестве побочного продукта своего бизнеса по сжижению воздуха, а в декабре 1910 года Клод продемонстрировал современное неоновое освещение на основе запечатанной неоновой трубки. В 1915 году Клоду был выдан патент США на конструкцию электродов для неоновых ламп; [2] этот патент стал основой монополии его компании Claude Neon Lights в США до начала 1930-х годов. [3]
Примерно в 1917 году Дэниел Мур разработал неоновую лампу, работая в компании General Electric . Лампа имеет конструкцию, сильно отличающуюся от неоновых трубок гораздо большего размера, используемых для неонового освещения . Разница в конструкции была настолько существенной, что в 1919 году на лампу был выдан патент США. [4] На веб-сайте Смитсоновского института отмечается: «Эти небольшие устройства малой мощности используют физический принцип, называемый корональным разрядом . Мур установил два электрода близко друг к другу в лампу и добавляли неон или аргон. Электроды ярко светились красным или синим цветом, в зависимости от газа, и лампы служили годами. Поскольку электроды могли принимать практически любую форму, которую только можно вообразить, популярным применением стали причудливые декоративные лампы. [ 5]
Лампы накаливания находили практическое применение в качестве индикаторов на приборных панелях и во многих бытовых приборах до тех пор, пока в 1970-х годах не началась коммерциализация светодиодов (LED). [5]
Через трубку пропускают небольшой электрический ток (для лампы NE-2 диаметром 5 мм ток покоя составляет около 400 мкА), который может быть переменным или постоянным током , заставляя ее светиться оранжево-красным светом. Газ обычно представляет собой смесь Пеннинга , состоящую из 99,5% неона и 0,5% аргона , которая имеет более низкое напряжение зажигания , чем чистый неон, при давлении 1–20 торр (0,13–2,67 кПа).
Лампа тлеющего разряда горит при поражающем напряжении. [6] Ударное напряжение снижается из-за окружающего света или радиоактивности. Чтобы уменьшить «эффект темноты», некоторые лампы изготавливались с добавлением небольшого количества радиоактивного материала, обычно криптона-85 , в оболочку для обеспечения ионизации в темноте. [6]
Напряжение, необходимое для поддержания разряда, существенно (до 30 %) ниже напряжения зажигания. Это связано с организацией положительных ионов вблизи катода. Неоновые лампы работают с использованием слаботочного тлеющего разряда .
В устройствах более высокой мощности, таких как ртутные лампы или металлогалогенные лампы, используется дуговой разряд с более высоким током . В натриевых лампах низкого давления для разогрева используется неоновая смесь Пеннинга, и они могут работать как гигантские неоновые лампы, если работают в режиме малой мощности.
Как только неоновая лампа выйдет из строя, она может выдерживать большой ток. Из-за этой характеристики электрическая схема, внешняя по отношению к неоновой лампе, должна ограничивать ток в цепи, иначе ток будет быстро увеличиваться, пока лампа не выйдет из строя.
Для ламп индикаторного размера резистор обычно ограничивает ток. Напротив, в лампах большего размера часто используется специально сконструированный трансформатор высокого напряжения с высокой индуктивностью рассеяния или другой электрический балласт для ограничения доступного тока (см. Неоновый знак ).
Когда ток через лампу ниже тока для пути разряда с наибольшим током, тлеющий разряд может стать нестабильным и не покрыть всю поверхность электродов. [7] Это может быть признаком старения индикаторной лампы и используется в декоративных неоновых лампах с «мерцающим пламенем». Однако, хотя слишком низкий ток вызывает мерцание, слишком высокий ток увеличивает износ электродов, стимулируя распыление , которое покрывает внутреннюю поверхность лампы металлом и вызывает ее потемнение.
Потенциал, необходимый для возникновения разряда, выше, чем тот, который необходим для поддержания разряда. При недостаточном токе свечение формируется только вокруг части поверхности электрода. Конвективные потоки заставляют светящиеся области течь вверх, подобно разряду в лестнице Иакова . Здесь также можно наблюдать эффект фотоионизации , поскольку площадь электрода , охваченную тлеющим разрядом, можно увеличить, направляя свет на лампу.
По сравнению с лампами накаливания неоновые лампы имеют значительно более высокую светоотдачу . Накаливание — это излучение света, вызванное тепловым воздействием, поэтому большая часть электрической энергии, подаваемой в лампу накаливания, преобразуется в тепло. Поэтому источники света без накаливания, такие как неоновые лампы, люминесцентные лампы и светодиоды , гораздо более энергоэффективны, чем обычные лампы накаливания.
Зеленые неоновые лампы [8] могут производить до 65 люмен на ватт потребляемой мощности, тогда как белые неоновые лампы имеют эффективность около 50 люмен на ватт. Напротив, стандартная лампа накаливания производит всего около 13,5 люмен на ватт. [9]
Точные значения пускового и поддерживающего напряжения неоновых ламп могут изменяться из-за нескольких факторов. Внешний свет, падающий на электроды, обеспечивает источник ионизации для запуска лампы; в полной темноте лампы могут достигать высокого и неустойчивого пускового напряжения. Одной из мер по смягчению этого эффекта является установка в корпусе контрольной лампы в качестве первоначального источника света. Лампы также в некоторой степени чувствительны к внешним электростатическим полям, температуре и старению. Лампы, предназначенные для использования в качестве компонентов цепей, могут быть подвергнуты специальной обработке, чтобы устранить большинство первоначальных эффектов старения. [10]
Маленькие неоновые лампы наиболее широко используются в качестве визуальных индикаторов в электронном оборудовании и приборах из-за их низкого энергопотребления, длительного срока службы и способности работать от сети.
Неоновые лампы обычно используются в качестве устройств защиты от перенапряжения низкого напряжения , но они, как правило, уступают устройствам защиты от перенапряжения с газоразрядной трубкой (GDT) (которые могут быть предназначены для приложений с более высоким напряжением). Неоновые лампы использовались как недорогой метод защиты радиочастотных приемников от скачков напряжения (лампа, подключенная к радиочастотному входу и заземлению шасси), но они не подходят для радиочастотных передатчиков большей мощности. [11]
Большинство небольших неоновых (размером с индикатор) ламп, таких как обычная NE-2 , имеют напряжение пробоя около 90 вольт . При питании от источника постоянного тока светится только отрицательно заряженный электрод ( катод ). При питании от источника переменного тока оба электрода будут светиться (каждый в течение чередующихся полупериодов). Эти свойства делают неоновые лампы (с последовательными резисторами) удобным и недорогим тестером напряжения . Исследуя, какой электрод светится, они могут определить, является ли данный источник напряжения переменным или постоянным током, а если постоянное, то полярность проверяемых точек.
Пробойная характеристика ламп тлеющего разряда позволяет использовать их в качестве регуляторов напряжения или устройств защиты от перенапряжения . [12] Примерно с 1930-х годов General Electric (GE), Signalite и другие фирмы производили лампы для регуляторов напряжения.
Как и другие газоразрядные лампы , [13] неоновая лампа имеет отрицательное сопротивление ; ее напряжение падает с ростом тока после того, как лампа достигает напряжения пробоя. [10] [14] [15] Следовательно, лампа имеет гистерезис ; его напряжение выключения (гашения) ниже, чем напряжение включения (пробоя). [16]
Это позволяет использовать его в качестве активного переключающего элемента. Неоновые лампы использовались для создания релаксационных генераторных схем с использованием этого механизма, иногда называемого эффектом Пирсона-Ансона [14] [16] [17] для низкочастотных применений, таких как мигающие сигнальные огни, стробоскопы [18] генераторы тонов в электронной технике. органов [14] и в качестве баз времени и генераторов отклонения в первых электронно-лучевых осциллографах . [19]
Неоновые лампы также могут быть бистабильными и даже использовались для создания цифровых логических схем, таких как логические элементы , триггеры , двоичные запоминающие устройства и цифровые счетчики . [20] [21] [22] Эти применения были достаточно распространены, поэтому производители изготавливали неоновые лампы специально для этого использования, иногда называемые лампами «компонентов схемы». По крайней мере, некоторые из этих ламп имеют свечение, сконцентрированное в небольшом пятне на катоде, что делает их непригодными для использования в качестве индикаторов. Чтобы обеспечить более воспроизводимые характеристики лампы и уменьшить «эффект темноты» (повышение пускового напряжения, наблюдаемое в лампах, хранящихся в полной темноте), некоторые типы ламп, такие как NE83 (5AH), включают небольшое количество радиоизотопа для обеспечения начальной ионизации. [10]
Вариант лампы типа НЭ-2 для схемного применения, НЭ-77, имеет в лампе три проволочных электрода (в плоскости) вместо обычных двух, третий для использования в качестве управляющего электрода.
Неоновые лампы исторически использовались в качестве детекторов микроволнового и миллиметрового диапазона («плазменные диоды» или детекторы тлеющего разряда (GDD)) примерно до 100 ГГц или около того, и, как утверждается, при таком использовании они демонстрировали сопоставимую чувствительность (порядка нескольких единиц). от 10 с до, возможно, 100 микровольт) до знакомых кремниевых диодов с кошачьими усами типа 1N23 [ нужна цитация ] , когда-то повсеместно встречавшихся в микроволновом оборудовании. Совсем недавно было обнаружено, что эти лампы хорошо работают в качестве детекторов даже на субмиллиметровых («терагерцовых») частотах, и они успешно использовались в качестве пикселей в нескольких экспериментальных матрицах изображений на этих длинах волн.
В этих приложениях лампы работают либо в режиме «голодания» (для уменьшения шума тока лампы), либо в обычном режиме тлеющего разряда; в некоторой литературе упоминается об их использовании в качестве детекторов излучения вплоть до оптического режима при работе в режиме аномального свечения. Ввод микроволн в плазму может осуществляться в свободном пространстве, в волноводе, с помощью параболического концентратора (например, конуса Уинстона ) или емкостным способом через рамочную или дипольную антенну, установленную непосредственно на лампе.
Хотя в большинстве этих применений используются обычные двухэлектродные лампы, в одном случае было обнаружено, что специальные лампы с тремя (или более) электродами, в которых дополнительный электрод действует как связующая антенна, обеспечивают еще лучшие результаты (меньший уровень шума). и более высокая чувствительность). Это открытие получило патент США. [23]
Неоновые лампы с несколькими фигурными электродами использовались в качестве буквенно-цифровых дисплеев, известных как трубки Никси . С тех пор они были заменены другими устройствами отображения, такими как светодиоды , вакуумные флуоресцентные дисплеи и жидкокристаллические дисплеи .
По крайней мере, с 1940-х годов аргоновые, неоновые и фосфорированные индикаторы фиксации тиратрона ( которые загорались при импульсе на их стартовом электроде и гасли только после отключения анодного напряжения) были доступны, например, в качестве самоотображающихся регистров сдвига в больших -формат, точечно- матричные дисплеи со сканируемым текстом , [24] или, объединенные в четырехцветную фосфорированную тиратронную матрицу 4 × 4, в виде штабелируемого 625-цветного пикселя RGBA для больших массивов видеографики. [25] Тиратроны с несколькими катодами и/или анодами накаливания , называемые декатронами , могли считать вперед и назад, в то время как их состояние счета было видно как свечение на одном из пронумерованных катодов. [26] Они использовались в качестве счетчика/таймера/предделителя деления на n с самоиндикацией в счетных приборах или в качестве сумматоров/вычитателей в калькуляторах .
В радиоприемниках 1930-х годов в качестве индикаторов настройки использовались неоновые лампы, называемые «тюнонами», которые давали более яркое свечение, если станция была настроена правильно. [27] [28]
Из-за сравнительно короткого времени отклика на заре развития телевидения неоновые лампы использовались в качестве источника света во многих телевизионных дисплеях с механическим сканированием .
Для художественных целей созданы новейшие лампы накаливания с фигурными электродами (например, в виде цветов и листьев), часто покрытыми люминофором. В некоторых из них свечение, окружающее электрод, является частью конструкции.
Неоновые индикаторные лампы обычно имеют оранжевый цвет и часто используются с цветным фильтром для улучшения контрастности и изменения их цвета на красный или более красно-оранжевый.
Они также могут быть заполнены аргоном , криптоном или ксеноном , а не неоном, или смешаны с ним. Хотя электрические рабочие характеристики остаются схожими, эти лампы светятся голубоватым свечением (включая немного ультрафиолета ), а не характерным для неона красновато-оранжевым свечением. Затем ультрафиолетовое излучение можно использовать для возбуждения люминофорного покрытия внутри лампы и получения широкого спектра различных цветов, включая белый. [29] Для получения зеленого свечения можно использовать смесь 95% неона, 2,5% криптона и 2,5% аргона, [30] но, тем не менее, «зеленые неоновые» лампы чаще изготавливаются на основе люминофора.
