Неоновая лампа (также неоновая лампа свечения ) — это миниатюрная газоразрядная лампа . Лампа обычно состоит из небольшой стеклянной капсулы, содержащей смесь неона и других газов при низком давлении, и двух электродов ( анода и катода ). При подаче достаточного напряжения и достаточного тока между электродами лампа производит оранжевый тлеющий разряд . Светящаяся часть в лампе представляет собой тонкую область около катода; более крупные и гораздо более длинные неоновые вывески также являются тлеющими разрядами, но они используют положительный столб , которого нет в обычной неоновой лампе. Неоновые лампы свечения широко использовались в качестве индикаторных ламп в дисплеях электронных приборов и приборов. Они до сих пор иногда используются из-за своей электрической простоты в высоковольтных цепях.
Неон был открыт в 1898 году Уильямом Рэмзи и Моррисом Трэверсом . Характерный, ярко-красный цвет, который излучает газообразный неон при электрическом возбуждении, был отмечен сразу же; Трэверс позже писал: «Вспышка малинового света из трубки рассказывала свою собственную историю и была зрелищем, на котором можно было остановиться и которое никогда не забыть». [1]
Дефицит неона помешал его быстрому применению для электрического освещения по типу трубок Мура , которые использовали 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 промышленные количества неона как побочного продукта его бизнеса по сжижению воздуха, и в декабре 1910 года Клод продемонстрировал современное неоновое освещение на основе запаянной неоновой трубки. В 1915 году Клоду был выдан патент США на конструкцию электродов для неоновых трубок; [2] этот патент стал основой для монополии, которой его компания Claude Neon Lights владела в США до начала 1930-х годов. [3]
Около 1917 года Дэниел Мур разработал неоновую лампу, работая в компании General Electric . Лампа имеет совершенно иную конструкцию, чем гораздо более крупные неоновые трубки, используемые для неонового освещения . Различия в конструкции были достаточными, чтобы в 1919 году на лампу был выдан патент США. [4] На веб-сайте Смитсоновского института отмечается: «Эти небольшие маломощные устройства используют физический принцип, называемый корональным разрядом . Мур установил два электрода близко друг к другу в колбе и добавил неон или аргоновый газ. Электроды ярко светились красным или синим цветом, в зависимости от газа, и лампы работали годами. Поскольку электроды могли принимать практически любую вообразимую форму, популярным применением стали причудливые декоративные лампы. [5]
Лампы накаливания нашли практическое применение в качестве индикаторов на приборных панелях и во многих бытовых приборах до широкомасштабного внедрения светодиодов (LED) в 1970-х годах. [5]
Небольшой электрический ток (для лампы NE-2 диаметром 5 мм ток покоя составляет около 400 мкА), который может быть переменным или постоянным , пропускается через трубку, заставляя ее светиться оранжево-красным цветом. Газ обычно представляет собой смесь Пеннинга , 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 загорается при напряжении зажигания. [6] Напряжение зажигания уменьшается из-за окружающего света или радиоактивности. Чтобы уменьшить «темный эффект», некоторые лампы были сделаны с небольшим количеством радиоактивного материала, как правило, Криптона-85 , добавленного в оболочку для обеспечения ионизации в темноте. [6]
Напряжение, необходимое для поддержания разряда, значительно (до 30%) ниже напряжения зажигания. Это связано с организацией положительных ионов вблизи катода. Неоновые лампы работают с использованием слаботочного тлеющего разряда .
Более мощные устройства, такие как ртутные лампы или металлогалогенные лампы, используют дуговой разряд с более высоким током . Натриевые лампы низкого давления используют неоновую смесь Пеннинга для разогрева и могут работать как гигантские неоновые лампы, если работают в режиме малой мощности.
После того, как неоновая лампа достигла пробоя, она может поддерживать большой ток. Из-за этой характеристики электрическая схема, внешняя по отношению к неоновой лампе, должна ограничивать ток через цепь, иначе ток будет быстро увеличиваться, пока лампа не выйдет из строя.
Для индикаторных ламп ток обычно ограничивает резистор . Напротив, для ламп большего размера часто используется специально сконструированный высоковольтный трансформатор с высокой индуктивностью рассеяния или другой электрический балласт для ограничения доступного тока (см. неоновая вывеска ).
Когда ток через лампу ниже тока для разрядного пути с самым высоким 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 «мерцающее пламя». Однако, в то время как слишком низкий ток вызывает мерцание, слишком высокий ток увеличивает износ электродов, стимулируя распыление , которое покрывает внутреннюю поверхность лампы металлом и заставляет ее темнеть.
Потенциал, необходимый для возникновения разряда, выше, чем тот, который необходим для поддержания разряда. Когда тока недостаточно, свечение формируется только вокруг части поверхности электрода. Конвективные токи заставляют светящиеся области течь вверх, что мало чем отличается от разряда в лестнице Иакова . Здесь также можно наблюдать эффект фотоионизации , поскольку площадь электрода, охваченная тлеющим разрядом, может быть увеличена за счет освещения лампы.
По сравнению с лампами накаливания , неоновые лампы имеют гораздо более высокую световую отдачу . Накаливание - это тепловое излучение света, поэтому большая часть электрической энергии, подаваемой в лампу накаливания, преобразуется в тепло. Источники света, не относящиеся к лампам накаливания, такие как неоновые лампы, люминесцентные лампы и светодиоды , поэтому гораздо более энергоэффективны, чем обычные лампы накаливания.
Зелёные неоновые лампы [8] могут производить до 65 люменов на ватт потребляемой мощности, в то время как белые неоновые лампы имеют эффективность около 50 люменов на ватт. Для сравнения, стандартная лампа накаливания производит только около 13,5 люменов на ватт. [9]
Точные значения пускового и поддерживающего напряжения неоновых ламп могут меняться из-за нескольких эффектов. 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 включение контрольной лампы в корпус для обеспечения начального источника света. Лампы также несколько чувствительны к внешним электростатическим полям, температуре и старению. Лампы, предназначенные для использования в качестве компонентов схемы, могут быть специально обработаны для устранения большинства начальных эффектов старения. [10]
Даже после широкого распространения дешевых светодиодов небольшие неоновые лампы по-прежнему широко используются в качестве визуальных индикаторов в электронном оборудовании и приборах благодаря низкому энергопотреблению, длительному сроку службы и способности работать от электросети.
Неоновые лампы обычно используются в качестве низковольтных устройств защиты от перенапряжения , но они, как правило, уступают газоразрядным трубкам (GDT) устройств защиты от перенапряжения (которые могут быть разработаны для более высоких напряжений). Неоновые лампы использовались как недорогой метод защиты радиочастотных приемников от скачков напряжения (лампа подключалась к радиочастотному входу и заземлению шасси), но они не подходят для более мощных радиочастотных передатчиков. [11]
Большинство небольших неоновых (индикаторных) ламп, таких как обычная NE-2 , имеют пробивное напряжение около 90 вольт . При питании от источника постоянного тока будет светиться только отрицательно заряженный электрод ( катод ). При питании от источника переменного тока будут светиться оба электрода (каждый в течение поочередных полупериодов). Эти свойства делают неоновые лампы (с последовательными резисторами) удобным недорогим тестером напряжения . Исследуя, какой электрод светится, они могут определить, является ли данный источник напряжения переменным или постоянным, и если постоянным, то полярность проверяемых точек.
Характеристика пробоя газоразрядных ламп позволяет использовать их в качестве регуляторов напряжения или устройств защиты от перенапряжения . [12] Начиная с 1930-х годов General Electric (GE), Signalite и другие фирмы производили трубки-регуляторы напряжения.
Как и другие газоразрядные лампы , [13] неоновая лампа имеет отрицательное сопротивление ; ее напряжение падает с увеличением тока после того, как лампа достигает своего пробивного напряжения. [10] [14] [15] Поэтому лампа имеет гистерезис ; ее напряжение выключения (гашения) ниже, чем ее напряжение включения (пробоя). [16]
Это позволяет использовать его в качестве активного переключающего элемента. Неоновые лампы использовались для создания схем релаксационных генераторов , используя этот механизм, иногда называемый эффектом Пирсона-Энсона [14] [16] [17] для низкочастотных приложений, таких как мигающие сигнальные лампы, стробоскопы [18] тональные генераторы в электронных органах, [14] и как временные базы и отклоняющие генераторы в ранних электронно-лучевых осциллографах . [19]
Неоновые лампы также могут быть бистабильными и даже использовались для создания цифровых логических схем, таких как логические вентили , триггеры , двоичные запоминающие устройства и цифровые счетчики . [20] [21] [22] Эти приложения были достаточно распространены, что производители делали 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 повторяемые характеристики лампы и уменьшить «темновой эффект» (повышение стартового напряжения, наблюдаемое в лампах, находящихся в полной темноте), некоторые типы ламп, такие как NE83 (5AH), включают небольшое количество радиоизотопа для обеспечения начальной ионизации. [10]
Вариант лампы типа NE-2 для схемных применений, NE-77, имеет в лампе три проволочных электрода (в плоскости) вместо обычных двух, третий используется в качестве управляющего электрода.
Неоновые лампы исторически использовались в качестве детекторов микроволновых и миллиметровых волн («плазменные диоды» или детекторы тлеющего разряда (GDD)) до примерно 100 ГГц и, как утверждается, в таком случае демонстрируют сопоставимую чувствительность (порядка нескольких десятков секунд до, возможно, 100 микровольт) с известными кремниевыми диодами с контактами типа 1N23 [ требуется ссылка ], когда-то повсеместно используемыми 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 снижения шума тока лампы), либо в нормальном режиме тлеющего разряда; в некоторых литературных источниках упоминается их использование в качестве детекторов излучения вплоть до оптического режима при работе в аномальном режиме тлеющего разряда. Связь микроволн с плазмой может осуществляться в свободном пространстве, в волноводе, с помощью параболического концентратора (например, конуса Уинстона ) или через емкостные средства через петлевую или дипольную антенну, установленную непосредственно на лампе.
Хотя в большинстве этих приложений используются обычные двухэлектродные лампы, в одном случае было обнаружено, что специальные трех- (или более) электродные лампы, где дополнительный электрод действует как антенна связи, обеспечивают даже лучшие результаты (меньший шум и более высокая чувствительность). Это открытие получило патент США. [23]
Неоновые лампы с несколькими фигурными электродами использовались в качестве алфавитно-цифровых дисплеев, известных как Nixie tubes . С тех пор их заменили другие устройства отображения, такие как светодиоды , вакуумные флуоресцентные дисплеи и жидкокристаллические дисплеи .
Начиная с 1940-х годов, аргоновые, неоновые и фосфоресцирующие тлеющие тиратронные индикаторы с фиксацией (которые загорались при импульсе на их пусковом электроде и гасли только после отключения напряжения на их аноде) были доступны, например, как самоотображающиеся сдвиговые регистры в крупноформатных матричных дисплеях с бегущей строкой [24] или, объединенные в матрицу 4×4, четырехцветную фосфоресцирующую тиратронную матрицу, как наращиваемый 625-цветный RGBA-пиксель для больших массивов видеографики. [25] Многокатодные и/или анодные тлеющие тиратроны, 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 как самоотображающиеся счетчики/таймеры/предделители деления на n в счетных приборах или как сумматоры/вычитатели в калькуляторах .
В радиоприемниках 1930-х годов неоновые лампы использовались в качестве индикаторов настройки, называемых «тюнеонами», и давали более яркое свечение, если станция была настроена правильно. [27] [28]
Из-за сравнительно короткого времени отклика на раннем этапе развития телевидения неоновые лампы использовались в качестве источника света во многих телевизионных дисплеях с механической разверткой .
Новинки ламп накаливания с фигурными электродами (например, в виде цветов и листьев), часто покрытыми люминофором, были созданы в художественных целях. В некоторых из них свечение, окружающее электрод, является частью дизайна.
Неоновые индикаторные лампы обычно оранжевого цвета и часто используются с цветным фильтром, чтобы улучшить контрастность и изменить их цвет на красный или более красный оранжевый.
Они также могут быть заполнены аргоном , криптоном или ксеноном вместо неоном или смешаны с ним. Хотя электрические рабочие характеристики остаются схожими, эти лампы светятся голубоватым свечением (включая немного ультрафиолета ), а не характерным красновато-оранжевым свечением неона. Ультрафиолетовое излучение затем может использоваться для возбуждения фосфорного покрытия внутри колбы и обеспечения широкого спектра различных цветов, включая белый. [29] Смесь 95% неона, 2,5% криптона и 2,5% аргона может использоваться для зеленого свечения, [30] но тем не менее «зеленые неоновые» лампы чаще всего основаны на фосфоре.
