НЕОН: Основные принципы работы газосветных устройств

То, что газ при определенных условиях может проводить электрический ток, было известно еще в XVIII-XIX вв. ученым, производившим опыты. Любая искра, возникающая между проводниками, к которым приложено электрическое напряжение, уже подтверждает этот факт. Ярко он проявляется в природном явлении — молнии. Молния — это высоковольтный разряд в газе, точнее в смеси газов — воздухе, происходящий при атмосферном давлении. Она возникает в результате накопления статического электричества в облаках, что создает разность потенциалов между грозовой тучей и землей, достигающую нескольких миллионов вольт. При этом разряд происходит с колоссальным выделением тепла.

Безусловно, ток, протекающий через газ в неоновой трубке, создает совсем другой, гораздо более <мирный> эффект. И все-таки между этими процессами есть общее — это механизм возникновения разряда в газе. И в молнии, и в газоразрядном светильнике он сходный. Именно сходный, но не идентичный. Ниже мы рассмотрим процесс, называемый тлеющим разрядом, ибо это как раз то, что происходит в неоновых трубках и дарит нам их чудесный свет.

Тлеющим называют разряд, возникающий в газе при низких давлениях (менее нескольких тысяч Паскалей или нескольких десятков мм рт.ст.) и малых токах. Свое название он получил, когда был впервые создан в разреженном воздухе, при этом возникало красноватое свечение, по цвету похожее на тление чего-либо твердого и горючего.

Общеизвестно, что газ, как и любое вещество, состоит из молекул. Молекулы химических веществ состоят из разного количества атомов.

Молекулы газов, как правило, двухатомные, но неон (как и аргон и все благородные газы) настолько инертен, что его атомы не соединяются друг с другом, и их молекулы одноатомные, поэтому в дальнейшем будем рассматривать поведение отдельно взятого атома газа.

В обычном состоянии атом электрически нейтрален, т.е. суммарный отрицательный заряд электронов на его орбитах компенсируется положительным зарядом протонов атомного ядра. Однако в газе постоянно идет хаотический процесс отделения небольшого количества электронов от атомов с образованием отрицательно заряженных свободных электронов и ионов — положительно заряженных атомов, где этих электронов не хватает. В общем случае такой процесс называется ионизацией газа, а естественный процесс, о котором мы говорим, носит название тепловой ионизации. Параллельно с ним идет и процесс обратного соединения электронов с ионами с образованием нейтральных атомов. Система находится в сложном равновесии, но нам важно уяснить, что в газе всегда присутствует небольшое количество свободных электронов. Они движутся хаотически с небольшой скоростью, но когда газ попадает в электрическое поле, картина меняется. Электрическое поле возникает в пространстве между двумя электродами, один из которых, двумя электродами, один из которых, заряженный положительно, называется анодом, а другой, несущий отрицательный заряд, — катодом. Забегая вперед, отметим, что наша трубка — газоразрядный прибор с холодным катодом, т.е. в ней нет специальных устройств для его нагрева. Заряды на электродах возникают как результат приложения к ним напряжения от источника питания нашей трубки. Свободные электроны газа под действием напряженности электрического поля устремляются к аноду — положительно заряженному электроду, так как они, напомним, несут отрицательный заряд. При этом электроны разгоняются до огромных скоростей и, сталкиваясь с нейтральными атомами газа, выбивают из них новые электроны, и те, в свою очередь, тоже включаются в движение и выбивают электроны из других атомов. В конце концов эта гонка заканчивается столкновением электронов с анодом, и далее они продолжают путь в виде электрического тока в металле электрода, затем по проводу к источнику питания. Но количество электронов в атомах газа, заключенного в нашей трубке, не бесконечно, и если рассуждать дальше, через какое-то время все электроны должны совсем уйти из газа и процесс прекратится. Но вспомним про ионы! Постоянно образуясь в результате выбивания электронов из атомов газа, они устремляются к отрицательно заряженному катоду (поскольку несут положительный заряд), при этом сильно разгоняясь. Энергия их соударения с катодом достаточно высока, и теперь уже они выбивают новые электроны из металла электрода, вместо ушедших в анод. Таким образом, между электродами возникает непрерывный направленный поток электронов, это ничто иное, как электрический ток! Газ становится ионизированным, т.е. в нем присутствуют в большом количестве разнополярные частицы — электроны и ионы. Происходящее таким образом испускание электронов катодом называют ударной эмиссией. Существует еще эмиссия тепловая, когда катод испускает электроны в результате нагрева его металла спиралью. Но в нашем случае этого нет — вспомним словосочетание <холодный катод>.

Да, я уже слышу вопрос читателя: <Все это хорошо, но почему же газ светится?> Надеюсь, автор вопроса столь же внимателен, сколь нетерпелив, и наверняка заметил, что в газе поток электронов, летящий к аноду, встречает на своем пути не только нейтральные атомы, из которых выбивает своих <собратьев>, но и уже образовавшиеся ионы, причем последние также организованно движутся ему навстречу к катоду! Ион служит для электрона не менее привлекательным <причалом>, чем анод, ведь он тоже заряжен положительно. В результате соударения электрона с ионом снова образуется нейтральный атом. А вся энергия, накопленная частицами за время разгона, при столкновении, посредством сложных процессов в атоме (которых мы не будем касаться, ибо это уже ядерная физика) преобразуется в световую энергию. Спектр излучаемого света зависит от свойств атома конкретного газа и может лежать как в видимом, так и в ультрафиолетовом диапазоне (последнее очень важно для люминофорных трубок, о которых речь ниже). Если в трубке присутствуют помимо газа пары ртути, то они также подвергаются ионизации, хотя ее механизм несколько иной. Смесь их с аргоном излучает, помимо видимого бело-голубого света, УФ-лучи.

Понятно, что яркость свечения газа зависит от интенсивности процесса его ионизации, иначе говоря, от количества электронов и ионов, образующихся в каждый момент времени, от силы тока, протекающего в цепи питания нашей трубки.

Сделаем еще один важный вывод — чем дальше расположены электроды друг от друга, тем большее напряжение мы должны приложить к электроду, чтобы разряд начался. Поэтому напряжение, необходимое для зажигания неоновой трубки, возрастает с увеличением ее  длины. Оно называется напряжением пробоя или напряжением зажигания. Еще одна особенность тлеющего разряда — для его поддержания достаточно напряжения более низкого, чем напряжение пробоя, и это свойство учитывается в конструкции неоновых трансформаторов, которая будет рассмотрена в соответствующей статье.

Заметим, что процесс выбивания электронов с катода (эмиссии) происходит не полностью за счет энергии бомбардирующих его ионов, затрачивается также определенная энергия источника питания, необходимая для совершения так называемой работы выхода электрона. Это выражается в том, что на катод падает определенная часть напряжения, приложенного к неоновой трубке. Это падение напряжения называют околокатодным. Значение околокатодного падения напряжения зависит от материала катода, типа газа и составляет для холодных катодов от 150 до 250 В. Эмиссия с горячих катодов (термоэмиссия) происходит гораздо легче, и околокатодное падение в таких случаях составляет 10-20 В. Большую роль в снижении околокатодного падения напряжения в неоновых трубках играют особые покрытия рабочей поверхности электрода — активаторы, о которых пойдет речь в следующей статье.

Из описания процесса отчетливо видно, что при тлеющем разряде катод и анод находятся как бы в неравном положении — катод подвергается бомбардировке ионами и источает поток электронов, в то время как анод эти электроны поглощает. Скажем больше, процесс ударной эмиссии происходит с выделением тепла и приводит к разрушению поверхности катода, так называемому катодному распылению. Металл этого электрода осаждается в виде пленки на близлежащей поверхности стекла, а сам электрод, которому выпала участь быть катодом, <живет> намного меньше, чем второй, являющийся анодом. Чтобы устранить эту несправедливость, приводящую к сокращению срока службы неоновых трубок, для их питания используют только источники переменного тока, т.е. тока, меняющего свое направление с определенной частотой (например, в электросети это происходит 50 раз в секунду, частота равна 50 Гц). В этом случае оба электрода 50 раз в секунду <меняются ролями> и изнашиваются равномерно.

А теперь ответим на вопрос, который наверняка не дает вам покоя, внимательный читатель. Изначально мы определили тлеющий разряд как процесс в разреженном газе. А почему он не может происходить при атмосферном давлении? Чтобы понять это, вспомним, что большее или меньшее давление газа в одном и том же объеме, по сути, предполагает большее или меньшее количество в этом объеме вещества газа, т.е. его атомов. А это в свою очередь значит, что чем выше давление газа в трубке, тем плотнее расположены его атомы друг к другу, и свободного расстояния между ними не хватает электрону для разгона до той скорости, при которой он мог бы выбивать новые электроны из атомов, соударяясь с ними. (Вот почему полярное сияние — явление, в основе которого также лежит тлеющий разряд, только с другим механизмом ионизации, — происходит лишь в верхних, разреженных слоях атмосферы.) С другой стороны, если давление газа чрезмерно мало, атомов и свободных электронов просто не хватит для того, чтобы обеспечить достаточное число соударений с образованием новых электронов и ионов, а значит, не будет и тока. Таким образом, существует определенный диапазон давлений газа, при котором тлеющий разряд возможен — и это очень важный момент в технологии неонового производства.

Химические соединения, способные излучать свет, известны человечеству давно, поскольку встречаются в живой природе — вспомним светлячка. Различные химические соединения, преобразующие разные виды энергии (кроме тепловой) в световую, называются люминофорами. В нашем случае в световую энергию видимого спектра преобразуется энергия ультрафиолетового излучения (далее — УФ-излучения), которое, как было сказано выше, возникает при тлеющем разряде в аргоне с добавлением паров ртути. Люминофоры такого типа имеют широкое применение, например как защитные знаки на денежных купюрах. Принцип действия люминофорpa описывается квантовой физикой. В очень упрощенном виде его можно представить как переход электронов в атомах вещества в <возбужденное> состояние под воздействием внешнего излучения и возвращение в исходное состояние с выделением световой энергии определенного спектра. Спектр этого излучения зависит от строения молекул, иначе говоря, от химического состава люминофора. Все многообразие цветов современных неоновых трубок обусловлено применением широкого спектра химических веществ как минеральной, так и органической природы для изготовления люминофоров. Например, оттенки синего цвета дают соединения кобальта, зеленый спектр — никеля, розовый — кадмия и т.д. Сами люминофорные порошки, наносимые на внутреннюю поверхность стеклянной трубки, имеют белый цвет.

Часто возникает вопрос: почему же трубка, изнутри покрытая люминофором, не начинает светиться под воздействием УФ-излучения, внешних источников, например УФ-ламп или солнечного света, содержащего в своем спектре немалую долю УФ-излучения? Ответ прост — обычное стекло не способно пропускать УФ-лучи. Такими свойствами обладает только специальное кварцевое стекло, из которого и делают колбы для УФ-ламп.

Следует также отметить, что воздействие на люминофор УФ-излучения, помимо его возбуждения на квантовом уровне, оказывает побочный эффект на уровне молекулярном. Ультрафиолет является катализатором многих химических реакций и ускоряет разложение люминофора в результате взаимодействия между собой его компонентов, что приводит к постепенной утрате изначальной насыщенности цвета. Впрочем, разработчики, применяя достаточно сложные по составу вещества, добились немалых успехов в борьбе с этим явлением — современные люминофоры ведущих марок способны в течение десятков лет радовать глаз ярким, насыщенным свечением.

Люминофорные трубки, помимо аргона с парами ртути, заполняют и неоном. Несмотря на то, что основная часть спектра свечения неона находится в видимой оранжево-красной области, в нем также присутствует УФ-излучение, хотя и гораздо меньшей, по сравнению с парами ртути, интенсивности. Это излучение приводит к возбуждению люминофора, и он начинает светиться, но оранжево-красное свечение самого газа накладывает сильный отпечаток на суммарный цвет свечения люминофорных трубок. В результате получаются оттенки красного. Например, трубка с люминофором голубого свечения, заправленная неоном, дает розовый свет, с зеленым люминофором — оранжево-желтый.

Яркость свечения люминофора находится в прямой зависимости от интенсивности возбуждающего УФ-излучения, возникающего в результате тлеющего разряда в газе, и определяется значением силы тока, протекающего по цепи питания неоновой трубки.

Известно, что неоновые трубки питаются от источников переменного тока. Напряжение их питания остаточно высокое и составляет киловольты. Устройство, используемое для этих целей, называется трансформатором. Это название отражает в общем виде его функцию — трансформацию (преобразование) исходного, обычно сетевого (220 В), напряжения в требуемое для питания неоновой трубки. Чтобы подчеркнуть назначение трансформатора, его именуют <газосветным>, однако в последние годы укоренилось словосочетание <неоновый трансформатор>. Так мы и будем его называть. Неоновый трансформатор является повышающим, т.е. его выходное напряжение больше входного. В то же время для питания различных электронных, в том числе и бытовых, устройств используются понижающие трансформаторы.

Рассмотрим вкратце устройство и принцип действия трансформатора.

Он состоит из двух проволочных обмоток на замкнутом магнитопроводе. Количество витков обмоток соответственно w1 и w2 . К обмотке w1 прикладывается входное напряжение U1, а с обмотки w2 снимается выходное напряжение U2. В обмотке w1 протекает ток I1. Напряжение на первичной и вторичной обмотках можно представить в виде:

U1=Ew1;U2=Ew2,

где Е — ЭДС индукции <рамки с током>, т.е. каждого витка. В обоих обмотках эта величина одинакова, поскольку они находятся на одном магнитопроводе и, фактически, в одном и том же переменном электромагнитном поле. Нетрудно догадаться, что отношение напряжений на обмотках прямо пропорционально но отношению количеств витков этих обмоток:

U2/U1=w2/w1=K

Параметр К называется коэффициентом трансформации. В нашем случае число витков вторичной обмотки много больше количества их в первичной — за счет этого происходит повышение напряжения. Например, для получения вторичного напряжения в 10 кВ необходимый коэффициент трансформации составит 45,5. По закону сохранения энергии мощность, выделяемая на вторичной обмотке, не может быть больше мощности, потребляемой первичной обмоткой, поэтому ток в первичной обмотке повышающего трансформатора будет больше, чем во вторичной в К раз. Если развить предыдущий пример и представить, что ток во вторичной обмотке — это ток, протекающий через неоновую трубку, — равен 20 мА, то ток первичной обмотки составит при этом 910 мА, т.е. ~0,9 А. Это и есть ток, потребляемый трансформатором от питающей сети. Рассмотренные выкладки касаются, конечно, идеальных устройств, в реальности в трансформаторе существуют различные потери, и не вся потребляемая от сети энергия вырабатывается во вторичной обмотке. КПД реальных трансформаторов составляет 80-85%.

И наконец, главная особенность неоновых трансформаторов — необходимость ограничения рабочего тока. Как мы рассмотрели выше, процесс ионизации газа протекает с лавинообразным нарастанием числа ионов и электронов, что приводит к значительному увеличению проводимости газа относительно момента начала тлеющего разряда (пробоя). Соответственно, возрастает и ток, протекающий через газ, и если его не ограничить определенной величиной, неоновая трубка быстро (почти мгновенно!) выйдет из строя по причине выделения значительного количества тепла. Ограничение тока возможно за счет уменьшения напряжения, прикладываемого к трубке после возникновения разряда, и это хорошо согласуется с описанным выше свойством тлеющего разряда сохраняться при снижении рабочего напряжения относительно пробивного. Принципы реализации этих требований на практике будут рассмотрены нами в соответствующей главе. Помимо трансформаторов, где происходит непосредственное преобразование сетевого напряжения частотой 50 Гц, уже около 30 лет существует группа электронных устройств, работающих по более сложному принципу. Там сетевое напряжение 220В сначала выпрямляется, т.е. преобразуется в постоянное. От постоянного напряжения питается электронная схема, представляющая собой генератор переменного тока, но уже более высокой (от 20 до 30 тыс. Гц) частоты. После этого переменное напряжение подается на повышающий трансформатор, со вторичной обмотки которого снимается выходное напряжение для питания неоновых трубок. Все эти сложности подчинены главной цели — снизить габариты и массу устройства. Чем выше частота преобразования, тем меньшего количества витков первичной (а значит, и вторичной) обмотки необходимо для нормальной работы устройства. То же самое относится и к магнитопроводу, на котором расположены обмотки. Его габариты при повышении рабочей частоты могут быть существенно снижены. Для сравнения — обычный трансформатор с выходным напряжением 10 кВ весит около 10 кг и имеет не менее 250 мм длины и около 100 мм высоты, в то время как размеры его электронного аналога составляют около 150x60x40 мм, а масса — не более 200 г. Электронные трансформаторы также имеют систему ограничения рабочего тока неоновой трубки.

Почему эти замечательные изделия до сих пор полностью не вытеснили своих тяжелых и громоздких <предков>? Прежде всего, надежность простого (так называемого обмоточного) трансформатора по определению выше, чем у сложной электронной схемы, так же как надежность ручной мясорубки превышает таковую у кухонного комбайна. Кроме того, в силу наличия некоторых компонентов, неспособных работать в условиях низких температур, электронные трансформаторы выпускаются только для применения внутри помещений. Еще одной особенностью трансформаторов, ограничивающих их применение, в том числе в российских условиях, является высокая вероятность отказа в результате резких перепадов сетевого напряжения.

Таким образом, электронные трансформаторы имеют устойчивый спрос, но о полном вытеснении ими <старичков> говорить пока преждевременно.

автор Афанасьев А.
журнал «Вывески Реклама OUTDOOR» №8 2003 год