Gasne sijalice

Bioskop u Talinu (Estonija) osvetljen gasnim sijalicama

Gasne sijalice ili sijalice sa metalnim parama su izvori svetlosti koji svetlost proizvode na osnovu efekta pražnjenja u gasovima, tj. na principu elektrolumiscencije. Gasovi koji se koriste su neon, argon, a karakteristične su i živine i natrijumove pare. Živine lampe imaju izrazitu ljubičastu boju, dok lampe sa natrijumovom parom daju karakterističnu žutu svetlost. Sve gasne sijalice imaju znatno veći stepen korisnog dejstva od običnih sijalica sa usijanim vlaknom.

Gejšlerove cevi

Ne razlikuju se puno od Gejšlerovih cevi, osim što se kod njih prilagođava radni element (gas) prema svetlosti koju želimo da dobijemo. Povoljnoj emisiji svetlosti i raspoloživom naponu mora se prilagoditi i pritisak gasa.

Nastanak

Istorija vezana za gasne sijalice počinje 1675. godine kada je francuski astronom Žan Pikar uočio da je prazni prostor u živinom barometru zasvetlucao kada je prodrmusao barometar. Naučnici su pokušavali da oktkriju razlog ovog fenomena i prvi rezultati su se pojavili 1705. godine, kada je Fransis Hoksbi konstruisao prvu gasnu sijalicu. Fenomen je po prvi put opisao Vasilije Petrov 1802. godine i od tada su proučavane ovakve sijalice sa različitim vrstama metalnih para, zato što je njihov način produkcije svetlosti efikasniji od običnih sijalica.

Sto godina kasnije, istraživanja su dovela do sijalice bez elektroda koje su umesto toga koriste energiju od mikrotalasnih ili izvora radio frekvencija. Pored toga, konstruisani su izvori svetlosti mnogo niže proizvodnje, proširujući primenu pražnjenja na kućnu upotrebu.

Način rada

Šema gasnog pražnjenja

Sijalice sa metalnim parama rade na principu elektrolumiscencije. To je pojava koja se manifestuje tako što u momentu prolaska struje kroz sredinu sa metalnim parama ova sredina počinje da svetli.

Ovde je izvor svetlosti jonizujući, jer se koristi osobina električnog pražnjenja kroz pare i gasove. Postoje još i termički izvori svetlosti koji rade na principu povišenja temperature i sagorevanja (sijalice sa usijanim vlaknom, sveće, gasne lampe) i fluoroscentni izvori koji rade na osnovu luminscencije (ako se neka materija obasja nevidljivim ultraljubičastim zracima oni se transformišu u zrake veće talasne dužine, na koje ne reaguje ljudsko oko). Pražnjenja u gasovima su obično nagla. Najčešći primer takvih pražnjenja je električna varnica koja se javlja pod dejstvom jakih električnih polja kada nastupi efekt udarne jonizacije.

Osnovni elemenat gasnih sijalica je staklena cev (koja se naziva i žižak) ispunjena sa dve supstance koje su pri radu u gasovitom agregatnom stanju. Ove dve supstance predstavljaju osnovno i karakteristično punjenjem. Osnovno punjenje je plemeniti gas neon ili argon, a karakteristično je živa ili natrijum. Na krajevima staklene cevi ugrađene su elektrode od oksida metala.

Žižak je smešten u veći vakuumirani stakleni balon. Balon ima ulogu toplotnog izolatora. Kad se ovakva sijalica priključi na napon dolazi do jonizacije sredine u žižku i počinje pražnjenje kroz gasove. Usled pražnjenja razvija se toplota i kapi žive ili natrijuma na temperaturi od 2.000 °C isparavaju. Na slici je prikazana šema gasnog pražnjenja. Menja se boja svetlosti i poprima karakterističnu boju. Nominalan rad sijalica sa metalnim parama počinje tek posle isparavanja metala u cevi. Pre toga sijalica „žiži“, a pražnjenje se vrši između glavne i pomoćne elektrode koje se u žižku nalaze jedna pored druge. Kad se u cevi oslobodi dovoljno toplote i metal ispari, jonizacija se nastavlja između glavnih elektroda. Tek tada je sijalica uključena. Vreme paljenja sijalice traje od 1 do 5 minuta.

Radni napon sijalica sa metalnim parama niži je od napona paljenja i zbog toga se one nikad ne priključuju na instalaciju direktno, već najčešće preko induktivnog otpora, ili omskog otpora ili transformatora sa velikim rasipnim poljem.

Živina sijalica

Glavni članak: živina sijalica

Zagrevanje živine sijalice do 50% intenziteta

Glavno radno telo ovih sijalica je argon, ali se sijalice nazivaju po živoj, koja daje sijalicama karakteristične osobine. Od količine žive u cevi zavisi radni pritisak na osnovu kog se sijalice dele u tri grupe:

• sijalice visokog pritiska (do 1 atm koje svetle 80—125 W)
• sijalice vrlo visokog pritiska (do 20 atm, 250—400 W)
• sijalice super visokog pritiska (do 100 atm, iznad 400 W)

U svetlost koju proizvodi živina sijalica nalaze se ljubičasta, plava, zelena i žuta. Svetlost ne sadrži crvene radijacije. Boja svetlosti se može promeniti na više načina:

• na unutrašnju stranu balona se nanosi fluorescentni prah
• u istu svetiljku se stavlja i živina sijalica i sijalica sa užarenim vlaknom
• prave se sijalice za mešanu svetlost, kao kombinacije sijalice sa užarenim vlaknom i živine sijalice

Živine sijalice su ekonomične. Specifična proizvodnja im je 35—48 lm/W. Pogodne su za osvetljenje velikih industrijskih objekata, ulica, trgova, sportskih hala.

Način rada živinih sijalica

U staklenom balonu se nalazi mala cevčica (žižak) koja je ispunjena argonom sa 2 - 3 kapi žive. Živa i natrijum na normalnoj temperaturi nisu u gasovitom agregatnom stanju, pa takve sijalice moraju biti tako konstruisane da se u njima najpre vrši zagrevanje i isparavanje ovih supstanci. To se obično postiže dodavanjem inertnih gasova koji održavaju pražnjenje dok se sijalica ne zagreje. Najčešće se stavljaju pomoćne elektrode koje vrše paljenje ili elektrode od žice koje se u početku zagrevaju Džulovom toplotom, a zatim se automatski isključuju.

Kada se sijalica priključi na napon preko prigušnice koja ograničava radni napon, dolazi do električnog pražnjenja između elektrode i njene pomoćne elektrode. Usled ovog pražnjenja razvija se visoka temperatura koja je i potrebna za zagrevanje i isparavanje žive. Posle isparavanja žive od povećanja pritiska, električno pražnjenje se nastavlja između elektroda kroz jonizovanu smešu živine pare i argona. Vreme paljenja traje od jednog do pet minuta.

Natrijumova sijalica

Zgrada osvetljena natrijumovim sijalicama

Glavni članak: natrijumova sijalica

Natrijumove sijalice rade na istom principu kao živine. Njihovo karakteristično punjenje je natrijum koji daje žutu svetlost sa mali bljeskom. Žuta svetlost dobro prodire kroz maglu i vazduh zasićen parama i gasovima. Koristi se za osvetljenje mostova, saobraćajnica, mašinskih hala, livnica, cementara.

Postoje dva tipa natrijumovih sijalica:

• sijalice niskog pritiska koje su najefikasniji veštački izvori svetlosti, ali njihova žuta boja ograničava njihovu primenu na spoljašnju uličnu rasvetu ili na mesta gde ima velikih količina magle ili prašine (mostovi ili rudnici)
• sijalice visokog pritiska koje imaju širi spektar svetlosti od natrijumovih sijalica niskog pritiska, ali i dalje imaju lošiji prikaz boja od drugih tipova sijalica.

Pošto natrijumove sijalice izazivaju manje svetlosno zagađenje od metal-halogenih sijalica, koriste ih mnogi gradovi koji imaju astronomske opservatorije.

Neonska sijalica

Glavni članak: kompaktna fluorescentna svjetiljka

Postoje dve vrste neonki. Jedna radi na principu fluorescencije sa fosforom, a druga na principu jonizacije sa živom.

Neonska sijalica sa fosforom

Prethodnica današnje standardne neonske sijalice je sijalica iz 1890-ih godina koju je izumeo Petar Kuper Hevit Hevitova sijalica je upotrebljavana u fotografskim studijima i industriji. Edmund Germer, Fridrih Mejer i Hans Spaner su 1927. godine patentirali tzv. sijalicu s parom pod visokim pritiskom. Džordž Inman u saradnji sa Dženeral Elektrikom (General Electric) napravio je praktičnu fluorescentnu svjetiljku 1938. godine, koja je patentovana 1941. Neonsku sijalicu kakvu danas koristimo je izumeo Ed Hamer (Ed Hammer), inženjer Dženeral Elektrika, kao odgovor na naftnu krizu 1973. godine. Sijalica je postepeno počela da se proizvodi te primjenjuje za širu upotrebu.

Svetlost kod fluorescentne svetiljke se može stvoriti i kapacitativnim priključkom sa visokonaponskih električnih dovodnih kablova.

Najvažniji tehnički napredak bio je zamena elektromagnetnog balasta sa elektronskim balastom, koji je odstranio većinu treperenja i sporog paljenja, što je karakteristično za fluorescentne sijalice. Glavna dva dela sijalice su gasom napunjena cev i balast (elektromagnetni ili elektronski).

Električna struja iz balasta dolazi do gasa gde prouzrokuje emitovanje ultraljubičaste svetlosti. Ultraljubičasta svetlost zatim pobuđuje fosforni sloj unutar cevi, koji počne da emituje vidljivu svetlost. Elektronski balast sadrži mali elektronski krug (ispravljač, filter, tranzistore), priključen na rezonantni visokofrekventni (40 kHz) invertor (pretvarač) (DC - AC). Proizvode se i za jednosmernu i naizmeničnu struju.

Neonska sijalica sa živom

Ova neonska sijalica se naziva i radiofluorescentna sijalica ili indukcijska sijalica. Kod ovih svetiljki, živina para se pobuđuje preko radiofrekventnog oscilatora.

Hladno-katodna fluorescentna svetiljka, HKFS (eng: Cold Cathode Fluorescent Lamp, (CCFL)) je jedna od novijih tipova KFS. Napon kod HKFS je pet puta veći nego kod KFS, dok je struja deset puta manja. Imaju prečnik oko 3 mm. Njihov učinak (lm/W) je oko 50% manji od učinka KFS. Inače njihova prednost je da su trenutne kao klasične sijalice, kompatibilne su sa regulatorima osvjetljenja (dimmer), fotoćelijama, te imaju dug vek trajanja, oko 50 hiljada sati. Pogodne su za mesta gdje se sijalice uključuju i isključuju često. Neki proizvođači daju luminentni premaz na KFS tako da neko vreme „svetle“ pošto se isključe, što može biti korisno u vanrednim situacijama.

Boja

Gas	Boja	Spektar	Upotreba	Slika
Helijum	od bele do narandžaste; pod nekim uslovima može biti siva, plava ili zeleno-plava		koriste je umetnici za specijalne vizuelne efekte
Neon	crveno-narandžasta		intenzivna svetlost, koristi se u neonskim lampama
Argon	od ljubičaste do blede plave boje		često se koristi zajedno sa živinim parama
Kripton	od svetle sive do zelene, na pikovima i plavo-bela		koriste je umetnici za specijalne vizuelne efekte
Ksenon	siva ili plavo-siva, dok je na ekstremnim vrhovima i svetla zeleno-plava		koristi se za bliceve i ksenonove sijalice
Azot	slična argonu, ali ublaženija i ima više roze boje, na pikovima se pojavljuje i svetla plavo-bela
Kiseonik	nijanse ljubičaste, prigušenija od argona
Vodonik	od ljubičaste, preko roze do purpurno crvene
Živine pare	svetloplava, tamna ljubičasta		u kombinaciji sa fosforom koristi se za dobijanje mnogih boja iz svetlosti; široko rasprostranjena mu je upotreba u živinim sijalicama
Natrijumove pare na niskom pritisku	svetla narandžasto-žuta		široko su rasprostranjene u natrijumovim sijalicama

Prednosti i mane

Sve gasne sijalice imaju znatno veći stepen korisnog dejstva od običnih sijalica sa usijanim vlaknom. Za isti intenzitet svetlosti, gasne sijalice prosečno zahtevaju oko četiri puta manju električnu snagu od sijalica sa vlaknom. Specifična proizvodnja im je 3 - 4 puta veća od sijalica sa usijanim vlaknom, radni vek im je oko 3000 sati.

U izvesnim slučajevima (kod raznih aparata za projekciju i kod reflektora) se zahteva da svetlosni izvor ima veliki intenzitet svetlosti, a male dimenzije. Za te svrhe se grade gasne sijalice koje rade sa visokim pritiskom gasa ili pare. Gas pod višim pritiscima ima veću gustinu i daje veći intenzitet svetla. Na taj način se kod gasnih sijalica visokog pritiska, koji može biti znatno viši od atmosferskog, dobija veliki intenzitet svetlosti pri vrlo malom rastojanju među elektrodama. Najčešće se upotrebljavaju ovakve sijalice sa živinom parom pod pritiskom do 200 atmosfera. Temperatura u takvom luku se penje i do 10.000 °C, pa se uz sijalicu obično predviđa i specijalni uređaj za hlađenje. Na ovaj način se postiže koncentracija svetlosnog izvora koja nekad može da pređe i sjaj Sunca.

Glavni nedostatak električnih gasnih sijalica je izrazita obojena svetlost. Svetlost im je monohromatska (jednobojna). Kod sijalica punjenim živom svetlost je plava ili ultraljubičasta, a kod živinih sijalica svetlost je žuta. Koriste se tamo gde je potrebno postići dobar osvetljaj, a nije previše bitno raspoznavanje boja.

Ovaj problem se može i rešiti upotrebom fluorescentnih zastora. Unutrašnja površina cevi u kojoj se vrši normalno pražnjenje obložena je slojem smeše koja ima osobinu da fluorescencira, tj. da zrake jedne boje prevodi u zrake druge boje, veće talasne dužine. Fluorescentna smeša je tako podešena da ukupna složena svetlost bude slična beloj svetlosti. Na ovaj način se mogu koristiti i kratkotalasni ultraljubičasti zraci.

Fluoroscentne sijalice

Najčešće korišćena fluoroscentna sijalica je živina sijalica niskog pritiska. Obično je izrađena u obliku dugačke cevi na čijim se krajevima nalaze dve elektrode. Sa unutrašnje strane cev je presvučena tankim slojem fluoroscentnog praha, a cev je ispunjena argonom sa malom količinom žive. Kada se između elektroda uspostavi električno pražnjenje stvara se ultraljubičasta nevidljiva svetlost koja se prolazeći kroz luminator – fluoroscentni prah transformiše u svetlost koja je prijatna za oko. Koristeći različite mešavine praha može se dobiti željena boja.

Fluoroscentna cev se na instalaciju ne može priključiti direktno jer je napon paljenja cevi veći od napona mreže. Potrebno je u kratkom vremenskom intervalu dovesti na elektrode znatno viši napon. Problem se rešava priključenjem cevi preko prigušnice i startera. Uloga startera je da u momentu uključenja fluoroscentne cevi uključi grejanje elektroda.

Gasni starter je mala staklena cev ispunjena neonom, helijumom ili argonom. U cev su smeštene dve elektrode od kojih je jedna bimetalni štap. Kad se sijalica sa starterom priključi na napon, u starteru se javlja slabo tinjavo pražnjenje između elektroda. Usled pražnjenja razvija se toplota potrebna za zagrevanje bimetalnog štapa i on posle kraćeg vremena počinje da se krivi spaja kontakte gasnog startera. Struja tinjanja bila je oko 20 - 40 mA i ta struja nije bila dovoljna za zagrevanje elektroda. Kad se kontakti spoje, protiče struja kratke veze (oko 1A) i ona veoma brzo zagreva elektrode cevi. Spajanjem kontakata u gasnom starteru prestaje tinjavo pražnjenje, starter se hladi i bimetal se ponovo vraća u početni položaj prekidajući strujni krug. Usled prekida strujnog kruga prigušnice javlja se naponski udar (600—2000V) i dolazi do paljenja cevi. Radni napon sijalice manji je od napona paljenja startera tako da se u toku rada sijalice on više ne uključuje.

Vidi još

• živina sijalica
• natrijumova sijalica
• neonska sijalica

Literatura

• Kostić, Miomir B. (2000). Vodič kroz svet tehnike osvetljenja. Beograd: Minel-Šreder. ISBN 86-302101-1-3.