조명설계 - 방전등의 원리 일반사항

조명설계 - 방전등의 원리 일반사항

루미네센스(물체의 온도를 높여서 발광시키는 온도방사 이외의 모든 발광)를 이용한 발광원리를 적용한 광원을 말하며 루미네센스 발광은 반드시 어떤 자극이 필요하다.

 

1. 인공조명의 발광원리에 따른 분류

· 온도방사 : 백열등

· 루미네센스 : 방전등

· 온도방사를 이용하는 백열등은 온도가 올라갈수록 발광효율은 증가하나 필라멘트의 수명은 짧아진다.텅스텐을 이용하는 백열등은 효율과 광색면에서 한계에 이르고 있으며 이에 따라 방전등이 개발되었고 조명분야에서의 방전등의 비중은 점차 높아지고 있다.

 

2. 방전등의 원리

방전등이란 루미네센스(Luminescence)를 이용한 광원을 말한다.

 

2-1. 루미네센스의 종류

· 루미네센스 참고

2-2. 방전등의 점등원리

투명관에 불활성 기체나 수은증기를 봉입 후, 일정전압을 인가하면 방전관 내부 기체의 절연파괴 현상이 일어나고 자유전자가 발생하여 발광(방전)된다.

2-2-1. 음극현상

음극에서의 전자방출은 열 전자방출과, 전계전자 방출로 구분할 수 있다.

· 열전자 방출

음극재료가 고온이 되어 전극표면 및 그 부근에 있는 전자가 분자의 열 운동에 의하여 튀어 나오는 것.

· 전계전자 방출

음극에 관 전압을 걸면 전자가 튀어 나오는 것.

· 숏트키 효과

포화된 후에도 음극부분에 정전계가 있을 경우에는 일 함수가 감소하고 전자방출이 증가하는 현상(방출전류 포화를 음극표면의 정전계로 전자방출)

2-2-2. 충돌에너지

· 음극에서 방출된 전자가 방전관 내부의 봉입기체를 여기, 전리 시키는데 사용되는 에너지로서 제1차 충돌에너지는 운동에너지, 제2차 충돌에너지는 운동에너지와 여기에너지가 있다.

2-2-3. 여기,전리,발광

· 여기

전자가 기저상태 이외의 안정궤도에 있는 상태.

· 원자의 맨 바깥쪽에 있는 원자는 외부로부터 에너지를 가하면 에너지 준위가 높은 전자궤도로 옮아간다

· 이 상태로 된 원자나 분자를 여기상태에 있다고 하며 10-8sec 정도의 매우 짧은 시간에 원래의 상태로 되돌아 가는데  이때 일정한 파장의 전자파를 방사한다.

· 공진전압

전자가 기저상태로부터 제1 안정궤도 상으로 이동시키는데 필요한 에너지에 상당하는 전압.

· 여기전압

전자가 기저상태로부터 제2 안정궤도 이상으로 이동시키는데 필요한 에너지에 상당하는 전압.

· 전리전압

전자를 원자로부터 완전히 분리하는데 필요한 에너지에 상당하는 전압.

2-2-4. 수소 스펙트럼

· 전자의 원자로부터의 흡수,방사에 따라 다음과 같은 발광현상이 생긴다.

· 라맨선(자외선), 발머선(가시광선), 파센선(적외선)

 

2-3. 방전현상

2-3-1. 방전의 개시

A : 전자의 이동(공진,여기상태)

B : 전자의 포화상태(전리상태)

C : 방전의 개시

 

2-3-2. 자속방전 (Town-sent 방전)

평형 평판에 전압을 인가하고 음극에 자외선을 조사할 경우 초 전자가 발생한다.

한 개의 초 전자가 발생시키는 양이온의 수는 2가전자를 발생 시키게 되므로 자외선 조사를 중지하여도 계속 방전이 되는 현상.

 

2-3-3. 파센의 법칙(Paschen's Law)

· 평등전계 중의 방전개시전압은 방전관 내부 기체의 압력과 전극간격에 비례한다.

· 방전개시전압 = Ks×기압×전극간격

· Ks : 기체상수

 

★. 고 휘도 방전등 점등에 시간이 소요되는 이유 ★

방전에 필요한 전압은 파센의 법칙에서와 같이 기압과 전극간격에 비례하여 결정되고, 또한 방전등은 각각의 특성에 적합한 온도와 기압에 이르러 최고효율의 발광을 한다. 따라서 처음 점등시 압력과 온도가 "0"인 상태에서 고전압에 의한 불꽂으로 점등되면서 일정압력까지 도달하는데 소요되는 시간(10분정도)이 필요하게 된다.

또한 점등 중 어떤 원인에 의해 소등되어 재 점등하게 될 경우 기압이 높은 상태이므로 점등에 필요한 전압은 전원전압보다 높은 전압이 필요하게 되므로, 결국 기압이 낮아질 때까지의 시간이 더 소요된다.

 

2-3-4. 페닝효과(Penning Effect)

· 방전개시전압은 불활성 기체에 미량(0.002%)의 아르곤을 투입할 경우 혼합기체의 전리전압이 원기체의 준안정상태의 여기전압보다 매우 낮아져 기동이 용이하게 되는 현상.

· 불활성 기체의 준 안정상태가 아르곤의 여기상태보다 낮기 때문이다.

 

2-4. 방전의 특성

2-4-1. 자속방전의 전류-전압특성

 

2-4-2. 글로우 방전과 아크방전

· 글로우방전

초기의 전자방사로 인한 강한 음극강하의 강한 전계에 의하여 가속된 양이온이 음극을 충돌하여 음극으로부터 전자를 방출하게 된다. 이와같이 음극에서의 전자방출이 주로 양이온에 의한 방전현상을 말한다.

< 음극강하 >

· 아크방전

글로우 방전의 지속으로 인해 음극이 가열되어 음극으로부터 열전자 방출 현상으로 일 함수가 현격히 감소 함으로서 기체의 전리전압으로 되어 아크방전으로 변한다.

· 글로우방전과 아크방전의 특징

 

2-4-3. 전극

· 글로우방전 : 냉음극(Fe, Cu, Al등)

· 아크방전 : 산화물 피복을 한 텅스텐 필라멘트

 

2-4-4. 점등회로의 종류

방전등의 전압-전류 특성은 전류가 커지면 그 단자전압이 강하하는 부성 특성이다. 즉 정전압 회로에 직접 접속한 것은 안정하게 아크가 발생되지 않는다. 따라서 방전을 안정하게 하기 위하여 안정저항을 삽입한다.

· 직류용

- 안정저항 삽입

- 방전등은 전압, 전류 특성이 부 특성이다.

· 교류용

- 직렬저항 법 : 플리커가 발생되며, 효율이 떨어진다

- L-R 점등 법 : 가장일반적으로 사용되며, 역율은 60% 정도이다

램프전압을 전원전압의 50~70%로 설계,역율 콘덴서 삽입.

- L-C 점등 법 : 제3고조파 이상 제거로 파형이 개선된다.

- 자기 누설변압기 사용 : 2차측 단락전류 30㎃ 이하로 제한

 

3. 방전등의 특징

· 방전관제 고유의 불활성 기체를 봉입하여 특유의 광색 발산.

· 방전관을 가지고 있다.

· 점등에 따른 부속장치가 필요하다.

· 고 효율, 고 휘도의 빛을 발산한다.

· 점등원리가 비슷하다.