ネオンランプ

NE-2型交流電源ネオンランプ
ネオンランプの回路図記号

ネオンランプ（ネオングローランプとも呼ばれる）は、小型のガス放電ランプです。このランプは通常、ネオンと他のガスの混合ガスを低圧で含んだ小さなガラスカプセルと、2つの電極（陽極と陰極）で構成されています。十分な電圧が印加され、電極間に十分な電流が供給されると、ランプはオレンジ色のグロー放電を発生させます。ランプ内で光る部分は陰極付近の薄い領域です。より大きく長いネオンサインもグロー放電ですが、通常のネオンランプには存在しない陽光柱を利用しています。ネオングローランプは、電子機器や電化製品のディスプレイの表示灯として広く使用されていました。高電圧回路では、その電気的な単純さから今でも使用されることがあります。

歴史

ゼネラル・エレクトリックNE-34 グローランプ（1930 年頃製造）

ネオンは1898年にウィリアム・ラムゼーとモリス・トラヴァースによって発見されました。ネオンガスが電気的に励起されると、特徴的な鮮やかな赤色を発することがすぐに注目されました。トラヴァースは後に、「管から放たれる深紅の光は、それ自体が物語を語り、いつまでも忘れられない光景だった」と記しています。[ 1 ]

ネオンは希少であったため、窒素中での放電を利用するムーア管のような電気照明への応用はすぐには進まなかった。ムーア管は発明者であるダニエル・マクファーラン・ムーアによって1900年代初頭に商品化された。1902年以降、ジョルジュ・クロードの会社であるエア・リキードは、空気液化事業の副産物として工業規模のネオンを生産しており、1910年12月、クロードは密閉されたネオン管に基づく近代的なネオン照明を実証した。1915年、ネオン管照明の電極の設計に関する米国特許がクロードに対して発行された。[ 2 ]この特許は、1930年代初頭を通じて彼の会社であるクロード・ネオン・ライツが米国で独占権を保持していた基礎となった。[ 3 ]

1917年頃、ダニエル・ムーアはゼネラル・エレクトリック社で働いていた際にネオンランプを開発しました。このランプは、ネオン照明に使用されていたはるかに大型のネオン管とは設計が大きく異なっていました。設計の違いは大きく、1919年に米国特許を取得しました。[ 4 ]スミソニアン協会のウェブサイトには、「これらの小型で低電力の装置は、コロナ放電と呼ばれる物理的原理を利用しています。ムーアは電球の中に2つの電極を近接させて設置し、ネオンまたはアルゴンガスを注入しました。電極はガスの種類に応じて赤または青に明るく輝き、ランプは長年使用できました。電極は想像できるほぼあらゆる形状にできるため、装飾的なランプとして広く利用されてきました。」[ 5 ]

1970年代に発光ダイオード（LED）が広く商品化されるまで、グローランプは計器盤や多くの家電製品のインジケーターとして実用化されていました。 [ 5 ]

説明

2 つの平面電極が 50 cm 離れた、1 torr でのネオンの電気放電の電圧電流特性。A :宇宙線によるランダム パルス、 B: 飽和電流、C:アバランシェ ブレークダウンタウンゼント放電、D: 自立タウンゼント放電、 E: 不安定領域:コロナ放電、 F: 亜正常グロー放電、G: 正常グロー放電、H: 異常グロー放電、I: 不安定領域: グローアーク遷移、J:電気アーク、 K: 電気アーク。A -D 領域: 暗放電。イオン化が起こり、電流は 10 マイクロアンペア未満。FH 領域: グロー放電。プラズマがかすかな輝きを発します。IK 領域: アーク放電。大量の電磁放射線が生成されます。

小さな電流（球径5mmのNE-2ランプの場合、静止電流は約400μA）を管に流すと、管はオレンジがかった赤色に発光します。この電流は交流または直流です。ガスは通常、ペニング混合ガス（ネオン99.5% 、アルゴン0.5%）で、圧力は1～20トル（0.13～2.67kPa）で、純粋なネオンよりも 点火電圧が低くなります。

ランプのグロー放電は、その点弧電圧で点灯します。[ 6 ]点弧電圧は、周囲光や放射能によって低下します。「暗効果」を軽減するために、一部のランプでは、暗闇でも電離作用を発揮する少量の放射性物質（典型的にはクリプトン85）を外囲器に添加しました。[ 6 ]

放電を維持するために必要な電圧は、点弧電圧よりも大幅に（最大30%）低くなります。これは、陰極付近の陽イオンの配置によるものです。ネオンランプは、低電流グロー放電を利用して動作します。

水銀灯やメタルハライドランプなどの高出力デバイスは、高電流アーク放電を使用します。低圧ナトリウムランプは、ウォームアップにネオンペニング混合物を使用し、低出力モードで動作させると巨大なネオンランプとして動作します。

制限電流

ネオンランプは絶縁破壊に達すると、大電流を流すことができます。この特性のため、ネオンランプ外部の電気回路は回路を流れる電流を制限する必要があります。そうしないと、電流が急激に増加し、ランプが破壊されてしまいます。

表示灯サイズのランプでは、通常、抵抗器によって電流が制限されます。一方、大型のランプでは、高い漏れインダクタンスを持つ特殊な高電圧トランスやその他の電気安定器を使用して、利用可能な電流を制限することがよくあります（ネオンサインを参照）。

揺らめく炎

ランプを流れる電流が最大電流の放電経路の電流よりも低い場合、グロー放電が不安定になり、電極表面全体を覆わないことがあります。[ 7 ]これは表示ランプの老朽化の兆候である可能性があり、装飾用の「フリッカーフレーム」ネオンランプに利用されています。しかし、電流が低すぎるとちらつきが発生しますが、電流が高すぎるとスパッタリングが促進され、ランプの内面が金属で覆われて黒ずんでしまうため、電極の摩耗が進行します。

放電を開始するために必要な電位は、放電を維持するのに必要な電位よりも高くなります。電流が不十分な場合、グローは電極表面の一部にのみ形成されます。対流によってグロー領域は上向きに流れ、これはヤコブの梯子放電に似ています。ランプに光を照射することでグロー放電によって覆われる電極面積を増やすことができるため、光イオン化効果もここで観察されます。

効率

白熱電球と比較して、ネオンランプははるかに高い発光効率を誇ります。白熱電球は熱によって発光するため、白熱電球に投入​​された電気エネルギーの大部分は熱に変換されます。そのため、ネオンランプ、蛍光灯、発光ダイオードなどの非白熱電球は、通常の白熱電球よりもはるかにエネルギー効率に優れています。LEDは最も高い効率を有します。

緑色ネオンランプ[ 8 ]は、入力電力1ワットあたり最大65ルーメンの光を発しますが、白色ネオンランプの効率は1ワットあたり約50ルーメンです。一方、標準的な白熱電球は1ワットあたり約13.5ルーメンしか発しません。[ 9 ]

環境への影響

ネオンランプの始動電圧と維持電圧の正確な値は、いくつかの要因によって変化する可能性があります。電極に当たる外部光は、ランプを始動させるためのイオン化源となります。完全な暗闇の中では、ランプは高く不安定な始動電圧に達する可能性があります。この影響を軽減する一つの方法は、初期光源として、筐体内にパイロットランプを設置することです。ランプは外部の静電場、温度、および経年変化にも多少敏感です。回路部品として使用することを目的としたランプは、初期経年変化の影響をほとんど排除するために特別な処理が施される場合があります。[ 10 ]

アプリケーション

視覚的なインジケーター

ネオンランプが点灯する電源タップをオンにします

安価なLEDが広く普及した後も、小型ネオンランプは消費電力が少なく、寿命が長く、主電源で動作できるため、電子機器や電化製品の視覚表示器として今でも広く使用されています。

電圧サージ抑制

ネオンランプは低電圧サージプロテクターとして一般的に使用されていますが、ガス放電管（GDT）サージプロテクター（高電圧用途向けに設計可能）に比べて性能が劣ります。ネオンランプは、RF受信機を電圧スパイクから保護するための安価な方法として使用されてきました（ランプをRF入力とシャーシグランドに接続）。しかし、高出力RF送信機には適していません。[ 11 ]

電圧テスター

3つの小さなガラスカプセルの写真。それぞれのカプセルには、ガラスを貫通する2本の平行なワイヤーがあります。左のカプセルでは、右側の電極がオレンジ色に光っています。中央のカプセルでは、左側の電極が光っています。右のカプセルでは、両方の電極が光っています。
NE-2型ネオンランプに供給される+DC（左）、-DC（中央）、AC（右）

一般的なNE-2型などの小型ネオンランプ（表示灯サイズ）のブレークダウン電圧は、約90 ボルトです。直流電源で駆動すると、負に帯電した電極（陰極）のみが点灯します。交流電源で駆動すると、両方の電極が（交互に半サイクルずつ）点灯します。これらの特性により、ネオンランプ（直列抵抗付き）は、便利で低コストな電圧テスターとして利用できます。どちらの電極が点灯しているかを調べることで、電圧源が交流か直流か、また直流の場合は試験対象の極性が分かります。

電圧調整

グロー放電ランプの破壊特性により、電圧調整器や過電圧保護装置として使用することができます。[ 12 ] 1930年代頃から、ゼネラル・エレクトリック（GE）、シグナライトなどの企業が電圧調整管を製造しました。

スイッチング素子/発振器

他のガス放電ランプと同様に[ 13 ]、ネオンランプは負性抵抗を持ち、ランプがブレークダウン電圧に達した後、電流が増加すると電圧が低下します。[ 10 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]そのため、ランプはヒステリシスを持ち、ターンオフ（消滅）電圧はターンオン（ブレークダウン）電圧よりも低くなります。[ 17 ]

これにより、能動的なスイッチング素子として使用することができます。ネオンランプは、このメカニズム（ピアソン・アンソン効果とも呼ばれる）を利用して、緩和発振回路を構成するために使用されました。 [ 15 ] [ 17 ] [ 18 ]は、点滅警告灯、ストロボスコープ[ 19 ] 、電子オルガンのトーンジェネレータ[ 15 ] 、初期の陰極線オシロスコープのタイムベースや偏向発振器などの低周波用途に使用されました。[ 20 ]

ネオンランプは双安定状態を持つこともあり、論理ゲート、フリップフロップ、バイナリメモリ、デジタルカウンタなどのデジタル論理回路の構築にも使用されました。[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]これらの用途は非常に一般的であったため、メーカーはこれらの用途専用のネオンランプ（「回路部品」ランプと呼ばれることもあります）を製造しました。これらのランプの少なくとも一部は、光が陰極上の小さな点に集中するため、インジケータとして使用するには適していませんでした。ランプ特性の再現性を高め、「暗効果」（完全な暗闇に置かれたランプで観察される始動電圧の上昇）を軽減するために、NE83（5AH）などの一部のランプには、初期電離を促進するための少量の放射性同位元素が含まれています。[ 10 ]

NE-2 型ランプの回路用途の変形である NE-77 には、通常の 2 つの電極の代わりにランプ内に 3 つのワイヤ電極 (平面内) があり、3 つ目の電極は制御電極として使用されます。

検出器

ネオンランプは歴史的に、約100GHz程度までのマイクロ波およびミリ波検出器（「プラズマダイオード」またはグロー放電検出器（GDD））として使用されてきました。この用途では、かつてマイクロ波機器で広く使用されていた1N23型キャットウィスカーコンタクトシリコンダイオードと同等の感度（数十マイクロボルトからおそらく100マイクロボルト程度）を示すと言われていました。最近では、これらのランプはサブミリ波（「テラヘルツ」）周波数でも検出器として良好に機能することが発見されており、これらの波長におけるいくつかの実験用イメージングアレイのピクセルとして効果的に使用されています。

これらの用途では、ランプは「スターベーション」モード（ランプ電流ノイズを低減するため）または通常のグロー放電モードのいずれかで動作します。一部の文献では、異常グローモードで動作させた場合、光領域までの放射線検出器としての使用について言及されています。マイクロ波のプラズマへの結合は、自由空間、導波管、放物面集光器（ウィンストンコーンなど）、あるいはランプに直接取り付けられたループアンテナまたはダイポールアンテナを介した容量性手段によって行われます。

これらの用途のほとんどは、市販の二電極ランプを使用していますが、あるケースでは、追加の電極を結合アンテナとして機能させる特殊な三電極（またはそれ以上）ランプを使用することで、さらに優れた結果（ノイズ低減と感度向上）が得られることが分かりました。この発見は米国特許を取得しました。[ 24 ]

英数字表示

ガラス管の写真10枚の連続写真です。各写真は1秒間表示され、赤く光る数字が映し出されます。写真は0、1、2、…、9と順番に表示され、その後、再び0から始まります。
ニキシー管の数字。

複数の形状の電極を持つネオンランプは、ニキシー管として知られる英数字表示器として使われていました。その後、発光ダイオード、蛍光表示管、液晶ディスプレイといった他の表示デバイスに置き換えられました。

少なくとも 1940 年代以降、アルゴン、ネオン、リン光サイラトロンラッチング インジケータ (始動電極のインパルスで点灯し、陽極電圧がカットされた後にのみ消灯する) は、たとえば、大型のクローリング テキスト ドット マトリックス ディスプレイの自己表示シフト レジスタとして、または4 ×4 の 4 色リン光サイラトロンマトリックスに組み合わせて、大型ビデオ グラフィック アレイのスタック可能な 625 色 RGBA ピクセルとして使用できました。[ 26 ]デカトロンと呼ばれる、 複数の陰極や陽極グローサイラトロンは、番号付き陰極の 1 つが光ることでカウント状態を確認しながら、前方および後方にカウントできます。[ 27 ]これらは、計数機器の自己表示式 n 除算カウンタ/タイマー/分周器として、または計算機の加算器/減算器として使用されました。

他の

1930年代のラジオでは、ネオンランプが「チューノン」と呼ばれる同調表示器として使われており、正しく同調されると明るく光りました。[ 28 ] [ 29 ]

応答時間が比較的短いため、テレビ開発の初期段階では、多くの機械走査型テレビディスプレイの光源としてネオンランプが使用されていました。

花や葉などの形状の電極（多くの場合、蛍光体でコーティングされている）を備えた斬新なグローランプは、芸術的な目的で作られてきました。中には、電極を取り囲む輝きがデザインの一部となっているものもあります。

色

4枚の写真からなる図。上部の3枚の写真はすべて、内部に電極を備えた同様のガラスカプセルを示しています。左の写真は、通常の照明下でのカプセルの構造を示しています。中央の写真は、2つの電極のうち1つが光っているカプセルを示しています。右の写真は、両方の電極が光っているカプセルを示しています。カプセルの写真の列の下には、分光器の目盛りの写真があります。目盛りは700 nmから400 nmまでで、660 nmから600 nmの領域には赤、オレンジ、黄色の線が多数ありますが、590 nm未満の読み取り値を示す線はありません。
ネオンランプ（NE-2型）の消灯時と点灯時およびその光スペクトル。

ネオンインジケーターランプは通常オレンジ色ですが、コントラストを向上させて色を赤またはより赤みがかったオレンジ色に変えるために、色付きフィルターをかぶせて使用されることがよくあります。

リン光ネオンランプ

ネオンの代わりにアルゴン、クリプトン、キセノンを封入したり、ネオンと混合したりすることもできます。電気的な動作特性はネオンと似ていますが、これらのランプはネオン特有の赤橙色ではなく、青みがかった色（紫外線を含む）で点灯します。紫外線は電球内部の蛍光体コーティングを励起するために使用され、白色を含む様々な色を実現します。[ 30 ]ネオン95%、クリプトン2.5% 、アルゴン2.5%の混合物は緑色の光を発しますが、[ 31 ]それでも「グリーンネオン」ランプは蛍光体ベースであることが一般的です。

参照

参考文献

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さらに読む

  • ミニチュアネオンランプの使い方と理解; 第1版; William G. Miller; Sams Publishing; 127ページ; 1969年; LCCN 69-16778. (アーカイブ)
  • 冷陰極管; 第1版; JB Dance; Iliffe Books; 125ページ; 1967年（アーカイブ）
  • グローランプマニュアル - 理論、回路、定格; 第2版; ゼネラル・エレクトリック; 122ページ; 1966年. (アーカイブ)
  • ネオンランプとガス放電管の応用；第1版；エドワード・バウマン；カールトン・プレス；160ページ；1966年（アーカイブ）
  • ネオン・ブリンカーが電池を節約；ラジオ・エレクトロニクス、1949年10月、46-47ページ。（アーカイブ）
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