Jste zde

Co je to CCFL ?

Antonín Vojáček, 13. Květen 2007 - 22:52
Zkratku CCFL lze nalézt v mnoha datasheetech LCD displejů. Většina elektrotechniků patrně ví, že jde o fluorescenční výbojky se studenou katodou, které se často používají pro podsvětlování displejů, reklamních plakátů, nebo různý automobilový či PC tuning. Jak ale přesně pracují a jaké mají vlastnosti a charakteristiky ? To najdete v následujícím článku.

Co je to CCFL ?

CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) jsou fluorescenční zdroje světla (výbojky) se studenou katodou, které s poměrně vysokou účinností přeměňují elektrickou energii na světlo. Obvykle jsou v provedení dlouhých (až několik desítek cm) a velmi tenkých (jen několik mm) skleněných nebo plastových trubic, rovných nebo tvarovaných do různých obrazců. Nejběžnější jsou sice bílé CCFL výbojky, ale na trhu lze najít i různobarevně svítící trubice, dokonce i výbojky vícebarevné. Obecně se vyznačují  velkou svítivostí při dobré účinnosti, snadnou regulací jasu a malými rozměry trubic, které lze při výrobě snadno tvarovat do různých obrazců. Tím se hodí všude tam, kde je nutné něco podsvětlovat, něco osvětlovat vysokou intenzitou světla nebo vytvářet poutavé světelné efekty (podsvětlení LCD displejů a reklamních panelů, světelné efekty, optický tuning apod.).

Různá tvarová provedení a běžné rozměry CCFL výbojek

Několik příkladů barev světla, které mohou CCFL výbojky generovat

Typické vlastnosti

  • Vysoký jas - svítivost větší než 20 000 cd/m2
  • Různá barevná provedení
  • Teplota barev: 1500 – 20 000K
  • Velká účinnost - 60 až 80 %
  • Nízká spotřeba - obvykle 1 až 11 W
  • Napájení: 250~1400 Vrms (napájení přes měnič ze 12 V DC nebo 240 V AC)
  • Pracovní frekvence: 35~75 KHz
  • Životnost - 10 000 až 30 000 hodin
  • Rychlé nastartování
  • Nízké zahřívání
  • Žádné blikání
  • Malé rozměry - typ. průměry trubic 2 až 6 mm, délky 40 - 800 mm
  • Nízká hmotnost
  • Snadná regulace jasu
  • Velká odolnost proti vibracím
  • Dlouhé výbojky - křehké na tlak (snadno se zlomí)
  • Poměrně velký vliv nízkých teplot

Použití

  • Podsvícení LCD displejů
  • Skenery, kopírky
  • Osvětlení reklamních ploch
  • Podsvícení reklamních plakátů
  • Různobarevné světelné efekty
  • Svítící názvy
  • Tuning aut a PC
  • Indikace - různě tvarované trubice
  • Dekorace

Princip a struktura CCLF výbojek

CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) jsou zdroje světla klasifikované jako elektrické komponenty - převodníky el. energie na světlo. CCFL v tom nejjednodušším popisu jsou řídkým plynem s malým množstvím rtuti plněné trubice, které pomocí doutnavého výboje a luminoforu generují viditelné světlo. Luminofor, pokrývající vnitřní stěny skleněné trubice (podobně jako luminofor nanesený na obrazovce), prakticky pracuje jako převodník generovaného ultrafialového záření na viditelné světlo. Označení "Cold Cathode = studená katoda" značí, že k zapálení výboje není nutné plyn zahřívat a tedy není přítomno žhavící vlákno.


 

CCFL výbojka je tedy složena z následujících částí:

  • skleněná trubice (Lamp - Glass Tube)
  • dvě elektrody - Anoda / studená katoda (Electrodes - Anode/ Cold Cathode)
  • plynná náplň (GAS) - nízkotlaká směs (několik torrů) argonu a rtuti (Argon/Mercury Mixture)
  • luminofor na stěnách trubice (Phosphor Coating)

Typická struktura CCFL výbojky

Přiložením dostatečně velkého elektrického pole na elektrody umístěné na protějších stranách trubice se ve plynné směsi vytvoří doutnavý výboj. Atomy rtuti, které jsou výbojem (proudem el. polem urychlených katodou emitovaných elektronů = pushing electrons) excitovány, následně při přechodu do základního stavu emitují ultrafialové záření o vlnové délce 253.7 nm (UV-Light). Toto světlo dopadá na luminofor umístěný na stěnách trubice (Phosphor coating) a  způsobuje tak excitaci jeho atomů, které pak následně do okolí emitují viditelné světlo (Visible light).

Princip generování světla CCFL výbojkou

Požadavky na napájení - VA char. CCFL výbojky

Aby doutnavý výboj (urychlený proud elektronů) byl zažehnut, je nutné na elektrody připojit střídavé napětí o velikosti 250 až 1400 V (dle typu výbojky a okolních podmínek). K jeho vytvoření je nutné použít měnič, splňující následující požadavky:

U CCFL výboj začne, když elektrony a pozitivní ionty urychlené vytvořeným elektrickým polem, začnou kolidovat s povrchem katody tak, že jsou z ní emitovány sekundární elektrony. Ty již způsobují výše popsané generování světla. Aby toho bylo dosaženo je zapotřebí tzv. startovací napětí cca 1000 až 1500 Vrms, v závislosti na okolní teplotě a rozměrech trubice. Po vzniku výboje (zahájení studené emise), tj. když začne téct výbojkou proud, klesá její impedance a tím klesá i velikost potřebného napětí na elektrodách. Ustálení proudu na určité hladin způsobí i ustálení potřebného napětí na udržení výboje. To má obvykle hodnotu 300 až 700 Vrms (dle typu výbojky) a je označováno jako "CCFL napětí". VA charakteristika výbojky tak vykazuje negativní závislost, kdy s rostoucím proudem klesá napětí na struktuře. Zároveň platí, že s klesající okolní teplotou a zvětšujícími se rozměry trubice roste i velikost startovacího napětí.

Typická VA charakteristika CCFL výbojky

Napájecí napětí by mělo být střídavé, protože při konstantním napětí dochází k posunu atomů rtuti v trubici, tím k nevyvážení intenzity emitovaného světla ve výbojce a zkrácení její životnosti.Nejvhodnější je frekvence napětí 30 až 70 kHz.

Protože je jas (svítivost) výbojky závislý na velikosti protékajícího proudu výbojkou, s rostoucím proudem roste i jas, lze jeho velikostí jas účinně regulovat. Zatímco spodní regulační hranicí je minimální proud pro udržení doutnavého výboje, horní hranicí je destrukční proud, který buď výbojku zničí nebo výrazně sníží její životnost. Obvykle je regulační rozsah 2 až 7 mA.

Příklad jednoduchého měniče pro napájení CCFL výbojky

Závěr

CCFL výbojky patří stále mezi současné často používané zdroje světla, i když je z některých aplikací postupně vytlačují supersvítivé LED. V některém z následujících článků se pak ještě k CCFL výbojkám vrátím, resp. k možnostem jak realizovat napěťový měnič pro jejich napájení.

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: