مصباح الحث

المصباح الحثي ، أو المصباح عديم الأقطاب ، هو مصباح تفريغ غازي ينقل فيه مجال كهربائي أو مغناطيسي الطاقة اللازمة لتوليد الضوء من خارج غلاف المصباح إلى الغاز الموجود بداخله. وهذا يختلف عن مصباح التفريغ الغازي التقليدي الذي يستخدم أقطابًا داخلية متصلة بمصدر الطاقة عبر موصلات تمر عبر غلاف المصباح. يوفر الاستغناء عن الأقطاب الداخلية ميزتين:

• عمر أطول للمصباح (تعتبر الأقطاب الكهربائية الداخلية العامل الأكثر تحديدًا لعمر المصباح، نظرًا لأن محتواها المعدني يتناثر على أطراف المصباح في كل مرة يتم تشغيلها) ^{[ 1 ]}
• القدرة على استخدام مواد مولدة للضوء ذات كفاءة أعلى تتفاعل مع الأقطاب المعدنية الداخلية في المصابيح الفلورية التقليدية.

هناك نظامان شائعان: مصابيح البلازما ، حيث تقوم الموجات الدقيقة أو موجات الراديو بتنشيط مصباح مملوء ببخار الكبريت ^{[ 2 ]} أو هاليدات المعادن ، ومصابيح الحث الفلورية، وهي تشبه مصابيح الفلورسنت التقليدية التي تحث التيار بواسطة ملف سلك خارجي أو داخلي عن طريق الحث الكهرومغناطيسي .

في عام 1882، حصل فيليب ديل على براءة اختراع لنوع من مصابيح الحث المتوهجة. ^{[ 3 ]}

أظهر نيكولا تيسلا نقل الطاقة لاسلكيًا إلى المصابيح التي لا تحتوي على أقطاب كهربائية في محاضراته ومقالاته في تسعينيات القرن التاسع عشر، وحصل لاحقًا على براءة اختراع لنظام توزيع الضوء والطاقة بناءً على تلك المبادئ. ^{[ 4 ]}

في عامي 1967 و1968، تقدم جون أندرسون ^{[ 5 ]} من شركة جنرال إلكتريك ^{[ 6 ] [ 7 ]} بطلبات للحصول على براءات اختراع لمصابيح بدون أقطاب كهربائية. وفي عام 1971، قامت شركة فيوجن يو في سيستمز بتركيب مصباح بلازما ميكروويف يعمل بالأشعة فوق البنفسجية بدون أقطاب كهربائية بقدرة 300 واط على خط إنتاج علب كورس . ^{[ 8 ] [ 9 ]} وقدّمت شركة فيليبس أنظمة إضاءة الحث QL ، التي تعمل بتردد 2.65 ميجاهرتز، في عام 1990 في أوروبا وفي عام 1992 في الولايات المتحدة. وكانت شركة ماتسوشيتا قد طرحت أنظمة إضاءة الحث في عام 1992. كما أعلنت شركة إنترسورس تكنولوجيز عن نظام مماثل في عام 1992، أطلق عليه اسم E-lamp . وكان يعمل بتردد 13.6 ميجاهرتز، وأصبح متاحًا في السوق الأمريكية في عام 1993.  

في عام 1990، وضع مايكل أوري وتشارلز وود وزملاؤهما مفهوم مصباح الكبريت . وبدعم من وزارة الطاقة الأمريكية ، طُوّر هذا المفهوم لاحقًا في عام 1994 من قِبل شركة فيوجن لايتنج في روكفيل، ميريلاند ، وهي شركة منبثقة عن قسم فيوجن للأشعة فوق البنفسجية التابع لشركة فيوجن سيستمز. تعود أصول هذا المصباح إلى مصادر ضوء التفريغ الميكروي المستخدمة في معالجة أشباه الموصلات والطباعة بالأشعة فوق البنفسجية. ^{[ 2 ]}

منذ عام ١٩٩٤، تُنتج شركة جنرال إلكتريك مصباحها الحثي "جينورا" المزود بمحرك عالي التردد مدمج ، يعمل بتردد ٢.٦٥  ميجاهرتز. وفي عام ١٩٩٦، بدأت شركة أوسرام ببيع نظام الإضاءة الحثي "إندورا"  ، الذي يعمل بتردد ٢٥٠ كيلوهرتز، وهو متوفر في الولايات المتحدة تحت اسم "سيلفانيا آيسترون" . وفي عام ١٩٩٧، طرحت شركة بي كيو إل لايتنج في الولايات المتحدة أنظمة الإضاءة الحثي من علامة "سوبيريور لايف" . معظم أنظمة الإضاءة الحثي مصممة  للعمل لمدة ١٠٠,٠٠٠ ساعة قبل الحاجة إلى استبدال جميع مكوناتها.

منذ عام 1995، قام الموزعون السابقون لشركة Fusion، Jenton / Jenact، بتوسيع نطاق عملهم بناءً على حقيقة أن البلازما المنبعثة للأشعة فوق البنفسجية النشطة تعمل كموصلات خافضة للجهد لإنشاء عدد من براءات الاختراع المتعلقة بمصابيح الأشعة فوق البنفسجية بدون أقطاب كهربائية للاستخدامات التعقيمية والمبيدة للجراثيم.

في حوالي عام 2000، طُوِّر نظامٌ يُركِّز موجات الترددات الراديوية في موجهٍ موجيٍّ عازلٍ صلبٍ مصنوعٍ من السيراميك، والذي يُنشِّط بلازما مُضيئة في مصباحٍ موضوعٍ داخله. وقد أتاح هذا النظام، ولأول مرة، مصباحًا فائق السطوع وصغير الحجم بدون أقطاب كهربائية. وقد كان هذا الاختراع موضع نزاع. إذ ادَّعى كلٌّ من فريدريك إسبياو (الذي كان يعمل آنذاك في شركة لوكسيم ، ويعمل حاليًا في شركة توبانغا تكنولوجيز)، وتشاندراشيكار جوشي ، ويان تشانغ، ملكية هذا الاختراع، إلا أن شركة سيرافيجن المحدودة اعترضت على هذه الادعاءات . ^{[ 10 ]} وقد مُنحت شركة سيرافيجن عددًا من براءات الاختراع الأساسية. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

في عام 2005، طرحت شركة أمكو سولارا في تايوان مصابيح حثية قابلة للتعتيم وتعمل بنظام تحكم عبر بروتوكول الإنترنت. تتراوح قدرة مصابيحها بين 12 و400  واط، وتعمل بتردد 250  كيلوهرتز.

في عام 2006، طرحت شركة لوكسيم منتجًا عبارة عن مصباح عرض ضوئي يحمل الاسم التجاري LIFI. وقد وسّعت الشركة نطاق هذه التقنية لتشمل منتجات مصادر الضوء في تطبيقات إضاءة الأجهزة والترفيه والشوارع والمناطق والإضاءة المعمارية وغيرها خلال عامي 2007 و2008.

في عام ٢٠٠٩، طرحت شركة سيرافيجن المحدودة أول مصباح بلازما عالي الكفاءة تحت الاسم التجاري ألفارا . يستبدل هذا المصباح الموجه الموجي الخزفي المعتم الموجود في المصابيح السابقة بموجه موجي كوارتزي شفاف بصريًا، مما يزيد من الكفاءة. في المصابيح السابقة، كان الموقد، أو المصباح، عالي الكفاءة، لكن الموجه الموجي الخزفي المعتم كان يعيق بشدة انتشار الضوء. أما الموجه الموجي الكوارتزي فيسمح بمرور جميع الضوء من البلازما.

في عام 2012، قدمت شركة توبانجا تكنولوجيز مجموعة من مصابيح البلازما المتقدمة (APL)، التي تعمل بواسطة مشغل الترددات الراديوية (RF) ذي الحالة الصلبة ، ^{[ 13 ]} وبالتالي تجاوز العمر المحدود للمشغلات القائمة على المغنطرون ، مع طاقة نظام تبلغ 127 و230 فولت وكفاءة نظام تبلغ 96 و87 لومن / واط، مع CRI يبلغ حوالي 70. 

حصلت عدة شركات على ترخيص هذه التقنية، وأصبحت حلاً عملياً لتوفير الطاقة في تحديثات وتطويرات الإضاءة قبل أن تصل إضاءة LED إلى مستوى كفاءة مُجدٍ. وقد شاع استخدامها في الطرقات والأعمدة العالية حول العالم، لتحل محل أنظمة هاليدات المعادن والصوديوم عالية الضغط بقدرة 400 وات و750 وات و1000 وات. تميز حل البلازما الباعثة للضوء (LEP) بكثافة إضاءة أعلى بكثير من نظيراتها من مصابيح التفريغ عالي الكثافة (HID)، مع خفض استهلاك الطاقة بنسبة 50% تقريباً، وإمكانية الوصول إلى أقصى شدة إضاءة في غضون 45-60 ثانية تقريباً سواءً بالتشغيل البارد أو الساخن، على عكس مصابيح HID السابقة.

مصابيح البلازما هي نوع من مصادر الضوء التي تولد الضوء عن طريق إثارة البلازما داخل موقد أو مصباح شفاف مغلق باستخدام طاقة الترددات الراديوية . عادةً، تستخدم هذه المصابيح غازًا نبيلًا أو خليطًا من هذه الغازات ومواد إضافية مثل هاليدات المعادن أو الصوديوم أو الزئبق أو الكبريت . يُستخدم دليل موجي لحصر المجال الكهربائي وتركيزه داخل البلازما. أثناء التشغيل، يتأين الغاز وتتسارع الإلكترونات الحرة بفعل المجال الكهربائي ، فتصطدم بذرات الغاز والمعادن. تُثار بعض الإلكترونات التي تدور حول الغاز والمعادن نتيجةً لهذه التصادمات، مما يرفعها إلى مستوى طاقة أعلى. عندما يعود الإلكترون إلى حالته الأصلية، فإنه يُصدر فوتونًا ، مما ينتج عنه ضوء مرئي أو إشعاع فوق بنفسجي، وذلك حسب المواد المستخدمة في حشو المصباح.

كان أول مصباح بلازما عبارة عن مصباح معالجة بالأشعة فوق البنفسجية مزود ببصيلة مملوءة بغاز الأرجون وبخار الزئبق، وقد طورته شركة فيوجن يو في . وقد دفع هذا المصباح شركة فيوجن سيستمز إلى تطوير مصباح الكبريت ، الذي يركز الموجات الدقيقة من خلال موجه موجي مجوف لقصف بصيلة مملوءة بغاز الأرجون والكبريت.

في الماضي، كان المغنطرون، الذي يُولّد الموجات الدقيقة، يُحدّ من موثوقية المصابيح عديمة الأقطاب. أما توليد الترددات الراديوية بتقنية الحالة الصلبة، فيُحقق نتائج جيدة ويُطيل عمر المصابيح. مع ذلك، فإن استخدام رقائق الحالة الصلبة لتوليد الترددات الراديوية يُعدّ حاليًا أغلى بنحو خمسين ضعفًا من استخدام المغنطرون، ولذا فهو مناسب فقط لمجالات الإضاءة عالية القيمة. وقد أثبتت شركة ديبولار السويدية إمكانية إطالة عمر المغنطرونات بشكل كبير إلى أكثر من 40,000  ساعة، ^{[ 15 ]} مما يُتيح إنتاج مصابيح البلازما منخفضة التكلفة. وتُنتج مصابيح البلازما حاليًا من قِبل شركتي سيرافيجن ولوكسيم ، بينما تُطوّرها شركة توبانغا تكنولوجيز.

أطلقت شركة سيرافيجن مصباحًا ووحدة إضاءة مدمجة تحت الاسم التجاري ألفارا، مُصممة للاستخدام في تطبيقات الإضاءة العالية وإضاءة الشوارع. تعتمد هذه الوحدة على موجه موجي كوارتز شفاف بصريًا مع موقد مدمج، مما يسمح بمرور كامل ضوء البلازما. كما يُمكّن المصدر الصغير وحدة الإضاءة من استخدام أكثر من 90% من الضوء المتاح، مقارنةً بـ 55% فقط في تركيبات التفريغ عالي الكثافة التقليدية. وتدّعي سيرافيجن أنها تتمتع بأعلى تصنيف لكفاءة الإضاءة (LER) ^{[ 16 ]} بين جميع وحدات الإضاءة المتوفرة في السوق، وأنها أول من ابتكر مصباح بلازما عالي الكفاءة (HEP). تستخدم سيرافيجن مغنطرونًا لتوليد طاقة الترددات اللاسلكية المطلوبة، وتدّعي أن عمرها الافتراضي يصل إلى 20,000  ساعة.

تدّعي شركة Luxim أن مصباح LIFI يُنتج 120  لومن لكل واط تردد لاسلكي (أي قبل احتساب الفاقد الكهربائي). ^{[ 17 ]} كما استُخدم في سلسلة من أجهزة تلفزيون باناسونيك ذات العرض الخلفي التي توقف إنتاجها الآن. ^{[ 18 ]}

بصرف النظر عن طريقة نقل الطاقة إلى بخار الزئبق ، فإن هذه المصابيح تشبه إلى حد كبير مصابيح الفلورسنت التقليدية . يُثار بخار الزئبق في وعاء التفريغ كهربائيًا لإنتاج ضوء فوق بنفسجي قصير الموجة، والذي بدوره يُثير مواد الفسفور الداخلية لإنتاج الضوء المرئي. ورغم أنها لا تزال غير معروفة نسبيًا للجمهور، إلا أن هذه المصابيح متوفرة منذ عام 1990. وعلى عكس المصابيح المتوهجة أو مصابيح الفلورسنت التقليدية، لا يوجد اتصال كهربائي داخل الغلاف الزجاجي؛ إذ تنتقل الطاقة عبر الغلاف الزجاجي فقط عن طريق الحث الكهرومغناطيسي . يوجد نوعان رئيسيان من مصابيح الحث المغناطيسي: مصابيح ذات قلب خارجي ومصابيح ذات قلب داخلي. أول شكل متوفر تجاريًا ولا يزال شائع الاستخدام من مصابيح الحث هو النوع ذو القلب الداخلي. أما النوع ذو القلب الخارجي، الذي تم تسويقه لاحقًا، فيتميز بنطاق أوسع من التطبيقات ويتوفر بأشكال دائرية ومستطيلة وبيضوية.

المصابيح ذات النواة الخارجية هي في الأساس مصابيح فلورية مزودة بنوى مغناطيسية ملفوفة حول جزء من أنبوب التفريغ. عادةً ما تُصنع النواة من الفريت ، وهي مادة خزفية تحتوي على أكسيد الحديد ومعادن أخرى. في هذه المصابيح، تمر طاقة عالية التردد من مصدر طاقة خاص عبر أسلاك ملفوفة بشكل لولبي حول نواة فيريت حلقية الشكل موضوعة على السطح الخارجي لجزء من الأنبوب الزجاجي. يُولّد هذا مجالًا مغناطيسيًا عالي التردد داخل نواة الفريت. ولأن النفاذية المغناطيسية للفريت أعلى بمئات أو آلاف المرات من نفاذية الهواء أو الزجاج المحيط، ولأن نواة الفريت توفر مسارًا مغلقًا للمجال المغناطيسي، فإنها تحتوي فعليًا على كامل المجال المغناطيسي.

وفقًا لقانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي ، يُولّد المجال المغناطيسي المتغير مع الزمن في القلب جهدًا كهربائيًا متغيرًا مع الزمن في أي مسار مغلق يحيط بهذا المجال. يُشكّل أنبوب التفريغ أحد هذه المسارات المغلقة حول قلب الفريت، وبهذه الطريقة يُولّد المجال المغناطيسي المتغير مع الزمن في القلب مجالًا كهربائيًا متغيرًا مع الزمن في أنبوب التفريغ. لا حاجة لاختراق المجال المغناطيسي لأنبوب التفريغ. يُحرّك المجال الكهربائي الناتج عن المجال المغناطيسي المتغير مع الزمن تفريغ غاز الزئبق بنفس الطريقة التي يُحرّك بها المجال الكهربائي التفريغ في مصباح الفلورسنت التقليدي. يُشكّل الملف الابتدائي على قلب الفريت، والقلب نفسه، والتفريغ، مُحوّلًا كهربائيًا ، حيث يُمثّل التفريغ لفة ثانوية واحدة في هذا المُحوّل.

يحتوي أنبوب التفريغ على ضغط منخفض من غاز مثل الأرجون وبخار الزئبق . تُستمد ذرات الزئبق من قطرة من الزئبق السائل، أو من ملغم شبه صلب من الزئبق ومعادن أخرى مثل البزموت أو الرصاص أو القصدير . يتبخر جزء من الزئبق السائل أو الزئبق الموجود في الملغم مُنتجًا بخار الزئبق. يُؤين المجال الكهربائي بعض ذرات الزئبق مُنتجًا إلكترونات حرة، ثم يُسرّع هذه الإلكترونات الحرة. عندما تصطدم الإلكترونات الحرة بذرات الزئبق، تمتص بعض هذه الذرات الطاقة من الإلكترونات وتُثار إلى مستويات طاقة أعلى. بعد فترة وجيزة، تعود ذرات الزئبق المُثارة تلقائيًا إلى حالتها الأصلية ذات الطاقة المنخفضة وتُصدر فوتونًا فوق بنفسجيًا يحمل الطاقة الزائدة. كما هو الحال في أنبوب الفلورسنت التقليدي ، ينتشر فوتون الأشعة فوق البنفسجية عبر الغاز إلى داخل الغلاف الخارجي للمصباح، حيث يمتصه طلاء الفوسفور على ذلك السطح، ناقلاً طاقته إليه. وعندما يعود الفوسفور إلى حالته الأصلية ذات الطاقة المنخفضة، فإنه يُصدر ضوءًا مرئيًا. وبهذه الطريقة، يتم تحويل فوتون الأشعة فوق البنفسجية إلى ضوء مرئي بواسطة طلاء الفوسفور الموجود داخل الأنبوب. وتمنع الجدران الزجاجية للمصباح انبعاث فوتونات الأشعة فوق البنفسجية لأن الزجاج العادي يحجب الأشعة فوق البنفسجية عند  طول موجي 253.7 نانومتر وما دونه.

في الشكل ذي القلب الداخلي (انظر الرسم التوضيحي)، يبرز أنبوب زجاجي (B) باتجاه المصباح من أسفل وعاء التفريغ (A)، مُشكِّلاً تجويفًا داخليًا. يحتوي هذا الأنبوب على هوائي يُسمى مُقرن الطاقة ، ويتكون من ملف ملفوف حول قلب أسطواني من الفريت . يُشكِّل الملف والفريت معًا المحث الذي ينقل الطاقة إلى داخل المصباح.

تستقبل ملفات الهوائي الطاقة الكهربائية من مشغل الترددات العالية الإلكتروني (C) الذي يُولّد ترددًا عاليًا . يختلف التردد الدقيق باختلاف تصميم المصباح، ولكن من الأمثلة الشائعة 13.6 ميجاهرتز ، و2.65 ميجاهرتز، و250 كيلوهرتز. تُنتج دائرة رنين خاصة في المشغل جهدًا عاليًا أوليًا على الملف لبدء تفريغ الغاز؛ وبعد ذلك، ينخفض ​​الجهد إلى مستوى التشغيل العادي.   

يمكن اعتبار هذا النظام نوعًا من المحولات ، حيث يشكل موصل الطاقة (المحث) الملف الابتدائي، بينما يشكل قوس التفريغ الغازي في المصباح الملف الثانوي ذو اللفة الواحدة وحمل المحول . يتم توصيل المشغل بالتيار الكهربائي الرئيسي ، وهو مصمم عادةً للعمل على جهد يتراوح بين 100 و277 فولت تيار متردد بتردد 50 أو 60 هرتز، أو على جهد يتراوح بين 100 و400 فولت تيار مستمر لأنظمة إضاءة الطوارئ التي تعمل بالبطاريات . تتوفر العديد من المشغلات بنماذج ذات جهد منخفض، مما يسمح بتوصيلها بمصادر جهد تيار مستمر مثل البطاريات لأغراض إضاءة الطوارئ أو للاستخدام مع الأنظمة التي تعمل بالطاقة المتجددة.   

في مصابيح التفريغ الغازي التقليدية الأخرى، تُعدّ الأقطاب الكهربائية الجزء الأقصر عمرًا، مما يحدّ بشكل كبير من عمر المصباح. أما مصابيح الحث، لعدم احتوائها على أقطاب كهربائية، فتتمتع بعمر تشغيلي أطول. بالنسبة لأنظمة مصابيح الحث المزودة بمحرك تشغيل منفصل، قد يصل عمرها التشغيلي إلى 100,000  ساعة، أي ما يعادل 11.4 عامًا من التشغيل المتواصل. أما مصابيح الحث المزودة بمحركات تشغيل مدمجة، فيتراوح عمرها التشغيلي بين 15,000 و50,000 ساعة. ويتطلب تحقيق هذا العمر التشغيلي الطويل استخدام دوائر إلكترونية  عالية الجودة في محرك التشغيل . تُستخدم هذه المصابيح عادةً في التطبيقات التجارية والصناعية. وعادةً ما تكون تكاليف التشغيل والصيانة أقل بكثير مع أنظمة إضاءة الحث، نظرًا لدورة حياتها التي تصل إلى 100,000 ساعة (متوسط ​​عمر الصناعة) وضمانها الذي يمتد من خمس إلى عشر سنوات.

المزايا

• عمر طويل بسبب عدم وجود أقطاب كهربائية - من الناحية الدقيقة، يكاد يكون غير محدد بالنسبة للمصباح ولكنه يتراوح بين 25000 و 100000  ساعة، اعتمادًا على طراز المصباح وجودة الإلكترونيات المستخدمة؛
• كفاءة عالية في تحويل الطاقة تتراوح بين 62 و 90 لومن / واط (المصابيح ذات الطاقة الأعلى تكون أكثر كفاءة في استخدام الطاقة).

• قائمة مصادر الإضاءة
• موقد الحث

• مصابيح الحث بدون أقطاب كهربائية ، متحف تكنولوجيا المصابيح الكهربائية