ネオン管とはそもそもなんでしょう。多くの人が光るもの全てをネオンランプ(ネオン管)と誤認しています。ネオン管が光る理由と蛍光灯の違いや仕組み。大学の研究テーマでプラズマを選考していた筆者がネオン管を光らせる方法を動作電圧や抵抗の有無について解説します。ネオン管が光る理由を理解し、DIYに活用しましょう。
ネオン管の仕組みは放電管ですので光るには約80-100Vの高電圧回路が必要になります。ネオン管は定格以上の高電圧や大電流を流さなければほぼ無限と言っていい程長寿命なデバイスです。
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ネオン管が光る理由を解説！蛍光灯との違いや仕組み。寿命は？ポイント
- ネオン管は放電管ですので、光らせるには家庭用のAC100Vか、交流の高電圧回路が必要になります。
- ネオン管は基本的に長寿命な光デバイスです。定格電圧・定格電流を守って使用する分には壊れる心配はほぼありません。(約80-100Vの交流電源)
- ネオン管は本来ネオンガスを使用するものがネオンランプと呼ばれており、放電させるとネオンガスの色はオレンジから赤色に光る。
- 蛍光灯には距離のある放電をさせる為にヒーターがあり、熱電子を飛ばすがネオン管には蛍光灯のようなヒーターは無いし、放電開始電圧も低い。
ネオン管を光らせるのに必要な電圧と電流を解説する前に、まずはネオン管がどのようなものなのかを簡単に解説します。ネオン管とは主にガラス管に封入されたガスがネオンガスであるランプがネオンランプです。封入されるガスの種類によって発光色が異なります。一般的にネオンは赤(オレンジ)・アルゴンは紫色です。これらは正式にはガス放電管という名前が付けられていますが、一般的に総称してネオン管と呼ばれています。
ガス放電管には秋葉原のラジオデパートにしかない今は貴重品の展示品があります。昔は、ネオンランプ内に水銀を入れてガラス管内に塗布した蛍光体に電子が当たる事により緑色や青色に発光する珍しいガス放電管もありました。
ネオンランプを放電させるには通常数千ボルトの電圧が必要になりますが、ガスに圧力を加える事により動作電圧を低く出来るように設計されています。(これはガス圧と電圧に関係するパッシェンの法則によるものです)一般的なネオンランプの動作電圧は70-80V前後です。電流は3mA前後です。
ネオンランプは交流電源でも直流電源でも点灯させることが出来ます。(つまり、ネオンランプに極性はありません)
上記の事からわかるように、ネオンランプを点灯させるには少々高い電圧(80V)が必要です。乾電池や車の24Vバッテリーなどを沢山つなげれば光るでしょうが、現実的ではありません。
ネオンランプは12Vで点灯させることは出来ません。但し、3Vや12V電源でも昇圧回路等を組み合わせれば簡単に点灯させる事が出来ます。
ネオン管を光らせるのに抵抗が必要な理由は？抵抗が無いとどうなるの？
ネオン管の光る寿命はどのくらい？蛍光灯やその他のデバイスと比較してどうなのか
ネオン管の寿命は数万時間と言われています。基本的に殆ど無限です。続いてネオン管と似たようなデバイスについて紹介します。ネオン管と似たようなデバイスは写真のようにグローランプがあります。これも放電管の一種でネオン管と似ていますが仕組みが異なります。放電色は紫ですので中に入っているガスはアルゴンガスですし、グローランプにはバイメタルという熱で変形する金属がついて居ます。放電の熱で接点がくっついたり離れたりを繰り返します。
他にも放電管には蛍光灯がありますが、これは仕組みが全く異なります。蛍光灯は放電させる距離が長いことや、放電しやすくさせる為に水銀が入っています。また、放電をしやすくするために電極部分には電子をより飛ばしやすくするためのヒーターがついて居ます。他にも、蛍光灯には水銀で発生させた紫外線を可視光に変換する為の蛍光塗料が管内壁に塗布されています。
ネオン管とかなり似たデバイスにCCFL(冷陰極管蛍光ランプ)があります。これは初期のガラゲーの照明(バックライト)として使われていました。蛍光灯のように熱電子放出機構を持たない照明で、熱電子を放出しない代わりに超高電圧300V前後での印加電圧が必要です。
ネオン管は現在では低消費電力のLEDに代わり、過去の遺物となりつつありますが制作コストが安いのでパイロットランプなどとして家庭用のスイッチのON・OFF確認用に使用されています。
ネオン管が静電気だけで光るってホント！？どうやったら光るか実験してみよう
静電気の平均的な電圧をグーグルで調べてみましょう。約3000~3万ボルトと言われています。ネオン管の動作電圧は80V前後ですので、光る事が分かります。これだけの高電圧で故障しないのは、流れる電流が一瞬だからです。
ちなみに、静電気除去グッツで触れると光るものがありますが初期のものは殆どネオン管を利用しています。
他にも面白い実験として電子ライターのプラズマでも光りますし、ガスコンロなどの放電でも光ります。
余談ですが、ネオン管には次のような性質があります。
電極の回りだけが発光する。マイナス電極だけが発光する。(両方とも光っているように見えるのは交流電源だから)。発光していない時の抵抗は無限大(放電を始めると極端に低下する)。
実験用のネオンランプの部品はサトーパーツさんが有名です。
ネオン管を光らせるのに抵抗が必要な理由は？抵抗が無いとどうなるの？
ネオン管は仕様に書かれている動作電圧の範囲内であれば抵抗が無くても光ります。例えば画像で使っているパッケージタイプのものは最大動作電圧が220Vと書かれていますので、220Vを印加する時に適正な電流を流すために抵抗が接続されます。
適正な範囲内の印加電圧で使用する分には抵抗は必要ないが、100V-220Vのように電圧が大きくなれば流れる電流が増大して過負荷となるので、適正な電流を流すための抵抗が必要になる。家庭用電源である100Vでネオンランプを点灯させようとした場合、100KΩ(1/4W)の抵抗を準備しましょう。
100Vで点灯＝抵抗は100kΩ(1/4W)を接続。
必要に応じてネオン管に接続する抵抗を計算したい場合は次式で求める事が出来ます。
\[\displaystyle \text{電流設定抵抗値(R)}=\frac{\text{定格維持電圧(V) – 放電維持電圧(V)}}{\text{ネオン管に流す電流(A)}}\]※数式がはみ出す場合は横スクロール可能です。
式を用いて計算しなくても普通にパイロットランプで使用する場合は100Vか海外の220V位しかないので220Vで使用する場合は220KΩ(1/4W)のどちらかです。
220Vで点灯＝抵抗は220KΩ(1/4W)を接続。
検証していないのでわかりませんが、あまりの高電圧で放電させようとした場合、極端に寿命が縮むのは勿論、沿面放電するか内部には高圧ガスが充填されている為、衝撃でガラス管が破裂する可能性がある事は容易に想像がつきます。
ネオン管は電極に極性が無いので、交流の場合でもLEDのようにダイオードを取り付けて保護する必要がありません。
ネオン管を点滅させるにはどういう回路が必要か
ネオン管はパイロットランプの様に常に点灯させる基本回路から、応用としてクリスマスツリーでおなじみの点滅させる動作が一般的です。ネオン管を点滅させるには抵抗とコンデンサーで構成された充放電回路を用いる必要があります。
基本回路構成をご覧ください。100Vと記載のある部分は100V電源でRは抵抗です。Cはコンデンサー。Neはネオンランプの図記号です。
点滅の基本原理はとてもシンプルです。抵抗Rを通じてCに交流電圧が印加されると、コンデンサーは徐々に印加電圧付近まで電圧を上げていきますが、ネオンランプの放電開始電圧80V前後になるとコンデンサーが放電し、ネオン管に放電電圧が与えられます。
コンデンサーは放電すると電圧が0V付近まで低下するので、放電終止電圧付近になるとネオン管の放電が止まります。ネオン管の放電が終了すると、再び抵抗Rを通じてコンデンサーが印加電圧付近まで充電され始め、その手前のネオン管の放電開始電圧付近でコンデンサーが放電する。この繰り返しでネオン管ベースのクリスマスツリーは点滅しています。
RとCの値を適当に変えてやれば点滅の間隔をずらすことも出来ます。
ネオン管を扱う注意点は？
ネオン管はほぼ無限ともいえる長寿命のランプですが、扱う上での基本的な注意点を確認する必要があります。
ネオン管は全てガラス管で出来ていますので、取り扱い方法を間違えると割れます。今では製造されていませんが、水銀入りのランプは有毒です。
動作電圧を守って使用する分には問題ありませんが、仕様を超えての電圧で動作させる場合は電圧に見合った抵抗を選別する必要があります。(抵抗を選別しないで抵抗なしで点灯させた場合、寿命定価の原因となる)
また、ネオン管は動作電圧が高いため100Vでの電圧が基本となりますが、家庭用の100V電源は感電やショートなどの危険があるので、絶縁スリーブを利用したり、基盤に固定するなどの十分な配慮が必要です。
ネオン管を接続する為の道具類は？すべてダイソーで揃う材料でOK！
ネオン管の点灯回路を製作するのに何の道具が必要か気になった方もいると思います。道具や接続の方法については下記の記事が詳しく書かれていますので、ダイソーで必要な道具を揃えて実際に組み立ててみましょう。
ネオン管が光る理由を解説！蛍光灯との違いや仕組み。寿命をまとめ
最後にネオン管を光る理由と抵抗が必要な理由を纏めます。ネオン管は内部にネオンガスを利用しています。ネオンガスの放電はオレンジまたは赤色の光で発光します。ネオン管の動作電圧は約80V前後で点灯しますが、100Vや220Vの電圧で点灯させる場合は電流を安定させるために抵抗が必要です。
100Vで点灯させる場合は100kΩ(1/4W)。220Vで点灯させる場合は220KΩ(1/4W)の抵抗が必要になります。
抵抗を無くして高電圧で放電させ続けた場合は極端な寿命の低下を招く原因となりますので必ず抵抗は入れましょう。
ネオン管を点滅させる回路は抵抗とコンデンサーの充放電回路で実現できます。
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