Óptica - Lâmpadas a descarga de baixa pressão com vapor de Mercúrio ou vapor de Sódio
  • Drano Rauteon

Óptica - Lâmpadas a descarga de baixa pressão com vapor de Mercúrio ou vapor de Sódio


Nesta sequência de artigos, vamos desbravar as lâmpadas à descarga, que são mais eficientes que as velhas lâmpadas incandescentes. Para tal façanha, iremos inicialmente dividir tudo em níveis de abstração, para que seja fácil compreender as diferenças muitas vezes ignoradas ou até mesmo enroladas em explicações espalhadas pela internet.

Agora vamos falar um pouco sobre as características da lâmpada fluorescente.

Também chamadas de lâmpadas fluorescentes, elas foram as mais populares no Brasil. Estas lâmpadas utilizam vapores metálicos à pressões na ordem de 10^-3 ATM com uma densidade de potência de arco na ordem de 0,5 W/cm à 2 W/cm (watts por centímetro). Os materiais utilizados são o vapor de Mercúrio e vapor de Sódio, sendo o primeiro mais popular no Brasil.

Existem duas versões destas lâmpadas, e ambas são descritas logo abaixo.

Os eletrodos encontram-se hermeticamente selados no interior do tubo, em cada extremidade.

Para que o gás possa conduzir, ele deve ser polarizado, isso já foi dito no texto. Há duas formas de isto acontecer:

> Lâmpadas CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp - Lâmpada Fluorescente de Cátodo Frio): não possuem filamento, mas sim um eletrodo cilíndrico recoberto de uma substância que emite elétrons, sendo aquecida pelo calor que gera a descarga de arranque.

Lâmpadas CCFL utilizam um circuito chamado de “Inverter” dotado de um transformador para gerar os pulsos de alta frequência que vão ionizar o gás e o vapor metálico. Estas lâmpadas também possuem uma capsula com diâmetro menor, utilizam muito menos gás (neste modelo é utilizado bastante Neônio ou Argônio), tem uma vida útil muito maior que as lâmpadas de catodo quente e a quantidade de luz emitida pode ser regulada entre um valor mínimo e um máximo. Por todos estes motivos, os display's LCD de TVs e monitores antigos utilizavam as lâmpadas CCFL no backlight.

> Lâmpadas HCFL (Hot Cathode Fluorescent Lamp - Lâmpada Fluorescente de Cátodo Quente): possui um filamento que aquece e assim libera elétrons (emissão termiônica). Estes elétrons irão fazer o gás conduzir. Lâmpadas HCFL mais antigas necessitam de um “starter” para poder funcionarem.

Lâmpadas fluorescentes de cátodo quente utilizam filamentos parecidos com os de lâmpadas incandescentes, porém a temperatura normal de operação é mais baixa, na casa dos 800°C a 1100°C.

Os filamentos destas lâmpadas fluorescentes também são revestidos com materiais com baixa função de trabalho, isto é, não tão condutores, como por exemplo o Óxido de Bário.

CURIOSIDADE: Lâmpadas de cátodo quente mais novas não necessitam de “starter”, equipamento utilizado antigamente. O chamado pré-aquecimento ocorre quando a lâmpada é ligada, como foi dito acima, pela passagem de corrente, e assim em questão de pouquíssimo tempo atingem a temperatura normal de operação. O pré-aquecimento influência bastante na vida útil da lâmpada.

Desenvolvida em meados de 1940 e conhecida popularmente como lâmpada tubular fluorescente em função da geometria tubular de seu tubo de descarga, este tipo de lâmpada tem aplicações em muitas áreas da iluminação. Como já foi dito, o tubo de descarga é revestido internamente com uma camada de pó popularmente conhecida como Fósforo, que converte um comprimento de radiação especifico na faixa ultravioleta numa luz do espectro visível.

Lâmpadas fluorescentes comerciais comuns utilizam um bulbo de vidro em formato tubular , que historicamente são designados pela letra "T" (de tubular) seguido de um número que indica seu diâmetro máximo em oitavos de polegada. Um tubo T12, por exemplo, significa um bulbo tubular de 12/8 de polegada.

Lâmpada fluorescente compacta

Esta lâmpada foi introduzida no mercado no início da década de 80 e apresenta alguns detalhes construtivos que a diferenciam das lâmpadas fluorescentes tubulares convencionais, porém, seu princípio de funcionamento é idêntico

A lâmpada fluorescente compacta é constituída de um tubo de vidro do tipo T4 ou

T5, com revestimento de “tri-fósforo” e filamentos nas suas extremidades. Existem

diversas formas construtivas para o tubo de descarga, sendo duas as mais comuns:

a) um tubo único curvado em “U”;

b) dois tubos independentes, unidos por uma ponte.

Veja o diagrama de uma lâmpada compacta abaixo:

Figura 1

A lâmpada fluorescente compacta, em geral só apresenta duas conexões elétricas, uma vez que os filamentos encontram-se ligados em série através de um “starter”, o qual fica alojado num invólucro na base da lâmpada. A estabilização da lâmpada é feita através de um reator indutivo, conectado externamente.

Algumas lâmpadas já apresentam um reator incorporado na sua base, em geral do tipo rosca Edison, que é utilizada em lâmpadas incandescentes. O reator poder ser indutivo ou eletrônico, sendo este último mais leve de forma a reduzir o peso do conjunto.

Veja abaixo a imagem de uma placa de uma Lâmpada fluorescente compacta:

Figura 2

Há um filtro EMI para impedir que o ruído gerado no circuito de comutação interna volte para a rede, um transformador, uma ponte retificadora feita de diodos, um filtro com capacitor e um circuito semi-inversor que tem a função de converter o sinal de CC para CA para elevar a frequência para valores superiores a 20 kHz.

Uma frequência alta é necessária para que uma lâmpada fluorescente funcione normalmente. No caso das lâmpadas CCFL utilizadas em televisores LCD antigos, são frequências que vão de 40 kHz a 80 kHz.

A lâmpada fluorescente compacta foi concebida para substituir a lâmpada incandescente. A tabela abaixo apresenta as características de alguns modelos comerciais de ambos os tipos de lâmpada. Os valores da eficácia luminosa do conjunto lâmpada+reator foram obtidos com um reator indutivo.

Tabela 1

Pela tabela acima verifica-se que a lâmpada compacta apresenta dimensões físicas similares à incandescente, porém consome um sexto da potência a apresenta uma vida útil 8 vezes maior. Apesar de seu custo ainda ser muito elevado (8 a 10 vezes superior ao de uma lâmpada incandescente), torna-se uma alternativa viável em aplicações onde se necessita de uma fonte de luz compacta e com baixo consumo de energia elétrica.

A lâmpada de sódio de baixa pressão (LPS - Low Pressure Sodium) foi pouco utilizada no Brasil. Foi desenvolvida na década de 1930 e utiliza um tubo de descarga de vidro boratado em formato de "U", com filamentos nas suas extremidades, contendo vapor de sódio à 7x10-7 atmosferas e um gás de ignição (99% neônio e

1% de argônio) à pressão de 7x10-4 atmosferas.

Para garantir isolamento térmico, o tubo de descarga é inserido sob vácuo no interior de um bulbo de vidro transparente, conforme mostra a figura abaixo:

Figura 3

A lâmpada LPS é a fonte de luz artificial de maior eficácia luminosa (198 lm/W para lâmpadas de 131 W). A sua eficácia é determinada pela temperatura na parede do tubo de descarga. As lâmpadas mais modernas apresentam uma película de óxido de índio aplicada sobre a superfície interna do bulbo, que reflete a radiação

infravermelha para o tubo de descarga, mantendo a temperatura da parede em 270 °C.

Ao contrário da descarga de Mercúrio de baixa pressão, a radiação pela lâmpada LPS emitida é visível, sendo constituída pelas raias características do sódio, cujos comprimentos de onda são de 589 nm e 589.6 nm. Estes valores são muito próximos de 555 nm, que corresponde ao valor máximo de sensibilidade do olho. A característica monocromática da luz emitida determina o baixo índice de reprodução de cores (Ra igual ou menos a 20).

A tabela abaixo apresenta as características de alguns modelos comerciais:

Tabela 2

As características geométricas (a lâmpada de 131W tem comprimento de 1.1 m), a posição de operação (no máximo 20° em relação à horizontal), o baixo índice de reprodução de cores, o fluxo luminoso e vida útil (20000 horas) elevados tornam esta lâmpada adequada para aplicações onde são necessários níveis de iluminação elevados e os requisitos de qualidade de luz possam ser desprezados.

Em geral são utilizadas na iluminação de túneis e ou em rodovias (como na Holanda e na Bélgica).

Neste artigo você viu sobre lâmpadas fluorescentes tubulares e compactas, além de lâmpadas de vapor de sódio a baixa pressão. No próximo, veremos sobre as lâmpadas fluorescentes de Mercúrio e Sódio, só que com alta pressão.

Gostou do artigo? Tem alguma sugestão? Então entre em contato conosco pelo hardwarecentrallr@gmail.com.

Lembrando que este artigo foi baseado na mistura de um artigo antigo sobre lâmpadas fluorescentes aqui do HC e um PDF da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo - Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas sobre principais tipos de lâmpadas e suas características.

FONTES E CRÉDITOS:

Texto: Drano Rauteon; ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO - Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas

Imagens: Leonardo Ritter

Fontes: Hardware Central; ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO - Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas; VRBrasil; Mundo Educação; Esquadrão do Conhecimento; novaeletronica.com.


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