Óptica - Lâmpadas fluorescentes

Óptica - Lâmpadas fluorescentes

22/08/2018

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  Olá leitor! Hoje vamos falar das velhas lâmpadas fluorescentes, que além de estarem presentes em muitas casas pelo mundo, são utilizadas em projetores 3LCD e DLP e também nos display's LCD antigos!

  Lâmpadas fluorescentes possuem em seu interior um gás inerte, que pode ser vapor Mercúrio (Hg), Argônio (Ar) ou Neônio (Ne). Nas TVs de Plasma há uma mistura de Xenônio (Xe) com Neônio.

  Mas, o que é um gás inerte? É um gás que não reage quimicamente com outras substâncias estando em suas condições normais de temperatura e pressão (CNTP). Um gás inerte também não é reativo e não provoca desequilíbrio químico. Os gases apresentados no início do texto são inertes e conhecidos como "Gases Nobres" ou também gases raros.

  Os estudo em cima deste tipo de lâmpada começou com o físico francês Alexandre E. Becquerel que pesquisou sobre fenômenos de fluorescência, fosforescência e fez sua teoria sobre lâmpadas fluorescentes. O primeiro protótipo só surgiu em 1901, pelo americano Peter Cooper Hewitt. Em 1934, o engenheiro da General Electric, Arthur Compton, fez os primeiros testes com lâmpadas fluorescentes. Em 1976, a lâmpada fluorescente com formato espiral e compacta foi criada por Edward E. Hammer, também da GE. Somente nos anos 1990 que lâmpadas fluorescentes começaram a ser produzidas em larga escala. Um dos grandes polos fabricantes sempre foi a China.

  Para que a mágica aconteça e a lâmpada emita luz, o gás presente em seu interior precisa ser ionizado, conduzir elétrons e se transformar em Plasma, um quarto estado da matéria. Veja as explicações sobre ionização e Plasma abaixo:

"[...]

Gás e Plasma

  O gás, como dito acima, passa a conduzir ao ser polarizado. Mas como que um gás pode conduzir elétrons? Primeiro vamos dissertar sobre o plasma:

  A matéria possui três estados de conservação: o líquido, sólido e gasoso. Não, pera! tem mais um, o Plasma é considerado o quarto estado da matéria! Quando aplicado uma diferença de potencial bastante alta em um gás, a força que mantém os elétrons na órbita dos átomos é superada e, os elétrons começam a se soltar, formando assim, íons positivos e, desta forma, o gás passa a ser um grande concentrador de energia e também um grande condutor.

  O plasma e o gás não são idênticos. O plasma conduz elétrons melhor que o cobre, pode interagir com campos elétricos (DDP) e eletromagnéticos, além de fluir como um líquido bastante viscoso, diferente do gás, que não conduz energia. Mesmo assim, eles possuem características em comum, como por exemplo, capacidade de fluir e baixa densidade.

 

Íons

  Um átomo é eletricamente neutro pois, ele possui a mesma quantidade de prótons, que são positivos e de elétrons, que são negativos. Quando um átomo perde ou ganha elétrons, ele passa a ser um íon, isto é, um átomo que possui quantidade de elétrons e prótons diferentes. Caso o átomo tenha ganhado elétrons, ele será chamado de "ânion" e caso tenha perdido elétrons, será chamado de "cátion".

  Um gás é eletricamente neutro pois, seus átomos possuem a mesma quantidade de prótons e de elétrons. O que faz o gás conduzir são as condições descritas no próximo parágrafo. Veja:

  Para um gás conduzir, ele precisa estar entre dois eletrodos (ânodo e cátodo) e a uma determinada pressão, que é medida em atm (atmosfera). A distância entre os eletrodos, a diferença de potencial aplicada e a pressão do gás vão definir se ele irá conduzir elétrons ou não. Por exemplo, não irá adiantar colocar dois eletrodos a 2 metros de distância um do outro, aplicando-se uma tensão de 50 volts e uma pressão extremamente baixa. Tudo deve ser muito bem calculado para que a pressão, a tensão e a distância sejam perfeitas para o determinado elemento químico em estado gasoso conduzir elétrons. Veja o esboço de um dispositivo fluorescente abaixo:

  Mas o como que a condução de elétrons é feita? Simples!

  Como foi descrito o plasma, ao ser aplicado uma determinada diferença de potencial (se há DDP, há corrente elétrica nos eletrodos), elétrons serão arrancados dos átomos, formando assim íons positivos que serão atraídos para o cátodo (polo positivo). Esta atração fará com que aumente a energia cinética dos cátions. Durante o percurso até o cátodo, eles também podem se chocar com átomos eletricamente neutros, fazendo com que estes átomos percam elétrons e se tornem íons positivos também. Os elétrons soltos são atraídos para o ânodo (polo negativo).

  Este processo contínua acontecendo enquanto houver DDP: átomos se transformando em cátions, que são atraídos para o polo positivo e que podem se chocar com átomos durante e percurso, fazendo com que estes também percam elétrons. Estes elétrons são atraídos para o polo negativo e, assim é gerada a corrente elétrica.

 

[...]"

 

  Este texto foi retirado do artigo "Óptica - Display de Plasma" publicado em 20 de Junho de 2018 no Hardware Central.

 

  O que se espera de toda esta transformação descrita nos textos acima é a geração de raios ultravioleta, que será explicado melhor no texto abaixo:

 

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Raios Ultravioleta

  Quando a tensão aplicada é cortada, os átomos voltam a ficar neutros (os elétrons voltam aos seus lugares) e a energia excedente deste processo de transformação do gás em plasma é liberada em forma de ondas eletromagnéticas com frequências muito altas. Estas frequências são do espectro de raios ultravioleta (UV). No primeiro artigo sobre óptica, foi visto que raios ultravioleta estão abaixo da faixa de 390 nm, numa frequência a partir de 7,69 TeraHertz.

  Raios ultravioleta não fazem bem para o nosso organismo. Um bom exemplo é o Sol, que também emite raios UV e a exposição a ele em excesso provoca câncer de pele. Mas então estamos desprotegidos ao ter uma TV de plasma ou uma lâmpada fluorescente em casa? Não! Continue lendo!

 

[...]"

 

  Este texto foi retirado do artigo "Óptica - Display de Plasma" publicado em 20 de Junho de 2018 no Hardware Central.

 

  Estes raios ultravioleta não chegam perto de nós pois, na cápsula de vidro da lâmpada há um revestimento interno do elemento químico Fósforo, que recebe toda essa radiação UV.

  Quando um átomo recebe cargas elétricas através de ondas eletromagnéticas ou de descargas elétricas, os elétrons deste átomo tendem a ficar acelerados e saltarem das camadas mais próximas do núcleo para as mais longe do núcleo.

 Um átomo com todas as camadas disponíveis

 

  Os elétrons das camadas mais distantes do núcleo do átomo possuem mais energia, e os elétrons das camadas mais próximas ao núcleo possuem menos energia. Quando um elétron próximo ao núcleo recebe energia, ele tende a saltar para camadas mais externas. Os elétrons tendem a voltar pra seus lugares originais no átomo em questão de milésimos de segundo e, nesse processo de retorno, os elétrons liberam a energia utilizada para saltar, esta energia é liberada em forma de fótons de luz, isto é, luz visível ao nosso olho.

  O processo do elétron mais próximo de núcleo receber energia e saltar para camadas mais externas é chamado de salto quântico.

  O Fósforo tem características propícias para esta função de transformar os raios UV, provenientes da ionização e condução do gás, em luz visível. Este fenômeno criado pelo Fósforo é chamado de fluorescência.

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

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

 > Lâmpadas HCFL (Hot Cathode Fluorescent Lamp - Lâmpada Fluorescente de Cátodo Quente): possuem 2 filamentos que aquecem e assim liberam elétrons (emissão termiônica). Estes elétrons irão fazer o gás conduzir. Estas lâmpadas precisam de starter, um circuito responsável por "dar a partida" na lâmpada.

 > Lâmpadas CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp - Lâmpada Fluorescente de Cátodo Frio): não possuem filamentos, mas sim eletrodos que "energizam" o gás inerte. Utilizam um transformador para gerar os pulsos de alta frequência que vão fazer a lâmpada funcionar. 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.

 

  Projetores 3LCD e DLP utilizam lâmpadas HCFL de vapor de Mercúrio sob alta pressão (nos projetores 3LCD pode ultrapassar 200 atm) com um tubo de descarga de quartzo, ao invés do vidro, para poderem suportar as altíssimas temperaturas que a lâmpada pode atingir. Elas podem utilizar Vanadato de Ítrio para corrigir o pouco de luz azul emitida com a radiação UV. Estas lâmpadas precisam gerar uma luz branca muito forte e pura para ser modulada e projetada na parede, formando uma imagem. Veja abaixo o diagrama de uma lâmpada fluorescente para projetores:

  Há uma superfície refletora, com espelhos dicroicos para direcionar todos os raios de luz para uma só direção. Há entradas de ar onde é adicionado uma ventoinha (que pode ter um sensor de temperatura embutido) para ajudar na refrigeração. Há o tubo ARC (vidro de descarga fundido em alta temperatura ou quartzo, como foi dito) com toda a estrutura interna da lâmpada e, inclusive o fósforo.

 

  Lâmpadas comuns utilizadas na iluminação domiciliar podem ser CCFL ou não e podem utilizar vapor de Mercúrio com Argônio para gerar luz. Quando é utilizado estes dois gases, deve haver um starter para ionizar o vapor de Mercúrio ou um eletrodo auxiliar para ionizar o Argônio.

  No caso do eletrodo, ele é ligado a um resistor que limita a corrente para que o circuito funcione apenas no momento da ignição e não seja necessário o uso de um starter. Depois que o gás foi ionizado, a impedância entre os eletrodos principais é bastante baixa, diferente da impedância do resistor, que fica praticamente inativo. Abaixo, o diagrama de uma lâmpada fluorescente com as características descritas acima:

  Veja que ao lado do diagrama há uma foto de uma lâmpada fluorescente com a camada de fósforo raspada para vermos a parte interna dela. Há um resistor para dar início a ionização do Argônio, como foi dito acima, há também a cápsula com os gases e os filamentos que esquentam para vaporizar a gota de Mercúrio e a camada de Fósforo.

  A capa com a camada de fósforo é normalmente feita de vidro borossilicato e protege a estrutura interna de variações de temperatura externa e oxidação.

  O starter serve para dar uma tensão de algumas centenas de Volts para que ocorra a ionização do vapor de Mercúrio. Após o gás já ter ionizado, o startersimplesmente  para e pode ser até retirado do circuito com a lâmpada em funcionamento.

  O reator, também chamado de balastro, é eletromagnético e possui uma bobina que gera o pulso na frequência, tensão e corrente necessária para ionizar o gás da lâmpada e mante-la funcionando. Veja o diagrama de uma lâmpada fluorescente comum abaixo:

 >A: Tubo fluorescente;

 >B: Entrada de energia (127V / 220V);

 >C: Starter (arrancador);

 >D: Interruptor (Termostato Bimetálico);

 >E: Capacitor;

 >F: Filamentos;

 >G: Reator (balastro).

 

  O starter é composto por um capacitor e um termostato bimetálico, que nada mais que uma lâmpada de Neônio que, ao receber energia deixa conduzir até que a temperatura a faça abrir o circuito. O capacitor só funciona quando o lâmpada de Neônio para de trabalhar. A maioria dos dispositivos atuais nem requer mais isso.

 

  Lâmpadas fluorescentes atuais são mais compactas e possuem um circuito eletrônico que elimina starter e reator, mas é mais complexo. Veja a imagem abaixo:

   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.

   Por incrível que pareça, não é o tempo de uso que danifica a lâmpada fluorescente, mas sim o processo de ligar a lâmpada, que exige a alta tensão extra para ionizar o gás. O aquecimento excessivo também prejudica, não é atoa que os projetores possuem ventoinha e sensor de temperatura para controlar o superaquecimento na região da lâmpada.

  Se ficou com dúvidas, mande um e-mail para hardwarecentrallr@gmail.com ou entre em contato pelo Facebook. Não deixe de curtir e compartilhar no Facebook. Ajude a difundir conteúdo de qualidade!

 

FONTES e CRÉDITOS

 

Texto e imagens: Leonardo Ritter

Fontes: VRBrasil; Mundo Educação; Esquadrão do Conhecimento; novaeletronica.com; 3LCD.com; artigo "Óptica - Display de Plasma" do Hardware Central; Wikipédia (Somente artigos com fontes verificadas!)

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