Imagem 1 - Lâmpadas fluorescentes
Nesta sequência de artigos, vamos desbravar as lâmpadas à descarga, que além de estarem presentes em muitas casas pelo mundo, são utilizadas em projetores 3LCD e DLP e também nos displays LCD antigos, além de serem mais eficientes que as velhas lâmpadas incandescentes. Para tal façanha, iremos inicialmente dividir tudo em níveis de abstração, e assim tornar fácil compreender as diferenças muitas vezes ignoradas ou até mesmo enroladas em explicações espalhadas pela internet.
Parte 1 - Você está neste aqui!
→ Como é por dentro:
-> Gás e Plasma;
-> Íons;
-> Condução de elétrons;
-> Vapor Metálico;
-> Raios ultravioleta;
-> Relação entre o gás inerte e o vapor Metálico;
-> O Pó fluorescente.
→ O invólucro:
-> Motivos principais pelos quais as lâmpadas fluorescentes se degradam;
-> Compostos de vidro comumente utilizados;
-> O 'problema-pivô': O tal do Sódio;
-> Os dois bulbos das lâmpadas de descarga com vapor de Sódio.
-> Lâmpadas de descarga de baixa pressão com vapor de Mercúrio;
-> Lâmpadas de descarga de baixa pressão com vapor de Sódio.
-> Lâmpadas de descarga de alta pressão com vapor de Mercúrio;
-> Lâmpadas de descarga de alta pressão com vapor de Sódio;
-> Lâmpada mista (incandescente / fluorescente) de vapor de Mercúrio (que dispensa reator).
→ O circuito que faz a lâmpada funcionar:
-> O starter para lâmpadas com vapor de Mercúrio;
-> O ignitor para lâmpadas com vapor de Sódio à alta pressão;
-> reatores de partida rápida;
-> reatores eletrônicos e o inverter.
Introdução
Pra começo de conversa, uma breve linha do tempo com os principais pontos das história destas lâmpadas:
→ Os estudos em cima deste tipo de lâmpada começaram 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.
Lâmpadas fluorescentes possuem no interior de seu invólucro de vidro um gás inerte, que pode ser Argônio (Ar) ou Neônio (Ne). Nas TVs de Plasma há uma mistura de Xenônio (Xe) com Neônio.
Diagrama 1
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 deste tópico são inertes e conhecidos como "Gases Nobres", ou também gases raros.
Para que a mágica aconteça e a lâmpada emita luz, o gás presente em seu interior precisa ser ionizado, gerar calor, conduzir elétrons (tornando-se Plasma, um quarto estado da matéria) para então vaporizar o metal. Veja as explicações sobre ionização e Plasma na sequência.
Os metais utilizados são o vapor de Mercúrio e vapor de Sódio, sendo o primeiro mais popular no Brasil.
Vamos entender primeiro como é feita a ionização do gás inerte.
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, isto é, líquido, sólido e gasoso, no entanto, o Plasma também foi considerado, sendo 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 nisso os elétrons começam a se soltar, formando assim íons positivos. Desta forma, o gás passa a ser um grande concentrador de energia e também um grande condutor. Com isso, dada sua resistência elétrica, é eminente a geração de calor que vai vaporizar o Sódio (que em temperatura ambiente está em estado sólido) e ou o Mercúrio (que em temperatura ambiente está em estado líquido).
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 a 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. Para um gás conduzir, ele precisa estar entre dois eletrodos (ânodo e cátodo) e sob 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.
A condução de elétrons
Como foi descrito, 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. Todos estes elétrons são atraídos para o polo negativo, e assim é gerada a corrente elétrica.
CURIOSIDADE: Num processo de galvanização a frio também ocorre ionização, porém, diferente de uma lâmpada fluorescente, se utiliza um eletrólito para melhorar o meio onde circunda a 'bagunça' de átomos e facilitar, agilizar o processo de galvanização, que também ocorre numa temperatura muito mais baixa do que a de um gás ionizado. Ao ser aplicado uma corrente elétrica, átomos viram cátions, se soltam do eletrodo negativo e vão para o positivo. Desta forma, o eletrodo negativo, feito de Zinco, Níquel, Ouro ou Estanho, por exemplo, reveste o eletrodo positivo, feito de Aço ou Cobre, por exemplo.
Perceba que no processo de galvanização é irreversível, diferente da ionização do gás. Ao se interromper a diferença de potencial há a reorganização de átomos e elétrons e o sistema volta a ficar neutro (ou inerte).
Para saber mais sobre a galvanização e suas utilidades, CLIQUE AQUI e AQUI!
CURIOSIDADE: Se tratando de ionização de gases, podemos usar como exemplo os raios que ocorrem durante as chuvas e tempestades. Sendo assim, as lâmpadas de descarga são um belo exemplo de eletrização por indução! Para saber mais sobre eletrostática, CLIQUE AQUI!
Mas não é apenas isso, há também o vapor metálico, que será inserido no assunto no próximo tópico:
O vapor metálico
Lembrando que, Mercúrio ou Sódio são utilizados nas lâmpadas fluorescentes, e que o metal mais popular no Brasil é o Mercúrio.
Os elétrons que estão sendo atraídos para o polo negativo TAMBÉM colidem com os átomos do metal utilizado. Colisões elásticas provocam o aumento da temperatura, porém, sem se perder a estabilidade do átomo. Colisões inelásticas provocam a ionização do metal, que consequentemente começará a ter elétrons arrancados de seus átomos. O que se espera de toda esta transformação descrita até agora é a geração de raios ultravioleta, que será explicado abaixo.
Raios Ultravioleta
Quando a tensão aplicada é cortada, os átomos voltam a ficar neutros (os elétrons voltam aos seus lugares, pra suas camadas) 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 Thz.
Veja a imagem das camadas de um átomo abaixo:
Imagem 2
Mas, como assim “quando a tensão é cortada”?
Lâmpadas deste tipo devem trabalhar sob regime de corrente e tensão alternadas para funcionarem, pois sem uma corrente e tensão pulsante não há o processo de liberação da energia excedente em forma de raios ultravioleta.
Raios ultravioleta não fazem bem para o nosso organismo. Um bom exemplo é o Sol, que também emite raios UV e a exposição em excesso provoca câncer de pele.
Estes raios ultravioleta provenientes das reações químicas internas do tubo fluorescente não chegam perto de nós, pois na cápsula de vidro da lâmpada há um revestimento interno chamado popularmente de “Fósforo”, e que recebe toda essa radiação UV.
Pó fluorescente
A luz UV, ao colidir com o revestimento de "Fósforo" tem sua frequência rebaixada para o espectro visível. Isso ocorre num no processo de reemissão gerado na colisão da luz com o revestimento. Isto é um ótimo exercício prático para se entender bem as transições dos elétrons entre diferentes níveis quânticos de energia, para perceber que a luz que nos interessa para a iluminação é produzida não na excitação, mas sim no relaxamento posterior, com a liberação dos fótons menos energéticos.
Em outras palavras, ao receber uma descarga de energia, o elétrons saltam para orbitais mais distantes do núcleo do átomo, e quando esta descarga é interrompida eles retornam para seus postos originais, só que liberando a energia excedente do processo numa frequência diferente, neste caso, no espectro de luz visível.
As características luminosas (temperatura de cor correlata, eficácia luminosa e reprodução de cores) de um lâmpada fluorescente são determinadas pela composição e pela espessura do pó fluorescente. Normalmente chamamos este pó de “fósforo”, no entanto ele não é simples como sua denominação popular. Esses “fósforos” com estrutura cristalina de alta pureza e dopados com “ativadores” são cruciais para determinar a distribuição da radiação espectral captada por nosso olhos e que é emitida pelo tubo fluorescente.
Os dois compostos amplamente utilizados pela industria como elementos fluorescentes na superfície interna do tubo são os halofosfatos e os tri-fosforo.
→ Halofosfatos: compostos de 3Ca(PO4)2 CaF2.
CURIOSIDADE: Ao olharmos uma lâmpada fluorescente através de um espectroscópio, notamos que o espectro produzido não se encaixa em nenhum dos três tipos básicos descritos pelas leis de Kirchhoff, pois o se vê é um espectro contínuo sobre o qual se superpõem linhas brilhantes. Veja o gráfico abaixo:
Gráfico 1 - Espectro de emissão de uma lâmpada fluorescente tubular de luz branca 'quente' com revestimento de halofosfato
-> As linhas brilhantes (marcadas com as setas 1, 2, 3, 4, 5 e 6) são originadas pela emissão do vapor de Mercúrio.
-> O espectro contínuo (marcado com uma linha laranjada) é originado na emissão do revestimento (opaco) de Halofosfato.
Lembrando que o comprimento de onda abaixo de 390 nm já é de luz UV, e acima de 780 nm já é Infra-Vermelho. Para saber mais, CLIQUE AQUI!
OBSERVAÇÃO: Compare o Gráfico acima com o Gráfico 1 (tópico "Complemento") do artigo sobre LEDs (CLIQUE AQUI para acessar!). Desta forma, será possível comparar o espectro de emissão da lâmpada LED, incandescente e fluorescente.
Para lâmpadas fluorescentes com luz mais branca, há uma elevação da curva do gráfico na faixa de 390 nm até 500 nm, o que aumenta a porcentagem de luz azul no espectro, e consequentemente deixa a luz branca mais "fria".
→ Tri-fósforo ou Fósforo tri-estímulo: Criado na década de 1980, este elemento fluorescente se constitui de três compostos, cada um deles com emissão estreita e muito centrada nos comprimentos de onda da cor Azul, Vermelho e Verde.
A combinação de elementos químicos que forma o tri-fósforo disposta em conjunto com uma camada de halofosfato tornou as lâmpadas fluorescentes mais eficazes, consumindo menos energia e tendo a mesma eficiência luminosa (você verá mais no Capítulo 2). Isso também possibilitou a diminuição do diâmetro do tubo fosforescente, que caiu de 12/8 de polegada para 8/8 de polegada. O custo em decorrência da adição do trifósforo também foi compensado pela eficiência energética maior.
A relação entre o gás inerte e o vapor metálico
Para que a lâmpada entre em operação, é necessário uma descarga entre os eletrodos. Todavia, em temperatura ambiente o Mercúrio é líquido, dificultando a formação dos íons. Desta forma, adiciona-se um gás inerte com baixo potencial de ionização (e isso significa resistência elétrica elevada).
Por ser de difícil ionização, o gás inerte pode ser comparado ao material usado em um resistor, isto é, ele dificulta a passagem de elétrons quando estabelecido uma DDP, fazendo com que haja um aquecimento muito repentino por efeito Joule. O calor gerado neste processo vaporiza o Mercúrio, proporcionando a descarga entre os eletrodos.
O gás inerte, também chamado de gás de enchimento (filling gas), é geralmente Argônio puro ou uma mistura de Argônio, Neônio e Criptônio. A escolha do tipo do gás e da pressão em que ele estará dentro do tubo, bem como a distância entre os eletrodos influência na ionização, pois o gás inerte atua como um moderador, ou seja, ajusta a velocidade média dos elétrons para que se maximize a produção de radiação ultravioleta através do vapor de Mercúrio.
CURIOSIDADE: O comprimento de onda ultravioleta é na faixa de 253,7 nm.
Comparações e Eficiência
Veja algumas comparações entre tecnologias de lâmpadas abaixo:
→ As lâmpadas fluorescentes são aproximadamente seis vezes mais eficazes que as incandescentes;
→ As Lâmpadas fluorescentes tem cerca de oito vezes mais durabilidade que as incandescentes;
→ As Lâmpadas fluorescentes com tri-fósforo são mais eficientes e tem um índice de reprodução de cores mais elevado que as lâmpadas que possuem apenas halofosfatos;
→ As Lâmpadas fluorescentes com tri-fósforo, apesar de mais eficientes, possuem um índice de reprodução de cores ainda inferior se comparadas com as incandescentes.
Veja a tabela abaixo, que relaciona as fluorescentes e incandescentes:
Tabela 1
OBSERVAÇÃO: É válido lembrar que este processo acontece apenas com lâmpadas que possuem o vapor de Mercúrio. Em lâmpadas construídas com vapor de Sódio a liberação de ondas eletromagnéticas já é na faixa de frequências que formam as cores visíveis pelo olho Humano, ou seja, não há a camada de “Fósforo” na parede interna da capsula.
Aqui vai um extenso conteúdo sobre o invólucro, isto é, a carcaça, ou cápsula de vidro das lâmpadas fluorescentes à descarga.
Vamos começar pelo...
Desgaste da lâmpada fluorescente
Existem muitas causas para que uma lâmpada fluorescente perca desempenho até que deixe de funcionar.
Imagem 3 - Perceba as manchas pretas no bulbo
Pode acontecer a lenta entrada de ar na lâmpada fluorescente, aumentando a pressão no seu interior e finalmente tornando-a inoperante. O vapor de Mercúrio juntamente com Argônio ou Xenônio dentro da lâmpada devem estar a uma pressão bem mais baixa do que a atmosférica (cerca de 3 miliatmosferas) – isso para uma lâmpada de baixa pressão - para sustentar o processo que permite a emissão de luz em tensões da ordem de 100 V. Você verá mais sobre as pressões de trabalho das lâmpadas no Capítulo 2 e 3 desta série.
Outra forma de desgaste é: À medida que a lâmpada funciona, em decorrência da energia dissipada em forma de luz UV, partículas do material que compõe os eletrodos (podendo haver Óxido de Bário e Tungstênio na composição, este último também presente em lâmpadas incandescentes) podem ser desprender. Parte deste material colide com o revestimento de “Fósforo” e ali fica preso, fazendo com que, gradualmente, as lâmpadas fiquem parcialmente 'manchadas'. Em outras palavras, ocorre um processo de Deposição Catódica, que pode ser muito útil em algumas situações. Pra entender mais sobre este assunto, CLIQUE AQUI!
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre a degradação do Tungstênio durante o funcionamento de lâmpadas incandescentes e entender as diferenças entre estes dois tipos de lâmpadas, CLIQUE AQUI!
É interessante notar que, evidentemente, um dos eletrodos funciona como um catodo e o outro como um anodo de forma alternada (como dito anteriormente, este tipo de lâmpada só funciona com tensão alternada). Se assim não fosse, as manchas escuras surgidas gradativamente no revestimento de “Fósforo” apareceriam apenas em uma das extremidades do bulbo.
CURIOSIDADE: O desgaste de eletrodos também pode ser evidenciado em backlights de TVs LCD que utilizam lâmpadas fluorescentes CCFL. Observe a imagem abaixo:
Imagem 4 - Lâmpadas CCFL do backlight da TV Samsung modelo LN32D550K7GXZD
Entre tantas causas para o mau funcionamento ou a inoperância final da lâmpada está a perda de vapor de Mercúrio por adsorção no vidro e nos materiais que revestem internamente o bulbo da lâmpada.
CURIOSIDADE: A adsorção é o processo físico-químico em que as moléculas, átomos ou íons ficam retidos na superfície de uma substância, em geral, de estado sólido. Esse sistema não ocorre no corpo todo do material, somente na superfície e, por isso, é chamado de “fenômeno de superfície” ou “fenômeno de interface”.
Existem dois tipos de adsorção, a química (quimissoção) e a física (fisissorção), em ambos estão envolvidos dois elementos:
→ Adsorvatos: É a substância líquida ou gasosa que fica retida na superfície;
→ Adsorventes: É a substância sólida que acarreta a retenção da substância.
Para fins de evidenciar a evolução envolvendo as lâmpadas fluorescentes, vamos comparar dois produtos semelhantes, um produzido em 2009 pela Sylvania e outro em 2022 pela OSRAM e ver o que aconteceu:
Tabela 2 - Comparação entre lâmpadas semelhantes produzidas em épocas diferentes
Podemos notar que a lâmpada do fabricante OSRAM tem 0,8 mg à menos de Mercúrio que a lâmpada da fabricante Sylvania, e ainda assim consegue manter o mesmo nível de eficiência luminosa (lm/W), um índice de reprodução de cor (IRC) semelhante e uma temperatura de cor (K) um pouco mais baixa.
A diminuição da quantidade de Mercúrio se deve em partes pelo aprimoramento da indústria do vidro, e é neste ponto que quero chegar. Agora sim, podemos aprofundar mais o assunto e ir para...
A composição do invólucro das lâmpadas fluorescentes
OBSERVAÇÃO: Para entender melhor este tópico, recomendo muito a leitura do artigo sobre vidros e cerâmicas! Para acessa-lo, CLIQUE AQUI!
Quando se tratam de lâmpadas tubulares, o invólucro pode ser reto ou, por exemplo, dobrado de modo a ser em forma de "U", ou em forma de espiral, podendo compreender também vários tubos retos paralelos que estão ligados uns aos outros por uma ponte de ligação. O invólucro da lâmpada também inclui duas terminações de vidro que permitem a passagem dos condutores de alimentação de corrente.
Esta 'carcaça' é feita, obviamente, de vidro, mais especificamente um composto de vidro sodo-cálcico barato. A presença de Sódio no vidro tem um efeito favorável na moldagem e processamento, pois reduz sua viscosidade. No entanto, também há uma série de desvantagens para a lâmpada, como por exemplo a perda irreversível de eficiência na emissão de luz.
OBSERVAÇÃO: A perda irreversível de eficiência deve ser entendida neste contexto como a diminuição da emissão de luz - expressa em lúmens - da lâmpada durante o funcionamento. Isso ocorre gradativamente ao longo do tempo. Na Tabela 2 são destacados estes valores com a sigla "Lumen Maintenace min" ou "Rated LLMF at", significando a "manutenção de lumen" de acordo com o tempo de uso da lâmpada. Mais detalhes são descritos adiante.
Essa diminuição de luz emitida pode ser atribuída ao fato de que o revestimento interno feito de um composto com base em Fósforo (pó fluorescente) são “envenenados” pelo Sódio presente no vidro. O Sódio também reage com o vapor de Mercúrio, com o qual o invólucro da lâmpada é preenchido, formando assim uma amálgama. Este efeito é acompanhado pela adsorção de Mercúrio pelo invólucro da lâmpada, e isso já foi descrito anteriormente. Este efeito é visível pois causa escurecimento do invólucro, de modo que a transmissão de luz é prejudicada.
Para contrariar esta interação adversa com o Sódio presente no composto de vidro, a superfície interior do invólucro da lâmpada pode ser provida de um revestimento protetor, feito, por exemplo, de Y2O3. No entanto, isso requer uma etapa adicional do processo. Além disso, durante a selagem por fusão, o revestimento é comprometido no local da ponte e no local das terminações. É, portanto, desejável usar vidro com baixo teor de Sódio para os invólucros das lâmpadas fluorescentes.
Na Patente E.U.A. No. 4.666.871, de 19 de Maio de 1987, é dada uma descrição de um vidro com baixo teor de Sódio para uso em uma lâmpada fluorescente. O vidro pode conter 0 ~ 2% molar (0 ~ 1,3% em massa) de Na2O. No entanto, este vidro tem várias deficiências. De acordo com os exemplos, este vidro compreende grandes quantidades (aproximadamente 30% em massa) de BaO, que é uma matéria-prima cara. Além disso, este componente leva a um aumento da temperatura liquidus (Tliq) e, portanto, a um aumento considerável da tendência de cristalização do vidro. Outra desvantagem importante deste tipo de vidro é que é difícil aplicar tal material como invólucro de lâmpadas dada sua faixa de trabalho estreita (W.R.) e seu alto Tliq.
OBSERVAÇÃO: A abreviação “W.R.” deve ser entendido como a diferença entre a temperatura de trabalho (Twork) e a temperatura de amolecimento (Tsoft) do vidro. Como referência, para fabricar invólucros de lâmpadas é desejável uma ampla faixa W.R., isto é, de pelo menos 300 °C.
De acordo com a patente, tal vidro pode conter até 5% molar de PbO. Uma desvantagem do uso de PbO é sua toxicidade. Na preparação do vidro com Chumbo, o PbO é liberado na atmosfera por atomização e evaporação, o que é prejudicial ao meio ambiente e aos operadores. O PbO também é liberado quando o vidro é submetido a uma operação de trabalho a quente, como dobra, modelagem e vedação por fusão. Outra desvantagem do PbO é a diminuição da emissão de luz das lâmpadas fluorescentes, que é provocada pela evaporação e, posteriormente, condensação do PbO no pó fluorescente durante o trabalho a quente do tubo de vidro.
Um tipo de vidro com baixo teor de Sódio (<0,1% em peso de Na2O) é descrito na Patente E.U.A No. 5925582A, datada de 20 de Julho de 1999, e que pode ser usado como invólucro para lâmpadas fluorescentes compactas. O referido vidro está isento dos componentes tóxicos e/ou corrosivos PbO, F, As2O3 e Sb2O3. Para além das propriedades favoráveis quanto à intoxicação do Fósforo e adsorção de Mercúrio, resultando numa 'manutenção de lúmen' favorável da lâmpada, o referido vidro caracteriza-se por uma ampla faixa de trabalho W.R, e, em virtude da baixa 'temperatura liquidus' (Tliq), também se torna livre de cristalização.
Ao contrário do vidro da primeira patente mencionada, este aqui é preferencialmente isento de B2O3 e ZrO2. O B2O3 é desvantajoso, pois é caro e agressivo em relação ao material refratário do forno utilizado na fabricação. já o ZrO2 afeta negativamente a fusibilidade do vidro. As propriedades físicas devem corresponder às dos vidros contendo Sódio normalmente usados. A invenção também visa fornecer uma lâmpada fluorescente de vapor de Mercúrio em que a emissão de luz diminua pouca coisa com o passar do tempo.
De acordo com a invenção, esses objetivos são alcançados por uma composição de vidro que, expressa em porcentagem de massa, compreende os seguintes constituintes principais:
Tabela 3 - Patente da Philips para vidros utilizados em lâmpadas fluorescentes
De maneira geral, isto é, pra todos os vidros de lâmpadas fluorescentes de baixa pressão a função de cada composto da tabela acima é igual:
→ Silica: Sendo o material base para a produção de qualquer vidro, o teor de SiO2, de acordo com a invenção acima, é limitado a 55 ~ 70% em massa, no entanto, pode ser encontrado em quantidades que variam de 45% até 75% em outras composições. Em combinação com os outros constituintes, obtem-se um vidro facilmente fusível. Se o teor de SiO2 estiver abaixo de 55%, a coesão do vidro e sua resistência química são reduzidas. Um teor de SiO2 acima de 70% dificulta o processo de vitrificação, faz com que a viscosidade fique muito alta e aumenta o risco de cristalização da superfície.
→ Alumina: O Al2O3 melhora a resistência química e a resistência contra intempéries. Abaixo de 2%, o efeito é muito pequeno e a tendência de cristalização do vidro aumenta. Acima de 6%, a viscosidade e a temperatura de amolecimento (Tsoft) aumentam excessivamente, o que afeta negativamente a processabilidade do vidro.
→ Os Óxidos de metais alcalinos Li2O e K2O são utilizados como fundentes e conduzem a uma redução da viscosidade do vidro. Se ambos os Óxidos de metais alcalinos forem usados na composição acima, então o efeito alcalino misto faz com que a resistência elétrica seja aumentada e Tliq seja reduzido. Além disso, predominantemente, estes Óxidos determinam o coeficiente de expansão “α” do vidro. Isto é importante pois deve ser possível derreter a terminação do vidro aos condutores de alimentação de corrente – compostos, por exemplo, de fio de Ferro/Níquel revestido de Cobre - de tal forma que se elimine tensões mecânicas.
-> Se o teor de Óxidos estiver abaixo dos limites indicados, o vidro terá um valor “α” muito baixo e o Tsoft será muito alto.
-> Acima dos limites indicados, o valor “α” será muito alto.
O Li2O causa uma maior redução de Tsoft do que K2O, o que é desejável para obter uma W.R. ampla. Um teor muito alto de Li2O leva a um aumento excessivo de Tliq, que além disso, é um componente caro, de modo que, também do ponto de vista econômico, sua quantidade deve ser reduzida.
→ A composição de vidro compreende no máximo 0,1% de Na2O. Um maior teor de Na2O leva a uma redução da emissão de luz da lâmpada fluorescente e a um aumento na absorção de Mercúrio. Em diversas patentes de vidros de lâmpadas de vapor de Mercurio sob baixa pressão o Óxido de Sódio pode estar presente em valores que não excedem muito os 7%.
→ BaO tem a propriedade favorável de fazer com que a resistência elétrica do vidro aumente e Tsoft diminua. Abaixo de 7%, a temperatura de fusão (Tmelt), Tsoft e a temperatura de trabalho (Twork) aumentam muito. Acima de 10%, a temperatura liquidus (Tliq) e, portanto, a tendência de cristalização aumentam muito.
→ Os Óxidos de metais alcalino-terrosos SrO, MgO e CaO têm a propriedade favorável de levar a uma redução da Tmelt. Ao combinar os referidos três metais alcalino-terrosos com BaO, obtém-se um valor mínimo de Tliq. Abaixo de 4% de SrO, Tliq aumenta excessivamente.
Acima dos limites indicados, Tsoft e Tliq aumentam excessivamente. O vidro, de acordo com a invenção, tem um Tliq favorável (aproximadamente 920°C) e, portanto, dificilmente tende à cristalização durante a fabricação. Em virtude de uma ampla W.R. de pelo menos 300 °C e uma baixa Tsoft (<700 °C), o vidro pode ser moldado em tubo sem problemas por meio, por exemplo, do processo Danner.
→ A composição de vidro de acordo com a invenção pode ser refinada por meio de BaSO4, de modo que o vidro pode conter até 0,2% de SO3. O vidro pode conter adicionalmente uma impureza na forma de, no máximo, 0,05% de Fe2O3, que se origina das matérias-primas utilizadas.
→ Se necessário, até 0,5 de CeO2 é adicionado ao vidro para absorver a radiação UV indesejável.
Neste composto de vidro não é necessário um revestimento interno protetor, tal como o Y2O3 descrito na patente mencionada anteriormente.
Agora, uma patente E.U.A No. 7026753B2, de 11 de Abril de 2006 traz vários exemplos de compostos de vidro para as lâmpadas fluorescentes:
Tabela 4 - Patente da Nippon Electric Glass para invólucros de lâmpadas fluorescentes
Como podemos notar, a base de Silica sempre esta numa faixa entre 45 até 75% em massa, seguido de pequenas porcentagens de Alumina.
Nas lâmpadas de vapor de Mercúrio sob alta pressão, que trabalham sob temperaturas muito altas, a composição dos bulbos (um tubo de descarga inserido dentro de um invólucro de vidro) utiliza um material vítreo com alta porcentagem de Sílica, seguido por uma porcentagem de Alumina (que dependendo da quantidade pode caracterizar um vidro Aluminossilicato) e um pequena porcentagem de aditivos (Fundentes / Estabilizantes). Em geral, os aditivos mais comuns são o BaO, o CaO, K2O, Li2O e o Na2O, de novo. :v
O Sódio, que permanece presente nos compostos de vidro para lâmpadas à descarga com vapor de Mercúrio sob baixa pressão - e também nas de alta -, é um problema até maior nas lâmpadas à descarga com vapor de Sódio!
Os vidros borossilicato que são resistentes à ação do vapor alcalino e são particularmente usados como invólucro para lâmpadas à descarga de vapor de Sódio são conhecidos há muito tempo. A maioria destes tipos de vidro não são muito resistentes ao ataque atmosférico, problema pelo qual requerem um substrato de vidro protetor.
Uma pluralidade destes vidros conhecidos desvitrifica com bastante facilidade. Além disso, a maioria deles tem um ponto de amolecimento baixo e mostra uma resistência à ação do vapor alcalino apenas a uma temperatura relativamente baixa para estes fins, ou seja, até por volta de 350 °C.
É também geralmente conhecido por experiência que a presença de SiO2 em vidros borossilicato para o uso acima mencionado é proibitiva, pois como resultado disso ocorre uma descoloração intensa marrom ou preta mesmo quando ainda em contato muito curto com vapor alcalino.
No entanto, também é conhecida uma classe de vidros borossilicato que não descolorem com o contato acima mencionado, e em relação a isso estes vidros foram sugeridos como materiais de invólucro para lâmpadas fluorescentes que utilizam vapor de Sódio. Eles têm um ponto de amolecimento mais alto que os vidros de borato médios e são resistentes à ação do vapor de Sódio numa temperatura um pouco mais alta. Estes vidros, no entanto, requerem maior complexidade de implementação pois sua resistência química é insuficiente e, portanto, o vidro teria que ser usado novamente em combinação com um substrato com outra composição de vidro.
A invenção descrita na patente E.U.A No. 3563772, datada de 16 de Fevereiro de 1971 fornece uma classe de vidros que são resistentes à ação do vapor de Sódio até aproximadamente 600 °C, são quimicamente suficientemente resistentes para serem usados como uma construção autoportante e que podem ser facilmente fundidos em uma chama de gás natural sem que ocorra a desvitrificação.
Os vidros não apresentam descoloração se os tetraedros de SiO4 não estiverem ligados por átomos de Oxigênio em ponte, mas sim isolados na rede de vidro. Verificou-se que este é o caso de um grupo de silicatos alcalino-terrosos em que também está presente Al2O3, ou seja, uma pequena gama de composições no sistema de RO-Al2O-SiO2 que se situa próximo da composição gehlenita (2CaO. Al2O3SiO2).
De acordo com a invenção, o vidro que contém SiO2, Al2O3 e óxido alcalino-terroso é caracterizado por apresentar uma composição em porcentem de mol e de massa entre os seguintes limites:
Tabela 5 - Vidros comuns com muito pouco ou nada de Óxido de Sódio para lâmpadas à descarga com vapor de Sódio
Apesar desta patente, até hoje as lâmpadas de vapor de Sódio, sejam as de alta ou de baixa pressão são encontradas predominantemente com dois bulbos, sendo o interno um vidro borossilicato (ou cerâmica PCA, como ocorre nas de alta pressão) e o externo um vidro com alto teor de sílica - ou então um aluminossilicato -, e um depende do outro, afinal, o borossilicato se degrada quando exposto no tempo e os vidros puramente à base de Silica / Aluminossilicato se degradam quando expostos ao vapor de Sódio.
Imagem 5 - Esta é uma lâmpada de baixa pressão com vapor de Sódio. Observe o Bulbo externo e o interno (o interno é em formato de "U")
CURIOSIDADE: O vidro borossilicato do tubo de descarga, isto é, a capsula (bulbo) de vidro interna pode ser descrita como "um tubo de descarga cerâmico" nas folhas de dados e sites de compra pela internet, no entanto, serve apenas pra gerar uma certa confusão quando nos aprofundamos neste assunto. O "vidro cerâmico" nada mais é que um termo aplicado para quando o vidro é combinado com outros materiais como Óxido de Boro, Lítio, Alumínio e outros, ou então...
No caso das lâmpadas com vapor de Sódio à alta pressão, faz-se o uso de um material denominado PCA (“policristalline aluminium oxide”, ou em português "Alumina policristalina"). O PCA é um material cerâmico com elevado ponto de fusão, translúcido (coeficiente de transmissão de luz de 90%) e resistente quimicamente ao vapor de Sódio sob alta pressão e temperatura elevada.
Imagem 6 - Lâmpada de alta pressão da linha Philips SONT descrita como tendo um tubo de descarga cerâmico
O PCA começou a ser sintetizado nos anos 1960 e permitiu a popularização das lâmpadas com vapor de Sódio sob alta pressão.
OBSERVAÇÃO: Apesar de serem referidos como "vidros de Quartzo", os bulbos de lâmpadas de vapor de Mercúrio de alta pressão e de lâmpadas de vapor de Sódio de alta pressão não são feitos de pura Sílica ou puro Aluminossilicato como vemos em conteúdos pela internet, e isto se deve ao fato de o Quartzo puro não ter uma boa trabalhabilidade e necessitar de muita energia para ser fundido e gerar um produto como este, que já tende a ser caro. De fato a Sílica pode estar presente em quantidades que variam entre 60% e 90% em massa, porém, ainda necessitam de Fundentes e Estabilizantres, não sendo, portanto, classificados como "vidros de Quartzo de alta pureza".
Em resumo, podemos dizer que o problema central é o Sódio. Nas lâmpadas fluorescentes com vapor de Mercúrio não há como escapar, o Óxido de Sódio ainda pode ser encontrado em quatidades que não devem exceder muito os 7% em massa na composição do vidro. Já nas fluorescentes com vapor de Sódio, é de praxe o uso de dois bulbos com composições diferentes.
Aqui vão algumas informações extras sobre tudo o que foi estudado até aqui...
A Lâmpada de Luz Negra
A luz negra é basicamente radiação ultravioleta combinada com um pequeno percentual de luz visível de cor violeta.
Imagem 7
A luz negra pode ser produzida com lâmpadas fluorescentes com vapor de Mercúrio sob baixa pressão sem a camada branca do composto de Fósforo no invólucro. No lugar desta camada branca, uma tinta preta, que é capaz de absorver a maioria dos comprimentos de onda da luz visível, mas que deixa passar a luz ultravioleta com um pequeno percentual do violeta.
OBSERVAÇÃO: É válido lembrar que nem todo o espectro ultravioleta é emitido por tais lâmpadas. Apesar do revestimento preto, é comum que apenas a banda A (UVA) seja de fato emitida, e excedentes sejam bloqueados, acabando por se dissiparem em forma de calor no invólucro. Portanto, o risco ao ficar exposto à luz UV artifical da lâmpada não é tão grande quanto estar debaixo de Sol quente numa tarde de verão.
Quando estamos em ambientes escuros, mas “iluminados” pelas lâmpadas negras, as superfícies claras, como as roupas brancas, são capazes de emitir luz após serem excitadas pela radiação ultravioleta. Alguns alvejantes e detergentes utilizados para a limpeza de roupas que prometem entregar um “branco ainda mais branco” apresentam compostos fosforescentes, responsáveis por emitir luz visível na presença da radiação ultravioleta.
Ossos e unhas, além de suor e saliva, contêm compostos fosforescentes que emitem uma pequena quantidade de luz visível quando são expostos aos raios UV. É por isso que o uso da luz negra é tão comum em investigações criminais.
Armadilhas para insetos podem fazer uso de lâmpadas de luz negra. Os insetos usam a luz UV como mecanismo de orientação natural na procura de alimento, e ao entrarem no equipamento atraídos por ela, acabam presos.
Outro uso para a luz negra é na detecção de vazamentos de gás nos sistemas de ar condicionado. Atualmente, alguns fabricantes já colocam um químico fluorescente junto à mistura de gás / óleo lubrificante do sistema de ar condicionado dos veículos para que com uma lâmpada de luz negra seja possível identificar mais facilmente vazamentos.
Imagem 8 - Observe a etiqueta branca deste filtro secador do sistema de ar condicionado de um caminhão
No filtro secador da imagem acima, vemos uma etiqueta branca com o seguintes dizeres: "A/C SYSTEM WITH LEAK DETECT DYE. USE UV BLACK LIGHT TO SEE DYE", ou seja, "Sistema de ar condicionado com corante de detecção de vazamento. Use luz negra UV para ve-lo".
Para fins de curiosidade, deixo abaixo a FISPQ de um fluído para detecção de vazamentos que deve ser utilizado com luz negra. Ele se enquadra na classe de líquidos penetrantes e deve ser adicionado no cárter ou reservatório de óleo do sistema cuja vedação deverá ser aferida:
Também se pode gerar luz negra com LEDs, porém, neste caso, utiliza-se semicondutores que emitem luz já na faixa de UV.
Este foi mais um artigo original do HC! No próximo artigo sobre este tema trataremos sobre as lâmpadas fluorescente a baixa pressão com vapor de Mercúrio e com vapor de Sódio!
Para dúvidas, sugestões, reclamações, mande um e-mail para hardwarecentrallr@gmail.com.
FONTES E CRÉDITOS:
Texto e imagens: Leonardo Ritter
Fontes: Hardware central (artigo sobre TV de Plasma); Google Patents; vidrocerto.org; Escola Politécnica da Universidade de São paulo.
Última atualização: 25 de Fevereiro de 2024.