• Drano Rauteon

Óptica - Lâmpadas à descarga

Atualizado: 21 de mar.


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!

->> Lâmpadas à Descarga:

-> Gás e Plasma;

-> Íons;

-> Condução de elétrons;

-> Vapor Metálico;

-> Raios ultravioleta;

-> Relação entre o gás inerte e o vapor Metálico;

-> O Pó fluorescente.

Parte 2

-> Lâmpadas à descarga de baixa pressão com vapor de Mercúrio;

-> Lâmpadas à descarga de baixa pressão com vapor de Sódio.

Parte 3

-> Lâmpadas à descarga de alta pressão com vapor de Mercúrio;

-> Lâmpadas à descarga de alta pressão com vapor de Sódio;

-> Lâmpada mista (incandescente / fluorescente) de vapor de Mercúrio (que dispensa reator).

Parte 4

>> 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 em seu interior 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, conduzir elétrons e se transformar em Plasma, um quarto estado da matéria. Veja as explicações sobre ionização e Plasma na sequência.

Os materiais 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.


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. 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.

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 ocorre 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 cortar 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!


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 podem ser 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 a ele 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.

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 6 vezes mais eficazes que as incandescentes;

-> As Lâmpadas fluorescentes tem cerca de 8 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:

Comparações entre lâmpadas

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.

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.

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.


Outra forma de desgaste é: À medida que a lâmpada funciona, em decorrência da temperatura, 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'. Para saber mais sobre a degradação do Tungstênio, bem como o funcionamento de lâmpadas incandescentes, 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

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); Escola Politécnica da Universidade de São paulo.


Última atualização: 20 de Março de 2022.

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