• Drano Rauteon

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

Atualizado: 21 de nov.


Imagem 1 - Lâmpadas fluorescentes


Nesta sequência de artigos, vamos desbravar as lâmpadas de 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

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.


Parte 2 - Você está neste aqui!

-> 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


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.


CURIOSIDADE: Para entender algumas coisas neste texto é necessário saber mais sobre os compostos de vidro e de cerâmica, e para isso recomendo a leitura do artigo dedicado ao assunto. Para acessa-lo CLIQUE AQUI!

Agora vamos dissertar um pouco sobre as características deste tipo de lâmpada fluorescente.


Eletrodos


Existem duas tecnologias de eletrodo para estas lâmpadas, e ambas são descritas logo abaixo.

Os eletrodos encontram-se hermeticamente selados no interior do tubo, em cada extremidade (ou terminação, como queira).

Para que o gás possa conduzir, ele deve ser polarizado, isso já foi dito no Capítulo 1 desta série. 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. Elas possuem este nome pois o fluxo de elétrons causado pelo campo eletrostático é maior do que a emissão termoiônica (fluxo de elétrons por calor).

Lâmpadas CCFL utilizam um circuito chamado de “Inverter”, que é 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 displays LCD de TVs e monitores antigos utilizavam as lâmpadas CCFL no backlight.

Um cátodo frio não opera necessariamente a uma temperatura baixa. Muitas vezes é aquecido até sua temperatura operacional de outras maneiras, como o fluxo de corrente do cátodo para o gás.


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, no entanto, a temperatura normal de operação é mais baixa, na casa dos 800°C a 1100°C.

Os filamentos destas lâmpadas fluorescentes, que podem ser feitos à base de Tungstênio, 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.


CURIOSIDADE: Lâmpadas fluorescentes CCFL de baixa pressão eram amplamente utilizadas pela indústria de televisores LCD até cerca de 10 anos atrás. Elas requerem um inverter para gerar tensões que variam entre 300 e 1300 V, bem como frequências entre 40 kHz e 80 kHz, valores que dependiam do projeto do equipamento. Com o avanço da tecnologia, displays LCD CCFL foram substituídos por telas LCD LED. Veja abaixo um backlight de lâmpadas CCFL acesas e sem o difusor de luz:


Imagem 2 - Backlight da TV LCD Samsung LN32D550K7GXZD


Para saber mais sobre o funcionamento de telas LCD CCFL e LCD LED, comece CLICANDO AQUI!

 

Agora, na sequência, os tipos mais comuns de lâmpada fluorescente com Mercúrio vaporizado sob baixa pressão.


Lâmpada Tubular Fluorescente


Desenvolvida em meados de 1940 e conhecida popularmente como "lâmpada tubular fluorescente" em função da geometria tubular de sua estrutura 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.

Tabela 1


Com o passar dos anos, as lâmpadas tubulares foram sendo aperfeiçoadas, e aquelas com diâmetro menor passaram a ter maior eficiência do que as maiores, refletindo mais luz dentro do bloco da luminária. Observe a imagem abaixo:

Imagem 2


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:

Lâmpada fluorescente compacta

Diagrama 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.

Devido ao avanço da tecnologia, boa parte das lâmpadas já apresentam um reator incorporado na sua base, que em geral é do tipo rosca Edison, plataforma também utilizada em lâmpadas incandescentes. O reator pode 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 com o chamado "reator eletrônico":

Circuito de uma Lâmpada fluorescente compacta

Imagem 3

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.


Atualmente, as lâmpadas fluorescentes compactas contemplam outras formas populares de bulbo, como é o caso das espirais:

Imagem 4 - lâmpada fluorescente Compacta espiral

 

Comparações e Eficiência


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 2

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. Atualmente, o custo de uma lâmpada fluorescente compacta já é baixo e acessível no mesmo nível que as velhas lâmpadas incandescentes.

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 borossilicato em formato de "U", com filamentos nas suas extremidades, e 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 e também a integridade vidro borossilicato (que se degrada quando exposto na atmosfera), o tubo de descarga é inserido sob vácuo no interior de um bulbo de vidro de silica ou aluminossilicato. Este bulbo é transparente, conforme mostra a figura abaixo:

Imagem 5 - Lâmpada de descarga com vapor de Sódio à baixa pressão


Vamos para a descrição dos elementos principais:


1. Base da lâmpada. Lâmpadas como esta podem ter rosca Edison tal qual os outros tipos de luminárias;


2. Esta é a base de vidro / tubo de exaustão onde os eletrodos estão fixados e por onde o bulbo é selado;


3. e 4. Pontas de eletrodos e filamentos, respectivamente;


5. e 12. O tubo de descarga, ou bulbo interno, no qual os gases inertes (Neon e Argônio) e o Sódio sólido (que vaporiza por aquecimento) estão alojados. Este tubo de descarga tem formato de "U" e é feito em vidro borossilicato, resistente ao vapor de Sódio, no entanto, frágil à ação atmosférica;


CURIOSIDADE: Esta mistura gasosa de Neon e Argônio é conhecida como "Mistura de Penning".


7. Bulbo externo, de fato o invólucro da lâmpada. Feito em vidro semelhante ao das lâmpadas incandescentes, isto é, alto teor de sílica, podendo também ser aluminossilicato, com traços sodo-calcicos e porcentagens relevantes de Óxido de Potássio e Lítio;


9. e 10. Um ponto de apoio - que pode ser metálico - e tem como finalidade manter o tubo de descarga devidamente fixo ao bulbo. Este componente não é obrigatório;


6. Revestimento transparente que pode ser de Óxido de Índio e Estanho cuja finalidade é refletir comprimentos de onda infravermelha e deixar passar apenas os comprimentos de onda do espectro visível. Este revestimento pode ser incorporado ao tubo de descarga ou na superfície interior do invólucro da lâmpada;


A. Este é espaço entre o invólucro da lâmpada e o tubo de descarga. Esta região toda é onde há vácuo.


Lâmpada a vapor de Sódio

Diagrama 3

A mistura de Penning é utilizada na fase de arranque. Quando a lâmpada é ligada, a mistura gasosa ioniza-se, o que permite o início da descarga eléctrica através do tubo, emitindo uma ténue luz avermelhada. Esta radiação aquece o Sódio, vaporizando-o, o que permite que ao fim de alguns minutos a lâmpada emita a intensa radiação amarelada característica do plasma de vapor de Sódio.


A lâmpada LPS é a fonte de luz artificial de maior eficácia luminosa (198 lm/W para lâmpadas de 131 W). A sua eficiência é determinada pela temperatura na parede do tubo de descarga. As lâmpadas mais modernas apresentam uma película de Óxido de Índio e Estanho aplicada sobre a superfície interna do bulbo, que reflete a radiação infravermelha para o tubo de descarga, mantendo a temperatura da parede numa média de 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 Humano. Acima deste valor começa o espectro infravermelho. A característica monocromática da luz emitida determina o baixo índice de reprodução de cores (IRC - igual ou menor que ra=20).

A tabela abaixo apresenta as características de alguns modelos comerciais:

Tabela 3

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).


Tal como nas fluorescentes de baixa pressão, nas LPS não há formação de um arco de grande intensidade luminosa, emitindo assim um brilho suave.

Outra característica que as diferencia das lâmpadas de alta pressão, que se apagam quando haja redução da tensão elétrica, ainda que ligeira, é a sua resistência à flutuações de tensão da rede elétrica, recuperando rapidamente o brilho quando haver reposição da tensão normal.

Outra importante característica das LPS é a sua capacidade de manter um fluxo luminoso constante durante toda a sua vida útil. Ao contrário das lâmpadas de alta pressão, que perdem luminosidade com o uso ao ponto de se tornarem ineficientes, mas mantendo o consumo de energia elétrica constante, as LPS apesar de manterem a luminosidade vão aumentando ligeiramente o consumo (cerca de 10%) à medida que se aproximam do fim da sua vida útil, o que nas lâmpadas de boa qualidade em geral ocorre após cerca de 18 mil horas de uso.

As LPS em fim de vida útil não entram em apagamento cíclico, isto é, não sofrem os arranques sucessivos seguidos de quase imediato apagamento e reacendimento que caracteriza o fim de vida das lâmpadas de alta pressão (você entenderá melhor na Parte 3 deste texto).


Para fins de curiosidade e complemento de conteúdo, veja o PDF abaixo, que traz uma patente da Philips, datada de 18 de Julho de 1972 detalhando uma lâmpada de descarga com vapor de Sódio sob baixa pressão:

Patente US3678315 (Vapor de Sódio sob baixa pressão)
.pdf
Download PDF • 425KB

Boa leitura! (está em inglês).

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 texto 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; Google Patents; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas!).


Última atualização: 11 de Novembro de 2022.

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