• Drano Rauteon

Óptica - Lâmpadas à descarga


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.

Parte 1:

> Lâmpadas à Descarga:

-> Gás e Plasma;

-> Íons;

-> Como a condução de eletricidade é feita?;

-> Onde entra a questão do 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.

Neste artigo vou detalhar as 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 Argônio (Ar) ou Neônio (Ne). Nas TVs de Plasma há uma mistura de Xenônio (Xe) com Neônio.

Figura 1

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:

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: 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. 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.

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. Mas não é apenas isso, tem o vapor metálico, que será inserido no assunto no próximo tópico:

Mas onde entra 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 melhor no texto 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 TeraHertz.

Veja a imagem das camadas de um átomo abaixo:

Figura 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 ultravioletas.

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.

O Pó fluorescente

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 da radiação 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.

> Tri-fósforo ou Fósforo tri-estímulo: Criados na década de 1980, este elemento fluorescente se constitui de três compostos, cada um deles com emissão estreita e muito centrada nas nos comprimentos de onda da cor Azul, Vermelho e Verde. O combinação de elementos químicos adequada que forma o tri-fósforo é disposto em conjunto com o uma camada de halofosfato tornou as lâmpadas fluorescentes mais eficazes, consumindo menos energia e tendo a mesma eficiência luminosa. 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.

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:

Tabela 1

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.

A relação entre o gás inerte e o vapor metálico

Para que a lâmpada entre em operação, é necessário uma descarga entre os eletrodos, que é feita através do vapor de Mercúrio, todavia, em temperatura ambiente o Mercúrio é líquido, dificultando a formação dos ìons. Desta forma, adiciona-se um gás inerte com baixo potêncial 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 diferença de potencial, 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 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. O comprimento de onda ultravioleta é na faixa de 253,7 nm.

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.

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