• Drano Rauteon

Óptica - Lâmpadas a descarga de alta pressão com vapor de Mercúrio ou Vapor de Sódio


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.

As lâmpadas à descarga de alta pressão, também conhecidas como lâmpadas HID (High Intensity Discharge), utilizam vapores metálicos (em geral mercúrio e / ou sódio) a pressões da ordem de 1 a 10 atmosferas e operam com uma densidade de potência de arco da ordem de 20 W/cm a 200 W/cm. A radiação emitida pela descarga apresenta uma distribuição espectral contínua, sobre a qual se encontram superpostas as raias predominantes dos átomos que constituem o vapor metálico.

Existem basicamente três tipos básicos de lâmpadas comerciais:

-> A lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão;

-> A lâmpada de sódio de alta pressão

-> As lâmpadas de alta pressão de vapores metálicos

Da mesma forma que as lâmpadas de baixa pressão, também há as versões CCFL e HCFL para as lâmpadas de alta pressão. Recapitulando:

> Lâmpadas CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp - Lâmpada Fluorescente de Cátodo Frio): não possuem filamento, mas sim um eletrodo cilindrico recoberto de uma substância que emite elétrons, sendo aquecida pelo calor que gera a descarga de arranque.

Lâmpadas CCFL utilizam um circuito chamado de “Inverter” 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 display's LCD de TVs e monitores antigos utilizavam as lâmpadas CCFL no backlight.

> 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, porém a temperatura normal de operação é mais baixa, na casa dos 800°C a 1100°C.

Os filamentos destas lâmpadas fluorescentes também são revestidos com materiais com baixa função de trabalho, isto é, não tão condutores, como por exemplo o Óxido de Bário.

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:

Figura 1

Esta representação é apenas um ESBOÇO de uma lâmpada de projetor. Leia o texto totalmente para entender seu funcionamento. Veja abaixo a imagem de uma lâmpada de projetor:

Figura 2

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.

A lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão HPM (High Pressure Mercury), apresentada na figura abaixo, é constituída de um tubo de descarga transparente, de dimensões reduzidas e com três eletrodos, inserido em um bulbo de vidro, revestido internamente com uma camada de "fósforo" para conversão da luz ultravioleta em luz do espectro visível.

Figura 3

O tubo de descarga contém vapor de mercúrio à pressão de 2 a 4 atmosferas e argônio a 0.03 atmosferas. Como já foi dito, o argônio atua como gás de partida, reduzindo a tensão de ignição e gerando calor para vaporizar o mercúrio. O tubo de descarga é de quartzo para suportar temperaturas superiores a 340°C e evitar absorção da radiação ultravioleta emitida pela descarga.

O bulbo de vidro transparente, com formato ovoide, contém nitrogênio, formando uma atmosfera protetora para os seguintes fatos:

-> Reduzir a oxidação de partes metálicas;

-> Limitar a intensidade da radiação ultravioleta que atinge o revestimento de "fósforo";

-> Melhorar as características de isolação térmica.

A lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão apresenta três eletrodos, dois principais, um em cada extremidade do tubo de descarga, e outro auxiliar, próximo de um dos eletrodos principais, conforme mostra a figura 16. Cada eletrodo principal é constituído de fio de tungstênio, coberto com um material que emite elétrons (óxido de bário) e enrolado em dupla camada sobre uma haste do mesmo metal.

O eletrodo auxiliar encontra-se conectado em série com eletrodo principal, localizado na extremidade oposta do tubo, através de um resistor de partida. Nestas condições a tensão C.A. da rede é suficientemente elevada para realizar a ignição da descarga de argônio entre o eletrodo auxiliar e o principal adjacente, que vaporiza o mercúrio líquido e produz íons necessários para estabelecer o arco entre os eletrodos principais. Após a ignição do arco principal, a queda de tensão sobre o resistor de partida reduz a diferença de potencial entre os eletrodos auxiliar e principal adjacente, extinguindo o arco entre ambos.

A estabilização da descarga é realizada através de um reator indutivo, mostrado no diagrama abaixo. A tensão de ignição da lâmpada aumenta com a pressão do vapor de mercúrio, ou seja, com a temperatura do tubo de descarga. Quando se desliga uma lâmpada alimentada por um reator indutivo convencional, a sua re-ignição só é possível após 3 a 5 minutos, intervalo de tempo necessário para o esfriamento da lâmpada.

Figura 4

Nos instantes iniciais da descarga, a lâmpada emite uma luz verde clara. A intensidade luminosa aumenta gradativamente até estabilizar-se após 6 a 7 minutos, quando a luz se torna branca com uma tonalidade levemente esverdeada.

A radiação visível emitida pelo tubo de descarga apresenta um espectro contínuo, de baixa intensidade, sobre o qual se encontram superpostas as seguintes raias características do mercúrio: amarela (578 nm), verde (546.7 nm), azul (435.8 nm) e violeta (404.7 nm). A luz emitida por uma lâmpada sem revestimento de fósforo, apresenta um baixo índice de reprodução de cor (Ra=20), devido a ausência de raias vermelhas.

O "fósforo" utilizado em lâmpadas de vapor de mercúrio de alta pressão apresenta as seguintes características:

-> Suporta temperaturas elevadas;

-> Banda de excitação para uma ampla faixa de comprimentos de onda na região ultravioleta;

-> Banda de emissão de 620 nm a 700 nm. Com o revestimento de "fósforo" consegue- se um índice de reprodução de cor Ra=50.

A tabela abaixo apresenta as características de alguns modelos comerciais com revestimento de "fósforo" e base com rosca tipo Edison, utilizada nas lâmpadas incandescentes.

Tabela 1

A lâmpada de mercúrio apresenta fluxo luminoso elevado e vida útil longa, porém, a sua eficácia luminosa é relativamente baixa. Este tipo de lâmpada é utilizado em sistemas de iluminação de exteriores, em especial, na iluminação pública urbana.

A lâmpada de luz mista, mostrada da figura abaixo, é uma lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão que dispensa reator, substituído por filamento interno (semelhante ao de uma lâmpada incandescente), localizado no interior do bulbo conectado em série com o tubo de descarga.

Figura 5

Este tipo de lâmpada apresenta um índice de reprodução de cor de Ra=50 a Ra=70, porém sua efícácia luminosa é baixa em razão da potência dissipada no filamento, que determina a sua vida útil, em geral de 6000 horas a 10000 horas. A tabela 5 apresenta as características de alguns modelos comerciais com base tipo rosca Edison.

Tabela 2

Esta lâmpada é utilizada no Brasil em sistemas de iluminação de interiores no setor comercial em substituição às lâmpadas incandescentes.

A lâmpada de vapor de sódio de alta pressão HPS (“High Pressure Sodium”), é constituída de um tubo de descarga cilíndrico e translúcido, com um eletrodo em cada extremidade. O tubo de descarga é sustentado por uma estrutura mecânica, sob vácuo, no interior em um bulbo de vidro de borosilicado, com formato ovoide ou cilíndrico. A figura abaixo apresenta a estrutura interna de uma lâmpada HPS com bulbo cilíndrico.

Figura 6

O vácuo no interior do bulbo se torna necessário para a manter temperatura da parede do tubo de descarga constante, pois esta influi na distribuição espectral da luz emitida, eficácia luminosa e na tensão de arco da lâmpada.

A lâmpada de vapor de sódio de alta pressão começou a ser produzida em escala industrial na década de 60 após a síntese da alumina policristalina ou P.C.A. (“policristalline aluminium oxide”). O P.C.A. 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 a temperatura elevada.

Em lâmpadas convencionais, o tubo de descarga contém vapor de sódio a pressão 0.13 atmosferas, vapor de mercúrio a pressão de 0.5 a 2 atmosferas e xenônio, que atua como gás de partida, gerando calor para vaporizar o mercúrio e o sódio. O mercúrio, na forma de vapor e a uma pressão significativamente superior ao sódio, influi na distribuição espectral da luz emitida e reduz a tensão de arco da lâmpada.

O tubo de descarga possui uma secção reduzida, com espaço suficiente para alojar apenas um eletrodo em cada extremidade. O eletrodo, mostrado em detalhe na figura abaixo, é construtivamente similar ao da lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão, descrito no tópico "Alta pressão com vapor de Mercúrio". A haste de tungstênio é fixada por solda no interior de um tubo passante de nióbio que funciona como uma camisa e oferece um grau de liberdade para o posicionamento do tubo de descarga no interior do bulbo.

Figura 7

O bulbo das lâmpadas HPS é em geral transparente ou apresenta um revestimento de “fósforo” neutro para tornar a superfície difusa, sem alterar a distribuição espectral da luz emitida. A lâmpada de vapor de Sódio convencional apresenta, em geral, um baixo índice de reprodução de cor (23<Ra<50), porém, uma elevada eficácia luminosa (120 lm/W para a lâmpada de 400W) e vida útil longa (24 000 horas). No entanto, existem lâmpadas especiais que apresentam um elevado índice de reprodução de cor (Ra=85), porém, com uma eficácia luminosa de 80 lm/W.

A Tabela 2 apresenta as principais características de alguns modelos comerciais de lâmpadas HPS convencionais com bulbo em forma de ovóide utilizadas em instalações de iluminação pública.

Tabela 2

Pode-se verificar que a eficácia da lâmpada HPS é quase o dobro da lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão. Por outro lado, o investimento inicial para uma instalação com lâmpadas HPS é significativamente superior, mas a economia de energia ao longo da vida útil viabiliza a instalação.

A lâmpada de iodetos metálicos HPMH (High Pressure Metal Halide) é construtivamente semelhante à lâmpada de Mercúrio de alta pressão, ou seja, utiliza um tubo de descarga de sílica fundida inserida no interior de um bulbo de vidro transparente, em geral com formato ovoide.

A maioria das lâmpadas com potências mais elevadas necessitam de um ignitor externo, similar ao das lâmpadas HPS. Algumas lâmpadas dispensam ignitor, pois apresentam três eletrodos, dois principais, um em cada extremidade do tubo de descarga, e outro auxiliar, próximo de um dos eletrodos principais.

A estabilização da descarga é realizada através de um reator indutivo. Quando se desliga uma lâmpada alimentada por um reator indutivo convencional, a sua re-ignição só é possível após 3 a 5 minutos, intervalo de tempo necessário para o esfriamento da lâmpada.

O tubo de descarga contém vapor de mercúrio, um gás para ignição (argônio) e haletos metálicos. A temperatura de vaporização dos metais é em geral superior à máxima temperatura suportável pelo material do tubo de descarga. Já o metal na forma de um haleto vaporiza a uma temperatura significativamente inferior.

Geralmente utilizam-se iodetos, pois são quimicamente menos reativos. A adição de metais introduz raias no espectro que melhoram a características reprodução de cores da lâmpada. A composição dos haletos geralmente não é fornecida pelo fabricante. As lâmpadas de vapor metálico apresentam uma eficácia luminosa de 65 a 100 lm/W e um índice de reprodução de cores Ra>80. A sua vida útil é em geral inferior a 8000 horas. São comercialmente disponíveis lâmpadas de 70 W a 2000 W, sendo utilizadas em aplicações onde a reprodução de cores é determinante, como por exemplo, em estúdios cinematográficos, iluminação de vitrines e na iluminação de eventos com transmissão pela televisão.

Mas o que são haletos? E o que são Iodetos?

haletos são compostos químicos que possuem em sua estrutura qualquer um dos elementos da familia 7A da tabela periódica (flúor, cloro, bromo, iodo e astato) e que possuem estado de oxidação "-1". A reação de síntese destes compostos pode ser tanto com ácidos HX (sendo X o respectivo íon: F-, Cl-) quanto com halogênios puros (que estão em estado molecular: F2, Cl2). Os ácidos HX, por serem muito eletronegativos tem muita facilidade de se ligar com os gases nobres (como por exemplo, fluoretos de xenônio – XeF2, XeF4, XeF6 – mesmo que por um curto espaço de tempo).

Existe o grupo dos haletos inorgânicos, onde se encaixa os haletos de hidrogênio, e o grupo dos haletos orgânicos, isto é, moléculas orgânicas que possuem átomos de halogênio em sua estrutura. Dentro da classe dos haletos orgânicos há os haletos Alquila e Arila. O haleto de Alquila é o composto orgânico que possui um halogênio ligado a um carbono saturado de um hidrocarboneto de cadeia aberta. O haleto de arila é o composto orgânico que possui o halogênio ligado diretamente a um anel benzênico

Um Iodeto é um composto químico a base de Iodo e com seu estado de oxidação "-1", portanto é um haleto e é utilizado nas lâmpadas HPMH. Existem vários tipos de Iodeto, e abaixo mostro alguns tipos:

-> Iodeto de alumínio; -> Iodeto de amônio;

-> Iodeto de cálcio; -> Iodeto de cobalto;

-> Iodeto de cobre; -> Iodeto de césio;

-> Iodeto de chumbo; -> Iodeto de bismuto;

-> Iodeto de cromo; -> Iodeto de estanho;

-> Iodeto de manganês; -> Iodeto de molibdênio;

-> Iodeto de titânio; -> Iodeto de trimetilsilila;

-> Iodeto de vanádio; -> Iodeto de hidrogénio;

-> Iodeto de magnésio; -> Iodeto de sódio.

-> Iodeto de lítio;

Como foi dito acima, a composição dos haletos dificilmente é liberada a público pelo fabricante.

Neste artigo vimos a estrutura e o funcionamento de lâmpadas de alta pressão com vapor de Mercúrio, Sódio e a lâmpada de alta pressão com Mercúrio e filamento incandescente. No Próximo, veremos o funcionamento do Starter e outras tecnologias que fazer a ignição e o funcionamento pleno da lâmpada, pois não é apenas colocar e bulbo na rede elétrica e esperar que tudo aconteça!

Lembrando que este artigo foi baseado na mistura de um artigo antigo sobre lâmpadas fluorescentes aqui do HC e um PDF da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, que será disponibilizado no último capítulo desta série sobre lâmpadas Fluorescentes.

Sugestões, reclamações ou ideias, entre em contato através do e-mail hardwarecentrallr@gmail.com.

FONTES E CRÉDITOS:

Texto: Leonardo Ritter; Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

Diagramas e tabelas: Leonardo Ritter; Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

Fontes: Hardware Central; Escola Politécnica da Universidade de São Paulo; InfoEscola; SóQuímica; Wikipedia (Somente artigos com fontes verificadas); VRBrasil; Mundo Educação; Esquadrão do Conhecimento; novaeletronica.com; 3LCD.com.

5 visualizações

© 2020 Hardware Central Tecnologia Entretenimento e Comunicação do Brasil Ltda. Todos os direitos reservados.

Wix Editor / Revisão da web page: 3.1/2020 (16/07/20)