• Drano Rauteon

Óptica - Lâmpadas de descarga de alta 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

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

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


Parte 3 - Você está neste aqui!

-> 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).


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


As lâmpadas de 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.

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


Eletrodos


Assim como nas lâmpadas fluorescentes de baixa pressão, 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.

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: 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 vidro com alto teor de sílica ou aluminossilicato 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:

Lâmpada Fluorescente de um projetor 3LCD

Diagrama 1

OBSERVAÇÃO: Esta representação do Diagrama 1 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:

Lâmpada de projetor marca Benq

Imagem 2

Há uma superfície refletora, com espelhos dicroicos para direcionar todos os raios de luz para uma só direção. Há aberturas para a passagem do ar 'bombeado' por uma ventoinha (que pode ter um sensor de temperatura embutido) para ajudar na refrigeração.

Há o tubo ARC, que é tubo de descarga feito em Silica fundida com porcentagem muito pequena de aditivos (elementos fundentes e estabilizantes). É o tubo ARC que possui toda a estrutura interna da lâmpada e, inclusive, o "Fósforo".

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OBSERVAÇÃO: Apesar de serem referidos como "vidros de Quartzo", tais bulbos de lâmpadas 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".

 

Funcionamento


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.

Diagrama de uma Lâmpada Fluorescente de alta pressão

Diagrama 2

O tubo de descarga contém vapor de Mercúrio à pressão de 2 a 4 atmosferas e Argônio à 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 vidro sem Chumbo e pouca aditivação para suportar temperaturas superiores a 340°C e evitar absorção da radiação ultravioleta emitida pela descarga.

CURIOSIDADE: Caso queira saber mais sobre os compostos de vidro e de cerâmica, recomendo a leitura do artigo dedicado ao assunto. Para acessa-lo CLIQUE AQUI!


O bulbo de vidro transparente com formato ovoide, que serve como invólucro contém Nitrogênio, formando uma atmosfera protetora para os seguintes fatores:

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, sendo um em cada extremidade do tubo de descarga;

-> outro auxiliar, próximo de um dos eletrodos principais, conforme mostra o Digrama 3.


Cada eletrodo principal é constituído por um fio de Tungstênio coberto com um material que emite elétrons (Óxido de Bário, por exemplo) 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.

Diagrama 3 - Lembre-se que "vidro de Quartzo" é um nome popular para os vidros que possuem poucos elementos fundentes e estabilizantes

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 até 700 nm. Com o revestimento de "Fósforo" consegue-se um índice de reprodução de cor (IRC) Ra=50.


E o Xenon?


Imagem 3


O xenon nada mais é que um nome diferente pra uma lâmpada de descarga com vapor de Mercúrio sob alta pressão bastante conhecida no meio automotivo! Ela também é chamada de "lâmpada de Xenônio" ou "lâmpada de arco de Xenônio" e utiliza cátodo frio composto por Tungstênio com 1 a 2% de Óxido de Tório.

Diagrama 4 - O envelope é tubo de descarga


Para que uma lâmpada de xenon acenda é preciso um reator eletrônico. A função deste reator é transformar a tensão de 12 Volts do sistema elétrico do veiculo em cerca de 25 kV para a partida da lâmpada. Isso significa que ela não precisa do eletrodo auxiliar de partida. A própria descarga inicial num valor de tensão muito mais alto gera o campo eletrostático que ioniza o gás Xenônio e vaporiza o Mercurio. Após a ignição da lâmpada, o reator eletrônico fornece uma tensão de lastro de cerca de 85 Volts com uma frequência de 300 Hz.

Como esta lâmpada é CCFL, têm um alto tempo de aquecimento. Podemos dizer que não é aquecimento e sim ignição. A lâmpada de xenon leva pelo menos três segundos para acender e em média trinta segundos para obter o brilho total.


OBSERVAÇÃO: Segundo o CONTRAN, os automóveis não suportam adaptação para lâmpadas Xenon, pois foram projetados para lâmpadas halógenas (incandescentes). Modificações podem oferecer riscos de acidentes, tanto para o condutor do sentido contrário que é ofuscado pela luz, como também para o próprio proprietário, pois equipamentos de baixa qualidade podem causar incêndios.

Com isso, lâmpadas xenon só são permitidas em veículos que saíram de fábrica com elas, que foram projetados para tê-las.


Veja abaixo a imagem de lâmpadas de Xenônio para automóveis:

Imagem 4 - O reator eletrônico está na caixa metálica


Perceba que, da mesma forma que sua 'irmã doméstica', a lâmpada de xenon tem um bulbo de descarga inserido dentro de um outro invólucro de vidro, porém, não há qualquer revestimento com um composto de Fósforo, isto pois com o gás Xenônio já obtém-se luz no espectro visível. Tais lâmpadas produzem uma luz branca e muito brilhante que imita a luz natural. A sua utilização é ampla, indo além do automotivo, muito utilizada em projetores de filmes, em holofotes e agricultura indoor (para simular a luz solar), por exemplo.

Veja abaixo um GIF comparando as diferentes temperaturas de cor disponíveis quando se tratam de lâmpadas de Xenon, bem como a temperatura de cor original característica da lâmpada Halógena.

GIF 1


Apesar de não necessitarem de revestimento fluorescente, estas lâmpadas podem utilizar compostos químicos depositados na superfície interior do invólucro de vidro para gerar uma correção de cor, ou atingir uma temperatura de cor específica.

 

Comparações e Eficiência


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

Tabela 1

A lâmpada de Mercúrio apresenta fluxo luminoso elevado e vida útil longa, no entanto, 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.

Diagrama da lâmpada de luz mista

Diagrama 5

Este tipo de lâmpada apresenta um índice de reprodução de cor de Ra=50 até Ra=70, porém sua eficácia 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 2 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, feito de PCA, é sustentado por uma estrutura metálica, sob vácuo, no interior em um bulbo de vidro caracterizado por uma alta porcentagem de silica ou aluminossilicato, com formato ovoide ou cilíndrico.


OBSERVAÇÃO: Apesar de serem referidos como "vidros de Quartzo" tais bulbos de lâmpadas 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".


A figura abaixo apresenta a estrutura interna de uma lâmpada HPS com bulbo cilíndrico.

Diagrama de uma lâmpada HPS

Diagrama 6

O vácuo no interior do bulbo se torna necessário para manter a 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 1960 após a síntese da alumina policristalina ou PCA (“policristalline aluminium oxide”). 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.

Observe a imagem abaixo e note o tubo de descarga translúcido feito com base em cerâmica PCA:

Imagem 5 - Lâmpada da linha Philips SON-T Master de 600W


Em lâmpadas convencionais, o tubo de descarga contém:

Vapor de Sódio com pressão de, geralmente, 0.13 atmosferas;

Vapor de Mercúrio à pressão de 0.5 a 2 atmosferas;

Xenônio, que atua como gás de partida, gerando calor para vaporizar o Mercúrio ou Sódio.


CURIOSIDADE: O Mercúrio, na forma de vapor e à uma pressão significativamente superior ao Sódio, influi na distribuição espectral da luz emitida e reduz a tensão de arco da lâmpada.

Como consequência da adição de Mercúrio em conjunto com o vapor de Sódio, tais lâmpadas produzem uma luminosidade rosada quando são acesas, evoluindo gradualmente para um luz suave de cor alaranjada quando aquecem. Alguns modelos de lâmpadas que usam esta tecnologia produzem no arranque uma luz azulada, resultante da emissão do Mercúrio antes do Sódio estar suficientemente aquecido e ionizado para formar um plasma.


Ao contrário do que acontece com a emissão das lâmpadas de baixa pressão, a largura de banda da emissão é substancialmente alargada pela ressonância induzida pela alta pressão de vapor no interior da lâmpada e pelas emissões do Mercúrio. Em consequência, a luz perde o monocromatismo, permitindo uma boa distinção das cores dos objetos iluminados. Outros efeitos que contribuem para o alargamento espectral são a autorreversão - devido à absorção de fotons na região externa mais fria do tubo -, e o efeito de forças de Van Der Waals dos átomos de Mercúrio no arco, este último afetando essencialmente a região vermelha do espectro emitido.


O Xenônio é inserido no tubo de descarga com baixa pressão, já que este gás apresenta a mais baixa condutividade térmica e o menor potencial de ionização de todos os gases nobres não radioativos. Sendo um gás nobre, o xénon não interfere com as reações químicas que ocorrem durante o funcionamento da lâmpada, a baixa condutividade térmica minimiza as perdas térmicas da lâmpada quando em operação e o seu baixo potencial de ionização permite um fácil arranque a frio, já que a tensão de ruptura do gás é relativamente baixa quando a lâmpada ainda está fria.


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. 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.

Diagrama 7

O bulbo, isto é, o invólucro 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. Observe a imagem abaixo:

Imagem 6 - Lâmpada com vapor de Sódio sob alta pressão com bulbo ovóide revestido internamente de modo a criar um difusor de luz


O funcionamento de uma lâmpada de vapor de Sódio de alta pressão se baseia na ionização de uma mistura de vapores de Sódio e de Mercúrio metálicos obtidos a partir da evaporação de uma pequena quantidade de amálgama - uma liga de Sódio e Mercúrio, isto é, Na(Hg) - mantida na parte mais arrefecida da lâmpada.

Após o arranque promovido pela ionização do xenônio, a temperatura da amálgama sobe rapidamente em função da potência dissipada pelo plasma formado pelo gás inerte. À medida que a temperatura da amálgama aumenta, aumentam as pressões parciais dos vapores metálicos no interior da lâmpada, o que por sua vez leva à diminuição da sua resistência elétrica, com o consequente aumento da corrente e da dissipação de energia, até ser atingida a potência nominal da lâmpada. Para uma dada tensão existem três modos de operação:


→ 1. A lâmpada está apagada e nenhuma corrente elétrica flui;

→ 2. A lâmpada está acesa mantende amálgama líquida no tubo;

→ 3. A lâmpada está acesa e toda a amálgama se evaporou.


O primeiro e o último modo de operação (1 e 3) são inerentemente estáveis, dado que a resistência elétrica da lâmpada apresenta uma fraca dependência em relação à DDP aplicada. Pelo contrário, o segundo modo de operação (2) é instável e fortemente dependente da corrente, já que qualquer aumento da corrente causa necessariamente um aumento na potência dissipada, o que por sua vez leva a um aumento da temperatura da amálgama com o consequente aumento da evaporação dos metais e da pressão parcial dos seus vapores no interior da lâmpada. Como consequência, a resistência elétrica do conjunto é reduzida, produzindo novo aumento da potência dissipada e da evaporação, num crescente que apenas termina com a total evaporação da amálgama, ou seja, quando se atingir o último modo de operação (3).

Como as lâmpadas existentes no mercado não foram projetadas para aceitar grandes dissipações de potência, tal aumento de corrente levaria à destruição da lâmpada. Por razões inversas, uma quebra na corrente levaria ao arrefecimento da amálgama e a uma redução tal da corrente que a luz se extinguiria.

Assim, a operação da lâmpada faz-se sempre no segundo modo (2), mantendo-se um equilíbrio dinâmico entre a amálgama líquida e os vapores metálicos. Esse equilíbrio é conseguido através da manutenção de uma corrente constante através da lâmpada com recurso a um balastro indutivo ligado em série com a lâmpada. A utilização de corrente alternada permite a utilização do efeito indutivo ao invés de soluções puramente resistivas, muito mais dissipadoras de energia.

Por outro lado, o balastro indutivo permite a criação de um pico de tensão para o rearranque da lâmpada, já que na prática ela se apaga em cada transição do semi-ciclo positivo para o negativo (e a tensão da rede elétrica por aqui oscila em 60 Hz).


Uma variante da tecnologia, com maior enriquecimento em Mercúrio, geralmente denominada por lâmpadas SON, produz luz esbranquiçada com grande largura espectral, permitindo uma excelente discriminação das cores. Um tipo de lâmpadas SON introduzido em 1986, com uma maior pressão interna, produz uma temperatura de cor próxima dos 2700 K, com um Índice de Reprodução de Cor (IRC) de 85, tendo assim características de emissão de luz muito próximas dos obtidos com lâmpadas incandescentes.


CURIOSIDADE: As lâmpadas HPS são utilizadas para iluminação de estufas e de câmaras de crescimento de algas e plantas, dado que a sua emissão se centra em torno da região espectral de maior eficiência fotossintética, permitindo a produção de elevadas intensidades luminosas com um baixo custo energético. Um bom exemplo é a linha SON-T da Philips:

Imagem 7 - Linha de lâmpadas de alta pressão com vapor de Sódio e Mercúrio da Philips


As lâmpadas de vapor de Sódio de alta pressão são muito eficientes na transformação de energia eléctrica em luz, atingindo uma eficácia da ordem dos 100 lm/W quando medidas em condições de visão fotópica. Em consequência são frequentemente utilizadas para iluminação exterior, iluminação cénica e iluminação de segurança.


CURIOSIDADE: Devido à lenta perda de vapor através da formação de compostos estáveis e da absorção de átomos dos metais - em particular do Sódio - pelos materiais que constituem as paredes da lâmpada (isso você leu no Capítulo 1 desta série), a amálgama vai sendo progressivamente esgotada. Em geral, nas boas lâmpadas, o esgotamento da amálgama para um nível inferior ao necessário para a manutenção da estabilidade do plasma ocorre após cerca de 20 mil horas de funcionamento.

Quando isso ocorre, a lâmpada entra num processo de apagamento cíclico (cycling), de frequência progressivamente mais elevada à medida que a pressão parcial dos vapores metálicos decresce. O apagamento cíclico resulta do seguinte efeito:

A lâmpada acende com uma tensão relativamente baixa, mas o aumento da pressão do vapor de Sódio não aumenta na proporção da corrente que atravessa o tubo de descarga, o que leva a ser progressivamente necessário uma maior DDP para manter a corrente. Quando a tensão excede o máximo permitido pelo balastro, a lâmpada apaga-se, mas ao arrefecer permite o rearranque, entrando assim num ciclo de constantes apagamentos e reacendimentos. Este efeito é evitado pela utilização de balastros capazes de detectar os repetidos reacendimentos, interrompendo a alimentação quando isso acontece.


Para fins de curiosidade e complemento de conteúdo, veja o PDF abaixo, que traz uma patente da Philips, datada de 23 de Abril de 1996 detalhando uma lâmpada de descarga com vapor de Sódio sob alta pressão:

Patente US5510676 (vapor de Sódio sob alta pressão)
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Boa leitura! (está em inglês).

 

Comparações e Eficiência


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 3 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 3

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. Para saber mais sobre o halogênio, leia o artigo "Óptica - Lâmpadas incandescentes".


CURIOSIDADE: 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 mostrada ao 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 fazem a ignição e o funcionamento pleno da lâmpada.


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, 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.


Última atualização: 20 de Novembro de 2022.

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