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LÂMPADAS ? INCANDESCENTES ? FLUORESCENTES ? VAPOR DE MERCÚRIO ? VAPOR DE SÓDIO ? HALÓGENAS ? VAPOR METÁLICO ? REATORES
Tipologia: Notas de estudo
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A lâmpada elétrica é um dos maiores inventos da história da humanidade, é graças à lâmpada elétrica que possuímos nos dias de hoje toda a comodidade e segurança dentro das nossas casas, pois, foi devido ao advento da lâmpada elétrica que pudemos eliminar na maioria das localidades o uso de lampiões, tochas ou velas. As lâmpadas comerciais utilizadas para iluminação são caracterizadas pela potência elétrica absorvida (W), fluxo luminoso produzido (lm), temperatura de cor (K) e índice de reprodução de cor. Em geral as lâmpadas são classificadas, de acordo com o seu mecanismo básico de produção de luz, em lâmpadas incandescentes e lâmpadas de descarga. São descritos a seguir os diversos modelos de lâmpadas existentes, e os tipos de reatores utilizados em lâmpadas de descarga, modelos e principio de funcionamento.
A eficácia luminosa resultante cresce com a potência da lâmpada, variando de 7 a 15 lm/W. Estes valores são relativamente baixos, quando comparados com lâmpadas de descarga com fluxo luminoso semelhante. No entanto, esta limitação é compensada pelo elevado índice de reprodução de cor (CRI = 100). A resistência específica do tungstênio na temperatura de funcionamento da lâmpada (2800 K) é aproximadamente 15 vezes maior do que à temperatura ambiente (25 °C). Portanto, ao ligar uma lâmpada incandescente, a corrente que circula pelo seu filamento a frio é quinze vezes a corrente nominal de funcionamento em regime. A temperatura do filamento sobe rapidamente, atingindo valores elevados em frações de segundo. Ligações muito freqüentes reduzem a vida útil da lâmpada, pois o filamento geralmente não apresenta um diâmetro constante. A corrente de partida causa aquecimento excessivo e localizado nos pontos onde a seção do filamento apresenta constrições, provocando seu rompimento. A vida útil de uma lâmpada incandescente comercial é da ordem de 1000 horas.
A lâmpada halógena é uma lâmpada incandescente na qual se substitui atmosfera no interior do bulbo por um elemento halógeno, em geral iodo ou bromo. O elemento halógeno reage quimicamente com as partículas de tungstênio sublimadas, formando haletos que apresentam uma temperatura de condensação inferior a 250 °C. Mantendo-se a temperatura do bulbo acima deste valor, evita-se o depósito de material sublimado sobre mesmo. Por outro lado, correntes térmicas transportam os haletos novamente para as regiões de alta temperatura, próximas ao filamento, onde ocorre a sua dissociação e o tungstênio retorna em algum ponto do filamento. Este ciclo halógeno só se torna eficaz para temperaturas de filamento elevadas (3200 K) e para uma temperatura da parede do bulbo externo acima de 250 °C, evitando-se a condensação e o depósito dos haletos. A necessidade de elevadas temperaturas de filamento exige a presença de uma atmosfera protetora, geralmente uma mistura de nitrogênio com um gás inerte (argônio ou criptônio) na proporção de 0.1% a 1% do elemento halógeno, para reduzir a taxa de evaporação do tungstênio. A lâmpada incandescente halógena também apresenta um filamento de tungstênio enrolado em dupla espiral, o qual é sustentado por suportes de molibdênio no interior de um bulbo de quartzo, globular ou com formato de lapiseira. A base é, em geral, cerâmica para suportar temperaturas e pressões elevadas e além disso apresentar boa condutibilidade térmica, limitando a temperatura dos suportes de molibdênio em 350 °C para evitar fenômenos de corrosão. O bulbo de quartzo não deve ser tocado com a mão para evitar que depósitos de gordura na sua superfície externa provoquem pontos de desvitrificação, isto é, alterações na rede cristalina com elevado coeficiente de expansão térmica, que podem resultar em microfissuras e rompimento do bulbo. A Figura 2 apresenta uma vista em corte de um lâmpada halógena de 300 W do tipo lapiseira, mostrando as três zonas de temperatura e as reações químicas envolvidas.
Figura – Lâmpada incandescente halógena tipo lapiseira
A redução de volume torna as lâmpadas halógenas adequadas para iluminação direcionada ("spot light"), porém a irradiação térmica emitida é bastante elevada. Por esta razão, certos tipos de lâmpadas são providos de um refletor espelhado especial, chamado dicróico, que reflete a radiação visível e absorve a radiação infravermelha. A Figura 3 mostra a fotografia de duas lâmpadas de 50 W com refletor dicróico.
Figura – Lâmpada incandescente halógena de 50W com refletor espelhado dicróico O espelho dicróico consiste de uma base de vidro, sobre a qual são aplicadas, alternadamente, camadas com espessuras quase moleculares, de materiais translúcidos com índices de refração diferentes, por exemplo, um deles com índice refração de 1.5 (sílica) e outro com 2.3 (sulfito de zinco). Este arranjo provoca uma defasagem de 180°entre a radiação incidente e refletida para certos comprimentos de onda, resultando no seu cancelamento por interferência. A radiação visível, que apresenta um comprimento de onda da ordem da metade da radiação infravermelha, é refletida e emitida em direção ao objeto a ser iluminado. Por outro lado, através da escolha adequada do material e das espessuras das camadas, a maior parte da radiação infravermelha é absorvida pelo espelho e eliminada pela base da lâmpada. Com este tipo de espelho, consegue-se uma redução da ordem de 70% na radiação infravermelha, resultando um feixe de luz emergente "frio" ("cold light beam"), ou seja, que não aquece o ambiente.
Nas lâmpadas de descarga utilizadas em iluminação, a luz é produzida pela radiação emitida pela descarga elétrica através de uma mistura gasosa composta de gás(es) inerte(s) e vapor(es) metálico(s). A mistura gasosa encontra-se confinada em um invólucro translúcido (tubo de descarga) em cujas extremidades encontram-se inseridos eletrodos (hastes metálicas ou filamentos) que formam a interface entre a descarga e o circuito elétrico de alimentação. A corrente elétrica através da descarga é formada majoritariamente por elétrons emitidos pelo eletrodo negativo (catodo) que são acelerados por uma diferença de potencial externa em direção ao eletrodo positivo (anodo) gerando colisões com os átomos do vapor metálico. A energia transferida ao átomo pelas colisões elásticas excita elétrons para órbitas mais elevadas e as colisões inelásticas provocam sua ionização gerando novos elétrons. A subseqüente transição do átomo para um estado de menor energia é acompanhada da emissão de radiação. Dependendo da sua distribuição espectral, esta radiação é utilizada como fonte de luz ou absorvida por um revestimento, aplicado na parede interna do tubo de descarga (conhecido genericamente por "fósforo"), que emite uma radiação com uma distribuição espectral mais adequada.
Existem basicamente dois tipos de lâmpadas comerciais: as lâmpadas de descarga de baixa pressão de vapor de mercúrio, conhecidas como lâmpadas fluorescentes, e as lâmpadas de descarga de baixa pressão de vapor de sódio.
Desenvolvida na década de 1940 é conhecida comercialmente como lâmpada tubular fluorescente em função da geometria do seu tubo de descarga, este tipo de lâmpada encontra aplicações em praticamente todos os campos de iluminação. O tubo de descarga, de vidro transparente, é revestido internamente com uma camada de pó branco, genericamente conhecido como "fósforo". O "fósforo" atua como um conversor de radiação, ou seja, absorve um comprimento de onda específico (λ = 253.7 nm) de radiação ultravioleta, produzida por uma descarga de vapor de mercúrio a baixa pressão, para emitir luz visível. As lâmpadas fluorescentes comercialmente disponíveis utilizam bulbos de vidro transparente, historicamente designados por uma letra T (de tubular) seguida de um número que indica o seu diâmetro máximo em oitavos de polegada. Por exemplo, T12 significa um bulbo tubular com diâmetro de 12/ polegadas. O diagrama da Figura 5 mostra a estrutura interna de uma lâmpada fluorescente tubular e ilustra o seu princípio de funcionamento.
Figura – Estrutura interna e principio de funcionamento de uma lâmpada fluorescente tubular
Os eletrodos encontram-se hermeticamente selados no interior do tubo, um em cada extremidade. Existem basicamente dois tipos:
a) o catodo frio, utilizado em lâmpadas com o mesmo nome e atualmente já fora de linha, constituído de um cilindro metálico coberto com uma substância que emite elétrons, quando aquecida pelo próprio calor gerado na descarga, e; b) o catodo quente ou filamento, utilizado na quase totalidade das lâmpadas atualmente disponíveis.
Os filamentos das lâmpadas fluorescentes são construtivamente semelhantes aos das lâmpadas incandescentes, porém operam em temperaturas mais baixas (800 °C a 1100°C) e apresentam um revestimento de material com baixa função de trabalho (por exemplo óxido de bário) que emite elétrons por efeito termo-iônico (vide detalhes na Figura 6). Durante a partida, os filamentos são alimentados por uma fonte de tensão, sendo aquecidos pela circulação da corrente, até atingir a temperatura de emissão desejada, a qual é mantida pelo calor gerado na descarga com a lâmpada já em funcionamento. Este procedimento é denominado pré-aquecimento dos filamentos. O preaquecimento influi na vida útil dos filamentos e, portanto, da própria lâmpada.
Figura – Soquete e filamento de uma lâmpada fluorescente tubular
Como gás de enchimento é utilizado um gás inerte com baixo potencial de ionização (argônio puro ou uma mistura de argônio, neônio e criptônio) para facilitar a ignição da lâmpada. O gás e a sua pressão também influem na eficiência da lâmpada, já o gás inerte atua como um moderador que ajusta a velocidade média dos elétrons de forma a maximizar a produção de radiação ultravioleta com comprimento de onda λ = 253.7 nm. As características colorimétricas (temperatura de cor correlata, reprodução de cores) e a eficácia da lâmpada fluorescente são determinadas pela composição e espessura do pó fluorescente ("fósforo"). Os "fósforos" são compostos que emitem luz por fluorescência quando expostos à radiação ultravioleta. São fabricados a partir de substâncias de elevada pureza, cuja estrutura cristalina é modificada pela adição de ativadores, que determinam a distribuição espectral da radiação emitida. Uma família amplamente utilizada são os halofosfatos cuja composição química básica é 3Ca(PO4)2CaF2. Na década de 1980 foi desenvolvida uma nova família de "fósforos", conhecida comercialmente como "trifósforos" ou "fósforos tri-estímulo", que é constituída de três compostos, cada um com banda de emissão estreita e centrada nos comprimentos de onda do azul, vermelho e verde respectivamente. A combinação adequada destes compostos, juntamente com uma camada de halofosfato, possibilitou uma melhora no índice de reprodução de cores e um aumento considerável na eficácia luminosa, ou seja, permitiu a construção de lâmpadas com menor potência para emissão do mesmo fluxo luminoso. As lâmpadas fluorescentes de nova geração utilizam um tubo com diâmetro menor (T8 em vez de T12) e o custo mais elevado do tri-fósforo é compensado pelo aumento de eficiência resultante. A Tabela 1 apresenta as principais características de algumas lâmpadas fluorescentes e incandescentes. Pode-se verificar que: a) as lâmpadas fluorescentes são aproximadamente 6 vezes mais eficientes que as incandescentes; b) as lâmpadas fluorescentes apresentam uma vida útil 8 vezes superior às incandescentes e; c) as lâmpadas fluorescentes com trifósforo são mais eficientes que as com halofosfato e apresentam um índice de reprodução de cores mais elevado, porém ainda inferior às incandescentes.
Tabela – Características de algumas lâmpadas fluorescentes e incandescentes
As lâmpadas fluorescentes tubulares são utilizadas para iluminação de interiores em instalações comerciais, industriais e residenciais. A lâmpada fluorescente não oferece riscos à saúde, pois a quase totalidade da radiação ultravioleta emitida pela descarga é absorvida pelo pó fluorescente e pelo vidro do tubo de descarga.
A lâmpada fluorescente compacta CFL (“Compact Fluorescent Lamp”) foi introduzida no mercado no início da década de 1980 para substituir a lâmpada incandescente. Estas lâmpadas apresentam alguns detalhes construtivos que
Reatores Eletromagnéticos
São constituídos basicamente de bobinas com um núcleo, obtido pelo empilhamento de chapas de ferro-silício, apresentando portanto características indutivas. Podem ser simples indutores ou transformadores com características especiais. A tensão v(t) sobre um indutor ideal em função da corrente i(t) obedece a relação v(t)=L(di/dt), onde L é uma constante denominada indutância. Portanto, qualquer variação de corrente imposta pelo circuito externo é transformada pelo indutor em uma diferença de potencial entre os seus terminais, que é proporcional à taxa de variação da corrente. Em corrente alternada, o indutor funciona como um dispositivo que oferece resistência às variações de corrente, o que justifica sua escolha como elemento de estabilização para lâmpadas de descarga. Um indutor real pode ser representado por um indutor ideal em série com a resistência elétrica (do fio de cobre) da bobina, sendo que esta última determina a potência dissipada (em watt) pelo conjunto. Os reatores indutivos para lâmpadas fluorescentes tubulares são, em geral, classificados de acordo com o tipo de ignição em: a) reator com pré-aquecimento (utilizando "starter"), mostrado na Figura 8 (a); b) reator de partida rápida, apresentado na Figura 8 (c).
Figura – Reatores indutivos para lâmpadas fluorescentes tubulares
Reator com Pré-Aquecimento (Utilizando "Starter")
Os reatores para lâmpadas fluorescentes que realizam pré-aquecimento dos filamentos são simples indutores, que operam em conjunto com um dispositivo de chaveamento, que pode ser do tipo mecânico (chave liga/desliga) ou térmico ("starter"). O valor de pico da tensão de alimentação C.A. fornecida pelas concessionárias de energia elétrica é, em geral, significativamente inferior à tensão de ignição, na temperatura ambiente, para a grande maioria das lâmpadas fluorescentes tubulares. Uma maneira de reduzir a tensão de ignição da lâmpada é realizar um pré-aquecimento dos seus filamentos, que passam a emitir elétrons livres, reduzindo a rigidez dielétrica (capacidade de suportar tensão) da coluna gasosa entre os eletrodos. Este processo é iniciado com o fechamento da chave em paralelo com a lâmpada, conforme indicado na Figura 8 (a). Desta forma, os filamentos da lâmpada são conectados em série e alimentados pela tensão C.A., para permitir a circulação de uma corrente elétrica (de 0,8 A a 1,2 A), cujo valor é determinado pelo reator. Quando os filamentos atingem a incandescência, a chave é aberta, interrompendo a corrente no circuito. A variação brusca da corrente provoca uma diferença de potencial momentânea e de valor elevado entre os terminais do reator, que, somada à tensão C.A. naquele instante, será aplicada sobre a lâmpada provocando a ignição da descarga.
A maioria das instalações que adotam esta técnica, utiliza uma chave térmica, denominada "starter", mostrada em detalhe na Figura 8 (b). O "starter" é constituído de uma ampola de vidro (com aproximadamente 20 mm de comprimento e 10 mm de diâmetro), contendo um gás (em geral neônio ou hélio) a uma certa pressão, além de dois contatos separados entre si. Um contato é fixo em forma de haste e o outro, constituído de uma lâmina bimetálica em forma de U, é móvel. O elemento bimetálico é obtido laminando-se duas chapas metálicas com coeficientes de dilatação térmica significativamente diferentes. O princípio de funcionamento do reator com "starter" é similar à seqüência de eventos descrita anteriormente. A tensão da rede C.A., insuficiente para realizar a ignição da lâmpada, consegue abrir um arco de baixa resistência elétrica entre os contatos do "starter", provocando a circulação de corrente pelos filamentos. O calor gerado pelo arco deforma a lâmina bimetálica, aproximando-a da haste fixa até estabelecer contato mecânico. Neste instante o "starter" se comporta como um curto-circuito, extinguindo o arco. Na ausência do arco a lâmina bimetálica esfria rapidamente, afastando-se do contato fixo (o aquecimento próprio por efeito Joule na lâmina bimetálica é desprezível). Quando os contatos do "starter" se separam, ouve-se um "clic" característico. A interrupção brusca da corrente provoca uma tensão de valor elevado entre os eletrodos da lâmpada que pode ou não provocar a ignição da descarga. Em caso afirmativo, o "starter" permanecerá em circuito aberto, pois a tensão da lâmpada acesa é insuficiente para abrir um arco entre os seus contatos. Caso contrário, o ciclo de pré-aquecimento se inicia novamente. A partida da lâmpada demora, em geral, alguns segundos e a escolha do "starter" é feita em função da tensão da lâmpada. O sucesso da ignição da lâmpada após o primeiro ciclo de pré-aquecimento depende, entre outros fatores, da temperatura ambiente e da umidade atmosférica. Em ambientes frios e úmidos são necessários, em geral, de três a seis ciclos. A partida com pré-aquecimento implica a utilização de um conjunto individual, formado por reator e "starter", para cada lâmpada.
Reator de Partida Rápida
Os reatores de partida rápida não utilizam "starter". Portanto, para se garantir a partida da lâmpada, esta topologia deve aplicar um valor de tensão suficientemente elevado para realizar a partida da lâmpada (numa ampla faixa de temperatura ambiente) ou reduzir a tensão de ignição da lâmpada de alguma forma. Estes reatores utilizam um transformador, cujos enrolamentos encontram-se magneticamente acoplados com um indutor, para realizar o aquecimento adequado dos filamentos de forma a reduzir a tensão de ignição da lâmpada para valores próximos da tensão C.A. de alimentação. A Figura 8 (c) mostra uma versão simplificada desta configuração. O transformador dispõe de enrolamentos de baixa tensão (3 V a 4 V), ligados em série com o enrolamento secundário, aos quais são conectados os filamentos. Ao contrário dos reatores com pré-aquecimento, existe circulação permanente de corrente pelos filamentos, cujo valor é significativamente reduzido, após a ignição da lâmpada, pelo aumento da resistência dos
Vantagens dos reatores eletrônicos sobre os eletromagnéticos
a) Redução de perdas no reator
As perdas dos reatores eletrônicos são significativamente inferiores aos de seus similares indutivos. Por exemplo, o conjunto constituído de um reator indutivo de partida rápida e duas lâmpadas fluorescentes de 40 W (T12), ambas operando na condição nominal de fluxo luminoso, absorve 102 W. Já um conjunto equipado com reator eletrônico nas mesmas condições consome apenas 79 W, resultando uma economia de energia elétrica de 25%. No entanto, a escolha do reator eletrônico deve ser criteriosa, pois existem diversos modelos que alimentam a lâmpada fora da sua especificação nominal de fluxo luminoso. As normas estabelecem que a temperatura da carcaça de reatores indutivos deve ser tal que o salto térmico (ΔT) entre ela e a temperatura ambiente não pode ultrapassar 65 °C, ou seja, a temperatura da carcaça de um reator indutivo não pode exceder 100 °C quando a temperatura ambiente for 35 °C. Por outro lado, nos reatores eletrônicos comerciais a elevação de temperatura na carcaça não ultrapassa 20 °C. Portanto, luminárias com reatores eletrônicos aquecem menos, reduzindo a carga térmica do sistema de ar condicionado e proporcionando uma economia adicional de energia elétrica.
b) Aumento de eficiência da lâmpada
Lâmpadas fluorescentes, alimentadas em alta freqüência (acima de 5 kHz) com tensão senoidal operando na sua potência nominal, apresentam uma elevação de fluxo luminoso de 6% a 12%, em relação ao valor obtido na freqüência da rede. A eficiência da lâmpada aumenta com a elevação da freqüência da tensão de alimentação, até atingir um patamar para freqüências em torno de 10 kHz. O valor percentual do aumento de fluxo luminoso depende, entre outros fatores, das dimensões físicas do tubo de descarga.
Analisando o oscilograma da Figura 10 (a) obtido com a lâmpada alimentada em 60Hz, verifica-se que a tensão sobre a lâmpada tem um formato aproximadamente retangular, com oscilações de alta freqüência provocadas por instabilidades da descarga nas proximidades da região anódica. Quando a freqüência de alimentação ultrapassa a freqüência destas instabilidades, as oscilações desaparecem, o valor eficaz da tensão na lâmpada diminui assim como a potência fornecida à lâmpada. Esta passa se comportar como um resistor, pois a tensão torna-se praticamente senoidal, em fase com a corrente (vide Figura 10 (b)).
Figura – Tensão e corrente de uma lâmpada CFL de 9W emitindo fluxo luminoso nominal
c) Redução da modulação da intensidade luminosa
A intensidade luminosa de lâmpadas fluorescentes, alimentadas por reatores indutivos, apresenta uma modulação de amplitude que acompanha a freqüência da rede. Quando a luz da lâmpada ilumina um corpo que gira com uma rotação igual ou próxima a um múltiplo da freqüência da rede, o observador vê a imagem de um corpo em repouso ou girando lentamente. Este fenômeno, conhecido por efeito estroboscópico, desaparece quando se utilizam reatores eletrônicos, devido à alimentação da lâmpada ser de alta freqüência.
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 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. Os eletrodos são bastões irradiadores e o tubo de descarga tem dimensões reduzidas (diâmetro de mm e comprimento de cm). Existem basicamente três tipos básicos de lâmpadas comerciais:
a) a lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão; b) a lâmpada de sódio de alta pressão, e c) as lâmpadas de alta pressão de vapores metálicos.
A lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão HPM (High Pressure Mercury), apresentada na Figura 11 é constituída de um tubo de descarga transparente, de dimensões reduzidas inserido em um bulbo de vidro, revestido internamente com uma camada de "fósforo" para correção do índice de reprodução de cor.
Figura – Lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão
O tubo de descarga contém vapor de mercúrio à pressão de 2 a 4 atmosferas e argônio a 0.03 atmosferas. 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 ovóide, contém nitrogênio, formando uma atmosfera protetora para:
a) reduzir a oxidação de partes metálicas, b) limitar a intensidade da radiação ultravioleta que atinge o revestimento de "fósforo", e c) 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
A lâmpada de luz mista, mostrada na Figura 13.17, é uma lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão que dispensa reator, substituído por um filamento interno (semelhante ao de uma lâmpada incandescente), localizado no interior do bulbo conectado em série como tubo de descarga.
Figura – Lâmpada de luz mista
Este tipo de lâmpada apresenta um índice de reprodução de cor variando de 50 a 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 4 apresenta as características de alguns modelos comerciais com base tipo rosca Edison.
Tabela – Características de alguns modelos de lâmpadas de luz mista
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 borosilicado, com formato ovóide ou cilíndrico. A Figura 14 apresenta a estrutura interna de uma lâmpada HPS com bulbo cilíndrico.
Figura – Lâmpada de vapor de sódio de alta pressão
A lâmpada de vapor de sódio de alta pressão começou a ser produzida em escala industrial na década de 60, após a síntese da alúmina 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 de 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, reduz a perda por calor e eleva 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 14, 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. 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 (CRI ≈ 20), porém,
uma elevada eficácia luminosa (120 lm/W para a lâmpada de 400 W) e vida útil longa (24 000 horas). No entanto, existem lâmpadas especiais que apresentam um elevado índice de reprodução de cor (CRI = 85), porém, com uma eficácia luminosa de 80 lm/W. Para a estabilização da lâmpada, a utilização de reatores indutivos é atualmente a melhor solução sob o aspecto técnico-econômico. Para a ignição da lâmpada, aplicam-se pulsos de tensão com amplitude de 1.8 a 5.0 kilovolts e largura de 1 μs a 15 μs entre os seus eletrodos. Nas lâmpadas HPS convencionais, esta função é desempenhada por um dispositivo externo à lâmpada, conhecido por ignitor. Os ignitores podem ser classificados em dois tipos: a) ignitor conjugado, utilizado em conjunto com um reator indutivo com derivação, conforme mostrado na Figura 15 (a), e b) ignitor independente do reator, apresentado na Figura 15 (b).
Figura – Reator e ignitores para lâmpada de vapor de sódio de alta pressão
Os pulsos de alta tensão são aplicados entre os eletrodos da lâmpada somente até que se estabeleça a circulação de corrente pelo tubo de descarga, devendo ser inibidos em seguida. As normas internacionais especificam que o ignitor deve fornecer pelo menos um pulso a cada ciclo da rede (50 ou 60 Hz), o qual deve estar sobreposto à tensão da rede no instante de pico (máxima amplitude) da senóide, conforme mostra a Figura 15 (c). A tensão de arco da lâmpada é fortemente dependente da temperatura e aumenta naturalmente ao longo da sua vida útil. Portanto, as lâmpadas HPS necessitam de luminárias com características geométricas especiais, para limitar o aquecimento do tubo de descarga pela reflexão das componentes infravermelhas do espectro geradas pela lâmpada. Caso contrário podem ocorrer aumentos anormais da tensão de arco e uma redução significativa da vida útil da lâmpada. Quando se desliga uma lâmpada HPS alimentada por um reator indutivo com ignitor convencional, a sua reignição só é possível após 3 a 7 minutos, intervalo de tempo necessário para o esfriamento da lâmpada. A Tabela 5 apresenta as características de alguns modelos comerciais de lâmpadas HPS convencionais com bulbo em forma de ovóide, utilizadas em instalações de iluminação pública.
Tabela – Características de alguns modelos de lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão
As lâmpadas HPS com dispositivo de ignição interno são projetadas para serem intercambiáveis com lâmpadas de vapor de mercúrio, ou seja, utilizando o mesmo reator e dispensando o ignitor. O tubo de descarga é monolítico e similar ao da lâmpada HPS convencional. Geralmente adiciona-se argônio ou neônio para reduzir a tensão de ignição e utiliza-se uma concentração de
As lâmpadas existentes hoje em dia oferecem uma série de opções quanto ao tipo de iluminação desejada, bem como à economia em que se deseja ter ao utilizar determinado modelo de lâmpada. As incandescentes são as mais baratas e as mais utilizadas em residências principalmente, custam dez vezes menos que uma fluorescente compacta, por exemplo, no entanto apresentam vida útil 8 vezes menor, além de consumir maior quantidade de energia. A fluorescente apresenta um fluxo luminoso cerca de três vezes melhor que a incandescente. A lâmpada de vapor 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 mista apresenta um índice de reprodução de cor variando de 50 a 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 lâmpada de vapor de sódio convencional apresenta, em geral, um baixo índice de reprodução de cor (CRI ≈ 20), porém, uma elevada eficácia luminosa (120 lm/W para a lâmpada de 400 W) e vida útil longa (24 000 horas). No entanto, existem lâmpadas especiais que apresentam um elevado índice de reprodução de cor (CRI = 85), porém, com uma eficácia luminosa de 80 lm/W. As lâmpadas de vapor metálico apresentam uma eficácia luminosa de 65 a 100 lm/W e um índice de reprodução de cores superior a 80. A sua vida útil é em geral inferior a 8000 horas.
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