Lâmpada fluorescente - Fluorescent lamp

Lâmpadas fluorescentes lineares iluminando um túnel de pedestres
Superior: duas lâmpadas fluorescentes compactas não integradas . Embaixo: duas lâmpadas fluorescentes. Ambos os tipos requerem um reator na luminária . Um palito de fósforo, à esquerda, é mostrado para escala.
Lâmpada F71T12 100 W de dois pinos típica usada em camas de bronzeamento. O símbolo (Hg) indica que esta lâmpada contém mercúrio . Nos EUA, este símbolo agora é obrigatório em todas as lâmpadas fluorescentes que contêm mercúrio.
Um suporte de lâmpada tipo "lápide" para lâmpadas fluorescentes de dois pinos T12 e T8
Dentro da extremidade da lâmpada de uma lâmpada de dois pinos pré-aqueça. Nesta lâmpada, o filamento é envolvido por uma proteção catódica de metal oblonga , que ajuda a reduzir o escurecimento da extremidade da lâmpada.

Uma lâmpada fluorescente , ou tubo fluorescente , é uma lâmpada de descarga de gás de vapor de mercúrio de baixa pressão que usa fluorescência para produzir luz visível. Uma corrente elétrica no gás excita o vapor de mercúrio, que produz luz ultravioleta de ondas curtas que faz com que uma camada de fósforo brilhe no interior da lâmpada. Uma lâmpada fluorescente converte energia elétrica em luz útil com muito mais eficiência do que lâmpadas incandescentes. A eficácia luminosa típica dos sistemas de iluminação fluorescente é de 50–100 lumens por watt, várias vezes a eficácia das lâmpadas incandescentes com saída de luz comparável. Em comparação, a eficácia luminosa de uma lâmpada incandescente é de apenas 16 lumens por watt.

As luminárias de lâmpadas fluorescentes são mais caras do que as lâmpadas incandescentes porque requerem um reator para regular a corrente através da lâmpada, mas o custo de energia mais baixo normalmente compensa o custo inicial mais alto. As lâmpadas fluorescentes compactas agora estão disponíveis nos mesmos tamanhos populares que as incandescentes e são usadas como uma alternativa de economia de energia em residências.

Por conter mercúrio, muitas lâmpadas fluorescentes são classificadas como resíduos perigosos . A Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos recomenda que as lâmpadas fluorescentes sejam separadas do lixo geral para reciclagem ou descarte seguro, e algumas jurisdições exigem sua reciclagem.

História

Descobertas físicas

A fluorescência de certas rochas e outras substâncias foi observada por centenas de anos antes que sua natureza fosse compreendida. Em meados do século 19, os pesquisadores observaram um brilho radiante emanando de recipientes de vidro parcialmente evacuados, através dos quais uma corrente elétrica passou. Um dos primeiros a explicá-lo foi o cientista irlandês Sir George Stokes, da Universidade de Cambridge, em 1852, que chamou o fenômeno de "fluorescência" em homenagem à fluorita , um mineral cujas amostras brilham fortemente por causa de impurezas. A explicação baseava-se na natureza dos fenômenos elétricos e luminosos desenvolvidos pelos cientistas britânicos Michael Faraday na década de 1840 e James Clerk Maxwell na década de 1860.

Pouco mais foi feito com esse fenômeno até 1856, quando o soprador de vidro alemão Heinrich Geissler criou uma bomba de vácuo de mercúrio que evacuava um tubo de vidro em uma extensão que antes não era possível. Geissler inventou a primeira lâmpada de descarga de gás, o tubo de Geissler , que consiste em um tubo de vidro parcialmente evacuado com um eletrodo de metal em cada extremidade. Quando uma alta tensão foi aplicada entre os eletrodos, o interior do tubo iluminou-se com uma descarga luminescente . Ao colocar diferentes produtos químicos dentro, os tubos podiam ser feitos para produzir uma variedade de cores, e elaborados tubos Geissler eram vendidos para entretenimento. Mais importante, porém, foi sua contribuição para a pesquisa científica. Um dos primeiros cientistas a experimentar um tubo Geissler foi Julius Plücker, que descreveu sistematicamente em 1858 os efeitos luminescentes que ocorriam em um tubo Geissler. Ele também fez a importante observação de que o brilho no tubo mudava de posição quando estava próximo a um campo eletromagnético . Alexandre Edmond Becquerel observou em 1859 que certas substâncias emitiam luz ao serem colocadas em um tubo de Geissler. Ele passou a aplicar camadas finas de materiais luminescentes nas superfícies desses tubos. Ocorreu fluorescência, mas os tubos eram muito ineficientes e tinham uma vida operacional curta.

As investigações que começaram com o tubo de Geissler continuaram à medida que aspiradores ainda melhores eram produzidos. O mais famoso foi o tubo evacuado usado para pesquisas científicas por William Crookes . Esse tubo foi evacuado pela bomba de vácuo de mercúrio altamente eficaz criada por Hermann Sprengel . A pesquisa conduzida por Crookes e outros levou à descoberta do elétron em 1897 por JJ Thomson e dos raios X em 1895 por Wilhelm Roentgen . Mas o tubo de Crookes , como veio a ser conhecido, produzia pouca luz porque o vácuo nele era bom demais e, portanto, não continha os vestígios de gás necessários para a luminescência eletricamente estimulada .

Lâmpadas de descarga antecipada

Uma das primeiras lâmpadas de vapor de mercúrio inventada por Peter Cooper Hewitt , 1903. Era semelhante a uma lâmpada fluorescente sem o revestimento fluorescente do tubo e produzia uma luz esverdeada. O dispositivo redondo sob a lâmpada é o reator .

Thomas Edison buscou brevemente a iluminação fluorescente por seu potencial comercial. Ele inventou uma lâmpada fluorescente em 1896 que usava um revestimento de tungstato de cálcio como substância fluorescente, excitada por raios X , mas embora tenha recebido uma patente em 1907, não foi colocada em produção. Tal como acontece com algumas outras tentativas de usar tubos Geissler para iluminação, teve uma vida operacional curta e, dado o sucesso da luz incandescente, Edison tinha poucos motivos para buscar um meio alternativo de iluminação elétrica. Nikola Tesla fez experimentos semelhantes na década de 1890, criando lâmpadas fluorescentes de alta frequência que emitiam uma luz esverdeada brilhante, mas, como com os dispositivos de Edison, nenhum sucesso comercial foi alcançado.

Um dos ex-funcionários de Edison criou uma lâmpada de descarga de gás que alcançou certo sucesso comercial. Em 1895, Daniel McFarlan Moore demonstrou lâmpadas de 2 a 3 metros (6,6 a 9,8 pés) de comprimento que usavam dióxido de carbono ou nitrogênio para emitir luz branca ou rosa, respectivamente. Eles eram consideravelmente mais complicados do que uma lâmpada incandescente, exigindo uma fonte de alimentação de alta voltagem e um sistema de regulagem de pressão para o gás de enchimento.

Moore inventou uma válvula controlada eletromagneticamente que mantinha uma pressão de gás constante dentro do tubo, para estender a vida útil. Embora a lâmpada de Moore fosse complicada, cara e exigisse tensões muito altas, era consideravelmente mais eficiente do que as lâmpadas incandescentes e produzia uma aproximação mais próxima da luz natural do dia do que as lâmpadas incandescentes contemporâneas. A partir de 1904, o sistema de iluminação de Moore foi instalado em várias lojas e escritórios. Seu sucesso contribuiu para a motivação da General Electric em melhorar a lâmpada incandescente, especialmente seu filamento. Os esforços da GE deram frutos com a invenção de um filamento à base de tungstênio . A vida útil estendida e a eficácia aprimorada das lâmpadas incandescentes anularam uma das principais vantagens da lâmpada de Moore, mas a GE comprou as patentes relevantes em 1912. Essas patentes e os esforços inventivos que as apoiaram tiveram um valor considerável quando a empresa adotou a iluminação fluorescente mais de duas décadas depois.

Mais ou menos na mesma época em que Moore estava desenvolvendo seu sistema de iluminação, Peter Cooper Hewitt inventou a lâmpada de vapor de mercúrio , patenteada em 1901 ( US 682692  ). A lâmpada de Hewitt acendeu quando uma corrente elétrica passou pelo vapor de mercúrio em baixa pressão. Ao contrário das lâmpadas de Moore, as Hewitt eram fabricadas em tamanhos padronizados e operavam em baixas tensões. A lâmpada de vapor de mercúrio era superior às lâmpadas incandescentes da época em termos de eficiência energética, mas a luz azul esverdeada que produzia limitava suas aplicações. Foi, no entanto, usado para fotografia e alguns processos industriais.

As lâmpadas de vapor de mercúrio continuaram a ser desenvolvidas em um ritmo lento, especialmente na Europa, e no início da década de 1930 recebiam uso limitado para iluminação em grande escala. Alguns deles empregavam revestimentos fluorescentes, mas estes eram usados ​​principalmente para correção de cores e não para saída de luz aprimorada. As lâmpadas de vapor de mercúrio também anteciparam a lâmpada fluorescente em sua incorporação de um reator para manter uma corrente constante.

Cooper-Hewitt não foi o primeiro a usar vapor de mercúrio para iluminação, pois os esforços anteriores foram montados por Way, Rapieff, Arons e Bastian e Salisbury. De particular importância foi a lâmpada de vapor de mercúrio inventada por Küch e Retschinsky na Alemanha . A lâmpada usava um bulbo de diâmetro menor e maior corrente operando em pressões mais altas. Como consequência da corrente, o bulbo funcionou a uma temperatura mais elevada, o que exigiu o uso de um bulbo de quartzo. Embora sua saída de luz em relação ao consumo elétrico fosse melhor do que a de outras fontes de luz, a luz que produzia era semelhante à da lâmpada Cooper-Hewitt por não ter a parte vermelha do espectro, tornando-a inadequada para a iluminação comum. Devido às dificuldades de vedação dos eletrodos ao quartzo, a lâmpada teve uma vida útil muito curta.

Lâmpadas néon

O próximo passo na iluminação à base de gás aproveitou as qualidades luminescentes do néon , um gás inerte que foi descoberto em 1898 por isolamento da atmosfera. Neon brilhou um vermelho brilhante quando usado em tubos Geissler. Em 1910, Georges Claude , um francês que desenvolveu uma tecnologia e um negócio de sucesso para a liquefação de ar, estava obtendo neon suficiente como subproduto para apoiar uma indústria de iluminação neon. Embora a iluminação neon tenha sido usada por volta de 1930 na França para iluminação geral, ela não era mais eficiente em termos de energia do que a iluminação incandescente convencional. A iluminação do tubo de néon, que também inclui o uso de argônio e vapor de mercúrio como gases alternativos, passou a ser usada principalmente em placas e anúncios atraentes. A iluminação neon foi relevante para o desenvolvimento da iluminação fluorescente, no entanto, como o eletrodo aprimorado de Claude (patenteado em 1915) superou a "pulverização catódica", uma importante fonte de degradação do eletrodo. A pulverização catódica ocorreu quando partículas ionizadas atingiram um eletrodo e arrancaram pedaços de metal. Embora a invenção de Claude exigisse eletrodos com grande área de superfície, ela mostrou que um grande impedimento para a iluminação a gás poderia ser superado.

O desenvolvimento da luz neon também foi significativo para o último elemento-chave da lâmpada fluorescente, seu revestimento fluorescente. Em 1926 Jacques Risler recebeu uma patente francesa para a aplicação de revestimentos fluorescentes para tubos de luz neon. O principal uso dessas lâmpadas, que podem ser consideradas as primeiras fluorescentes de sucesso comercial, era para publicidade, não para iluminação geral. Este, entretanto, não foi o primeiro uso de revestimentos fluorescentes; Becquerel já havia usado a ideia e Edison usou tungstato de cálcio para sua lâmpada sem sucesso. Outros esforços foram montados, mas todos foram afetados por baixa eficiência e vários problemas técnicos. De particular importância foi a invenção em 1927 de uma “lâmpada de vapor metálico” de baixa tensão por Friedrich Meyer, Hans-Joachim Spanner e Edmund Germer , que eram funcionários de uma empresa alemã em Berlim . Uma patente alemã foi concedida, mas a lâmpada nunca entrou em produção comercial.

Comercialização de lâmpadas fluorescentes

Todas as principais características da iluminação fluorescente já existiam no final da década de 1920. Décadas de invenção e desenvolvimento forneceram os principais componentes das lâmpadas fluorescentes: tubos de vidro economicamente manufaturados, gases inertes para encher os tubos, reatores elétricos, eletrodos de longa duração, vapor de mercúrio como fonte de luminescência, meios eficazes de produzir uma descarga elétrica confiável e revestimentos fluorescentes que podem ser energizados por luz ultravioleta. Nesse ponto, o desenvolvimento intensivo era mais importante do que a pesquisa básica.

Em 1934, Arthur Compton , um físico renomado e consultor da GE, relatou ao departamento de lâmpadas da GE experiências bem-sucedidas com iluminação fluorescente na General Electric Co., Ltd. na Grã-Bretanha (não relacionada à General Electric nos Estados Unidos). Estimulado por este relatório, e com todos os elementos-chave disponíveis, uma equipe liderada por George E. Inman construiu um protótipo de lâmpada fluorescente em 1934 no laboratório de engenharia da General Electric em Nela Park (Ohio). Este não foi um exercício trivial; como observado por Arthur A. Bright, "Uma grande quantidade de experimentação teve que ser feita em tamanhos e formas de lâmpadas, construção de cátodo, pressões de gás de argônio e vapor de mercúrio, cores de pós fluorescentes, métodos de anexá-los ao interior do tubo, e outros detalhes da lâmpada e seus auxiliares antes que o novo dispositivo estivesse pronto para o público. "

Além de ter engenheiros e técnicos junto com instalações para trabalho de P&D em lâmpadas fluorescentes, a General Electric controlava o que considerava as principais patentes da iluminação fluorescente, incluindo as patentes originalmente emitidas para Hewitt, Moore e Küch. Mais importante do que isso era uma patente cobrindo um eletrodo que não se desintegrava nas pressões de gás que, em última análise, eram empregadas em lâmpadas fluorescentes. Albert W. Hull, do Laboratório de Pesquisa Schenectady da GE, entrou com um pedido de patente desta invenção em 1927, que foi emitida em 1931. A General Electric usou seu controle das patentes para evitar a competição com suas lâmpadas incandescentes e provavelmente atrasou a introdução da iluminação fluorescente em 20 anos. Eventualmente, a produção de guerra exigia fábricas 24 horas com iluminação econômica e lâmpadas fluorescentes se tornaram disponíveis.

Embora a patente do Hull tenha dado à GE uma base para reivindicar direitos legais sobre a lâmpada fluorescente, alguns meses depois que a lâmpada entrou em produção, a empresa soube de um pedido de patente nos EUA que havia sido depositado em 1927 para a mencionada "lâmpada de vapor de metal" inventada em Alemanha por Meyer, Spanner e Germer. O pedido de patente indicava que a lâmpada havia sido criada como um meio superior de produção de luz ultravioleta, mas o pedido também continha algumas declarações referentes à iluminação fluorescente. Os esforços para obter uma patente nos Estados Unidos sofreram vários atrasos, mas se fosse concedida, a patente poderia ter causado sérias dificuldades para a GE. No início, a GE tentou bloquear a emissão de uma patente, alegando que a prioridade deveria ir para um de seus funcionários, Leroy J. Buttolph, que, de acordo com sua alegação, havia inventado uma lâmpada fluorescente em 1919 e cujo pedido de patente ainda estava pendente. A GE também havia entrado com um pedido de patente em 1936 em nome de Inman para cobrir as “melhorias” feitas por seu grupo. Em 1939, a GE decidiu que a reivindicação de Meyer, Spanner e Germer tinha algum mérito e que, em qualquer caso, um longo procedimento de interferência não era do interesse deles. Eles, portanto, retiraram o pedido de Buttolph e pagaram $ 180.000 para adquirir o Meyer, et al. pedido, que naquele momento pertencia a uma empresa conhecida como Electrons, Inc. A patente foi devidamente concedida em dezembro de 1939. Esta patente, junto com a patente de Hull, colocou a GE no que parecia ser um terreno legal firme, embora levasse anos de contestações legais da Sylvania Electric Products , Inc., que alegou violação de patentes que detinha.

Mesmo que a questão da patente não tenha sido completamente resolvida por muitos anos, a força da General Electric na fabricação e no marketing deu a ela uma posição preeminente no mercado emergente de lâmpadas fluorescentes. As vendas de "lâmpadas fluorescentes lumilinas" começaram em 1938, quando quatro tamanhos diferentes de tubos foram colocados no mercado. Eles foram usados ​​em acessórios fabricados por três empresas líderes, Lightolier , Artcraft Fluorescent Lighting Corporation e Globe Lighting. A introdução pública do reator fluorescente Slimline em 1946 foi pela Westinghouse e General Electric e as luminárias Showcase / Display Case foram introduzidas pela Artcraft Fluorescent Lighting Corporation em 1946. Durante o ano seguinte, a GE e a Westinghouse divulgaram as novas luzes por meio de exposições na Feira Mundial de Nova York e a Exposição Internacional Golden Gate em São Francisco. Os sistemas de iluminação fluorescente se espalharam rapidamente durante a Segunda Guerra Mundial, à medida que a fabricação em tempo de guerra intensificou a demanda por iluminação. Em 1951, mais luz era produzida nos Estados Unidos por lâmpadas fluorescentes do que por lâmpadas incandescentes.

Nos primeiros anos, o ortossilicato de zinco com conteúdo variável de berílio era usado como fósforo esverdeado. Pequenas adições de tungstato de magnésio melhoraram a parte azul do espectro, resultando em um branco aceitável. Depois que foi descoberto que o berílio era tóxico , os fósforos à base de halofosfato assumiram o controle.

Princípios de operação

O mecanismo fundamental para a conversão de energia elétrica em luz é a emissão de um fóton quando um elétron em um átomo de mercúrio cai de um estado excitado para um nível de energia inferior . Os elétrons que fluem no arco colidem com os átomos de mercúrio. Se o elétron incidente tiver energia cinética suficiente , ele transfere energia para o elétron externo do átomo, fazendo com que esse elétron salte temporariamente para um nível de energia mais alto que não é estável. O átomo emitirá um fóton ultravioleta conforme o elétron do átomo reverte para um nível de energia mais baixo e estável. A maioria dos fótons que são liberados dos átomos de mercúrio tem comprimentos de onda na região ultravioleta (UV) do espectro, predominantemente em comprimentos de onda de 253,7 e 185 nanômetros (nm). Estes não são visíveis ao olho humano, então a energia ultravioleta é convertida em luz visível pela fluorescência do revestimento de fósforo interno. A diferença de energia entre o fóton ultravioleta absorvido e o fóton de luz visível emitido vai para o aquecimento do revestimento de fósforo.

A corrente elétrica flui através do tubo em uma descarga de arco de baixa pressão . Elétrons colidem e ionizam átomos de gases nobres dentro do bulbo ao redor do filamento para formar um plasma pelo processo de ionização por impacto . Como resultado da ionização por avalanche , a condutividade do gás ionizado aumenta rapidamente, permitindo que correntes mais altas fluam através da lâmpada.

O gás de enchimento ajuda a determinar as características elétricas da lâmpada, mas não emite luz. O gás de enchimento aumenta efetivamente a distância que os elétrons percorrem através do tubo, o que permite a um elétron uma chance maior de interagir com um átomo de mercúrio. Além disso, os átomos de argônio, excitados a um estado metaestável pelo impacto de um elétron, podem transmitir energia a um átomo de mercúrio e ionizá-lo, descrito como o efeito Penning . Isso reduz a ruptura e a tensão de operação da lâmpada, em comparação com outros gases de preenchimento possíveis, como o criptônio.

Construção

Close dos cátodos de uma lâmpada germicida (um design essencialmente semelhante que não usa fósforo fluorescente, permitindo que os eletrodos sejam vistos)

Um tubo de lâmpada fluorescente é preenchido com uma mistura de argônio , xenônio , néon ou criptônio e vapor de mercúrio. A pressão dentro da lâmpada é de cerca de 0,3% da pressão atmosférica. A pressão parcial do vapor de mercúrio sozinho é de cerca de 0,8 Pa (8 milionésimos da pressão atmosférica), em uma lâmpada T12 de 40 watts. A superfície interna da lâmpada é revestida com um revestimento fluorescente feito de várias misturas de sais de fósforo metálicos e de terras raras . Os eletrodos da lâmpada são normalmente feitos de tungstênio enrolado e são revestidos com uma mistura de óxidos de bário, estrôncio e cálcio para melhorar a emissão termiônica .

Uma lâmpada germicida usa uma descarga luminescente de vapor de mercúrio de baixa pressão idêntica à de uma lâmpada fluorescente, mas o envelope de quartzo fundido não revestido permite a transmissão da radiação ultravioleta.

Os tubos das lâmpadas fluorescentes são geralmente retos e variam em comprimento de cerca de 100 milímetros (3,9 pol.) Para lâmpadas em miniatura a 2,43 metros (8,0 pés) para lâmpadas de alto rendimento. Algumas lâmpadas têm o tubo dobrado em um círculo, usado para lâmpadas de mesa ou outros locais onde uma fonte de luz mais compacta é desejada. Lâmpadas maiores em forma de U são usadas para fornecer a mesma quantidade de luz em uma área mais compacta e são usadas para finalidades arquitetônicas especiais. As lâmpadas fluorescentes compactas têm vários tubos de pequeno diâmetro unidos em um feixe de dois, quatro ou seis, ou um tubo de pequeno diâmetro enrolado em uma hélice, para fornecer uma grande quantidade de saída de luz em um pequeno volume.

Os fósforos emissores de luz são aplicados como um revestimento semelhante a tinta no interior do tubo. Os solventes orgânicos podem evaporar, então o tubo é aquecido até quase o ponto de fusão do vidro para expulsar os compostos orgânicos restantes e fundir o revestimento ao tubo da lâmpada. É necessário um controle cuidadoso do tamanho do grão dos fósforos suspensos; grãos grandes levam a revestimentos fracos, e partículas pequenas levam a pouca manutenção e eficiência da luz. A maioria dos fósforos tem melhor desempenho com partículas de tamanho em torno de 10 micrômetros. O revestimento deve ser espesso o suficiente para capturar toda a luz ultravioleta produzida pelo arco de mercúrio, mas não tão espesso que o revestimento de fósforo absorva muita luz visível. Os primeiros fósforos eram versões sintéticas de minerais fluorescentes de ocorrência natural, com pequenas quantidades de metais adicionados como ativadores. Mais tarde, outros compostos foram descobertos, permitindo que diferentes cores de lâmpadas fossem feitas.

Reatores

Diferentes reatores para lâmpadas fluorescentes e de descarga

As lâmpadas fluorescentes são dispositivos de resistência diferencial negativa , portanto, à medida que mais corrente flui através delas, a resistência elétrica da lâmpada fluorescente cai, permitindo que ainda mais corrente flua. Conectada diretamente a uma fonte de alimentação de tensão constante , uma lâmpada fluorescente se autodestruiria rapidamente devido ao fluxo de corrente descontrolado. Para evitar isso, as lâmpadas fluorescentes devem usar um reator para regular o fluxo de corrente através da lâmpada.

A tensão terminal em uma lâmpada operacional varia dependendo da corrente do arco , diâmetro do tubo, temperatura e gás de enchimento. Uma lâmpada T12 de serviço de iluminação geral de 1219 mm (48 pol.) Opera a 430 mA, com queda de 100 volts. As lâmpadas de alto rendimento operam a 800 mA e alguns tipos operam até 1,5 A. O nível de potência varia de 33 a 82 watts por metro de comprimento do tubo (10 a 25 W / pés) para lâmpadas T12.

O reator mais simples para uso em corrente alternada (CA) é um indutor colocado em série, consistindo de um enrolamento em um núcleo magnético laminado. A indutância desse enrolamento limita o fluxo da corrente CA. Este tipo de reator é comum em países de 220-240V (e na América do Norte, lâmpadas de até 20W). Os reatores são classificados de acordo com o tamanho da lâmpada e a frequência de energia. Na América do Norte, a voltagem CA é insuficiente para acender lâmpadas fluorescentes longas, então o reator é frequentemente um autotransformador de aumento com indutância de fuga substancial (de modo a limitar o fluxo de corrente). Qualquer forma de lastro indutivo também pode incluir um capacitor para correção do fator de potência.

Lastro de 230 V para 18–20 W

As lâmpadas fluorescentes podem funcionar diretamente de um fornecimento de corrente contínua (DC) de tensão suficiente para abrir um arco. O reator deve ser resistivo e consumiria quase tanta energia quanto a lâmpada. Quando operado a partir de CC, o interruptor de partida geralmente é disposto para inverter a polaridade da alimentação da lâmpada cada vez que é iniciado; caso contrário, o mercúrio se acumula em uma extremidade do tubo. As lâmpadas fluorescentes (quase) nunca são operadas diretamente a partir de CC por essas razões. Em vez disso, um inversor converte a CC em CA e fornece a função de limitação de corrente conforme descrito abaixo para reatores eletrônicos.

Efeito da temperatura

Imagem térmica de uma lâmpada fluorescente helicoidal.

O desempenho das lâmpadas fluorescentes é criticamente afetado pela temperatura da parede do bulbo e seu efeito na pressão parcial do vapor de mercúrio dentro da lâmpada. Como o mercúrio se condensa no ponto mais frio da lâmpada, é necessário um projeto cuidadoso para manter esse ponto na temperatura ideal, em torno de 40 ° C (104 ° F).

Usar um amálgama com algum outro metal reduz a pressão de vapor e estende a faixa de temperatura ideal para cima; no entanto, a temperatura do "ponto frio" da parede do bulbo ainda deve ser controlada para evitar condensação. As lâmpadas fluorescentes de alta saída têm recursos como um tubo deformado ou dissipadores de calor internos para controlar a temperatura do ponto frio e a distribuição de mercúrio. Pequenas lâmpadas pesadamente carregadas, como lâmpadas fluorescentes compactas, também incluem áreas de dissipador de calor no tubo para manter a pressão de vapor de mercúrio no valor ideal.

Perdas

Um diagrama de Sankey das perdas de energia em uma lâmpada fluorescente. Em designs modernos, a maior perda é a eficiência quântica de conversão de fótons UV de alta energia em fótons de luz visível de baixa energia.

Apenas uma fração da entrada de energia elétrica em uma lâmpada é convertida em luz útil. O reator dissipa um pouco de calor; reatores eletrônicos podem ter cerca de 90% de eficiência. Uma queda de tensão fixa ocorre nos eletrodos, o que também produz calor. Parte da energia na coluna de vapor de mercúrio também é dissipada, mas cerca de 85% é transformada em luz visível e ultravioleta.

Nem toda a radiação UV que atinge o revestimento de fósforo é convertida em luz visível; alguma energia é perdida. A maior perda isolada nas lâmpadas modernas se deve à menor energia de cada fóton da luz visível, em comparação com a energia dos fótons UV que as geraram (fenômeno denominado deslocamento de Stokes ). Os fótons incidentes têm uma energia de 5,5 elétron-volts, mas produzem fótons de luz visível com energia em torno de 2,5 elétron-volts, então apenas 45% da energia UV é usada; o resto é dissipado como calor.

Lâmpadas fluorescentes de cátodo frio

Uma lâmpada fluorescente de cátodo frio de uma placa de saída de emergência. Operando a uma voltagem muito mais alta do que outras fluorescentes, a lâmpada produz uma descarga luminescente de baixa amperagem em vez de um arco, semelhante a uma luz de néon . Sem conexão direta com a tensão da linha, a corrente é limitada apenas pelo transformador, eliminando a necessidade de um reator.

A maioria das lâmpadas fluorescentes usa eletrodos que emitem elétrons para o tubo por meio do calor, conhecidos como cátodos quentes. No entanto, os tubos catódicos frios têm cátodos que emitem elétrons apenas devido à grande tensão entre os eletrodos. Os cátodos serão aquecidos pela corrente que flui através deles, mas não são quentes o suficiente para uma emissão termiônica significativa . Como as lâmpadas catódicas frias não têm revestimento de emissão termiônica para se desgastar, elas podem ter uma vida útil muito mais longa do que os tubos catódicos quentes . Isso os torna desejáveis ​​para aplicações de longa duração (como luz de fundo em telas de cristal líquido ). A pulverização catódica do eletrodo ainda pode ocorrer, mas os eletrodos podem ser moldados (por exemplo, em um cilindro interno) para capturar a maior parte do material pulverizado para que não seja perdido do eletrodo.

As lâmpadas de cátodo frio são geralmente menos eficientes do que as lâmpadas de emissão termiônica porque a voltagem de queda do cátodo é muito mais alta. A energia dissipada devido à queda de tensão do cátodo não contribui para a saída de luz. No entanto, isso é menos significativo com tubos mais longos. O aumento da dissipação de energia nas extremidades dos tubos também significa que os tubos catódicos frios devem funcionar com uma carga menor do que seus equivalentes de emissão termiônica. Dada a tensão de tubo mais alta necessária de qualquer maneira, esses tubos podem facilmente ser longos e até mesmo funcionar como cadeias em série. Eles são mais adequados para dobrar em formas especiais para letras e sinalização, e também podem ser ligados ou desligados instantaneamente.

Iniciando

O gás usado no tubo fluorescente deve ser ionizado antes que o arco possa "atingir". Para lâmpadas pequenas, não é necessária muita voltagem para abrir o arco e acender a lâmpada não apresenta nenhum problema, mas tubos maiores requerem uma voltagem substancial (na faixa de mil volts). Muitos circuitos de partida diferentes foram usados. A escolha do circuito é baseada no custo, tensão CA, comprimento do tubo, partida instantânea versus não instantânea, faixas de temperatura e disponibilidade de peças.

Pré-aquecimento

Um circuito de lâmpada fluorescente pré- aquecido usando um interruptor de partida automático. A: Tubo fluorescente, B: Alimentação (+220 volts), C: Arranque, D: Interruptor (termostato bimetálico), E: Capacitor, F: Filamentos, G: Lastro
Iniciando uma lâmpada de pré-aquecimento. O interruptor de partida automático pisca em laranja cada vez que tenta ligar a lâmpada.

Esta técnica usa uma combinação filamento - cátodo em cada extremidade da lâmpada em conjunto com um interruptor mecânico ou automático (bimetálico) (ver diagrama de circuito à direita) que conecta inicialmente os filamentos em série com o reator para pré-aquecê-los; após um curto período de pré-aquecimento, o interruptor de partida abre. Se sincronizado corretamente em relação à alimentação da rede elétrica, isso faz com que o reator induza uma tensão no tubo alta o suficiente para iniciar o arco inicial. Este sistema é descrito como pré-aquecimento em alguns países e switchstart em outros. Esses sistemas são equipamentos padrão em países de 200–240 V (e para lâmpadas de 100–120 V até cerca de 30 watts).

Uma lâmpada fluorescente de pré-aquecimento "starter" (interruptor de partida automático)

Antes da década de 1960, iniciadores térmicos de quatro pinos e interruptores manuais eram usados. Um starter de interruptor de brilho pré-aquece automaticamente os cátodos da lâmpada. Consiste em um interruptor bimetálico normalmente aberto em uma pequena lâmpada de descarga de gás selada contendo gás inerte (néon ou argônio). A chave de brilho vai aquecer ciclicamente os filamentos e iniciar uma tensão de pulso para abrir o arco; o processo se repete até que a lâmpada se acenda. Assim que o tubo atinge, a descarga principal de impacto mantém os cátodos quentes, permitindo a emissão contínua de elétrons. A chave de partida não fecha novamente porque a tensão no tubo aceso é insuficiente para iniciar uma descarga cintilante na partida.

Acionadores de lâmpadas fluorescentes eletrônicas

Com os starters do interruptor de brilho, um tubo com defeito fará o ciclo repetidamente. Alguns sistemas de partida usaram um desarme térmico de sobrecorrente para detectar tentativas repetidas de partida e desabilitar o circuito até o reset manual.

Um capacitor de correção do fator de potência (PFC) extrai a corrente principal da rede elétrica para compensar a corrente de atraso consumida pelo circuito da lâmpada.

As partidas eletrônicas usam um método diferente para pré-aquecer os cátodos. Eles podem ser plug-in intercambiáveis ​​com os starters incandescentes. Eles usam uma chave semicondutora e "iniciam suavemente" a lâmpada pré-aquecendo os cátodos antes de aplicar um pulso inicial que atinge a lâmpada pela primeira vez sem piscar; isso desaloja uma quantidade mínima de material dos cátodos durante a partida, proporcionando maior vida útil da lâmpada. Afirma-se que isso prolonga a vida útil da lâmpada em um fator típico de 3 a 4 vezes para uma lâmpada frequentemente acesa como no uso doméstico, e reduz o escurecimento das extremidades da lâmpada, típico de tubos fluorescentes. O circuito é tipicamente complexo, mas a complexidade está embutida no IC. As partidas eletrônicas podem ser otimizadas para uma partida rápida (tempo de partida típico de 0,3 segundos) ou para uma partida mais confiável mesmo em baixas temperaturas e com baixas tensões de alimentação, com um tempo de partida de 2–4 segundos. As unidades de inicialização mais rápida podem produzir ruído audível durante a inicialização.

Os starters eletrônicos só tentam acender uma lâmpada por um curto período de tempo quando a energia é aplicada inicialmente e não tentam repetidamente acender uma lâmpada que está morta e incapaz de sustentar um arco; alguns desligam automaticamente uma lâmpada com defeito. Isso elimina o acendimento de uma lâmpada e a oscilação contínua de uma lâmpada com defeito com um iniciador de brilho. As partidas eletrônicas não estão sujeitas a desgaste e não precisam ser substituídas periodicamente, embora possam falhar como qualquer outro circuito eletrônico. Os fabricantes costumam citar vidas de 20 anos, ou contanto que o encaixe da luz.

Início instantâneo

Tubos fluorescentes T12. Os dois primeiros são de início rápido (para "marca de exclusão" e suportes de soquete, respectivamente), enquanto o terceiro é uma lâmpada de início instantâneo. A partida instantânea tem um pino único característico, arredondado, para conectar aos suportes de soquete com mola.

Os tubos fluorescentes de partida instantânea foram inventados em 1944. A partida instantânea simplesmente usa uma voltagem alta o suficiente para quebrar a coluna de gás e, assim, iniciar a condução do arco. Assim que a faísca de alta tensão "atinge" o arco, a corrente é aumentada até que se forme uma descarga luminosa . À medida que a lâmpada aquece e a pressão aumenta, a corrente continua a aumentar e a resistência e a tensão caem, até que a tensão da rede ou da linha assuma e a descarga se torne um arco. Esses tubos não têm filamentos e podem ser identificados por um único pino em cada extremidade do tubo (para lâmpadas comuns; lâmpadas compactas de cátodo frio também podem ter um único pino, mas operam a partir de um transformador em vez de um reator). Os porta-lâmpadas possuem um soquete de "desconexão" na extremidade de baixa tensão que desconecta o reator quando o tubo é removido, para evitar choque elétrico . As lâmpadas de arranque instantâneo são ligeiramente mais eficientes em termos energéticos do que o arranque rápido, porque não enviam constantemente uma corrente de aquecimento para os cátodos durante o funcionamento, mas a alta tensão de arranque aumenta a pulverização catódica e demoram muito mais tempo para fazer a transição de uma descarga luminosa para um arco durante o aquecimento, portanto, a vida útil é normalmente cerca de metade daqueles vistos em lâmpadas de arranque rápido comparáveis.

Início rápido

Como a formação de um arco requer a emissão termiônica de grandes quantidades de elétrons do cátodo, os projetos de lastro de início rápido fornecem enrolamentos dentro do lastro que aquecem continuamente os filamentos do cátodo. Normalmente operando em uma tensão de arco mais baixa do que o projeto de partida instantânea; nenhum pico de tensão indutiva é produzido para a partida, então as lâmpadas devem ser montadas perto de um refletor aterrado (aterrado) para permitir que a descarga luminescente se propague através do tubo e inicie a descarga do arco via acoplamento capacitivo . Em algumas lâmpadas, uma tira aterrada de "auxílio de partida" é fixada na parte externa do vidro da lâmpada. Este tipo de balastro é incompatível com as lâmpadas fluorescentes europeias economizadoras de energia T8 porque estas lâmpadas requerem uma tensão de arranque mais elevada do que a tensão de circuito aberto dos balastros de arranque rápido.

Um reator de "ferro" (magnético) de início rápido aquece continuamente os cátodos nas extremidades das lâmpadas. Este reator opera duas lâmpadas F40T12 em série.

Começo rápido

Os reatores de início rápido usam um pequeno autotransformador para aquecer os filamentos quando a energia é aplicada pela primeira vez. Quando ocorre um arco, a potência de aquecimento do filamento é reduzida e o tubo inicia em meio segundo. O autotransformador é combinado com o reator ou pode ser uma unidade separada. Os tubos precisam ser montados perto de um refletor de metal aterrado para que possam tocar. Os reatores de partida rápida são mais comuns em instalações comerciais por causa dos custos de manutenção mais baixos. Um reator de partida rápida elimina a necessidade de um interruptor de partida, uma fonte comum de falhas de lâmpadas. No entanto, os reatores de início rápido também são usados ​​em instalações domésticas (residenciais) por causa do recurso desejável de que uma luz de reator de início rápido acende quase imediatamente após a alimentação ser aplicada (quando um interruptor é ligado). Os reatores de início rápido são usados ​​apenas em circuitos de 240 V e são projetados para uso com os tubos T12 mais antigos e menos eficientes.

Início semi-ressonante

Uma lâmpada fluorescente de 65 watts iniciando em um circuito de partida semi-ressonante
Um diagrama de circuito de partida semi-ressonante

O circuito de partida semi-ressonante foi inventado pela Thorn Lighting para uso com tubos fluorescentes T12 . Este método usa um transformador de enrolamento duplo e um capacitor. Sem corrente de arco, o transformador e o capacitor ressoam na frequência da linha e geram cerca de duas vezes a tensão de alimentação através do tubo e uma pequena corrente de aquecimento do eletrodo. A voltagem do tubo é muito baixa para abrir o arco com eletrodos frios, mas conforme os eletrodos aquecem até a temperatura de emissão termiônica, a voltagem do tubo cai abaixo da voltagem de toque e o arco abre. À medida que os eletrodos aquecem, a lâmpada lentamente, durante três a cinco segundos, atinge o brilho total. Conforme a corrente do arco aumenta e a tensão do tubo cai, o circuito fornece limitação de corrente.

Os circuitos de partida semirressonantes são principalmente restritos ao uso em instalações comerciais por causa do custo inicial mais alto dos componentes do circuito. No entanto, não há interruptores de partida para serem substituídos e os danos do cátodo são reduzidos durante a partida, fazendo com que as lâmpadas durem mais, reduzindo os custos de manutenção. Por causa da alta tensão do tubo de circuito aberto, este método de partida é particularmente bom para tubos de partida em locais frios. Além disso, o fator de potência do circuito é quase 1,0, e nenhuma correção adicional do fator de potência é necessária na instalação de iluminação. Como o projeto exige que o dobro da tensão de alimentação deve ser menor do que a tensão de ataque do cátodo frio (ou os tubos teriam uma partida instantânea erroneamente), este projeto não pode ser usado com alimentação CA de 240 volts , a menos que os tubos tenham pelo menos 1,2 m (3 pés 11 pol.) de comprimento. Dispositivos de partida semirressonantes são geralmente incompatíveis com tubos de retrofit T8 economizadores de energia, porque tais tubos têm uma tensão de partida mais alta do que lâmpadas T12 e podem não iniciar de forma confiável, especialmente em baixas temperaturas. As propostas recentes em alguns países para eliminar os tubos T12 irão reduzir a aplicação deste método inicial.

Reatores eletrônicos

Lâmpada fluorescente com reator eletrônico.
Reator eletrônico para lâmpada fluorescente, 2 × 58 W
Esquema básico do reator eletrônico
Reatores eletrônicos e diferentes lâmpadas fluorescentes compactas

Os reatores eletrônicos empregam transistores para mudar a frequência de alimentação para CA de alta frequência enquanto regulam o fluxo de corrente na lâmpada. Esses reatores aproveitam a maior eficácia das lâmpadas, que aumenta em quase 10% a 10 kHz , em comparação com a eficácia na frequência normal de energia. Quando o período AC é mais curto do que o tempo de relaxamento para desionizar átomos de mercúrio na coluna de descarga, a descarga fica mais próxima da condição operacional ideal. Os reatores eletrônicos convertem a energia CA de frequência de alimentação em CA de frequência variável. A conversão pode reduzir a modulação do brilho da lâmpada com o dobro da frequência da fonte de alimentação.

Os reatores de baixo custo contêm apenas um oscilador simples e um circuito LC ressonante em série. Este princípio é denominado circuito inversor ressonante de corrente . Após um curto período de tempo, a tensão na lâmpada atinge cerca de 1 kV e a lâmpada inicia instantaneamente no modo de cátodo frio. Os filamentos catódicos ainda são usados ​​para proteger o reator de superaquecimento caso a lâmpada não acenda. Alguns fabricantes usam termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) para desativar a partida instantânea e dar algum tempo para pré-aquecer os filamentos.

Os reatores eletrônicos mais complexos usam o início programado. A frequência de saída é iniciada acima da frequência de ressonância do circuito de saída do reator; e depois que os filamentos são aquecidos, a frequência diminui rapidamente. Se a frequência se aproximar da frequência de ressonância do reator, a tensão de saída aumentará tanto que a lâmpada acenderá. Se a lâmpada não acender, um circuito eletrônico interrompe o funcionamento do reator.

Muitos reatores eletrônicos são controlados por um microcontrolador , e às vezes são chamados de reatores digitais. Os reatores digitais podem aplicar uma lógica bastante complexa à partida e operação da lâmpada. Isso permite funções como teste de eletrodos quebrados e tubos ausentes antes de tentar iniciar, detecção da substituição do tubo e detecção do tipo de tubo, de modo que um único reator pode ser usado com vários tubos diferentes. Recursos como escurecimento podem ser incluídos no software do microcontrolador integrado e podem ser encontrados em produtos de vários fabricantes.

Desde a introdução na década de 1990, os reatores de alta frequência têm sido usados ​​em luminárias gerais com lâmpadas de início rápido ou de pré-aquecimento. Esses reatores convertem a potência de entrada em uma frequência de saída superior a 20 kHz . Isso aumenta a eficiência da lâmpada. Esses reatores operam com tensões que podem ser de quase 600 volts, exigindo algumas considerações no projeto da caixa e podem causar uma pequena limitação no comprimento dos fios condutores do reator até as extremidades da lâmpada.

Fim da vida

A expectativa de vida de uma lâmpada fluorescente é limitada principalmente pela vida útil dos eletrodos catódicos. Para manter um nível de corrente adequado, os eletrodos são revestidos com uma mistura emissora de óxidos metálicos. Cada vez que a lâmpada é ligada e durante a operação, uma pequena quantidade do revestimento catódico é expelida dos eletrodos pelo impacto de elétrons e íons pesados ​​dentro do tubo. O material pulverizado se acumula nas paredes do tubo, escurecendo-o. O método de partida e a frequência afetam a pulverização catódica. Um filamento também pode quebrar, desativando a lâmpada.

Este tubo, que era ligado e desligado regularmente, não podia mais iniciar após uma mistura de emissão termiônica suficiente ter estalado dos cátodos. O material vaporizado adere ao vidro ao redor dos eletrodos, fazendo com que ele escureça e fique preto.
Close do filamento em uma lâmpada de descarga de gás de mercúrio de baixa pressão mostrando revestimento de mistura de emissão termiônica branca na porção central da bobina atuando como cátodo quente . o revestimento é pulverizado toda vez que a lâmpada é ligada, resultando em falha da lâmpada.

Projetos de lâmpadas com baixo teor de mercúrio podem falhar quando o mercúrio é absorvido pelo tubo de vidro, fósforo e componentes internos e não está mais disponível para vaporizar no gás de enchimento. A perda de mercúrio inicialmente causa um tempo de aquecimento estendido para a produção total de luz e, finalmente, faz com que a lâmpada brilhe em um rosa escuro quando o gás argônio assume como a descarga primária.

Sujeitar o tubo ao fluxo de corrente assimétrico, efetivamente opera sob uma polarização DC e causa distribuição assimétrica de íons de mercúrio ao longo do tubo. O esgotamento localizado da pressão de vapor de mercúrio se manifesta como luminescência rosa do gás de base nas proximidades de um dos eletrodos, e a vida útil da lâmpada pode ser dramaticamente reduzida. Isso pode ser um problema com alguns inversores mal projetados .

Os fósforos que revestem a lâmpada também se degradam com o tempo, até que a lâmpada não produza mais uma fração aceitável de sua saída de luz inicial.

A falha do reator eletrônico integral de uma lâmpada fluorescente compacta também encerrará sua vida útil.


Lâmpada fluorescente compacta que atingiu o fim da vida devido à adsorção de mercúrio. A luz é produzida apenas pelo preenchimento de argônio base.

Fósforos e o espectro da luz emitida

A luz de uma lâmpada fluorescente refletida por um CD mostra as faixas de cor individuais.

O espectro de luz emitido por uma lâmpada fluorescente é a combinação da luz emitida diretamente pelo vapor de mercúrio e da luz emitida pelo revestimento fosforescente. As linhas espectrais da emissão de mercúrio e do efeito de fosforescência fornecem uma distribuição espectral combinada de luz diferente daquela produzida por fontes incandescentes. A intensidade relativa da luz emitida em cada faixa estreita de comprimentos de onda no espectro visível está em proporções diferentes em comparação com a de uma fonte incandescente. Objetos coloridos são percebidos de maneira diferente sob fontes de luz com distribuições espectrais diferentes. Por exemplo, algumas pessoas acham que a reprodução de cores produzida por algumas lâmpadas fluorescentes é dura e desagradável. Uma pessoa saudável às vezes pode parecer ter um tom de pele prejudicial à luz fluorescente. A extensão em que esse fenômeno ocorre está relacionada à composição espectral da luz e pode ser medida por seu índice de reprodução de cor (CRI).

Temperatura de cor

A temperatura de cor de diferentes lâmpadas elétricas

Temperatura de cor correlacionada (CCT) é uma medida da "tonalidade" de brancura de uma fonte de luz em comparação com um corpo negro. A iluminação incandescente típica é 2700 K, que é branco-amarelado. A iluminação de halogênio é de 3000 K. As lâmpadas fluorescentes são fabricadas para um CCT escolhido, alterando a mistura de fósforos dentro do tubo. As fluorescentes brancas quentes têm CCT de 2700 K e são populares para iluminação residencial. As fluorescentes brancas neutras têm uma CCT de 3000 K ou 3500 K. As fluorescentes brancas frias têm uma CCT de 4100 K e são populares para iluminação de escritórios. As fluorescentes de luz do dia têm um CCT de 5000 K a 6500 K, que é branco-azulado.

A iluminação CCT alta geralmente requer níveis de luz mais altos. Em níveis de iluminação mais escuros , o olho humano percebe temperaturas de cor mais baixas como mais agradáveis, conforme relacionado pela curva de Kruithof . Portanto, uma lâmpada incandescente fraca de 2700 K parece confortável e uma lâmpada brilhante de 5000 K também parece natural, mas uma lâmpada fluorescente fraca de 5000 K parece muito pálida. As fluorescentes do tipo luz do dia parecem naturais apenas se forem muito brilhantes.

Índice de renderização de cores

Uma lâmpada fluorescente branco-fria helicoidal refletida em uma grade de difração revela as várias linhas espectrais que compõem a luz.
Espectros fluorescentes em comparação com outras formas de iluminação. No sentido horário a partir do canto superior esquerdo: lâmpada fluorescente, lâmpada incandescente , chama de vela e iluminação LED .

O índice de renderização de cores (CRI) é uma medida de quão bem as cores podem ser percebidas usando a luz de uma fonte, em relação à luz de uma fonte de referência, como a luz do dia ou um corpo negro com a mesma temperatura de cor . Por definição, uma lâmpada incandescente tem um CRI de 100. As lâmpadas fluorescentes reais alcançam CRIs de 50 a 98. As lâmpadas fluorescentes com baixo CRI têm fósforos que emitem muito pouca luz vermelha. A pele parece menos rosada e, portanto, "insalubre" em comparação com a luz incandescente. Objetos coloridos aparecem sem som. Por exemplo, um tubo de halofosfato CRI 6800 K baixo (um exemplo extremo) fará com que os vermelhos pareçam vermelhos opacos ou até marrons. Uma vez que o olho é relativamente menos eficiente na detecção da luz vermelha, uma melhoria no índice de reprodução de cor, com maior energia na parte vermelha do espectro, pode reduzir a eficácia luminosa geral.

Os arranjos de iluminação usam tubos fluorescentes em uma variedade de tons de branco. A mistura de tipos de tubos dentro das conexões pode melhorar a reprodução das cores de tubos de qualidade inferior.

Composição de fósforo

Parte da luz menos agradável vem a partir de tubos que contêm os mais velhos, do tipo halogenofosfato de fósforos (fórmula química Ca 5 ( P O 4 ) 3 ( F , Cl ): Sb 3+ , Mn 2+ ). Este fósforo emite principalmente luz amarela e azul e relativamente pouca luz verde e vermelha. Na ausência de uma referência, essa mistura parece branca aos olhos, mas a luz tem um espectro incompleto . O índice de reprodução de cor (CRI) dessas lâmpadas é de cerca de 60.

Desde a década de 1990, as lâmpadas fluorescentes de qualidade superior usam uma mistura de trifósforo , à base de íons európio e térbio , que têm bandas de emissão distribuídas de maneira mais uniforme no espectro da luz visível. Os tubos de trifósforo proporcionam uma reprodução mais natural das cores ao olho humano. O CRI dessas lâmpadas é normalmente 85.

Espectro de lâmpada fluorescente
Lâmpada fluorescente típica com fósforo de terras raras Picos do espectro de iluminação fluorescente marcados com picos coloridos adicionados.png Uma lâmpada fluorescente "branca fria" típica que utiliza dois fósforos dopados com terras raras, Tb 3+ , Ce 3+ : La PO 4 para emissão verde e azul e Eu : Y 2 O 3 para vermelho. Para obter uma explicação sobre a origem dos picos individuais, clique na imagem. Vários dos picos espectrais são gerados diretamente do arco de mercúrio. Este é provavelmente o tipo mais comum de lâmpada fluorescente em uso hoje.
Uma lâmpada fluorescente de fósforo-halofosfato de estilo antigo Espectro de lâmpada fluorescente do tipo halofosfato (f30t12 ww rs) .png Os fósforos de halofosfato nessas lâmpadas geralmente consistem em antimônio trivalente - e halofosfato de cálcio divalente com manganês (Ca 5 (PO 4 ) 3 ( Cl , F ): Sb 3+ , Mn 2+ ). A cor da saída de luz pode ser ajustada alterando a proporção do dopante de antimônio que emite azul e dopante de manganês que emite laranja. A capacidade de reprodução de cores dessas lâmpadas de estilo antigo é bastante pobre. Os fósforos de halofosfato foram inventados por AH McKeag et al. em 1942.
Luz fluorescente "luz solar natural" Spectra-Philips 32T8 luz solar fluorescente natural.svg Picos com estrelas são linhas de mercúrio .
Luzes fluorescentes amarelas Espectro de luz fluorescente amarela.png O espectro é quase idêntico ao de uma lâmpada fluorescente normal, exceto por uma falta quase total de luz menor que 500 nanômetros. Esse efeito pode ser obtido por meio do uso de fósforo especializado ou, mais comumente, pelo uso de um filtro de luz amarela simples. Essas lâmpadas são comumente usadas como iluminação para trabalhos de fotolitografia em salas limpas e como iluminação externa "repelente de insetos" (cuja eficácia é questionável).
Espectro de uma lâmpada de "luz negra " Espectro de luz negra fluorescente com picos marcados.gif Normalmente, há apenas um fósforo presente em uma lâmpada de luz negra , geralmente consistindo em fluoroborato de estrôncio dopado com európio , que está contido em um envelope de vidro de Wood .

Formulários

As lâmpadas fluorescentes têm vários formatos e tamanhos. A lâmpada fluorescente compacta (CFL) está se tornando mais popular. Muitas lâmpadas fluorescentes compactas integram os componentes eletrônicos auxiliares na base da lâmpada, permitindo que se encaixem em um soquete de lâmpada regular.

Em residências nos Estados Unidos, as lâmpadas fluorescentes são encontradas principalmente em cozinhas , porões ou garagens , mas escolas e empresas consideram a economia de custos com lâmpadas fluorescentes significativa e raramente usam lâmpadas incandescentes. Custos de eletricidade, incentivos fiscais e códigos de construção resultam em maior uso em lugares como a Califórnia . O uso de fluorescentes está diminuindo à medida que a iluminação LED, que é mais eficiente em termos de energia e não contém mercúrio, está substituindo as lâmpadas fluorescentes.

Em outros países, o uso residencial de iluminação fluorescente varia de acordo com o preço da energia, as preocupações financeiras e ambientais da população local e a aceitabilidade da saída de luz. No Leste e Sudeste Asiático , é muito raro ver lâmpadas incandescentes em edifícios em qualquer lugar.

Muitos países estão incentivando a eliminação progressiva das lâmpadas incandescentes e a substituição das lâmpadas incandescentes por lâmpadas fluorescentes ou LED e outros tipos de lâmpadas eficientes em termos de energia.

Além da iluminação geral, as lâmpadas fluorescentes especiais são freqüentemente usadas na iluminação do palco para produção de filmes e vídeos. Eles são mais frios do que as fontes de luz halógenas tradicionais e usam reatores de alta frequência para evitar oscilações de vídeo e lâmpadas de alto índice de reprodução de cores para aproximar as temperaturas de cor da luz do dia.

Comparação com lâmpadas incandescentes

Eficácia luminosa

As lâmpadas fluorescentes convertem mais energia de entrada em luz visível do que as lâmpadas incandescentes. Uma lâmpada incandescente típica de filamento de tungstênio de 100 watts pode converter apenas 5% de sua entrada de energia em luz branca visível (comprimento de onda de 400–700 nm), enquanto as lâmpadas fluorescentes típicas convertem cerca de 22% da entrada de energia em luz branca visível.

A eficácia dos tubos fluorescentes varia de cerca de 16 lumens por watt para um tubo de 4 watts com um reator comum a mais de 100 lumens por watt com um reator eletrônico moderno, geralmente com média de 50 a 67 lm / W no geral. A perda de reator pode ser cerca de 25% da potência da lâmpada com reatores magnéticos e cerca de 10% com reatores eletrônicos.

A eficácia da lâmpada fluorescente depende da temperatura da lâmpada na parte mais fria da lâmpada. Nas lâmpadas T8, fica no centro do tubo. Nas lâmpadas T5, fica no final do tubo com o texto estampado nele. A temperatura ideal para uma lâmpada T8 é de 25 ° C (77 ° F), enquanto a lâmpada T5 é idealmente para 35 ° C (95 ° F).

Vida

Normalmente, uma lâmpada fluorescente dura de 10 a 20 vezes mais que uma lâmpada incandescente equivalente quando operada por várias horas de cada vez. Em condições de teste padrão, as lâmpadas fluorescentes duram de 6.000 a 80.000 horas (2 a 27 anos a 8 horas por dia).

O custo inicial mais alto de uma lâmpada fluorescente em comparação com uma lâmpada incandescente é geralmente compensado pelo menor consumo de energia ao longo de sua vida.

Luminância mais baixa

Comparado com uma lâmpada incandescente, um tubo fluorescente é uma fonte de luz mais difusa e fisicamente maior. Em lâmpadas projetadas adequadamente, a luz pode ser distribuída de maneira mais uniforme, sem fonte pontual de brilho, como a vista de um filamento incandescente não difuso; a lâmpada é grande em comparação com a distância típica entre a lâmpada e as superfícies iluminadas.

Calor mais baixo

As lâmpadas fluorescentes emitem cerca de um quinto do calor de lâmpadas incandescentes equivalentes. Isso reduz bastante o tamanho, o custo e o consumo de energia dedicados ao ar-condicionado de prédios de escritórios que normalmente têm muitas luzes e poucas janelas.

Desvantagens

Troca frequente

A troca frequente (mais do que a cada 3 horas) reduzirá a vida útil das lâmpadas. Cada ciclo inicial corrói levemente a superfície de emissão de elétrons dos cátodos; quando todo o material de emissão acaba, a lâmpada não pode iniciar com a tensão de lastro disponível. Acessórios para luzes intermitentes (como para publicidade) usam um reator que mantém a temperatura do cátodo quando o arco está desligado, preservando a vida útil da lâmpada.

A energia extra usada para acender uma lâmpada fluorescente é equivalente a alguns segundos de operação normal; é mais eficiente em termos de energia desligar as lâmpadas quando não for necessário por vários minutos.

Conteúdo de mercúrio

Se uma lâmpada fluorescente quebrar, uma pequena quantidade de mercúrio pode contaminar o meio ambiente. Cerca de 99% do mercúrio está normalmente contido no fósforo, especialmente em lâmpadas que estão perto do fim de sua vida útil. Lâmpadas quebradas podem liberar mercúrio se não forem limpas com métodos corretos.

Devido ao teor de mercúrio, as lâmpadas fluorescentes descartadas devem ser tratadas como resíduos perigosos. Para grandes usuários de lâmpadas fluorescentes, serviços de reciclagem estão disponíveis em algumas áreas e podem ser exigidos por regulamentação. Em algumas áreas, a reciclagem também está disponível para os consumidores.

Emissão ultravioleta

As lâmpadas fluorescentes emitem uma pequena quantidade de luz ultravioleta (UV). Um estudo de 1993 nos Estados Unidos descobriu que a exposição ultravioleta de sentar sob luzes fluorescentes por oito horas é equivalente a um minuto de exposição ao sol. A radiação ultravioleta de lâmpadas fluorescentes compactas pode exacerbar os sintomas em indivíduos fotossensíveis.

Artefatos de museu podem precisar de proteção contra luz ultravioleta para evitar a degradação de pigmentos ou tecidos.

Lastro

Os reatores magnéticos possuem baixo fator de potência , quando utilizados sem capacitor, o que aumenta a corrente consumida pela luminária.

As lâmpadas fluorescentes requerem um reator para estabilizar a corrente através da lâmpada e para fornecer a tensão inicial necessária para iniciar a descarga do arco. Freqüentemente, um reator é compartilhado entre duas ou mais lâmpadas. Os reatores eletromagnéticos podem produzir um zumbido audível ou zumbido. Na América do Norte, os reatores magnéticos são geralmente preenchidos com um composto de envasamento semelhante ao alcatrão para reduzir o ruído emitido. O zumbido é eliminado em lâmpadas com reator eletrônico de alta frequência. A energia perdida em reatores magnéticos é de cerca de 10% da potência de entrada da lâmpada, de acordo com a literatura da GE de 1978. Os reatores eletrônicos reduzem essa perda.

Qualidade de energia e interferência de rádio

Os reatores de lâmpadas fluorescentes indutivas simples têm um fator de potência inferior à unidade. Os reatores indutivos incluem capacitores de correção do fator de potência. Os reatores eletrônicos simples também podem ter baixo fator de potência devido ao estágio de entrada do retificador.

As lâmpadas fluorescentes são uma carga não linear e geram correntes harmônicas no fornecimento de energia elétrica. O arco dentro da lâmpada pode gerar ruído de radiofrequência, que pode ser conduzido através da fiação de energia. A supressão da interferência de rádio é possível. Uma supressão muito boa é possível, mas aumenta o custo das luminárias fluorescentes.

As lâmpadas fluorescentes perto do fim da vida útil podem representar um sério risco de interferência de radiofrequência. Oscilações são geradas a partir da resistência diferencial negativa do arco, e o fluxo de corrente através do tubo pode formar um circuito sintonizado cuja frequência depende do comprimento do caminho.

Temperatura de operação

As lâmpadas fluorescentes funcionam melhor em temperatura ambiente. Em temperaturas mais baixas ou mais altas, a eficácia diminui. Em temperaturas abaixo de zero, as lâmpadas padrão podem não ligar. Lâmpadas especiais podem ser usadas para serviços confiáveis ​​ao ar livre em climas frios.

Forma de lâmpada

Os tubos fluorescentes são fontes longas e de baixa luminância em comparação com as lâmpadas de arco de alta pressão, lâmpadas incandescentes e LEDs. No entanto, a baixa intensidade luminosa da superfície emissora é útil porque reduz o brilho . O projeto da luminária deve controlar a luz de um tubo longo em vez de um globo compacto. A lâmpada fluorescente compacta (CFL) substitui as lâmpadas incandescentes regulares em muitas luminárias onde o espaço permite.

Cintilação

As lâmpadas fluorescentes com reatores magnéticos piscam em uma frequência normalmente imperceptível de 100 ou 120 Hz e essa oscilação pode causar problemas para alguns indivíduos com sensibilidade à luz ; eles são listados como problemáticos para alguns indivíduos com autismo , epilepsia , lúpus , síndrome da fadiga crônica , doença de Lyme e vertigem .

O problema do "efeito de batida" criado ao tirar fotos sob iluminação fluorescente padrão

Um efeito estroboscópico pode ser notado, onde algo girando na velocidade certa pode parecer estacionário se iluminado apenas por uma única lâmpada fluorescente. Este efeito é eliminado por lâmpadas emparelhadas operando em um reator lead-lag. Ao contrário de uma lâmpada estroboscópica verdadeira, o nível de luz cai com um tempo apreciável e, portanto, um "borrão" substancial da parte móvel seria evidente.

As lâmpadas fluorescentes podem produzir cintilação na frequência da fonte de alimentação (50 ou 60 Hz), que é perceptível por mais pessoas. Isso acontece se um cátodo danificado ou com falha resultar em uma ligeira retificação e saída de luz desigual em ciclos CA positivos e negativos. A oscilação da frequência de energia pode ser emitida das extremidades dos tubos, se cada eletrodo do tubo produzir um padrão de saída de luz ligeiramente diferente em cada meio-ciclo. A oscilação na frequência de potência é mais perceptível na visão periférica do que quando vista diretamente.

Perto do fim da vida útil, as lâmpadas fluorescentes podem começar a piscar em uma frequência menor do que a frequência de energia. Isso se deve à instabilidade na resistência negativa da descarga do arco, que pode ser causada por uma lâmpada ou reator defeituoso ou conexão ruim.

Novas lâmpadas fluorescentes podem mostrar um padrão de luz em espiral em uma parte da lâmpada. Este efeito é devido ao material catódico solto e geralmente desaparece após algumas horas de operação.

O problema do "efeito de batida" criado ao gravar filmes sob iluminação fluorescente padrão

Os reatores eletromagnéticos também podem causar problemas para a gravação de vídeo, pois pode haver um chamado efeito de batida entre a taxa de quadros do vídeo e as flutuações na intensidade da lâmpada fluorescente.

As lâmpadas fluorescentes com reatores eletrônicos não piscam, pois acima de cerca de 5 kHz, a meia-vida do estado do elétron excitado é maior do que meio ciclo e a produção de luz torna-se contínua. As frequências de operação de reatores eletrônicos são selecionadas para evitar interferência com controles remotos infravermelhos. Baixa qualidade ou reatores eletrônicos defeituosos podem ter uma modulação considerável da luz de 100/120 Hz.

Escurecimento

Luminárias fluorescentes não podem ser conectadas a interruptores dimmer destinados a lâmpadas incandescentes. Dois efeitos são responsáveis ​​por isso: a forma de onda da tensão emitida por um dimmer de controle de fase padrão interage mal com muitos reatores e torna-se difícil sustentar um arco no tubo fluorescente em níveis de baixa potência. As instalações de dimerização requerem um reator de dimerização compatível . Alguns modelos de lâmpadas fluorescentes compactas podem ser escurecidos; nos Estados Unidos, essas lâmpadas são identificadas como estando em conformidade com o padrão UL 1993.

Tamanhos e designações de lâmpadas

A nomenclatura sistemática identifica as lâmpadas do mercado de massa quanto à forma geral, potência nominal, comprimento, cor e outras características elétricas e de iluminação.

Nos Estados Unidos e no Canadá, as lâmpadas são normalmente identificadas por um código como FxxTy, onde F é para fluorescente, o primeiro número (xx) indica a potência em watts ou o comprimento em polegadas, o T indica que o formato da lâmpada é tubular e o último número (y) é o diâmetro em oitavos de polegada (às vezes em milímetros, arredondado para o milímetro mais próximo). Os diâmetros típicos são T12 ou T38 (1 + 1⁄2 pol. Ou 38 mm) para lâmpadas residenciais, T8 ou T26 (1 pol. Ou 25 mm) para lâmpadas economizadoras de energia comerciais.

Overdriving

Overdriving de uma lâmpada fluorescente é um método de obter mais luz de cada tubo do que é obtido sob condições nominais. As lâmpadas fluorescentes ODNO (Overdriven Normal Output) são geralmente usadas quando não há espaço suficiente para colocar mais lâmpadas para aumentar a luz. O método é eficaz, mas gera alguns problemas adicionais. Essa técnica se tornou popular entre os jardineiros aquáticos como uma forma econômica de adicionar mais luz aos seus aquários. O overdriving é feito religando os acessórios da lâmpada para aumentar a corrente da lâmpada; no entanto, a vida útil da lâmpada é reduzida.

Outras lâmpadas fluorescentes

Luz negra

Luzes negras são um subconjunto de lâmpadas fluorescentes usadas para fornecer luz ultravioleta próxima (em cerca de 360 ​​nm de comprimento de onda). Elas são construídas da mesma forma que as lâmpadas fluorescentes convencionais, mas o tubo de vidro é revestido com um fósforo que converte o UV de onda curta em UV de onda longa em vez de luz visível. Eles são usados ​​para provocar fluorescência (para fornecer efeitos dramáticos usando tinta de luz negra e para detectar materiais como urina e certos corantes que seriam invisíveis na luz visível), bem como para atrair insetos para zappers de insetos .

As chamadas lâmpadas blacklite blue também são feitas de um vidro roxo profundo mais caro, conhecido como Wood's glass, em vez de vidro transparente. O vidro roxo profundo filtra a maioria das cores visíveis da luz emitida diretamente pela descarga de vapor de mercúrio, produzindo proporcionalmente menos luz visível em comparação com a luz ultravioleta. Isso permite que a fluorescência induzida por UV seja vista mais facilmente (permitindo assim que os cartazes de luz negra pareçam muito mais dramáticos). As lâmpadas de luz negra usadas em zappers de insetos não requerem esse refinamento, então geralmente é omitido por causa do custo; eles são chamados simplesmente de blacklite (e não de blacklite blue).

Lâmpada de bronzeamento

As lâmpadas usadas em camas de bronzeamento contêm uma mistura de fósforo diferente (normalmente 3 a 5 ou mais fósforos) que emite UVA e UVB, provocando uma resposta de bronzeamento na maioria da pele humana. Normalmente, a saída é classificada como 3–10% UVB (5% mais típico) com o UV restante como UVA. Estas são principalmente lâmpadas F71, F72 ou F73 HO (100 W), embora 160 W VHO sejam um tanto comuns. Um fósforo comum usado nessas lâmpadas é o dissilicato de bário ativado com chumbo, mas também é usado um fluoroborato de estrôncio ativado com európio. As primeiras lâmpadas usavam o tálio como ativador, mas as emissões de tálio durante a fabricação eram tóxicas.

Lâmpadas médicas UVB

As lâmpadas usadas na fototerapia contêm um fósforo que emite apenas luz ultravioleta UVB. Existem dois tipos: UVB de banda larga que dá 290–320 nanômetros com comprimento de onda de pico de 306 nm e UVB de banda estreita que dá 311–313 nanômetros. Devido ao comprimento de onda mais longo, as lâmpadas UVB de banda estreita não causam eriterma na pele como a banda larga. Eles requerem uma dose 10-20 vezes maior na pele e requerem mais lâmpadas e maior tempo de exposição. A faixa estreita é boa para psoríase, eczema (dermatite atópica), vitiligo, líquen plano e algumas outras doenças de pele. A banda larga é melhor para aumentar a vitamina D3 no corpo.

Lâmpada de cultivo

As lâmpadas de cultivo contêm combinações de fósforo que estimulam a fotossíntese , o crescimento ou a floração em plantas, algas, bactérias fotossintéticas e outros organismos dependentes de luz. Freqüentemente, eles emitem luz principalmente na faixa de cores vermelha e azul, que é absorvida pela clorofila e usada para a fotossíntese nas plantas.

Lâmpadas infravermelhas

As lâmpadas podem ser feitas com um fósforo de metaluminato de lítio ativado com ferro. Esse fósforo tem pico de emissões entre 675 e 875 nanômetros, com emissões menores na parte vermelha profunda do espectro visível.

Lâmpadas de bilirrubina

A luz azul profunda gerada a partir de um fósforo ativado por európio é usada no tratamento da icterícia por fototerapia ; a luz dessa cor penetra na pele e ajuda na quebra do excesso de bilirrubina .

Lâmpada germicida

As lâmpadas germicidas não contêm fósforo, o que as torna lâmpadas de descarga de vapor de mercúrio em vez de fluorescentes. Seus tubos são feitos de quartzo fundido transparente à luz UVC emitida pela descarga de mercúrio. O UVC de 254 nm emitido por esses tubos matará os germes e o UV distante de 184,45 nm ionizará o oxigênio em ozônio . As lâmpadas rotuladas OF bloqueiam o UV distante de 184,45 nm e não produzem ozônio significativo. Além disso, o UVC pode causar danos aos olhos e à pele. Às vezes, são usados ​​por geólogos para identificar certas espécies de minerais pela cor de sua fluorescência, quando equipados com filtros que passam o UV de ondas curtas e bloqueiam a luz visível produzida pela descarga de mercúrio. Eles também são usados ​​em algumas borrachas EPROM . As lâmpadas germicidas têm designações começando com G, por exemplo G30T8 para uma lâmpada germicida de 30 watts, 1 polegada (2,5 cm) de diâmetro e 36 polegadas (91 cm) de comprimento (em oposição a uma F30T8, que seria a lâmpada fluorescente de o mesmo tamanho e classificação).

Lâmpada sem eletrodo

Em lâmpadas sem eletrodo (indução), o plasma de indução move os elétrons em um loop contínuo, geralmente dando-lhes uma forma circular.

As lâmpadas de indução sem eletrodo são lâmpadas fluorescentes sem eletrodos internos. Eles estão disponíveis comercialmente desde 1990. Uma corrente é induzida na coluna de gás usando indução eletromagnética . Como os eletrodos geralmente são o elemento limitador de vida das lâmpadas fluorescentes, essas lâmpadas sem eletrodos podem ter uma vida útil muito longa, embora também tenham um preço de compra mais alto.

Lâmpada fluorescente de cátodo frio

Lâmpadas fluorescentes de cátodo frio foram usadas como retroiluminação para LCDs em monitores de computador e televisores antes do uso de LCDs com retroiluminação LED . Eles também são populares entre os modders de gabinete de computador nos últimos anos.

Demonstrações de ciência

O acoplamento capacitivo com linhas de alta tensão pode acender uma lâmpada continuamente em baixa intensidade.
O acoplamento capacitivo com linhas de alta tensão pode acender uma lâmpada continuamente em baixa intensidade.

As lâmpadas fluorescentes podem ser iluminadas por outros meios que não uma conexão elétrica adequada. Esses outros métodos, no entanto, resultam em iluminação muito fraca ou de vida muito curta e, portanto, são vistos principalmente em demonstrações científicas. Eletricidade estática ou um gerador Van de Graaff fará com que uma lâmpada pisque momentaneamente ao descarregar uma capacitância de alta tensão. Uma bobina de Tesla passará a corrente de alta frequência através do tubo e, como também tem uma alta voltagem, os gases dentro do tubo se ionizarão e emitirão luz. Isso também funciona com globos de plasma. O acoplamento capacitivo com linhas de alta tensão pode acender uma lâmpada continuamente em baixa intensidade, dependendo da intensidade do campo elétrico.

Veja também

Referências

Fontes

Leitura adicional

  • Emanuel Gluskin, “O circuito da lâmpada fluorescente”, (Circuits & Systems Expositions)
  • IEEE Transactions on Circuits and Systems, Part I: Fundamental Theory and Applications 46 (5), 1999 (529–544).

links externos