Lâmpada de vapor de sódio - Sodium-vapor lamp

Um poste de luz de sódio de alta pressão em Toronto
Uma lâmpada de vapor de sódio de alta pressão

Uma lâmpada de vapor de sódio é uma lâmpada de descarga de gás que usa sódio em um estado excitado para produzir luz em um comprimento de onda característico próximo a 589  nm .

Existem duas variedades dessas lâmpadas: de baixa pressão e de alta pressão . As lâmpadas de sódio de baixa pressão são fontes de luz elétrica altamente eficientes, mas sua luz amarela restringe as aplicações em iluminação externa, como lâmpadas de rua , onde são amplamente utilizadas. As lâmpadas de sódio de alta pressão emitem um espectro de luz mais amplo do que as lâmpadas de baixa pressão, mas ainda têm uma reprodução de cor mais pobre do que outros tipos de lâmpadas. As lâmpadas de sódio de baixa pressão emitem apenas luz amarela monocromática e, portanto, inibem a visão das cores à noite .

Desenvolvimento

A lâmpada de descarga de arco de sódio de baixa pressão foi posta em prática por volta de 1920, devido ao desenvolvimento de um tipo de vidro que podia resistir aos efeitos corrosivos do vapor de sódio. Estes operaram a pressões inferiores a 1 Pa e produziram um espectro de luz quase monocromático em torno das linhas de emissão de sódio a 589,0 e 589,56 nanômetros de comprimento de onda. A luz amarela produzida por estes limitou a gama de aplicações para aqueles onde a visão de cores não era necessária.

Pesquisas com lâmpadas de sódio de alta pressão ocorreram no Reino Unido e nos Estados Unidos. O aumento da pressão do vapor de sódio ampliou o espectro de emissão de sódio, de modo que a luz produzida teve mais energia emitida em comprimentos de onda acima e abaixo da região de 589 nm. O material de quartzo usado nas lâmpadas de descarga de mercúrio foi corroído por vapor de sódio de alta pressão. Uma demonstração de laboratório de uma lâmpada de alta pressão foi realizada em 1959. O desenvolvimento pela General Electric de um material de óxido de alumínio sinterizado (com óxido de magnésio adicionado para melhorar a transmissão de luz) foi um passo importante na construção de uma lâmpada comercial. O material estava disponível na forma de tubo em 1962, mas técnicas adicionais foram necessárias para selar os tubos e adicionar os eletrodos necessários - o material não podia ser fundido como o quartzo. As tampas das extremidades do tubo do arco chegavam a 800 graus C em operação e, em seguida, esfriavam até a temperatura ambiente quando a lâmpada era desligada, de modo que as terminações dos eletrodos e a vedação do tubo do arco tinham que tolerar ciclos repetidos de temperatura. Esse problema foi resolvido por Michael Arendash na fábrica da GE Nela Park. As primeiras lâmpadas comerciais de sódio de alta pressão estavam disponíveis em 1965 por empresas nos Estados Unidos, Reino Unido e Holanda; na introdução, uma lâmpada de 400 watts produziria cerca de 100 lumens por watt.

Tubos de safira artificial de cristal único também foram fabricados e usados ​​para lâmpadas HPS no início dos anos 1970, com uma ligeira melhora na eficácia, mas os custos de produção eram mais altos do que os tubos de alumina policristalina.

Sódio de baixa pressão

Uma lâmpada apagada 35 W LPS / SOX
Fases de aquecimento de uma lâmpada LPS. A luz rosa fraca da mistura de Penning é gradualmente substituída pela luz laranja monocromática brilhante do vapor de sódio metálico.
Uma lâmpada de 35 W LPS / SOX
Espectro de uma lâmpada de sódio de baixa pressão. A faixa amarela intensa é a emissão atômica da linha D do sódio, compreendendo cerca de 90% da emissão de luz visível para este tipo de lâmpada.
Dois Honda se encaixa sob lâmpadas de sódio de baixa pressão. Ambos parecem pretos, embora o carro da esquerda seja vermelho brilhante, enquanto o carro da direita é realmente preto.

As lâmpadas de sódio de baixa pressão (LPS) têm um tubo de descarga de gás de vidro de borosilicato (tubo de arco) contendo sódio sólido e uma pequena quantidade de gás neon e argônio em uma mistura de Penning para iniciar a descarga de gás. O tubo de descarga pode ser linear (lâmpada SLI) ou em forma de U. Quando a lâmpada é ligada pela primeira vez, ela emite uma luz vermelha / rosa fraca para aquecer o metal de sódio; dentro de alguns minutos, à medida que o sódio metálico se vaporiza , a emissão torna-se o amarelo brilhante comum . Essas lâmpadas produzem uma luz virtualmente monocromática com comprimento de onda médio de 589,3 nm (na verdade, duas linhas espectrais dominantes muito próximas em 589,0 e 589,6 nm). As cores dos objetos iluminados apenas por essa largura de banda estreita são difíceis de distinguir.

As lâmpadas LPS têm um envelope de vácuo de vidro externo ao redor do tubo de descarga interno para isolamento térmico, o que melhora sua eficiência. As lâmpadas LPS anteriores tinham uma jaqueta dewar destacável (lâmpadas SO). Lâmpadas com envelope de vácuo permanente (lâmpadas SOI) foram desenvolvidas para melhorar o isolamento térmico. Melhorias adicionais foram obtidas revestindo o envelope de vidro com uma camada refletora de infravermelho de óxido de índio e estanho , resultando em lâmpadas SOX.

LPS lâmpadas estão entre os mais eficientes fontes luminosas eléctricas quando medido em fotópicas condições de iluminação, produzindo acima de 100 e até 206 lm / W . Essa alta eficiência se deve em parte ao fato de a luz emitida estar em um comprimento de onda próximo ao pico de sensibilidade do olho humano. Eles são usados ​​principalmente para iluminação externa (como luzes de rua e iluminação de segurança ), onde a reprodução fiel das cores não é importante. Estudos recentes mostram que em condições de direção mesópicas noturnas típicas , uma luz mais branca pode fornecer melhores resultados em um nível mais baixo de iluminação.

As lâmpadas LPS são semelhantes às lâmpadas fluorescentes no sentido de que são uma fonte de luz de baixa intensidade com um formato de lâmpada linear. Eles não exibem um arco brilhante como as lâmpadas de descarga de alta intensidade (HID); eles emitem um brilho luminoso mais suave, resultando em menos brilho. Ao contrário das lâmpadas HID, durante uma queda de tensão, as lâmpadas de sódio de baixa pressão voltam ao brilho total rapidamente. As lâmpadas LPS estão disponíveis com potências de 10 W a 180 W; lâmpadas com comprimentos mais longos podem, no entanto, sofrer problemas de projeto e engenharia.

As lâmpadas LPS modernas têm uma vida útil de cerca de 18.000 horas e não diminuem na produção de lúmen com a idade, embora aumentem o consumo de energia em cerca de 10% no final da vida útil. Esta propriedade contrasta com as lâmpadas HID de vapor de mercúrio, que se tornam mais fracas no final da vida útil a ponto de se tornarem ineficazes, enquanto consomem energia elétrica sem redução.

Em 2017, a Philips Lighting, o último fabricante de lâmpadas LPS, anunciou que estava descontinuando a produção das lâmpadas devido à queda na demanda. Inicialmente, a produção deveria ser interrompida no decorrer de 2020, no entanto, essa data foi antecipada e as últimas lâmpadas foram produzidas na fábrica de Hamilton em novembro de 2019.

Considerações sobre poluição luminosa

Para locais onde a poluição luminosa é considerada, como perto de observatórios astronômicos ou praias de desova de tartarugas marinhas, o sódio de baixa pressão é preferido (como anteriormente em San Jose e Flagstaff, Arizona ). Essas lâmpadas emitem luz em apenas duas linhas espectrais dominantes (com outras linhas muito mais fracas) e, portanto, têm a menor interferência espectral com a observação astronômica. (Agora que a produção de lâmpadas LPS cessou, está sendo considerada a utilização de LEDs âmbar de banda estreita, que estão em um espectro de cor semelhante ao LPS.) A cor amarela das lâmpadas de sódio de baixa pressão também leva ao menos visual brilho do céu, devido principalmente à mudança de Purkinje da visão humana adaptada ao escuro, fazendo com que o olho seja relativamente insensível à luz amarela espalhada em baixos níveis de luminância na atmosfera clara. Uma consequência da iluminação pública generalizada é que, em noites nubladas, as cidades com iluminação suficiente são iluminadas pela luz refletida nas nuvens. Onde as luzes de vapor de sódio são a fonte da iluminação urbana, o céu noturno é tingido de laranja.

Efeitos especiais de filme

O processo de vapor de sódio (ocasionalmente referido como tela amarela) é uma técnica de filme que se baseia nas características de banda estreita da lâmpada LPS. O filme negativo colorido normalmente não é sensível à luz amarela de uma lâmpada LPS, mas o filme preto e branco especial é capaz de registrá-la. Usando uma câmera especial, as cenas são gravadas em dois carretéis simultaneamente, um com atores (ou outros objetos em primeiro plano) e outro que se torna uma máscara para posterior combinação com diferentes fundos . Essa técnica originalmente produziu resultados superiores à tecnologia da tela azul e foi usada nos anos de 1956 a 1990, principalmente pelos estúdios Disney . Exemplos notáveis ​​de filmes que usam essa técnica incluem The Birds, de Alfred Hitchcock , e os filmes da Disney Mary Poppins e Bedknobs and Broomsticks . Avanços posteriores em técnicas de tela azul e verde e imagens de computador fecharam essa lacuna, deixando o SVP economicamente impraticável.

Sódio de alta pressão

Lâmpada de sódio de alta pressão em operação
Espectro da lâmpada de sódio de alta pressão. A banda amarela-vermelha à esquerda é a emissão atômica da linha D do sódio; a linha turquesa é uma linha de sódio que é bastante fraca em uma descarga de baixa pressão, mas se torna intensa em uma descarga de alta pressão. A maioria das outras linhas verdes, azuis e violetas surgem do mercúrio.
Diagrama mostrando a saída espectral de uma lâmpada típica de sódio de alta pressão (HPS).
Prédio de escritórios iluminado por lâmpadas de sódio de alta pressão.
Prédio de escritórios iluminado por lâmpadas de sódio de alta pressão.
Lâmpada de sódio de alta pressão Philips SON-T Master 600 W

As lâmpadas de sódio de alta pressão (HPS) têm sido amplamente utilizadas em iluminação industrial, especialmente em grandes instalações de manufatura, e são comumente usadas como lâmpadas de cultivo de plantas . Eles contêm mercúrio . Eles também têm sido amplamente usados ​​para iluminação de áreas externas, como em estradas, estacionamentos e áreas de segurança. Compreender a mudança na sensibilidade da visão de cores humana de fotópica para mesópica e escotópica é essencial para o planejamento adequado ao projetar iluminação para estradas.

As lâmpadas de sódio de alta pressão são bastante eficientes - cerca de 100 lúmens por watt, quando medido em condições de iluminação fotópica . Algumas lâmpadas de alta potência (por exemplo, 600 watts) têm eficácias de cerca de 150 lumens por watt.

Como o arco de sódio de alta pressão é extremamente reativo quimicamente, o tubo do arco é normalmente feito de óxido de alumínio translúcido . Essa construção levou a General Electric Company a usar o nome comercial "Lucalox" para sua linha de lâmpadas de sódio de alta pressão.

O xenônio em baixa pressão é usado como um "gás inicial" na lâmpada HPS. Ele tem a menor condutividade térmica e o menor potencial de ionização de todos os gases nobres estáveis . Por ser um gás nobre, não interfere nas reações químicas que ocorrem na lâmpada operacional. A baixa condutividade térmica minimiza as perdas térmicas na lâmpada durante o estado de operação, e o baixo potencial de ionização faz com que a tensão de ruptura do gás seja relativamente baixa no estado frio, o que permite que a lâmpada seja facilmente ligada.

FILHO "branco"

Uma variação do sódio de alta pressão introduzido em 1986, a White SON tem uma pressão mais alta do que a lâmpada HPS / SON típica, produzindo uma temperatura de cor de cerca de 2700 kelvins com um índice de reprodução de cor (CRI) de cerca de 85, muito semelhante ao cor de uma luz incandescente. Essas lâmpadas são frequentemente usadas em cafés e restaurantes para efeito estético. No entanto, as lâmpadas SON brancas têm custo mais alto, vida útil mais curta e menor eficiência de luz e, portanto, não podem competir com o HPS no momento.

Teoria de Operação

Diagrama de uma lâmpada de sódio de alta pressão.

Um amálgama de sódio metálico e mercúrio fica na parte mais fria da lâmpada e fornece o vapor de sódio e mercúrio necessário para desenhar um arco. A temperatura do amálgama é determinada em grande parte pela potência da lâmpada. Quanto maior a potência da lâmpada, maior será a temperatura de amálgama. Quanto mais alta for a temperatura do amálgama, mais alta será a pressão do mercúrio e do vapor de sódio na lâmpada e mais alta será a tensão terminal. À medida que a temperatura aumenta, a corrente constante e a tensão crescente consomem energia crescente até que o nível de potência operacional seja alcançado. Para uma determinada tensão, geralmente existem três modos de operação:

  1. A lâmpada está apagada e não há fluxo de corrente.
  2. A lâmpada está operando com amálgama líquido no tubo.
  3. A lâmpada está funcionando com todo o amálgama evaporado.

O primeiro e o último estado são estáveis, porque a resistência da lâmpada está fracamente relacionada à tensão, mas o segundo estado é instável. Qualquer aumento anômalo na corrente causará um aumento na potência, causando um aumento na temperatura de amálgama, o que causará uma diminuição na resistência, o que causará um aumento adicional na corrente. Isso criará um efeito de fuga e a lâmpada irá pular para o estado de alta corrente (# 3). Como as lâmpadas reais não são projetadas para lidar com tanta energia, isso resultaria em falha catastrófica. Da mesma forma, uma queda anômala na corrente levará a lâmpada à extinção. É o segundo estado que é o estado operacional desejado da lâmpada, porque uma perda lenta do amálgama de um reservatório ao longo do tempo terá menos efeito nas características da lâmpada do que um amálgama totalmente evaporado. O resultado é uma vida útil média da lâmpada de mais de 20.000 horas.

Na prática, a lâmpada é alimentada por uma fonte de tensão CA em série com um " reator " indutivo para fornecer uma corrente quase constante à lâmpada, ao invés de uma tensão constante, garantindo assim um funcionamento estável. O lastro é geralmente indutivo em vez de simplesmente ser resistivo para minimizar o desperdício de energia com as perdas de resistência. Como a lâmpada se apaga efetivamente em cada ponto de corrente zero no ciclo CA, o reator indutivo auxilia na reignição, fornecendo um pico de tensão no ponto de corrente zero.

A luz da lâmpada consiste em linhas de emissão atômica de mercúrio e sódio, mas é dominada pela emissão da linha D de sódio. Esta linha é extremamente ampliada por pressão (ressonância) e também é reversível por causa da absorção nas camadas externas mais frias do arco, dando à lâmpada suas características de reprodução de cor aprimoradas . Além disso, a asa vermelha da emissão da linha D é ainda mais ampliada pela pressão pelas forças de Van der Waals dos átomos de mercúrio no arco.

Fim da vida

Poste de luz de vapor de sódio
Close após escurecer

No final da vida útil, as lâmpadas de sódio de alta pressão (HPS) exibem um fenômeno conhecido como ciclagem , causado pela perda de sódio no arco. O sódio é um elemento altamente reativo e é perdido na reação com o óxido de alumínio do tubo de arco. Os produtos são óxido de sódio e alumínio :

6 Na + Al 2 O 3 → 3 Na 2 O + 2 Al

Como resultado, essas lâmpadas podem ser iniciadas com uma voltagem relativamente baixa, mas, à medida que aquecem durante a operação, a pressão interna do gás dentro do tubo do arco aumenta e cada vez mais voltagem é necessária para manter a descarga do arco . À medida que uma lâmpada envelhece, a tensão de manutenção para o arco eventualmente aumenta e ultrapassa a tensão máxima de saída do reator elétrico. Conforme a lâmpada aquece até este ponto, o arco falha e a lâmpada se apaga. Eventualmente, com o arco extinto, a lâmpada esfria novamente, a pressão do gás no tubo do arco é reduzida e o lastro pode mais uma vez fazer o arco abrir. O efeito disso é que a lâmpada brilha por um tempo e depois se apaga, normalmente começando com um branco puro ou azulado e passando para um laranja avermelhado antes de se apagar.

Projetos de lastro mais sofisticados detectam ciclos e desistem de tentar acionar a lâmpada após alguns ciclos, pois as repetidas ignições de alta tensão necessárias para reiniciar o arco reduzem a vida útil do lastro. Se a energia for removida e reaplicada, o reator fará uma nova série de tentativas de inicialização.

A falha da lâmpada LPS não resulta em ciclagem; em vez disso, a lâmpada simplesmente não acenderá ou manterá o brilho vermelho opaco da fase de inicialização. Em outro modo de falha, um pequeno furo do tubo de arco vaza parte do vapor de sódio para o bulbo de vácuo externo. O sódio se condensa e cria um espelho no vidro externo, obscurecendo parcialmente o tubo do arco. A lâmpada freqüentemente continua operando normalmente, mas grande parte da luz gerada é obscurecida pelo revestimento de sódio, sem fornecer iluminação.

Códigos de reator ANSI HPS

Potência da saída Códigos ANSI
35 W S76
50 W S68
70 W S62
100 W S54
150 W S55 (55v) ou S56 (100v)
200 W S66
250 W S50
310 W S67
400 W S51
600 W S106
750 W S111
1000 W S52

Veja também

Notas

Referências