Uma lâmpada é um conversor de energia. Embora possa realizar funções secundárias, seu objetivo principal é a transformação de energia elétrica em radiação eletromagnética visível. Existem muitas maneiras de criar luz. O método padrão para criar iluminação geral é a conversão de energia elétrica em luz.

Tipos de luz

Incandescência

Quando sólidos e líquidos são aquecidos, eles emitem radiação visível a temperaturas acima de 1,000 K; isso é conhecido como incandescência.

Esse aquecimento é a base da geração de luz nas lâmpadas de filamento: uma corrente elétrica passa por um fino fio de tungstênio, cuja temperatura sobe para cerca de 2,500 a 3,200 K, dependendo do tipo de lâmpada e de sua aplicação.

Há um limite para este método, que é descrito pela Lei de Planck para o desempenho de um radiador de corpo negro, segundo o qual a distribuição espectral da energia irradiada aumenta com a temperatura. A cerca de 3,600 K e acima, há um ganho acentuado na emissão de radiação visível, e o comprimento de onda da potência máxima muda para a faixa visível. Essa temperatura é próxima ao ponto de fusão do tungstênio, que é usado para o filamento, então o limite prático de temperatura é em torno de 2,700 K, acima do qual a evaporação do filamento torna-se excessiva. Um resultado dessas mudanças espectrais é que grande parte da radiação emitida não é emitida como luz, mas como calor na região do infravermelho. As lâmpadas de filamento podem, portanto, ser dispositivos de aquecimento eficazes e são usadas em lâmpadas projetadas para secagem de impressão, preparação de alimentos e criação de animais.

Descarga elétrica

A descarga elétrica é uma técnica utilizada em modernas fontes de luz para comércio e indústria devido à produção mais eficiente de luz. Alguns tipos de lâmpadas combinam a descarga elétrica com a fotoluminescência.

Uma corrente elétrica passando por um gás excitará os átomos e moléculas para emitir radiação de um espectro que é característico dos elementos presentes. Dois metais são comumente usados, sódio e mercúrio, porque suas características fornecem radiações úteis dentro do espectro visível. Nenhum dos metais emite um espectro contínuo e as lâmpadas de descarga têm espectros seletivos. Sua renderização de cores nunca será idêntica aos espectros contínuos. As lâmpadas de descarga são frequentemente classificadas como de alta ou baixa pressão, embora esses termos sejam apenas relativos, e uma lâmpada de sódio de alta pressão opera abaixo de uma atmosfera.

Tipos de luminescência

Fotoluminescência Ocorre quando a radiação é absorvida por um sólido e então reemitida em um comprimento de onda diferente. Quando a radiação reemitida está dentro do espectro visível, o processo é chamado fluorescência or fosforescência.

Eletroluminescência Ocorre quando a luz é gerada por uma corrente elétrica que passa por certos sólidos, como materiais de fósforo. É usado para sinais autoiluminados e painéis de instrumentos, mas não provou ser uma fonte de luz prática para a iluminação de edifícios ou exteriores.

Evolução das Lâmpadas Elétricas

Embora o progresso tecnológico tenha permitido a produção de diferentes lâmpadas, os principais fatores que influenciaram seu desenvolvimento foram as forças externas do mercado. Por exemplo, a produção de lâmpadas de filamento em uso no início deste século só foi possível após a disponibilidade de boas bombas de vácuo e a trefilação do fio de tungstênio. No entanto, foi a geração e distribuição em larga escala de energia elétrica para atender à demanda por iluminação elétrica que determinou o crescimento do mercado. A iluminação elétrica oferece muitas vantagens sobre a luz gerada a gás ou óleo, como luz constante que requer manutenção pouco frequente, bem como maior segurança de não ter chama exposta e nenhum subproduto local da combustão.

Durante o período de recuperação após a Segunda Guerra Mundial, a ênfase estava na produtividade. A lâmpada fluorescente tubular tornou-se a fonte de luz dominante porque possibilitou a iluminação sem sombras e comparativamente sem calor de fábricas e escritórios, permitindo o máximo aproveitamento do espaço. A saída de luz e os requisitos de potência para uma lâmpada tubular fluorescente típica de 1,500 mm são fornecidos na tabela 1.

Tabela 1. Saída de luz aprimorada e requisitos de potência de algumas lâmpadas fluorescentes típicas de 1,500 mm

Na década de 1970, os preços do petróleo subiram e os custos de energia tornaram-se uma parte significativa dos custos operacionais. Lâmpadas fluorescentes que produzem a mesma quantidade de luz com menor consumo elétrico foram demandadas pelo mercado. O design da lâmpada foi refinado de várias maneiras. À medida que o século se aproxima, há uma crescente conscientização sobre as questões ambientais globais. Melhor uso de matérias-primas em declínio, reciclagem ou descarte seguro de produtos e a preocupação contínua com o consumo de energia (particularmente energia gerada a partir de combustíveis fósseis) estão impactando os projetos atuais de lâmpadas.

Critérios de desempenho

Os critérios de desempenho variam de acordo com a aplicação. Em geral, não existe uma hierarquia específica de importância desses critérios.

Saída de luz: A saída de lúmen de uma lâmpada determinará sua adequação em relação à escala da instalação e à quantidade de iluminação necessária.

Aparência de cores e renderização de cores: Escalas separadas e valores numéricos se aplicam à aparência e renderização de cores. É importante lembrar que os números fornecem apenas orientação e alguns são apenas aproximações. Sempre que possível, as avaliações de adequação devem ser feitas com lâmpadas reais e com as cores ou materiais que se aplicam à situação.

Vida da lâmpada: A maioria das lâmpadas exigirá substituição várias vezes durante a vida útil da instalação de iluminação, e os projetistas devem minimizar a inconveniência para os ocupantes de falhas ocasionais e manutenção. As lâmpadas são usadas em uma ampla variedade de aplicações. A vida média prevista é muitas vezes um compromisso entre custo e desempenho. Por exemplo, a lâmpada de um projetor de slides terá uma vida útil de algumas centenas de horas porque a saída máxima de luz é importante para a qualidade da imagem. Por outro lado, algumas lâmpadas de iluminação rodoviária podem ser trocadas a cada dois anos, o que representa cerca de 8,000 horas de funcionamento.

Além disso, a vida útil da lâmpada é afetada pelas condições de operação e, portanto, não há uma figura simples que se aplique a todas as condições. Além disso, a vida útil efetiva da lâmpada pode ser determinada por diferentes modos de falha. A falha física, como a ruptura do filamento ou da lâmpada, pode ser precedida por redução na saída de luz ou alterações na aparência da cor. A vida útil da lâmpada é afetada por condições ambientais externas, como temperatura, vibração, frequência de partida, flutuações de tensão de alimentação, orientação e assim por diante.

Deve-se notar que a vida média cotada para um tipo de lâmpada é o tempo para 50% de falhas de um lote de lâmpadas de teste. Esta definição de vida não é aplicável a muitas instalações comerciais ou industriais; assim, a vida prática da lâmpada é geralmente menor do que os valores publicados, que devem ser usados ​​apenas para comparação.

Eficiência: Como regra geral, a eficiência de um determinado tipo de lâmpada melhora à medida que a potência nominal aumenta, porque a maioria das lâmpadas tem alguma perda fixa. No entanto, diferentes tipos de lâmpadas apresentam variações marcantes na eficiência. Devem ser utilizadas lâmpadas da mais alta eficiência, desde que os critérios de tamanho, cor e vida útil também sejam atendidos. A economia de energia não deve ocorrer em detrimento do conforto visual ou da capacidade de desempenho dos ocupantes. Algumas eficácias típicas são dadas na tabela 2.

Tabela 2. Eficácias típicas das lâmpadas

Principais tipos de lâmpadas

Ao longo dos anos, vários sistemas de nomenclatura foram desenvolvidos por normas e registros nacionais e internacionais.

Em 1993, a Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) publicou um novo Sistema Internacional de Codificação de Lâmpadas (ILCOS) destinado a substituir os sistemas de codificação nacionais e regionais existentes. Uma lista de alguns códigos curtos ILCOS para várias lâmpadas é fornecida na tabela 3.

Tabela 3. Sistema de codificação de forma abreviada do Sistema Internacional de Codificação de Lâmpadas (ILCOS) para alguns tipos de lâmpadas

Lâmpadas incandescentes

Essas lâmpadas usam um filamento de tungstênio em um gás inerte ou vácuo com um envelope de vidro. O gás inerte suprime a evaporação do tungstênio e diminui o escurecimento do envelope. Existe uma grande variedade de formas de lâmpadas, que são em grande parte decorativas na aparência. A construção de uma lâmpada típica de Serviço de Iluminação Geral (GLS) é dada na figura 1.

Figura 1. Construção de uma lâmpada GLS

As lâmpadas incandescentes também estão disponíveis em uma ampla gama de cores e acabamentos. Os códigos ILCOS e algumas formas típicas incluem aqueles mostrados na tabela 4.

Tabela 4. Cores e formas comuns de lâmpadas incandescentes, com seus códigos ILCOS

As lâmpadas incandescentes ainda são populares para iluminação doméstica devido ao seu baixo custo e tamanho compacto. No entanto, para iluminação comercial e industrial a baixa eficácia gera custos operacionais muito elevados, pelo que as lâmpadas de descarga são a escolha normal. Uma lâmpada de 100 W tem uma eficácia típica de 14 lúmens/watt em comparação com 96 lúmens/watt para uma lâmpada fluorescente de 36 W.

As lâmpadas incandescentes são simples de escurecer reduzindo a tensão de alimentação e ainda são usadas onde o escurecimento é um recurso de controle desejado.

O filamento de tungstênio é uma fonte de luz compacta, facilmente focalizada por refletores ou lentes. Lâmpadas incandescentes são úteis para iluminação de display onde o controle direcional é necessário.

Lâmpadas halógenas de tungstênio

São semelhantes às lâmpadas incandescentes e produzem luz da mesma maneira a partir de um filamento de tungstênio. No entanto, o bulbo contém gás halogênio (bromo ou iodo), que é ativo no controle da evaporação do tungstênio. Veja a figura 2.

Figura 2. O ciclo do halogênio

Fundamental para o ciclo de halogênio é uma temperatura mínima da parede do bulbo de 250 °C para garantir que o haleto de tungstênio permaneça em estado gasoso e não condense na parede do bulbo. Esta temperatura significa lâmpadas feitas de quartzo em vez de vidro. Com o quartzo é possível reduzir o tamanho do bulbo.

A maioria das lâmpadas halógenas de tungstênio tem uma vida útil melhorada em relação às equivalentes incandescentes e o filamento está em uma temperatura mais alta, criando mais luz e cores mais brancas.

As lâmpadas halógenas de tungstênio tornaram-se populares onde o tamanho pequeno e o alto desempenho são os principais requisitos. Exemplos típicos são a iluminação de palco, incluindo filmes e TV, onde o controle direcional e o escurecimento são requisitos comuns.

Lâmpadas halógenas de tungstênio de baixa tensão

Estes foram originalmente projetados para projetores de slides e filmes. Em 12 V, o filamento para a mesma potência de 230 V torna-se menor e mais grosso. Isso pode ser focado com mais eficiência, e a massa maior do filamento permite uma temperatura operacional mais alta, aumentando a saída de luz. O filamento grosso é mais robusto. Esses benefícios foram percebidos como sendo úteis para o mercado de exibição comercial e, embora seja necessário ter um transformador abaixador, essas lâmpadas agora dominam a iluminação de vitrines. Veja a figura 3.

Figura 3. Lâmpada refletora dicróica de baixa tensão

Embora os usuários de projetores de filme desejem o máximo de luz possível, muito calor danifica o meio de transparência. Foi desenvolvido um tipo especial de refletor, que reflete apenas a radiação visível, permitindo que a radiação infravermelha (calor) passe pela parte de trás da lâmpada. Esse recurso agora faz parte de muitas lâmpadas refletoras de baixa tensão para iluminação de exibição, bem como equipamentos de projetor.

Sensibilidade de tensão: Todas as lâmpadas de filamento são sensíveis à variação de tensão e a saída de luz e a vida útil são afetadas. A mudança para “harmonizar” a tensão de alimentação em toda a Europa em 230 V está sendo alcançada através do alargamento das tolerâncias às quais as autoridades geradoras podem operar. A variação é de ±10%, que é uma faixa de voltagem de 207 a 253 V. Lâmpadas incandescentes e halógenas de tungstênio não podem ser operadas de forma sensata nessa faixa, então será necessário combinar a voltagem de alimentação real com as classificações da lâmpada. Veja a figura 4.

Figura 4. Lâmpadas de filamento GLS e tensão de alimentação

As lâmpadas de descarga também serão afetadas por essa ampla variação de tensão, portanto, a especificação correta do reator se torna importante.

Lâmpadas fluorescentes tubulares

Estas são lâmpadas de mercúrio de baixa pressão e estão disponíveis nas versões “cátodo quente” e “cátodo frio”. O primeiro é o tubo fluorescente convencional para escritórios e fábricas; “cátodo quente” refere-se ao acionamento da lâmpada pelo pré-aquecimento dos eletrodos para criar ionização suficiente do gás e do vapor de mercúrio para estabelecer a descarga.

As lâmpadas de cátodo frio são usadas principalmente para sinalização e publicidade. Veja a figura 5.

Figura 5. Princípio da lâmpada fluorescente

As lâmpadas fluorescentes requerem um dispositivo de controle externo para iniciar e controlar a corrente da lâmpada. Além da pequena quantidade de vapor de mercúrio, há um gás de partida (argônio ou criptônio).

A baixa pressão do mercúrio gera uma descarga de luz azul pálida. A maior parte da radiação está na região UV em 254 nm, uma frequência de radiação característica para o mercúrio. Dentro da parede do tubo há um fino revestimento de fósforo, que absorve os raios ultravioleta e irradia a energia como luz visível. A qualidade da cor da luz é determinada pelo revestimento de fósforo. Uma variedade de fósforos está disponível com várias aparências de cores e renderização de cores.

Durante a década de 1950, os fósforos disponíveis ofereciam uma escolha de eficácia razoável (60 lúmens/watt) com luz deficiente em vermelhos e azuis, ou reprodução de cores aprimorada de fósforos “de luxo” de menor eficiência (40 lúmens/watt).

Na década de 1970, novos fósforos de banda estreita foram desenvolvidos. Estes separadamente irradiavam luz vermelha, azul e verde, mas, combinados, produziam luz branca. Ajustar as proporções deu uma variedade de aparências de cores diferentes, todas com excelente renderização de cores semelhantes. Esses trifósforos são mais eficientes do que os tipos anteriores e representam a melhor solução de iluminação econômica, embora as lâmpadas sejam mais caras. A eficácia aprimorada reduz os custos operacionais e de instalação.

O princípio do tri-fósforo foi estendido para lâmpadas multi-fósforo onde é necessária uma reprodução de cores crítica, como para galerias de arte e correspondência de cores industriais.

Os modernos fósforos de banda estreita são mais duráveis, têm melhor manutenção do lúmen e aumentam a vida útil da lâmpada.

Lâmpadas fluorescentes compactas

O tubo fluorescente não é um substituto prático para a lâmpada incandescente por causa de sua forma linear. Tubos pequenos e estreitos podem ser configurados com aproximadamente o mesmo tamanho da lâmpada incandescente, mas isso impõe uma carga elétrica muito maior no material de fósforo. O uso de tri-fósforos é essencial para alcançar uma vida útil aceitável da lâmpada. Veja a figura 6.

Figura 6. Fluorescente compacta de quatro pontas

Todas as lâmpadas fluorescentes compactas usam trifósforo, portanto, quando usadas em conjunto com lâmpadas fluorescentes lineares, estas últimas também devem ser trifósforas para garantir a consistência da cor.

Algumas lâmpadas compactas incluem o mecanismo de controle operacional para formar dispositivos de adaptação para lâmpadas incandescentes. A gama está a aumentar e permite uma fácil atualização das instalações existentes para uma iluminação mais eficiente em termos energéticos. Essas unidades integrais não são adequadas para dimerização onde isso fazia parte dos controles originais.

Engrenagem de controle eletrônico de alta frequência: Se a frequência normal de alimentação de 50 ou 60 Hz for aumentada para 30 kHz, há um ganho de 10% na eficácia das lâmpadas fluorescentes. Circuitos eletrônicos podem operar lâmpadas individuais em tais frequências. O circuito eletrônico é projetado para fornecer a mesma saída de luz que o mecanismo de controle de fio enrolado, a partir da potência reduzida da lâmpada. Isso oferece compatibilidade do pacote de lúmen com a vantagem de que a carga reduzida da lâmpada aumentará significativamente a vida útil da lâmpada. A engrenagem de controle eletrônico é capaz de operar em uma faixa de tensões de alimentação.

Não existe um padrão comum para o equipamento de controle eletrônico e o desempenho da lâmpada pode diferir das informações publicadas pelos fabricantes das lâmpadas.

O uso de equipamento eletrônico de alta frequência elimina o problema normal de cintilação, ao qual alguns ocupantes podem ser sensíveis.

lâmpadas de indução

Lâmpadas que usam o princípio da indução surgiram recentemente no mercado. São lâmpadas de mercúrio de baixa pressão com revestimento trifósforo e como produtoras de luz são semelhantes às lâmpadas fluorescentes. A energia é transferida para a lâmpada por radiação de alta frequência, a aproximadamente 2.5 MHz de uma antena posicionada centralmente dentro da lâmpada. Não há conexão física entre a lâmpada e a bobina. Sem eletrodos ou outras conexões de fios, a construção do vaso de descarga é mais simples e mais durável. A vida útil da lâmpada é determinada principalmente pela confiabilidade dos componentes eletrônicos e pela manutenção do lúmen do revestimento de fósforo.

Lâmpadas de mercúrio de alta pressão

Descargas de alta pressão são mais compactas e possuem cargas elétricas maiores; portanto, requerem tubos de arco de quartzo para suportar a pressão e a temperatura. O tubo de arco está contido em um invólucro de vidro externo com uma atmosfera de nitrogênio ou argônio-nitrogênio para reduzir a oxidação e formação de arco. A lâmpada filtra efetivamente a radiação UV do tubo de arco. Veja a figura 7.

Figura 7. Construção da lâmpada de mercúrio

Em alta pressão, a descarga de mercúrio é principalmente radiação azul e verde. Para melhorar a cor, um revestimento de fósforo da lâmpada externa adiciona luz vermelha. Existem versões de luxo com um teor de vermelho aumentado, que proporcionam maior saída de luz e reprodução de cores aprimorada.

Todas as lâmpadas de descarga de alta pressão levam algum tempo para atingir a potência máxima. A descarga inicial ocorre através do preenchimento de gás condutor e o metal evapora à medida que a temperatura da lâmpada aumenta.

Na pressão estável, a lâmpada não reiniciará imediatamente sem um equipamento de controle especial. Há um atraso enquanto a lâmpada esfria o suficiente e a pressão diminui, de modo que a tensão de alimentação normal ou o circuito do ignitor seja adequado para restabelecer o arco.

As lâmpadas de descarga têm uma característica de resistência negativa e, portanto, o reator externo é necessário para controlar a corrente. Existem perdas devido a esses componentes do equipamento de controle, portanto, o usuário deve considerar os watts totais ao considerar os custos operacionais e a instalação elétrica. Há uma exceção para lâmpadas de mercúrio de alta pressão, e um tipo contém um filamento de tungstênio que atua como dispositivo limitador de corrente e acrescenta cores quentes à descarga azul/verde. Isso permite a substituição direta de lâmpadas incandescentes.

Embora as lâmpadas de mercúrio tenham uma vida longa de cerca de 20,000 horas, a saída de luz cairá para cerca de 55% da saída inicial no final deste período e, portanto, a vida econômica pode ser menor.

Lâmpadas de iodetos metálicos

A cor e a saída de luz das lâmpadas de descarga de mercúrio podem ser melhoradas adicionando diferentes metais ao arco de mercúrio. Para cada lâmpada, a dose é pequena e, para uma aplicação precisa, é mais conveniente manusear os metais em pó como haletos. Isso se decompõe à medida que a lâmpada aquece e libera o metal.

Uma lâmpada de iodetos metálicos pode usar vários metais diferentes, cada um dos quais emite uma cor característica específica. Esses incluem:

• disprósio - largo azul-esverdeado
• índio - azul estreito
• lítio - vermelho estreito
• escândio - amplo verde-azulado
• sódio - amarelo estreito
• tálio - verde estreito
• estanho - largo vermelho-alaranjado

Não há mistura padrão de metais, então lâmpadas de iodetos metálicos de diferentes fabricantes podem não ser compatíveis em aparência ou desempenho operacional. Para lâmpadas com classificações de potência mais baixas, 35 a 150 W, há uma compatibilidade física e elétrica mais próxima com um padrão comum.

As lâmpadas de iodetos metálicos requerem um mecanismo de controle, mas a falta de compatibilidade significa que é necessário combinar cada combinação de lâmpada e mecanismo para garantir as condições corretas de partida e operação.

Lâmpadas de sódio de baixa pressão

O tubo de arco é semelhante em tamanho ao tubo fluorescente, mas é feito de vidro especial com revestimento interno resistente ao sódio. O tubo de arco é formado em forma de “U” estreito e está contido em uma jaqueta de vácuo externa para garantir a estabilidade térmica. Durante a partida, as lâmpadas têm um forte brilho vermelho devido ao preenchimento de gás neon.

A radiação característica do vapor de sódio de baixa pressão é um amarelo monocromático. Isso está próximo ao pico de sensibilidade do olho humano, e as lâmpadas de sódio de baixa pressão são as lâmpadas mais eficientes disponíveis em quase 200 lúmens/watt. No entanto, as aplicações são limitadas onde a discriminação de cores não tem importância visual, como estradas principais e passagens subterrâneas e ruas residenciais.

Em muitas situações essas lâmpadas estão sendo substituídas por lâmpadas de sódio de alta pressão. Seu tamanho menor oferece melhor controle óptico, principalmente para iluminação de estradas, onde há uma preocupação crescente com o brilho excessivo do céu.

Lâmpadas de sódio de alta pressão

Essas lâmpadas são semelhantes às lâmpadas de mercúrio de alta pressão, mas oferecem melhor eficácia (mais de 100 lúmens/watt) e excelente manutenção do lúmen. A natureza reativa do sódio exige que o tubo de arco seja fabricado a partir de alumina policristalina translúcida, pois vidro ou quartzo não são adequados. O bulbo de vidro externo contém um vácuo para evitar arco elétrico e oxidação. Não há radiação UV da descarga de sódio, portanto, os revestimentos de fósforo não têm valor. Algumas lâmpadas são foscas ou revestidas para difundir a fonte de luz. Veja a figura 8.

Figura 8. Construção da lâmpada de sódio de alta pressão

À medida que a pressão de sódio aumenta, a radiação torna-se uma faixa larga ao redor do pico amarelo e a aparência é branca dourada. No entanto, à medida que a pressão aumenta, a eficiência diminui. Atualmente, existem três tipos separados de lâmpadas de sódio de alta pressão disponíveis, conforme mostrado na tabela 5.

Tabela 5. Tipos de lâmpadas de sódio de alta pressão

Geralmente, as lâmpadas padrão são usadas para iluminação externa, lâmpadas de luxo para interiores industriais e White SON para aplicações comerciais/de exibição.

Escurecimento das Lâmpadas de Descarga

As lâmpadas de alta pressão não podem ser reguladas satisfatoriamente, pois a alteração da potência da lâmpada altera a pressão e, portanto, as características fundamentais da lâmpada.

As lâmpadas fluorescentes podem ser reguladas usando fontes de alta frequência geradas tipicamente dentro do equipamento de controle eletrônico. A aparência da cor permanece muito constante. Além disso, a saída de luz é aproximadamente proporcional à potência da lâmpada, com consequente economia de energia elétrica quando a saída de luz é reduzida. Ao integrar a saída de luz da lâmpada com o nível predominante de luz natural, um nível de iluminância quase constante pode ser fornecido em um interior.

Voltar