As lâmpadas consistem em dois tipos básicos: lâmpadas de filamento (ou incandescentes) e lâmpadas de descarga. Os componentes básicos de ambos os tipos de lâmpadas incluem vidro, vários pedaços de arame de metal, um gás de enchimento e geralmente uma base. Dependendo do fabricante da lâmpada, esses materiais são fabricados internamente ou podem ser obtidos de um fornecedor externo. O fabricante típico de lâmpadas fará suas próprias lâmpadas de vidro, mas poderá comprar outras peças e vidros de fabricantes especializados ou de outras empresas de lâmpadas.
Dependendo do tipo de lâmpada, uma variedade de vidros pode ser usada. Lâmpadas incandescentes e fluorescentes normalmente usam um vidro de cal sodada. As lâmpadas de temperatura mais alta usarão um vidro de borosilicato, enquanto as lâmpadas de descarga de alta pressão usarão quartzo ou cerâmica para o tubo de arco e vidro de borosilicato para o envelope externo. O vidro com chumbo (contendo aproximadamente 20 a 30% de chumbo) é normalmente usado para vedar as extremidades das lâmpadas.
Os fios usados como suportes ou conectores na construção da lâmpada podem ser feitos de uma variedade de materiais, incluindo aço, níquel, cobre, magnésio e ferro, enquanto os filamentos são feitos de tungstênio ou liga de tungstênio-tório. Um requisito crítico para o fio de suporte é que ele deve corresponder às características de expansão do vidro onde o fio penetra no vidro para conduzir a corrente elétrica para a lâmpada. Freqüentemente, fios condutores de várias partes são usados nesta aplicação.
As bases (ou tampas) são normalmente feitas de latão ou alumínio, sendo o latão o material preferido quando o uso externo é necessário.
Lâmpadas de filamento ou incandescentes
Lâmpadas de filamento ou incandescentes são o tipo de lâmpada mais antigo ainda fabricado. Eles recebem o nome da maneira como essas lâmpadas produzem sua luz: através do aquecimento de um filamento de fio a uma temperatura alta o suficiente para fazê-lo brilhar. Embora seja possível fabricar uma lâmpada incandescente com quase qualquer tipo de filamento (as primeiras lâmpadas usavam carbono), hoje a maioria dessas lâmpadas usa um filamento feito de metal de tungstênio.
lâmpadas de tungstênio. A versão doméstica comum dessas lâmpadas consiste em um bulbo de vidro envolvendo um filamento de fio de tungstênio. A eletricidade é conduzida ao filamento por fios que sustentam o filamento e se estendem pelo suporte de vidro que é selado à lâmpada. Os fios são então conectados à base de metal, com um fio soldado no ilhó central da base e o outro conectado ao invólucro rosqueado. Os arames de sustentação são de composição especial, para que tenham as mesmas características de dilatação do vidro, evitando vazamentos quando as lâmpadas esquentam durante o uso. O bulbo de vidro é normalmente feito de vidro de cal, enquanto o suporte de vidro é de vidro com chumbo. O dióxido de enxofre é freqüentemente usado na preparação da montagem. O dióxido de enxofre atua como um lubrificante durante a montagem da lâmpada de alta velocidade. Dependendo do projeto da lâmpada, o bulbo pode envolver um vácuo ou pode usar um gás de enchimento de argônio ou algum outro gás não reativo.
As lâmpadas deste design são vendidas com lâmpadas de vidro transparente, lâmpadas foscas e lâmpadas revestidas com uma variedade de materiais. Lâmpadas foscas e revestidas com um material branco (geralmente argila ou sílica amorfa) são usadas para reduzir o brilho do filamento encontrado nas lâmpadas transparentes. As lâmpadas também são revestidas com uma variedade de outros revestimentos decorativos, incluindo cerâmica colorida e lacas na parte externa das lâmpadas e outras cores, como amarelo ou rosa, na parte interna da lâmpada.
Embora o formato doméstico típico seja o mais comum, as lâmpadas incandescentes podem ser feitas em vários formatos de bulbo, incluindo tubulares, globos e refletores, bem como em vários tamanhos e potências, desde subminiatura até grandes lâmpadas de palco/estúdio.
lâmpadas halógenas de tungstênio. Um problema no projeto da lâmpada de filamento de tungstênio padrão é que o tungstênio evapora durante o uso e se condensa na parede de vidro mais fria, escurecendo-a e reduzindo a transmissão de luz. Adicionar um halogênio, como brometo de hidrogênio ou brometo de metila, ao gás de enchimento elimina esse problema. O halogênio reage com o tungstênio, evitando que ele se condense na parede de vidro. Quando a lâmpada esfria, o tungstênio se deposita novamente no filamento. Como essa reação funciona melhor em pressões de lâmpada mais altas, as lâmpadas de tungstênio-halogênio geralmente contêm gás em várias atmosferas de pressão. Normalmente, o halogênio é adicionado como parte do gás de enchimento da lâmpada, geralmente em concentrações de 2% ou menos.
As lâmpadas de tungstênio-halógeno também podem usar lâmpadas feitas de quartzo em vez de vidro. As lâmpadas de quartzo podem suportar pressões mais altas do que as feitas de vidro. As lâmpadas de quartzo apresentam um perigo potencial, no entanto, uma vez que o quartzo é transparente à luz ultravioleta. Embora o filamento de tungstênio produza relativamente pouco ultravioleta, a exposição prolongada a curta distância pode produzir vermelhidão da pele e causar irritação nos olhos. Filtrar a luz através de uma tampa de vidro reduzirá bastante a quantidade de ultravioleta, além de fornecer proteção contra o quartzo quente no caso de a lâmpada se romper durante o uso.
Perigos e Precauções
No geral, os maiores perigos na produção de lâmpadas, independentemente do tipo de produto, são devidos aos perigos de equipamentos automatizados e ao manuseio de lâmpadas e lâmpadas de vidro e outros materiais. Cortes no vidro e golpes no equipamento operacional são as causas mais comuns de acidentes; problemas de manuseio de materiais, como movimentos repetitivos ou lesões nas costas, são de particular preocupação.
A solda de chumbo é freqüentemente usada nas lâmpadas. Para lâmpadas usadas em aplicações de alta temperatura, soldas contendo cádmio podem ser usadas. Em operações automatizadas de montagem de lâmpadas, a exposição a ambas as soldas é mínima. Onde for feita solda manual, como em reparos ou operações semiautomáticas, as exposições ao chumbo ou cádmio devem ser monitoradas.
As exposições potenciais a materiais perigosos durante a fabricação de lâmpadas diminuíram consistentemente desde meados do século XX. Na fabricação de lâmpadas incandescentes, um grande número de lâmpadas anteriormente eram gravadas com ácido fluorídrico ou soluções de sais de bifluoreto para produzir uma lâmpada fosca. Isso foi amplamente substituído pelo uso de um revestimento de argila de baixa toxicidade. Embora não seja completamente substituído, o uso de ácido fluorídrico foi bastante reduzido. Essa mudança reduziu o risco de queimaduras na pele e irritação pulmonar devido ao ácido. Os revestimentos cerâmicos coloridos usados na parte externa de alguns produtos de lâmpadas continham anteriormente pigmentos de metais pesados, como chumbo, cádmio, cobalto e outros, além de usar uma frita de vidro de silicato de chumbo como parte da composição. Nos últimos anos, muitos dos pigmentos de metais pesados foram substituídos por corantes menos tóxicos. Nos casos em que os metais pesados ainda são usados, uma forma de menor toxicidade pode ser usada (por exemplo, cromo III em vez de cromo VI).
Filamentos de tungstênio enrolados continuam a ser feitos envolvendo o tungstênio em torno de um molibdênio ou um fio de mandril de aço. Uma vez que a bobina foi formada e sinterizada, os mandris são dissolvidos usando ácido clorídrico (para o aço) ou uma mistura de ácido nítrico e sulfúrico para o molibdênio. Devido às potenciais exposições ácidas, este trabalho é feito rotineiramente em sistemas de capota ou, mais recentemente, em dispersores totalmente fechados (especialmente onde está envolvida a mistura nítrico/sulfúrico).
Os gases de enchimento usados nas lâmpadas de tungstênio-halogênio são adicionados às lâmpadas em sistemas totalmente fechados com pouca perda ou exposição. O uso de brometo de hidrogênio apresenta seus próprios problemas devido à sua natureza corrosiva. A LEV deve ser fornecida e a tubulação resistente à corrosão deve ser usada para os sistemas de fornecimento de gás. O fio de tungstênio toriado (geralmente 1 a 2% de tório) ainda é usado em alguns tipos de lâmpadas. No entanto, há pouco risco do tório na forma de fio.
O dióxido de enxofre deve ser cuidadosamente controlado. A LEV deve ser usada onde quer que o material seja adicionado ao processo. Detectores de vazamento também podem ser úteis em áreas de armazenamento. O uso de cilindros de gás menores de 75 kg é preferível a recipientes maiores de 1,000 kg devido às possíveis consequências de uma liberação catastrófica.
A irritação da pele pode ser um perigo potencial tanto dos fluxos de solda quanto das resinas usadas no cimento de base. Alguns sistemas de cimento de base usam paraformaldeído em vez de resinas naturais, resultando em exposição potencial ao formaldeído durante a cura do cimento de base.
Todas as lâmpadas usam um sistema químico de “gettering”, no qual um material é revestido no filamento antes da montagem. O objetivo do getter é reagir e eliminar qualquer umidade residual ou oxigênio na lâmpada após a lâmpada ser selada. Getters típicos incluem nitreto de fósforo e misturas de pós metálicos de alumínio e zircônio. Embora o coletor de nitreto de fósforo seja bastante benigno em uso, o manuseio de pós metálicos de alumínio e zircônio pode ser um risco de inflamabilidade. Os getters são aplicados úmidos em um solvente orgânico, mas se o material for derramado, os pós metálicos secos podem ser inflamados por fricção. Incêndios em metais devem ser extintos com extintores especiais Classe D e não podem ser combatidos com água, espuma ou outros materiais usuais. Um terceiro tipo de getter inclui o uso de fosfina ou silano. Esses materiais podem ser incluídos no enchimento de gás da lâmpada em baixa concentração ou podem ser adicionados em alta concentração e “flash” na lâmpada antes do enchimento de gás final. Ambos os materiais são altamente tóxicos; se usado em alta concentração, sistemas totalmente fechados com detectores de vazamento e alarmes devem ser usados no local.
Lâmpadas e Tubos de Descarga
As lâmpadas de descarga, modelos de baixa e alta pressão, são mais eficientes em termos de luz por watt do que as lâmpadas incandescentes. As lâmpadas fluorescentes têm sido usadas há muitos anos em edifícios comerciais e têm encontrado uso cada vez maior em casa. Recentemente, versões compactas da lâmpada fluorescente foram desenvolvidas especificamente para substituir a lâmpada incandescente.
As lâmpadas de descarga de alta pressão têm sido usadas há muito tempo para grandes áreas e iluminação pública. Versões de baixa voltagem desses produtos também estão sendo desenvolvidas.
Lâmpadas fluorescentes
As lâmpadas fluorescentes recebem o nome do pó fluorescente usado para revestir o interior do tubo de vidro. Este pó absorve a luz ultravioleta produzida pelo vapor de mercúrio usado na lâmpada e a converte e reemite como luz visível.
O vidro usado nesta lâmpada é semelhante ao usado nas lâmpadas incandescentes, usando vidro de cal para o tubo e vidro com chumbo para os suportes em cada extremidade. Duas famílias diferentes de fósforo estão em uso atualmente. Os halofosfatos, baseados em cloro-fluorofosfato de cálcio ou estrôncio, são os fósforos mais antigos, sendo amplamente utilizados no início dos anos 1950, quando substituíram os fósforos baseados em silicato de berílio. A segunda família de fósforo inclui fósforos feitos de terras raras, normalmente incluindo ítrio, lantânio e outros. Esses fósforos de terras raras normalmente têm um espectro de emissão estreito, e uma mistura deles é usada - geralmente um fósforo vermelho, um azul e um verde.
Os fósforos são misturados com um sistema aglutinante, suspensos em uma mistura orgânica ou em uma mistura de água/amônia e revestidos no interior do tubo de vidro. A suspensão orgânica usa acetato de butila, acetato de butila/nafta ou xileno. Devido às regulamentações ambientais, as suspensões à base de água estão substituindo as de base orgânica. Depois que o revestimento é aplicado, ele é seco no tubo e o tubo é aquecido a uma temperatura alta para remover o aglutinante.
Uma montagem é anexada a cada extremidade da lâmpada. O mercúrio é agora introduzido na lâmpada. Isso pode ser feito de diversas formas. Embora em algumas áreas o mercúrio seja adicionado manualmente, a forma predominante é automática, com a lâmpada montada vertical ou horizontalmente. Em máquinas verticais, a haste de montagem em uma das extremidades da lâmpada é fechada. Em seguida, o mercúrio é jogado na lâmpada de cima, a lâmpada é preenchida com argônio a baixa pressão e a haste de montagem superior é selada, vedando completamente a lâmpada. Nas máquinas horizontais, o mercúrio é introduzido por um lado, enquanto a lâmpada é exaurida pelo outro lado. O argônio é novamente adicionado à pressão adequada e ambas as extremidades da lâmpada são seladas. Depois de vedadas, as tampas ou bases são adicionadas às extremidades e os fios condutores são então soldados ou soldados aos contatos elétricos.
Duas outras formas possíveis de introduzir vapor de mercúrio podem ser usadas. Em um sistema, o mercúrio está contido em uma tira impregnada de mercúrio, que libera o mercúrio quando a lâmpada é ligada pela primeira vez. No outro sistema, é utilizado mercúrio líquido, mas contido em uma cápsula de vidro que é acoplada ao suporte. A cápsula é rompida após a lâmpada ter sido selada e esgotada, liberando o mercúrio.
As lâmpadas fluorescentes compactas são versões menores da lâmpada fluorescente padrão, às vezes incluindo o reator eletrônico como um componente integral da lâmpada. As fluorescentes compactas geralmente usam uma mistura de fósforos de terras raras. Algumas lâmpadas compactas incorporam um iniciador de brilho contendo pequenas quantidades de materiais radioativos para ajudar a iniciar a lâmpada. Esses iniciadores de brilho normalmente usam criptônio-85, hidrogênio-3, promécio-147 ou tório natural para fornecer o que é chamado de corrente escura, o que ajuda a lâmpada a iniciar mais rapidamente. Isso é desejável do ponto de vista do consumidor, onde o cliente deseja que a lâmpada ligue imediatamente, sem piscar.
Perigos e precauções
A fabricação de lâmpadas fluorescentes passou por um número considerável de mudanças. O uso inicial de fósforo contendo berílio foi descontinuado em 1949, eliminando um risco respiratório significativo durante a produção e uso do fósforo. Em muitas operações, as suspensões de fósforo à base de água substituíram as suspensões orgânicas no revestimento das lâmpadas fluorescentes, reduzindo a exposição dos trabalhadores e também a emissão de VOCs para o meio ambiente. As suspensões à base de água envolvem alguma exposição mínima à amônia, particularmente durante a mistura das suspensões.
O mercúrio continua sendo o material de maior preocupação durante a fabricação de lâmpadas fluorescentes. Embora as exposições sejam relativamente baixas, exceto ao redor das máquinas de exaustão, há potencial para exposição significativa dos trabalhadores estacionados ao redor da máquina de exaustão, dos mecânicos que trabalham nessas máquinas e durante as operações de limpeza. Equipamentos de proteção individual, como macacão e luvas para evitar ou limitar a exposição e, quando necessário, proteção respiratória, devem ser usados, especialmente durante as atividades de manutenção e limpeza. Um programa de monitoramento biológico, incluindo urinálise de mercúrio, deve ser estabelecido para os locais de fabricação de lâmpadas fluorescentes.
Os dois sistemas de fósforo atualmente em produção utilizam materiais considerados de toxicidade relativamente baixa. Embora alguns dos aditivos aos fósforos originais (como bário, chumbo e manganês) tenham limites de exposição estabelecidos por várias agências governamentais, esses componentes geralmente estão presentes em porcentagens relativamente baixas nas composições.
As resinas de fenol-formaldeído são usadas como isolantes elétricos nas tampas das lâmpadas. O cimento inclui tipicamente resinas naturais e sintéticas, que podem incluir irritantes da pele, como hexametileno-tetramina. O equipamento automatizado de mistura e manuseio limita o potencial de contato com a pele desses materiais, limitando assim o potencial de irritação da pele.
Lâmpadas de mercúrio de alta pressão
As lâmpadas de mercúrio de alta pressão incluem dois tipos semelhantes: as que usam apenas mercúrio e as que usam uma mistura de mercúrio e uma variedade de haletos metálicos. O design básico das lâmpadas é semelhante. Ambos os tipos usam um tubo de arco de quartzo que conterá o mercúrio ou a mistura de mercúrio/haleto. Este tubo de arco é então colocado em uma capa externa de vidro borosilicato rígido e uma base de metal é adicionada para fornecer contatos elétricos. A capa externa pode ser transparente ou revestida com um material difusor ou um fósforo para modificar a cor da luz.
lâmpadas de mercúrio contêm apenas mercúrio e argônio no tubo de arco de quartzo da lâmpada. O mercúrio, sob alta pressão, gera luz com alto teor de azul e ultravioleta. O tubo de arco de quartzo é completamente transparente à luz ultravioleta e, caso a capa externa seja quebrada ou removida, é uma poderosa fonte de luz ultravioleta que pode produzir queimaduras na pele e nos olhos das pessoas expostas. Embora o design típico da lâmpada de mercúrio continue a funcionar se a capa externa for removida, os fabricantes também oferecem alguns modelos com design fundido que parará de funcionar se a capa for quebrada. Durante o uso normal, o vidro de borosilicato do invólucro externo absorve uma alta porcentagem da luz ultravioleta, de modo que a lâmpada intacta não representa um perigo.
Devido ao alto teor de azul do espectro da lâmpada de mercúrio, o interior do invólucro externo é frequentemente revestido com um fósforo, como o fosfato de vanadato de ítrio ou fósforo vermelho intensificador semelhante.
Lâmpadas de iodetos metálicos também contêm mercúrio e argônio no tubo de arco, mas adicionam haletos metálicos (normalmente uma mistura de sódio e escândio, possivelmente com outros). A adição de halogenetos metálicos aumenta a emissão de luz vermelha da lâmpada, produzindo uma lâmpada com um espectro de luz mais equilibrado.
Perigos e precauções
Além do mercúrio, os materiais potencialmente perigosos usados na produção de lâmpadas de mercúrio de alta pressão incluem os materiais de revestimento usados nos envelopes externos e os aditivos de haletos usados nas lâmpadas de haletos metálicos. Um material de revestimento é um difusor simples, o mesmo usado em lâmpadas incandescentes. Outro é um fósforo de correção de cor, vanadato de ítrio ou fosfato de vanadato de ítrio. Embora semelhante ao pentóxido de vanádio, o vanadato é considerado menos tóxico. A exposição aos materiais haletos normalmente não é significativa, uma vez que os haletos reagem no ar úmido e devem ser mantidos secos e sob uma atmosfera inerte durante o manuseio e uso. Da mesma forma, embora o sódio seja um metal altamente reativo, ele também precisa ser manuseado sob uma atmosfera inerte para evitar a oxidação do metal.
lâmpadas de sódio
Atualmente são produzidos dois tipos de lâmpadas de sódio. As lâmpadas de baixa pressão contêm apenas sódio metálico como fonte de emissão de luz e produzem uma luz altamente amarela. As lâmpadas de sódio de alta pressão usam mercúrio e sódio para gerar uma luz mais branca.
Lâmpadas de sódio de baixa pressão têm um tubo de vidro, que contém o sódio metálico, dentro de um segundo tubo de vidro.
Lâmpadas de sódio de alta pressão contêm uma mistura de mercúrio e sódio dentro de um tubo de arco de cerâmica de alumina de alta pureza. Além da composição do tubo de arco, a construção da lâmpada de sódio de alta pressão é essencialmente a mesma das lâmpadas de mercúrio e de iodetos metálicos.
Perigos e precauções
Existem poucos perigos únicos durante a fabricação de lâmpadas de sódio de alta ou baixa pressão. Em ambos os tipos de lâmpadas, o sódio deve ser mantido seco. O sódio metálico puro reagirá violentamente com a água, produzindo gás hidrogênio e calor suficiente para causar ignição. O sódio metálico deixado no ar reagirá com a umidade do ar, produzindo uma camada de óxido no metal. Para evitar isso, o sódio geralmente é manuseado em um porta-luvas, sob atmosfera de nitrogênio seco ou argônio. Para locais que fabricam lâmpadas de sódio de alta pressão, são necessárias precauções adicionais para lidar com o mercúrio, semelhantes aos locais que fabricam lâmpadas de mercúrio de alta pressão.
Questões ambientais e de saúde pública
A eliminação de resíduos e/ou a reciclagem de lâmpadas contendo mercúrio é uma questão que tem recebido um alto grau de atenção em muitas áreas do mundo nos últimos anos. Embora, na melhor das hipóteses, seja uma operação “empatada” do ponto de vista de custo, atualmente existe tecnologia para recuperar o mercúrio de lâmpadas fluorescentes e de descarga de alta pressão. Atualmente, a reciclagem de materiais de lâmpadas é descrita com mais precisão como recuperação, uma vez que os materiais de lâmpadas raramente são reprocessados e usados na fabricação de novas lâmpadas. Normalmente, as peças de metal são enviadas para revendedores de sucata. O vidro recuperado pode ser usado para fazer fibra de vidro ou blocos de vidro ou usado como agregado em cimento ou pavimentação asfáltica. A reciclagem pode ser a alternativa de baixo custo, dependendo da localização e disponibilidade de reciclagem e opções de descarte de resíduos perigosos ou especiais.
Os reatores usados em instalações de lâmpadas fluorescentes continham anteriormente capacitores que usavam PCBs como dielétrico. Embora a fabricação de reatores contendo PCB tenha sido descontinuada, muitos dos reatores mais antigos ainda podem estar em uso devido à sua longa expectativa de vida. A eliminação dos balastros contendo PCB pode ser regulamentada e pode exigir a eliminação como um resíduo especial ou perigoso.
A fabricação de vidro, particularmente vidros de borosilicato, pode ser uma fonte significativa de NOx emissão para a atmosfera. Recentemente, oxigênio puro em vez de ar tem sido usado com queimadores a gás como meio de reduzir o NOx emissões.