Charateristi polynomial

As lâmpadas fluorescentes são lâmpadas de descarga a vapor de mercúrio a baixa pressão. Como já foi referido, a descarga eléctrica no mercúrio caracteriza-se pela emissão de uma radiação com um espectro descontínuo que se situa na zona ultravioleta e também na zona visível. Também como já foi visto, quanto maior for a pressão do gás maior será o rendimento luminoso porque é maior a quantidade de radiação emitida na zona visível do espectro. As lâmpadas fluorescentes trabalham com vapor de mercúrio a baixa pressão em que a maior parte da radiação produzida é ultravioleta sendo depois usadas substâncias fluorescentes depositadas nas paredes do tubo de descarga que ao serem excitadas por essa radiação passam a emitir radiação visível para o exterior.

A constituição de uma lâmpada fluorescente é apresentada em seguida.

Figura 3.7 – Constituição da lâmpada fluorescente.

Esta lâmpada é constituída por um tubo de descarga alongado feito em vidro e que neste caso é também o elemento mais exterior da lâmpada, não havendo então qualquer ampola exterior como nas outras lâmpadas de descarga (vapor de mercúrio e sódio alta pressão, etc.). As dimensões do tubo estão estandardizadas, sendo adoptado o tamanho adequado às características pretendidas para a luz emitida. O diâmetro do tubo é determinado pela corrente de descarga e pela quantidade de radiação emitida por esta, enquanto o comprimento depende essencialmente do fluxo luminoso que se quer produzir e da tensão estabelecida nos extremos do tubo de

descarga. Dentro do tubo de descarga existe o mercúrio e um gás inerte, normalmente o árgon [5].

Nas paredes interiores do tubo de descarga é depositada uma capa de substâncias minerais fluorescentes com função de converter as radiações ultravioletas em luz. O material usado para esta função tem extrema importância na lâmpada pois dele depende em larga medida as características da luz em termos de restituição de cores, temperatura de cor, assim como o rendimento luminoso do aparelho. Existem diversas substâncias descobertas ao longo dos anos que são capazes de fazer esta função. Alguns materiais exibem características fluorescentes por si, embora em geral os compostos químicos apenas terão essas propriedades através de um processo de purificação que consiste na adição de uma substância, denominada activadora. É deste processo que resultam as características da luz fluorescente emitida. Alguns exemplos de substâncias fluorescentes são os halofosfatos de cálcio como o fluorofostafo de cálcio ou o clorofosfato de cálcio com activadores como o antimónio ou o magnésio [6].

Em geral a substância fluorescente não é capaz de filtrar completamente a radiação ultravioleta proveniente da descarga eléctrica no gás, mas para a generalidade das aplicações isso não tem grande consequência. Para algumas situações como a iluminação em museus não é aceitável qualquer emissão UV pelo que se recorre a uma cobertura extra com um material não fluorescente que previna essa emissão. Também pode haver a necessidade de uma cobertura especial devido a condições especiais de funcionamento tendo em conta a necessidade de protecção contra altas humidades ou variações de temperatura.

Nos extremos do tubo de descarga são colocados os eléctrodos, que são revestidos com um material emissor de electrões, e servem para fornecer energia eléctrica à lâmpada e consequentemente os electrões necessários para manter a descarga. Em geral, os eléctrodos são feitos à base de tungsténio, coberto com materiais como o óxido de bário ou cálcio que deve ser capaz de emitir electrões quando submetido a altas temperaturas. Finalmente, os casquilhos, localizados em cada uma das extremidades do tubo de descarga, são ligados aos eléctrodos sendo essencialmente constituídos por 1, 2 ou 4 contactos conforme o tipo de lâmpada e a forma do tubo de descarga. Para as lâmpadas mais usuais são usados casquilhos com 2 contactos. Adicionalmente, estas lâmpadas possuem aparelhagem auxiliar necessária ao seu funcionamento nomeadamente o balastro, arrancador e condensador [5].

O princípio de funcionamento de uma lâmpada fluorescente é o seguinte: para facilitar o arranque, os eléctrodos são pré-aquecidos através de um circuito auxiliar (arrancador) que lhes aplica uma tensão. Este pré-aquecimento permite que os eléctrodos estejam a uma temperatura adequada para emitir os electrões necessários para manter a descarga no gás, permitindo como tal que a excitação da lâmpada possa ser feita com uma tensão mais baixa do que o normal, ou seja, podendo ser ligada directamente á rede eléctrica. Para limitar a corrente de arranque é necessário um balastro tal como na maior parte das lâmpadas de descarga. Uma vez alimentada a lâmpada através dos seus eléctrodos, estabelece-se a descarga eléctrica dentro do tubo que contém uma pequena quantidade de mercúrio e um gás inerte. Este gás tem como função facilitar o arranque da descarga quando é mais difícil a excitação do mercúrio especialmente a baixas temperaturas, e controlar a velocidade de excitação dos átomos de mercúrio garantindo que a maioria dos electrões volta aos seus níveis de energia emitindo assim radiação em vez de serem ionizados [5].

O resultado deste processo é portanto a emissão de radiação electromagnética devido à excitação dos electrões dos átomos de mercúrio que, por estar contido no tubo a baixa pressão, é como já foi referido essencialmente uma radiação ultravioleta com comprimentos de onda da

ordem dos 250 nanómetros. Esta radiação encontra nas paredes do tubo de descarga substâncias químicas fluorescentes que convertem a radiação aumentando o seu comprimento de onda que, na sua maioria, passa a pertencer ao espectro visível [5].

O balanço energético de uma lâmpada fluorescente é aproximadamente o seguinte: 25 % da energia de funcionamento é convertida em radiação visível; cerca de 30 % é convertido em perdas de calor por radiação infravermelha e à volta de 45 % é perdido por condução e convecção [5].

A eficiência energética desta lâmpada varia em função da camada fluorescente usada. Sem este filtro uma lâmpada de vapor de mercúrio a baixa pressão tem um rendimento luminoso típico de 5 lm/W, sendo que nas lâmpadas fluorescentes os rendimentos luminosos podem chegar aos 100 lm/W. Para as lâmpadas mais comuns esses valores variam aproximadamente entre os 50 e 90 lm/w consoante a potência. É conseguida luz com temperaturas de cor a variar entre os 2700 a 7500 K. O índice de restituição de cores nestas lâmpadas pode rondar tipicamente entre os 80 e 90, sendo possíveis obter índices de restituição superiores a 90 para aplicações em que isso seja desejável, à custa de uma menor eficiência energética [5].

O final de vida útil nestas lâmpadas ocorre normalmente como resultado do desgaste dos eléctrodos que resulta na perda de grande parte do material emissor de electrões. Como consequência a tensão normal de funcionamento aumenta relativamente à tensão de alimentação impedindo o arranque da lâmpada. Outra causa de desgaste é perda de eficácia da camada fluorescente que leva a uma diminuição do fluxo luminoso emitido devido ao ataque químico dos iões de mercúrio. A duração média de vida típica de uma lâmpada fluorescente situa-se para valores entre as 12000 a 20000 horas mas existem vertentes com durações consideravelmente superiores [10].