A lâmpada de vapor de mercúrio utiliza a luminescência produzida pela descarga eléctrica numa atmosfera gasosa. A produção de luz neste tipo de lâmpadas é feita na região de descarga de arco, ou seja, é uma lâmpada de cátodo quente em que há emissão térmica de electrões por aquecimento do cátodo. As características da descarga dependem da intensidade de corrente no gás mas principalmente da pressão do vapor de mercúrio que está contido na lâmpada.
Verifica-se que o rendimento luminoso provocado pela descarga eléctrica no vapor de mercúrio é reduzido para pequenas pressões e aumenta consideravelmente para as pressões mais elevadas. Tal facto explica-se devido ao vapor de mercúrio a baixa pressão corresponder a pequenas densidades electrónicas onde existem trocas de energia nos níveis mais baixos e como tal as radiações obtidas terão comprimentos de onda pequenos situando-se essencialmente na zona das radiações ultravioletas. Ao aumentar-se a pressão aumenta também o nível de densidade de electrões, por isso passa a haver maior excitação de electrões exteriores que, quando voltam aos seus níveis normais, emitem radiações com comprimentos de onda maiores o que conduz a um efectivo aumento das radiações no espectro visível e consequentemente a um maior rendimento luminoso.
Interessa pois compreender a constituição e o funcionamento das lâmpadas de vapor de mercúrio a alta pressão, sendo que as de baixa pressão, que correspondem às lâmpadas fluorescentes, serão estudadas mais á frente.
Figura 3.5 – Constituição da lâmpada de vapor de mercúrio a alta pressão.
As lâmpadas de vapor de mercúrio a alta pressão têm a constituição apresentada na figura 3.5.
Têm um tubo de cristal de quartzo com diâmetro entre os 8 e os 40 milímetros e um comprimento entre 3 e 20 centímetros, dependendo da potência da lâmpada, mantido fixo com recurso a um suporte. Dentro deste tubo existe uma quantidade de mercúrio vaporizado a alta pressão (1000 a 10000 mm de coluna de mercúrio) e ainda um gás nobre, normalmente o árgon, que tem maior facilidade de vaporização com a função de ajudar o arranque da lâmpada. Os eléctrodos principais estão colocados sob as extremidades do tubo e são constituídos por um material com alto ponto de fusão como o tungsténio impregnado nas pontas com uma substância emissora de electrões. Existe ainda um eléctrodo auxiliar, situado muito próximo de um dos eléctrodos principais, e que se liga ao eléctrodo principal oposto através de uma resistência de alto valor (da ordem 25000 ohm), que será a resistência de arranque. Entre o tubo de quartzo e a ampola exterior existe um gás como o azoto, a pressão suficientemente elevada mas inferior à pressão atmosférica, com a função de evitar a formação de arco eléctrico entre as partes metálicas internas da lâmpada. Finalmente existe o casquilho com dimensões e formato adequado á potência da lâmpada, sendo normalmente usado o casquilho de Edison [5].
Uma vez ligada a lâmpada á rede eléctrica, não é suficiente aplicar-se uma tensão entre os eléctrodos principais para ocorrer a ignição do gás, porque a distância entre eléctrodos é demasiada para se dar a ionização dos seus átomos. Então, é aplicada uma tensão entre o eléctrodo principal e auxiliar que estão muito próximos. Estabelece-se uma descarga entre esses dois eléctrodos que provoca a ionização do árgon no tubo e que inicia a descarga principal.
Uma vez iniciada a descarga principal o mercúrio no interior do tubo aquece e a pressão aumenta, aumentando igualmente a tensão entre os eléctrodos principais da lâmpada. O mercúrio vai então sendo gradualmente vaporizado. O tempo total de arranque de uma lâmpada de vapor de mercúrio a alta pressão varia consoante o modelo, potência e características da lâmpada, podendo demorar entre 4 a 6 minutos [5].
O valor da tensão entre os eléctrodos deve ser limitado para que não atinja o valor da tensão de alimentação o que conduziria ao término da descarga. Isso é conseguido através da quantidade de mercúrio introduzida no tubo, que deve ser tal que a tensão e pressão não ultrapassem determinados limites. Durante o período de arranque da descarga principal a corrente atinge valores elevados, entre 1,5 a 2 vezes o valor da corrente nominal, e por isso existe aparelhagem para limitar esse valor, ou seja, o balastro.
Como em regime permanente as pressões do mercúrio no tubo são muito altas não se pode estabelecer a descarga auxiliar necessária para o arranque da lâmpada, pelo que uma vez desligada é necessário um certo tempo para que o gás no interior do tubo volte à pressão normal para poder novamente arrancar a lâmpada.
O espectro da radiação de um lâmpada de vapor de mercúrio a alta pressão contém principalmente radiações ultravioletas e radiações visíveis. Como a ampola absorve a maioria das radiações ultravioletas, serão essencialmente as radiações visíveis transmitidas para o exterior. Os comprimentos de onda destas radiações estão sensivelmente entre os 400 e os 580 nanómetros, havendo por isso as componentes amarela, verde e azul e faltando as radiações vermelhas que se situam para comprimentos de onda entre os 610 e os 720 nm. A luz emitida tem uma aparência branca-azulada e o índice de restituição de cores nestas lâmpadas é aproximadamente de 50 pelo que não devem ser usadas quando se pretenda uma alta restituição [5].
Os rendimentos luminosos deste tipo de lâmpadas variam aproximadamente entre os 30 e os 60 lm/W. Entre 15 a 20 % da energia de excitação da lâmpada é convertida em radiação visível sendo cerca de 20 % ultravioleta, 15 % infravermelha e o restante perdido por condução e convecção. Pode ser usada uma composição química fluorescente para converter parte da radiação UV em radiação visível aumentando em perto de 10 % o rendimento da lâmpada [5].
Estas lâmpadas podem ter uma duração de vida média até cerca de 12000 horas tendo no preço a sua principal vantagem face a outras lâmpadas de descarga como as de vapor de sódio a alta pressão. São particularmente indicadas para iluminação de espaços exteriores, jardins, parques e outras grandes áreas.