Lâmpada Fluorescente com Eletrodos

A lâmpada fluorescente com eletrodos é constituída de um bulbo, com a parede interna revestida com material a base de fósforo. O interior da lâmpada contém certa quantidade de mercúrio, além de um gás inerte (argônio, criptônio ou neônio), ou ainda uma mistura de dois ou mais desses gases (Polonskii e Seidel, 2008), conforme mostra a Figura 2.1.

Figura 2.1 - Princípio de funcionamento de uma lâmpada fluorescente tubular (Polonskii e Seidel, 2008)

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seu tipo, o fabricante e o ano de fabricação. Ao longo dos anos, essa quantidade vem diminuindo significativamente. Existem estudos realizados pela National Electrical

Manufacturers Association (NEMA), que mostram que a quantidade de mercúrio das LF foi

reduzida em mais de 90%, entre os anos de 1980 e 2008 (ELCF, 2010), conforme apresentado na Figura 2.2. Dados fornecidos pela NEMA indicam que 0,2% do mercúrio esta presente na lâmpada em sua forma elementar, no estado de vapor. Os outros 99,8% estão sob a forma Hg2+, absorvido pela camada de fósforo e o vidro (Raposo, 2001).

Figura 2.2 - Redução percentual de mercúrio nas LF entre 1980 e 2008 (Raposo, 2001)

A pressão dos gases na LF é baixa, normalmente de 2 a 3 Torr (sendo 1 Torr equivalente a 1/760 atm ou a 133 Pa). Apenas como comparação, a pressão atmosférica é de 760 Torr. Um filamento de tungstênio espiralado, revestido com material emissor de elétrons, é selado nas duas extremidades do tubo.

As lâmpadas fluorescentes com eletrodos podem funcionar tanto em corrente alternada quanto em corrente contínua. Apesar da possibilidade de funcionamento em corrente continua, a lâmpada fluorescente não é acionada desta forma para não danificar desigualmente os eletrodos e/ou causar eletroforese (Polonskii e Seidel, 2008), (Kaiser, 1988). Quando esta é alimentada em corrente alternada, cada eletrodo exercerá ambas as funções, emissor (cátodo) e receptor (ânodo).

A fim de conseguir uma elevada eficiência no processo de conversão da energia elétrica em radiação ultravioleta adiciona-se um gás inerte, argônio, criptônio ou neônio, ou,

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ainda, uma mistura destes, ao vapor de mercúrio. Caso não houvesse o gás inerte, o livre caminho médio dos elétrons seria elevado, dessa forma excedendo o diâmetro do tubo de descarga. Com isso os mesmos atingiriam a parede do tubo sem terem colidido com outros átomos, produzindo apenas o aquecimento da superfície. Assim, a função do gás inerte é regular o processo de difusão e garantir uma atmosfera condutora envolvendo os eletrodos, permitindo que aproximadamente 90% do material evaporado retornem ao filamento, dessa forma aumentando a vida útil da lâmpada (Kaiser, 1988).

2.2.1 Partes da Lâmpada Fluorescente e suas Funções

Dentre as partes que compõem as LF (Figura 2.1), podem-se destacar as especificadas a seguir:

O tubo de vidro, responsável pela sustentação e contenção do gás.

O conjunto coletor emissor (eletrodos), responsável pela circulação dos elétrons. Os filamentos, que facilitam a emissão termiônica de elétrons através de seu

aquecimento.

As hastes metálicas, que impedem o rápido enegrecimento das extremidades da lâmpada.

O gás inerte presente no interior da lâmpada, que diminui o livre caminho médio, não permitindo que os átomos de mercúrio atinjam a outra extremidade sem ocorrer nenhuma colisão.

O vapor de mercúrio, responsável pela emissão de radiação ultravioleta.

O revestimento, que transforma a radiação ultravioleta em luz visível ao olho humano. A ausência dos eletrodos é a principal diferença característica das LFSE em relação à LF, dessa forma um estudo neste elemento foi realizado para determinar as limitações causadas por este.

2.2.2 Eletrodos

A presença de eletrodos na LF causa algumas restrições à mesma. Tais restrições relacionam-se à corrente máxima que circula pelos filamentos, à vida útil, à pressão interna e à temperatura de ignição e funcionamento da lâmpada.

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servem, alternadamente, como ânodo e cátodo. O eletrodo na extremidade negativa do tubo (cátodo) e sua região de descarga associada exercem a função de injetar os elétrons necessários para a coluna de descarga. O eletrodo positivo (ânodo), por outro lado, deve extrair elétrons da coluna de descarga na outra extremidade da lâmpada.

Lâmpadas fluorescentes usadas para aplicações gerais de iluminação são conhecidas como lâmpadas de cátodo quente. Estas são mais eficientes que outras lâmpadas fluorescentes chamadas de cátodo frio (LRC, 2003). As lâmpadas de cátodo frio são utilizadas para iluminações decorativas, como o “neon”. Devido este trabalho visar à iluminação geral, esta discussão abordará somente as lâmpadas de cátodo quente.

A temperatura do eletrodo é um importante fator que afeta a operação e a vida útil da LF. A maioria dos elétrons emitidos pelo cátodo resulta do processo de emissão termiônica. Neste processo os elétrons excitados termicamente têm energia suficiente para libertar-se do material, esta energia é definida como a função de trabalho do material. Os filamentos das LF são revestidos por uma substância de elevado poder emissor de elétrons, feita a partir de óxidos de cálcio (Ca), bário (Ba) e estrôncio (Sr), óxidos que apresentam uma função de trabalho muito baixa, variando de 0,9-1,1 eV, comparada a do filamento de tungstênio, cuja função de trabalho seria cerca de 4,5 eV, sabendo que 1 eV = 1,6 x 10-19 J. Para filamentos revestidos, temperaturas de cerca de 900ºC são altas o suficiente para criar emissão termiônica de elétrons para a descarga (LRC, 2003). Sem o revestimento emissivo, a emissão termiônica é insuficiente para a corrente de descarga, que, se mantida, levaria à destruição do eletrodo.

A vida útil da LF é limitada principalmente pela evaporação e pelo sputtering do revestimento dos eletrodos. Se a temperatura do eletrodo é demasiadamente elevada, a vida útil da lâmpada é reduzida, por evaporação do revestimento emissivo. Enquanto que uma baixa temperatura irá reduzir a evaporação do revestimento emissivo, esta pode aumentar o

sputtering do eletrodo. O sputtering aumenta nas baixas temperaturas do eletrodo devido ao

fato de o processo de alternação entre cátodo e ânodo tomar o lugar de emissão termiônica para gerar a fonte de elétrons para a corrente de descarga. Estes processos exigem uma queda no potencial elétrico adjacente ao eletrodo, que é responsável pela aceleração de íons, que impactam no eletrodo. Esta queda em potencial elétrico é chamada tensão de queda catódica. Próximo do fim da vida da lâmpada, quando a mistura de emissão dos filamentos dos eletrodos já está desgastada, a função trabalho do material do eletrodo aumenta até cerca de 4,5 eV. Para sustentar a descarga, a queda no potencial elétrico no cátodo aumenta drasticamente para auxiliar na extração de elétrons. Os grandes aumentos na queda no potencial elétrico no cátodo resultam em um efeito catastrófico no eletrodo (sputtering), ou a

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falha do reator em sustentar ou iniciar a descarga (LRC, 2003).