Lâmpada Fluorescente e Princípio de Funcionamento da Lâmpada Fluorescente

O que é uma Lâmpada Fluorescente?

Uma lâmpada fluorescente é uma lâmpada de baixo peso de vapor de mercúrio que utiliza fluorescência para produzir luz visível. Uma corrente elétrica no gás energiza o vapor de mercúrio, que produz radiação ultravioleta através do processo de descarga, e essa radiação ultravioleta causa a camada fosforescente na parede interna da lâmpada a radiar luz visível.

Uma lâmpada fluorescente converte energia elétrica em energia luminosa útil muito mais eficientemente do que as lâmpadas incandescentes. A eficácia luminosa típica dos sistemas de iluminação fluorescente é de 50 a 100 lumens por watt, o que é várias vezes a eficácia das lâmpadas incandescentes com saída de luz equivalente.

Como funciona uma Lâmpada Fluorescente?

Antes de passarmos pelo princípio de funcionamento de uma lâmpada fluorescente, primeiro mostraremos o circuito de uma lâmpada fluorescente, ou seja, o circuito de uma lâmpada tubular.

Aqui, conectamos um reator, um interruptor e a alimentação em série, conforme mostrado. Em seguida, conectamos a lâmpada fluorescente e um iniciador ao longo dela.

• Quando ligamos a alimentação, a tensão total vem através da lâmpada e também através do iniciador pelo reator. Mas nesse instante, não ocorre descarga, ou seja, não há saída de luz da lâmpada.

• Nessa tensão total, primeiro estabelece-se a descarga de brilho no iniciador. Isso acontece porque a distância entre os eletrodos no bulbo de néon do iniciador é muito menor do que a da lâmpada fluorescente.

• Então, o gás dentro do iniciador se ioniza devido a essa tensão total e aquece a tira bimetálica. Isso faz com que a tira bimetálica se curve e toque o contato fixo. Agora, a corrente começa a fluir através do iniciador. Embora o potencial de ionização do néon seja maior do que o do argônio, ainda assim, devido à pequena distância entre os eletrodos, um gradiente de alta tensão aparece no bulbo de néon e, portanto, a descarga de brilho inicia-se primeiro no iniciador.

• Assim que a corrente começa a fluir através dos contatos tocados no bulbo de néon do iniciador, a tensão sobre o bulbo de néon diminui, pois a corrente causa uma queda de tensão no indutor (reator). Com a tensão reduzida ou nula sobre o bulbo de néon do iniciador, não haverá mais descarga de gás e, portanto, a tira bimetálica esfria e se separa do contato fixo. No momento em que os contatos no bulbo de néon do iniciador são interrompidos, a corrente é interrompida, e, nesse momento, uma grande sobretensão surge no indutor (reator).

  

• Essa alta sobretensão atinge os eletrodos da lâmpada fluorescente (luz tubular) e ativa a mistura de penning (mistura de gás argônio e vapor de mercúrio).

• O processo de descarga do gás inicia e continua, e, portanto, a corrente novamente encontra um caminho para fluir através da própria lâmpada fluorescente (luz tubular). Durante a descarga da mistura de penning, a resistência oferecida pelo gás é menor do que a resistência do iniciador.

• A descarga de átomos de mercúrio produz radiação ultravioleta, que, por sua vez, excita o revestimento de pó fosforescente para emitir luz visível.

• O iniciador fica inativo durante o brilho da lâmpada fluorescente (luz tubular), pois nenhuma corrente passa pelo iniciador nessa condição.

Física por trás da Lâmpada Fluorescente

Quando uma tensão suficientemente alta é aplicada nos eletrodos, um forte campo elétrico é estabelecido. Uma pequena quantidade de corrente através dos filamentos dos eletrodos aquece a bobina do filamento. Como o filamento está revestido de óxido, uma quantidade suficiente de elétrons é produzida, e eles se precipitam do eletrodo negativo ou cátodo para o eletrodo positivo ou ânodo devido a esse forte campo elétrico. Durante o movimento dos elétrons livres, o processo de descarga é estabelecido.

O processo básico de descarga sempre segue três etapas:

1. Elétrons livres são derivados dos eletrodos e acelerados pelo campo elétrico aplicado.

2. A energia cinética dos elétrons livres é convertida na energia de excitação dos átomos do gás.

3. A energia de excitação dos átomos do gás é convertida em radiação.

No processo de descarga, uma única linha espectral ultravioleta de 253,7 nm é produzida em baixa pressão de vapor de mercúrio. Para gerar o raio ultravioleta de 253,7 nm, a temperatura do bulbo é mantida entre 105 a 115oF.
A relação comprimento-diâmetro do tubo deve ser tal que perda de wattagem fixa ocorra em ambas as extremidades. Onde essa perda de wattagem ou brilho dos eletrodos ocorre é chamada de região de queda do cátodo e do ânodo. Essa perda de wattagem é muito pequena.
Além disso, os cátodos devem estar revestidos de óxido. Cátodos quentes fornecem uma abundância de elétrons livres. Cátodos quentes, significam aqueles eletrodos que são aquecidos pela corrente circulante, e essa corrente circulante é fornecida pelo reator ou equipamento de controle. Algumas lâmpadas têm cátodos frios. Cátodos frios têm uma área efetiva maior e uma tensão mais alta, como 11 kV, aplicada a eles para obter íons. O gás começa a ser descarregado devido a essa aplicação de alta tensão. Mas a 100 a 200 V, o brilho do cátodo se separa do cátodo, isso é chamado de queda do cátodo. Isso fornece um grande suprimento de íons, que são acelerados para o ânodo para produzir elétrons secundários no impacto, que, por sua vez, produzem mais íons. Mas a queda do cátodo em descargas de cátodo quente é apenas de 10 V.

História e Invenção da Lâmpada Fluorescente

• Em 1852, Sir George Stokes havia descoberto a transformação da radiação ultravioleta em radiação visível.

• Desde esse período até 1920, vários tipos de experimentos foram realizados para desenvolver descargas elétricas de baixa e alta pressão em vapores de mercúrio e sódio. Mas todos os circuitos desenvolvidos eram ineficientes para transformar o raio ultravioleta em raio visível. Isso ocorreu porque os eletrodos não podiam emitir elétrons suficientes para estabelecer o fenômeno de descarga de arco. Além disso, muitos dos elétrons colidiam com os átomos de gás, e essas colisões eram elásticas. Portanto, a excitação não criava uma linha espectral para ser utilizada. Mas pouco trabalho foi feito nas lâmpadas fluorescentes.

• Mas, na década de 1920, houve uma grande evolução. Foi descoberto que a mistura de vapor de mercúrio e gás inerte em baixa pressão tem 60% de eficiência para converter a potência de entrada elétrica em uma única linha espectral de 253,7 nm.
  O raio ultravioleta é convertido em raios de luz visíveis usando material fluorescente apropriado dentro da lâmpada. A partir desse momento, a lâmpada fluorescente começou a ser introduzida na vida cotidiana das pessoas.

• Mais tarde, em 1934, Dr. W. L. Enfield recebeu um relatório do Dr. A. H. Crompton sobre o uso de lâmpadas revestidas de material fluorescente. Imediatamente, Enfield formou uma equipe de pesquisa e começou a criar a lâmpada fluorescente comercial. Em 1935, sua equipe produziu um protótipo de lâmpada fluorescente verde com eficiência de cerca de 60%.

• Após dois anos e meio, as lâmpadas fluorescentes foram introduzidas no mercado em branco e seis outras cores. Várias misturas de pó fosforescente são usadas para produzir diferentes cores nas lâmpadas fluorescentes. A primeira lâmpada foi introduzida com 15, 20 e 30 W em comprimentos de 18 polegadas, 25 polegadas e 36 polegadas.

• Logo depois, a lâmpada T12 de 40 W, 4 pés, foi introduzida e amplamente utilizada na iluminação de escritórios, escolas e indústrias. As primeiras lâmpadas produziam uma luz um pouco amarelada, com 3500K. Posteriormente, lâmpadas de 6500K foram desenvolvidas de forma a produzir uma luz que simula a luz média do céu norte em um dia nublado.

• Geralmente, as lâmpadas de 4 pés, com 1,5 polegada de diâmetro, 40 W, estavam disponíveis no mercado em 1940. Mas gradualmente, o design foi alterado para uma melhor utilização. Na parte de descarga de arco das lâmpadas, houve mudanças. O argônio ainda é usado, embora a pressão seja um pouco menor do que a anterior. O vapor de mercúrio é mantido na mesma pressão. Essa lâmpada requer 425 mA com 100 a 105 V queda de tensão.

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