LÂMPADAS E COMANDOS CAPÍTULO 01

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1 LÂMPADAS E COMANDOS CAPÍTULO 01

2 2 Capítulo 01 LÂMPADAS E COMANDOS 1.1 Introdução Neste capítulo inicial, faz-se uma breve revisão dos conceitos da luminotécnica: grandezas importantes e suas unidades. Em seguida, descreve-se o princípio de funcionamento dos principais tipos de lâmpadas de vapor de alta pressão, aplicações, acessórios necessários para o acionamento, vida útil e outras características técnicas. 1.2 Luminotécnica Luz e cores Uma fonte de radiação emite ondas eletromagnéticas. Elas possuem diferentes comprimentos de onda, e o olho humano é sensível a somente a alguns. Luz é, portanto, a radiação eletromagnética capaz de produzir uma sensação visual. Há uma tendência em se pensar que os objetos já possuem cores definidas. Na verdade, a aparência de um objeto é resultado da iluminação incidente sobre o mesmo. Sob uma luz branca, a maçã aparenta ser de cor vermelha, pois ela tende a refletir a porção do vermelho do espectro de radiação absorvendo a luz nos outros comprimentos de onda. Se utilizássemos um filtro para remover a porção do vermelho da fonte de luz, a maçã refletiria muito pouca luz parecendo totalmente negra. Podemos ver que a luz é composta por três cores primárias. As lâmpadas incandescentes, por exemplo, tendem a reproduzir com maior fidelidade as cores vermelha e amarela do que as cores verde e azul, aparentando ter uma luz mais quente. 1.3 Grandezas da Luminotécnica Aqui se definem alguns índices que são usados para avaliar o desempenho de uma lâmpada e fazer estudos de luminotécnica em um dado ambiente. Intensidade Luminosa Simbolo: I Unidade: candela (cd) Figura Intensidade Luminosa. É a quantidade de luz que uma fonte emite por unidade de ângulo sólido

3 3 (lúmen/esferoradiano) projetado em uma determinada direção. Este valor está diretamente ligado à direção desta fonte de luz, Figura 1.1, podendo também ser definida como o Fluxo Luminoso (Item a seguir) irradiado na direção de um determinado ponto. Fluxo Luminoso Simbolo: Unidade: lúmen (lm) Figura Fluxo Luminoso. É a potência luminosa irradiada por uma fonte luminosa em todas as direções Figura 1.2, ou ainda, é a quantidade total de luz emitida por uma fonte em sua tensão nominal de funcionamento. Um lúmen é a energia luminosa irradiada por uma candela sobre uma superfície esférica de 1 m 2 e cujo raio é de 1 m. Assim o fluxo luminoso originado por uma candela é igual à superfície de uma esfera unitária de raio (r=1 m). Iluminância (Iluminamento) Simbolo: E Unidade: lux (lx) = 4.π.r 2 = lm É o fluxo luminoso que incide sobre uma superfície situada a uma certa distância da fonte, ou seja, é a quantidade de luz que está chegando em um ponto. Esta relação é dada entre a intensidade luminosa e o quadrado da distância, ou ainda, entre o fluxo luminoso e a área da superfície. Na prática, é a quantidade de luz dentro de um ambiente. E A A iluminância pode ser medida por um luxímetro, porém, não pode ser vista. O que é visível são as diferenças na reflexão da luz. A iluminância também é conhecida como nível de iluminação. 1.4 Características de lâmpadas Eficiência energética

4 4 As lâmpadas se diferenciam entre si não só pelos diferentes Fluxos Luminosos que elas irradiam, mas também pelas diferentes potências que consomem. Para poder compará-las, é necessário que se saibam quantos lúmens são gerados por watt absorvido. A essa grandeza dá-se o nome de Eficiência Energética (antigo "Rendimento Luminoso"). A Figura 1.3 traz a eficiência energética dos principais tipos de lâmpadas. Figura Eficiência dos diferentes tipos de lâmpadas. Reprodução de cores Em aspecto visual, admite-se que é bastante difícil a avaliação comparativa entre a sensação de Tonalidade de Cor de diversas lâmpadas. Para estipular um parâmetro, foi definido o critério Temperatura de Cor (Kelvin) para classificar a luz. Assim como um corpo metálico que, em seu aquecimento, passa desde o vermelho até o branco, quanto mais claro o branco (semelhante à luz diurna ao meio-dia), maior é a Temperatura de Cor (aproximadamente 6500 K). A luz amarelada, como de uma lâmpada incandescente, está em torno de 2700 K. É importante destacar que a cor da luz em nada interfere na Eficiência Energética da lâmpada, não sendo válida a impressão de que quanto mais clara, mais potente é a lâmpada. Objetos iluminados podem parecer diferentes, mesmo se as fontes de luz tiverem idêntica tonalidade. As variações de cor dos objetos iluminados sob fontes de luz diferentes podem ser identificadas através de um outro conceito, Reprodução de Cores, e de sua escala qualitativa Índice de Reprodução de Cores (Ra ou IRC). O mesmo metal sólido, quando aquecido até irradiar luz, foi utilizado como referência para se estabelecer níveis de Reprodução de Cor. Define-se que o IRC neste caso seria um número ideal = 100. Sua função é como dar uma nota (de 1 a 100) para o desempenho de outras fontes de luz em relação a este padrão. Portanto, quanto maior a diferença na aparência de cor do objeto iluminado em relação ao padrão (sob a radiação do metal sólido) menor é seu IRC. Com isso, explica-se o fato de lâmpadas de mesma Temperatura de Cor possuir Índice de Reprodução de Cores diferentes, Figura 1.4.

5 5 Figura Índices de Reprodução de Cores. Vida Útil A vida útil de uma lâmpada é definida pela média aritmética do tempo de duração de cada lâmpada ensaiada em uma determinada amostragem, sendo dada em horas, Figura 1.5. Pode-se notar que a lâmpada incandescente possui uma vida útil muito baixa em comparação a outros tipos freqüentemente usados. 1.5 Principais Tipos de Lâmpadas Figura Vida útil das lâmpadas Lâmpada Incandescente Convencional A lâmpada incandescente ou lâmpada elétrica é um dispositivo elétrico que transforma energia elétrica em energia luminosa e energia térmica.

6 6 A primeira lâmpada de Edson possuía eficiência de 1,4 lm/w enquanto que nas atuais a eficiência está compreendido entre 10 a 15 lm/w, com índice de reprodução de cor elevado (IRC=100). Para evitar que os filamentos entrem em combustão e se queimem rapidamente, remove-se todo o ar da lâmpada, enchendoa com a mistura de gases inertes, nitrogênio e argônio ou criptônio. As lâmpadas incandescentes funcionam a baixas pressões, fazendo com que o ar rarefeito funcione como uma fonte de ionização, gerando a corrente elétrica. A resistência específica do tungstênio na temperatura de funcionamento da lâmpada (2800 K) é aproximadamente 15 vezes maior do que à temperatura ambiente (25 C). Portanto, ao ligar uma lâmpada incandescente, a corrente que circula pelo seu filamento a frio é quinze vezes a corrente nominal de funcionamento em regime. A temperatura do filamento sobe rapidamente, atingindo valores elevados em frações de segundo. Ligações muito freqüentes reduzem a vida útil da lâmpada, pois o filamento geralmente não apresenta um diâmetro constante. A corrente de partida causa aquecimento excessivo e localizado nos pontos onde a seção do filamento apresenta constrições, provocando seu rompimento. A vida útil de uma lâmpada incandescente comercial é da ordem de 1000 horas Lâmpadas Incandescentes Halógenas A lâmpada halógena é uma lâmpada incandescente à qual se adiciona um elemento halógeno, em geral iodo ou bromo. O elemento halógeno reage quimicamente com as partículas de tungstênio sublimadas, formando haletos que apresentam uma temperatura de condensação inferior a 250 o C. Mantendo-se a temperatura do bulbo acima deste valor, evita-se o depósito de material sublimado sobre o mesmo. Por outro lado, correntes térmicas transportam os haletos novamente para as regiões de alta temperatura, próximas ao filamento, onde ocorre a sua dissociação e o tungstênio retorna ao filamento. A necessidade de elevadas temperaturas de filamento exige a presença de uma atmosfera protetora, geralmente uma mistura de nitrogênio com um gás inerte (argônio ou criptônio) na proporção de 0.1% a 1% do elemento halógeno, para reduzir a taxa de sublimação do tungstênio. O filamento deste tipo de lâmpada também é de tungstênio mas, ao contrário das lâmpadas incandescentes comuns, sua tensão de trabalho é de 12V. Seu bulbo é formado por quartzo, não podendo ser tocado com a mão, pois o depósito de gordura na sua superfície externa provoca pontos de desvitrificação, danificando a lâmpada. As lâmpadas halógenas possuem luz branca e brilhante, que possibilitam realçar as cores e os objetos com eficiência energética maior do que a das lâmpadas incandescentes comuns. Por serem compactas, as lâmpadas halógenas são utilizadas nas mais diversas luminárias, desde pequenos spots até wallwashers, oferecendo liberdade para a criação de diversos ambientes. Alguns modelos de lâmpadas halógenas são mostrados na Figura 1.6.

7 7 Figura Lâmpadas Halógenas. Em termos de economia, as lâmpadas halógenas oferecem mais luz com potência menor ou igual à das incandescentes comuns, além de possuírem vida útil mais longa, variando entre e horas. Características elétricas e construtivas de lâmpadas incandescentes halógenas Temperaturas de filamento elevadas só são atingidas com a circulação de um nível mínimo de corrente. Por esta razão, lâmpadas com potências inferiores a 50 W são alimentadas em baixa tensão, geralmente 12V ou 24V. Lâmpadas halógenas emitem mais radiação ultravioleta que as lâmpadas incandescentes normais, uma vez que a sua temperatura de filamento é significativamente maior e o bulbo de quartzo não consegue absorver este tipo de radiação. Os níveis são inferiores aos presentes na luz solar, não oferecendo perigo à saúde. No entanto, deve-se evitar a exposição prolongada das partes sensíveis do corpo à luz direta e concentrada. Como elemento halógeno é utilizado geralmente o iodo ou bromatos. O bromo é incolor e gasoso à temperatura ambiente, não absorvendo radiação visível. As características construtivas das lâmpadas incandescentes halógenas permitem uma substancial redução no seu tamanho (da ordem de 10 a 100 vezes) em relação às suas similares convencionais. Sua eficiência é da ordem de 15 lm/w a 25 lm/w, para uma vida útil de 2000 horas. Seu custo ainda é significativamente maior que das lâmpadas incandescentes convencionais. Espelhos dicróicos Devido ao seu volume reduzido, as lâmpadas halógenas são utilizadas em iluminação direcionada ("spot light"), porém a irradiação térmica emitida é bastante elevada. Por esta razão, certos tipos de lâmpadas são providos de um refletor espelhado especial, chamado dicróico, que reflete a radiação visível e absorve a radiação infravermelha. Com este tipo de espelho, consegue-se uma redução da ordem de 70% na radiação infravermelha, resultando um feixe de luz emergente "frio" ("cold light beam"), ou seja, que não aquece o ambiente Lâmpadas Fluorescentes A lâmpada fluorescente foi introduzida no mercado consumidor em Ao contrário das lâmpadas de filamento, possui grande eficiência por emitir mais energia eletromagnética em forma de luz do que calor. As lâmpadas fluorescentes comercialmente disponíveis utilizam bulbos de vidro transparente, historicamente

8 8 designados por uma letra T (de tubular) seguida de um número que indica o seu diâmetro máximo em oitavos de polegada. Por exemplo, T12 significa um bulbo tubular com diâmetro de 12/8 polegadas. Portanto, 12/8*(25,4mm)=38mm. Tabela Características de lâmpadas fluorescentes tubulares. Funcionamento O tubo de vidro é recoberto com um material à base de fósforo e quando excitado com radiação ultravioleta gerada pela ionização dos gases produz luz visível. Internamente são carregadas com gases inertes à baixa pressão, mais comumente o argônio. Além da cobertura de fósforo, existem eletrodos em forma de filamentos nas suas extremidades. Sua função é pré aquecer seu interior para reduzir a tensão elétrica necessária à ionização, dando a partida no processo de bombardeio por íons positivos dos gases internos ao bulbo. Quando a composição interna for à base de vapor de mercúrio, portanto não condutiva, deve ser aplicado um gradiente de tensão de algumas centenas de volts ao mesmo tempo em que as extremidades são aquecidas. Acontecendo a descarga iônica, portanto, a emissão de luz U.V. e esta, excitando o fósforo da parede do tubo de vidro, não há mais a necessidade de alta tensão entre os extremos do bulbo, sendo reduzida para menos de cem volts, no caso de lâmpadas de baixa potência e no máximo 175 V em caso de lâmpadas de alta potência. A intensidade de corrente elétrica que passa através dos gases de baixa pressão emite grande quantidade de radiação U.V. no comprimento de onda de emissão do vapor de mercúrio. Esta é convertida em luz visível pela camada de fósforo, que dependendo da mistura aplicada dará a tonalidade da coloração emitida. O diagrama da Figura 1.7 mostra a estrutura interna de uma lâmpada fluorescente tubular e ilustra o seu princípio de funcionamento.

9 9 Figura Estrutura interna e princípio de funcionamento de uma lâmpada fluorescente tubular Os filamentos das lâmpadas fluorescentes são construtivamente semelhantes aos das lâmpadas incandescentes, porém operam em temperaturas mais baixas (800 C a 1100 C) e apresentam um revestimento de material com baixa função de trabalho (por ex. óxido de bário) que emite elétrons por efeito termo-iônico. Durante a partida, os filamentos são alimentados por uma fonte de tensão, sendo aquecidos pela circulação da corrente, até atingir a temperatura de emissão desejada, a qual é mantida pelo calor gerado na descarga com a lâmpada já em funcionamento. Este procedimento é denominado pré-aquecimento dos filamentos. O pré-aquecimento influi na vida útil dos filamentos e, portanto, da própria lâmpada. O funcionamento da lâmpada fluorescente depende do estabelecimento de uma descarga, entre os seus eletrodos, através do vapor de mercúrio. No entanto, à temperatura ambiente o mercúrio é líquido, o que dificulta a formação de íons. Por esta razão, adiciona-se um gás inerte com baixo potencial de ionização, que permite realizar a ignição da lâmpada e gerar calor para vaporizar o mercúrio. Este "gás de enchimento" ("filling gas"), é geralmente argônio puro ou uma mistura de argônio, neônio e criptônio. Os elétrons emitidos por um dos filamentos (catodo) são acelerados em direção ao outro (anodo) pelo campo elétrico estabelecido por uma tensão externamente aplicada. Inicialmente forma-se uma descarga com o gás de enchimento. Os elétrons produzidos excitam os átomos do vapor de mercúrio, que emitem radiação ultravioleta, sensibilizando a camada de "fósforo" aplicada na parede interna do tubo. A escolha do tipo e da pressão do gás inerte influi na eficiência da lâmpada, pois o gás inerte atua como um moderador, ou seja, ajusta a velocidade média dos elétrons de forma a maximizar a produção de radiação ultravioleta com comprimento de onda l=253.7 nm. As características luminosas (temperatura de cor correlata, eficácia luminosa e reprodução de cores) da lâmpada fluorescente são determinadas pela composição e espessura do pó fluorescente ("fósforo"). Os "fósforos" são compostos que emitem luz por fluorescência quando expostos à radiação ultravioleta. São fabricados a partir de compostos de elevada pureza, cuja estrutura cristalina é modificada pela adição de ativadores, que determinam a distribuição espectral da radiação emitida. Aplicações, Eficiência e Vida Útil As aplicações de Lâmpadas fluorescentes, vão desde o uso doméstico, passando pelo industrial, chegando ao uso laboratorial. Neste caso são largamente utilizadas sem cobertura de fósforo para equipamentos de esterilização por U.V.

10 10 Além de serem de duas a quatro vezes mais eficientes em relação às lâmpadas incandescentes, as fluorescentes chegam a ter vida útil acima de horas de uso, chegando normalmente à marca de horas de uso, contra a durabilidade normal de mil horas das incandescentes. Operação As lâmpadas fluorescentes devem operar em conjunto com reatores que tem como função proporcionar as condições ideais de funcionamento das lâmpadas (corrente, tensão). No caso das fluorescentes comuns, elas são consideradas universais, ou seja, funcionam em reatores eletromagnéticos partida convencional com starter, partida rápida ou reatores eletrônicos. Até um tempo atrás, as fluorescentes utilizavam em seu funcionamento reatores eletromagnéticos, que trabalham em 60 ciclos/segundo (ou hertz), provocando o efeito estroboscópico e de cintilação da luz. Esses efeitos são realmente prejudiciais a visão, pois causam cansaço visual, pela intermitência da luz, que pode não ser visível aos nossos olhos, mas são captados por nosso cérebro, o que vem causar esse desconforto. Modernamente, funcionando com reatores eletrônicos de alta freqüência, na faixa de ciclos/segundo (35 KHz), esse efeito é eliminado. Desta forma, afirma-se que lâmpadas fluorescentes, quando operam com reator eletrônico, não fazem mal à visão. Reator O reator deve realizar basicamente três funções: a) possibilitar a ignição da lâmpada; b) estabilizar a corrente da lâmpada no seu valor nominal de operação; c) atender às especificações da forma de onda normalizadas para a corrente da lâmpada. A maioria dos reatores comerciais no Brasil são constituídos basicamente de bobinas com um núcleo, obtido pelo empilhamento de chapas de ferro-silício, apresentando, portanto, características indutivas. Podem ser simples indutores ou transformadores com características especiais. Os reatores indutivos para lâmpadas fluorescentes tubulares são, em geral, classificados de acordo com o tipo de ignição em: a) reatores com pré-aquecimento (utilizando "starter"), mostrado na Figura 1.8a; b) reatores de partida rápida, apresentado na Figura 1.8b. Alguns reatores comerciais podem apresentar diferenças construtivas em relação aos esquemas apresentados na Figura 1.8, os quais não alteram o princípio de funcionamento básico, cujos detalhes serão apresentados na seqüência.

11 11 Figura (a) Reator com pré-aquecimento. (b) Reator de partida rápida. Reator com pré-aquecimento ( utilizando "starter") Os reatores para lâmpadas fluorescentes que realizam pré-aquecimento dos filamentos são simples indutores, que operam em conjunto com um dispositivo de chaveamento, que pode ser do tipo mecânico (chave liga/desliga) ou térmico ("starter"). O valor de pico das tensões de alimentação C.A. fornecidas pelas concessionárias de energia elétrica é, em geral, significativamente inferior à tensão de ignição, na temperatura ambiente, para a grande maioria das lâmpadas fluorescentes tubulares. Uma maneira de reduzir a tensão de ignição da lâmpada é realizar um pré-aquecimento dos seus filamentos, que passam a emitir elétrons livres, reduzindo a rigidez dielétrica (capacidade de suportar tensão) da coluna gasosa entre os eletrodos. Este processo é iniciado com o fechamento da chave em paralelo com a lâmpada, conforme indicado na Figura 1.8a. Desta forma, os filamentos da lâmpada são conectados em série e alimentados pela tensão C.A., para permitir a circulação de uma corrente elétrica (de 0.8 A a 1.2 A), cujo valor é determinado pelo reator. Quando os filamentos atingem a incandescência, a chave é aberta, interrompendo a corrente no circuito. A variação brusca da corrente provoca uma diferença de potencial momentânea e de valor elevado ( v(t)=ldi(t)/dt ) entre os terminais do reator, que, somada à tensão C.A. naquele instante, será aplicada sobre a lâmpada provocando a ignição da descarga. A maioria das instalações que adotam esta técnica utilizam uma chave térmica, denominada "starter", mostrada em detalhe na Figura 1.9. O "starter" é constituído de uma ampola de vidro (aproximadamente 20 mm de comprimento e 10 mm de diâmetro), contendo um gás (em geral neônio ou hélio) a uma certa pressão, além de dois contatos separados entre si. Um contato é fixo em forma de haste e o outro, constituído de um lâmina bimetálica em forma de U, é móvel. O elemento bimetálico é obtido, laminando-se duas chapas metálicas com coeficientes de dilatação térmica significativamente diferentes. O princípio de funcionamento do reator com "starter" é similar à seqüência de eventos descrita anteriormente. A tensão da rede C.A., insuficiente para realizar a ignição da lâmpada, consegue abrir um arco de baixa resistência elétrica entre os contatos do "starter", provocando a circulação de corrente pelos filamentos. O calor gerado pelo arco deforma a lâmina bimetálica, aproximando-a da haste fixa até estabelecer contato mecânico. Neste instante o "starter" se comporta como um curto-circuito, extinguindo o arco. Na ausência do arco a lâmina bimetálica esfria rapidamente, afastando-se do contato fixo.

12 12 Figura Reator com pré-aquecimento - Detalhe do "starter" Quando os contatos do "starter" se separam, ouve-se um "clic" característico. A interrupção brusca da corrente provoca uma tensão de valor elevado entre os eletrodos da lâmpada que pode ou não provocar a ignição da descarga. Em caso afirmativo, o "starter" permanecerá em circuito aberto, pois a tensão da lâmpada acesa é insuficiente para abrir um arco entre os seus contatos. Caso contrário, o ciclo de pré-aquecimento se inicia novamente. A partida da lâmpada demora, em geral, alguns segundos e a escolha do "starter" é feita em função da tensão da lâmpada. O sucesso da ignição da lâmpada após o primeiro ciclo de préaquecimento depende, entre outros fatores, da temperatura ambiente e da umidade atmosférica. Em ambientes frios e úmidos são, em geral, necessários três a seis ciclos. A partida com pré-aquecimento implica na utilização de um conjunto individual, formado por reator e "starter", para cada lâmpada. A partida com préaquecimento implica na utilização de um conjunto individual, formado por reator e "starter", para cada lâmpada. Reator de partida rápida Os reatores de partida rápida não utilizam "starter". Portanto, para se garantir a partida da lâmpada, esta topologia deve aplicar um valor de tensão suficientemente elevado para realizar a partida da lâmpada (numa ampla faixa de temperatura ambiente) ou reduzir a tensão de ignição da lâmpada de alguma forma. Estes reatores utilizam um transformador, cujos enrolamentos encontram-se magneticamente acoplados com um indutor, para realizar o aquecimento adequado dos filamentos de forma a reduzir a tensão de ignição da lâmpada para valores próximos da tensão C.A. de alimentação. A Figura 1.8b mostra um versão simplificada desta configuração. O transformador dispõe de enrolamentos de baixa tensão (3V a 4V), ligados em série com o enrolamento secundário, aos quais são conectados os filamentos. Ao contrário dos reatores com pré-aquecimento, existe circulação permanente de corrente pelos filamentos, cujo valor é significativamente reduzido, após a ignição da lâmpada, pelo aumento da resistência dos filamentos com a temperatura e pela queda de tensão no indutor, imposta pela circulação de corrente na lâmpada. A ignição da lâmpada ocorre em menos de 1 segundo, justificando a denominação "partida rápida". Para o bom funcionamento, é necessária uma superfície metálica plana e aterrada, de mesmo comprimento da lâmpada e disposta a uma distância não superior a 25 mm da mesma. Em geral utilizam-se luminárias metálicas, as quais devem ser adequadamente aterradas. A presença de uma superfície equipotencial aterrada sob a lâmpada possibilita uma

13 13 distribuição de cargas estáticas na parede do tubo, que altera a distribuição de potencial entre os eletrodos, reduzindo ainda mais a tensão de ignição da lâmpada. A maioria dos reatores de partida rápida comerciais alimentam duas lâmpadas fluorescentes ligadas em série. Por esta razão utilizam um transformador elevador de tensão com enrolamentos para alimentar os filamentos de ambas as lâmpadas. A Figura 1.10 apresenta as formas de onda de tensão (VL) e corrente (IL) na lâmpada, bem como da tensão de alimentação (VF), válidas somente para reatores indutivos, independente da sua configuração. Figura (VL) Tensão sobre lâmpada, (IL) Corrente na lâmpada, (VF) Tensão de alimentação A tensão sobre a lâmpada tem um formato aproximadamente retangular e apresenta oscilação de freqüência elevada superposta, devido a instabilidades da descarga nas proximidades da região anódica. Reatores eletrônicos para lâmpadas fluorescentes tubulares Reator eletrônico é a denominação popular de um equipamento que converte a tensão de rede (50 Hz ou 60 Hz) em uma tensão de alta freqüência (acima de 18 khz), adequada para alimentar lâmpadas fluorescentes. Lâmpadas fluorescentes, operando na sua potência nominal, apresentam uma elevação de fluxo luminoso de 6% a 12%, em relação ao valor obtido na freqüência da rede, quando alimentadas em alta freqüência (acima de 5 khz) com tensão senoidal. A eficiência da lâmpada aumenta continuamente com a elevação da freqüência da tensão de alimentação, até atingir um patamar para freqüências acima de 5 khz. O valor percentual do aumento de fluxo luminoso depende, entre outros fatores, das dimensões físicas do tubo de descarga. Um reator eletrônico, representado pelo diagrama funcional da Figura 1.11, é composto de: a) um conversor C.A./C.C., que transforma a tensão da rede em tensão contínua; b) um inversor que converte a tensão C.C. em uma tensão C.A. de alta freqüência; c) circuitos que realizam a ignição e estabilização da corrente na lâmpada.

14 14 Figura Diagrama de blocos de um reator eletrônico As perdas dos reatores eletrônicos são significativamente inferiores aos de seus similares indutivos. Por exemplo, o conjunto constituído de um reator indutivo de partida rápida e duas lâmpadas fluorescentes de 40 W (T12), ambas operando na condição nominal de fluxo luminoso, absorve 102 W. Já um reator eletrônico nas mesmas condições consome apenas 79 W, resultando uma economia de energia elétrica de 25%. No entanto, a escolha do reator eletrônico deve ser criteriosa, pois existem diversos modelos que alimentam a lâmpada fora da sua especificação nominal de fluxo luminoso. As normas estabelecem que a temperatura da carcaça de reatores indutivos não pode ultrapassar de 65 C em relação a temperatura ambiente, ou seja, a temperatura da carcaça de um reator indutivo pode atingir 100 C quando a temperatura ambiente estiver a 35 C. Por outro lado, nos reatores eletrônicos comerciais a elevação de temperatura na carcaça não ultrapassa 20 C. Portanto, luminárias com reatores eletrônicos aquecem menos, reduzindo a carga térmica do sistema de ar condicionado e proporcionando uma economia adicional de energia elétrica. Fig.1.12 reatores eletrônicos esquema de ligação. Figura 1.12a) Diagrama Multifilar Figura 1.12b)Diagrama Unifilar Figura 1.12c) Diagrama Multifilar Figura 1.12d)Diagrama Unifilar

15 15 Os reatores eletrônicos apresentam as seguintes vantagens em relação aos seus similares indutivos: a) Redução do consumo de energia; b) Aumento da eficácia luminosa da lâmpada fluorescente tubular; c) Eliminação do efeito estroboscópico; d) Fator de potência elevado; e) Proteções para desligamento do reator em caso de falha; f) Partida rápida da lâmpada; f) Redução da carga térmica do sistema de ar condicionado; h) Redução no peso e dimensões físicas do reator; i) Alimentação tanto em C.A. com em C.C.; j) Aumento da vida útil do conjunto reator + lâmpada Lâmpada fluorescente compacta Esta lâmpada foi introduzida no mercado no início da década de 80 e apresenta alguns detalhes construtivos que a diferenciam das lâmpadas fluorescentes tubulares convencionais, porém, seu princípio de funcionamento é idêntico. Figura Lâmpada fluorescente compacta Lâmpadas à descarga de alta pressão As lâmpadas à descarga de alta pressão utilizam vapores metálicos (em geral mercúrio e/ou sódio) a pressões da ordem de 1 a 10 atmosferas. Existem basicamente três tipos básicos de lâmpadas comerciais:

16 16 a) a lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão; b) a lâmpada de sódio de alta pressão; c) as lâmpadas de alta pressão de vapores metálicos. Lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão A lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão apresentada na Figura 1.14, é constituída de um tubo de descarga transparente, de dimensões reduzidas e com três eletrodos, inserido em um bulbo de vidro, revestido internamente com uma camada de "fósforo" para correção do índice de reprodução de cor. Figura 1.14 Lâmpada de vapor de mercúrio. Diagrama elétrico de ligação. O tubo de descarga contém vapor de mercúrio à pressão de 2 a 4 atmosferas e argônio a 0.03 atmosferas. O argônio atua como gás de partida, reduzindo a tensão de ignição e gerando calor para vaporizar o mercúrio. O tubo de descarga é de quartzo para suportar temperaturas superiores a 340 C e evitar absorção da radiação ultravioleta emitida pela descarga. O bulbo de vidro transparente, com formato ovóide, contém nitrogênio, formando uma atmosfera protetora para: a) reduzir a oxidação de partes metálicas, b) limitar a intensidade da radiação ultravioleta que atinge o revestimento de "fósforo" e c) melhorarem as características de isolação térmica. A lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão apresenta três eletrodos, dois principais, um em cada extremidade do tubo de descarga, e outro auxiliar, próximo de um dos eletrodos principais, conforme mostra a Figura Cada eletrodo principal é constituído de fio de tungstênio, coberto com um material que emite elétrons (óxido de bário) e enrolado em dupla camada sobre uma haste do mesmo metal. O eletrodo auxiliar encontra-se conectado em série com eletrodo principal, localizado na extremidade oposta do tubo, através de um resistor de partida. Nestas condições a tensão C.A. da rede é suficientemente elevada para realizar a ignição da descarga de argônio entre o eletrodo auxiliar e o principal adjacente, que vaporiza o mercúrio líquido e produz íons necessários para estabelecer o arco entre os eletrodos principais. Após a ignição do arco principal, a queda de tensão sobre o resistor de partida reduz a diferença de potencial entre os

17 17 eletrodos auxiliar e principal adjacente, extinguindo o arco entre ambos. A estabilização da descarga é realizada através de um reator indutivo, mostrado no diagrama da Figura A tensão de ignição da lâmpada aumenta com a pressão vapor de mercúrio, ou seja, com a temperatura do tubo de descarga. Quando se desliga uma lâmpada alimentada por um reator indutivo convencional, a sua reignição só é possível após 3 a 5 minutos, intervalo de tempo necessário para o esfriamento da lâmpada. Figura Princípio de funcionamento da lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão Instantes iniciais da descarga, a lâmpada emite uma luz verde clara. A intensidade luminosa aumenta gradativamente até estabilizar-se após 6 a 7 minutos, quando a luz se torna branca com uma tonalidade levemente esverdeada. A luz emitida por uma lâmpada sem revestimento de fósforo, apresenta um baixo índice de reprodução de cor (Ra=20), devido a ausência de raias vermelhas. Características de alguns modelos de lâmpadas de vapor de mercúrio de alta pressão: lâmpada de mercúrio apresenta fluxo luminoso elevado e vida útil longa, porém, a sua eficácia luminosa é relativamente baixa. Este tipo de lâmpada é utilizado em sistemas de iluminação de exteriores, em especial, na iluminação pública urbana, ruas, jardins públicos, postos de gasolina, campos de futebol entre outros lugares. Lâmpada de luz mista A lâmpada de luz mista, mostrada da Figura 1.16, é uma lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão que dispensa reator, substituído por filamento interno (semelhante ao de uma lâmpada incandescente), localizado no interior do bulbo conectado em série com o tubo de descarga. Este tipo de lâmpada apresenta um índice de reprodução de cor de Ra=50 a Ra=70, porém sua efícácia luminosa é baixa em razão da potência dissipada no filamento, que determina a sua vida útil, em geral de 6000 horas a horas. Figura Lâmpada de luz mista

18 18 A tabela 1.1a seguir apresenta as características de alguns modelos comerciais com base tipo rosca Edison. Potência (W) Fluxo luminoso (lm) Eficácia lum.(lm/w) Comprimento total (mm) Diâmetro máximo (mm) Tabela Características de alguns modelos de lâmpadas de luz mista Esta lâmpada é utilizada no Brasil em sistemas de iluminação de interiores no setor comercial em substituição às lâmpadas incandescentes. Lâmpada de vapor de sódio de alta pressão A lâmpada de vapor de sódio de alta é constituída de um tubo de descarga cilíndrico e translúcido, com um eletrodo em cada extremidade. O tubo de descarga é sustentado por uma estrutura mecânica, sob vácuo, no interior em um bulbo de vidro de borosilicado, com formato ovóide ou cilíndrico. A Figura 1.17 apresenta a estrutura interna de uma lâmpada com bulbo cilíndrico. O vácuo no interior do bulbo se torna necessário para a manter temperatura da parede do tubo de descarga constante, pois esta influi na distribuição espectral da luz emitida, eficácia luminosa e na tensão de arco da lâmpada. A lâmpada de vapor de sódio de alta pressão começou a ser produzida em escala industrial na década de 60. Em lâmpadas convencionais, o tubo de descarga contém vapor de sódio a pressão 0.13 atmosferas, vapor de mercúrio a pressão de 0.5 a 2 atmosferas e xenônio, que atua como gás de partida, gerando calor para vaporizar o mercúrio e o sódio. O tubo de descarga possui uma secção reduzida, com espaço suficiente para alojar apenas um eletrodo em cada extremidade. O eletrodo, mostrado em detalhe na Figura 1.17, é construtivamente similar ao da lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão. O bulbo das lâmpadas de vapor de sódio é em geral transparente ou apresenta um revestimento de fósforo neutro para tornar a superfície difusa, sem alterar a distribuição espectral da luz emitida. A lâmpada de vapor de sódio convencional apresenta, em geral, um baixo índice de reprodução de cor (23<Ra<50), porém, uma elevada eficácia luminosa (120 lm/w para a lâmpada de 400W) e vida útil longa ( horas). Para a ignição da lâmpada, aplicam-se pulsos de tensão com amplitude de 1.8 a 5.0 kilovolts e largura de 1ms a 15ms entre os seus eletrodos.

19 19 Figura Lâmpada de vapor de sódio de alta pressão Nas lâmpadas de vapor de sódio convencionais, esta função é desempenhada por um dispositivo externo à lâmpada, conhecido por ignitor. Existem lâmpadas de sódio especiais apresentam um dispositivo de ignição interno e são intercambiáveis (utilizam o mesmo reator) com lâmpadas de vapor de mercúrio de alta pressão. Os pulsos de alta tensão são aplicados entre os eletrodos da lâmpada somente até que se estabeleça a circulação de corrente pelo tubo de descarga, devendo ser inibidos em seguida. Figura Forma de onda típica da tensão de ignição aplicada nos teminais de lâmpadas de vapor de sódio.

20 20 A maioria dos ignitores comerciais utilizam basicamente quatro componentes: capacitores, resistores, um dispositivo eletrônico de chaveamento e um transformador elevador de tensão. Pulsos de baixa tensão são obtidos a partir da descarga de um capacitor sobre uma resistência de valor baixo, os quais são amplificados por um transformador elevador de tensão, cujos terminais do seu enrolamento secundário (com elevado número de espiras) encontram-se ligados em série com a lâmpada. Os ignitores podem ser classificados em dois tipos: a) ignitor conjugado, utilizado em conjunto com um reator indutivo com derivação, conforme mostrado na Figura 1.19a e ignitor independente do reator, apresentado na Figura 1.192b. (a) (b) Figura Ignitores para lâmpadas de vapor de sódio (a) Ignitor conjugado (b) Ignitor independente O ignitor conjugado é utilizado em conjunto com um reator indutivo, cujo enrolamento apresenta uma derivação com características especificadas por norma, que desempenha a função do transformador elevador de tensão. Já a configuração independente possui um transformador com isolação compatível incorporado ao ignitor. Desta forma o reator indutivo não fica submetido aos pulsos de alta tensão. Seu custo, porém é mais elevado e o comprimento da fiação que interliga o ignitor com a lâmpada não pode exceder um dado comprimento para evitar uma atenuação excessiva na amplitude dos pulsos gerados. A tensão de arco da lâmpada é fortemente dependente da temperatura e aumenta naturalmente ao longo da sua vida útil. Portanto, as lâmpadas de vapor de sóido necessitam de luminárias com características geométricas especiais, para limitar o aquecimento do tubo de descarga pela reflexão das componentes infravermelhas do espectro geradas pela lâmpada. Caso contrário podem ocorrer aumentos anormais da tensão de arco e uma redução significativa da vida útil da lâmpada. Quando se desliga uma lâmpada de vapor de sódio alimentada por um reator indutivo com ignitor convencionais, a sua reignição só é possível após 3 a 7 minutos, intervalo de tempo necessário para o esfriamento da lâmpada. Potência (W) Fluxo Luminoso (lm) Eficácia Luminosa (lm/w) Comprimento total (mm) Diâmetro máximo (mm) Vida útil (horas) Tabela Características de alguns modelos de lâmpadas de vapor de sódio.

21 A Tabela 1.3 apresenta as principais características de alguns modelos comerciais de lâmpadas de vapor de sódio convencionais com bulbo em forma de ovóide utilizadas em instalações de iluminação pública. Pode-se verificar que a eficácia da lâmpada é quase o dobro da lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão. Lâmpada de vapores metálicos A lâmpada de vapor metálico HPMH (High Pressure Metal Halide) é construtivamente semelhante à lâmpada de mercúrio de alta pressão, ou seja, utiliza um tubo de descarga de sílica fundida inserida no interior de um bulbo de vidro transparente, em geral com formato ovóide. A maioria das lâmpadas com potências mais elevadas necessitam de um ignitor externo, similar ao das lâmpadas de vapor de sódio. Algumas lâmpadas dispensam ignitor, pois apresentam três eletrodos, dois principais, um em cada extremidade do tubo de descarga, e outro auxiliar, próximo de um dos eletrodos principais. A estabilização da descarga é realizada através de um reator indutivo. Quando se desliga uma lâmpada alimentada por um reator indutivo convencional, a sua reignição só é possível após 3 a 5 minutos, intervalo de tempo necessário para o esfriamento da lâmpada. O tubo de descarga contém vapor de mercúrio, um gás para ignição (argônio) e haletos metálicos. A temperatura de vaporização dos metais é em geral superior à máxima temperatura suportável pelo material do tubo de descarga. Já o metal na forma de um haleto vaporiza a uma temperatura significativamente inferior. Geralmente utilizam-se iodetos, pois são quimicamente menos reativos. A adição de metais introduz raias no espectro que melhoram a características reprodução de cores da lâmpada. A composição dos haletos geralmente não é fornecida pelo fabricante. As lâmpadas de vapor metálico apresentam uma eficácia luminosa de 65 a 100 lm/w e um índice de reprodução de cores Ra>80. A sua vida útil é em geral inferior a 8000 horas. São comercialmente disponíveis lâmpadas de 70 W a 2000 W, sendo utilizadas em aplicações onde a reprodução de cores é determinante, como por exemplo, em estúdios cinematográficos, iluminação de vitrines e na iluminação de eventos com transmissão pela televisão. 21

22 Figura 1.20 Lâmpadas de Multivapores Metálicos com Tubo de Tecnologia Cerâmica 22

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24 24 Figura 1.21 Lâmpadas de Multivapores Metálicos com Tubo de Quartzo Tabela 1.4 Reator para lâmpadas de vapor metálico de 150W.

25 Interuptores Os interruptores são dispositivos utilizados para comandar circuitos, geralmente utilizados em circuitos de iluminação. Possuem uma tecla que abre ou fecha o circuito elétrico e, por conseguinte, os bornes de ligação dos fios. Os interruptores unipolares, paralelos ou intermediários, devem interromper unicamente o condutor fase e nunca o condutor neutro. Os interruptores comuns para instalações residenciais são especificados com capacidade para 5A-250V e 10A- 250V, o que permite comandar cargas de até 1100W para o primeiro caso e 2200W para o segundo caso em rede de 220V. Quando a carga indutiva, como por exemplo, em lâmpadas fluorescentes, e não se dispondo de interruptor especial, pode-se usar o interruptor comum, porém com capacidade, no mínimo, igual ao dobro da corrente a interromper. (a) (b) Figura Interruptor unipolar de uma seção Figura Interruptor unipolar de três seções

26 26 Figura Interruptor paralelo Figura Interruptor intermediário. 1.7 Disjuntores para lâmpadas O uso de disjuntores faz-se necessário para o acionamento de um conjunto lâmpadas fluorescentes, incandescentes ou lâmpadas de descargas a vapores, para proteção de fios e cabos elétricos contra curto-circuito e sobrecargas. No caso do uso do reator a corrente aumenta ao ligar e diminui gradativamente, é necessário usar disjuntores curva C que resistam aproximadamente 3 vezes a corrente nominal por um determinado tempo em torno de 10 segundos. O outro tipo de disjuntor desarma quando chega na sua

27 27 capacidade máxima. Disjuntores com a característica da curva B é mais apropriado para lâmpadas fluorescente, incandescentes e lâmpadas de vapores com o uso de reatores de alto fator de potência. Figura 1.26 Disjuntores curva C valores comerciais.