LED, Vapor de Sódio e Vapor de Mercúrio

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CENTRO UNIVERSITÁRIO DAS AMÉRICAS - FAM
USO E TECNOLOGIAS DAS LÂMPADAS LED,
VAPOR DE MERCÚRIO E VAPOR DE SÓDIO
SÃO PAULO
2020
1. LÂMPADAS LED
	Bastante utilizado em equipamentos eletrônicos, os Diodos Emissores de Luz, mais conhecidos como LED’s (Light Emitting Diodes), consiste em materiais semicondutores cuja função é a geração de luz através da passagem de corrente elétrica, um fenômeno chamado de eletroluminescência.
	Wendling (2011) define o material semicondutor como um intermediário entre um material isolante (vidro ou borracha, por exemplo) e um material condutor (cobre ou prata, por exemplo) de eletricidade. São formados por átomos tetravalentes (quatro elétrons em sua camada de valência) de um único elemento químico, geralmente germânio (Ge) e silício (Si), o qual realiza ligações covalentes com átomos vizinhos formando uma rede cristalina.
Figura I: Representação plana de uma rede cristalina
Fonte: Wendling (2011)
	Essa estrutura não conduz corrente elétrica por não possuir nenhum elétron livre, a não ser que recebam certa quantidade de energia, seja por variação de temperatura ou pelo processo de dopagem. A dopagem consiste na introdução de elementos químicos, em sua estrutura cristalina, a fim de modificar suas propriedades elétricas. A inserção de átomos pentavalentes (fósforo, por exemplo) nessa rede permite a disposição de elétrons livres neste material, sendo este definido como um semicondutor do tipo N. Já os semicondutores do tipo P são aqueles que, em sua composição, são introduzidos elementos trivalentes (índio, por exemplo), produzindo “lacunas” (Enfitec, 2018).
	O LED, portanto, é uma tecnologia composta por diodos, formados por semicondutores do tipo P-N, que conduz elétrica em uma determinada tensão e em um único sentido (ânodo => cátodo), tendo como consequência a geração de um fóton, emitindo luz (Fig. II). A unidade de medida que mensura a intensidade luminosa de um LED é expressa em milicandelas (mdc). Essa unidade do Sistema Internacional (SI) determina a potência irradiada por essa fonte, em uma dada direção. 
Figura II: Funcionamento do LED
Fonte: Reis (2019)
	Os LED’s são encontrados em vários tamanhos e formados. Sua estrutura externa é, geralmente, composta por um invólucro e chanfros, em sua região inferior, sendo o maior indicando o terminal positivo e o menor, negativo. A cor emitida por esse dispositivo é determinada em função do elemento do qual ele é constituído e, também, dos elementos utilizados em sua dopagem. Não se deve considerar, portanto, que o invólucro determina a cor da luz emitida. Há ainda LED’s que emitem radiação do tipo ultravioleta e infravermelho, que são consideradas luz não visível. Vale ressaltar que o comprimento de onda, medido em nanômetros, também está associado à cor da luz emitida pelo dispositivo (REIS, 2019).
Tabela I: Associação de cores, comprimento de onda e substâncias usadas em LED.
	Cor do Espectro
	Comprimento de onda
	Substância utilizada
	Infravermelho
	950 a 950 nm
	Arsenieto de Gálio
	Vermelho
	621 a 700 nm
	Fosfoarsenieto de Gálio
	Laranja
	605 a 620 nm
	Fosfeto de Índio, Gálio e Alumínio
	Amarelo
	585 a 590 nm
	Fosfoarsenieto de Gálio
	Verde
	527 a 570 nm
	Nitreto de Gálio e Índio
	Azul
	470 a 475 nm
	Seleneto de Zinco
	Ultravioleta
	385 a 405 nm
	Nitreto de Boro / Nitreto de Gálio e Alumínio / Diamante
Fonte: Reis (2019) [ADAPTADO]
	O composto RGB são LED’s formados pela união de três desses dispositivos, de cores diferentes, sendo elas Red (vermelha), Green (verde) e Blue (azul), essas cores primárias quando emitidas na mesma intensidade, formam a cor branca. Porém, a cor apresentada por esse tipo especial de LED pode ser controlada através da tensão aplicada à sua alimentação, através de resistores. Possui 4 terminais, três desses terminais correspondem a cor emitida, e o quarto terminal (com chanfro maior) corresponde a parte negativa da estrutura.
	Os LED’s possuem muitas vantagens por consumirem pouca energia elétrica, em relação à outros indicadores elétricos, podem operar em baixa tensão, suportam maiores impactos devido ser produzido com tecnologia sólida e são duráveis, tendo em média entre 20 mil à 100 mil horas de uso, de acordo com Irene Carvalho, da Fundação Oswaldo Cruz. Esses diodos especiais apresentam inúmeras utilidades, emitindo informações em dispositivos eletrônicos como em controle remotos, notebooks, televisores, relógios digitais, painéis de automação, painéis de placares de jogos e em sinalizadores (semáforos, por exemplo). Segundo Dourado et. al (2011), essa tecnologia tem sido utilizada em tratamentos estéticos (LEDterapia), na cicatrização de feridas e reparação tecidual.
2. LÂMPADAS VAPOR DE MERCÚRIO
	Consiste na produção de luz visível através da passagem de corrente elétrica pelo vapor de mercúrio. Sua estrutura é formada por dois invólucros, sendo o tubo de descarga, localizado na região interna, constituído por quartzo, e um externo (bulbo) constituído de vidro borossilicato, o qual é resistente a calor e a produtos químicos, além de evitar oxidação. Introduzidos nos dois extremos do tubo de descarga encontram-se eletrodos feitos de tungstênio, os quais são envoltos por moléculas de óxidos de bário (BaO) ou pelo óxido de estrôncio (SrO), e são chamados de eletrodos principais. O interior deste tubo é completo por um gás inerte (argônio, xenônio, etc) e gotas de mercúrio. Há, ainda, um eletrodo auxiliar que fica atrelado junto a um dos eletrodos principais. O eletrodo auxiliar fica localizado na parte externa do tubo de descarga, conectado em série a um resistor.
Figura III: a) Estrutura de uma lâmpada vapor de Mercúrio. b) Ilustração da lâmpada vapor de Mercúrio
Fonte: Lumin (2004, p. 32 e 33).
	Segundo Lumin (2004), “essa lâmpada emite uma luz de aparência branca-azulada, com uma emissão na região visível dos comprimentos de onda do amarelo, verde e azul, faltando, porém, a radiação vermelha.” O bulbo pode ou não ser revestido internamente por uma substância fosforizada (mais comum no Brasil). Bulbos revestidos permitem um índice de reprodução de cores maior do que lâmpadas com bulbos não revestidos.
Seu funcionamento ocorre com a passagem de corrente elétrica entre os eletrodos auxiliar e principal adjacente, gerando calor e aquecendo os óxidos, os quais ionizam o gás inerte (presente no tubo feito de quartzo) através da emissão de elétrons, e tendo como consequência a formação de um arco elétrico entre os eletrodos principais. Dessa forma, o mercúrio contido no tubo interno, vai sendo vaporizado e sendo pressionado à medida que o vapor vai se expandindo e, dessa forma, há também a expansão da corrente luminosa. (LUMIN, 2004).
O período de partida leva alguns segundos, e a lâmpada só entra em regime aproximadamente 6 minutos após ligada a chave. Se a lâmpada é apagada, o mercúrio não pode ser reionizado até que a temperatura do arco seja diminuída suficientemente, isto leva de 3 a 10 minutos, dependendo das condições externas e da potência da lâmpada (LUZ, p. 23).
	A pressão atuante nesse tipo de lâmpada está diretamente relacionada ao seu comprimento de onda. Uma alta pressão emite radiação com altos comprimentos de onda.
	Um componente necessário para utilização desta lâmpada seria o reator, que tem a função de limitar a corrente elétrica a fim de evitar um curto circuito devido ao contato com o vapor ionizado com a corrente gerada, podendo causar a explosão da lâmpada.
São bastante utilizadas em iluminação de vias públicas, estações de trem, escolas e estacionamentos, além de durarem em torno de 15 – 20 mil horas. Seu Indice de Reprodução de Cor (IRC) é de 45. Embora seja considerada uma lâmpada de baixo consumo de energia, há a preocupação com o risco de contaminação ambiental, devido ao mercúrio ser um elemento tóxico, sendo necessário o seu descarte em local apropriado (POLANCO, 2007; LUZ, p. 23).
3. LÂMPADAS A VAPOR DE SÓDIO
Lâmpada a vapor de sódio é considerada uma lâmpada que emite luz através da passagem de corrente elétrica em vaporde sódio. A lâmpada a vapor de sódio de alta pressão é constituída por um tubo de descarga feito de óxido de alumínio, no qual é introduzida uma pequena quantidade de sódio e mercúrio, junto a um gás inerte. Nas extremidades desses tubos existem eletrodos que produzem a passagem da corrente elétrica entre a mistura. A parte externa dessa lâmpada é constituída por um invólucro de vidro, abrigando os componentes internos à vácuo (LUMIN, 2004). 
Figura IV: a) Estrutura de uma lâmpada vapor de Sódio de alta pressão. b) Ilustração da lâmpada vapor de Sódio de alta pressão.
Fonte: Lumin (2004, p. 39).
Seu funcionamento ocorre com a vaporização do sódio e do mercúrio, e com o consequente aumento da pressão, a luz vai sendo produzida de forma gradativa com uma intensidade cada vez maior. Sua luz é emitida com uma tonalidade amarelada, o que está relacionada ao elemento sódio.
Já a lâmpada de vapor de sódio de baixa pressão é formada internamente por um tubo em “U” confeccionado em borossilicato, onde estão contidos os gases argon e neón e o sódio. Na base do tubo, estão contidos os eletrodos. Essa estrutura é envolvida por um invólucro transparente. Quando acesa, inicia-se a produção de descarga elétrica devido a ionização da mistura dos gases, gerando a emissão de uma luz levemente avermelhada. Essa emissão aquece o sódio, o qual é vaporizado tendo como consequência o aparecimento gradativo de uma luz amarelada.
Figura V: a) Estrutura de uma lâmpada vapor de Sódio de baixa pressão. b) Ilustração da lâmpada vapor de Sódio de baixa pressão.
Fonte: Timóteo, 2011.
As lâmpadas de baixa pressão, com o passar do tempo, mantém sua eficiência luminosa, porém vão aumentando o seu consumo de energia. Já as lâmpadas de alta pressão ocorrem o oposto: seu fluxo luminoso é diminuído de forma gradativa em função do tempo, porém mantém seu consumo elétrico. Ambas possuem um circuito de ligação, como um reator e ignitor. 
São bastante utilizadas como fonte de iluminação cênica, estradas, ferrovias, túneis, além de ser uma solução ideal para locais onde exista névoa ou bruma. Seu IRC é de 23, não permitindo distinção de cores dos objetos que ilumina, e seu tempo médio de vida é de 16 mil horas (LUZ, p. 24).
4. CONCLUSÃO
Realizando um comparativo técnico dentre as três lâmpadas estudadas, é possível observar que as lâmpadas a vapor de sódio (alta ou baixa pressão) não são as mais ideais à sensibilidade óptica humana, sendo, portanto, inadequadas e ineficientes para o uso em determinados ambientes onde exijam perfeita visibilidade dos objetos, como exemplo, numa sala de cirurgia. As lâmpadas vapor de mercúrio são tóxicas ao meio ambiente e apresentam um IRC pouco expressivas. Já os LED’s apresentam comprimentos de ondas adequadas à percepção ocular humana, com elevado IRC, além de ter um acendimento automático, não emitir calor como as outras lâmpadas e ter o maior tempo de duração.
REFERENCIAS
CARVALHO, Irene. Outros Tipos de Lâmpadas. Fundação Oswaldo Cruz. Rio de Janeiro. Disponível em: <http://www.invivo.fiocruz.br/cgi/cgilua.exe/sys/start.htm?infoid=1175&sid=9>. Acesso em 28/03/2020 às 15h25min.
DOURADO, K. B. V.; JUNIOR, L. C. C.; PAULO, R. J. F.; GOMES, A. C. LEDTERAPIA: Uma nova perspectiva terapêutica do tratamento de doenças de pele, cicatrização de feridas e reparação tecidual. Ensaios e Ciência: Ciências agrárias, biológicas e da saúde. Vol. 15. 2011.
ENFITEC Junior. Entenda: Diodo Emissor de Luz (LED). Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Rio Grande do Sul. 2018. Disponível em: <https://www.ufrgs.br/enfitecjunior/2018/04/19/diodo-emissor-de-luz-led/>. Acesso em 27/03/2020 às 15h55min.
LUMIN, Fontes. Tipos de Lâmpadas. Universidade Estadual de Campinas. Campinas, SP. 2004. Disponível em: <https://hosting.iar.unicamp.br/lab/luz/ld/L%E2mpadas/Fontes_Lumin.pdf>. Acesso em: 28/03/2020 às 17h37min.
POLANCO, Sara Leonor Cambeses. A situação da destinação pós consumo de lâmpadas de mercúrio no Brasil. Centro Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia, São Caetano do Sul, SP.2007. Disponível em: < https://maua.br/files/dissertacoes/a-situacao-da-destinacao-pos-consumo-de-lampadas-de-mercurio-no-brasil.pdf>. Acesso em 28/03/2020 às 28/03/2020.
REIS, Fábio. Como funciona um LED – Diodo Emissor de Luz. Bóson Treinamentos em Tecnologia. 2019. São Paulo – SP. Disponível em: <http://www.bosontreinamentos.com.br/eletronica/curso-de-eletronica/como-funciona-um-led-diodo-emissor-de-luz/>. Acesso em: 28/03/2020 às 14h29min,
SERRÃO, F. M.; OLIVEIRA, L. S.; NASCIMENTO, D. A. Melhoria na iluminação pública substituindo lâmpadas de vapor de sódio em alta pressão por lâmpadas de LED em um órgão federal na Amazônia - SIPAM. Semana Acadêmica. Manaus, Amazonas. Disponível em: <https://semanaacademica.org.br/system/files/artigos/artigo_franciney_publicacao_0.pdf>. Acesso em: 29/03/2020 às 14h10min.
TIMÓTEO, Luiz. Eletrônica Analógica. Lisboa – Portugal, 2011. Disponível em: <https://pt.slideshare.net/MarioTimotius/iluminao4-lmpadas-hid>. Acesso em: 29/03/2020 às 15h06min.
WENDLING, Marcelo. Semicondutores. Universidade Estadual Paulista – Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá. Guaratinguetá, SP. 2011. Disponível em: <https://www.feg.unesp.br/Home/PaginasPessoais/ProfMarceloWendling/1---semicondutores.pdf>. Acesso em 27/03/2020 às 15h37min.
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