Lâmpada de halogênio

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Antecedentes

Uma lâmpada halógena é um tipo de lâmpada incandescente. A lâmpada incandescente convencional contém um filamento de tungstênio selado em um envelope de vidro que é evacuado ou preenchido com um gás inerte ou uma mistura desses gases (normalmente nitrogênio, argônio e criptônio). Quando a energia elétrica é aplicada ao filamento, ele fica quente o suficiente (geralmente acima de 3.600 ° F [2.000 ° C]) para ficar inchado; em outras palavras, o filamento brilha e emite luz. Durante a operação, o tungstênio que evapora do filamento quente condensa na parede interna da lâmpada, causando o escurecimento da lâmpada. Este processo de escurecimento reduz continuamente a saída de luz durante a vida útil da lâmpada.

Uma lâmpada halógena vem com algumas modificações para eliminar esse problema de escurecimento. O bulbo, feito de quartzo fundido em vez de vidro de cal sodada, é preenchido com os mesmos gases inertes das lâmpadas incandescentes, misturados com pequenas quantidades de um gás halogênio (geralmente menos de 1% de bromo). O halogênio reage quimicamente com o depósito de tungstênio para produzir haletos de tungstênio. Quando o haleto de tungstênio atinge o filamento, o intenso calor do filamento causa a quebra do haleto, liberando o tungstênio de volta para o filamento. Esse processo, conhecido como ciclo de tungstênio-halogênio, mantém uma saída de luz constante durante a vida útil da lâmpada.

Para que o ciclo de halogênio funcione, a superfície do bulbo deve estar muito quente, geralmente acima de 482 ° F (250 ° C). O halogênio pode não vaporizar adequadamente ou deixar de reagir adequadamente com o tungstênio condensado se o bulbo estiver muito frio. Isso significa que o bulbo precisa ser menor e feito de quartzo ou de um tipo de vidro de alta resistência e resistente ao calor conhecido como aluminossilicato. Como o bulbo é pequeno e geralmente bastante forte devido às suas paredes mais grossas, ele pode ser preenchido com gás a uma pressão mais alta do que o normal. Isso retarda a evaporação do tungstênio do filamento, aumentando a vida útil da lâmpada.

Além disso, o tamanho pequeno do bulbo às vezes torna mais econômico o uso de gases de enchimento premium mais pesados, como criptônio ou xenônio - que ajudam a retardar a taxa de evaporação do tungstênio - em vez do argônio mais barato. A pressão mais alta e os gases de melhor enchimento podem estender a vida útil do bulbo e / ou permitir uma temperatura de filamento mais alta que resulta em melhor eficiência. Qualquer uso de gases de enchimento premium também resulta em menos calor sendo conduzido do filamento pelo gás de enchimento. Isso resulta em mais energia deixando o filamento por radiação, melhorando ligeiramente a eficiência.

As lâmpadas halógenas, portanto, produzem luz mais branca e brilhante, usam menos energia e duram mais do que as lâmpadas incandescentes convencionais com a mesma potência. Elas podem durar de 2.000 a 4.000 horas (cerca de dois a quatro anos) em comparação com as lâmpadas incandescentes convencionais, que operam apenas 750-1.500 horas ou três horas por dia por cerca de um ano. No entanto, as lâmpadas halógenas custam mais.

A maioria das lâmpadas halógenas tem uma potência de 20 a 2.000 watts. Os tipos de baixa tensão variam de 4-150 watts. Algumas lâmpadas halógenas também são projetadas com um revestimento reflexivo infravermelho especial na parte externa da lâmpada para garantir que o calor irradiado, que de outra forma seria desperdiçado, seja refletido de volta para o filamento da lâmpada. O filamento fica mais quente, portanto, menos potência é necessária. Essas lâmpadas podem durar até 4.000 horas.

Embora mais eficientes do que outras lâmpadas incandescentes grandes, as lâmpadas halógenas de tungstênio são ineficientes em relação aos tipos de lâmpadas fluorescentes e de descarga de alta intensidade (HID). As lâmpadas de halogênio também podem representar uma ameaça à segurança, pois o calor gerado pode variar de 250-900 ° F (121-482 ° C).

História

Lâmpadas de óleo com chaminés de vidro foram os antecessores das lâmpadas elétricas. Lâmpadas a gás também eram comuns, mas tinham desvantagens óbvias. No início do século XIX, uma lâmpada usando um fio aquecido eletricamente (platina) foi desenvolvida. Lâmpadas mais eficientes tornaram-se possíveis à medida que diferentes materiais de filamento eram usados. Em 1860, um inventor inglês chamado Swan demonstrou uma lâmpada de filamento de carbono. Ele e Thomas Edison finalmente aprimoraram esta lâmpada para uso prático por volta de 1878. Edison instalou o primeiro sistema de iluminação elétrica bem-sucedido em 1880.

Mais tarde, esses filamentos de carbono foram substituídos por tântalo e, em seguida, filamentos de tungstênio, que evaporam mais lentamente do que o carbono. Depois que um processo para trefilar o fio de tungstênio foi aperfeiçoado, as primeiras lâmpadas de filamento de tungstênio foram introduzidas em 1911. Essas eram as lâmpadas a vácuo. Em 1913, a General Electric Corporation introduziu as lâmpadas de filamento de tungstênio usando gás inerte e filamentos em espiral. Seis anos depois, a produção anual de lâmpadas nos Estados Unidos ultrapassava 200 milhões. Hoje, quase todas as lâmpadas incandescentes elétricas são feitas com filamentos de tungstênio.

O ciclo de tungstênio-halogênio usado em lâmpadas halógenas foi concebido e testado pela primeira vez há 40 anos. Algumas das primeiras lâmpadas halógenas comerciais foram introduzidas em 1959. Desde então, as aplicações incluem iluminação de estúdio, lâmpadas de projeção e faróis veiculares. Este último levou a um tipo diferente de vidro, chamado aluminossilicato, que foi introduzido pela primeira vez em lâmpadas no início dos anos 1970. O menor amolecimento ou temperatura de trabalho desses vidros permitiu a produção automatizada em alta velocidade de lâmpadas halógenas.

Uma indústria de lâmpadas surgiu no início do século XX, à medida que a energia elétrica se tornou disponível ao público em geral. No início da década de 1980, cerca de 70 empresas dos Estados Unidos vendiam mais de US $ 2 bilhões em lâmpadas e tubos a cada ano. Na década seguinte, devido a um declínio no início dos anos 1990, o mercado total de lâmpadas cresceu apenas para cerca de US $ 2,9 bilhões. O mercado atingiu quase US $ 4 bilhões em 1994, mas permaneceu relativamente estável nos anos seguintes.

Em 1992, os Estados Unidos aprovaram a Lei de Segurança Energética Nacional, exigindo o uso de lâmpadas avançadas mais eficientes. A lei procurou evitar a venda de lâmpadas fluorescentes ineficientes a partir de 1994 e outras lâmpadas ineficientes em termos de energia em 1995. Também proibiu vários tipos de lâmpadas fluorescentes, algumas lâmpadas refletoras incandescentes e várias lâmpadas de inundação. A aprovação desta lei também aumentou o preço das lâmpadas em 4 a 6%.

Esse ato, bem como os lucros em declínio, inspirou os fabricantes de lâmpadas em meados da década de 1990 a oferecer lâmpadas que pudessem reduzir o consumo de energia, melhorar a iluminação, aumentar a longevidade e minimizar os impactos ambientais. Lâmpadas fluorescentes compactas e lâmpadas halógenas eram dois tipos que ofereciam crescimento. Portanto, durante o período de 1993-1998, as remessas de halogênio aumentaram quase 15% ao ano. O mercado geral dos Estados Unidos para equipamentos de iluminação era superior a US $ 10 bilhões em 1998.

Em meados de 1997, o Conselho de Segurança de Produtos de Consumo coordenou um recall de tochas de halogênio para reparos em casa devido aos riscos de incêndio causados ​​por projeto de fixação deficiente e lâmpadas quentes. O objetivo deste recall era reformar as lâmpadas da tocchiere existentes com um protetor de lâmpada de arame (as lâmpadas fabricadas após o recall já incluíam esses protetores).

Outros tipos de lâmpadas, incluindo as de halogênio, continuaram a melhorar ao longo dos anos e estão sendo projetadas para aplicações especiais. O mais recente avanço na tecnologia da lâmpada de halogênio é a lâmpada refletora de infravermelho (IR) de halogênio. Essas lâmpadas podem fornecer a mesma saída de luz (lumens) com muito menos energia (watts) ou, inversamente, lumens substancialmente aumentados para os mesmos watts que as lâmpadas halógenas padrão. Apenas 10-15% da energia usada em lâmpadas incandescentes e halógenas produzem luz visível. A maior parte da energia é irradiada como calor (energia infravermelha).

Essas novas lâmpadas têm um revestimento infravermelho refletivo aplicado à superfície externa da cápsula da lâmpada, que reflete muito da energia infravermelha desperdiçada de volta para a cápsula e para o filamento de tungstênio. Este redirecionou Um gráfico que mostra a diferença de potência entre halogênio e luz incandescente. a energia aumenta a temperatura do filamento, produzindo mais luz sem nenhuma potência adicional. Hoje, essas lâmpadas são usadas principalmente em grandes aplicações de varejo para iluminação geral e realce ou iluminação de exibição. Recentemente, 180 novas lâmpadas halógenas foram usadas no Times Square Ball para a véspera de Ano Novo em 1999. Um design de envelope duplo torna a distribuição de calor dessas lâmpadas semelhante à das lâmpadas incandescentes.

Matérias-primas

Dependendo do tipo de lâmpada de halogênio, o material do bulbo é quartzo (sílica fundida) ou vidro de aluminossilicato. O vidro de quartzo tem a resistência à temperatura apropriada para o ciclo de tungstênio-halogênio, que produz temperaturas de bulbo de até 1.652 ° F (900 ° C). Para lâmpadas de baixa potência, até cerca de 120 watts, pode-se usar vidro de aluminossilicato. Qualquer um dos vidros tem a forma de tubos cilíndricos pré-cortados no comprimento desejado ou cortados no comprimento pelo fabricante da lâmpada.

O tungstênio é usado para o filamento incandescente. O tungstênio é recebido na forma de um fio que é fabricado por meio de um processo de dopagem (adicionando pequenas quantidades de outros materiais) e de tratamento térmico. Os dopantes produzem a ductilidade necessária para o processamento do tung-sten em bobinas e ajudam a prevenir a distorção durante a operação. O molibdênio - usado para selar - é recebido na forma de papel alumínio e arame em bobinas. As bases de cerâmica, vidro ou metal são pré-fabricadas.

Os gases usados ​​durante a fabricação incluem argônio, nitrogênio, criptônio, xenônio, bromo, hidrogênio, oxigênio e gás natural ou propano. A maioria desses gases é fornecida em tanques ou cilindros, alguns na forma líquida. Natural o gás é canalizado da companhia de gás.

Design

As propriedades elétricas da lâmpada são determinadas pelas dimensões e forma ou geometria do fio do filamento. Quanto mais alta a tensão de operação, mais longo deve ser o fio. Para potências mais altas, é necessário um fio mais grosso. O filamento é enrolado na forma de uma bobina de diferentes configurações, dependendo da aplicação da lâmpada.

As configurações mais comuns são conhecidas como núcleo redondo, núcleo plano e filamento duplo. Em casos especiais, outras configurações são utilizadas, sejam moduladas (para máxima eficácia de geração de luz) e segmentadas (para distribuição uniforme da luz). Os filamentos também são orientados de duas maneiras, axial ou transversal. A orientação é sempre axial em lâmpadas cilíndricas de dupla extremidade. Em lâmpadas de ponta única, a orientação é determinada pela aplicação.

O processo de fabricação

Alguns componentes da lâmpada são feitos em locais diferentes e enviados para a fábrica onde ocorre a montagem final. O grau de automação da fabricação depende da aplicação da lâmpada, do volume de vendas e do preço de venda. O processo para lâmpadas halógenas de quartzo de ponta única será discutido.

Fazendo a bobina

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  1 Como um fio fino e reto tem características de emissão pobres e é difícil se encaixar no bulbo da lâmpada, o fio é enrolado na forma de uma bobina usando máquinas automatizadas que se assemelham a bobinas de alta velocidade. Para fazer um filamento de núcleo redondo, cada giro é colocado em espiral adjacente ao próximo em uma haste cilíndrica. Uma haste retangular é usada para um filamento de núcleo plano. Para um filamento duplo, o fio é primeiro enrolado em uma bobina primária muito fina, que é então enrolada mais uma vez em torno de um segundo núcleo mais espesso. Uma grande quantidade de fio pode, portanto, caber em um espaço muito pequeno.
  
  Uma lâmpada halógena é feita de quartzo fundido e preenchida com os mesmos gases inertes que as lâmpadas incandescentes misturadas com pequenas quantidades de um gás halogênio. O halogênio reage com o depósito de tungstênio para produzir haletos de tungstênio, que se decompõem ao atingir o filamento quente. A quebra libera tungstênio de volta ao filamento - conhecido como ciclo tungstênio-halogênio - e mantém uma saída de luz constante durante a vida útil da lâmpada.
  

Formando a lâmpada

• 2 Depois que o tubo de vidro é cortado no comprimento certo, um tubo de exaustão deve ser conectado à parte superior. Primeiro, o topo do tubo é aquecido usando fogos de gás / oxigênio. Uma roda de carboneto de tungstênio dobra o vidro amolecido para formar uma cúpula contendo um pequeno orifício.
• 3 Um tubo de vidro menor chamado tubo de exaustão é colocado no orifício e unido ao tubo maior por fusão. Este tubo de pequeno diâmetro é usado como um meio para liberar o ar da lâmpada durante a operação de vedação e evacuar o ar e introduzir o gás de enchimento durante o processo de exaustão. Este processo é realizado em máquinas rotativas especiais.

Fazendo a montagem

• 4 Em seguida, a montagem é fabricada. Primeiro, a ponte é feita incorporando fios de tungstênio pré-formados em uma pequena haste cilíndrica de quartzo. O filamento é soldado a esses fios de suporte e soldado ao conjunto do cabo externo que consiste nas folhas de vedação de molibdênio e cabos externos.
• 5 A montagem concluída é enviada através de um forno de hidrogênio a 1.925 ° F (1.050 ° C) para limpeza. Este processo remove todos os óxidos que podem danificar o filamento de tungstênio durante a operação da lâmpada.

Selagem

• 6 Uma máquina chamada de selo de pressão é usada para selar hermeticamente a montagem dentro do bulbo. A montagem é inserida na lâmpada e ambas as partes são seguras com segurança. A parte inferior do bulbo é então aquecida a cerca de 3.272 ° F (1.800 ° C) usando queimadores de gás / oxigênio para amolecer o quartzo. Almofadas de pressão de aço inoxidável, operando a pressões de 20-60 psi, pressionam o quartzo nas folhas de molibdênio formando a vedação hermética. Durante esta operação, o bulbo é lavado com um gás inerte (nitrogênio ou argônio) para remover o ar e evitar a oxidação do suporte. As pontas externas se projetam da extremidade da prensa e fornecem um meio de conectar eletricamente a lâmpada à base da lâmpada.

Evacuar e encher o bulbo prensado

• 7 O bulbo pressionado é preenchido com gás halogênio na máquina de exaustão. Esta máquina emprega bombas de vácuo para evacuar o ar do bulbo e um sistema de enchimento para introduzir a mistura de gás halogênio no bulbo através do tubo de exaustão. A alta pressão interna da lâmpada é obtida enchendo primeiro a lâmpada acima da pressão atmosférica e, em seguida, pulverizando ou mergulhando o bulbo em nitrogênio líquido que resfria e condensa o gás de enchimento abaixo da pressão atmosférica. Em seguida, o gás / oxigênio derrete o tubo de exaustão no topo do bulbo formando a ponta e prendendo o gás no bulbo. O gás se expande à medida que atinge a temperatura ambiente e, portanto, resulta em uma lâmpada pressurizada.

Anexando a base

• 8 A base de uma lâmpada fornece a conexão elétrica e a montagem. A geometria é definida em normas nacionais e internacionais. Existem vários tipos diferentes de bases. Para lâmpadas de ponta única, são utilizadas bases de vidro, cerâmica ou metal. Geralmente são colados ao bulbo de vidro com cimento especial de boa resistência a altas temperaturas, umidade e tensões térmicas ou fixados mecanicamente. Uma conexão sem cimento é usada para aplicações especiais.

Embalagem

• 9 Após o teste final, as lâmpadas são embaladas manual ou automaticamente em caixas, dependendo da aplicação. As lâmpadas vendidas em lojas de varejo são embaladas individualmente.

Controle de qualidade

Um teste de pressão (em 40-100 atmosferas dependendo da pressão de enchimento) é conduzido após o processo de prensar / selar para garantir que a lâmpada não estoure durante a operação. Uma amostra aleatória é geralmente obtida, embora algumas lâmpadas sejam 100% testadas. Após o processo de enchimento, as lâmpadas são testadas quanto a vazamentos, colocando-as em uma máquina rotativa e acendendo-as por alguns minutos. Se houver um grande vazamento, a lâmpada ficará com uma cor amarela branca. Se houver algum defeito mecânico grave, a lâmpada geralmente se extinguirá. Uma amostra aleatória de cada lote também é testada para garantir que todas as especificações (watts, temperatura, saída de luz e vida útil) sejam atendidas.

Subprodutos / resíduos

O quartzo defeituoso é descartado ou reciclado. Às vezes, os tubos de exaustão são reutilizados. Os resíduos de tungstênio são recuperados e vendidos como sucata. As lâmpadas concluídas que falham no teste são descartadas. No entanto, os fabricantes de lâmpadas continuam a usar materiais mais ecológicos para reduzir os resíduos não recicláveis.

Algumas lâmpadas halógenas são feitas com soldas de chumbo na base da lâmpada. Como o chumbo é um material altamente tóxico, os produtos que contêm chumbo devem passar pelo TCLP da Agência de Proteção Ambiental (procedimento de lixiviação de característica de toxicidade). Caso contrário, eles devem ser classificados como resíduos perigosos e seguir regulamentos especiais de descarte em alguns estados. Alguns fabricantes de lâmpadas evitam esse problema usando solda sem chumbo.

O Futuro

Os embarques de lâmpadas halógenas de tungstênio devem aumentar 7,7% ao ano, para 58 milhões de unidades em 2003, ultrapassando os embarques de lâmpadas incandescentes. Isso reflete a crescente aceitação dos halogênios em aplicações residenciais e comerciais, como trilhos e iluminação embutida, luminárias de mesa e de pé, e outra iluminação geral e de tarefas.

Apesar do uso crescente de lâmpadas halógenas em uma série de aplicações, os embarques de unidades diminuíram significativamente em relação a meados da década de 1990, devido ao aumento nas importações de países como China, Coréia do Sul, Taiwan, Japão, Filipinas, México, Alemanha, e Hungria. Além da competição das importações, outros fatores contribuirão para a queda dos preços unitários, o que limitará os ganhos de valor dos embarques de 5,3% ao ano para US $ 180 milhões em 2003. Em um esforço para capturar participação de mercado, alguns fabricantes limitarão os aumentos de preços. Além disso, melhores economias de escala e técnicas de produção ajudarão a reduzir os preços unitários.

Os fabricantes de lâmpadas halógenas também continuarão a desenvolver lâmpadas com características de iluminação superiores, maior eficiência e maior longevidade que custam menos. Projetos novos e aprimorados serão oferecidos para atender às necessidades de aplicações especiais. As lâmpadas continuarão a ser feitas de forma mais segura para o meio ambiente e os processos de fabricação mais eficientes para reduzir o desperdício.

Esperava-se que o mercado global de produtos de iluminação atingisse cerca de US $ 28 bilhões na virada do século. Espera-se que os Estados Unidos aumentem sua participação nesse mercado além dos atuais 30%. As empresas de lâmpadas e lâmpadas dos Estados Unidos também estão se expandindo no exterior, formando joint ventures ou adquirindo instalações. Espera-se que o mercado de equipamentos de iluminação na América do Norte alcance mais de US $ 15 bilhões em 2005.

As lâmpadas incandescentes permanecerão dominantes no mercado dos Estados Unidos, com mais de 80% das vendas unitárias e mais de 50% do valor de mercado, com base em seu uso substancial nos grandes mercados residenciais e de equipamentos de transporte. Devido à maturidade do mercado de lâmpadas incandescentes, à concorrência de outros tipos de lâmpadas e à desaceleração dos setores de habitação e veículos motorizados, o crescimento da demanda por lâmpadas incandescentes ficará atrás das médias da indústria.