miniatura|direita|Lâmpada de néon do tipo NE-2 alimentada por corrente alternada (CA) miniatura|direita|Símbolo esquemático de uma lâmpada de néon
Uma lâmpada de néon, também chamada lâmpada de descarga luminescente de néon, é uma pequena lâmpada de descarga de gás. Em geral, consiste em uma cápsula de vidro que contém uma mistura de néon e outros gases em baixa pressão, além de dois eletrodos, um ânodo e um cátodo. Quando se aplica tensão suficiente e há corrente suficiente entre os eletrodos, a lâmpada produz uma descarga luminescente alaranjada. A parte que brilha é uma região fina próxima ao cátodo. Os letreiros de néon, maiores e muito mais compridos, também usam descarga luminescente, mas aproveitam a coluna positiva, ausente na lâmpada de néon comum. Lâmpadas de néon foram muito usadas como lâmpadas indicadoras em painéis de instrumentos eletrônicos e eletrodomésticos. Ainda são empregadas em alguns circuitos de alta tensão devido à simplicidade elétrica.
História miniatura|direita|Lâmpada de descarga luminescente NE-34 da General Electric, fabricada por volta de 1930
O néon foi descoberto em 1898 por William Ramsay e Morris Travers. A cor vermelha brilhante emitida pelo néon gasoso sob excitação elétrica foi percebida de imediato. Travers escreveu mais tarde que "o clarão de luz carmesim do tubo contou sua própria história e era uma visão para contemplar e jamais esquecer".
A escassez do néon impediu seu uso imediato na iluminação elétrica nos moldes dos tubos de Moore, que empregavam descargas elétricas em nitrogênio. Esses tubos foram comercializados por seu inventor, Daniel McFarlan Moore, no início da década de 1900. Depois de 1902, a empresa Air Liquide, de Georges Claude, passou a produzir néon em escala industrial como subproduto de seu negócio de liquefação do ar. Em dezembro de 1910, Claude demonstrou uma forma moderna de iluminação de néon baseada em um tubo selado contendo o gás. Em 1915, Claude recebeu uma patente nos Estados Unidos para o projeto dos eletrodos usados em tubos de néon.Patente dos Estados Unidos nº 1.125.476, Georges Claude, "Systems of Illuminating by Luminescent Tubes", depositada em 9 de novembro de 1911 e concedida em 19 de janeiro de 1915. A patente deu base ao monopólio mantido nos Estados Unidos por sua empresa, Claude Neon Lights, até o início da década de 1930."Claude Neon Lights Wins Injunction Suit: Also Gets Rights to Recover Profits and Damages Resulting From Patent Infringement". The New York Times. 28 de novembro de 1928. Acesso pago.
Por volta de 1917, Daniel Moore desenvolveu a lâmpada de néon enquanto trabalhava na General Electric. Seu projeto era muito diferente dos tubos maiores usados na iluminação de néon, a ponto de uma patente própria ser concedida nos Estados Unidos em 1919.Patente dos Estados Unidos nº 1.316.967, Daniel McFarlan Moore, "Gaseous Conduction Lamp", depositada em 30 de novembro de 1917, concedida em 23 de setembro de 1919 e atribuída à General Electric Company. Esses dispositivos pequenos e de baixa potência usam o princípio físico da descarga corona. Moore colocou dois eletrodos próximos dentro de uma lâmpada e acrescentou néon ou argônio. Os eletrodos brilhavam em vermelho ou azul, conforme o gás, e as lâmpadas duravam anos. Como os eletrodos podiam assumir quase qualquer formato, uma aplicação comum foi a produção de lâmpadas decorativas de formas diferentes.
As lâmpadas de descarga luminescente foram usadas como indicadores em painéis de instrumentos e em muitos eletrodomésticos até a comercialização em larga escala dos diodos emissores de luz (LEDs) na década de 1970.
Descrição miniatura|direita|300px|Características de tensão e corrente da descarga elétrica em néon a 0,13 kPa, com dois eletrodos planos separados por 50 cm. A: pulsos aleatórios de radiação cósmica B: corrente de saturação C: ruptura por avalanche, descarga de Townsend D: descarga de Townsend autossustentada E: região instável, descarga corona F: descarga luminescente subnormal G: descarga luminescente normal H: descarga luminescente anormal I: região instável, transição entre descarga luminescente e arco J: arco elétrico K: arco elétrico Região A-D: descarga escura, ocorre ionização, com corrente abaixo de 10 μA. Região F-H: descarga luminescente, o plasma emite um brilho fraco. Região I-K: descarga em arco, com produção de grande quantidade de radiação eletromagnética.
Uma pequena corrente elétrica, que pode ser corrente alternada (CA) ou corrente contínua (CC), passa pelo tubo e o faz emitir luz vermelho-alaranjada. Em uma lâmpada NE-2 com bulbo de 5 mm de diâmetro, a corrente quiescente é de cerca de 400 μA. O gás costuma ser uma mistura de Penning com 99,5% de néon e 0,5% de argônio, cuja tensão de ignição é menor que a do néon puro, sob pressão de 0,13 a 2,67 kPa.
A descarga luminescente da lâmpada se inicia quando a tensão atinge a tensão de ignição. A luz ambiente ou a radioatividade reduzem esse valor. Para diminuir o chamado "efeito de escuro", algumas lâmpadas receberam uma pequena quantidade de material radioativo, em geral criptônio-85, no invólucro, de modo a fornecer ionização no escuro.
A tensão necessária para manter a descarga é até 30% menor que a tensão de ignição. Isso ocorre devido à organização dos íons positivos próximos ao cátodo. Lâmpadas de néon funcionam com uma descarga luminescente de baixa corrente.
Dispositivos de maior potência, como lâmpadas de vapor de mercúrio e lâmpadas de iodetos metálicos, usam um arco elétrico de corrente mais alta. Lâmpadas de vapor de sódio de baixa pressão empregam uma mistura de Penning com néon durante a partida e podem funcionar como lâmpadas de néon gigantes quando operadas em baixa potência.
Limitação de corrente Depois de atingir a ruptura, a lâmpada de néon pode conduzir uma corrente elevada. Por isso, o circuito externo precisa limitar a corrente. Sem essa limitação, ela cresce rapidamente até destruir a lâmpada.
Em lâmpadas do tamanho usado como indicador, um resistor costuma limitar a corrente. Lâmpadas maiores frequentemente usam um transformador de alta tensão construído para ter alta indutância de dispersão, ou outro reator elétrico, a fim de limitar a corrente disponível, como ocorre em um letreiro de néon.
Chama tremulante Quando a corrente é menor que a exigida pelo caminho de descarga de maior corrente, a descarga luminescente pode ficar instável e deixar de cobrir toda a superfície dos eletrodos. Isso pode ser sinal de envelhecimento da lâmpada indicadora e também é aproveitado nas lâmpadas decorativas de néon de "chama tremulante". Uma corrente baixa demais causa cintilação. Uma corrente alta demais aumenta o desgaste dos eletrodos ao estimular a pulverização catódica, que reveste a superfície interna da lâmpada com metal e a escurece.
O potencial necessário para iniciar a descarga é maior que o necessário para mantê-la. Quando não há corrente suficiente, o brilho se forma somente ao redor de parte da superfície do eletrodo. Correntes de convecção fazem as áreas luminosas se moverem para cima, de modo semelhante à descarga em uma escada de Jacob. Também se observa um efeito de fotoionização, pois a área do eletrodo coberta pela descarga luminescente pode aumentar quando se ilumina a lâmpada.
Eficiência Em comparação com lâmpadas incandescentes, as lâmpadas de néon têm eficácia luminosa muito maior. A incandescência é a emissão de luz causada pelo calor, de modo que grande parte da energia elétrica fornecida a uma lâmpada incandescente é convertida em calor. Fontes não incandescentes, como lâmpadas de néon, lâmpadas fluorescentes e LEDs, são muito mais eficientes no uso de energia que lâmpadas incandescentes comuns. Os LEDs alcançam a maior eficiência.
Lâmpadas de néon verdes podem produzir até 65 lúmens por watt de potência de entrada, enquanto as lâmpadas de néon brancas têm eficácia de cerca de 50 lúmens por watt. Uma lâmpada incandescente comum produz cerca de 13,5 lúmens por watt.
Efeitos ambientais Os valores exatos das tensões de partida e manutenção de uma lâmpada de néon podem mudar por efeito da luz externa, de campos eletrostáticos, da temperatura e do envelhecimento. A luz externa que incide sobre os eletrodos fornece ionização para iniciar a lâmpada. Na escuridão total, a tensão de partida pode atingir valores altos e irregulares. Uma forma de reduzir esse efeito é instalar uma luz-piloto dentro do invólucro para fornecer uma fonte inicial de luz. As lâmpadas também apresentam alguma sensibilidade a campos eletrostáticos externos, à temperatura e ao envelhecimento. Modelos destinados ao uso como componentes de circuito podem receber tratamento especial para eliminar a maior parte dos efeitos iniciais de envelhecimento.
Aplicações
Indicador visual miniatura|Interruptor de uma régua de tomadas, iluminado por uma lâmpada de néon
Mesmo depois da disseminação de LEDs baratos, pequenas lâmpadas de néon continuam sendo usadas como indicadores visuais em equipamentos eletrônicos e eletrodomésticos por consumirem pouca energia, terem longa vida útil e poderem funcionar diretamente com a tensão da rede elétrica.
Supressão de surtos de tensão Lâmpadas de néon são usadas como protetores contra surtos de baixa tensão, mas em geral têm desempenho inferior ao de protetores com tubos de descarga a gás (GDT), que podem ser projetados para tensões mais altas. Também já foram usadas como meio de baixo custo para proteger receptores de radiofrequência contra picos de tensão, com a lâmpada ligada entre a entrada de RF e o terra do chassi, embora não sejam adequadas para transmissores de RF de maior potência.
Testador de tensão miniatura|direita|CC positiva à esquerda, CC negativa ao centro e CA à direita, aplicadas a lâmpadas de néon do tipo NE-2|alt=Fotografia de três pequenas cápsulas de vidro. Cada cápsula tem dois fios paralelos que atravessam o vidro. Na cápsula da esquerda, o eletrodo direito brilha em laranja. Na cápsula central, o eletrodo esquerdo brilha. Na cápsula da direita, os dois eletrodos brilham.
A maioria das pequenas lâmpadas de néon usadas como indicadores, entre elas a comum NE-2, tem tensão de ruptura em torno de 90 volts. Com alimentação em CC, somente o eletrodo carregado negativamente, o cátodo, brilha. Com alimentação em CA, os dois eletrodos brilham, cada um durante semiciclos alternados. Essas características tornam as lâmpadas de néon, acompanhadas de resistores em série, testadores de tensão simples e de baixo custo. O eletrodo que brilha permite saber se uma fonte fornece CA ou CC e, no segundo caso, a polaridade dos pontos testados.
Regulação de tensão A característica de ruptura das lâmpadas de descarga luminescente permite seu uso como reguladores de tensão ou dispositivos de proteção contra sobretensão. A partir da década de 1930, General Electric, Signalite e outras empresas fabricaram tubos reguladores de tensão.
Elemento de comutação e oscilador Assim como outras lâmpadas de descarga em gás, a lâmpada de néon apresenta resistência negativa. Depois que atinge a tensão de ruptura, sua tensão cai à medida que a corrente aumenta. A lâmpada apresenta, por isso, histerese. Sua tensão de desligamento, ou extinção, é menor que a tensão de ligação, ou ruptura.
Essa propriedade permite usar a lâmpada como elemento ativo de comutação. Lâmpadas de néon foram empregadas em circuitos de oscilador de relaxação, por meio de um mecanismo às vezes chamado efeito Pearson-Anson, em aplicações de baixa frequência como luzes de advertência intermitentes, estroboscópios, geradores de tom em órgãos eletrônicos e bases de tempo e osciladores de deflexão nos primeiros osciloscópios de raios catódicos.