INDICE DE TEMAS
DE LÁMPARAS MÁS USUALES.
Incandescencia convencionales. Incandescencia convencionales halógenas. Lámparas y tubos fluorescentes. Vapor de mercurio a alta presión. Luz mezcla. Halogenuros metálicos. Sodio a baja presión. Sodio a alta presión.
Lámparas Incandescentes: Se usan principalmente para alumbrado interior (casas, oficinas, negocios) debido a su bajo costo, la facilidad de su instalación y a que funcionan en cualquier posición. No obstante su rendimiento es bajo debido a que una gran parte de la energía consumida se transforma en calor. Su funcionamiento se basa en el hecho de que un conductor atravesado por una corriente eléctrica se calienta hasta alcanzar altas temperaturas, emitiendo radiaciones luminosas. Cuanto mayor es la temperatura mayor es la emisión, por lo que el material se lleva hasta una temperatura cercana a la de fusión. La más común es la lámpara de filamento, compuesta por tres partes: el bulbo, la base y el filamento. El filamento, que es de hilos de tungsteno arrollados, permitiendo alcanzar los 2100° C.
Está colocado dentro de una ampolla en la que se ha hecho el vacío (en la ampolla de este tipo de lámparas no hay aire, ni ningún otro tipo de gas). Este tipo de lámparas se especifican por la potencia eléctrica que consumen (potencia nominal) y la cantidad de luz que producen, teniendo una vida útil de alrededor de 1000 horas. Vamos a estudiar la disposición y detalles constructivos de una lámpara de incandescencia; para ello, hemos dibujado, una lámpara típica con sus partes esenciales:
1. Atmósfera gaseosa. El filamento de tungsteno en vacío sólo se utiliza algunas veces y para potencias hasta 40 W; a partir de estos límites, todas las lámparas actuales de incandescencia están rellenas de una atmósfera gaseosa, de características químicas neutras y constituida por una mezcla, especialmente estudiada, de nitrógeno y argón. El filamento de tungsteno en atmósfera de kriptón, por el elevado coste de este gas, se reserva a lámparas decorativas o cuando se precisan muy buenas características de funcionamiento.
2. Filamento. En todos los casos se utiliza el filamento de tungs¬teno. En las lámparas normales en atmósferas de gas se emplea el filamento en espiral; en las lámparas de alta calidad se emplea el filamento ondulado o doble espiralado, que presenta el máximo de superficie de irradia¬ción, con el mínimo de superficie para las pérdidas por con¬ducción, de acuerdo con lo que dijimos en el capítulo anterior. Las lámparas de vacío siguen utilizando el filamento recto en zigzag.
3. Soportes para el filamento. El filamento de tungsteno se man¬tiene en posición por medio de alambres de molibdeno, los cuales, a su vez, van apoyados en un botón de vidrio situa¬do al extremo de una varilla del mismo material.
4. Entradas de corriente. Los hilos de conexión para la llegada de la energía eléctrica constan de tres partes. a) desde el filamento hasta el cuerpo de vidrio que actúa de soporte, por medio de dos alambres de níquel. b) en el extremo del soporte de vidrio, por medio de dos hilos de una aleación especial de hierro y níquel recubier¬tos de cobre, que tienen el mismo coeficiente de dilata¬ción que el vidrio, con lo que se consigue que no se pierda el vacío en el interior de la ampolla, con el transcurso del tiempo. c) desde el extremo del soporte de vidrio hasta el casquillo, por medio de dos hilos de cobre.
5. Vástago de vidrio. Por el interior de esta pieza, que hace de soporte, pasan los hilos de conexión; antes de que el vidrio se solidifique, se cierra herméticamente esta pieza. Este soporte está provisto de un tubo de evacuación a través del cual, durante la fabricación de la lámpara, se extrae el aire contenido en la ampolla y se llena la ampolla de gas; este tubo se cierra después y se tapa con el casquillo de la lámpara.
6. Ampolla. La ampolla de la lámpara es de cristal y presenta dife¬rentes formas y acabados, que estudiaremos a lo largo del pre¬sente capítulo.
7. Casquillo. Se utiliza generalmente el casquillo roscado o Edi¬son, según tipos normalizados. Algunas veces se utiliza también el casquillo de bayo¬neta o Swan y, en menor grado, otras clases de casquillos: de foco fijo, con terminales de cable, etc… El casquillo se une a la lámpara por medio de una masilla de resina artificial.
Normalización de las lámparas de incandescencia. En todos los países se está intentando la normalización de las ten¬siones de alimentación y de las potencias de las lámparas de incandes¬cencia. En Argentina, los grandes fabricantes de lámparas (Philips, Me¬tal, etc. … ), utilizan la gama de potencias siguiente: 10, 15, 25, 40, 60, 75, 100, 150, 200, 300, 500, 750, 1000, 1500, 2000 W. Las tensiones que se recomiendan como normales son las si¬guientes: 110, 115, 120, 125, 130, 220, 240 voltios. Aunque, en la práctica, los fabricantes suministran lámparas nor¬males para otras tensiones nominales; en principio, no se fabrican lámparas de incandescencia para tensiones superiores a 260 voltios.
La lámpara de cuarzo – yodo. La lámpara de cuarzo-yodo representa el avance técnico más re¬ciente y más espectacular en el campo de las lámparas de incandes¬cencia desde que, en 1930, se fabricaron las lámparas de filamento doblemente espiralado. Modernamente, las grandes firmas fabricantes de lámparas eléctricas (Osram, Philips, General Electric, etc.) han lanzado al mercado lámparas de este tipo. El principio de funcionamiento de estas lámparas es el ciclo de regeneración yodo-tungsteno, que vamos a explicar resumidamente. Las lámparas corrientes de incandescencia, a causa de la evapo¬ración del filamento de tungsteno, tienen una vida útil muy limitada y, además, el flujo luminoso disminuye como consecuencia del pro¬gresivo ennegrecimiento de la pared de la ampolla.
Claro está que, con objeto de obtener un mayor flujo luminoso, podría aumentarse la temperatura de funcionamiento del filamento. Pero, en este caso, la evaporación sería más rápida, con lo que la vida útil de la lámpara se acortaría y el ennegrecimiento de la ampolla aún sería mayor. Además, este ennegrecimiento depende, en muy buena parte, de las dimensiones de la ampolla: cuanto menor es ésta, mayor es el ennegrecimiento. Una buena solución sería la regeneración, a lo menos parcial, del tungsteno vaporizado; de esta manera se aumentaría la duración de la lámpara y se disminuiría el ennegrecimiento, lo que permitiría, por otro lado, menores dimensiones de la ampolla. Después de varios años de investigaciones, se descubrió que añadiendo al contenido de la am¬polla una pequeña cantidad de yodo vaporizado, podía conseguirse la regeneración parcial del filamento de tungsteno.
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En efecto, los átomos de tungsteno evaporados en el filamento se combinan a temperaturas inferiores a 1450′ C (zona próxima a las paredes de la ampolla) con el vapor de yodo formando yoduro de tungsteno. Este se mantiene vaporizado cuando la temperatura es superior a 250′ C y, debido a las corrientes de convección térmica, entra en las zonas de altas tempe¬raturas próximas al filamento, donde se descompone, precipitándose el tungsteno sobre dicho filamento y, por lo tanto, regenerando el material incandescente, al mismo tiempo que el vapor de yodo queda liberado y en disposición de reiniciar el ciclo de regeneración.
Lámparas Fluorescentes: Se componen de un tubo de vidrio que contiene una pequeña cantidad de mercurio y de gas argón. Al circular la corriente eléctrica por dos electrodos situados a ambos lados del tubo, se produce una descarga eléctrica entre ellos, que al pasar a través del vapor de mercurio produce radiación ultravioleta. Esta radiación excita una sustancia fluorescente con la que se recubre la parte interior del tubo, transformado la radiación ultravioleta en radiación visible, que en función de la sustancia fluorescente utilizada puede tener distintos tonos y colores. Tienen un mayor rendimiento que las lámparas incandescentes, pero son más caras y requieren un equipo complementario.
Este equipo complementario se encarga de limitar la corriente y desencadenar el proceso de generación del arco eléctrico entre los dos electrodos que da lugar a la radiación visible. Para limitar la corriente se debe colocar en serie un dispositivo que limite la corriente máxima que lo atraviesa. Para ello, se usa una impedancia inductiva (bobina) denominada balasto o reactancia. Esta bobina produce un desfase negativo de la corriente, por lo que se suele colocar un condensador en paralelo con la línea para mejorar el factor de potencia del conjunto.
Reactancia electromagnética para fluorescencia. Además, y debido a que en un primer momento los electrodos están fríos, se recurre a un dispositivo para iniciar la descarga denominado arrancador o cebador. Consiste en una cápsula dentro de la cual hay dos electrodos y que permite, junto con el balasto, generar la alta tensión necesaria para el encendido de la lámpara. Arrancador Philips S-10 para tubos fluorescentes 220 Voltios y de entre 4 y 65 Watios. La vida útil de estas lámparas es del orden de las 7500 horas, dependiendo fundamentalmente del número de veces que se enciende y apaga. A mayor numero de ciclos de arranque, menor vida útil. Por lo tanto, no debe utilizarse para servicios intermitentes. El diseño de una instalación de iluminación con lámparas fluorescentes requiere de conocer ciertas características de los distintos tipos disponibles, como el denominado «efecto estroboscopio».
El mismo consiste en un parpadeo que hace molesta la observación de piezas móviles iluminadas con luz fluorescente y es debido a la sinuosidad de la corriente alterna. En las lámparas incandescentes este efecto no se nota debido a la inercia térmica de los filamentos pero en la fluorescentes no existe esa inercia. Para objetos fijos el ojo humano no alcanza a percibir el parpadeo, pero si iluminan un objeto en movimiento se produce una descomposición de la visión aparente. En el extremo, si la velocidad del objeto estuviera sincronizada con la variación lumínica el objeto parecería detenido. Para corregirlo se utiliza la conexión «TWO-LAMP», que consiste en colocar dos lámparas juntas con reactancias de distinto valor para desfasar la corriente.
Si la red fuese trifásica se conectan 3 lámparas una a cada fase de la red. Los fabricantes de tubos fluorescentes suelen contar con distintas alternativas de tonos de luz de acuerdo a la zona que se debe iluminar. Los tonos más utilizados por los fabricantes son: Blanco Frío (cool white): Para iluminar zonas de trabajos manuales. Blanco de flujo: Usos similares al anterior, pero al contener más rojo se enfatizan los tonos de la piel y se favorece la apariencia de las personas. También se utilizan para mejorar la presentación de vegetales verdes, carnes, etc. Blanco cálido: Para ambientes con iluminación general más agradable. Blanco: Para aplicaciones generales de iluminación en oficinas, escuelas, almacenes y casas donde la atmósfera de trabajo no es crítica. Enfatizan los colores amarillos, verdes y naranjas; sin embargo son usadas muy raramente.
Luz día: Para iluminar actividades que requieran gran precisión en el manejo de los colores. El tipo de blanco a utilizar depende de los efectos deseados. Las versiones «de lujo» emplean una segunda capa de fósforo, lo que permite colores más naturales, pero a costa de una menor eficiencia. También existen lámparas fluorescentes de colores especiales (verdes, rojos, etc) que se emplean para espectáculos, avisos, etc.
LEDs. Lo Más Avanzado en Tecnología de Iluminación Eficiente. El corazón de un Diodo de Emisión de Luz (LED) es un «chip» de silicio del tamaño de un grano de sal construido de una combinación de cristales. Cuando una pequeña corriente eléctrica pasa a través del chip genera luz. Los LEDs presentan una serie de ventajas de orden técnico sobre cualquier otro tipo de iluminación incluyendo: . El color de la luz producida por los LEDs depende de la combinación de cristales que constituye el chip de silicio. De esta manera, los LEDs producen un solo color, según tipo de uso específico. Prácticamente toda la luz generada por el LED es utilizable para la generación de color sin necesidad de filtros. Actualmente existen LEDs disponibles en color blanco, ámbar, rojo, verde y azul.
A diferencia de las lámparas incandescentes, y lámparas fluorescentes casi toda la energía utilizada por el LED es convertida en luz en lugar de calor. Se observa en la figura más arriba: La eficiencia de luminosidad de los LEDs varía entre 5% para el color azul y más de 20% para el color rojo, y casi no hay desperdicio de energía en la forma de disipación de calor.
- Además, la forma de la luz generada por el LED concentra la luz de salida sin necesidad de componentes ópticos adicionales, haciéndolos más eficientes y de una mayor relación costo beneficio al utilizar la luz producida en forma más eficiente. La naturaleza isotrópica de la luz proveniente de lámparas incandescentes o fluorescentes requiere de componentes ópticos adicionales para concentrar y direccionar la luz de una manera utilizable.
- La combinación de estos efectos hacen que los LEDs sean mucho más eficientes produciendo luz que las lámparas incandescentes o fluorescentes. Asimismo la vida útil de los LEDs es de 100,000 horas (27 años asumiendo un funcionamiento continuo a razón de 10 horas diarias), esto representa 20 veces más duración que la mejor lámpara incandescente (5,000 horas) y dos veces más duración que la mejor lámpara fluorescente (lámparas CFLs de cátodo frío son medidas en 50,000 horas).
- Los LEDs son extremadamente durables. Vibración o golpes rompen fácilmente el filamento de una lámpara incandescente y el vidrio del tubo de una lámpara fluorescente. Los LEDs, en el otro extremo representan tecnología de estado sólido y son virtualmente indestructibles!. Además de ser robustas, y generadores eficientes de luz, los LEDs son luces de bajo voltaje que se adecuan naturalmente a la energía solar. Es más, con los recientes avances en la tecnología de LEDs incluyendo colores a elección, e intensidad, posibilitan una energía natural para producir luz de emisión LED solar.
Lámparas de vapor de mercurio a alta presión. A medida que aumentamos la presión del vapor de mercurio en el interior del tubo de descarga, la radiación ultravioleta característica de la lámpara a baja presión pierde importancia respecto a las emisiones en la zona visible (violeta de 404.7 nm, azul 435.8 nm, verde 546.1 nm y amarillo 579 nm).
Espectro de emisión sin corregir. En estas condiciones la luz emitida, de color azul verdoso, no contiene radiaciones rojas. Para resolver este problema se acostumbra a añadir sustancias fluorescentes que emitan en esta zona del espectro. De esta manera se mejoran las características cromáticas de la lámpara. La temperatura de color se mueve entre 3500 y 4500 K con índices de rendimiento en color de 40 a 45 normalmente. La vida útil, teniendo en cuenta la depreciación se establece en unas 8000 horas. La eficacia oscila entre 40 y 60 lm/W y aumenta con la potencia, aunque para una misma potencia es posible incrementar la eficacia añadiendo un recubrimiento de polvos fosforescentes que conviertan la luz ultravioleta en visible.
Balance energético de una lámpara de mercurio a alta presión. Los modelo más habituales de estas lámparas tienen una tensión de encendido entre 150 y 180 V que permite conectarlas a la red de 220 V sin necesidad de elementos auxiliares. Para encenderlas se recurre a un electrodo auxiliar próximo a uno de los electrodos principales que ioniza el gas inerte contenido en el tubo y facilita el inicio de la descarga entre los electrodos principales. A continuación se inicia un periodo transitorio de unos cuatro minutos, caracterizado porque la luz pasa de un tono violeta a blanco azulado, en el que se produce la vaporización del mercurio y un incremento progresivo de la presión del vapor y el flujo luminoso hasta alcanzar los valores normales. Si en estos momentos se apagara la lámpara no sería posible su reencendido hasta que se enfriara, puesto que la alta presión del mercurio haría necesaria una tensión de ruptura muy alta.
Lámpara de mercurio a alta presión. Lámparas de luz de mezcla. Las lámparas de luz de mezcla son una combinación de una lámpara de mercurio a alta presión con una lámpara incandescente y , habitualmente, un recubrimiento fosforescente. El resultado de esta mezcla es la superposición, al espectro del mercurio, del espectro continuo característico de la lámpara incandescente y las radiaciones rojas provenientes de la fosforescencia.
Espectro de emisión de una lámpara de luz de mezcla. Su eficacia se sitúa entre 20 y 60 lm/W y es el resultado de la combinación de la eficacia de una lámpara incandescente con la de una lámpara de descarga. Estas lámparas ofrecen una buena reproducción del color con un rendimiento en color de 60 y una temperatura de color de 3600 K. La duración viene limitada por el tiempo de vida del filamento que es la principal causa de fallo. Respecto a la depreciación del flujo hay que considerar dos causas. Por un lado tenemos el ennegrecimiento de la ampolla por culpa del wolframio evaporado y por otro la pérdida de eficacia de los polvos fosforescentes. En general, la vida media se sitúa en torno a las 6000 horas.
Lámpara de luz de mezcla. Una particularidad de estas lámparas es que no necesitan balasto ya que el propio filamento actúa como estabilizador de la corriente. Esto las hace adecuadas para sustituir las lámparas incandescentes sin necesidad de modificar las instalaciones.
Lámparas con halogenuros metálicos. Si añadimos en el tubo de descarga yoduros metálicos (sodio, talio, indio…) se consigue mejorar considerablemente la capacidad de reproducir el color de la lámpara de vapor de mercurio. Cada una de estas sustancias aporta nuevas líneas al espectro (por ejemplo amarillo el sodio, verde el talio y rojo y azul el indio).
Espectro de emisión de una lámpara con halogenuros metálicos. Los resultados de estas aportaciones son una temperatura de color de 3000 a 6000 K dependiendo de los yoduros añadidos y un rendimiento del color de entre 65 y 85. La eficiencia de estas lámparas ronda entre los 60 y 96 lm/W y su vida media es de unas 10000 horas. Tienen un periodo de encendido de unos diez minutos, que es el tiempo necesario hasta que se estabiliza la descarga. Para su funcionamiento es necesario un dispositivo especial de encendido, puesto que las tensiones de arranque son muy elevadas (1500-5000 V).
Lámpara con halogenuros metálicos. Las excelentes prestaciones cromáticas la hacen adecuada entre otras para la iluminación de instalaciones deportivas, para retransmisiones de TV, estudios de cine, proyectores, etc.
Lámparas de vapor de sodio. Lámparas de vapor de sodio a baja presión. La descarga eléctrica en un tubo con vapor de sodio a baja presión produce una radiación monocromática característica formada por dos rayas en el espectro (589 nm y 589.6 nm) muy próximas entre sí.
Espectro de una lámpara de vapor de sodio a baja presión. La radiación emitida, de color amarillo, está muy próxima al máximo de sensibilidad del ojo humano (555 nm). Por ello, la eficacia de estas lámparas es muy elevada (entre 160 y 180 lm/W). Otras ventajas que ofrece es que permite una gran comodidad y agudeza visual, además de una buena percepción de contrastes. Por contra, su monocromatismo hace que la reproducción de colores y el rendimiento en color sean muy malos haciendo imposible distinguir los colores de los objetos.
Balance energético de una lámpara de vapor de sodio a baja presión. La vida media de estas lámparas es muy elevada, de unas 15000 horas y la depreciación de flujo luminoso que sufren a lo largo de su vida es muy baja por lo que su vida útil es de entre 6000 y 8000 horas. Esto junto a su alta eficiencia y las ventajas visuales que ofrece la hacen muy adecuada para usos de alumbrado público, aunque también se utiliza con finalidades decorativas. En cuanto al final de su vida útil, este se produce por agotamiento de la sustancia emisora de electrones como ocurre en otras lámparas de descarga. Aunque también se puede producir por deterioro del tubo de descarga o de la ampolla exterior.
Lámpara de vapor de sodio a baja presión. En estas lámparas el tubo de descarga tiene forma de U para disminuir las pérdidas por calor y reducir el tamaño de la lámpara. Está elaborado de materiales muy resistentes pues el sodio es muy corrosivo y se le practican unas pequeñas hendiduras para facilitar la concentración del sodio y que se vaporice a la temperatura menor posible. El tubo está encerrado en una ampolla en la que se ha practicado el vacío con objeto de aumentar el aislamiento térmico. De esta manera se ayuda a mantener la elevada temperatura de funcionamiento necesaria en la pared del tubo (270 ºC). El tiempo de arranque de una lámpara de este tipo es de unos diez minutos. Es el tiempo necesario desde que se inicia la descarga en el tubo en una mezcla de gases inertes (neón y argón) hasta que se vaporiza todo el sodio y comienza a emitir luz. Físicamente esto se corresponde a pasar de una luz roja (propia del neón) a la amarilla característica del sodio. Se procede así para reducir la tensión de encendido.
Lámparas de vapor de sodio a alta presión. Las lámparas de vapor de sodio a alta presión tienen una distribución espectral que abarca casi todo el espectro visible proporcionando una luz blanca dorada mucho más agradable que la proporcionada por las lámparas de baja presión.
Espectro de una lámpara de vapor de sodio a alta presión. Las consecuencias de esto es que tienen un rendimiento en color (Tcolor= 2100 K) y capacidad para reproducir los colores mucho mejores que la de las lámparas a baja presión (IRC = 25, aunque hay modelos de 65 y 80 ). No obstante, esto se consigue a base de sacrificar eficacia; aunque su valor que ronda los 130 lm/W sigue siendo un valor alto comparado con los de otros tipos de lámparas.
Balance energético de una lámpara de vapor de sodio a alta presión. La vida media de este tipo de lámparas ronda las 20000 horas y su vida útil entre 8000 y 12000 horas. Entre las causas que limitan la duración de la lámpara, además de mencionar la depreciación del flujo tenemos que hablar del fallo por fugas en el tubo de descarga y del incremento progresivo de la tensión de encendido necesaria hasta niveles que impiden su correcto funcionamiento. Las condiciones de funcionamiento son muy exigentes debido a las altas temperaturas (1000 ºC), la presión y las agresiones químicas producidas por el sodio que debe soportar el tubo de descarga. En su interior hay una mezcla de sodio, vapor de mercurio que actúa como amortiguador de la descarga y xenón que sirve para facilitar el arranque y reducir las pérdidas térmicas. El tubo está rodeado por una ampolla en la que se ha hecho el vacío. La tensión de encendido de estas lámparas es muy elevada y su tiempo de arranque es muy breve.
Colaborado por: Bonet Exequiel Email de contacto: exebonet@hotmail.com
