A22 FUENTES LUMINOSAS cap

UMSS – FCyT Fuentes Luminosas________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________Instalaciones Eléctricas I Cap. 2 / 13

c) Lámpara de Automóvil

Convencionales o halógenas, naturalmente de 12 (V), estas lámparas desarrolladas por laindustria del automóvil, están siendo introducidas a uso decorativo domestico y comercial.

d) Lámparas Infrar rojas

Lámparas reflectoras con envoltura en vidrio soplado que proporcionan una energíaradiante controlada con precisión. Estas lámparas producen solamente un pequeño flujo de luzvisible. Son simples, seguras y limpias, así como, fáciles de mantener y transportar. Posición defuncionamiento universal.

Generalmente emiten dentro del infrarrojo (1.400 nm), La tecnología de reflexión deinfrarrojos (IRR) consiste en unas capas reflectantes del calor que han sido cuidadosamentediseñadas, hechas de dióxido de niobio y dióxido de silicio (NbO2, SiO2) y situadas sobre lasuperficie interior de la bombilla, para reflejar el calor perdido de nuevo sobre el filamento.Normalmente, el 10% de la energía consumida por una lámpara halógena produce luz visible; elresto se pierde en forma de calor. Además, el nuevo quemador de terminal doble permite que elrecubrimiento por infrarrojos funcione con todo su potencial.

Se puede distinguir las lámparas para aplicaciones industriales (secado rápido, gelificación,polimerización, vulcanización), lámparas para agricultura, generalmente reflectoras convencionales.

2.6 LÁMPARAS DE DESCARGA EN GAS

Las lámparas de descarga constituyen una forma alternativa de producir luz de una maneramás eficiente y económica que las lámparas incandescentes. Por eso, su uso está tan extendido hoyen día. La luz emitida se consigue por excitación de un gas sometido a descargas eléctricas entredos electrodos. Según el gas contenido en la lámpara y la presión a la que esté sometido tendremosdiferentes tipos de lámparas, cada una de ellas con sus propias características luminosas.

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2.6.1 Funcionamiento

En las lámparas de descarga, la luz se consigue estableciendo una corriente eléctrica entredos electrodos situados en un tubo lleno con un gas o vapor ionizado.

(Fig. 2.9) Circulación de la corriente en un tubo de descarga

En el interior del tubo, se producen descargas eléctricas como consecuencia de la diferenciade potencial entre los electrodos. Estas descargas provocan un flujo de electrones que atraviesa elgas. Cuando uno de ellos choca con los electrones de las capas externas de los átomos les transmiteenergía y pueden suceder dos cosas.

La primera posibilidad es que la energía transmitida en el choque sea lo suficientementeelevada para poder arrancar al electrón de su orbital. Este, puede a su vez, chocar con los electronesde otros átomos repitiendo el proceso. Si este proceso no se limita, se puede provocar la destrucciónde la lámpara por un exceso de corriente.

La otra posibilidad es que el electrón no reciba suficiente energía para ser arrancado. En este caso, elelectrón pasa a ocupar otro orbital de mayor energía. Este nuevo estado acostumbra a ser inestable yrápidamente se vuelve a la situación inicial. Al hacerlo, el electrón libera la energía extra en forma deradiación electromagnética, principalmente ultravioleta (UV) o visible. Un electrón no puede tener un estadoenergético cualquiera, sino que sólo puede ocupar unos pocos estados que vienen determinados por laestructura atómica del átomo. Como la longitud de onda de la radiación emitida es proporcional a ladiferencia de energía entre los estados inicial y final del electrón y los estados posibles no son infinitos, esfácil comprender que el espectro de estas lámparas sea discontinuo.

(Fig. 2.10) Relación entre los estados energéticos de los electrones y las franjas visibles en el espectro

La consecuencia de esto es que la luz emitida por la lámpara no es blanca (por ejemplo enlas lámparas de sodio a baja presión es amarillenta). Por lo tanto, la capacidad de reproducir loscolores de estas fuentes de luz es, en general, peor que en el caso de las lámparas incandescentesque tienen un espectro continuo. Es posible, recubriendo el tubo con sustancias fluorescentes,mejorar la reproducción de los colores y aumentar la eficacia de las lámparas convirtiendo lasnocivas emisiones ultravioletas en luz visible.

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2.6.2 Elementos auxiliares

Para que las lámparas de descarga funcionen correctamente es necesario, en la mayoría delos casos, la presencia de unos elementos auxiliares: cebadores y balastos. Los cebadores oignitores son dispositivos que suministran un breve pico de tensión entre los electrodos del tubo,necesario para iniciar la descarga y vencer así la resistencia inicial del gas a la corriente eléctrica.Tras el encendido, continua un periodo transitorio durante el cual el gas se estabiliza y que secaracteriza por un consumo de potencia superior al nominal.

Los balastos, por contra, son dispositivos que sirven para limitar la corriente que atraviesala lámpara y evitar así un exceso de electrones circulando por el gas que aumentaría el valor de lacorriente hasta producir la destrucción de la lámpara.

2.6.3 Eficacia

Al establecer la eficacia de este tipo de lámparas hay que diferenciar entre la eficacia de lafuente de luz y la de los elementos auxiliares necesarios para su funcionamiento que depende delfabricante. En las lámparas, las pérdidas se centran en dos aspectos: las pérdidas por calor y laspérdidas por radiaciones no visibles (ultravioleta e infrarrojo). El porcentaje de cada tipo dependeráde la clase de lámpara con que trabajemos.

(Fig. 2.11) Balance energético de una lámpara de descarga

La eficacia de las lámparas de descarga oscila entre los 19-28 lm/W de las lámparas de luzde mezcla y los 100-183 lm/W de las de sodio a baja presión.

TIPO DELÁMPARA

EFICACIA SIN BALASTO(Lm/W)

Fluorescentes 38-91Luz mezcla 19-28Mercurio de alta presión 40-63Halogenuros metálicos 75-95Sodio a baja presión 100-183Sodio a alta presión 70-130

(Tab. 2.2) Eficacia de lámparas sin balasto

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(Fig. 2.12) Espectro de una lámpara de descarga

Para solucionar este problema podemos tratar de completar el espectro con radiaciones delongitudes de onda distintas a las de la lámpara. La primera opción es combinar en una mismalámpara dos fuentes de luz con espectros que se complementen como ocurre en las lámparas de luzde mezcla (incandescencia y descarga). También podemos aumentar la presión del gas. De estamanera se consigue aumentar la anchura de las líneas del espectro de manera que formen bandasanchas y más próximas entre sí. Otra solución es añadir sustancias sólidas al gas, que al vaporizarseemitan radiaciones monocromáticas complementarias. Por último, podemos recubrir la paredinterna del tubo con unas sustancias fluorescente que conviertan los rayos ultravioletas enradiaciones visibles.

2.6.4 Caracter ísticas de duración

Hay dos aspectos básicos que afectan a la duración de las lámparas. El primero es ladepreciación del flujo. Este se produce por ennegrecimiento de la superficie de la superficie deltubo donde se va depositando el material emisor de electrones que recubre los electrodos. Enaquellas lámparas que usan sustancias fluorescentes otro factor es la perdida gradual de la eficaciade estas sustancias.

El segundo es el deterioro de los componentes de la lámpara que se debe a la degradaciónde los electrodos por agotamiento del material emisor que los recubre. Otras causas son un cambiogradual de la composición del gas de relleno y las fugas de gas en lámparas a alta presión.

TIPO DELÁMPARA VIDA PROMEDIO EN HORAS

Fluorescentes 12.500Luz mezcla 9.000

Mercurio de alta presión 25.000Halogenuros metálicos 11.000

Sodio a baja presión 23.000Sodio a alta presión 23.000

(Tab. 2.3) Vida promedio de algunas lámparas

2.6.5 Factores externos que influyen en el funcionamiento

Los factores externos que más influyen en el funcionamiento de la lámpara son latemperatura ambiente y la influencia del número de encendidos.

Las lámparas de descarga son, en general, sensibles a las temperaturas exteriores.

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Dependiendo de sus características de construcción (tubo desnudo, ampolla exterior...) severán más ó menos afectadas en diferente medida. Las lámparas a alta presión, por ejemplo, sonsensibles a las bajas temperaturas en que tienen problemas de arranque. Por contra, la temperaturade trabajo estará limitada por las características térmicas de los componentes (200º C para elcasquillo y entre 350º y 520º C para la ampolla según el material y tipo de lámpara).

La influencia del número de encendidos es muy importante para establecer la duración deuna lámpara de descarga ya que el deterioro de la sustancia emisora de los electrodos depende engran medida de este factor.

2.6.6 Par tes de una lámpara de descarga en gas

Las formas de las lámparas de descarga varían según la clase de lámpara con que tratemos.De todas maneras, todas tienen una serie de elementos en común como el tubo de descarga, loselectrodos, la ampolla exterior o el casquillo.

(Fig. 2.13) Principales partes de una lámpara de descarga

a) Ampolla exter ior

La ampolla es un elemento que sirve para proteger al tubo de descarga de los agentesatmosféricos. Es un elemento presente en todas las lámparas excepto en las lámparas fluorescentesque no disponen de él. En su interior se hace el vacío o se rellena con un gas inerte. Sus formas sonmuy variadas y puede estar recubierta internamente con sustancias fluorescentes que filtran yconvierten las radiaciones ultravioletas en visibles mejorando el rendimiento en color de estaslámparas y su eficiencia.

b) Tubo de descarga

Es un tubo, normalmente de forma cilíndrica, donde se producen las descargas eléctricasentre los electrodos. Está relleno con un gas (vapor de mercurio o sodio habitualmente) a alta o bajapresión que determina las propiedades de la lámpara. En las lámparas fluorescentes se recubre lacara interna con sustancias fluorescentes que convierten las emisiones ultravioletas en luz visible.Los materiales que se emplean en su fabricación dependen del tipo de lámpara y de las condicionesde uso.

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c) Electrodos

Los electrodos son los elementos responsables de la descarga eléctrica en el tubo. Estánhechos de tungsteno y se conectan a la corriente a través del casquillo. Se recubren con unasustancia emisora para facilitar la emisión de los electrones en el tubo.

d) Casquillo

El casquillo tiene la función de conectar los electrodos a la red a través del portalámparas.Puede ser de rosca o bayoneta aunque hay algunas lámparas como las fluorescentes que disponen decasquillos de espigas con dos contactos en los extremos del tubo. Los materiales de que se elaborandependerán de los requisitos térmicos y mecánicos de cada tipo de lámpara.

e) Gas

En el interior del tubo de descarga encontramos una mezcla entre un vapor de sodio omercurio y un gas inerte de relleno. El primero determina las propiedades de la luz de la lámpara yes el responsable de la emisión de la luz como consecuencia de la descarga. El segundo, el gasinerte, cumple varias funciones. La principal es disminuir la tensión de ruptura necesaria paraionizar el gas que rellena el tubo e iniciar así la descarga más fácilmente. Otras funciones querealiza son limitar la corriente de electrones y servir de aislante térmico para ayudar a mantener latemperatura de trabajo de la lámpara.

2.6.7 Tipos de lámparas de descarga

Las lámparas de descarga se pueden clasificar según el gas utilizado (vapor de mercurio osodio) o la presión a la que este se encuentre (alta o baja presión). Las propiedades varían mucho deunas a otras y esto las hace adecuadas para unos usos u otros.

Ø Lámparas de vapor de mercurio:

§ Baja presión:

§ Lámparas fluorescentes

§ Alta presión:

§ Lámparas de vapor de mercurio de alta presión§ Lámparas de luz mezcla§ Lámparas con halogenuros metálicos§ Lámparas de vapor de mercurio especiales

Ø Lámparas de vapor de sodio:

§ Lámparas de vapor de sodio de baja presión§ Lámparas de vapor de sodio de alta presión

Ø Otros tipos de lámparas

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2.6.7.1 Lámparas de Vapor de Mercur io Baja Presión

Lámparas Fluorescentes

Las lámparas fluorescentes son lámparas de vapor de mercurio a baja presión(0.8 Pa). En estas condiciones, en el espectro de emisión del mercurio predominan las radiacionesultravioletas en la banda de 253.7 nm. Para que estas radiaciones sean útiles, se recubren las paredesinteriores del tubo con polvos fluorescentes que convierten los rayos ultravioletas en radiacionesvisibles. De la composición de estas sustancias dependerán la cantidad y calidad de la luz, y lascualidades cromáticas de la lámpara. En la actualidad se usan dos tipos de polvos; los que producenun espectro continuo y los trifósforos que emiten un espectro de tres bandas con los coloresprimarios. De la combinación estos tres colores se obtiene una luz blanca que ofrece un buenrendimiento de color sin penalizar la eficiencia como ocurre en el caso del espectro continuo.

(Fig. 2.14) Lámpara fluorescente

Las lámparas fluorescentes se caracterizan por carecer de ampolla exterior. Están formadaspor un tubo de diámetro normalizado, normalmente cilíndrico, cerrado en cada extremo con uncasquillo de dos contactos donde se alojan los electrodos. El tubo de descarga está relleno con vaporde mercurio a baja presión y una pequeña cantidad de un gas inerte que sirve para facilitar elencendido y controlar la descarga de electrones.

a) Par tes de una lámpara fluorescente

Tubo de descarga

De vidrio (opalizado por el recubrimiento fluorescente). Su forma mas extendida es rectilínea,aunque existen otras ejecuciones especiales (circular, U, etc.). los diámetros convencionales son:

Ø 15 mm. → tubos de pequeña potenciaØ 26 mm. → convencionales, trifósforos y alta frecuenciaØ 38 mm. → convencionales antiguos, arranque rápido y arranque instantáneo.

Las longitudes y potencias mas usadas son:

Ø 0,6 m. → 16, 18, 20 (W)Ø 1,2 m. → 32, 36, 40 (W)Ø 1,5 m. → 50, 58, 65 (W)

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Electrodo

Fabricados de tungsteno, normalmente en doble espiral y recubiertos por sustanciasemisivas de electrones (componentes de metales alcalino-terreos). De su calidad depende laduración de la lámpara.

Gas de llenado

Las funciones que realiza el gas de llenado son:

Ø Facilitar el inicio de la descarga, por reducción de la tensión de encendido.Ø Reducir el recorrido libre, por medio de los electrones, por aumentar su

polaridad de colocación con los átomos de mercurio.Ø Proteger la sustancia emisiva de los electrodos reduciendo su taza de

evaporación.

Los gases comúnmente usados son Argón, mezcla de Argón - Neón; normalmente en laslámparas trifósforo de 26 mm. de diámetro, mejora la eficacia luminosa y la protección de loselectrodos. Se utiliza también el Kriptón, pero, incrementa la tensión de encendido de la lámpara.

Además de estos gases se necesita la presencia de unas gotas de mercurio, exactamentedosificado para reducir los efectos nocivos de estos metales en la sustancia fluorescente.

La Sustancia Fluorescente

En general desean satisfacer las siguientes condiciones:

Ø Ser material no tóxicoØ Ser muy absorbentes del ultravioleta corto (región de los 257,7 y 185 nm.),

con la consiguiente fluorescencia.Ø Emitir en el espectro visible y no ser absorbentes en el mismo.Ø Presentar sus optimas características de funcionamiento en los 40ºC.Ø Poder ser divididos en partículas muy finas sin disminución de su rendimiento.

Actualmente se usan:

Ø Halofosfatos de Calcio, activados con Antimonio, Manganeso y Europio. Paralámparas en la que la eficacia luminosa prevalece sobre el rendimiento de color.

Ø Fluogermanato de Magnesio ó Silicato de Calcio activada con diversoscomponentes para lámparas en las que se persigue el efecto contrario (latradicionalmente denominada “de lujo”).

Ø Aluminatos de Magnesio ó Vanadato de Itrio, con diversos aditivos para lostubos trifósforo de elevada eficacia luminosa y alto rendimiento de color.

Casquillo

Los más frecuentes son:

Ø G → (espigas), en los tubos convencionales, trifósforos, alta frecuencia yarranque rápido.

Ø R → (un contacto), en tubos de arranque instantáneo

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b) Eficacia

La eficacia de estas lámparas depende de muchos factores: potencia de la lámpara, tipo ypresión del gas de relleno, propiedades de la sustancia fluorescente que recubre el tubo, temperaturaambiente. Esta última es muy importante porque determina la presión del gas y en último término elflujo de la lámpara. La eficacia oscila entre los 38 y 91 lm/W dependiendo de las características decada lámpara.

(Fig. 2.15) Balance energético de una lámpara fluorescente

La duración de estas lámparas se sitúa entre 5.000 y 7.000 horas. Su vida termina cuando eldesgaste sufrido por la sustancia emisora que recubre los electrodos, hecho que se incrementa con elnúmero de encendidos, impide el encendido al necesitarse una tensión de ruptura superior a lasuministrada por la red. Además de esto, hemos de considerar la depreciación del flujo provocadapor la pérdida de eficacia de los polvos fluorescentes y el ennegrecimiento de las paredes del tubodonde se deposita la sustancia emisora.

El índice de rendimiento en color de estas lámparas varía de moderado a excelente segúnlas sustancias fluorescentes empleadas. Para las lámparas destinadas a usos habituales que norequieran de gran precisión su valor está entre 80 y 90. De igual forma la apariencia y latemperatura de color varía según las características concretas de cada lámpara.

APARIENCIADEL COLOR Tcolor (K)

Blanco cálido 3.000Blanco 3.500Natural 4.000

Blanco frío 4.200Luz día 6.500

(Tab. 2.4) Temperatura del color según la apariencia del color

Las lámparas fluorescentes necesitan para su funcionamiento la presencia de elementosauxiliares. Para limitar la corriente que atraviesa el tubo de descarga utilizan el balasto y para elencendido existen varias posibilidades que se pueden resumir en arranque con cebador o sin él. Enel primer caso, el cebador se utiliza para calentar los electrodos antes de someterlos a la tensión dearranque. En el segundo caso tenemos las lámparas de arranque rápido en las que se calientancontinuamente los electrodos y las de arranque instantáneo en que la ignición se consigue aplicandouna tensión elevada.

Más modernamente han aparecido las lámparas fluorescentes compactas que llevanincorporado el balasto y el cebador. Son lámparas pequeñas con casquillo de rosca o

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bayoneta pensadas para sustituir a las lámparas incandescentes con ahorros de hasta el 70%de energía y unas buenas prestaciones.

c) Caracter ísticas de funcionamiento

Encendido

Existen tres tipos básicos de encendido:

Ø Encendido por cebador, utilizado en la mayoría de los tubos de fluorescentes(convencionales y trifósforo).

El cebador, situado en paralelo con el tubo, provoca el precalentamiento delos electrodos, aproximadamente un segundo después, el cebador interrumpe elcircuito de precalentamiento, y en combinación con el balasto provoca unasobretensión instantánea que es suficiente para iniciar la descarga.

(Fig. 2.16) Circuito de arranque por cebador

Ø Encendido rápido, con precalentamiento de electrodos, utilizado en los tubos dearranque rápido.

El calentamiento de los electrodos proviene del propio balasto y existeademás una ayuda al encendido, consistente en una banda metálica externaconectada a uno de los electrodos que juega el papel del electrodo auxiliar.

(Fig. 2.17) Circuito de encendido rápido

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