3.1 Tipos de lámparas
DE INCANDESCENCIA:
Hay
varios tipos de incandescencia: la primera es por combustión de alguna
sustancia, ya sea sólida como una antorcha de madera, líquida como en una
lámpara de aceite o gaseosa como en las lámparas de gas. La segunda es pasando
una corriente eléctrica a través de un hilo conductor muy delgado como ocurre
en las bombillas corrientes. Tanto de una forma como de otra, obtenemos luz y
calor (ya sea calentando las moléculas de aire o por radiaciones infrarrojas).
En general los rendimientos de este tipo de lámparas son bajos debido a que la
mayor parte de la energía consumida se convierte en calor.
Se
denomina lámpara incandescente
al dispositivo que produce luz mediante el calentamiento por efecto Joule de
un filamento metálico, hasta ponerlo al rojo blanco, mediante el paso de
corriente eléctrica. Se conoce como efecto Joule al
fenómeno por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica,
parte de la energía cinética de
los electrones se
transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material
conductor por el que circulan, elevando la temperatura del
mismo. El nombre es en honor a su descubridor el físico británico James Prescott Joule.
La lámpara incandescente es la más popular por su bajo precio y
el color cálido de su luz. También es la que menor vida útil tiene, unas 1000
horas. No ofrece muy buena reproducción de los colores, ya que no emite en la
zona de colores fríos. Su eficiencia es muy baja, ya que solo convierte en
trabajo (luz visible) alrededor del 15% de la energía consumida. Otro 25% sera
transformado en energía calorífica y el 60% restante en ondas no perceptibles
(Luz ultravioleta e infrarroja) que acaban convirtiéndose en calor.
El componente principal de la lámpara incandescente es el filamento. Al pasar corriente a
través de él, puede ser calentado como resistencia hasta volverse
incandescente, manteniéndose en este estado por mucho tiempo.
Este filamento se fabrica en tungsteno, cuyo punto de fusión es
alto: 3655 °K (grados Kelvin). Este filamento debe
estar protegido en un medio que evite que se deteriore, lo cual se logra poniéndolo
dentro de un bulbo, bombillo o ampolla de vidrio que este al vacío o con un gas
inerte.
La duración de una lámpara incandescente viene determinada
básicamente por la temperatura de trabajo del filamento. Mientras más alta sea
esta, mayor será el flujo luminoso pero también la velocidad de evaporación del
material que forma el filamento. Las partículas evaporadas, cuando entren en
contacto con las paredes se depositarán sobre estas, ennegreciendo la ampolla.
De esta manera se verá reducido el flujo luminoso por ensuciamiento de la
ampolla. Pero, además, el filamento se habrá vuelto más delgado por la
evaporación del tungsteno que lo forma y se reducirá, en consecuencia, la
corriente eléctrica que pasa por él, la temperatura de trabajo y el flujo luminoso.
Esto seguirá ocurriendo hasta que finalmente se rompa el filamento. A este
proceso se le conoce como depreciación luminosa.
La
duración de las lámparas incandescentes está normalizada; siendo de unas 1000
horas para las normales, para las halógenas es de
2000 horas para aplicaciones generales y de 4000 horas para las especiales.
Las
lámparas incandescentes están formadas por un hilo de wolframio que se calienta
por efecto Joule alcanzando temperaturas tan elevadas que empieza a emitir luz
visible. Para evitar que el filamento se queme en contacto con el aire, se
rodea con una ampolla de vidrio a la que se le ha hecho el vacío o se ha
rellenado con un gas. El conjunto se completa con unos elementos con funciones
de soporte y conducción de la corriente eléctrica y un casquillo normalizado
que sirve para conectar la lámpara a la luminaria.
Existen
dos tipos de lámparas incandescentes: las que contienen un gas halógeno en su
interior y las que no lo contienen:
Entre las
lámparas incandescentes no halógenas podemos distinguir las que se han
rellenado con un gas inerte de aquellas en que se ha hecho el vacío en su
interior. La presencia del gas supone un notable incremento de la eficacia
luminosa de la lámpara dificultando la evaporación del material del filamento y
permitiendo el aumento de la temperatura de trabajo del filamento. Las lámparas
incandescentes tienen una duración normalizada de 1000 horas, una potencia
entre 25 y 2000 W y unas eficacias entre 7.5 y 11 lm/W para las lámparas de
vacío y entre 10 y 20 para las rellenas de gas inerte. En la actualidad
predomina el uso de las lámparas con gas, reduciéndose el uso de las de vacío a
aplicaciones ocasionales en alumbrado general con potencias de hasta 40 W.
-
Lámparas
halógenas de alta y baja tensión
En las
lámparas incandescentes normales, con el paso del tiempo, se produce una
disminución significativa del flujo luminoso. Esto se debe, en parte, al
ennegrecimiento de la ampolla por culpa de la evaporación de partículas de
wolframio del filamento y su posterior condensación sobre la ampolla.Agregando una pequeña cantidad de un compuesto gaseoso con
halógenos (cloro, bromo o yodo), normalmente se usa el CH2Br2,
al gas de relleno se consigue establecer un ciclo de regeneración del
halógeno que evita el ennegrecimiento. Cuando el tungsteno (W) se evapora se
une al bromo formando el bromuro de wolframio (WBr2). Como las
paredes de la ampolla están muy calientes (más de 260 ºC) no se deposita
sobre estas y permanece en estado gaseoso. Cuando el bromuro de wolframio
entra en contacto con el filamento, que está muy caliente, se descompone en W
que se deposita sobre el filamento y Br que pasa al gas de relleno. Y así, el
ciclo vuelve a empezar
El
funcionamiento de este tipo de lámparas requiere de temperaturas muy altas para
que pueda realizarse el ciclo del halógeno. Por eso, son más pequeñas y
compactas que las lámparas normales y la ampolla se fabrica con un cristal
especial de cuarzo que impide manipularla con los dedos para evitar su
deterioro.
Tienen
una eficacia luminosa de 22 lm/W con una amplia gama de potencias de trabajo
(150 a 2000W) según el uso al que estén destinadas.
Para
encender las lámparas de descarga se requiere de un dispositivo llamado
reactancia o balasto, que produce el
encendido con un alto voltaje inicial y luego disminuye la energía eléctrica al
nivel operativo normal. Los balastos electromagnéticos son los tradicionales de
filamentos de cobre, que ya están siendo
reemplazados por balastos electrónicos.
Las
lámparas de descarga se pueden clasificar según el gas utilizado (vapor de
mercurio o sodio) o la presión a la que este se encuentre (alta o baja
presión). Las propiedades varían mucho de unas a otras y esto las hace
adecuadas para unos usos u otros.
-
Lámparas
de vapor de mercurio
- Baja
presión
- Lámparas fluorescentes
Las fluorescentes son lámparas de
descarga de
baja presión en forma de tubo, rellenas en su interior de vapor de mercurio. A
través de la descarga eléctrica, se emite una radiación UV invisible que se
convierte en luz gracias al polvo fluorescente. La radiación
ultravioleta generada por la descarga de mercurio se convierte en luz visible
por los fluorescentes que se encuentran en la pared interior del depósito de
descarga. Mediante distintos fluorescentes se consiguen una serie de colores de
luz y distintas calidades de reproducción cromática.
La
lámpara fluorescente posee generalmente electrodos calentados y puede
así encenderse con tensiones en comparación bajas. Las lámparas fluorescentes
requieren de balastos, reactancias o reactancias
electrónicas.
Ventajas
- Consumo
de corriente hasta tres veces
menor que la de una lámpara incandescente
-
Los
colores son más fieles al color real.
-
La
emisión de luz es de 4 a 6 veces mayor que la de una lámpara incandescente de la misma potencia
-
Provee
una luz más uniforme y menos deslumbrante, porque el área de iluminación es
mayor
-
Calentamiento
reducido
-
Duración
promedio de vida es de 7500 horas en condiciones normales.
La lámpara fluorescente está
compuesta de un tubo de vidrio que está revestido por su parte interior con una
sustancia fluorescente. Dentro del tubo hay gases y vapor de mercurio a baja
presión. Este tubo tiene, en sus dos extremos, un filamento y un electrodo
sensor.
Existen lámparas
fluorescentes en diversos formatos: tubulares, circulares y en forma de
"U", así como lámparas fluorescentes compactas.
Las
lámparas fluorescentes compactas que por la combinación
de varios depósitos de descarga cortos o de un depósito de descarga doblado
alcanzan dimensiones especialmente compactas. Las lámparas fluorescentes
compactas se sujetan y conectan en el portalámparas de un solo lado.
-
Alta
presión:
- 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).
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.
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
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.
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.
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.
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).
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. 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.
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.
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.
o
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.
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.
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.
Lámpara de vapor de sodio a alta presión
Este tipo
de lámparas tienen muchos usos posibles tanto en iluminación de interiores como
de exteriores. Algunos ejemplos son en iluminación de naves industriales,
alumbrado público o iluminación decorativa.
LED
El LED es un diodo emisor de luz, es
decir, un dispositivo semiconductor que emite luz cuando circula por la
corriente eléctrica; es un proyector electroluminiscente que emite luz mediante
la recombinación de los pares de portadores de carga de un semiconductor.
Led deviene de las siglas en inglés Light Emitting Diode: Diodo Emisor de Luz. La luz no se genera a
través de un filamento incandescente sino por electroluminiscencia. Esto
significa que se liberan fotones (luz) debido a electrones que cambian de nivel
de energía durante su desplazamiento por el material semiconductor (diodo).
Ventajas:
-
Elevada
resistencia física: elementos 100% sólidos, resisten golpes y vibraciones mucho
mejor que lámparas convencionales.
- Mayor
duración, por no depender de que el filamento se queme
-
Elevada
eficiencia de conversión de la electricidad entrante hacia la energía luminosa:
mientras el rendimiento energético de una bombilla de tungsteno es del 10%, los
diodos LED aprovechan hasta
el 90%.
-
Con
el equivalente a una bombilla de tungsteno se pueden construir aproximadamente
10 LEDs.
-
Si
algún LED se rompe es
posible reemplazarlo
-
Baratos
y fáciles de fabricar
-
Larga
vida útil: Hasta 100.000 horas de vida útil comparado con 8000 horas de una
lámpara convencional.
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Pueden
emitir hasta 16 millones de colores distintos.
-
No
emiten radiaciones infrarrojas y/ o ultravioletas. Muy importante para la
iluminación de obras de arte, donde habitualmente la radiación deteriora el
objeto a iluminar.
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No
explotan
-
No
contaminan ni poseen elementos contaminantes
-
No
emiten calor, por lo que son muy adecuados iluminar objetos inflamables y
ahorrar energía necesaria para regular la temperatura ambiental.
-
Resisten
bien las variaciones en temperatura por lo cual son adecuados para iluminación
de exteriores.
-
Reducido
tamaño: pocos milímetros cúbicos.
-
Elevado
tiempo de respuesta: su velocidad de transmisión permite utilizarlos en los
displays alfanuméricos o en aplicaciones de telecomunicación por aire o por fibra óptica.
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Funcionan
con corriente continua, por lo que se reducen los riesgos de manipulación y
electrocución por descuido.
- Muy adecuado para
aplicaciones en zonas con elevada afluencia de público: centros comerciales,
discotecas, teatros, discotecas, etc.