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El mundo de las Lámparas

 

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 incandescentes

  • Lámparas de descarga

  • Lámparas de vapor de mercurio:

    • Baja presión:

  • Lámparas de vapor de sodio:

    Vida útil de las lámparas de descarga en general

    La duración de una lámpara 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.

    Para determinar la vida de una lámpara disponemos de diferentes parámetros según las condiciones de uso definidas.

    • La vida individual es el tiempo transcurrido en horas hasta que una lámpara se estropea, trabajando en unas condiciones determinadas.

    • La vida promedio es el tiempo transcurrido hasta que se produce el fallo de la mitad de las lámparas de un lote representativo de una instalación, trabajando en unas condiciones determinadas.

    • La vida útil es el tiempo estimado en horas tras el cual es preferible sustituir un conjunto de lámparas de una instalación a mantenerlas. Esto se hace por motivos económicos y para evitar una disminución excesiva en los niveles de iluminación en la instalación debido a la depreciación que sufre el flujo luminoso con el tiempo. Este valor sirve para establecer los periodos de reposición de las lámparas de una instalación.

    • La vida media es el tiempo medio que resulta tras el análisis y ensayo de un lote de lámparas trabajando en unas condiciones determinadas.

    Entre los  aspectos básicos que afectan a la duración de las lámparas encontramos la depreciación del flujo producido  por ennegrecimiento del tubo  de descarga en los extremos próximos a los electrodos. Por otra parte, se va produciendo un cambio gradual de la composición del gas de relleno  debido a las fugas a través del tubo.

    Tipo de lámpara

    Vida promedio (h)

    Incandescentes

    1000

    Halógenas

    2000 (Especiales 4000)

    Fluorescentes

    12500

    Mezcladoras

    9000

    Mercurio a alta presión

    25000

    Haluros metálicos

    11000

    Sodio a baja presión

    23000

    Sodio a alta presión

    23000


    Sin embargo, hay factores externos que no son considerados a priori y que en la práctica, son los que recortan la vida útil teórica a valores mucho más bajos:
     
    • Excesos de tensión, que deprecian fuertemente la lámpara.
    • Bajadas de tensión que producen apagados prematuros e intermitencias.

La incandescencia

Las lámparas incandescentes fueron la primera forma de generar luz a partir de la energía eléctrica. Desde que fueran inventadas, la tecnología ha cambiado mucho produciéndose sustanciosos avances en la cantidad de luz producida, el consumo y la duración de las lámparas. Su principio de funcionamiento es simple, se pasa una corriente eléctrica por un filamento hasta que este alcanza una temperatura tan alta que emite radiaciones visibles por el ojo humano.

Todos los cuerpos calientes emiten energía en forma de radiación electromagnética. Mientras más alta sea su temperatura mayor será la energía emitida y la porción del espectro electromagnético ocupado por las radiaciones emitidas. Si el cuerpo pasa la temperatura de incandescencia una buena parte de estas radiaciones caerán en la zona visible del espectro y obtendremos luz.

La incandescencia se puede obtener de dos maneras. 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.

Rendimiento de una lámpara
Rendimiento de una lámpara incandescente

La producción de luz mediante la incandescencia tiene una ventaja adicional, y es que la luz emitida contiene todas las longitudes de onda que forman la luz visible o dicho de otra manera, su espectro de emisiones es continuo. De esta manera se garantiza una buena reproducción de los colores de los objetos iluminados.

Características de una lámpara incandescente

Entre los parámetros que sirven para definir una lámpara tenemos las características fotométricas: la intensidad luminosa flujo luminoso y el rendimiento o eficiencia. Además de estas, existen otros que nos informan sobre la calidad de la reproducción de los colores y los parámetros de duración de las lámparas.

Características cromáticas

Los colores que vemos con nuestros ojos dependen en gran medida de las características cromáticas de las fuentes de luz. Por poner un ejemplo, no se ve igual una calle de noche a la luz de las farolas iluminadas por lámparas de luz blanca que con lámparas de luz amarilla.

A la hora de describir las cualidades cromáticas de las fuentes de luz hemos de considerar dos aspectos. El primero trata sobre el color que presenta la fuente. Y el segundo describe cómo son reproducidos los colores de los objetos iluminados por esta. Para evaluarlos se utilizan dos parámetros: la temperatura de color y el rendimiento de color que se mide con el IRC.

La temperatura de color hace referencia al color de la fuente luminosa. Su valor coincide con la temperatura a la que un cuerpo negro tiene una apariencia de color similar a la de la fuente considerada. Esto se debe a que sus espectros electromagnéticos respectivos tienen una distribución espectral similar. Conviene aclarar que los conceptos temperatura de color y temperatura de filamento son diferentes y no tienen porque coincidir sus valores.

El rendimiento en color, por contra, hace referencia a cómo se ven los colores de los objetos iluminados. Nuestra experiencia nos indica que los objetos iluminados por un fluorescente no se ven del mismo tono que aquellos iluminados por bombillas. En el primer caso destacan más los tonos azules mientras que en el segundo lo hacen los rojos. Esto se debe a que la luz emitida por cada una de estas lámparas tiene un alto porcentaje de radiaciones monocromáticas de color azul o rojo.

Efecto de la luz blanca sobre un cuerpo de color.

Efecto de la luz monocromática sobre un cuerpo de color.

Fuente de luz blanca.

Fuente de luz monocromática.

Efecto del color de la fuente sobre el color de los objetos

Para establecer el rendimiento en color se utiliza el índice de rendimiento de color (IRC o Ra) que compara la reproducción de una muestra de colores normalizada iluminada con nuestra fuente con la reproducción de la misma muestra iluminada con una fuente patrón de referencia.

Factores externos que influyen en el funcionamiento de las lámparas

Los factores externos que afectan al funcionamiento de las lámparas son la temperatura del entorno dónde esté situada la lámpara y las desviaciones en la tensión nominal en los bornes.

La temperatura ambiente no es un factor que influya demasiado en el funcionamiento de las lámparas incandescentes, pero sí se ha de tener en cuenta para evitar deterioros en los materiales empleados en su fabricación. En las lámparas normales hay que tener cuidado de que la temperatura de funcionamiento no exceda de los 200º C para el casquillo y los 370º C para el bulbo en el alumbrado general. Esto será de especial atención si la lámpara está alojada en luminarias con mala ventilación. En el caso de las lámparas halógenas es necesario una temperatura de funcionamiento mínima en el bulbo de 260º C para garantizar el ciclo regenerador del wolframio. En este caso la máxima temperatura admisible en la ampolla es de 520º C para ampollas de vidrio duro y 900º C para el cuarzo.

Las variaciones de la tensión se producen cuando aplicamos a la lámpara una tensión diferente de la tensión nominal para la que ha sido diseñada. Cuando aumentamos la tensión aplicada se produce un incremento de la potencia consumida y del flujo emitido por la lámpara pero se reduce la duración de la lámpara. Análogamente, al reducir la tensión se produce el efecto contrario.


Efecto de las variaciones de tensión (%) sobre las características de funcionamiento de las lámparas incandescentes

Partes de una lámpara

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.

Tipos de lámparas

Existen dos tipos de lámparas incandescentes: las que contienen un gas halógeno en su interior y las que no lo contienen:

Lámparas no halógenas

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 con gas

Lámparas de vacío

Temperatura del filamento

2500 ºC

2100 ºC

Eficacia luminosa de la  lámpara

10-20 lm/W

7.5-11 lm/W

Duración

1000 horas

1000 horas

Pérdidas de calor

Convección y radiación

Radiación

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.

Ciclo del halógeno

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. Las lámparas halógenas se utilizan normalmente en alumbrado por proyección y cada vez más en iluminación doméstica.


Lámparas de Descarga

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

Funcionamiento

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

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

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

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

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 en las lámparas de sodio a baja presión es amarillenta). Por lo tanto, la capacidad de reproducir los colores de estas fuentes de luz es, en general, peor que en el caso de las lámparas incandescentes que 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 las nocivas emisiones ultravioletas en luz visible.

Elementos auxiliares

Para que las lámparas de descarga funcionen correctamente es necesario, en la mayoría de los casos, la presencia de unos elementos auxiliares: cebadores y balastos. Los cebadores o ignitores 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 se caracteriza por un consumo de potencia superior al nominal.

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


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 radiaciones ultravioletas en la banda de 253.7 nm. Para que estas radiaciones sean útiles, se recubren las paredes interiores del tubo con polvos fluorescentes que convierten los rayos ultravioletas en radiaciones visibles. De la composición de estas sustancias dependerán la cantidad y calidad de la luz, y las cualidades cromáticas de la lámpara. En la actualidad se usan dos tipos de polvos; los que producen un espectro continuo y los trifósforos que emiten un espectro de tres bandas con los colores primarios. De la combinación estos tres colores se obtiene una luz blanca que ofrece un buen rendimiento de color sin penalizar la eficiencia como ocurre en el caso del espectro continuo.

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

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


Balance energético de una lámpara fluorescente

La duración de estas lámparas se sitúa entre 5000 y 7000 horas. Su vida termina cuando el desgaste sufrido por la sustancia emisora que recubre los electrodos, hecho que se incrementa con el número de encendidos, impide el encendido al necesitarse una tensión de ruptura superior a la suministrada por la red. Además de esto, hemos de considerar la depreciación del flujo provocada por la pérdida de eficacia de los polvos fluorescentes y el ennegrecimiento de las paredes del tubo donde se deposita la sustancia emisora.

El rendimiento en color de estas lámparas varía de moderado a excelente según las sustancias fluorescentes empleadas. Para las lámparas destinadas a usos habituales que no requieran de gran precisión su valor está entre 80 y 90. De igual forma la apariencia y la temperatura de color varía según las características concretas de cada lámpara.

Apariencia de color Tcolor (K)
Blanco cálido 3000
Blanco 3500
Natural 4000
Blanco frío 4200
Luz día 6500

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

Más modernamente han aparecido las lámparas fluorescentes compactas que llevan incorporado el balasto y el cebador. Son lámparas pequeñas con casquillo de rosca o bayoneta pensadas para sustituir a las lámparas incandescentes con ahorros de hasta el 70% de energía y unas buenas prestaciones.

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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).

Vapor de Mercurio
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.


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.


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 de 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).

Halogenuro metalico
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).


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 a baja presión (SBP)

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

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 mono cromatismo 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 15.000 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 6.000 y 8.000 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.

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 (SAP)

Construcción de las lámparas

Esta constituida por una ampolla ó cubierta externa de vidrio, transparente ó con recubrimiento blanco y en diferentes formatos, ovoidal ó tubular.
Esa ampolla reduce la emisión de calor, estabiliza mejor la temperatura de trabajo y aísla eléctricamente.
En el interior se encuentra un tubo recto de alúmina (óxido de aluminio) por el que se producirá la descarga.
Este tubo deberá soportar el fuerte efecto corrosivo del sodio a altísimas temperaturas cuando la lámpara esté funcionando en régimen.
Los otros elementos que se adicionan son el mercurio y el gas xenón que ayudarán en el mejor control de la tensión de arco, en mejorar la reproducción cromática y ayudar a la ignición.

Particularidades de las lámparas SAP

Como toda lámpara de descarga necesita un elemento ó balasto que limite y regule la corriente una vez que se ha iniciado la ignición.
Pero a diferencia de las otras lámparas de descarga, la característica de la curva tensión/ corriente tiene pendiente positiva, es decir, a medida que aumenta la corriente, también lo hace la tensión de arco y además con la acumulación de  horas de funcionamiento esta tensión de arco se va incrementando.
 Este efecto es el que producirá el apagado de la lámpara cuando la tensión de arco no pueda ser sustentada por la tensión de red.
De donde se deduce que si los niveles de tensión decaen la lámpara se apagará anticipadamente.

Punto de trabajo con balasto convencional

Por todo lo anteriormente dicho se ha establecido que la lámpara SAP debe trabajar en un rango de tensiones y potencias bien delimitados.
Es tarea del balasto proveer la mejor regulación posible  dentro de este rango.
Graficado esos límites de funcionamiento obtenemos:

Por cada lámpara habrá un trapezoide característico, tomando como caso la SAP 150W, tenemos los siguientes juegos de valores  (vértices del trapezoide)

Punto A:   73 V 105W
Punto B:  103V 190W
Punto C:  175V 190W
Punto D:  113V 105W

Rendimiento lumínico

Comparando los diversos tipos de lámparas de descarga observamos que si bien las lámparas de sodio de baja presión son las de mayor rendimiento, sin embargo emiten una luz amarillo dorada muy intensa, cuyo índice de reproducción cromática es muy bajo.

Tipo de lámpara

Eficacia sin balasto (lm/W)

Fluorescentes

38-91

Luz de mezcla

19-28

Mercurio a alta presión

40-63

Halogenuros metálicos

75-95

Sodio a baja presión

100-200

Sodio a alta presión

90-130

Funcionamiento con balasto electrónico

El balasto electrónico es calibrado a la potencia deseada y es totalmente independiente de las variaciones de la tensión de red por lo tanto si graficamos la zona de trabajo en el trapezoide, esta se reduce a una pequeña banda que es la de calibración.

El trapezoide pequeño es donde trabajará el balasto electrónico. En comparación con el trapezoide mayor admitido para el balasto convencional, el electrónico trabaja con mucha mayor precisión posibilitando de esta forma un ahorro energético.

Coseno fi y distorsión armónica.
El electrónico presenta excelentes características con un coseno fi de 0.98 y distorsión armónica típica del 5%
La corriente es senoidal y en fase con la tensión de red.
Contenido armónico: Cabe mencionar además que tanto el coseno fi como la distorsión mantienen el valor para todo el rango de funcionamiento, esto es: 130 a 250Vca.

En particular las de sodio de alta presión son de alto rendimiento lumínico en donde aventajan a las de mercurio y,  en cuanto a su reproducción cromática, se sitúan entre estas y las de sodio de baja 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

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

La vida media de este tipo de lámparas ronda las 20.000 horas y su vida útil entre 8.000 y 12.000 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 (1.000 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.

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.

Características de un balasto convencional, compensación de coseno fi, distorsión armónica. Dado que un balasto tipo convencional presenta un coseno fi fuertemente inductivo (típicamente de 0,44) se hace necesario compensar este bajo valor. Con el agregado de condensadores en la red mejoramos esta condición pero a expensas de empeorar otro factor que es la distorsión armónica.

Siguiendo con el ejemplo de SAP 150W con el agregado de 20uF llevamos el valor de coseno fi a 0.85 pero la distorsión se incrementa hasta un 30 ó 40 %.

Las curvas de corriente son las siguientes:

Forma de onda donde se observa la deformación en la corriente.
Contenido armónico: Si bien el coseno fi quedó en un valor aceptable de 0.85 aparece un alto contenido de armónicas.


Balastos electrónicos

Una alternativa rentable para la iluminación comercial. Sustituyen a las reactancias de los tubos fluorescentes y ahorran energía.

DESCRIPCIÓN

Los balastos son los componentes auxiliares de las lámparas fluorescentes, que sirven para estabilizar la descarga en el interior del tubo y, en definitiva, la emisión de luz.

CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO

La frecuencia a la que operan los balastos electrónicos está muy por encima de la gama audible, cuyo límite superior está aproximadamente en los 20 Khz., lo cual garantiza un funcionamiento silencioso. Según fabricantes y modelos de balastos, la frecuencia se sitúa entre 25 kHz. y 40 kHz.
Además de la estabilización, el balasto electrónico asume el encendido de la lámpara fluorescente, sin necesidad de cebador. El procedimiento adoptado es el precalentamiento de electrodos, que da como resultado un encendido casi instantáneo, del orden de 0,5 segundos.

Hasta hace pocos años, los balastos habituales eran las conocidas reactancias formadas por una bobina de tipo inductivo que satisfacían los requisitos de funcionamiento, aunque de forma poco eficiente desde el punto de vista energético.

Las investigaciones realizadas en este campo permitieron averiguar que al incrementar la frecuencia de operación del tubo, aumentaba su eficacia luminosa (más cantidad de luz aportada por cada unidad de potencia eléctrica). Y así, para hacer funcionar el tubo a alta frecuencia, nacieron los balastos electrónicos.

El balasto tiene por objeto estabilizar la descarga en el interior del tubo fluorescente, para asegurar el correcto funcionamiento y la adecuada duración de la lámpara. Al incrementar la frecuencia de operación del tubo fluorescente, aumenta la eficacia luminosa. Por ejemplo, si la frecuencia se eleva por encima de 15 Khz., manteniendo constante la potencia, el flujo luminoso se incrementa aproximadamente un 10%.

Una mejora energética como ésta, no puede lograrse con los balastos convencionales las conocidas reactancias de tipo inductivo que funcionan a la frecuencia de la red. El tubo debe operar a alta frecuencia, y esta función la asume un balasto electrónico que convierte la frecuencia de la red (50 Hz) en frecuencias superiores a 25 kHz.

En la actualidad se fabrican Transformadores electrónicos (Balasto) incluso Dimables Dimables que permiten la regulación del flujo luminoso para los siguientes grupos de lámparas fluorescentes:

Tubos de diámetro 26 mm  (estándar actual)

La tabla muestra las características técnicas y energéticas de estos tubos, para diversos tipos de puntos de luz.

Punto de luz
Potencia sistema (W)
Flujo luminoso (lm)
Eficacia lámpara (lm/W)
Eficacia sistema (lm/W)
1 x 16
20
1.400
88
70
2 x 16
39
2.800
88
72
3 x 16
59
4.200
88
71
4 x 16
78
5.600
88
72
1 x 32
36
3.200
100
89
2 x 32
72
6.400
100
89
1 x 50
56
5.000
100
89
2 x 50
112
10.000
100
89

Tubos de diámetro 16 mm

Tubos fluorescentes

Estos tubos fluorescentes, además de un menor diámetro, tienen una longitud más reducida que los tubos de 26mm. Están diseñados para funcionar también con balastos electrónicos y son los más eficientes, por el momento, de toda la gama de tubos fluorescentes.

La tabla muestra las características técnicas y energéticas de estos tubos, para diversos tipos de puntos de luz.

Punto de luz
Potencia sistema (W)
Flujo luminoso (lm)
Eficacia lámpara (lm/W)
Eficacia sistema (lm/W)
1 x 14
17
1.350
96
79
2 x 14
32
2.700
96
84
3 x 14
52
4.050
96
78
4 x 14
66
5.400
96
82
1 x 21
24
2.100
100
88
2 x 21
47
4.200
100
89
1 x 28
32
2.900
104
90
2 x 28
65
5.800
104
89
1 x 35
39
3.650
104
94
2 x 35
80
7.300
104
91
1 x 49
55
5.000
102
91
2 x 49
108
10.000
102
93

Lámparas fluorescentes compactas
Tubos compactos

COMPONENTES

Los componentes principales de un Transformador electrónico (Balasto) son:

  • Filtro de bajas frecuencias, que limita las oscilaciones armónicas y las radio interferencias, y protege los componentes electrónicos contra los picos de tensión de la red.

  • Rectificador o convertidor de corriente alterna en continua.

  • Oscilador de potencia, que permite variar la frecuencia de alimentación a las lámparas.

Los Transformadores (Balastos) electrónicos que permiten regular el flujo luminoso incluyen, además de los componentes indicados, un circuito de regulación de flujo con toma 1-10v. Vea también nuestros Reguladores para balastos electrónicos

Existen dos posibles utilizaciones de los Transformadores electrónicos con los tubos fluorescentes:

  • Mantener los tubos existentes (kriptón) de potencia nominal: 18, 36 y 58 W.
  • Usar tubos especiales para alta frecuencia (argón) de potencia nominal: 16, 32 y 50 W.

Con ambos sistemas se obtienen prestaciones similares. En comparación con la solución de reactancias convencionales, la potencia absorbida por la lámpara se reduce un 10%; el flujo luminoso emitido también disminuye, pero sólo un 4%.
Por lo tanto, la eficacia luminosa aumenta; hasta 100 lm/W para la lámpara y casi 90 lm/W para el sistema completo (lámpara y balasto). Estas cifras suponen un ahorro de energía del 20 al 25% con relación a las reactancias convencionales.
La gama de balastos incluye normalmente modelos para uno o dos tubos; en las potencias más bajas (18 ó 16 W) algunos fabricantes ofrecen también balastos para tres y cuatro tubos. Cuantos más tubos, más reactancias convencionales se sustituyen por un solo balasto electrónico, y mayor es la rentabilidad.
Estos balastos son válidos para toda la gama de tubos, con independencia de su tonalidad o rendimiento de color. Los datos contenidos en la tabla corresponden a los tubos de tipo trifósforo, recomendables en iluminación de locales comerciales y de oficinas.
Para los distintos tipos de puntos de luz, la tabla muestra la potencia del sistema (lámpara y balasto electrónico), el flujo luminoso emitido y la eficacia luminosa, tanto la referida a la lámpara como al conjunto del sistema.

Frente a las reactancias convencionales, los Transformadores electrónicos presentan las siguientes ventajas:

Ahorran energía, hasta un 25%, para la misma emisión de luz.

Alargan la vida útil de la lámpara hasta 12.000 horas, es decir, un 50% más.
Encendido instantáneo, sin parpadeo.
Desconexión automática en caso de lámpara defectuosa.
Consiguen un factor de potencia próximo a la unidad.
Existen Balastos con regulación de luz, continua desde 3% a 100%, incluso en función de la aportación de luz natural (equipos especiales).

Conoce nuestros Reguladores para balastos electrónicos?

Alcanzan la rentabilidad alrededor de las 5.000 horas de funcionamiento, por lo que se recomiendan especialmente en usos de conexión prolongada, típicos del sector comercial.

 

Tipos de Tubos y Compactas

Tipos de tubos


Para las configuraciones habituales de puntos de luz, las potencias del sistema (lámpara más balasto) con reactancia convencional y con balasto electrónico y el ahorro de energía que se consigue en cada caso son:

Punto de luz Potencia del sistema Ahorro de energía
Reactancia Balasto electrónico
1x18 ó 1x16 25 W 20 W 20 %
2x18 ó 2x16 50 W 39 W 22 %
1x36 ó 1x32 45 W 36 W 20 %
2x36 ó 2x32 90 W 72 W 20 %
1x58 ó 1x50 70 W 56 W 20 %
2x58 ó 2x50 140 W 112 W 20 %

Agradecemos la extensa información de Javier García Fernández Mas Información

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