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Lámparas incandescentes modernas
-/2002
Lámparas incandescentes modernas
Redacción SicaNews [ newsletter@sicaelec.com
]
Resumen:
En este artículo se describen las características de los distintos tipos y modelos de lámparas incandescentes con atmósfera inerte y halogenada que se fabrican en la actualidad.
Desarrollo:
Características generales
Las fuentes luminosas de alimentación eléctrica que se emplean actualmente comprenden un espectro considerable de lámparas que funcionan según distintos principios, tienen diferentes aplicaciones y necesitan o no de equipos auxiliares para su operación.
En este artículo nos detendremos en el examen de las lámparas incandescentes que habitualmente se utilizan para iluminación de distintos tipos de locales.
Al respecto, cabe considerar que la permanencia del uso de este tipo de lámparas a lo largo del tiempo se debe tanto a la calidad de la iluminación obtenida como a la sencillez de los dispositivos necesarios para implementar el sistema y al bajo costo unitario.
En efecto, como no necesitan equipo auxiliar para su funcionamiento, resultan de bajo costo inicial y de fácil instalación. Asimismo tienen factor de potencia unitario, no producen efecto estroboscópico, no generan radiointerferencias y pueden usarse con corriente continua y alterna de diversas frecuencias; pudiendo funcionar aún con caídas de tensión muy pronunciadas (aunque con menor rendimiento).
Otro aspecto conveniente que presentan estas lámparas es que encienden y reencienden instantáneamente a plena potencia, con poca afectación de su vida útil; lo que las hace muy recomendables para iluminación de seguridad o en lugares donde la necesidad de alumbrado no es continua, sino por períodos cortos.
Con excepción de algunas lámparas muy especiales, pueden funcionar en cualquier posición. Además pueden obtenerse fuentes de luz casi puntuales, lo que las hace muy aplicables para efectos especiales por medio de sistemas ópticos relativamente sencillos.
Pero esta técnica de iluminación incandescente resulta difícil de mejorar en cuanto a su rendimiento en términos de conversión energética, aunque desde su invención en 1879 se han logrado varias mejoras que han elevado la eficiencia y duración de este tipo de lámpara.
Si bién no hay un completo acuerdo sobre quién ha sido el "verdadero" inventor de la lámpara incandescente, no cabe duda que fue Edison quién inventó el primer modelo con viabilidad comercial, en conjunto con los accesorios de conexión necesarios para el montaje del sistema.
En las lámparas incandescentes la luz se produce por termorradiación: se calienta un cuerpo hasta una temperatura elevada, a la cual se pone incandescente, emitiendo de esta forma radiaciones electromagnéticas de diferentes longitudes de onda, como las del sol. O sea que la cantidad de luz depende de la temperatura absoluta del radiador. Con este proceso se produce energía en forma de calor y de luz, siendo esta última el 5 % del total de energía consumida.
Esto se debe a que la generación de radiaciones electromagnéticas por los cuerpos calientes obedece a leyes naturales que dejan poco margen de maniobra para mejorar la situación. Al respecto hay que considerar que un cuerpo emisivo ideal (cuerpo negro) emite un espectro continuo de radiaciones en un amplio rango de longitudes de onda. La cantidad de energía que se emite no es igual para todas las longitudes de onda (o frecuencias), sino que la curva representativa tiene la forma de uan campana asimétrica, con un máximo en cuyo entorno se encuentra la mayor parte de la energía que se emite. La posición de este máximo y el menor ancho relativo de la campana son funciones fuertemente crecientes con la temperatura. Con temperaturas de 2600 K el máximo de la emisión se encuentra en la zona del infrarrojo y sólo una pequeña parte cae dentro del espectro visible.
En las lámparas modernas, el cuerpo que se lleva a la incandescencia es un filamento espiralado de tungsteno que, como consecuencia de la circulación de corriente por el mismo, se calienta hasta los 2600 / 3000 K en una ampolla cuya atmósfera consta de una mezcla de gases, pero no contiene oxígeno (para evitar que se queme). En las lámparas económicas de baja potencia el espiralado del filamento es simple, mientras que en el resto es doble. También existen modelos con filamento reforzado para soportar vibraciones.
Habitualmente los conductores internos que llevan la corriente de y hasta el filamento constan de tres partes: una de niquel entre el filamento y el extremo del tubo o vástago de vidrio, otra intermedia de aleación de hierro y niquel con un recubrimiento de cobre que atraviesa el vidrio y se caracteriza por tener el mismo coeficiente de dilatación que este para obtener un cierre hermético, y por último, una tercera parte de cobre que llega hasta el casquillo. En este último tramo se intercala un alambre fusible para proteger al resto de la instalación en caso de un cortocircuito interno.
El filamento es mantenido en su posición mediante soportes de molibdeno, en los que se usa la menor cantidad posible de material para reducir las pérdidas de energía por conducción de calor. Estos soportes se vinculan a una varilla de vidrio macizo que termina en una lenteja o botón también de vidrio.
Para la conexión al circuito externo generalmente se dispone de un casquillo de bronce o de aluminio, que se fabrica con diferentes ejecuciones a bayoneta (B22 y otras) o a rosca (E14, E27, E40).
La ampolla puede ser de vidrio o de cuarzo; transparente, opalino, esmerilado, de color o pintado según el modelo. La forma de esta ampolla adopta diferentes variantes como vela, balón, perfume, gota, esférica, tubular, etcétera. Asimismo puede contener un reflector formado mediante el espejado interno de dicha ampolla.
Uno de los problemas que presenta este tipo de lámpara es la evaporación del material del filamento y el depósito del material desprendido en la cara interna de la ampolla
Este fenómeno se traduce en un ennegrecimiento de la ampolla, que obstaculiza el paso de la luz, y fundamentalmente, produce un paulatino estrechamiento y posterior rotura del filamento, que es el motivo principal de la terminación de la vida útil de este tipo de lámparas, que ronda las 1000 / 2000 horas.
Estas lámparas se fabrican en una gama de potencias prácticamente ilimitada, lo que permite su aplicación para los mas diversos usos. Los modelos para iluminación general se fabrican normalmente entre 15 y 1500 W, con otros 10 valores intermedios de potencia. También existe una gran variedad en las tensiones nominales: 6 V, 12 V, 24 V, 110 V, 220 V, 250 V, y muchas otras más.
Además se fabrican lámparas incandescentes para una serie de aplicaciones especiales tales como iluminación de estudios, quirófanos, balizamiento, secado infrarrojo, antiinsectos, proyectores, linternas, etcétera.
Estas lámparas pueden clasificarse de la siguiente manera:
1 Incandescentes de atmósfera inerte
2 Incandescentes de atmósfera halogenada
A continuación presentaremos las principales características de cada una de estas lámparas.
1 - Incandescentes de atmósfera inerte (comunes)
La atmósfera interior de la ampolla de vidrio contiene una mezcla de gases inertes que no reaccionan con el filamento, siendo la combinación mas difundida la de 86 % de argón y 14 % de nitrógeno. Esta mezcla se introduce en el bulbo a una presión del 80 % de la atmosférica, alcanzándose el equilibrio cuando los gases elevan su temperatura, al funcionar la lámpara.
Se distinguen porque emiten una luz agradable y cálida.
No necesitan equipos auxiliares para su encendido y reencendido, siendo éste instantáneo.
Existe en el mercado gran variedad de formas, tamaños, potencias y colores; con y sin reflector incorporado.
Su posición de funcionamiento es universal y se proveen con casquillos a rosca o a bayoneta.
La emisión luminosa decrece gradualmente en el transcurso de su vida útil, ya que el filamento se evapora parcialmente, con lo que disminuye su sección, aumenta su resistencia y además produce un ennegrecimiento del bulbo.
A pesar de su corta vida útil, los costos de reposición involucrados resultan mínimos.
Vida útil: reducida, aproximadamente 1.000 hs; esto no excluye que algunas puedan fallar en forma prematura y otras duren más de lo especificado. Además debe considerarse que cualquier aumento de la tensión aplicada produce un gran acortamiento de su vida útil.
Eficacia luminosa: 8 a 20 lm/W. Esta eficiencia reducida hace necesario instalar una mayor cantidad de luminarias, con el consiguiente aporte de calor en los locales.
En el encendido en frío absorben hasta 14 veces la intensidad nominal.
La influencia de la temperatura ambiente sobre el flujo luminoso es prácticamente nula.
Reproducción cromática: óptima: Ra = 100 (índice de reproducción del color).
Aplicaciones: por su fácil instalación y bajo costo, son las lámparas con mayor número de aplicaciones, especialmente en el hogar donde su uso aún no ha sido reemplazado por otro tipo de lámparas.
Debido al gran escalonamiento en las potencias fabricadas, casi todas las exigencias de alumbrado se pueden satisfacer mediante este tipo de lámparas.
2 - Incandescentes de atmósfera halogenada (cuarzo-iodo y halógenas)
La atmósfera interior de la ampolla contiene una mezcla de gases inertes que no reaccionan con el filamento, como el argón y el nitrógeno; pero en estas lámparas se agrega una determinada cantidad de elementos halógenos, como iodo o bromo, que se van combinando con el tungsteno que se evapora, para luego restituirlo al filamento.
La mezcla se introduce en el bulbo a una presión mayor que la atmosférica (hasta 10 veces), disponiéndose de un bulbo fabricado generalmente con cuarzo para soportar las mayores temperaturas de trabajo que se emplean en estas lámparas.
El tungsteno que se evapora del filamento se combina con el iodo (o el halógeno correspondiente) en las cercanías de la ampolla, en la zona de los 500 K, formando ioduro de tungsteno en estado gaseoso, que en ese estado permite pasar el flujo luminoso. El flujo gaseoso de convención dentro de la ampolla lleva esa molécula hacia el filamento, donde en la zona de los 1800 K se disocia en iodo y tungsteno. El halógeno queda libre para repetir el ciclo y el tungsteno es captado por el filamento, el que de esta forma se va regenerando.
Esta regeneración no es perfecta, pues el átomo que regresa al filamento no se deposita en el mismo lugar del que partió. Sin embargo, con este ciclo de trabajo, se obteniene una mayor duración de la lámpara, una mas alta constancia del flujo luminoso al no ennegrecerse la ampolla y un mayor rendimiento por las altas temperaturas usadas.
Un aspecto a tener en cuenta es que para la atenuación de estas lámparas no resulta recomendable reducir la tensión por debajo del 60 % del valor nominal, ya que de lo contrario no se alcanzan las temperaturas internas necesarias para el establecimiento del ciclo del halógeno.
Algunas lámparas se conectan directamente a la red y otras trabajan a tensión reducida, generalmente de 12 V, por lo que precisan un transformador que reduzca la tensión aplicada para poder funcionar. Este transformador debe ser de buena calidad, ya que por un lado estas lámparas no soportan sobretensiones y por otro si la tensión baja mucho, se obtiene una luz amarillenta, bajando el rendimiento.
Los transformadores para varias lámparas deben tener una muy buena regulación, siendo el límite práctico de 300 W, considerando que las altas corrientes resultantes en 12 V pueden dar lugar a importantes calentamientos en las conexiones a las borneras por la resistencia de contacto presente. Por eso en muchos casos se recomienda el uso de uniones soldadas. También hay que prestar atención a la caida de tensión que se produce en los cables que alimentan a las lámparas, por efecto de las elevadas intensidades involucradas.
Asimismo, estos transformadores deben estar construidos para soportar las temperaturas elevadas que se presentan en los compartimientos estrechos y mal ventilados en los que suelen montarse, situación que se agrava por la acción del calor generado por la lámpara. Por ello, estos transformadores suelen tener un protector térmico incluido.
Estas lámparas se fabrican en forma de tubos rectos para proyectores (tubos de cuarzo-iodo) o con bulbo protector con base a rosca o bi-pin (halógenas compactas). Estas últimas se presentan en diferentes versiones, tamaños, formas y potencias, con o sin reflector incorporado para obtener haces de luz muy concentrados. Este reflector puede ser metálico parabólico o dicroico facetado, que dirige la radiación infrarroja, enviándola hacia atrás, lo que resulta particularmente útil para iluminar productos sensibles al calor (como por ejemplo alimentos).
Tienen un tamaño reducido, lo que permite su utilización en luminarias pequeñas.
Requieren portalámparas preparados para soportar las altas temperaturas de trabajo.
Su luz es más blanca y más brillante que las incandescentes comunes, con temperaturas de color de 2600 / 3000 K .
El flujo luminoso permanece constante a lo largo de toda su vida útil, ya que el ciclo del compuesto halógeno evita el ennegrecimiento del bulbo.
Posición de funcionamiento universal.
Vida útil típica: 2.000 hs, el doble que las lámparas incandescentes comunes, siendo también afectada por la tensión.
Eficacia luminosa: 20 a 25 lm/W.
Reproducción cromática: excelente Ra = 100.
Aplicaciones: interiores de vivienda, comercios, vitrinas y en toda aquella aplicación que requiera efectos decorativos, de acentuación o una cuota extra de brillo.
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