UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL Facultad Regional Río Grande Departamento de Electrónica APUNTES de CATEDRA MAQUINAS e INSTALACIONES ELECTRICAS ** LUMINOTECNIA ** Prof. Ing. Omar V. DUARTE Edición Octubre 2002 Universidad Tecnológica Nacional – Facultad Regional Río Grande – Ingeniería Electrónica Cátedra de Máquinas e Instalaciones Eléctricas Pag 1 Docente Ing. Omar V. Duarte Luminotecnia TIPOS de LAMPARAS Lámparas incandescentes Su principio de funcionamiento es simple; se hace circular una corriente eléctrica por un delgado hilo conductor (filamento) hasta que este alcanza una temperatura tan alta que se torna capaz de emitir radiaciones visibles por el ojo humano, tal como vimos al estudiar el fenómeno de la temperatura del color. Con el objeto de proteger al filamento de su rápida oxidación por contacto con el aire, se le encierra en una envoltura de vidrio llamada ampolla o bulbo, rellenándose su interior con un gas inerte (mezcla de nitrógeno y argón ó criptón) que retarda la oxidación mencionada y contribuye a la eliminación del calor generado por el filamento por conducción. La base o casquillo, tiene la misión de soportar la lámpara y conectarla eléctricamente al portalámparas. Los tipos de casquillo mas comunes son : de rosca media para lámparas domésticas cuya denominación técnica es Edison E-27 utilizado en lámparas de potencia inferior a 300W; de rosca Goliat (E-40) para potencias superiores; y bayoneta normalmente utilizado en lámparas del automotor. El filamento se construye normalmente de tungsteno o wolframio, que tiene las propiedades de un alto punto de fusión con una lenta evaporación. Las lámparas incandescentes tienen una duración normalizada de 1000 horas (uso domestico) ó de 2000 a 6000 horas (uso en alumbrado de calles), 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. Cuando aplicamos a la lámpara una tensión superior a la tensión nominal para la que ha sido diseñada 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. La siguiente gráfica nos muestra la variación característica de las magnitudes rendimiento, vida, potencia consumida, corriente, resistencia eléctrica y flujo luminoso en función de la tensión aplicada. Universidad Tecnológica Nacional – Facultad Regional Río Grande – Ingeniería Electrónica Cátedra de Máquinas e Instalaciones Eléctricas Pag 2 Docente Ing. Omar V. Duarte Variación de los parámetros en función de la tensión 1 80 400 1 60 350 1 40 300 1 20 250 1 00 200 80 150 60 100 40 50 20 0 0 40 60 80 1 00 1 20 1 40 Te nsion e n % Resistencia Corriente Potencia Rendimiento Luminoso Flujo Luminoso Vida Efecto de las variaciones de tensión (%) sobre las características de funcionamiento de las lámparas incandescentes Siempre debe tenerse en cuenta que el costo de la lámpara es inferior al costo de la energía, por lo tanto, resulta conveniente respetar el nivel de tensión para el cual fue diseñada, obteniendo así el mejor rendimiento de nuestra instalación. Durante el transcurso de la vida útil de la lámpara el filamento se evapora, produciendo dos efectos : ennegrecimiento del bulbo y degradación del flujo luminoso producido. Para minimizar el primero es conveniente montar la lámpara en posición vertical con la ampolla hacia abajo, acumulándose de esta forma el polvillo negro de tungsteno sobre la parte interna del casquillo y manteniendo limpio el bulbo. El segundo efecto es inevitable y solo nos queda la alternativa de diseñar convenientemente la instalación, para lo cual, utilizaremos la siguiente curva característica de degradación luminosa. Curva típica de degradación luminosa de la lámpara incandescente % de lúm enes iniciales por w att 120 100 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 % de vida norm al Datos de lámparas incandescentes Potencia (W) Flujo Luminoso (lm) Vida (hs) Eficiencia (lm/w) 25 40 60 100 150 200 300 500 750 1000 1500 2000 225 430 730 1380 2100 2950 4750 8450 13500 18500 27700 40000 1500 1500 1000 2500 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 8 10 10 11 14 15 16 18 18 18 19 19 Universidad Tecnológica Nacional – Facultad Regional Río Grande – Ingeniería Electrónica Cátedra de Máquinas e Instalaciones Eléctricas Pag 3 Docente Ing. Omar V. Duarte Lámparas incandescentes con halogenuros Si al gas con el cual se rellena una lámpara incandescente (nitrogeno+argon ó kripton) se le añade una cantidad de yodo, se produce en zonas de temperatura cercana a los 600°C una reacción química en la cual los átomos de tungsteno desprendidos del filamento se combinan con los de yodo obteniéndose yoduro de tungsteno. Estas moléculas siguen en el interior del bulbo un recorrido de acuerdo a las corrientes de convección existentes en la lámpara y al aproximarse al filamento, se produce la reacción inversa (separación del yodo y el tungsteno) debido a la alta temperatura. El tungsteno liberado se deposita sobre el filamento. La temperatura indicada de 600°C, sólo puede lograrse sobre el exterior de la lámpara, reduciendo el tamaño del bulbo y construyéndolo de cuarzo De acuerdo con lo anteriormente expresado citamos las siguientes ventajas de éste tipo de lámparas sobre las incandescentes comunes : - Mayor flujo luminoso pues el filamento puede trabajar a mayores temperaturas debido a la regeneración del tungsteno. - Mayor vida media (regeneración del tungsteno) - Menor degradación luminosa durante su vida útil por ausencia de depósitos de tungsteno sobre el bulbo Los bulbos de estas lámparas no deben tocarse con las manos para evitar su engrasamiento, lo que a altas temperaturas provoca la desvitrificación del cuarzo. Lámparas de vapor de mercurio Su principio de funcionamiento se basa en la producción de luz cuando una corriente eléctrica circula a través de un gas. Principales partes de una lámpara de mercurio El proceso se inicia con la aplicación de una diferencia de potencial entre dos electrodos inmersos en el gas, lo que provoca la ionización del mismo (liberación de electrones). Estos electrones se aceleran a gran velocidad y colisionan con los átomos del gas, alterándoles la estructura atómica. Dicha alteración consiste en el pasaje de los electrones de los átomos del gas a órbitas más alejadas del núcleo, con lo cual, según la teoría del átomo de Bohr, ganan energía. Esta situación de un electrón girando en una Universidad Tecnológica Nacional – Facultad Regional Río Grande – Ingeniería Electrónica Cátedra de Máquinas e Instalaciones Eléctricas Pag 4 Docente Ing. Omar V. Duarte órbita superior, torna muy inestable al átomo, que rápidamente vuelve al estado original (retorno del electrón a su órbita) liberando la energía recibida durante la colisión y emitiendo un fotón (luz). Prácticamente, en el interior de la lámpara, se encuentran un gas (argón) capaz de ionizarse muy rápidamente, iniciando el proceso descrito anteriormente y calentando pequeñas cantidades de mercurio (en estado líquido), el cual se vaporiza, proveyendo al medio la cantidad de átomos necesarios para emitir la suficiente cantidad de fotones. Este tipo de lámparas se construye con dos bulbos, uno interior sobre el cual están contenidos el gas y el mercurio, donde se produce el arco y otro exterior que protege al primero de los choques mecánicos y de temperatura. El espacio existente entre ambos bulbos, es rellenado con un gas inerte. La superficie interior del bulbo exterior se reviste de un compuesto de fósforo blanco que convierte una gran porción de la energía ultravioleta generada por el arco, en luz visible (generalmente dentro del espectro rojo). Esta solución técnica compensa el hecho de que la energía emitida durante la liberación de los fotones se hace en franjas definidas del espectro electromagnético, ya que por la misma teoría de Bohr, un electrón no puede tener cualquier estado energético, sino que está acotado a unos pocos estados que vienen determinados por la estructura del átomo, lo que prácticamente se traduce en una emisión de luz de colores específicos en las bandas de radiación del color violeta (405 mµ .), azul (435 mµ .), verde (546 mµ .) y amarillo (570 mµ .), emitiendo también una pequeña cantidad de radiaciones ultravioleta. Para el encendido de la lámpara, no se requiere circuito eléctrico auxiliar alguno, ya que el proceso se inicia por la simple aplicación de un potencial a los electrodos. Sin embargo, todo arco eléctrico posee una característica de resistencia negativa, lo que obliga a colocar una reactancia exterior en serie con el objetivo de limitar la corriente y evitar la destrucción de la lámpara. Además, con la finalidad de acelerar el proceso de ignición, se coloca un dispositivo “cebador” o “ignitor” que provoca un breve pico de sobretensión en los electrodos para iniciar la descarga y vencer así la resistencia inicial del gas al paso de la corriente eléctrica. Una desventaja importante de este tipo de lámparas, es que una vez desenergizadas (apagadas), no es posible volver a encenderlas rápidamente, ya que el vapor de mercurio se encuentra sobrecalentado y a una presión elevada. Prácticamente, dejando transcurrir 3 o 4 minutos la lámpara se enfría y será factible proceder a su reencendido. Para considerar la degradación luminosa pueden tomarse en forma general : una degradación del 12% a las 8000hs y un 20% a las 15000hs. La vida media ronda las 24000hs, aunque se recomienda su reemplazo luego de las 15000hs debido a la degradación luminosa mencionada . Curva típica de degradación luminosa de la lámpara de vapor de mercurio 100 % de lúm enes iniciales por w att 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 Horas de vida Lámparas mezcladoras Son un tipo de lámpara derivada de las de vapor de mercurio, a las cuales se les ha incorporado un filamento de tungsteno con el objeto de aportar a la luz total generada emisión de radiación en la zona roja del espectro. Universidad Tecnológica Nacional – Facultad Regional Río Grande – Ingeniería Electrónica Cátedra de Máquinas e Instalaciones Eléctricas Pag 5 Docente Ing. Omar V. Duarte Lámparas de vapor de sodio de baja presión Constan de dos ampollas de vidrio tubulares. La interna se encuentra dosificada con una pequeña cantidad de gas neón a baja presión y sodio puro (en gotas al estar frío). En los extremos hay dos filamentos de wolframio sobre los que se depositó un material emisor de electrones. La ampolla exterior provee protección térmica y mecánica. Al aplicar tensión entre los electrodos, el gas neón inicia el proceso produciendo la vaporización del sodio que tiene la particularidad de emitir luz en una franja muy especifica del espectro (amarillo a 5896 Amstrong). Coincidentemente, a esta frecuencia se encuentra la zona de mejor sensibilidad del ojo humano. Por esto, este tipo de lámparas son ideales para aquellos lugares donde se desarrollan actividades en las cuales no se busca obtener como resultado buenas definiciones de color, sino una mejor percepción del movimiento (zonas industriales de carga y estiba, estacionamientos vehiculares, calles, etc) La vida media ronda alrededor de las 15000hs y la eficacia luminosa es de 90lm/w. Para su encendido, necesitan una tensión de arranque de 400 a 600v, por lo cual en su circuito auxiliar debe conectarse reactancias autotransformadoras o reactancias de choque con arrancadores capaces de producir esos niveles pico de tensión Lámparas de vapor de sodio de alta presión Para compensar la pobre reproducción cromática de la lámpara de vapor de sodio, se las modifica aumentando la presión del vapor (lo cual produce una temperatura de trabajo mas elevada), se les agrega gas inerte (xenón) y una pequeña cantidad de mercurio para mejorar la emisión luminosa en otra zona del espectro. Universidad Tecnológica Nacional – Facultad Regional Río Grande – Ingeniería Electrónica Cátedra de Máquinas e Instalaciones Eléctricas Pag 6 Docente Ing. Omar V. Duarte Datos de lámparas de descarga Tipo de lámpara Corriente Flujo Potencia nominal Vida Potencia de la de la Luminoso de balasto+lámpara (hs) lámpara (W) lámpara (lm) (W) (A) Vapor de mercurio 250 400 1000 50 125 250 700 2000 160 250 500 55 90 135 70 150 400 1000 Vapor de mercurio de color corregido Vapor de mercurio mezcladoras Vapor de sodio de baja presión Vapor de sodio de alta presión 2,10 3,20 7,50 0,60 1,15 2,15 5,40 8,00 0,75 1,20 2,40 0,59 0,94 0,95 1,00 1,80 4,40 10,30 12750 22500 52000 1850 5900 12700 39000 125000 3000 5700 14000 7700 12500 21500 5800 13500 50000 130000 270 430 1045 59 140 270 735 2060 77 114 173 83 170 436 1060 Lámparas fluorescentes Su principio de funcionamiento es similar al de la lámpara de mercurio, de la cual difiere básicamente en que trabaja a una presión de vapor mucho menor y que el fósforo que recubre el interior del tubo tiene la propiedad de activarse por las radiaciones de onda corta ultravioleta generadas por un arco eléctrico de baja tensión. La relación de generación de luz por arco y por fluorescencia es 90%/10% en las lámparas de mercurio, y 10%/90% en los tubos fluorescentes. Las lámparas fluorescentes se construyen normalmente en forma de tubos cilíndricos de diámetros y longitudes variables en función de la potencia. Resulta interesante analizar el fenómeno de arranque y funcionamiento de las lámparas fluorescentes a través de un circuito típico de montaje. CIRCUITO TIPICO de CONEXIONADO y PRINCIPIO de FUNCIONAMIENTO del TUBO FLUORESCENTE Luz visible Gas argón Filamento o cátodo Atomo de Mercurio Reactancia Electrones libres Radiación ultravioleta Capa fluorescente Bimetal Arrancador Gas argón 220 V Capacitor El circuito consta de : Tubo fluorescente, Reactancia, Arrancador y Capacitor .Al conectar el circuito a la red de energía, la tensión queda aplicada a los terminales del arrancador y es suficiente para producir la ionización del gas argón contenido dentro de la ampolla de vidrio. Esta ionización permite el establecimiento de un pequeño arco eléctrico que aumenta la temperatura del bimetal, produciendo su deformación, la cual está calculada para aproximar la lámina al electrodo abierto, cerrando el circuito. A partir de este instante, la tensión queda establecida entre ambos filamentos del tubo, siendo suficiente para calentarlos y lograr la vaporización del mercurio contenido en el interior del Universidad Tecnológica Nacional – Facultad Regional Río Grande – Ingeniería Electrónica Cátedra de Máquinas e Instalaciones Eléctricas Pag 7 Docente Ing. Omar V. Duarte 16000 16000 12000 16000 16000 16000 12000 12000 6000 6000 6000 10000 10000 10000 24000 24000 24000 24000 tubo e iniciar el proceso de emisión de electrones en el interior del tubo. El bimetal del arrancador se enfría, retorna a su posición original, produciendo la apertura brusca del circuito, que genera en la reactancia una sobretensión que queda aplicada a través de los filamentos al interior del tubo, donde ya se encuentra el mercurio vaporizado y una gran cantidad de electrones liberados colisionando con los átomos de mercurio y produciendo energía radiante en la franja del ultravioleta. Estas emisiones alcanzan la pared interior del tubo, la cual se halla recubierta de una capa de pintura fluorescente, que transforma esta energía ultravioleta en radiación visible. Esta descarga en el interior del tubo tiene características de resistencia negativa, por lo tanto es ahora la reactancia (también llamada balasto) quien limita la corriente que circulará permanentemente en el circuito. Por último, el capacitor conectado en paralelo con la red, realiza la compensación del factor de potencia del circuito que es muy inductivo debido a la presencia de la reactancia. Además, existe otro capacitor (no dibujado en el esquema) que se encuentra conectado entre los terminales del arrancador, cuya misión es filtrar las interferencias que éste pueda ocasionar sobre las bandas de TV y radio. Los modelos mas comunes de lámparas fluorescentes corresponden a las potencias de 20 W, 40 W, y 65 W, con una longitud del tubo variable con la potencia y un diámetro de 36 mm. Otra nueva línea de mayor rendimiento luminoso existente en el mercado, de potencias 18 W, 36 W y 56 W, con un diámetro de sólo 26 mm. La vida media de los tubos fluorescentes es del orden de 7.500 horas y la depreciación del flujo luminoso es aproximadamente del 25%. La eficacia real resultará ser la relación entre el flujo luminoso y la potencia activa total consumida; en general es de 33 a 68 Lm/W. Datos de lámparas fluorescentes Tensión de Corriente de Flujo Potencia (W) la lámpara lámpara (A) Luminoso (lm) (V) 15 20 30 40 65 46 57 81 103 110 0,36 0,37 0,405 0,43 0,67 500 650 1140 1750 2820 Curva típica de degradación luminosa de la lámpara fluorescente 100 % de lúm enes iniciales por w att 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Horas de vida Universidad Tecnológica Nacional – Facultad Regional Río Grande – Ingeniería Electrónica Cátedra de Máquinas e Instalaciones Eléctricas Pag 8 Docente Ing. Omar V. Duarte 7000