Universidad Politécnica Salesiana

DISEÑO

LAS LÁMPARAS

LÁMPARAS INCANDESCENTES

Principio del Alumbrado Incandescente.

Las lámparas de incandescencia tienen su fundamento en la Ley de Joule, ya que transforman la energía eléctrica en luminosa y calorífica, pues las radiaciones luminosas se emiten al ponerse al rojo el filamento.

El filamento es un conductor de muy alto punto de fusión, para evitar que se funda. El material que se utiliza para los filamentos de las lámparas es el wolframio, cuyo punto de fusión es del orden de los 3400ºC. El wolframio también se llama tungsteno y se utilizan indistintamente los dos nombres.

La temperatura media del filamento de una lámpara de incandescencia es del orden de los 2000ºC, razón por la cual no se funden. De todas formas, si el filamento estuviese a la interperie se combinaría con el oxígeno del aire y se destruiría por oxidación; por esta razón el filamento tiene que estar en el interior de una ampolla de vidrio en la que se ha hecho el vacío o se ha introducido un gas inerte ,como puede ser el xenón, el nitrógeno, etc.

Después de un tiempo de funcionamiento se produce la evaporación del material que forma el filamento, se ennegrece la ampolla y disminuye su intensidad luminosa poco a poco hasta que se rompe, se dice entonces que se ha fundido.

La vida media de una lámpara de incandescencia es de 1000 horas pero esto no quiere decir que no pueda fundirse a las10 horas o las 5000 horas.

Los conductores que permiten el paso de corriente desde el exterior (casquillo) al filamento y a su vez sirven de soporte de éste son de una aleación especial, que tiene el mismo coeficiente de dilatación que el vidrio y se llama platinita.

Lamparas de filamento incandecentes: Las lámparas de este tipo son fuentes de luz en las que la luz se produce por un filamento calentado a incandescencia por una corriente eléctrica. De todas las fuentes luminosas que por lo general se usan, las lámparas incandescentes tienen el menor costo inicial, la eficacia luminosa más baja y la vida más corta. Como se muestra en la figura 26-3, las partes principales de una lámpara de filamento incandescente son el filamento, bombilla, base y gas de relleno.

Filamento: La eficacia de la producción de luz de las lámparas incandescentes depende de la temperatura del filamento. El tungsteno, debido a su alto punto de fusión (3655K), más alto que el de todos los otros elementos excepto el carbono, es el material más común para fi lamentos que se usa en la actualidad. Las formas, tamaños y construcciones de soporte del filamento varian con los tipos diferentes de lámparas, lo que está determinado por el uso de la lámpara. Las formas de los filamentos se desiguan por una letra o grupo de letras seguido de un número arbitrario. Véase la figura 264. Las letras más comúnmente usadas son la C, que designa un filamento de bobina helicoidal; CC, por un filamento de bobina o doble filamento helicoidal; y S por un alambre recto sin enrollar. El enrollado del filamento aumenta la eficacia luminosa de la lámpara; un doble enrollado del filamento aumenta aún más su eficacia.

Los problemas mecánicos asociados con los filamentos de tungsteno hacen que la lámpara incandescente sea una estructura inherentemente compacta y de estruc­tura algo esférica. La longitud y diámetro del filamento limitan su escala de operación entre 1.5 y 300 V. A 1.5 Y, el filamento es muy corto y grueso, y se hace dificil calentarlo sin que se aumente en forma excesiva la temperatura de sus hilos de soporte, pero las lámparas de la clase de bajo voltaje (de 6 a 12 volts), son relativa­mente robustas y resistirán los impactos en vehículos a motor y aplicaciones similares. A voltajes cercanos a 300 volts, el filamento es muy largo y delgado, frágil y dificil de soportar.

Bombillas (o focos): La forma, tamaño, material y acabado de las bombillas varian según las necesidades de su aplicación. Las formas van de tubulares a esféricas y de parabólicas a forma de llama. Las bombillas se designan con una letra que se refiere a la forma (véase Fig. 26-5) y por un número que es el diámetro máximo en octavos de pulgada; por ejemplo, A-19 designa una bombilla en forma de A con un diámetro de 19/8 o 23/8 pulgadas.

La mayor parte de las bombillas están hechas de vidrio suave de plomo ocal, aunque también se usa vidrio duro de gran resistencia al calor en aplicaciones de alta tempera­tura, esmerilados en su interior para difusión moderada de la luz sin reducción aprecia­ble en la salida de luz. Las bombillas transparentes y sin esmerilar se usan cuando se requiere control preciso de luz desde un punto o fuente de línea. Para otras lámparas se utiliza vidrio de cuarzo fundido o de alto sílice.

Tipos de bases: Los tipos de bases también varían según las necesidades, desde el tipo de tornillo para la mayor parte de las lámparas de uso general, hasta los tipos de doble poste y preenfoque en donde es importante un alto grado de precisión en la posición de la lámpara, como es el caso de sistemas de proyección. En la figura 26-6 se muestran algunas formas típicas de bases, cuyo tamaño también varía según sea la potencia de la lámpara, para disipación de calor y voltaje.

Gas de relleno: El gas de relleno se utiliza en lámparas de filamento incandes­cente para reducir la rapidez de evaporación del filamento calentado. En la actualidad se utilizan gases inertes como el nitrógeno, argón y kriptón, este último se usa en casos donde se justifique su costo por la mayor eficacia o la más larga duración (vida útil) de la lámpara. Por ejemplo, una lámpara de 90 W de kriptón "ahorradora de luz" produce de 7 a 8% menos luz con la misma duración que una bombilla estándar de 100 w.

Se fabrican muchas lámparas tipo PAR, regulares y tubulares con un gas halógeno de relleno, para mejor mantenimiento lumínico, más luz, vida útil más larga o con las dos últimas características. Llamadas "de tungsteno halógeno", sus filamentos operan a temperturas más altas que las lámparas incandescentes regulares, producen luz de temperaturas más altas de color y tienen una vida útil más larga para una salida dada de luz. Para aplicaciones que justiliquen el mayor costo de la lámpara, una lámpara de tungsteno halógeno de 90 W y 2000 horas, por ejemplo, tiene la misma salida inicial de luz que la lámpara estándar de 100 W y 750 horas, con mejor mantenimiento lumínico durante toda su vida útil que es más larga.

Características de energía: Sólo un pequeño porcentaje de la radiación total de las lámparas incandescentes está en el espectro visible, con la mayor parte en el espectro inftarrojo. A medida que aumenta la temperatura del filamento, la eficacia luminosa aumenta con un máximo de 53 lm/W para un alambre de tungsteno no enrollado en su punto de fusión. Para prolongar su duración, las lámparas que se encuentran en la práctica operan a una temperatura que está muy por debajo del punto de fusión.

Clases de lámparas incandescentes: Las lámparas incandescentes se clasifican en: Lámparas grandes, lámparas miniatura y lámparas fotográficas. Las lámparas grandes se utilizan normalmente, para alumbrado general en interiores y exteriores así como para alumbrado de trabajo. Las lámparas miniatura se usan en general en la industria automotriz, aviación y aparatos. Las lámparas fotográficas, se usan en fotografía y en servicios de proyección.

Clasificación de lámpras grandes:

Servicio general: Son para alumbrado general en circuitos de 120V y sus capacidades van de 10 a 1500 W se fabrican lámparas para 130 o más volts.

Alto voltaje (220 a 300)V: Estas lámparas operan directamente en circuitos de 220 a 300V; son menos robustas y tienen menor eficacia que las lámparas para servicio general.

Larga duración: Tienen una vida útil de 2500 horas o más y se usan en aplicaciones en donde una falla de lámparas en un inconveniente.

Alumbrado general de tungsteno halógeno: Son compactas, tienen mejor mantenimiento de lumen, emiten luz más blanca y tienen una vida más larga. Todas estas se clasifican a 12V

Reflectoras:En lámparas de proyector y en reflectoras, la bombilla se fabrica en una sección moldeada en forma de difusor cóncavo de perfil parabólico o de otro tipo apropiado, en cuya superficie interior se encuentra una superficie metálica reflectora.

Alumbrado público: Se fabrican para iluminación en serie y múltiple; se clasifican por su salidad e lúmens y ejnj watts.

Lámparas decorativas: Se fabrican lámparas incandescentes en muchas formas de bombillas, con diferentes bases y potencias.

Rendimiento del alumbrado incandescente.

Es el que tienen rendimiento más bajo, ya que la emisión luminosa va acompañada de gran cantidad de calor, porque las ondas luminosas están en la zona de los infrarrojos del espectro, por esta razón el alumbrado incandescente tiene color rosáceo. El rendimiento medio de las lámparas incandescentes es de unos 15 lúmenes por vatio.

El rendimiento de estas lámparas depende también del tipo y proporción del gas de relleno. Se suele utilizar una mezcla de nitrógeno y argón, en proporciones distintas según las características que se quieran obtener.

LÁMPARAS FLUORESCENTES

Principio del Alumbrado Fluorescente.

Este tipo de alumbrado se basa en la emisión de radiaciones ultravioleta producida por el vapor de mercurio, que al chocar contra las sustancias fluorescentes se transforma en energía luminosa visible.

El proceso general de funcionamiento de un equipo fluorescentees el siguiente:

Un equipo fluorescente están formadoS por un tubo, reactancia, cebador y portatubo.

Las lámparas fluorescentens son de descarga eléctrica y de mercurio de baja presión, en las que un recubrimiento de fósforo transforma en luz parte de la energía ultravioleta generada por la descarga. Las partes principales de una lámpara fluorescente son: bombilla; electrodos; gas de relleno; recubrimiento de fósdforo y bases. Las lámparas fluorescentes se fabrican principalmente en cuatro tipos:

Lámparas fluorescentes compactas: Son aquellas fluorescentes que el tamaño regular se ha reducido para facilitar la conexión en las típicas lámpraras incandescentes.

LAMPARAS DE DESCARGA DE ALTA INTENSIDAD

Descarga de alta intensidad (HID): Abarca lámparas de mercurio, de alógeno metálico y de sodio de alta presión.

Lámpara de mercurio:Es una lámpara de descarga eléctrica en la que la mayor parte de la radiación se propduce por la excitación de átomos de mercurio.

LAMPARAS DE VAPOR DE MERCURIO

Las lámparas de vapor de mercurio son de gran utilidad en la industria, debido a su gran poder de iluminación.

Las lámparas de vapor de mercurio las podemos dividir en dos grupos: de alta y de baja presión.

De baja presión: Tenemos los tubos fluorescentes (que hemos visto en cuya longitud de onda corresponde al ultravioleta y es de unos 2500 A.

De alta presión: Esta radiación es pequeña y por eso otras radiaciones son las principales. La temperatura que alcanza es de centenas de grado, lo que obliga al empleo de cuarzo, en forma semejante a las de vapor, de sodio. El tubo principal va situado dentro de una ampolla de vidrio con gas inerte para la refrigeración y protección de las entradas de corriente.

Las propiedades de las de alta presión son: gran desprendimiento de calor y de rayos ultravioletas, que el cuarzo deja pasar pero que la ampolla de vidrio retiene.

El tubo de descarga, además del mercurio, contiene gas argón que es necesario para la inhalación de la descarga. El vapor que se desprende vaporiza el mercurio, que aumenta la presión y la temperatura; al cabo de tres o cuatro minutos se alcanza el equilibrio y el argón deja de influir en la emisión de luz. Para facilitar el cebado se utiliza un electrodo auxiliar que está muy próximo a uno de los principales y unido al opuesto mediante una resistencia de grafito grande que va en el interior de la ampolla. La distancia entre estos dos electrodos es muy pequeña, por lo que salta el arco en forma instantánea y se inicia el cebado. Una vez que se ceba, la corriente por el electrodo auxiliar es despreciable debido a la gran resistencia del grafito.

El espectro del mercurio está formado por las cuatro radiaciones siguientes: violeta, azul, verde y amarillo. Su tonalidad es, por tanto, azul verdoso.

El rendimiento luminoso es del orden de los 40 a 50 lúmenes por vatio.

La esterilización de las lámparas se obtiene con ayuda de bobinas para 220 V y con transformadores de fugas magnéticas para una lámpara de vapor de mercurio no puede volver a encenderse inmediatamente después de apagarse, porque, debido a la alta presión, la tensión debería ser mucho mayor.

Se utiliza para la iluminación de parques y jardines, ya que realiza el colorido verde y la fondosidad. También se utiliza para observación de superficies metálicas pulidas.

Lámpara de halogenuro a haluro metálico: Es una lámpara de descarga eléctrica en la que la luz se produce por la radiación de una mezcla excitada de un vapor metálico (Hg) y los productos de la disociación de halogenuros.

Lámparas de sodio a alta presión: Es una lámpara de descarga eléctrica en la que la radiación se produce por la excitación de vapor de sodio en el que la presión parcial del vapor durante la operación es del orden de 104N/m2.

LAMPARAS DE VAPOR DE SODIO

Son las lámparas de descarga en atmósfera gaseosa, luego necesitarán un tiempo de precalentamiento.

Las lámparas de vapor de sodio están formadas por un tubo en forma de /U/, de vidrio o cuarzo, que lleva una serie de nudosidades para que se condense el sodio y se deposite en ellas. En el interior de este tubo va gas neón y sodio. Los electrodos son filamentos con recubrimiento especial, para mejorar la comisión electrónica, y van en los dos extremos del tubo en /U/. El casquillo es de bayoneta. El tubo principal va en el interior de otro de vidrio, en el que se ha hecho el vacío. La posición de funcionamiento de estas lámparas es horizontal y admiten muy poca inclinación.

El encendido, como en todas las lámparas de descarga, se hace con reactancias del tipo de autotransformadores de fugas magnéticas.

La primera descarga se hace sobre el neón que da una luz de coloración roja. Cuando se volatiza el sodio (270ºC) esta coloración se transforma en amarillo-anaranjado. La longitud de onda de las lámparas de sodio es de 5890 A (entre amarillo y naranja); por esta razón su rendimiento luminoso es muy elevado, pero no se pueden distinguir los colores: todo se ve casi del mismo tono.

El alumbrado de sodio tiene la ventaja de que da gran comodidad visual, gran rapidez de percepción y mejora la agudeza visual.

Las aplicaciones fundamentales del alumbrado de sodio son:

• Alumbrado de carreteras y túneles.

• Alumbrado de canteras, obras y parques de almacenamiento.

• Alumbrado de talleres de forja y metalúrgicos.

• Alumbrado de vías de clasificación.

• Alumbrado de pistas de aterrizaje.

LAMPARAS DIVERSAS

Lámparas de sol(de mercurio): Los rayos eritérmicos se transmiten 280 a 320nm por bombillas especiales de vidrio de tipo de cuarzo. Los generadores y bombillas tipo de arco que parecen lámparas reflectoras convencionales son las dos clases más comunes.

Lámparas luminiscentes (de neón, argón y otras) Cuando se aplica suficiente voltaje a los electrodos sellados dentro de un tubo que contiene argón, neón o helio se produce luz en el electrodo negativo. En corriente directa, brilla un electrodo; en corriente alterna, la inversión es tan rápida que ambos electrodos parecen brillar.

Las lámparas luminiscentes han encontrado amplio uso en circuitería electrónica, en donde se funcionamiento es prácticamente el de un interruptor instantáneo.

Lámparas electroluminiscentes: Es una fuente área fina en la que la luz se produce por un fósforo excitado por un campo eléctrico pulsatorio. En esencia la lámpara en un capacitador de placas con fñosforo incrustado en su dieléctrico y con una o ambas placas tansparentes.

Lámparas de luz negra: La energía radiante del ultravioleta cercano ocaciona que ciertos materiales emitan luz fluorescente o blanca, las lámparas que producen básicamente energía radiante en el ultravioleta cercano en la escala de 320 a 380 nm son conocidas como luces “negras”.

Se usan para efectos publicitarios en los teatros, inpección de industrias y de alimentos, detección de falcificaciones y adulteraciones, diagnósticos médicos, trampas para insectos equipo de copiado.