Una lámpara es un convertidor de energía. Aunque puede realizar funciones secundarias, su finalidad principal es la transformación de la energía eléctrica en radiación electromagnética visible. Hay muchas maneras de crear luz. El método estándar para crear iluminación general es la conversión de energía eléctrica en luz.

tipos de luz

Incandescencia

Cuando los sólidos y los líquidos se calientan, emiten radiación visible a temperaturas superiores a 1,000 K; esto se conoce como incandescencia.

Tal calentamiento es la base de la generación de luz en las lámparas de filamento: una corriente eléctrica pasa a través de un delgado alambre de tungsteno, cuya temperatura se eleva a alrededor de 2,500 a 3,200 K, dependiendo del tipo de lámpara y su aplicación.

Este método tiene un límite, que se describe en la Ley de Planck para el rendimiento de un radiador de cuerpo negro, según el cual la distribución espectral de la energía radiada aumenta con la temperatura. Aproximadamente a 3,600 K y más, hay una marcada ganancia en la emisión de radiación visible, y la longitud de onda de máxima potencia se desplaza hacia la banda visible. Esta temperatura está cerca del punto de fusión del tungsteno, que se utiliza para el filamento, por lo que el límite de temperatura práctico es de alrededor de 2,700 K, por encima del cual la evaporación del filamento se vuelve excesiva. Un resultado de estos cambios espectrales es que una gran parte de la radiación emitida no se emite como luz sino como calor en la región infrarroja. Por lo tanto, las lámparas de filamento pueden ser dispositivos de calentamiento eficaces y se utilizan en lámparas diseñadas para el secado de impresiones, la preparación de alimentos y la cría de animales.

Descarga eléctrica

La descarga eléctrica es una técnica utilizada en las fuentes de luz modernas para el comercio y la industria debido a que la producción de luz es más eficiente. Algunos tipos de lámparas combinan la descarga eléctrica con la fotoluminiscencia.

Una corriente eléctrica que pasa a través de un gas excitará a los átomos y moléculas para que emitan radiación de un espectro que es característico de los elementos presentes. Se utilizan comúnmente dos metales, el sodio y el mercurio, porque sus características proporcionan radiaciones útiles dentro del espectro visible. Ninguno de los metales emite un espectro continuo y las lámparas de descarga tienen espectros selectivos. Su reproducción cromática nunca será idéntica a la de los espectros continuos. Las lámparas de descarga a menudo se clasifican como de alta o baja presión, aunque estos términos son solo relativos, y una lámpara de sodio de alta presión funciona por debajo de una atmósfera.

Tipos de luminiscencia

Fotoluminiscencia ocurre cuando la radiación es absorbida por un sólido y luego se vuelve a emitir a una longitud de onda diferente. Cuando la radiación reemitida está dentro del espectro visible, el proceso se denomina fluorescencia or fosforescencia.

Electroluminiscencia Ocurre cuando la luz es generada por una corriente eléctrica que pasa a través de ciertos sólidos, como los materiales de fósforo. Se utiliza para carteles autoiluminados y paneles de instrumentos, pero no ha demostrado ser una fuente de luz práctica para la iluminación de edificios o exteriores.

Evolución de las Lámparas Eléctricas

Aunque el progreso tecnológico ha permitido producir diferentes lámparas, los principales factores que han influido en su desarrollo han sido las fuerzas del mercado externo. Por ejemplo, la producción de lámparas de filamento en uso a principios de este siglo fue posible solo después de la disponibilidad de buenas bombas de vacío y el trefilado de alambre de tungsteno. Sin embargo, fue la generación y distribución de electricidad a gran escala para satisfacer la demanda de iluminación eléctrica lo que determinó el crecimiento del mercado. La iluminación eléctrica ofrecía muchas ventajas sobre la luz generada por gas o petróleo, como una luz constante que requiere un mantenimiento poco frecuente, así como la mayor seguridad de no tener llamas expuestas ni subproductos locales de la combustión.

Durante el período de recuperación posterior a la Segunda Guerra Mundial, el énfasis estuvo en la productividad. La lámpara tubular fluorescente se convirtió en la fuente de luz dominante porque hizo posible la iluminación de fábricas y oficinas sin sombras y comparativamente sin calor, permitiendo el máximo aprovechamiento del espacio. Los requisitos de salida de luz y vataje para una lámpara tubular fluorescente típica de 1,500 mm se dan en la tabla 1.

Tabla 1. Salida de luz mejorada y requisitos de vataje de algunas lámparas de tubo fluorescente típicas de 1,500 mm

En la década de 1970, los precios del petróleo aumentaron y los costos de energía se convirtieron en una parte importante de los costos operativos. El mercado demandaba lámparas fluorescentes que produzcan la misma cantidad de luz con menor consumo eléctrico. El diseño de las lámparas se perfeccionó de varias formas. A medida que se acerca el final del siglo, existe una conciencia creciente de los problemas ambientales globales. Un mejor uso de las materias primas en declive, el reciclaje o la eliminación segura de productos y la continua preocupación por el consumo de energía (en particular, la energía generada a partir de combustibles fósiles) están afectando los diseños de lámparas actuales.

Criterio de desempeño

Los criterios de rendimiento varían según la aplicación. En general, no existe una jerarquía particular de importancia de estos criterios.

Salida de luz: El flujo luminoso de una lámpara determinará su idoneidad en relación con la escala de la instalación y la cantidad de iluminación requerida.

Aspecto del color y reproducción cromática: Se aplican escalas y valores numéricos independientes a la apariencia y reproducción cromática. Es importante recordar que las cifras solo brindan orientación y algunas son solo aproximaciones. Siempre que sea posible, las evaluaciones de idoneidad deben realizarse con lámparas reales y con los colores o materiales que correspondan a la situación.

Vida útil de la lámpara: La mayoría de las lámparas requerirán reemplazo varias veces durante la vida útil de la instalación de iluminación, y los diseñadores deben minimizar las molestias para los ocupantes de fallas y mantenimiento extraños. Las lámparas se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones. La vida promedio anticipada es a menudo un compromiso entre el costo y el rendimiento. Por ejemplo, la lámpara de un proyector de diapositivas tendrá una vida útil de unos pocos cientos de horas porque la salida de luz máxima es importante para la calidad de la imagen. Por el contrario, algunas lámparas de alumbrado público pueden cambiarse cada dos años, lo que representa unas 8,000 horas de funcionamiento.

Además, la vida útil de la lámpara se ve afectada por las condiciones de funcionamiento y, por lo tanto, no existe una cifra simple que se aplique en todas las condiciones. Además, la vida útil efectiva de la lámpara puede estar determinada por diferentes modos de falla. La falla física, como la ruptura del filamento o de la lámpara, puede estar precedida por una reducción en la salida de luz o cambios en la apariencia del color. La vida útil de la lámpara se ve afectada por las condiciones ambientales externas, como la temperatura, la vibración, la frecuencia de arranque, las fluctuaciones de la tensión de alimentación, la orientación, etc.

Debe tenerse en cuenta que la vida media cotizada para un tipo de lámpara es el tiempo para el 50% de las fallas de un lote de lámparas de prueba. No es probable que esta definición de vida sea aplicable a muchas instalaciones comerciales o industriales; por lo tanto, la vida útil práctica de la lámpara suele ser menor que los valores publicados, que deben usarse solo como comparación.

Eficiencia: Como regla general, la eficiencia de un tipo dado de lámpara mejora a medida que aumenta la potencia nominal, porque la mayoría de las lámparas tienen alguna pérdida fija. Sin embargo, diferentes tipos de lámparas tienen una marcada variación en la eficiencia. Deben utilizarse lámparas de la máxima eficiencia, siempre que se cumplan también los criterios de tamaño, color y vida útil. El ahorro de energía no debe ser a expensas del confort visual o de la capacidad de desempeño de los ocupantes. Algunas eficacias típicas se dan en la tabla 2.

Tabla 2. Eficacias típicas de las lámparas

Tipos de lámparas principales

A lo largo de los años, se han desarrollado varios sistemas de nomenclatura mediante normas y registros nacionales e internacionales.

En 1993, la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) publicó un nuevo Sistema Internacional de Codificación de Lámparas (ILCOS) destinado a reemplazar los sistemas de codificación nacionales y regionales existentes. En la tabla 3 se proporciona una lista de algunos códigos de forma abreviada de ILCOS para varias lámparas.

Tabla 3. Sistema de codificación de forma abreviada del Sistema Internacional de Codificación de Lámparas (ILCOS) para algunos tipos de lámparas

Lámparas incandescentes

Estas lámparas usan un filamento de tungsteno en un gas inerte o vacío con una envoltura de vidrio. El gas inerte suprime la evaporación del tungsteno y disminuye el ennegrecimiento de la envoltura. Hay una gran variedad de formas de lámparas, que son en gran parte decorativas en apariencia. La construcción de una lámpara típica del Servicio de iluminación general (GLS) se muestra en la figura 1.

Figura 1. Construcción de una lámpara GLS

Las lámparas incandescentes también están disponibles en una amplia gama de colores y acabados. Los códigos ILCOS y algunas formas típicas incluyen las que se muestran en la tabla 4.

Tabla 4. Colores y formas comunes de lámparas incandescentes, con sus códigos ILCOS

Las lámparas incandescentes siguen siendo populares para la iluminación doméstica debido a su bajo costo y tamaño compacto. Sin embargo, para la iluminación comercial e industrial, la baja eficacia genera costos operativos muy altos, por lo que las lámparas de descarga son la elección normal. Una lámpara de 100 W tiene una eficacia típica de 14 lúmenes/vatio en comparación con los 96 lúmenes/vatio de una lámpara fluorescente de 36 W.

Las lámparas incandescentes son fáciles de atenuar mediante la reducción del voltaje de suministro y aún se usan donde la atenuación es una función de control deseada.

El filamento de tungsteno es una fuente de luz compacta, fácilmente enfocada por reflectores o lentes. Las lámparas incandescentes son útiles para la iluminación de pantallas donde se necesita control direccional.

Lámparas halógenas de tungsteno

Son similares a las lámparas incandescentes y producen luz de la misma manera a partir de un filamento de tungsteno. Sin embargo, el bulbo contiene gas halógeno (bromo o yodo) que es activo para controlar la evaporación del tungsteno. Ver figura 2.

Figura 2. El ciclo del halógeno

Es fundamental para el ciclo del halógeno que la temperatura mínima de la pared del bulbo sea de 250 °C para garantizar que el haluro de tungsteno permanezca en estado gaseoso y no se condense en la pared del bulbo. Esta temperatura significa bombillas hechas de cuarzo en lugar de vidrio. Con el cuarzo es posible reducir el tamaño del bulbo.

La mayoría de las lámparas halógenas de tungsteno tienen una vida útil más larga que las equivalentes incandescentes y el filamento está a una temperatura más alta, lo que genera más luz y un color más blanco.

Las lámparas halógenas de tungsteno se han vuelto populares donde el tamaño pequeño y el alto rendimiento son los requisitos principales. Los ejemplos típicos son la iluminación de escenarios, incluidos cine y televisión, donde el control direccional y la atenuación son requisitos comunes.

Lámparas halógenas de tungsteno de bajo voltaje

Estos fueron diseñados originalmente para proyectores de diapositivas y películas. A 12 V, el filamento para el mismo vataje que 230 V se vuelve más pequeño y más grueso. Esto se puede enfocar de manera más eficiente y la masa de filamento más grande permite una temperatura de funcionamiento más alta, lo que aumenta la salida de luz. El filamento grueso es más robusto. Estos beneficios se consideraron útiles para el mercado de pantallas comerciales y, aunque es necesario tener un transformador reductor, estas lámparas ahora dominan la iluminación de escaparates. Ver figura 3.

Figura 3. Lámpara reflectora dicroica de bajo voltaje

Aunque los usuarios de proyectores de películas quieren la mayor cantidad de luz posible, demasiado calor daña el medio de transparencia. Se ha desarrollado un tipo especial de reflector, que refleja solo la radiación visible, permitiendo que la radiación infrarroja (calor) pase a través de la parte posterior de la lámpara. Esta característica ahora forma parte de muchas lámparas reflectoras de bajo voltaje para iluminación de pantallas y equipos de proyección.

Sensibilidad de voltaje: Todas las lámparas de incandescencia son sensibles a la variación de voltaje, y la salida de luz y la vida útil se ven afectadas. El movimiento para “armonizar” la tensión de alimentación en toda Europa a 230 V se está logrando ampliando las tolerancias a las que pueden operar las autoridades generadoras. El movimiento es hacia el ±10 %, que es un rango de voltaje de 207 a 253 V. Las lámparas halógenas de tungsteno e incandescentes no pueden funcionar con sensatez en este rango, por lo que será necesario hacer coincidir el voltaje de suministro real con las clasificaciones de las lámparas. Ver figura 4.

Figura 4. Lámparas de incandescencia GLS y tensión de alimentación

Las lámparas de descarga también se verán afectadas por esta amplia variación de voltaje, por lo que la especificación correcta del equipo de control se vuelve importante.

Lámparas fluorescentes tubulares

Estas son lámparas de mercurio de baja presión y están disponibles en versiones de "cátodo caliente" y "cátodo frío". El primero es el tubo fluorescente convencional para oficinas y fábricas; “cátodo caliente” se relaciona con el encendido de la lámpara precalentando los electrodos para crear suficiente ionización del gas y vapor de mercurio para establecer la descarga.

Las lámparas de cátodo frío se utilizan principalmente para señalización y publicidad. Ver figura 5.

Figura 5. Principio de la lámpara fluorescente

Las lámparas fluorescentes requieren equipo de control externo para arrancar y controlar la corriente de la lámpara. Además de la pequeña cantidad de vapor de mercurio, hay un gas de partida (argón o criptón).

La baja presión del mercurio genera una descarga de luz azul pálido. La mayor parte de la radiación está en la región ultravioleta a 254 nm, una frecuencia de radiación característica del mercurio. Dentro de la pared del tubo hay una fina capa de fósforo que absorbe los rayos UV e irradia la energía como luz visible. La calidad del color de la luz está determinada por el revestimiento de fósforo. Hay disponible una gama de fósforos con apariencia de color y reproducción cromática variables.

Durante la década de 1950, los fósforos disponibles ofrecían una opción de eficacia razonable (60 lúmenes/vatio) con luz deficiente en rojos y azules, o una reproducción cromática mejorada de fósforos "de lujo" de menor eficiencia (40 lúmenes/vatio).

En la década de 1970 se habían desarrollado nuevos fósforos de banda estrecha. Estos irradiaban luz roja, azul y verde por separado pero, combinados, producían luz blanca. El ajuste de las proporciones dio una gama de apariencias de color diferentes, todas con una reproducción cromática excelente similar. Estos trifósforos son más eficientes que los tipos anteriores y representan la mejor solución de iluminación económica, aunque las lámparas son más caras. La eficacia mejorada reduce los costos de operación e instalación.

El principio trifósforo se ha ampliado con lámparas multifósforo en las que es necesaria una reproducción cromática crítica, como en las galerías de arte y la combinación de colores industriales.

Los modernos fósforos de banda estrecha son más duraderos, tienen un mejor mantenimiento de la luz y aumentan la vida útil de la lámpara.

Lámparas fluorescentes compactas

El tubo fluorescente no es un reemplazo práctico para la lámpara incandescente debido a su forma lineal. Los tubos pequeños y de diámetro estrecho se pueden configurar con aproximadamente el mismo tamaño que la lámpara incandescente, pero esto impone una carga eléctrica mucho mayor en el material de fósforo. El uso de trifósforos es esencial para lograr una vida útil aceptable de la lámpara. Ver figura 6.

Figura 6. Fluorescente compacto de cuatro patas

Todas las lámparas fluorescentes compactas utilizan trifósforos, por lo que, cuando se utilizan junto con lámparas fluorescentes lineales, estas últimas también deben ser trifósforos para garantizar la consistencia del color.

Algunas lámparas compactas incluyen el equipo de control operativo para formar dispositivos de adaptación para lámparas incandescentes. La gama está aumentando y permite actualizar fácilmente las instalaciones existentes a una iluminación más eficiente desde el punto de vista energético. Estas unidades integrales no son adecuadas para atenuar donde formaba parte de los controles originales.

Equipo de control electrónico de alta frecuencia: Si la frecuencia de suministro normal de 50 o 60 Hz se aumenta a 30 kHz, hay una ganancia del 10 % en la eficacia de los tubos fluorescentes. Los circuitos electrónicos pueden operar lámparas individuales a tales frecuencias. El circuito electrónico está diseñado para proporcionar la misma salida de luz que el equipo de control bobinado, con una potencia de lámpara reducida. Esto ofrece compatibilidad del paquete de lúmenes con la ventaja de que la carga reducida de la lámpara aumentará significativamente la vida útil de la lámpara. El equipo de control electrónico es capaz de operar en un rango de voltajes de suministro.

No existe un estándar común para los dispositivos de control electrónico y el rendimiento de las lámparas puede diferir de la información publicada por los fabricantes de lámparas.

El uso de equipos electrónicos de alta frecuencia elimina el problema normal del parpadeo, al que algunos ocupantes pueden ser sensibles.

Lámparas de inducción

Recientemente han aparecido en el mercado lámparas que utilizan el principio de inducción. Son lámparas de mercurio de baja presión con recubrimiento tri-fósforo y como productores de luz son similares a las lámparas fluorescentes. La energía se transfiere a la lámpara mediante radiación de alta frecuencia, aproximadamente a 2.5 MHz desde una antena situada en el centro de la lámpara. No hay conexión física entre la bombilla de la lámpara y la bobina. Sin electrodos u otras conexiones de cables, la construcción del recipiente de descarga es más simple y duradera. La vida útil de la lámpara está determinada principalmente por la confiabilidad de los componentes electrónicos y el mantenimiento de la luz del recubrimiento de fósforo.

Lámparas de mercurio de alta presión

Las descargas de alta presión son más compactas y tienen mayores cargas eléctricas; por lo tanto, requieren tubos de arco de cuarzo para soportar la presión y la temperatura. El tubo de arco está contenido en una envoltura exterior de vidrio con una atmósfera de nitrógeno o argón-nitrógeno para reducir la oxidación y la formación de arcos. La bombilla filtra eficazmente la radiación ultravioleta del tubo de arco. Ver figura 7.

Figura 7. Construcción de lámpara de mercurio

A alta presión, la descarga de mercurio es principalmente radiación azul y verde. Para mejorar el color, una capa de fósforo de la bombilla exterior añade luz roja. Hay versiones de lujo con un mayor contenido de rojo, lo que proporciona una mayor salida de luz y una mejor reproducción del color.

Todas las lámparas de descarga de alta presión tardan en alcanzar su máxima potencia. La descarga inicial se realiza a través del relleno de gas conductor y el metal se evapora a medida que aumenta la temperatura de la lámpara.

A la presión estable, la lámpara no se reiniciará inmediatamente sin un equipo de control especial. Hay un retraso mientras la lámpara se enfría lo suficiente y la presión se reduce, de modo que el voltaje de suministro normal o el circuito de encendido es adecuado para restablecer el arco.

Las lámparas de descarga tienen una característica de resistencia negativa, por lo que el equipo de control externo es necesario para controlar la corriente. Hay pérdidas debido a estos componentes del equipo de control, por lo que el usuario debe considerar los vatios totales al considerar los costos operativos y la instalación eléctrica. Hay una excepción para las lámparas de mercurio de alta presión, y un tipo contiene un filamento de tungsteno que actúa como dispositivo limitador de corriente y agrega colores cálidos a la descarga azul/verde. Esto permite la sustitución directa de las lámparas incandescentes.

Aunque las lámparas de mercurio tienen una vida larga de unas 20,000 horas, la salida de luz caerá a alrededor del 55% de la salida inicial al final de este período y, por lo tanto, la vida económica puede ser más corta.

Lámparas de halogenuros metálicos

El color y la salida de luz de las lámparas de descarga de mercurio se pueden mejorar agregando diferentes metales al arco de mercurio. Para cada lámpara la dosis es pequeña y para una aplicación precisa es más conveniente manipular los metales en forma de polvo como haluros. Este se descompone a medida que la lámpara se calienta y libera el metal.

Una lámpara de halogenuros metálicos puede utilizar varios metales diferentes, cada uno de los cuales emite un color característico específico. Éstas incluyen:

• disprosio—azul verdoso ancho
• indio—azul angosto
• litio—rojo estrecho
• escandio—azul verdoso ancho
• sodio—amarillo angosto
• talio—verde angosto
• lata: ancha de color rojo anaranjado

No existe una mezcla estándar de metales, por lo que las lámparas de halogenuros metálicos de diferentes fabricantes pueden no ser compatibles en apariencia o rendimiento operativo. Para lámparas con potencias nominales más bajas, de 35 a 150 W, existe una mayor compatibilidad física y eléctrica con un estándar común.

Las lámparas de halogenuros metálicos requieren equipo de control, pero la falta de compatibilidad significa que es necesario hacer coincidir cada combinación de lámpara y equipo para garantizar las condiciones de arranque y funcionamiento correctas.

Lámparas de sodio de baja presión

El tubo de arco es similar en tamaño al tubo fluorescente pero está hecho de una capa de vidrio especial con un revestimiento interior resistente al sodio. El tubo de arco tiene forma de "U" estrecha y está contenido en una camisa de vacío exterior para garantizar la estabilidad térmica. Durante el arranque, las lámparas tienen un fuerte brillo rojo debido al relleno de gas neón.

La radiación característica del vapor de sodio a baja presión es un amarillo monocromático. Esto está cerca de la sensibilidad máxima del ojo humano, y las lámparas de sodio de baja presión son las lámparas más eficientes disponibles con casi 200 lúmenes/vatio. Sin embargo, las aplicaciones se limitan a lugares donde la discriminación del color no tiene importancia visual, como carreteras principales y pasos subterráneos, y calles residenciales.

En muchas situaciones, estas lámparas están siendo reemplazadas por lámparas de sodio de alta presión. Su tamaño más pequeño ofrece un mejor control óptico, particularmente para la iluminación de carreteras donde existe una creciente preocupación por el brillo excesivo del cielo.

Lámparas de sodio de alta presión

Estas lámparas son similares a las lámparas de mercurio de alta presión, pero ofrecen una mejor eficacia (más de 100 lúmenes/vatio) y un excelente mantenimiento de la luz. La naturaleza reactiva del sodio requiere que el tubo de arco se fabrique con alúmina policristalina translúcida, ya que el vidrio o el cuarzo no son adecuados. El bulbo de vidrio exterior contiene un vacío para evitar la formación de arcos y la oxidación. No hay radiación ultravioleta de la descarga de sodio, por lo que los recubrimientos de fósforo no tienen ningún valor. Algunas bombillas están esmeriladas o recubiertas para difundir la fuente de luz. Ver figura 8.

Figura 8. Construcción de lámpara de sodio de alta presión

A medida que aumenta la presión de sodio, la radiación se convierte en una banda ancha alrededor del pico amarillo y la apariencia es de color blanco dorado. Sin embargo, a medida que aumenta la presión, la eficiencia disminuye. Actualmente hay tres tipos separados de lámparas de sodio de alta presión disponibles, como se muestra en la tabla 5.

Tabla 5. Tipos de lámpara de sodio de alta presión

Por lo general, las lámparas estándar se usan para iluminación exterior, las lámparas de lujo para interiores industriales y White SON para aplicaciones comerciales/de exhibición.

Atenuación de lámparas de descarga

Las lámparas de alta presión no pueden atenuarse satisfactoriamente, ya que al cambiar la potencia de la lámpara cambia la presión y, por lo tanto, las características fundamentales de la lámpara.

Las lámparas fluorescentes se pueden atenuar utilizando suministros de alta frecuencia generados típicamente dentro del equipo de control electrónico. La apariencia del color permanece muy constante. Además, la salida de luz es aproximadamente proporcional a la potencia de la lámpara, con el consiguiente ahorro de energía eléctrica cuando se reduce la salida de luz. Al integrar la salida de luz de la lámpara con el nivel predominante de luz natural, se puede proporcionar un nivel casi constante de iluminancia en un interior.

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