UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL

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
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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.
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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
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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
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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.
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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.
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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
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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
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