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viernes, 27 de marzo de 2015

Lámparas fluorescentes

Descarga en un gas
Cuando encerramos un gas a baja presión en un tubo de vidrio con dos electrodos en su interior y aplicamos entre ellos una tensión eléctrica, a medida que vamos aumentando la tensión aumentará también la corriente que circula por el gas y se van produciendo diferentes zonas de descargas, como se ve en la Fig.1, donde se representó la corriente (Log de I) en función de la tensión (V). Desde el punto de vista de la luminotecnia, las zonas que nos interesan son las que emiten luz y estas son la descarga luminiscente y la descarga de arco. Para entender el funcionamiento de las lámparas fluorescentes, debemos observar que si bien para llegar a la zona de arco hay que aumentar la tensión respecto a la zona luminiscente, una vez que el arco se produce, el valor de la tensión de la zona de arco es mucho menor que el de la zona luminiscente.

Fig.1 – Curva tensión- corriente de descarga de los gases

Lámpara fluorescente convencional con reactancia y arrancador

Fig.2 – Circuito de uso de lámpara fluorescente
Son lámparas de vapor de mercurio a baja presión. A la temperatura ambiente, dentro del tubo hay argón o neón con unas gotas de mercurio. Estos elementos se combinan de tal manera, que el arco que se forma irradia principalmente luz ultravioleta de λ = 253mμ, o sea que la radiación producida está fuera de la gama visible. En la cara interior del tubo se coloca una sal fluorescente* que, al ser excitada por los rayos ultravioleta, emite radiaciones de la gama visible, cuyo color depende de la sal que se coloque. Ver Fig.3
* En todas partes se llama “fósforo” al recubrimiento, aunque no lo contenga. Si Ud sigue llamándolo fósforo, todo el mundo lo entenderá, aunque no sea correcto.
La explicación física del detalle del proceso dice que los electrones emitidos por los filamentos, e impulsados por el campo eléctrico que produce la tensión eléctrica aplicada sobre los filamentos, hace que los electrones choquen con los átomos del gas, cediéndoles su energía cinética, que hará que sus electrones exteriores (menor energía potencial) salten hacia posiciones más cercanas al núcleo (mayor energía potencial). Como esta situación no es estable, esos electrones vuelven a saltar a su posición original de menor energía, produciendo este último salto la emisión de un fotón de luz ultravioleta, que a su vez inciden contra el recubrimiento fluorescente del tubo. Cuando los átomos del recubrimiento fluorescente del tubo reciben un fotón de luz ultravioleta, un electrón exterior saltará a una posición de mayor energía inestable y luego al volver a su posición original emitirá un fotón de luz visible.

Fig.3 – Color de luz emitida para distintas sales de
 recubrimiento interno del tubo fluorescente
Los electrodos (filamentos) del tubo son de wolframio, con una pelicula de sustancia emisora. Trabajan emitiendo electrones en caliente según la ley de Richardson y para el arranque de la lámpara es necesario el circuito de la Fig.2. El capacitor C, ubicado en el interior del arrancador, tiene un valor tal que se comporta como un corto circuito para las radiofrecuencias y como un circuito abierto para los 50Hz. La función del capacitor es corregir el factor de potencia (cos φ) de la lámpara.
Arranque
Los eventos que ocurren a partir del momento que se aplican los 220V, son los siguientes: (Fig.2)
1º) A través del balasto y de los filamentos del tubo, se aplica una tensión a la lámpara de neón contenida en el arrancador. Se produce una descarga en la zona luminiscente del neón, calentando sus electrodos, uno de los cuales es un elemento bimetálico. El bimetálico se dilata y hace contacto con el otro electrodo, cortocircuitando la lámpara de neón, dando así lugar a la circulación de una corriente apreciable en ambos filamentos del tubo fluorescente.
2º) Durante un intervalo de tiempo muy corto, los filamentos del tubo se calientan, emitiendo muchos electrones y la lámpara de neón se enfría. El elemento bimetálico se contrae, abriendo bruscamente el circuito de la lámpara de neón y de este modo se crea un impulso alto de tensión entre los filamentos del tubo, a causa de la presencia de la inductancia de la bobina de la reactancia (e = L di/dt).
3º) El incremento instantaneo de tensión entre los filamentos del tubo, ocasiona una descarga en la zona de arco en la mezcla  argón – mercurio situado entre los dos filamentos del tubo.
4º) Una vez producida esta descarga, la diferencia de potencial a través del tubo fluorescente, que es la misma que a través de la lámpara de neón, es demasiado pequeña como para crear una descarga en esta ampolla (tensión de arco < que tensión luminiscente).
Después del arranque
Del modo indicado arranca el arco del tubo, manteniéndose con la tensión de 220V a través de la reactancia, que actúa como limitadora de corriente una vez encendida la lámpara, después del arranque.
El capacitor C actúa como un cortocircuito para las radiofrecuencias producidas por la descarga del gas de mercurio y como apaga chispas entre los contactos de la lámpara de neón, protegiéndolos. La reactancia tiene una resistencia interna grande y por consiguiente absorbe bastante potencia (20% a 30%). Si se cortocircuitara, la alta corriente que circularía por los filamentos los destruiría instantaneamente.
La eficacia de las lámparas fluorescentes es de 50 Lumenes/Vatio y la vida útil de los tubos es de 3.000 a 5.000 horas.
Falsos arranques
Como no hay sincronización con la entrada sinusoidal, el arrancador opera en un instante aleatorio de la onda de corriente, sus contactos abren en cualquier nivel de corriente de la reactancia entre cero y el máximo.  Esto trae como consecuencia que el pulso de tensión producido pueda no ser lo suficientemente alto como para producir el arco eléctrico permanente en el tubo. Cuando esto se da, el proceso se repite con los correspondientes encendidos y apagados del tubo, hasta que el arco permanente se produce y el tubo enciende en forma estable.
Problemas con los balastos convencionales
Cuando la corriente en el tubo cae a cero durante cada ciclo de 50/60Hz, el arco se corta y deja de emitir luz, resultando en un parpadeo, que produce efectos ópticos estroboscópicos que pueden hacer ver una maquina en movimiento como si se encontrara parada. En las plantas industriales se usan los tubos conectados de a pares, siendo cada uno alimentado con diferentes fases, ya sea reales o produciendo el desfasaje por medio de capacitores. Esto ayuda a eliminar el efecto del parpadeo percibido por el ojo humano.

Balasto electrónico
Los balastos electrónicos reemplazan al arrancador y a la reactancia del sistema convencional. El objetivo de usar balastos electrónicos es poder incrementar la frecuencia de operación desde 50/60Hz a algunas decenas de KHz. Esto tiene dos efectos principales:  a) El gas en el tubo no tiene tiempo para interrumpir su arco entre los ciclos de corriente, lo cual permite disminuir el consumo de corriente ( típicamente alrededor del 70% respecto al balasto convencional) y de esta manera se tiene mayor vida útil del tubo y casi ausencia de parpadeo; b) El inductor necesario para generar una gran sobretensión para producir el arco es más pequeño, generando entonces menor pérdida resistiva y resultando menor el peso del sistema.
Sin embargo, la solución electrónica es más complicada y tiene un alto costo inicial, aunque esto eventualmente podría ser compensado por el ahorro de energía durante el uso de la lámpara.
Si el balasto electrónico reemplaza al arrancador y al balasto convencional, debería poder realizar las dos funciones que ellos realizan: primero proveer la energía de ionización para producir el arco de arranque y segundo proporcionar una fuente de tensión eficaz (RMS) constante para la operación normal del tubo en régimen permanente. Los circuitos electrónicos más comunmente usados para accionar los tubos fluorescentes son tres: 1) Circuito ½ puente casi resonante alimentado con tensión  (Voltage fed half-bridge quasi-resonant circuit), mostrado en la Fig.4 y que explicaremos aquí; 2) Circuito ½ puente casi resonante alimentado con corriente(Current fed half-bridge resonant circuit), que no explicaremos aquí, pero que podrá verse en los enlaces de las referencias indicadas al final de esta nota; 3) Circuito resonante Push-pull (Push-pull resonant circuit), que al igual que el segundo, tampoco explicaremos, pero que podrá verse en las referencias.
Circuito ½ puente casi resonante alimentado con tensión (Voltage fed half-bridge quasi-resonant circuit)
La simplicidad y bajo costo de este circuito hacen que esta configuración sea la única opción para los balastos electrónicos de las Lámpara Fluorescentes Compactas (LFC), también llamadas en Argentina “lámparas de bajo consumo”. En inglés Compact Fluorescent Lamp (CFL). Estas son las lámparas que reemplazan directamente a las lámparas incandescentes en el rango comprendido entre 7W y 32W. El circuito también se usa en grandes balastos industriales accionando dos o más tubos de tamaño completo, pero en este caso son necesarios circuitos de protección adicionales.

Fig.4 - Circuito ½ puente casi resonante alimentado con tensión (Voltage fed half-bridge quasi-resonant circuit)  
Refiriéndonos a la Fig.4, vemos que la tensión de alterna de 220 V/50 Hz es rectificada por un puente de diodos y luego filtrada con un capacitor electrolítico. La zona del circuito sombreada en gris funcionará unicamente durante el período de arranque, a excepción de D1. El resto del circuito funcionará tanto durante el arranque, como en régimen permanente. Los dos transistores TR1 y TR2 forman parte de un oscilador que generará una onda cuadrada, conduciendo en todo momento un transistor por vez. El transformador formado por el primario T1 y los dos secundarios T´1 y T´2, es uno solo y consta de 3 bobinados enrollados sobre un mismo nucleo.
Cuando TR2 conduce y TR1 está cortado, resultará aplicada la tensión Vcc sobre la malla constituída por el tubo fluorescente, los capacitores C4 y C3, la inductancia L y el primario del transformador T1.
Cuando TR1 conduce y TR2 está cortado,  se aplicará un cortocircuito a dicha malla. (Fig. 5)

Fig.5 – Tensiones colector emisor de los dos transistores en la operación del circuito de la Fig.4
Arranque de la oscilación
La resistencia R1, el capacitor C2 y el diac D2 forman el primer pulso de corriente para la base del transistor TR2 para arrancar la oscilación. Después del arranque, este generador queda inoperante por la presencia del diodo D1 (este diodo, al descargar C2 cada vez que TR2 conduce, evita que el voltaje a través del diac vuelva a resultar suficientemente alto como para comandar la conducción de dicho transistor) y el circuito es mantenido en oscilación por realimentación a las bases de los transistores desde el circuito de salida via el transformador T1. Con los bobinados, según indican los puntos sobre ellos, dispuestos de tal manera que conduce un transistor por vez, de manera alternada. El tubo es alimentado durante el arranque por la generación de una sobretensión sobre el capacitor C4, por medio del circuito resonante serie formado por la combinación serie del inductor L y los capacitores C3 y C4. Antes del tubo ser arrancado, como C4 es mucho más pequeña que C3, C4 domina la frecuencia resonante de este circuito. Dependiendo del valor en el cual el tubo ilumina, la sobretensión generada sobre C4 en esta frecuencia está alrededor de 600V a 1,2KV. 





C = C3xC4/ (C3+C4) ~ C4 ---------- (Capacitores en serie) ------- durante el arranque 
C = C3 ------------- en régimen permanente

Vc (sobretensión sobre C) = QxVcc aplicada al circuito resonante serie; donde Q = ωoL/R = 1/ ωoCR = Factor de mérito

Funcionamiento en régimen permanente
Una vez que el tubo se ionizó y se produjo el arco, como hay efectivamente un cortocircuito a través de C4, la frecuencia de operación es definida por C3 solamente, y entoces es también más baja. A esta frecuencia, la sobretensión generada es también más baja, justo lo suficiente como para mantener el tubo encendido. En operación normal, cuando el transistor TR2 es primero tornado on, la corriente a través del transformador T1 aumenta hasta que su nucleo se satura. En este punto, la realimentación a la base del transistor es removida y después que el tiempo de almacenamiento del transistor ha pasado, él se torna off. De esta manera, además del valor de C3, la frecuencia de operación del circuito es también definida por el tamaño y máxima densidad de flujo del núcleo de T1 y por el tiempo de almacenamiento del transistor. Esta frecuencia es generalmente diseñada para que sea ligeramente más alta que la frecuencia de resonancia natural del circuito. Así el circuito opera a una frecuencia ligeramente mayor que su frecuencia resonante, las reactancias combinadas de C3 y L no son cero y entonces la tensión VCE del transistor es repartida entre el tubo y la combinación capacitor / inductor.
En el arranque, la tensión a través del capacitor C4 causa mayor o menor ionización instantánea del tubo fluorescente (no hay “falso arranque”, como hay con el balasto convencional).

Fig.6 - Arranque
La Fig.6 muestra la tensión y la corriente en la lámpara en el arranque. La corriente pico de colector es alrededor de 3 a 5 veces la corriente en operación normal y entonces es necesario seleccionar transistores con ratings suficientes como para soportar esto: en la condición de resonancia la corriente en la red está limitada solo por la la resistencia de contínua. Las formas de ondas para el circuito en  estado de régimen permanente se muestran en la Fig.7.
En todos los casos la forma de onda entre colector y emisor de cada transistor será cuadrada y la corriente en el circuito resonante será casi sinusoidal con frecuencia fo, ya que se comporta como un filtro sintonizado a fo.

Fig.7- Régimen permanente (Ic, IB  y VcE son de TR2)
El inicio de la oscilación se puede analizar de la siguiente manera:

Vcc = R i + Ldi/dt + (1/C)  i dt
Realizando la derivada de ambos miembros de esta ecuación:

0 =R di/dt + L d²i / dt² + i/C

Esta es la forma estándar de una ecuación diferencial de 2º orden. Si consideramos que el capacitor está inicialmente descargado, su solución es:
           αt             
i = K e     sen ωt

Donde:

K = Vcc/ ωL                                                                                 
          ______________
ω = (1/LC) – R² / 4L²]                                  

α = R/2L
 
La representación gráfica de la corriente para el caso en que 1/LC > R² / 4L², es una sinusoide amortiguada, del tipo de la mostrada en la Fig.8.

Fig.8 – Sinusoide amortiguada
Referencias

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