Luminaria fluorescente

Bulbos fluorescentes en paralelo.

La luminaria fluorescente, también denominada tubo fluorescente, es una luminaria que cuenta con una lámpara de vapor de mercurio a baja presión y que es utilizada normalmente para la iluminación doméstica e industrial. Su gran ventaja frente a otro tipo de lámparas, como las incandescentes, es su eficiencia energética.

Está formada por un tubo o bulbo fino de vidrio revestido interiormente con diversas sustancias químicas compuestas llamadas fósforos, aunque generalmente no contienen el elemento químico fósforo y no deben confundirse con él. Esos compuestos químicos emiten luz visible al recibir una radiación ultravioleta. El tubo contiene además una pequeña cantidad de vapor de mercurio y un gas inerte, habitualmente argón o neón, a una presión más baja que la presión atmosférica. En cada extremo del tubo se encuentra un filamento hecho de tungsteno, que al calentarse al rojo contribuye a la ionización de los gases.

Historia

El más antiguo antecedente de la iluminación fluorescente posiblemente sea el experimento realizado y descrito en 1707 por Francis Hauksbee, quien generó por ionización electrostática del vapor de mercurio una luz azulada que alcanzaba para leer un escrito. Posteriormente el físico alemán Heinrich Geissler construyó en 1856 un dispositivo mediante el cual obtuvo una luz de brillo azulado a partir de un gas enrarecido encerrado en un tubo y excitado con una bobina de inducción. Debido a su forma, este dispositivo pasó a llamarse Tubo de Geissler. En la Feria Mundial de 1893 fueron mostrados dispositivos fluorescentes desarrollados por Nikola Tesla.

En 1891, el inventor estadounidense Daniel McFarlane Moore comenzó a realizar experimentos con tubos de descarga gaseosa. Creó así en 1894 la Lámpara Moore, que se trataba de una lámpara comercial que competía con las bombillas de luz incandescentes inventadas por su antiguo jefe Thomas Alva Edison. Estas lámparas que contenían nitrógeno y dióxido de carbono emitían luz blanca y rosada respectivamente, y tuvieron un éxito moderado. Sería en 1904, cuando las primeras de estas lámparas fueron instaladas en unos almacenes de la ciudad estadounidense de Newark. Como las labores de instalación, mantenimiento y reparación de estas lámparas eran dificultosas, no tuvieron éxito.

En 1901, Peter Cooper Hewitt demostró su lámpara de vapor de mercurio, la cual emitía luz de coloración verde-azulada, que era inapropiada para la mayoría de los usos prácticos. Sin embargo, su diseño fue muy cercano al de las lámparas actuales, además de tener mayor eficiencia que sus similares incandescentes.

En 1926, Edmund Germer, Friedrich Meyer y Hans Spanner propusieron incrementar la presión del gas dentro del tubo y recubrirlo internamente con un polvo fluorescente que absorbiera la radiación ultravioleta emitida por un gas en estado de plasma, y la convirtiera en una luz blanca más uniforme. La idea fue patentada al año siguiente y posteriormente la patente fue adquirida por la empresa estadounidense General Electric y bajo la dirección de George E. Inman la hizo disponible para el uso comercial en 1938. Los conocidos tubos rectos y de encendido por precalentamiento se mostraron por primera vez al público en la Feria Mundial de New York en el año 1939. Desde entonces, los principios de funcionamiento se han mantenido inalterables, salvo las tecnologías de manufactura y materias primas usadas, lo que ha redundado en la disminución de precios y ha contribuido a popularizar estas lámparas en todo el mundo.

Funcionamiento

En la figura de arriba se distinguen, aparte de la propia lámpara, dos elementos fundamentales: el cebador (también llamado arrancador o partidor) y el balasto, que provee reactancia inductiva. En algunos países que hablan español se emplean aún sus sinónimos ingleses starter y ballast.

El cebador, partidor o arrancador está formado por una pequeña ampolla de cristal que contiene gases a baja presión (neón, argón y gas de mercurio) y en cuyo interior se halla un contacto formado por una lámina bimetálica doblada en "U". En paralelo con este contacto hay un condensador destinado al doble efecto de actuar de amortiguador de chispa o apagachispas, y de absorber la radiación de radiofrecuencias que pudiesen interferir con receptores de radio, TV o comunicaciones. La presencia de este condensador no es imprescindible para el funcionamiento del tubo fluorescente, pero ayuda bastante a aumentar la vida útil del contacto del par bimetálico cuando es sometido a trabajar con altas corrientes y altas tensiones. Tanto el cebador como la luminaria acortan su vida útil cuanto más veces se la enciende, por esta razón se recomienda usar la iluminación fluorescente en regímenes continuos y no como iluminación intermitente.

El elemento que provee reactancia inductiva se llama balasto o balastro, aunque en algunos países se lo denomina incorrectamente reactancia, que en realidad es el nombre de la magnitud eléctrica que provee, no del elemento. Técnicamente es un reactor que está constituido por una bobina de alambre de cobre esmaltado, enrollada sobre un núcleo de chapas de hierro o de acero eléctrico. El término balasto no debe ser confundido con su homónimo, el material usado en la construcción de vías de ferrocarril.

Al aplicar la tensión de alimentación, los gases contenidos en la ampolla del cebador se ionizan, con lo que aumenta su temperatura lo suficiente para que la lámina bimetálica se deforme, haga contacto cerrando el circuito, lo que hará que los filamentos de los extremos del tubo se calienten al rojo vivo, y esto comienza la ionización de los gases en la vecindad de los filamentos. Al cerrarse el contacto el cebador se apaga y sus gases vuelven a enfriarse, por lo que un par de segundos después el contacto se abre nuevamente. Esta apertura trae como consecuencia que el campo magnético creado en la reactancia inductiva se desaparezca bruscamente, lo que trae como consecuencia, de acuerdo con la ley de inducción de Faraday, la generación de un pico de alta tensión (autoinducción) que termina de ionizar los gases. Se forma plasma conductor dentro de todo el tubo fluorescente y, por lo tanto, lo atraviesa una corriente de electrones que interactúa con los átomos de Hg, Ar y Ne, excitándolos, los que emitirán luz al desexcitarse, principalmente en la región del ultravioleta (UV). El voltaje aplicado a los filamentos y al tubo es pulsante, porque la tensión eléctrica que alimenta el circuito es corriente alterna de 50 Hz (en Europa,...) o de 60 Hz (en USA, Japón,...). Los filamentos poseen inercia térmica, pero el plasma no, lo que produce un veloz parpadeo en la luz emitida, que puede molestar a algunas personas, producir dolor de cabeza y hasta convulsiones a quienes sufren de epilepsia. Este fenómeno se minimiza al disponer los tubos en grupos, alimentados cada tubo desde fases distintas y con rejillas de dispersión estroboscópica.

Los filamentos, al calentarse, desprenden electrones que, junto con el pico de autoinducción, ionizan los gases que llenan el tubo; se forma así un plasma que conduce la electricidad. Este plasma excita los átomos del vapor de mercurio que, al desexcitarse, emiten luz visible y ultravioleta.

El revestimiento interior de la lámpara tiene la función de filtrar y convertir la luz ultravioleta en visible. La coloración de la luz emitida por la lámpara depende del material de ese recubrimiento interno. El material del tubo, vidrio común, contribuye a reducir la luz UV que pudiera escapar fuera de la luminaria.

Las lámparas fluorescentes son dispositivos con pendiente negativa de su resistencia eléctrica, respecto de la tensión eléctrica. Esto significa que cuanto mayor sea la corriente que las atraviesa, mayor es el grado de ionización del gas y, por tanto, menor la resistencia que opone al paso de dicha corriente. Así, si se conecta directamente la lámpara a una fuente de tensión prácticamente constante, como la suministrada por la red eléctrica, la intensidad tenderá a valores muy elevados, y la lámpara se destruirá en pocos segundos. Para evitar esto, siempre se la conecta a través de un elemento limitador de corriente para mantenerla dentro de sus límites de trabajo. Este elemento limitador, en el caso de la instalación de la Figura 1, es el balasto que provee reactancia inductiva, la que absorberá la diferencia entre la tensión de alimentación y la tensión de trabajo del tubo.

Finalmente, la disminución de la resistencia interna del tubo una vez encendido, hace que la tensión entre los terminales del cebador sea insuficiente para ionizar el gas contenido en su ampolla y por tanto el contacto bimetálico queda inactivo cuando el tubo está encendido.

Hasta cerca de 1975 coexistieron en la alimentación domiciliaria de la Argentina la corriente alterna y la corriente continua, ambas de 220 voltios. Debido a esto, en este país se inventó cerca de 1950 un tipo de balasto para corriente continua que aprovechaba la resistencia negativa de los gases ionizados de la luminaria para generar una oscilación por relajación de una frecuencia de algunos kHz. El efecto de cebador o arrancador se lograba con un ruidoso sistema de contactos vibratorios que se detenían en cuanto el tubo encendía. Tenía como inconveniente que cada tanto debía invertirse la polaridad para que el desgaste de la luminaria fuera el mismo en ambos filamentos.

También existe actualmente otro tipo de balasto o reactor, el balasto electrónico, que consta de un circuito electrónico y una pequeña bobina con núcleo de ferrite. Este balasto, a diferencia del balasto inductivo, se conecta al fluorescente sin cebador y logra arranques instantáneos de la lámpara y sin parpadeos, o en otros modelos, arranques de una manera más suave. En realidad, no se trata de un reactor en el sentido estricto del término, sino de un circuito electrónico con semiconductores que genera a) dos bajas tensiones para encender los filamentos de los extremos, y b) una alta tensión de alta frecuencia (decenas de kHz) aplicada entre los extremos. Ambos procesos suman sus efectos para ionizar los gases y así producir el plasma conductor que generará la radiación UV. Como regla general, los tubos que emplean el balasto electrónico tienen un rendimiento lumínico notáblemente superior, y una vida media mucho más larga que los que usan el inductivo.

Sus conexiones son muy sencillas:

• El cable de fase y el neutro se conectan ambos directamente a las dos entradas del balasto.
• En este balasto hay dos pares de salidas, y cada par debe conectarse a cada filamento de la lámpara.

Como se dijo al principio, el "fósforo" que se menciona en el dibujo siguiente no es el elemento químico llamado así, sino una sustancia química compuesta, que usualmente no contiene fósforo.

Compensación en lámparas fluorescentes

El conjunto tubo fluorescente-balasto-cebador posee elementos reactivos (bobina y condensadores) que consumen y ceden potencia reactiva respectivamente (la bobina la consume los condensadores la ceden). A menudo se intercala entre los terminales de entrada un condensador que tiene la finalidad de permitir que el factor de potencia del dispositivo sea cercano a 1. A este tipo de compensación se le denomina compensación en paralelo debido a este arreglo.

El siguiente cálculo permite saber el valor (en pico o nanofaradios) del condensador que hay que intercalar, ya que si es colocado uno de valor mayor al necesario, aumentará la corriente y su consumo, por lo que es importante encontrar el idóneo.

donde:

• C es la capacitancia del condensador.
• P es la potencia activa absorbida por el conjunto.
• φ_i es el ángulo cuyo coseno es el factor de potencia inicial, antes de la compensación.
• φ_f es el ángulo cuyo coseno es el factor de potencia final, después de la compensación.
• V es la tensión de entrada.
• f es la frecuencia en hercios de la tensión de entrada.

Ejemplo: Si un tubo es de 18 W, con f = 50 Hz, V = 230 V (CA) y con factores de potencia final de 0,85 e inicial de 0,226, el condensador a usar debe ser de 4 μF (microfaradios).

Propiedades

Las lámparas fluorescentes tienen un rendimiento luminoso que puede estimarse entre 50 y 90 lúmenes por vatio (lm/W).

Una cuestión curiosa es que la luminosidad de la lámpara depende no solamente del revestimiento luminescente, sino de la superficie emisora, de modo que al variar la potencia varía el tamaño, por ejemplo, la de 20 W mide unos 60 cm, la de 40 W, 1,20 m y la de 60 W 1,50 m (realmente serían de 18, 36 y 58 W respectivamente).

Su vida útil es también mucho mayor que la de las lámparas de incandescencia, pudiendo variar con facilidad entre 5000 h y más de 15000 h (entre 5 y 15 veces más), lo que depende de diversos factores, tales como el tipo de lámpara fluorescente o el equipo complementario que se utilice con ella.

Hay en el mercado distintos modelos con diferentes temperaturas de color. Su temperatura de color está comprendida generalmente entre los 3000 K y los 6500 K (del Blanco Cálido a Luz Día Frío). Sin embargo, en la actualidad se pueden conseguir tubos con una amplia gama de temperatura de color, lo que permite encontrar con relativa facilidad modelos que van desde los 2700 K hasta los 8000 K.

Su índice de rendimiento de color habitualmente va de 62 a 93, siendo el valor de 100 la representación correcta de colores en los objetos iluminados y 70 un valor considerado aceptable.

Desventajas

Las lámparas fluorescentes no dan una luz continua, sino que muestran un parpadeo que depende de la frecuencia de la corriente alterna aplicada (por ejemplo: en España, 50 Hz).

Esto no se nota mucho a simple vista, pero una exposición continua a esta luz puede dar dolor de cabeza. El efecto es el mismo que si se configura una pantalla de ordenador a 50 Hz.

Este parpadeo puede causar el efecto estroboscópico, de forma que un objeto que gire a cierta velocidad podría verse estático bajo una luz fluorescente. Por tanto, en algunos lugares (como talleres con maquinaria) podría no ser recomendable esta luz.

El parpadeo, aunque poco perceptible, puede afectar notablemente la salud de algunas personas con algunos tipos migrañas, epilepsia y, en algunos casos, su efecto es tan devastador para la salud que hay quienes quedan excluidos completamente de algunos ámbitos públicos(bibliotecas, trabajo, deportes,...) en los que suelen utilizarse este tipo de iluminación.

El parpadeo también causa problemas con las cámaras de vídeo, ya que la frecuencia a la que lee la imagen del sensor puede coincidir con las fluctuaciones (oscilaciones) en intensidad de la lámpara fluorescente.

Las lámparas fluorescentes ven reducida su vida útil si son encendidas y apagadas de manera continuada, visto que su acción de encender les cuesta mucho más trabajo que mantenerse encendidas.

Las lámparas fluorescentes con balasto antiguo no pueden conectarse a un atenuador normal o dimmer (un regulador para controlar el brillo). Hay lámparas especiales (de 4 contactos) y controladores especiales que permiten usar un interruptor con regulador de intensidad.

Desde mediados de la década de los 80, hay una solución para evitar estos inconvenientes, que es el balasto electrónico, que ha cobrado gran importancia a partir de mediados de los 90. En este sistema se hace funcionar al tubo de la misma manera que en la forma tradicional pero esta vez en una frecuencia de más de 20 kHz con lo que se evita completamente el efecto estroboscópico, logra que el parpadeo sea invisible para el ojo humano (y a su vez que las cámaras de vídeo difícilmente logren captarlo), y que desaparezcan ruidos por trabajar por encima del espectro audible. En definitiva se obtiene una mejora del 10% en el rendimiento de la lámpara, un menor consumo, menor calor disipado, silencio absoluto de la reactancia y mayor vida útil a los tubos .^{[cita requerida]}

Encendido

Las lámparas fluorescentes necesitan de unos momentos de calentamiento antes de alcanzar su flujo luminoso normal, por lo que es aconsejable utilizarlas en lugares donde no se están encendiendo y apagando continuamente (como pasillos y escaleras). Por otro lado, como se ha dicho, los encendidos y apagados constantes acortan notablemente su vida útil.

La condición de la vida útil de la lámpara fluorescentes puede variar según su uso y las condiciones ambientales en que se encuentra que puede variar a 5000 h.

Con el balasto o reactancia electrónica antes nombrado, sustituyendo a la reactancia tradicional y al cebador, el encendido del tubo es instantáneo alargando de esta manera la vida útil. De todos modos, siempre tarda un tiempo en llegar a su luminosidad normal.

Otras desventajas

Cabe anotar que este tipo de luz, que es difusa, no es aconsejable para la lectura (lo que incluye las tareas o trabajos escolares) u otro tipo de trabajos "finos" debido a que impide una apropiada fijación de la vista sobre el objeto. El efecto difuso de la luz fluorescente hace que los contornos de elementos mínimos o "finos" tiendan a desaparecer impidiendo su enfoque adecuado, lo cual genera fatiga visual que podría ocasionar malestar y un rendimiento deficiente en la labor emprendida.

Para evitar estas circunstancias adversas es aconsejable utilizar, para la lectura y labores similares, bombillas o focos de luz de tungsteno (lámparas incandescentes) que resultan ser los más apropiados para estos efectos.

Las lámparas halógenas también emiten radiación ultravioleta que es filtrada por la ampolla de cuarzo que las conforma.

Se debe tener en cuenta que este tipo de lámparas (fluorescentes) son consideradas residuos peligrosos debido a su contenido de vapor de mercurio, por lo cual se debe disponer adecuadamente para evitar efectos ambientales negativos.

Véase también

• Lámpara
• Lámpara de inducción
• Lámpara incandescente
• Lámpara halógena
• Lámpara de neón
• Lámpara fluorescente compacta
• Plasma
• Mercurio (Hg)

Enlaces externos

• Wikimedia Commons alberga contenido multimedia sobre Lámparas fluorescentesCommons.
• Esquema eléctrico de pantalla con dos lámparas fluorescentes
• Información útil sobre el tiempo que es adecuado dejar un tubo fluorescente encendido cuando no se usa continuamente