16 julio 2011

Iluminación fluorescente y eficiencia energética (1ª Parte)



La necesidad creciente de ahorrar energía ha llenado el mercado de una diversa oferta en iluminación fluorescente. Balastos electrónicos frente a electromagnéticos, porcentajes de ahorro,…son muchos los conceptos que deben ser evaluados por el diseñador o usuario final. Respecto al ahorro energético ofertado por los distribuidores hemos encontrado que los resultados no siempre están claros pues en algunos casos se ofrecen ahorros superiores a lo real. Es bueno por ello que expliquemos en detalle cómo funcionan los sistemas fluorescentes ya que ello nos ayudará a seleccionar más correctamente este tipo de equipos y su garantía.



Cómo trabaja la iluminación fluorescente

Una lámpara fluorescente consiste en un tubo de vidrio con electrodos en los extremos. La superficie interior del tubo es revestida con uno o más tipos de fósforos. El vapor de mercurio rellena el tubo a muy baja presión, junto con uno o más gases “buffer”.

Las lámparas fluorescentes producen luz a través de una secuencia de procesos físicos, cada uno de los cuales está relacionado con uno o más componentes del tubo. El diseño de los componentes se ha refinado en los últimos años para mejorar la eficiencia, reproducción de color, vida de servicio, y otras propiedades. Necesitamos comprender el propósito de cada componente para poder elegir entre las numerosas opciones que están disponibles en la iluminación fluorescente actual.

El vapor de mercurio

La luz se genera en una lámpara fluorescente en dos etapas. La primera etapa es una descarga de arco. El propósito del vapor de mercurio es formar el arco.

Un arco es un gas o vapor que está transportando una corriente eléctrica. Los electrones libres se desplazan a través del espacio que es acelerado por un campo eléctrico a altas velocidades. Los electrones golpean los átomos del vapor de mercurio, soltando más electrones, que luego contribuyen a la corriente eléctrica. Los átomos de mercurio profundamente ionizados se mueven por el campo eléctrico, pero mucho más lentamente. Los electrones son negativos y los iones son positivos, así que se mueven en direcciones opuestas.

En las presiones extremadamente bajas del vapor de mercurio, cada átomo de mercurio es aislado del efecto de otros átomos. Por lo tanto, los niveles de energía de estos electrones se definen con precisión. Los electrones se excitan en los niveles más altos por colisiones con electrones que se desplazan libremente en el espacio entre los átomos.

Para hacer una lámpara fluorescente eficiente, se diseñan para excitar los átomos de mercurio a su primer nivel excitado, y se maximiza la excitación de los átomos en los otros niveles. Esto concentra la energía de la luz emitida en longitudes de onda particulares. Teniendo una longitud de onda dominante se hace posible diseñar los fósforos para una conversión de la luz eficiente y exacto control del color.

La luz que se emite cuando los átomos de mercurio se relajan desde su primer nivel de energía excitado tiene una longitud de onda de 254 nanómetros. Esta longitud de onda está fuera del espectro visible, lejos de la ultravioleta. Este trabajo del fósforo es convertir esta luz ultravioleta en un amplio espectro de luz visible.

No es posible concentrar todas las emisiones de luz a 254 nanómetros. En lámparas fluorescentes típicas, alrededor del 50 % de la entrada de energía llega por radiación a esta longitud de onda, y alrededor del 10 % es radiación del siguiente nivel de energía, que produce luz a 185 nanómetros, incluso más allá de la luz ultravioleta.

Algunas colisiones en el arco estimulan niveles de energía incluso más altos en el vapor de mercurio. Irónicamente, estos producen la mayor parte de la luz en longitudes de onda más altas. El motivo es que muchos de los estados más altos decaen por pasos, cada paso emitiendo un fotón de longitud de onda relativamente larga (alrededor del 2 % de la luz emitida por el vapor de mercurio está en el espectro visible. Los estados de energía son estimulados por electrones que acumulan demasiada energía entes de golpear un átomo de mercurio. Asimismo, un electrón relativamente débil puede elevar un átomo excitado a un nivel de energía más alto.

Los electrones son primero emitidos por electrodos en ambos extremos del tubo. Las lámparas fluorescentes usualmente operan con corriente alterna, así que los electrones fluyen la mitad del tiempo en una dirección, y la mitad del tiempo en la otra dirección. La mayoría de estos electrones originales se pierden en las paredes del tubo antes de que alcancen el otro extremo. Si la corriente se mantiene fluyendo, los electrones originales deben ser reemplazados por electrones perdidos al ser golpeados los átomos de mercurio.

El proceso de golpear un electrón suelto se llama ionización. La energía necesaria para crear los electrones libres es mayoritariamente derrochada porque sólo parte de la energía de ionización se recupera como luz.

El átomo de mercurio que está perdiendo un electrón se llama un ión. Esto tiene una carga positiva simple, debido a que está perdiendo la carga negativa del electrón. Incluso aunque los iones son partículas cargadas, llevan poca corriente debido a que son pesadas y lentas. Sin embargo, los iones pesados son importantes porque calientan los electrodos por impacto. El impacto y el calor ayudan a liberar los electrones de los electrodos. El mismo impacto también eventualmente destroza los electrodos.

Los iones pueden recombinarse con electrones mientras que están errantes en el arco, pero es improbable. Si un ión no alcanza el electrodo negativo, usualmente golpea la pared de un tubo y se combina con un electrón.

La iluminación fluorescente está limitada a bajas intensidades, típicamente 30 vatios por metro de longitud de tubo. Esto es debido a que la corriente en la lámpara debe ser limitada. Si el flujo de electrones es demasiado alto, aumentan las probabilidades de que un electrón excite más átomos de mercurio que ya están excitados. Esto excita una cascada de emisiones de luz en muchas longitudes de onda, la mayoría de las cuales son demasiado largas para ser útiles.

El mercurio es la única luz emitiendo vapor que se usa en iluminación fluorescente. Es la única sustancia hasta ahora descubierta que tiene la combinación de características necesarias para generación eficiente de luz por el proceso fluorescente. Las características favorables del mercurio son:

·         La densidad del vapor es óptima para operación de lámparas eficientes cerca de temperatura ambiente. La densidad óptima del vapor de mercurio es de alrededor de 40 ºC. Las lámparas fluorescentes operan cerca de esta temperatura.

·         El mercurio emite una luz fuerte desde su nivel de energía excitado. La concentración de luz desde el primer nivel de energía evita derrochar la energía producida por longitudes de onda no utilizables. También permite que el diseño de la lámpara se optimice para tratar con la longitud de onda primaria.

·         La longitud de onda del primer nivel de mercurio excitado puede convertirse a luz visible bastante eficientemente por fósforo que tiene otras características deseables. Estas otras características incluyen buena devolución del color, larga vida, coste razonable, etc.

·         El mercurio tiene una interacción crítica con el argón, discutido posteriormente, que en gran medida mejora la eficiencia de átomos de mercurio ionizantes para transportar la corriente de la lámpara.

Fósforo

El fósforo convierte la luz ultravioleta emitida por el vapor de mercurio en luz visible. Los fósforos son cristales, que son disposiciones regulares de átomos. Los cristales son literalmente moléculas enormes. En vez de tener niveles de energía discretas como átomos individuales, los cristales tienen bandas de energía amplias que se crean de los niveles de energía de los átomos. Los cristales son literalmente grandes moléculas. Como todas las moléculas, tienen niveles de energía característicos. En vez de tener niveles de energía discretos como átomos individuales, los cristales tienen bandas de energía amplias que se crean de niveles de energía a partir de átomos cercanamente empaquetados. Cuando los cristales de fósforo se excitan por la radiación ultravioleta desde el vapor de mercurio, emiten luz sobre un amplio espectro de longitudes de onda. La energía se pierde en este proceso, de manera que las longitudes de onda emitidas por el fósforo son más grandes que la longitud de onda de emisiones de mercurio. Los fósforos se seleccionan para emitir la mayor parte de su radiación en el espectro visible.

Algo de la radiación de mercurio se disipa por las vibraciones generadas en la estructura del cristal, que son calor. La eficiencia de los fósforos en convertir la luz ultravioleta a luz visible va en un rango de 35 a 50 %.

Los cristales de fósforo tienen aditivos llamados activadores que modifican sus características de absorción y emisión. Los activadores y fósforos se seleccionan para maximizar la absorción en la longitud de onda de las emisiones de mercurio, y emiten luz dentro del espectro visible.

La composición de fósforos determina el color de lámparas fluorescentes. En gran extensión, los fósforos también determinan la eficacia y coste de la lámpara. La selección de un modelo particular de lámparas fluorescentes es uno de los asuntos a considerar seleccionando fósforos particulares.

Las lámparas fluorescentes más antiguas usan un tipo simple de fósforo. Los sistemas de fósforo más nuevos combinan tres diferentes tipos de fósforos, cada uno de los cuales produce una distribución de color con un pico diferente. El sistema tri-fósforo mejora al máximo la eficacia de la lámpara de su previo máximo de alrededor de 75 lúmenes/vatio a alrededor de 90 lúmenes/vatio. El índice de devolución de color (CRI) se incrementa de alrededor del 60 a tanto como el 90 %. La pérdida de rendimiento de iluminación durante la vida de la lámpara se reduce desde el 20 % a alrededor del 7 %. La desventaja de los sistemas de triple fósforo es que considerablemente más caros que otros tipos.

El espectro de salida de las lámparas fluorescentes varía según el tipo de fósforo. Muestra que algunas lámparas emiten la mayoría de la luz con longitudes de onda discretas, mientras que otras emiten gran parte de su luz como un espectro continuo. Entre ambos tipos, la salida de luz puede ser a medida.
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