17 julio 2011

Iluminación fluorescente y eficiencia energética (2ª Parte)


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Gases buffer para incrementar el rendimiento de las lámparas

Las lámparas fluorescentes contienen uno o más “gases buffer” además del vapor de mercurio. En realidad, las lámparas fluorescentes contienen mucho más gas buffer que las de vapor de mercurio, típicamente varios cientos de veces más presión que el vapor de mercurio pero solamente una fracción pequeña de la presión atmosférica. El argón es siempre el gas buffer primario que se usa en iluminación fluorescente. El argón es necesario para trabajar con el vapor de mercurio en la lámpara.



El gas buffer se llama también gas inerte o gases raros, ya que los gases que se usan en las lámparas tienen estas clasificaciones químicas. Su característica esencial es que resisten la excitación. Esto es debido a que su primer nivel de energía es excepcionalmente alto.

Los gases buffer realizan varias funciones. Una de estas es reducir la pérdida de electrones que transmiten energía en los átomos de mercurio. El gas buffer incrementa la posibilidad de que cualquier electrón estimulará los átomos de mercurio para emitir luz.

Los gases buffer son necesarios para este propósito porque la densidad del vapor de mercurio en la lámpara es muy bajo. Si el tubo contiene sólo vapor de mercurio, un electrón promedio se desplazaría alrededor de 50 mm antes de golpear un átomo de mercurio.

Además, la lámpara no trabajaría en todos los voltajes normales, debido a que la pérdida de electrones excedería el número de nuevos electrones creados por ionización. La única forma de hacer que la lámpara trabaje es usar un voltaje mucho más alto para crear más ionización. La única forma de hacer que la lámpara trabaje es usar un voltaje más alto para crear más ionización. Esto hará la iluminación fluorescente cara y peligrosa. La lámpara sería ineficiente debido a las altas pérdidas de electrones. Asimismo, sería ineficiente debido a que el alto voltaje sería ineficiente debido a que los altos voltajes acelerarían los electrones a energías excesivas. En conclusión, serían ineficientes debido a que el alto voltaje aceleraría los electrones a energías excesivas. En conclusión, los electrones estimularían el mercurio a niveles de energía que son demasiado altos para la emisión de luz eficiente.

La solución al problema de la baja densidad de mercurio es añadir otro gas, llamado gas buffer, en suficiente cantidad como para acortar la distancia a la que un electrón se desplaza entre colisiones. En una lámpara fluorescente, la presencia de un gas buffer reduce la distancia promedio entre colisiones a alrededor de 0,1 mm.

Intentar añadir más vapor de mercurio simplemente haría que una cantidad mayor se condense en estado líquido. Asimismo, en vapor de mercurio denso, la luz emitida por átomos excitados sería absorbida por átomos no excitados de los alrededores. Esto es debido a que un átomo absorbe fuertemente la misma longitud de onda que emite.

Los electrones libres que transportan corriente a través del tubo ganan energía progresivamente cuando rebotan entre átomos, acelerados por el campo eléctrico de los electrodos. Un electrón libre no puede estimular un átomo a un nivel de energía más alto hasta que gana una cantidad de energía igual al nivel de energía más bajo de los átomos que encuentra. Los gases buffer tienen altos niveles de energía, mientras que el mercurio no. Esto hace probablemente que un átomo de mercurio sea el primer tipo de átomo en ser estimulado. Esto es debido también a que el primer nivel de energía del mercurio se estimula más que sus otros niveles de energía.

Para mejorar la eficiencia, se añade criptón al argón de las lámparas. Esto reduce la pérdida de energía que ocurre desde el calentamiento del gas de buffer por colisiones de electrones. Incluso aunque la mayoría de las colisiones entre los electrones libres y átomos de buffer son elásticos (no pierden energía en las colisiones)

El criptón es más caro que el argón, así que se usa solamente en lámparas Premium. El criptón no puede sustituirse completamente por argón, debido a que no tiene la fortuna de acoplar los niveles de energía que ayudan al arranque.

El papel del argón en la ionización del mercurio

El argón siempre se selecciona  como gas buffer primario porque debe realizar una función diferente a la discutida previamente. Esta función está ayudando a crear bastantes electrones libres para mantener la corriente dentro de la lámpara.

La acción del gas buffer discutido previamente en gran medida reducen la pérdida de los electrones libres emitidos por los electrodos. Así, la mayoría de estos electrones no sobreviven al desplazamiento completo a través del tubo. Los electrones perdidos son reemplazados golpeando electrones adicionales perdidos del vapor de mercurio. La diferencia aquí es que los electrones no están simplemente excitados, sino que son golpeados completamente libres del átomo. En otras palabras, el mercurio se ioniza.

Es improbable que se ionice el mercurio directamente, debido a que tienden a liberar su excitación de energía en los niveles de energía más bajos del mercurio. En vez de eso, un electrón libre excita un átomo de argón, que luego ioniza un átomo de mercurio. Debemos pensar que un electrón libre golpeará un átomo de argón con una probabilidad 100 veces superior a lo que golpeará un átomo de mercurio, así que el electrón puede acumular bastante energía para ionizar un átomo de mercurio antes de golpear uno.

Los gases buffer protegen los electrodos y fósforos

Los gases buffer también protegen los electrodos y cristales de fósforos. Los iones pesados se mantienen a velocidad baja por colisiones repetidas con los átomos buffer. Si esto no ocurre, el campo eléctrico acelerará los iones a energías que rápidamente destrozarían los electrodos.

Por la misma muestra, la nube de gas buffer alrededor de los electrodos rebota el material de electrodo evaporado hacia los electrodos.

De la misma forma, el gas buffer apantalla los cristales de fósforo del daño por bombardeo de iones de mercurio.

Electrodos

Los electrodos en un tubo fluorescente son la puerta a través de la cual la corriente del balasto entra en el arco. Los electrones en el electrodo del metal no desean saltar fuera en el vacío del tubo. Tienen que ser forzados a hacerlo. Se usan dos métodos en iluminación fluorescente para conseguir que los electrones dejen los electrodos. Uno es hacer torcerse a los electrones sueltos con un campo eléctrico fuerte. Este método se usa en lámparas de arranque instantáneo.

El otro método es calentar los electrodos de forma que los electrones sean eliminados por agitación térmica. Este proceso se denomina emisión termiónica. Las lámparas de arranque rápido y precalentamiento usan este método. Una vez la lámpara está operando, el bombardeo de los electrodos por iones y electrones puede mantener los electrodos lo bastante calientes como para continuar la emisión de electrones, de forma que la corriente eléctrica que calienta los filamentos puede ser apagada.

Ambos métodos requieren energía que no producen luz, así que se reduce la eficiencia de la lámpara. Para minimizar la cantidad de energía necesaria para extraer electrones de los electrodos, los electrodos son revestidos con material que reduce la cantidad de energía necesaria para desalojar los electrones. Este material se elimina gradualmente de la superficie de los electrodos durante la operación, especialmente cuando la lámpara arranca en estado frío. La cantidad original de material, y su pérdida de energía, determinan la vida de la lámpara. La cantidad de material emisivo está limitado por el hecho de que el material perdido contamina el fósforo y oscurece el interior de las lámparas.

La pérdida de energía de los electrodos puede reducirse incrementado la frecuencia de la corriente alterna de los balastos. Parte de las pérdidas en una lámpara fluorescente ocurre porque el arco disipa con cada medio ciclo del voltaje aplicado, así que debe ser re arrancado continuamente. Así, durante los tiempos relativamente largos entre ciclos en la corriente de 60 Hz, algunos iones de mercurio positivos son atraídos al electrodo negativo, donde ellos ceden su energía sin producir luz. Si la frecuencia de la corriente de entrada se incrementa mucho, los iones de mercurio no tienen tiempo de disiparse completamente, así que el arco se reactiva más fácilmente.

El desarrollo de los balastos electrónicos hace posible suministrar corriente a las lámparas en frecuencias altas. La eficacia de las lámparas se eleva a una meseta de alrededor de 20 kHz, con una mejora de alrededor del 10 %. Por una afortunada coincidencia, 20 kHz es el tope del rango de frecuencia para el oído humano, por ello los balastos se diseñan para operar a esta frecuencia o más altas. Afortunadamente, las lámparas no tienen que ser modificadas para explotar la energía de alta frecuencia.
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