23 julio 2011

Iluminación fluorescente y eficiencia energética (4ª PARTE)




¿Por qué las lámparas fluorescentes necesitan balasto?

Todas las lámparas fluorescentes necesitan balasto para operar. El arco en una lámpara operando casi no tiene resistencia eléctrica. Sin algún medio de regular la corriente, la corriente de la lámpara sería demasiado alta para una emisión de luz eficiente y la lámpara se destruiría. El balasto regula la corriente de la lámpara independientemente de las características de resistencia cambiante de la lámpara.


Asimismo, muchas lámparas fluorescentes necesitan un voltaje mayor que el voltaje de línea cuando arrancan. El requerimiento de voltaje está relacionado principalmente con la longitud de la lámpara y el tipo de electrodo. El balasto proporciona el voltaje de arranque incrementado.

Las características de la lámpara dictan el diseño del balasto. El balasto y las lámparas deben estar cercanamente acoplados para alcanzar la mejor eficiencia. Los balastos magnéticos tienen una variación más eficiente llamada balasto híbrido.

Cómo trabaja un balasto magnético

El método original de regular la corriente de la lámpara es usar una bobina en serie con las lámparas. La bobina modera la corriente alterna por inductancia. Este tipo de balasto es aún el más común. Se llama balasto magnético porque la bobina produce un campo magnético, aunque esto es irrelevante a la operación del balasto. Un balasto magnético es similar en construcción a un transformador. La inductancia del devanado secundario determina la corriente de la lámpara, y el ratio de vueltas entre los devanados primario y secundario determinan el voltaje de arranque.

Un balasto magnético simple es un inductor grande, así que causa que el sistema de iluminación tenga un factor de potencia bajo. Este problema puede corregirse fácilmente incluyendo un condensador grande en serie con la bobina.

Los balastos magnéticos de dos tubos también usan condensadores para otro propósito, ayudar en el arranque. Un condensador se conecta en paralelo con una de las lámparas así que todo el voltaje del balasto aparece primero a través de la lámpara. Después de que la lámpara arranca, su resistencia desaparece, el condensador carga, y el voltaje de arranque aparece a través de la primera lámpara.

En los últimos años se han realizado mejoras sustanciales en la eficiencia de los balastos magnéticos. Estas incluyen reducir la resistencia de los devanados, mejoras en el núcleo para reducir corrientes parásitas, forma del conductor de forma que haya menos espacio muerto de aislamiento entre los conductores, y reducción de pérdidas en los condensadores.

¿Cómo trabaja un balasto electrónico?

Los balastos electrónicos están implantándose progresivamente. Eliminan grandes bobinas y pérdidas de calor asociadas de los balastos convencionales ya que operan con unos principios diferentes.

Los balastos electrónicos regulan la corriente de las lámparas transmitiéndolo en pulsos de alta frecuencia. Los circuitos de los balastos pueden adaptar las características de la corriente de las lámparas para optimizar una variedad de factores que afectan a la eficiencia.

Los balastos electrónicos no solo operan más eficientemente, sino que también mejoran la eficacia de las lámparas en un 10 % debido a la operación de alta frecuencia.

La capacidad de los balastos electrónicos de adaptar la corriente de la lámpara hace posible proporcionar atenuadores de flujo luminoso eficientes en las lámparas fluorescentes.

Métodos de arranque de las lámparas fluorescentes

El vapor de mercurio no ionizado en una lámpara fluorescente tiene una resistencia virtualmente finita. Para conseguir que la lámpara arranque, es necesario crear iones y electrones libres para formar un arco que transporte la corriente. El arco arranca electrones de los electrodos. El impacto de estos electrones en átomos de gas crea iones y más electrones libres. El arco se extiende en la longitud del tubo cuando los iones y electrones se aceleran por el campo eléctrico de los electrodos. Se usan varios métodos en iluminación fluorescente para conseguir que el arco arranque.

·         Sistemas de arranque instantáneo: Los sistemas de arranque instantáneo usan la fuerza bruta del alto voltaje para romper los electrones fuera de la superficie del electrodo. El voltaje de arranque es alrededor de tres veces el voltaje de operación. Una vez que la corriente de la lámpara comienza a fluir, el bombardeo de electrodos por iones calienta los electrodos, lo cual reduce la cantidad de voltaje necesario para operar la lámpara y mejorar la eficiencia.

·         Sistemas de arranque rápido: Estos sistemas calientan los electrodos para rechazar los electrones por agitación térmica. Los balastos de arranque rápido tienen debandados separados para suministrar el voltaje de calentamiento del filamento. Puede ahorrarse energía apagando filamentos después de que la lámpara ha arrancado. Esto puede hacerse por un interruptor en el mismo balasto o por un interruptor sellado en el mismo tubo.

·         Sistemas precalentados: También usan electrodos en forma de filamentos calientes. En estas lámparas, los filamentos se calientan antes de que el voltaje se aplique a través de la lámpara. Cerrando un interruptor en el circuito secundario del balasto se calientan los filamentos. Liberando el interruptor simultáneamente se apagan los filamentos y se aplica una sacudida que arranca la lámpara. En luminarias muy antiguas o muy baratas, el interruptor es manual. Otras luminarias usan un interruptor automático simple llamado “cebador”.

·         Balastos de arranque por disparo: Operan lámparas precalentadas sin cebador operando las lámparas como si fuesen lámparas de arranque rápido.

Cualquiera de los sistemas de arranque rápido necesita tener una superficie puesta a tierra cerca de la longitud del tubo. Esto proporciona un acoplamiento capacitivo entre los gases de la lámpara y tierra que ayuda a ionizar el gas frío. Sin esto, el voltaje de arranque tendría que superar la resistencia de la columna completa de gas entre los electrodos. Sin esto, el voltaje de arranque tendría que superar la resistencia de toda la columna entre los electrodos.

La carcasa metálica de las luminarias usualmente realiza esta función. Esta carcasa necesita una buena conexión a tierra para arrancar la lámpara apropiadamente. Un método alternativo es instalar una tira conductora a lo largo del tubo, o dar al tubo un revestimiento transparente conductivo.

Bibliografía: Fluorescent Lighting Reference Note 55. Donald R. Wulfinghoff
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