La lámpara de inducción , lámpara sin electrodos o lámpara de inducción sin electrodos es una lámpara de descarga de gas en la que un campo eléctrico o magnético transfiere la potencia necesaria para generar luz desde el exterior de la envoltura de la lámpara al gas del interior. Esto contrasta con una lámpara de descarga de gas típica que utiliza electrodos internos conectados a la fuente de alimentación mediante conductores que pasan a través de la envoltura de la lámpara. La eliminación de los electrodos internos aporta dos ventajas:
Dos sistemas son comunes: las lámparas de plasma , en las que las microondas u ondas de radio energizan una bombilla llena de vapor de azufre o haluros metálicos , y las lámparas de inducción fluorescentes, que son como una bombilla fluorescente convencional que induce corriente con una bobina externa o interna de Cable por inducción electromagnética .
En 1882, Philip Diehl (inventor) obtuvo la patente de un tipo de lámpara incandescente de inducción. [1]
Nikola Tesla demostró la transferencia inalámbrica de energía a lámparas sin electrodos en sus conferencias y artículos en la década de 1890, y posteriormente patentó un sistema de distribución de luz y energía basado en esos principios. [2]
En 1967 y 1968, John Anderson [3] de General Electric [4] [5] solicitó patentes para lámparas sin electrodos. En 1971, Fusion UV Systems instaló una lámpara UV de plasma de microondas sin electrodos de 300 vatios en una línea de producción de latas de Coors . [6] Philips introdujo sus sistemas de iluminación por inducción QL , que funcionan a 2,65 MHz, en 1990 en Europa y en 1992 en Estados Unidos. Matsushita tenía sistemas de luz de inducción disponibles en 1992. Intersource Technologies también anunció uno en 1992, llamado E-lamp . Operando a 13,6 MHz, estuvo disponible en el mercado estadounidense en 1993.
En 1990, Michael Ury, Charles Wood y sus colegas formularon el concepto de lámpara de azufre . Con el apoyo del Departamento de Energía de los Estados Unidos , fue desarrollado aún más en 1994 por Fusion Lighting de Rockville, Maryland, una filial de la división Fusion UV de Fusion Systems Corporation. Sus orígenes se encuentran en las fuentes de luz de descarga de microondas utilizadas para el curado ultravioleta en las industrias de semiconductores y de impresión.
Desde 1994, General Electric produce su lámpara de inducción Genura con un controlador de alta frecuencia integrado , que funciona a 2,65 MHz. En 1996, Osram comenzó a vender su sistema de iluminación por inducción Endura , que funciona a 250 kHz. Está disponible en EE. UU. como Sylvania Icetron . En 1997, PQL Lighting introdujo en los EE. UU. los sistemas de iluminación por inducción de la marca Superior Life . La mayoría de los sistemas de iluminación por inducción tienen una capacidad nominal de 100.000 horas de uso antes de requerir reemplazos absolutos de componentes.
En 2005, Amko Solara en Taiwán introdujo lámparas de inducción que pueden atenuar y utilizar controles basados en IP (Protocolo de Internet). Sus lámparas tienen una gama de 12 a 400 vatios y funcionan a 250 kHz.
A partir de 1995, los antiguos distribuidores de Fusion, Jenton / Jenact, ampliaron el hecho de que los plasmas energizados que emiten rayos UV actúan como conductores con pérdidas para crear una serie de patentes sobre lámparas UV sin electrodos para usos esterilizantes y germicidas.
Alrededor del año 2000, se desarrolló un sistema que concentraba ondas de radiofrecuencia en una guía de ondas dieléctrica sólida hecha de cerámica que energizaba un plasma emisor de luz en una bombilla colocada en su interior. Este sistema, por primera vez, hizo posible una lámpara sin electrodos extremadamente brillante y compacta. La invención ha sido motivo de controversia. Reclamadas por Frederick Espiau (entonces de Luxim , ahora de Topanga Technologies), Chandrashekhar Joshi y Yian Chang, estas reclamaciones fueron disputadas por Ceravision Limited. [7] Varias de las patentes principales fueron asignadas a Ceravision. [8] [9]
En 2006, Luxim presentó un producto de lámpara para proyector con el nombre comercial LIFI. La compañía amplió aún más la tecnología con productos de fuente de luz en aplicaciones de iluminación de instrumentos, entretenimiento, calles, áreas y arquitectura, entre otras, a lo largo de 2007 y 2008.
En 2009, Ceravision Limited presentó la primera lámpara de plasma de alta eficiencia (HEP) con el nombre comercial Alvara. Esta lámpara reemplaza la guía de ondas de cerámica opaca de lámparas anteriores por una guía de ondas de cuarzo ópticamente transparente que aumenta la eficiencia. En las lámparas anteriores, el quemador, o bombilla, era muy eficiente, pero la guía de ondas de cerámica opaca obstruía gravemente la proyección de la luz. Una guía de ondas de cuarzo transmite toda la luz del plasma.
En 2012, Topanga Technologies introdujo una línea de lámparas de plasma avanzadas (APL), impulsadas por un controlador de radiofrecuencia (RF) de estado sólido , [10] evitando así la vida limitada de los controladores basados en magnetrones , con una potencia del sistema de 127 y 230 voltios. y eficacias del sistema de 96 y 87 lúmenes /vatio, con un CRI de aproximadamente 70.
Varias empresas obtuvieron la licencia de esta tecnología y se convirtió en la solución viable de ahorro de energía para la modernización y actualización de la iluminación antes de que la iluminación LED alcanzara un punto de solución de eficacia viable. Fue ampliamente utilizado en aplicaciones de carreteras y mástiles altos en todo el mundo, reemplazando sistemas de haluro metálico y sodio de alta presión de 400 vatios, 750 vatios y 1000 vatios. La solución de plasma emisor de luz (LEP) fue excelente, ya que ofrecía una densidad lumínica mucho mayor que sus contrapartes HID, aproximadamente un 50 % de reducción de energía y podía alcanzar su máxima intensidad en alrededor de 45 a 60 segundos con un golpe frío o caliente, a diferencia de su solución. Antecesores de HID.
Las lámparas de plasma son una familia de fuentes de luz que generan luz excitando un plasma dentro de un quemador o bombilla transparente cerrado utilizando energía de radiofrecuencia (RF). Normalmente, este tipo de lámparas utilizan un gas noble o una mezcla de estos gases y materiales adicionales como haluros metálicos , sodio , mercurio o azufre . Se utiliza una guía de ondas para restringir y enfocar el campo eléctrico en el plasma. En funcionamiento el gas se ioniza y los electrones libres, acelerados por el campo eléctrico , chocan con el gas y los átomos metálicos. Algunos electrones que giran alrededor de los átomos de gas y metal son excitados por estas colisiones, llevándolos a un estado de mayor energía. Cuando el electrón vuelve a su estado original, emite un fotón , lo que produce luz visible o radiación ultravioleta según los materiales de relleno.
La primera lámpara de plasma fue una lámpara de curado ultravioleta con una bombilla llena de argón y vapor de mercurio, desarrollada por Fusion UV. Esa lámpara llevó a Fusion Systems a desarrollar la lámpara de azufre , que concentra microondas a través de una guía de ondas hueca para bombardear una bombilla llena de argón y azufre.
En el pasado, el magnetrón que genera las microondas limitaba la fiabilidad de las lámparas sin electrodos. La generación de RF de estado sólido funciona y ofrece una larga vida útil. Sin embargo, utilizar chips de estado sólido para generar RF es actualmente unas cincuenta veces más caro que utilizar un magnetrón, por lo que sólo es apropiado para nichos de iluminación de alto valor. Dipolar de Suecia ha demostrado que es posible ampliar considerablemente la vida útil de los magnetrones [ se necesita aclaración ] a más de 40.000 horas [12] haciendo posibles lámparas de plasma de bajo costo. Las lámparas de plasma son producidas actualmente por Ceravision y Luxim y en desarrollo por Topanga Technologies.
Ceravision ha introducido una lámpara y luminaria combinadas bajo el nombre comercial Alvara para su uso en aplicaciones de alumbrado público y de gran altura. Utiliza una guía de ondas de cuarzo ópticamente transparente con un quemador integral para que pase toda la luz del plasma. La pequeña fuente también permite que la luminaria utilice más del 90% de la luz disponible en comparación con el 55% de las luminarias HID típicas. Ceravision afirma tener el índice de eficacia de luminaria (LER) más alto [13] de cualquier dispositivo de iluminación del mercado y haber creado la primera lámpara de plasma de alta eficiencia (HEP). Ceravision utiliza un magnetrón para generar la potencia de RF requerida y afirma tener una vida útil de 20.000 horas.
La lámpara LIFI de Luxim afirma tener 120 lúmenes por vatio de RF (es decir, sin tener en cuenta las pérdidas eléctricas). [14] La lámpara se ha utilizado en la luz de cabeza móvil ROBIN 300 Plasma Spot de Robe Lighting . [15] También se utilizó en una línea de televisores de retroproyección Panasonic , ahora descontinuados. [dieciséis]
Aparte del método de acoplar energía al vapor de mercurio , estas lámparas son muy similares a las lámparas fluorescentes convencionales . El vapor de mercurio en el recipiente de descarga se excita eléctricamente para producir luz ultravioleta de onda corta , que luego excita los fósforos internos para producir luz visible. Aunque todavía son relativamente desconocidas para el público, estas lámparas han estado disponibles desde 1990. A diferencia de una lámpara incandescente o de una lámpara fluorescente convencional, no hay conexión eléctrica dentro de la bombilla de vidrio; la energía se transfiere a través de la envoltura de vidrio únicamente por inducción electromagnética . Hay dos tipos principales de lámparas de inducción magnética: lámparas de núcleo externo y lámparas de núcleo interno. La primera forma de lámpara de inducción disponible comercialmente y todavía ampliamente utilizada es la del tipo de núcleo interno. El tipo de núcleo externo, que se comercializó más tarde, tiene una gama más amplia de aplicaciones y está disponible en formas redonda, rectangular y "oliva".
Las lámparas de núcleo externo son básicamente lámparas fluorescentes con núcleos magnéticos enrollados alrededor de una parte del tubo de descarga. El núcleo suele estar hecho de ferrita , un material cerámico que contiene óxido de hierro y otros metales. En las lámparas de núcleo externo, la energía de alta frecuencia procedente de una fuente de alimentación especial pasa a través de cables enrollados en una bobina alrededor de un núcleo de ferrita toroidal colocado alrededor del exterior de una parte del tubo de vidrio. Esto crea un campo magnético de alta frecuencia dentro del núcleo de ferrita. Dado que la permeabilidad magnética de la ferrita es cientos o miles de veces mayor que la del aire o el vidrio circundante, y el núcleo de ferrita proporciona un camino cerrado para el campo magnético, el núcleo de ferrita contiene prácticamente todo el campo magnético.
Siguiendo la ley de inducción de Faraday , el campo magnético variable en el tiempo en el núcleo genera un voltaje eléctrico variable en el tiempo en cualquier camino cerrado que encierre el campo magnético variable en el tiempo. El tubo de descarga forma uno de esos caminos cerrados alrededor del núcleo de ferrita, y de esa manera el campo magnético variable en el tiempo en el núcleo genera un campo eléctrico variable en el tiempo en el tubo de descarga. No hay necesidad de que el campo magnético penetre en el tubo de descarga. El campo eléctrico generado por el campo magnético variable en el tiempo impulsa la descarga de gas raro de mercurio de la misma manera que la descarga es impulsada por el campo eléctrico de una lámpara fluorescente convencional. El devanado primario del núcleo de ferrita, el núcleo y la descarga forman un transformador , siendo la descarga un secundario de una vuelta en ese transformador.
El tubo de descarga contiene una baja presión de un gas raro como el argón y el vapor de mercurio . Los átomos de mercurio los aporta una gota de mercurio líquido, o bien una amalgama semisólida de mercurio y otros metales como el bismuto , el plomo o el estaño . Parte del mercurio líquido o del mercurio de la amalgama se vaporiza para producir vapor de mercurio. El campo eléctrico ioniza algunos de los átomos de mercurio para producir electrones libres y luego acelera esos electrones libres. Cuando los electrones libres chocan con los átomos de mercurio, algunos de esos átomos absorben energía de los electrones y se "excitan" a niveles de energía más altos. Después de un breve retraso, los átomos de mercurio excitados se relajan espontáneamente a su estado original de menor energía y emiten un fotón UV con el exceso de energía. Como en un tubo fluorescente convencional , el fotón UV se difunde a través del gas hacia el interior de la bombilla exterior y es absorbido por el fósforo que recubre esa superficie, transfiriendo su energía al fósforo. Cuando el fósforo se relaja a su estado original de menor energía, emite luz visible. De esta manera, el fotón UV se convierte en luz visible mediante la capa de fósforo en el interior del tubo. Las paredes de vidrio de la lámpara evitan la emisión de fotones UV porque el vidrio común bloquea la radiación UV en longitudes de onda de 253,7 nm y más cortas.
En la forma de núcleo interno (ver diagrama), un tubo de vidrio (B) sobresale hacia el bulbo desde el fondo del recipiente de descarga (A), formando una cavidad de reentrada. Este tubo contiene una antena llamada acoplador de potencia , que consiste en una bobina enrollada sobre un núcleo de ferrita cilíndrico . La bobina y la ferrita forman el inductor que acopla la energía al interior de la lámpara.
Las bobinas de la antena reciben energía eléctrica del controlador electrónico de alta frecuencia (C) que genera una alta frecuencia . La frecuencia exacta varía según el diseño de la lámpara, pero los ejemplos populares incluyen 13,6 MHz , 2,65 MHz y 250 kHz. Un circuito resonante especial en el controlador produce un alto voltaje inicial en la bobina para iniciar una descarga de gas; A partir de entonces, el voltaje se reduce al nivel de funcionamiento normal.
El sistema puede verse como un tipo de transformador , en el que el acoplador de potencia (inductor) forma la bobina primaria y el arco de descarga de gas en la bombilla forma la bobina secundaria de una vuelta y la carga del transformador. El controlador está conectado a la red eléctrica y generalmente está diseñado para funcionar con voltajes entre 100 y 277 VCA a una frecuencia de 50 o 60 Hz, o con un voltaje entre 100 y 400 VCC para sistemas de iluminación de emergencia alimentados por baterías . Muchos controladores están disponibles en modelos de bajo voltaje, por lo que también se pueden conectar a fuentes de voltaje de CC, como baterías , para iluminación de emergencia o para uso con sistemas de energía renovable ( solar y eólica ).
En otras lámparas de descarga de gas convencionales, los electrodos son la pieza con la vida más corta, lo que limita gravemente la vida útil de la lámpara. Como una lámpara de inducción no tiene electrodos, puede tener una vida útil más larga. Para los sistemas de lámparas de inducción con un controlador independiente, la vida útil puede ser de hasta 100.000 horas, lo que equivale a 11,4 años de funcionamiento continuo. Para las lámparas de inducción con controladores integrados, la vida útil oscila entre 15.000 y 50.000 horas. Para que el conductor pueda alcanzar una vida útil tan larga, se necesitan circuitos electrónicos de altísima calidad . Estas lámparas se utilizan normalmente en aplicaciones comerciales o industriales. Normalmente, los costos de operación y mantenimiento son significativamente menores con los sistemas de iluminación por inducción debido a su ciclo de vida promedio de 100.000 horas en la industria y su garantía de cinco a diez años.
