Una lámpara fluorescente , o tubo fluorescente , es una lámpara de descarga de gas de vapor de mercurio de baja presión que utiliza fluorescencia para producir luz visible. Una corriente eléctrica en el gas excita el vapor de mercurio, para producir ultravioleta y hacer que brille un revestimiento de fósforo en la lámpara. Las lámparas fluorescentes convierten la energía eléctrica en luz útil de manera mucho más eficiente que las lámparas incandescentes , pero son menos eficientes que la mayoría de las lámparas LED . La eficacia luminosa típica de las lámparas fluorescentes es de 50 a 100 lúmenes por vatio, varias veces la eficacia de las bombillas incandescentes con una salida de luz comparable (por ejemplo, la eficacia luminosa de una lámpara incandescente puede ser de solo 16 lm/w).
Las lámparas fluorescentes son más costosas que las lámparas incandescentes porque, entre otras cosas, requieren un balastro para regular la corriente que pasa por la lámpara, pero el costo inicial se compensa con un costo de funcionamiento mucho menor. Las lámparas fluorescentes compactas fabricadas en los mismos tamaños que las bombillas incandescentes se utilizan como una alternativa de ahorro de energía a las lámparas incandescentes en los hogares.
En Estados Unidos , las lámparas fluorescentes se clasifican como residuos universales . La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos recomienda que las lámparas fluorescentes se separen de los residuos generales para reciclarlas o desecharlas de forma segura, y algunas jurisdicciones exigen su reciclaje. [3]
La fluorescencia de ciertas rocas y otras sustancias se había observado durante cientos de años antes de que se comprendiera su naturaleza. Uno de los primeros en explicarla fue el científico irlandés Sir George Stokes, de la Universidad de Cambridge , en 1852, quien bautizó el fenómeno como "fluorescencia" en honor a la fluorita , un mineral cuyas muestras brillan intensamente en muchas ocasiones debido a las impurezas.
A mediados del siglo XIX, los investigadores observaron un resplandor radiante que emanaba de recipientes de vidrio parcialmente vacíos por los que pasaba una corriente eléctrica . La explicación se basaba en la naturaleza de la electricidad y los fenómenos luminosos desarrollados por los científicos británicos Michael Faraday en la década de 1840 y James Clerk Maxwell en la de 1860. [4]
Poco más se hizo con este fenómeno hasta 1856, cuando el soplador de vidrio alemán Heinrich Geissler creó una bomba de vacío de mercurio que evacuaba un tubo de vidrio hasta un punto que antes no era posible. Geissler inventó la primera lámpara de descarga de gas, el tubo de Geissler , que consistía en un tubo de vidrio parcialmente evacuado con un electrodo de metal en cada extremo. Cuando se aplicaba un alto voltaje entre los electrodos, el interior del tubo se iluminaba con una descarga luminiscente . Al colocar diferentes productos químicos en el interior, se podía hacer que los tubos produjeran una variedad de colores, y los elaborados tubos de Geissler se vendían para entretenimiento. Más importante fue su contribución a la investigación científica. Uno de los primeros científicos en experimentar con un tubo de Geissler fue Julius Plücker , quien describió sistemáticamente en 1858 los efectos luminiscentes que se producían en un tubo de Geissler. También hizo la importante observación de que el brillo en el tubo cambiaba de posición cuando estaba cerca de un campo electromagnético . En 1859, Alexandre Edmond Becquerel observó que ciertas sustancias emitían luz cuando se colocaban en un tubo de Geissler. Luego, aplicó capas delgadas de materiales luminiscentes a las superficies de estos tubos. Se producía fluorescencia, pero los tubos eran ineficientes y tenían una vida útil corta. [5]
Las investigaciones que comenzaron con el tubo de Geissler continuaron a medida que se producían mejores vacíos. El más famoso fue el tubo de vacío utilizado para la investigación científica por William Crookes . Ese tubo se evacuaba mediante la bomba de vacío de mercurio altamente efectiva creada por Hermann Sprengel . La investigación realizada por Crookes y otros finalmente condujo al descubrimiento del electrón en 1897 por JJ Thomson y los rayos X en 1895 por Wilhelm Röntgen . El tubo de Crookes , como llegó a conocerse, producía poca luz porque el vacío en él era demasiado grande y, por lo tanto, carecía de las trazas de gas que se necesitan para la luminiscencia estimulada eléctricamente .
Thomas Edison se dedicó brevemente a la iluminación fluorescente por su potencial comercial. Inventó una lámpara fluorescente en 1896 que utilizaba un revestimiento de tungstato de calcio como sustancia fluorescente, excitada por rayos X. Aunque recibió una patente en 1907, [6] no se puso en producción. Al igual que con algunos otros intentos de utilizar tubos Geissler para iluminación, tuvo una vida útil corta y, dado el éxito de la luz incandescente, Edison tenía pocas razones para buscar un medio alternativo de iluminación eléctrica. Nikola Tesla realizó experimentos similares en la década de 1890, ideando bombillas fluorescentes alimentadas por alta frecuencia que daban una luz verdosa brillante, pero al igual que con los dispositivos de Edison, no se logró ningún éxito comercial.
Uno de los antiguos empleados de Edison creó una lámpara de descarga de gas que alcanzó cierto éxito comercial. En 1895, Daniel McFarlan Moore presentó lámparas de entre 2 y 3 metros de longitud que utilizaban dióxido de carbono o nitrógeno para emitir luz blanca o rosa, respectivamente. Eran considerablemente más complicadas que una bombilla incandescente, ya que requerían tanto una fuente de alimentación de alto voltaje como un sistema de regulación de presión para el gas de relleno. [7]
Moore inventó una válvula controlada electromagnéticamente que mantenía una presión de gas constante dentro del tubo, para extender la vida útil. [8] Aunque la lámpara de Moore era complicada, cara y requería voltajes muy altos, era considerablemente más eficiente que las lámparas incandescentes, y producía una aproximación más cercana a la luz natural que las lámparas incandescentes contemporáneas. A partir de 1904, el sistema de iluminación de Moore se instaló en varias tiendas y oficinas. [9] Su éxito contribuyó a la motivación de General Electric para mejorar la lámpara incandescente, especialmente su filamento. Los esfuerzos de GE dieron sus frutos con la invención de un filamento a base de tungsteno . La vida útil prolongada y la eficacia mejorada de las bombillas incandescentes anularon una de las ventajas clave de la lámpara de Moore, pero GE compró las patentes pertinentes en 1912. Estas patentes y los esfuerzos inventivos que las respaldaron fueron de considerable valor cuando la empresa adoptó la iluminación fluorescente más de dos décadas después.
Casi al mismo tiempo que Moore estaba desarrollando su sistema de iluminación, Peter Cooper Hewitt inventó la lámpara de vapor de mercurio , patentada en 1901 ( US 682692 ). La lámpara de Hewitt brillaba cuando se hacía pasar una corriente eléctrica a través del vapor de mercurio a baja presión. A diferencia de las lámparas de Moore, las de Hewitt se fabricaban en tamaños estandarizados y funcionaban a bajo voltaje. La lámpara de vapor de mercurio era superior a las lámparas incandescentes de la época en términos de eficiencia energética , pero la luz azul verdosa que producía limitaba sus aplicaciones. Sin embargo, se utilizaba para fotografía y algunos procesos industriales.
Las lámparas de vapor de mercurio siguieron desarrollándose a un ritmo lento, especialmente en Europa. A principios de la década de 1930, se utilizaban de forma limitada para la iluminación a gran escala. Algunas de ellas empleaban revestimientos fluorescentes, pero estos se utilizaban principalmente para la corrección del color y no para mejorar la salida de luz. Las lámparas de vapor de mercurio también se anticiparon a las lámparas fluorescentes al incorporar un balasto para mantener una corriente constante.
Cooper-Hewitt no había sido el primero en utilizar vapor de mercurio para iluminación, ya que Way, Rapieff, Arons y Bastian y Salisbury habían realizado esfuerzos anteriores. De particular importancia fue la lámpara de vapor de mercurio inventada por Küch y Retschinsky en Alemania . La lámpara utilizaba una bombilla de diámetro más pequeño y una corriente más alta que funcionaba a presiones más altas. Como consecuencia de la corriente, la bombilla funcionaba a una temperatura más alta, lo que requería el uso de una bombilla de cuarzo. Aunque su salida de luz en relación con el consumo eléctrico era mejor que la de otras fuentes de luz, la luz que producía era similar a la de la lámpara Cooper-Hewitt en el sentido de que carecía de la parte roja del espectro, lo que la hacía inadecuada para la iluminación ordinaria. Debido a las dificultades para sellar los electrodos al cuarzo, la lámpara tuvo una vida útil corta. [10]
El siguiente paso en la iluminación a base de gas aprovechó las cualidades luminiscentes del neón , un gas inerte que se había descubierto en 1898 mediante el aislamiento de la atmósfera. El neón brillaba con un rojo brillante cuando se usaba en tubos Geissler. [11] En 1910, Georges Claude , un francés que había desarrollado una tecnología y un negocio exitoso para la licuefacción del aire, obtenía suficiente neón como subproducto para sustentar una industria de iluminación de neón. [12] [13] Si bien la iluminación de neón se utilizó alrededor de 1930 en Francia para la iluminación general, no era más eficiente energéticamente que la iluminación incandescente convencional. La iluminación con tubos de neón, que también incluye el uso de argón y vapor de mercurio como gases alternativos, llegó a usarse principalmente para carteles y anuncios llamativos. Sin embargo, la iluminación de neón fue relevante para el desarrollo de la iluminación fluorescente, ya que el electrodo mejorado de Claude (patentado en 1915) superó la "chisporroteo", una fuente importante de degradación del electrodo. La pulverización catódica se producía cuando partículas ionizadas chocaban contra un electrodo y arrancaban trozos de metal. Aunque la invención de Claude requería electrodos con una gran superficie, demostró que se podía superar un importante obstáculo para la iluminación a base de gas.
El desarrollo de la luz de neón también fue significativo para el último elemento clave de la lámpara fluorescente, su revestimiento fluorescente. [14] En 1926, Jacques Risler recibió una patente francesa para la aplicación de revestimientos fluorescentes a los tubos de luz de neón. [15] El uso principal de estas lámparas, que pueden considerarse las primeras fluorescentes comercialmente exitosas, fue para publicidad, no para iluminación general. Sin embargo, este no fue el primer uso de revestimientos fluorescentes; Becquerel había usado la idea antes y Edison usó tungstato de calcio para su lámpara fallida. [16] [17] [18] Se habían realizado otros esfuerzos, pero todos estuvieron plagados de baja eficiencia y varios problemas técnicos. De particular importancia fue la invención en 1927 de una "lámpara de vapor de metal" de bajo voltaje por Friedrich Meyer, Hans-Joachim Spanner y Edmund Germer , que eran empleados de una empresa alemana en Berlín . Se concedió una patente alemana, pero la lámpara nunca entró en producción comercial.
A finales de los años 20 ya se habían desarrollado todas las características principales de la iluminación fluorescente. Tras décadas de invención y desarrollo, se habían obtenido los componentes clave de las lámparas fluorescentes: tubos de vidrio fabricados a bajo coste, gases inertes para llenar los tubos, balastos eléctricos, electrodos de larga duración, vapor de mercurio como fuente de luminiscencia, medios eficaces para producir una descarga eléctrica fiable y revestimientos fluorescentes que podían activarse con luz ultravioleta. En ese momento, el desarrollo intensivo era más importante que la investigación básica.
En 1934, Arthur Compton , un físico de renombre y consultor de GE, informó al departamento de lámparas de GE sobre los experimentos exitosos con iluminación fluorescente en General Electric Co., Ltd. en Gran Bretaña (sin relación con General Electric en los Estados Unidos). Estimulado por este informe, y con todos los elementos clave disponibles, un equipo dirigido por George E. Inman construyó un prototipo de lámpara fluorescente en 1934 en el laboratorio de ingeniería de General Electric en Nela Park (Ohio). No fue un ejercicio trivial; como señaló Arthur A. Bright, "Se tuvo que realizar una gran cantidad de experimentos sobre tamaños y formas de lámparas, construcción de cátodos, presiones de gas tanto de argón como de vapor de mercurio, colores de polvos fluorescentes, métodos para unirlos al interior del tubo y otros detalles de la lámpara y sus auxiliares antes de que el nuevo dispositivo estuviera listo para el público". [19]
Además de contar con ingenieros y técnicos, junto con instalaciones para el trabajo de I+D en lámparas fluorescentes, General Electric controlaba lo que consideraba las patentes clave que cubrían la iluminación fluorescente, incluidas las patentes otorgadas originalmente a Hewitt, Moore y Küch. Más importante que éstas era una patente que cubría un electrodo que no se desintegraba a las presiones de gas que finalmente se emplearon en las lámparas fluorescentes. Albert W. Hull, del Laboratorio de Investigación Schenectady de GE, solicitó una patente para esta invención en 1927, que fue otorgada en 1931. [20] General Electric utilizó su control de las patentes para evitar la competencia con sus luces incandescentes y probablemente retrasó la introducción de la iluminación fluorescente durante 20 años. Finalmente, la producción bélica requirió fábricas que funcionaran las 24 horas con iluminación económica, y las luces fluorescentes estuvieron disponibles.
Aunque la patente de Hull dio a GE una base para reclamar derechos legales sobre la lámpara fluorescente, unos meses después de que la lámpara entrara en producción, la empresa se enteró de una solicitud de patente estadounidense que se había presentado en 1927 para la mencionada "lámpara de vapor de metal" inventada en Alemania por Meyer, Spanner y Germer. La solicitud de patente indicaba que la lámpara había sido creada como un medio superior de producir luz ultravioleta, pero la solicitud también contenía algunas declaraciones que hacían referencia a la iluminación fluorescente. Los esfuerzos para obtener una patente estadounidense se habían topado con numerosos retrasos, pero si se hubiera concedido, la patente podría haber causado serias dificultades para GE. Al principio, GE intentó bloquear la concesión de una patente alegando que la prioridad debería recaer en uno de sus empleados, Leroy J. Buttolph, que según su afirmación había inventado una lámpara fluorescente en 1919 y cuya solicitud de patente todavía estaba pendiente. GE también había presentado una solicitud de patente en 1936 a nombre de Inman para cubrir las "mejoras" realizadas por su grupo. En 1939, GE decidió que la demanda de Meyer, Spanner y Germer tenía cierto mérito y que, en cualquier caso, un largo procedimiento de interferencia no era lo mejor para ellos. Por lo tanto, desestimaron la demanda de Buttolph y pagaron 180.000 dólares para adquirir la solicitud de Meyer, et al., que en ese momento era propiedad de una empresa conocida como Electrons, Inc. La patente fue debidamente otorgada en diciembre de 1939. [21] Esta patente, junto con la patente de Hull, colocó a GE en lo que parecía ser un terreno legal firme, aunque enfrentó años de demandas legales por parte de Sylvania Electric Products , Inc., que alegaba infracción de patentes que poseía.
Aunque el problema de la patente no se resolvió por completo durante muchos años, la fortaleza de General Electric en la fabricación y comercialización le dio una posición preeminente en el emergente mercado de la luz fluorescente. Las ventas de "lámparas fluorescentes lumilina" comenzaron en 1938 cuando se lanzaron al mercado cuatro tamaños diferentes de tubos. Se utilizaron en luminarias fabricadas por tres corporaciones líderes: Lightolier , Artcraft Fluorescent Lighting Corporation y Globe Lighting. La presentación pública del balasto fluorescente Slimline en 1946 fue realizada por Westinghouse y General Electric y las luminarias Showcase/Display Case fueron presentadas por Artcraft Fluorescent Lighting Corporation en 1946. [22] [23] Durante el año siguiente, GE y Westinghouse publicitaron las nuevas luces a través de exhibiciones en la Feria Mundial de Nueva York y la Exposición Internacional Golden Gate en San Francisco. Los sistemas de iluminación fluorescente se extendieron rápidamente durante la Segunda Guerra Mundial a medida que la fabricación en tiempos de guerra intensificaba la demanda de iluminación. En 1951, en Estados Unidos se producía más luz con lámparas fluorescentes que con lámparas incandescentes. [24]
En los primeros años se utilizó el ortosilicato de cinc con un contenido variable de berilio como fósforo verdoso. Pequeñas adiciones de tungstato de magnesio mejoraron la parte azul del espectro, produciendo un blanco aceptable. Después del descubrimiento de que el berilio era tóxico , predominaron los fósforos basados en halofosfato. [25]
El mecanismo fundamental para la conversión de energía eléctrica en luz es la emisión de un fotón cuando un electrón en un átomo de mercurio cae de un estado excitado a un nivel de energía más bajo . Los electrones que fluyen en el arco chocan con los átomos de mercurio. Si el electrón incidente tiene suficiente energía cinética , transfiere energía al electrón exterior del átomo, haciendo que ese electrón salte temporalmente a un nivel de energía más alto que no es estable. El átomo emitirá un fotón ultravioleta a medida que el electrón del átomo vuelve a un nivel de energía más bajo, más estable. La mayoría de los fotones que se liberan de los átomos de mercurio tienen longitudes de onda en la región ultravioleta (UV) del espectro, predominantemente en longitudes de onda de 253,7 y 185 nanómetros (nm). Estas no son visibles para el ojo humano, por lo que la energía ultravioleta se convierte en luz visible por la fluorescencia del revestimiento de fósforo interno. La diferencia de energía entre el fotón ultravioleta absorbido y el fotón de luz visible emitido calienta el revestimiento de fósforo.
La corriente eléctrica fluye a través del tubo en una descarga de arco de baja presión . Los electrones chocan con los átomos de gas noble dentro de la bombilla que rodean el filamento y los ionizan para formar un plasma mediante el proceso de ionización por impacto . Como resultado de la ionización por avalancha , la conductividad del gas ionizado aumenta rápidamente, lo que permite que fluyan corrientes más altas a través de la lámpara.
El gas de relleno ayuda a determinar las características eléctricas de la lámpara, pero no emite luz por sí mismo. El gas de relleno aumenta efectivamente la distancia que recorren los electrones a través del tubo, lo que permite que un electrón tenga una mayor probabilidad de interactuar con un átomo de mercurio. Además, los átomos de argón, excitados a un estado metaestable por el impacto de un electrón, pueden impartir energía a un átomo de mercurio e ionizarlo, lo que se describe como el efecto Penning . Esto reduce el voltaje de ruptura y de funcionamiento de la lámpara, en comparación con otros posibles gases de relleno, como el criptón. [26]
Un tubo de lámpara fluorescente se llena con una mezcla de argón , xenón , neón o criptón y vapor de mercurio. La presión dentro de la lámpara es de alrededor del 0,3% de la presión atmosférica. [27] La presión parcial del vapor de mercurio solo es de aproximadamente 0,8 Pa (8 millonésimas de la presión atmosférica), en una lámpara T12 de 40 vatios. [28] La superficie interior de la lámpara está recubierta con un revestimiento fluorescente hecho de mezclas variables de sales de fósforo metálicas y de tierras raras . Los electrodos de la lámpara suelen estar hechos de tungsteno en espiral y están recubiertos con una mezcla de óxidos de bario, estroncio y calcio para mejorar la emisión termoiónica .
Los tubos de las lámparas fluorescentes suelen ser rectos y su longitud varía desde unos 100 milímetros (3,9 pulgadas) para las lámparas en miniatura hasta 2,43 metros (8,0 pies) para las lámparas de alto rendimiento. Algunas lámparas tienen un tubo circular, que se utiliza para lámparas de mesa u otros lugares donde se desea una fuente de luz más compacta. Las lámparas más grandes en forma de U se utilizan para proporcionar la misma cantidad de luz en un área más compacta y se utilizan para fines arquitectónicos especiales. Las lámparas fluorescentes compactas tienen varios tubos de diámetro pequeño unidos en un haz de dos, cuatro o seis, o un tubo de diámetro pequeño enrollado en una hélice, para proporcionar una gran cantidad de salida de luz en un volumen mínimo.
Los fósforos emisores de luz se aplican como una capa similar a la pintura en el interior del tubo. Se deja que los disolventes orgánicos se evaporen y luego se calienta el tubo hasta casi el punto de fusión del vidrio para eliminar los compuestos orgánicos restantes y fusionar la capa con el tubo de la lámpara. Es necesario un control cuidadoso del tamaño de grano de los fósforos suspendidos; los granos grandes dan lugar a capas débiles y las partículas pequeñas dan lugar a un mantenimiento y una eficiencia deficientes de la luz. La mayoría de los fósforos funcionan mejor con un tamaño de partícula de alrededor de 10 micrómetros. La capa debe ser lo suficientemente gruesa como para capturar toda la luz ultravioleta producida por el arco de mercurio, pero no tan gruesa como para que la capa de fósforo absorba demasiada luz visible. Los primeros fósforos eran versiones sintéticas de minerales fluorescentes naturales, con pequeñas cantidades de metales añadidos como activadores. Más tarde se descubrieron otros compuestos, lo que permitió fabricar lámparas de diferentes colores. [29]
Los tubos fluorescentes pueden tener un revestimiento exterior de silicona aplicado sumergiéndolos en una solución de agua y silicona y luego secándolos. Este revestimiento le da al tubo un acabado superficial sedoso y lo protege contra la humedad, lo que garantiza una resistencia superficial predecible en el tubo al encenderlo. [30]
Las lámparas fluorescentes son dispositivos de resistencia diferencial negativa , por lo que, a medida que fluye más corriente a través de ellas, la resistencia eléctrica de la lámpara fluorescente disminuye, lo que permite que fluya aún más corriente. Si se conecta directamente a una fuente de alimentación de voltaje constante , una lámpara fluorescente se autodestruiría rápidamente debido al flujo de corriente descontrolado. Para evitarlo, las lámparas fluorescentes deben utilizar un balasto para regular el flujo de corriente a través de la lámpara.
El voltaje terminal a través de una lámpara de operación varía dependiendo de la corriente del arco , el diámetro del tubo, la temperatura y el gas de relleno. Una lámpara T12 de 48 pulgadas (1219 mm) [31] para servicio de iluminación general opera a 430 mA, con una caída de 100 voltios. Las lámparas de alto rendimiento operan a 800 mA, y algunos tipos operan hasta 1,5 A. El nivel de potencia varía de 33 a 82 vatios por metro de longitud del tubo (10 a 25 W/pie) para las lámparas T12. [32]
El balasto más simple para uso con corriente alterna (CA) es un inductor colocado en serie, que consiste en un devanado sobre un núcleo magnético laminado. La inductancia de este devanado limita el flujo de corriente alterna. Este tipo de balasto es común en países con voltajes de 220 a 240 V (y en América del Norte, lámparas de hasta 30 W). Los balastos se clasifican según el tamaño de la lámpara y la frecuencia de la red. En América del Norte, el voltaje de CA es insuficiente para encender lámparas fluorescentes largas, por lo que el balasto suele ser un autotransformador elevador con una inductancia de fuga sustancial (para limitar el flujo de corriente). Cualquier forma de balasto inductivo también puede incluir un condensador para la corrección del factor de potencia .
Las lámparas fluorescentes pueden funcionar directamente con una fuente de corriente continua (CC) de voltaje suficiente para generar un arco. El balasto debe ser resistivo y consumiría aproximadamente la misma energía que la lámpara. Cuando se opera con CC, el interruptor de arranque suele estar configurado para invertir la polaridad de la fuente de alimentación a la lámpara cada vez que se enciende; de lo contrario, el mercurio se acumula en un extremo del tubo. Las lámparas fluorescentes (casi) nunca funcionan directamente con CC por esas razones. En cambio, un inversor convierte la CC en CA y proporciona la función de limitación de corriente como se describe a continuación para los balastos electrónicos.
El rendimiento de las lámparas fluorescentes se ve afectado críticamente por la temperatura de la pared de la bombilla y su efecto sobre la presión parcial del vapor de mercurio en su interior. [33] Dado que el mercurio se condensa en el punto más frío de la lámpara, se requiere un diseño cuidadoso para mantener ese punto a la temperatura óptima, alrededor de 40 °C (104 °F).
El uso de una amalgama con algún otro metal reduce la presión de vapor y aumenta el rango de temperatura óptimo. La temperatura del "punto frío" de la pared de la bombilla debe seguir controlándose para evitar la condensación. Las lámparas fluorescentes de alto rendimiento tienen características como un tubo deformado o disipadores de calor internos para controlar la temperatura del punto frío y la distribución del mercurio. Las lámparas pequeñas muy cargadas, como las lámparas fluorescentes compactas, también incluyen áreas de disipación de calor en el tubo para mantener la presión de vapor de mercurio en el valor óptimo. [34]
Sólo una fracción de la energía eléctrica que entra en una lámpara se convierte en luz útil. El balasto disipa algo de calor; los balastos electrónicos pueden tener una eficiencia de alrededor del 90%. Se produce una caída de tensión fija en los electrodos, que también produce calor. Parte de la energía en la columna de vapor de mercurio también se disipa, pero aproximadamente el 85% se convierte en luz visible y ultravioleta.
No toda la radiación ultravioleta que llega al revestimiento de fósforo se convierte en luz visible; se pierde algo de energía. La mayor pérdida individual en las lámparas modernas se debe a la menor energía de cada fotón de luz visible, en comparación con la energía de los fotones ultravioleta que los generaron (un fenómeno llamado desplazamiento de Stokes ). Los fotones incidentes tienen una energía de 5,5 electronvoltios, pero producen fotones de luz visible con una energía de alrededor de 2,5 electronvoltios, por lo que solo se utiliza el 45% de la energía ultravioleta; el resto se disipa en forma de calor. [35]
La mayoría de las lámparas fluorescentes utilizan electrodos que emiten electrones en el tubo mediante calor, conocidos como cátodos calientes. Sin embargo, los tubos de cátodo frío tienen cátodos que emiten electrones solo debido al alto voltaje entre los electrodos. Los cátodos se calentarán con la corriente que fluye a través de ellos, pero no están lo suficientemente calientes como para producir una emisión termoiónica significativa . Debido a que las lámparas de cátodo frío no tienen un revestimiento de emisión termoiónica que se desgaste, pueden tener una vida útil mucho más larga que los tubos de cátodo caliente . Esto las hace deseables para aplicaciones de larga duración (como retroiluminación en pantallas de cristal líquido ). Aún puede producirse pulverización catódica del electrodo, pero los electrodos pueden moldearse (por ejemplo, en un cilindro interno) para capturar la mayor parte del material pulverizado para que no se pierda del electrodo.
Las lámparas de cátodo frío son generalmente menos eficientes que las lámparas de emisión termoiónica porque el voltaje de caída del cátodo es mucho más alto. La potencia disipada debido al voltaje de caída del cátodo no contribuye a la salida de luz. Sin embargo, esto es menos significativo con tubos más largos. La mayor disipación de potencia en los extremos de los tubos también suele significar que los tubos de cátodo frío deben funcionar con una carga menor que sus equivalentes de emisión termoiónica. Dado que de todos modos se requiere un mayor voltaje del tubo, estos tubos se pueden hacer fácilmente largos e incluso funcionar como cadenas en serie. Son más adecuados para doblarlos en formas especiales para rotulación y señalización, y también se pueden encender o apagar instantáneamente.
El gas que se utiliza en el tubo fluorescente debe ionizarse antes de que el arco pueda "encenderse". En el caso de lámparas pequeñas, no se necesita mucho voltaje para encender el arco y encender la lámpara no presenta ningún problema, pero los tubos más grandes requieren un voltaje considerable (en el rango de mil voltios). Se han utilizado muchos circuitos de encendido diferentes. La elección del circuito se basa en el costo, el voltaje de CA, la longitud del tubo, el encendido instantáneo o no instantáneo, los rangos de temperatura y la disponibilidad de piezas.
El precalentamiento, también llamado arranque por conmutación, utiliza una combinación de filamento y cátodo en cada extremo de la lámpara junto con un interruptor mecánico o automático ( bimetálico ) (ver diagrama de circuito a la derecha) que inicialmente conecta los filamentos en serie con el balasto para precalentarlos; después de un breve tiempo de precalentamiento, el interruptor de arranque se abre. Si se sincroniza correctamente con respecto a la fase de la fuente de alimentación de CA, esto hace que el balasto induzca un voltaje sobre el tubo lo suficientemente alto como para iniciar el arco de arranque. [36] Estos sistemas son equipos estándar en países de 200 a 240 V (y en los Estados Unidos, lámparas de hasta aproximadamente 30 vatios).
Antes de los años 1960, se utilizaban arrancadores térmicos de cuatro pines e interruptores manuales. [ cita requerida ] Un arrancador de interruptor incandescente precalienta automáticamente los cátodos de la lámpara. Consiste en un interruptor bimetálico normalmente abierto en una pequeña lámpara de descarga de gas sellada que contiene gas inerte (neón o argón). El interruptor incandescente calentará cíclicamente los filamentos e iniciará un voltaje de pulso para encender el arco; el proceso se repite hasta que se enciende la lámpara. Una vez que el tubo se enciende, la descarga principal que incide mantiene calientes los cátodos, lo que permite la emisión continua de electrones. El interruptor de arranque no se cierra nuevamente porque el voltaje a través del tubo encendido es insuficiente para iniciar una descarga incandescente en el arrancador. [36]
En los arrancadores con interruptor de incandescencia, un tubo defectuoso se activará repetidamente. Algunos sistemas de arranque utilizan un dispositivo de disparo por sobrecorriente térmica para detectar intentos de arranque repetidos y desactivar el circuito hasta que se restablezca manualmente.
Un condensador de corrección del factor de potencia (PFC) extrae corriente adelantada de la red eléctrica para compensar la corriente retrasada que consume el circuito de la lámpara. [36]
Los arrancadores electrónicos utilizan un método diferente para precalentar los cátodos. [37] Pueden ser intercambiables con los arrancadores incandescentes. Utilizan un interruptor semiconductor y "arrancan suavemente" la lámpara precalentando los cátodos antes de aplicar un pulso de arranque que golpea la lámpara por primera vez sin parpadear; esto desaloja una cantidad mínima de material de los cátodos durante el arranque, lo que proporciona una vida útil más larga a la lámpara. [36] Se afirma que esto prolonga la vida útil de la lámpara por un factor de típicamente 3 a 4 veces para una lámpara encendida con frecuencia como en el uso doméstico, [38] y reduce el ennegrecimiento de los extremos de la lámpara típico de los tubos fluorescentes. Si bien el circuito es complejo, la complejidad está incorporada en un chip de circuito integrado . Los arrancadores electrónicos pueden optimizarse para un arranque rápido (tiempo de arranque típico de 0,3 segundos), [38] [39] o para un arranque más confiable incluso a bajas temperaturas y con voltajes de suministro bajos, con un tiempo de arranque de 2 a 4 segundos. [40] Las unidades de arranque más rápido pueden producir ruido audible durante el arranque. [41]
Los arrancadores electrónicos sólo intentan encender una lámpara durante un breve período de tiempo cuando se aplica energía inicialmente, y no intentan repetidamente volver a encender una lámpara que está muerta y no puede mantener un arco; algunos dejan automáticamente de intentar encender una lámpara averiada. [37] Esto elimina la necesidad de volver a encender una lámpara y el parpadeo continuo de una lámpara averiada con un arrancador de incandescencia. Los arrancadores electrónicos no están sujetos a desgaste y no necesitan ser reemplazados periódicamente, aunque pueden fallar como cualquier otro circuito electrónico. Los fabricantes suelen citar una vida útil de 20 años, o tanto como la luminaria. [39] [40]
Los tubos fluorescentes de encendido instantáneo se inventaron en 1944. El encendido instantáneo simplemente utiliza un voltaje lo suficientemente alto como para romper la columna de gas y, de ese modo, iniciar la conducción del arco. Una vez que la chispa de alto voltaje "enciende" el arco, la corriente aumenta hasta que se forma una descarga luminiscente . A medida que la lámpara se calienta y aumenta la presión, la corriente continúa aumentando y tanto la resistencia como el voltaje caen, hasta que la red eléctrica o el voltaje de línea toman el control y la descarga se convierte en un arco. Estos tubos no tienen filamentos y se pueden identificar por un solo pin en cada extremo del tubo (para lámparas comunes; las lámparas compactas de cátodo frío también pueden tener un solo pin, pero funcionan con un transformador en lugar de un balasto). Los portalámparas tienen un zócalo de "desconexión" en el extremo de bajo voltaje que desconecta el balasto cuando se retira el tubo, para evitar descargas eléctricas . Las lámparas de encendido instantáneo son ligeramente más eficientes energéticamente que las de encendido rápido, porque no envían constantemente una corriente de calentamiento a los cátodos durante el funcionamiento, pero el encendido de los cátodos fríos aumenta el chisporroteo y tardan mucho más en pasar de una descarga luminiscente a un arco durante el calentamiento, por lo que la vida útil suele ser aproximadamente la mitad de la que se observa en lámparas de encendido rápido comparables. [42]
Debido a que la formación de un arco requiere la emisión termoiónica de grandes cantidades de electrones desde el cátodo, los diseños de balastos de arranque rápido proporcionan bobinados dentro del balasto que calientan continuamente los filamentos del cátodo. Por lo general, funcionan a un voltaje de arco más bajo que el diseño de arranque instantáneo; no se produce un pico de voltaje inductivo para el arranque, por lo que las lámparas deben montarse cerca de un reflector conectado a tierra para permitir que la descarga luminiscente se propague a través del tubo e inicie la descarga del arco a través del acoplamiento capacitivo . En algunas lámparas, se fija una tira de "ayuda de arranque" conectada a tierra en el exterior del vidrio de la lámpara. Este tipo de balasto es incompatible con las lámparas fluorescentes T8 de ahorro de energía europeas porque estas lámparas requieren un voltaje de arranque más alto que el del voltaje de circuito abierto de los balastos de arranque rápido.
Los balastos de arranque rápido utilizan un pequeño autotransformador para calentar los filamentos cuando se aplica la energía por primera vez. Cuando se produce un arco, la potencia de calentamiento del filamento se reduce y el tubo se encenderá en medio segundo. El autotransformador se combina con el balasto o puede ser una unidad separada. Los tubos deben montarse cerca de un reflector metálico conectado a tierra para que se enciendan. Los balastos de arranque rápido son más comunes en instalaciones comerciales debido a los menores costos de mantenimiento. Un balasto de arranque rápido elimina la necesidad de un interruptor de arranque, una fuente común de fallas de las lámparas. No obstante, los balastos de arranque rápido también se utilizan en instalaciones domésticas (residenciales) debido a la característica deseable de que una luz con balasto de arranque rápido se enciende casi inmediatamente después de aplicar energía (cuando se enciende un interruptor). Los balastos de arranque rápido se utilizan solo en circuitos de 240 V y están diseñados para usarse con los tubos T12 más antiguos y menos eficientes.
El circuito de arranque semirresonante fue inventado por Thorn Lighting para su uso con tubos fluorescentes T12 . Este método utiliza un transformador de doble bobinado y un condensador. Sin corriente de arco, el transformador y el condensador resuenan a la frecuencia de línea y generan aproximadamente el doble de la tensión de alimentación a través del tubo, y una pequeña corriente de calentamiento del electrodo. [43] Esta tensión del tubo es demasiado baja para iniciar el arco con electrodos fríos, pero a medida que los electrodos se calientan hasta la temperatura de emisión termoiónica, la tensión de inicio del tubo cae por debajo de la tensión de timbre y se inicia el arco. A medida que los electrodos se calientan, la lámpara alcanza lentamente, durante tres a cinco segundos, su brillo máximo. A medida que la corriente del arco aumenta y la tensión del tubo cae, el circuito proporciona limitación de corriente.
Los circuitos de arranque semirresonantes se limitan principalmente al uso en instalaciones comerciales debido al mayor costo inicial de los componentes del circuito. Sin embargo, no hay interruptores de arranque que deban reemplazarse y se reduce el daño del cátodo durante el arranque, lo que hace que las lámparas duren más, lo que reduce los costos de mantenimiento. Debido al alto voltaje del tubo de circuito abierto, este método de arranque es particularmente bueno para encender tubos en lugares fríos. Además, el factor de potencia del circuito es casi 1,0 y no se necesita ninguna corrección adicional del factor de potencia en la instalación de iluminación. Como el diseño requiere que el doble del voltaje de suministro debe ser menor que el voltaje de encendido del cátodo frío (o los tubos se encenderían instantáneamente por error), este diseño no se puede usar con energía de CA de 240 voltios a menos que los tubos tengan al menos 1,2 m (3 pies 11 pulgadas) de longitud. Las luminarias de arranque semirresonante generalmente son incompatibles con los tubos de actualización T8 de ahorro de energía, porque dichos tubos tienen un voltaje de arranque más alto que las lámparas T12 y pueden no encenderse de manera confiable, especialmente a bajas temperaturas. Las propuestas recientes en algunos países para eliminar progresivamente los tubos T12 reducirán la aplicación de este método de inicio.
Los balastos electrónicos emplean transistores para cambiar la frecuencia de suministro a CA de alta frecuencia mientras regulan el flujo de corriente en la lámpara. Estos balastos aprovechan la mayor eficacia de las lámparas, que aumenta casi un 10% a 10 kHz , en comparación con la eficacia a la frecuencia de potencia normal. Cuando el período de CA es más corto que el tiempo de relajación para desionizar los átomos de mercurio en la columna de descarga, la descarga se mantiene más cerca de la condición de funcionamiento óptima. [44] Los balastos electrónicos convierten la energía de CA de frecuencia de suministro a CA de frecuencia variable. La conversión puede reducir la modulación del brillo de la lámpara al doble de la frecuencia de suministro de energía.
Los balastos de bajo costo contienen solo un oscilador simple y un circuito LC resonante en serie . Este principio se llama circuito inversor resonante de corriente . Después de un corto tiempo, el voltaje a través de la lámpara alcanza aproximadamente 1 kV y la lámpara se enciende instantáneamente en modo de cátodo frío. Los filamentos del cátodo aún se utilizan para proteger el balasto del sobrecalentamiento si la lámpara no se enciende. Algunos fabricantes utilizan termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) para desactivar el encendido instantáneo y dar algo de tiempo para precalentar los filamentos.
Los balastos electrónicos más complejos utilizan un arranque programado. La frecuencia de salida se inicia por encima de la frecuencia de resonancia del circuito de salida del balasto y, una vez que se calientan los filamentos, la frecuencia disminuye rápidamente. Si la frecuencia se acerca a la frecuencia de resonancia del balasto, el voltaje de salida aumentará tanto que la lámpara se encenderá. Si la lámpara no se enciende, un circuito electrónico detiene el funcionamiento del balasto.
Muchos balastos electrónicos están controlados por un microcontrolador y a veces se los llama balastos digitales. Los balastos digitales pueden aplicar una lógica bastante compleja al encendido y funcionamiento de las lámparas. Esto permite funciones como la comprobación de electrodos rotos y tubos faltantes antes de intentar encenderlas, la detección de reemplazo de tubos y la detección del tipo de tubo, de modo que un solo balasto se puede utilizar con varios tubos diferentes. Las funciones como la atenuación se pueden incluir en el software del microcontrolador integrado y se pueden encontrar en productos de varios fabricantes.
Desde su introducción en la década de 1990, los balastos de alta frecuencia se han utilizado en luminarias de iluminación general con lámparas de encendido rápido o de precalentamiento. Estos balastos convierten la potencia entrante a una frecuencia de salida superior a 20 kHz . Esto aumenta la eficiencia de la lámpara. [45] Estos balastos funcionan con voltajes que pueden ser de casi 600 voltios, lo que requiere cierta consideración en el diseño de la carcasa y puede causar una pequeña limitación en la longitud de los cables desde el balasto hasta los extremos de la lámpara.
La vida útil de una lámpara fluorescente está limitada principalmente por la vida de los electrodos del cátodo. Para mantener un nivel de corriente adecuado, los electrodos se recubren con una mezcla de emisión de óxidos metálicos. Cada vez que se enciende la lámpara, y durante el funcionamiento, una pequeña cantidad del revestimiento del cátodo se desprende de los electrodos por el impacto de los electrones y los iones pesados dentro del tubo. El material pulverizado se acumula en las paredes del tubo, oscureciéndolo. El método y la frecuencia de encendido afectan a la pulverización catódica. Un filamento también puede romperse, inutilizando la lámpara.
Los diseños de lámparas con bajo contenido de mercurio pueden fallar cuando el tubo de vidrio, el fósforo y los componentes internos absorben el mercurio y ya no está disponible para vaporizarse en el gas de relleno. La pérdida de mercurio inicialmente provoca un tiempo de calentamiento prolongado hasta alcanzar la salida de luz máxima y, finalmente, hace que la lámpara brille de un color rosa tenue cuando el gas argón asume el control como descarga primaria. [46]
Al someter el tubo a un flujo de corriente asimétrico, se hace funcionar de manera efectiva bajo una polarización de CC y se produce una distribución asimétrica de los iones de mercurio a lo largo del tubo. La disminución localizada de la presión de vapor de mercurio se manifiesta como una luminiscencia rosada del gas base en la proximidad de uno de los electrodos, y la vida útil de la lámpara puede verse drásticamente acortada. Esto puede ser un problema con algunos inversores mal diseñados . [47]
Los fósforos que recubren la lámpara también se degradan con el tiempo, hasta que la lámpara ya no produce una fracción aceptable de su salida de luz inicial.
El fallo del balasto electrónico integral de una bombilla fluorescente compacta también pondrá fin a su vida útil.
El espectro de luz emitido por una lámpara fluorescente es la combinación de la luz emitida directamente por el vapor de mercurio y la luz emitida por el revestimiento fosforescente. Las líneas espectrales de la emisión de mercurio y el efecto de fosforescencia dan una distribución espectral combinada de la luz que es diferente de la producida por las fuentes incandescentes. La intensidad relativa de la luz emitida en cada banda estrecha de longitudes de onda sobre el espectro visible está en proporciones diferentes en comparación con la de una fuente incandescente. Los objetos de color se perciben de manera diferente bajo fuentes de luz con diferentes distribuciones espectrales. Por ejemplo, algunas personas encuentran que la reproducción de color producida por algunas lámparas fluorescentes es dura y desagradable. A veces, una persona sana puede parecer que tiene un tono de piel poco saludable bajo la luz fluorescente. El grado en que se produce este fenómeno está relacionado con la composición espectral de la luz y puede medirse por su índice de reproducción de color (IRC).
La temperatura de color correlacionada (CCT) es una medida del "tono" de blancura de una fuente de luz en comparación con un cuerpo negro. La iluminación incandescente típica es de 2700 K, que es de color blanco amarillento. [48] La iluminación halógena es de 3000 K. [49] Las lámparas fluorescentes se fabrican con una CCT elegida alterando la mezcla de fósforos dentro del tubo. Los fluorescentes de color blanco cálido tienen una CCT de 2700 K y son populares para la iluminación residencial. Los fluorescentes de color blanco neutro tienen una CCT de 3000 K o 3500 K. Los fluorescentes de color blanco frío tienen una CCT de 4100 K y son populares para la iluminación de oficinas. Los fluorescentes de luz diurna tienen una CCT de 6500 K, que es de color blanco azulado.
El índice de reproducción cromática (IRC) es un intento de medir la capacidad de una fuente de luz para revelar los colores de varios objetos fielmente en comparación con un radiador de cuerpo negro. Los colores se pueden percibir utilizando la luz de una fuente, en relación con la luz de una fuente de referencia como la luz del día o un cuerpo negro de la misma temperatura de color . Por definición, una lámpara incandescente tiene un IRC de 100. Los tubos fluorescentes de la vida real alcanzan IRC de entre 50 y 98. Las lámparas fluorescentes con IRC bajo tienen fósforos que emiten muy poca luz roja. La piel parece menos rosada y, por lo tanto, "insalubre" en comparación con la iluminación incandescente. Los objetos de color parecen apagados. Por ejemplo, un tubo de halofosfato de 6800 K con IRC bajo (un ejemplo extremo) hará que los rojos parezcan rojos apagados o incluso marrones. Dado que el ojo es relativamente menos eficiente para detectar la luz roja, una mejora en el índice de reproducción cromática, con mayor energía en la parte roja del espectro, puede reducir la eficacia luminosa general. [32] : 8
Los sistemas de iluminación utilizan tubos fluorescentes en una variedad de tonos de blanco. La combinación de distintos tipos de tubos en los accesorios puede mejorar la reproducción del color de los tubos de menor calidad.
Una de las luces menos agradables proviene de tubos que contienen fósforos de halofosfato de calcio más antiguos (fórmula química Ca 5 ( P O 4 ) 3 ( F , Cl ): Sb 3+ , Mn 2+ ). Este fósforo emite principalmente luz amarilla y azul, y relativamente poca luz verde y roja. En ausencia de una referencia, esta mezcla parece blanca a la vista, pero la luz tiene un espectro incompleto . El índice de reproducción cromática (IRC) de estas lámparas es de alrededor de 60.
Desde los años 90, las lámparas fluorescentes de mayor calidad utilizan una mezcla de trifósforos de tierras raras , a base de iones de europio y terbio , que tienen bandas de emisión distribuidas de manera más uniforme en el espectro de la luz visible, pero con picos en el rojo, verde y azul. Los tubos trifósforos ofrecen una reproducción de color más natural para el ojo humano. El IRC de estas lámparas suele ser de 85.
Las lámparas fluorescentes vienen en muchas formas y tamaños. [50] Muchas lámparas fluorescentes compactas integran la electrónica auxiliar en la base de la lámpara, lo que les permite encajar en un portalámparas normal.
En los hogares estadounidenses, las lámparas fluorescentes se encuentran principalmente en cocinas , sótanos o garajes . Las escuelas y las empresas consideran que el ahorro de costos de las lámparas fluorescentes es significativo y rara vez utilizan luces incandescentes. Los costos de electricidad, los incentivos fiscales y los códigos de construcción dan como resultado un mayor uso en lugares como California . El uso de fluorescentes está disminuyendo, reemplazado por la iluminación LED, que es más eficiente energéticamente y no contiene mercurio. [ cita requerida ]
En otros países, el uso residencial de la iluminación fluorescente varía en función del precio de la energía, las preocupaciones económicas y ambientales de la población local y la aceptabilidad de la emisión de luz. En el este y el sudeste de Asia, las bombillas incandescentes son poco frecuentes en los edificios.
Muchos países están fomentando la eliminación progresiva de las bombillas incandescentes y su sustitución por otros tipos de lámparas energéticamente eficientes.
Además de la iluminación general, en la iluminación de escenarios para la producción de películas y vídeos se suelen utilizar luces fluorescentes especiales. Son más frías que las fuentes de luz halógenas tradicionales y utilizan balastos de alta frecuencia para evitar el parpadeo del vídeo y lámparas con un alto índice de reproducción cromática para aproximarse a las temperaturas de color de la luz del día.
Las lámparas fluorescentes convierten más de la potencia de entrada en luz visible que las lámparas incandescentes. Una lámpara incandescente de filamento de tungsteno de 100 vatios típica puede convertir solo el 5 % de su potencia de entrada en luz blanca visible (longitud de onda de 400 a 700 nm), mientras que las lámparas fluorescentes típicas convierten aproximadamente el 22 % de la potencia de entrada en luz blanca visible. [32] : 20
La eficacia de los tubos fluorescentes varía desde aproximadamente 16 lúmenes por vatio para un tubo de 4 vatios con un balasto común hasta más de 100 lúmenes por vatio [51] con un balasto electrónico moderno, con un promedio general de 50 a 67 lm/W. [52] La pérdida del balasto puede ser de aproximadamente el 25% de la potencia de la lámpara con balastos magnéticos y alrededor del 10% con balastos electrónicos.
La eficacia de las lámparas fluorescentes depende de la temperatura de la parte más fría de la lámpara. En las lámparas T8, esta temperatura se encuentra en el centro del tubo. En las lámparas T5, esta temperatura se encuentra en el extremo del tubo donde está impreso el texto. La temperatura ideal para una lámpara T8 es de 25 °C (77 °F), mientras que la temperatura ideal para una lámpara T5 es de 35 °C (95 °F).
Por lo general, una lámpara fluorescente dura entre 10 y 20 veces más que una lámpara incandescente equivalente cuando se la utiliza durante varias horas seguidas. En condiciones de prueba estándar, las lámparas fluorescentes duran entre 6000 y 90 000 horas (entre 2 y 31 años si se las utiliza durante 8 horas al día). [53]
El mayor coste inicial de una lámpara fluorescente en comparación con una lámpara incandescente suele compensarse con un menor consumo de energía a lo largo de su vida útil. [54] [ necesita actualización ]
En comparación con una lámpara incandescente, un tubo fluorescente es una fuente de luz más difusa y físicamente más grande. En lámparas diseñadas adecuadamente, la luz se puede distribuir de manera más uniforme sin una fuente puntual de deslumbramiento como la que se produce en un filamento incandescente no difundido; la lámpara es grande en comparación con la distancia típica entre la lámpara y las superficies iluminadas.
Las lámparas fluorescentes emiten aproximadamente una quinta parte del calor que emiten las lámparas incandescentes equivalentes, lo que reduce en gran medida el tamaño, el coste y el consumo de energía del aire acondicionado en los edificios de oficinas que suelen tener muchas luces y pocas ventanas.
Los encendidos frecuentes (más de cada 3 horas) acortan la vida útil de las lámparas. [55] Cada ciclo de encendido erosiona ligeramente la superficie de emisión de electrones de los cátodos; cuando se agota todo el material emisor, la lámpara no puede encenderse con el voltaje de balasto disponible. Las luminarias para luces intermitentes (como las de publicidad) utilizan un balasto que mantiene la temperatura del cátodo cuando el arco está apagado, lo que preserva la vida útil de la lámpara.
La energía adicional utilizada para encender una lámpara fluorescente equivale a unos pocos segundos de funcionamiento normal; es más eficiente energéticamente apagar las lámparas cuando no se necesitan durante varios minutos. [56] [57]
Si se rompe una lámpara fluorescente, una cantidad muy pequeña de mercurio puede contaminar el entorno circundante. Aproximadamente el 99 % del mercurio se encuentra normalmente en el fósforo, especialmente en las lámparas que están llegando al final de su vida útil. [58] Las lámparas rotas pueden liberar mercurio si no se limpian con los métodos correctos. [59] [ verificación fallida ]
Debido al contenido de mercurio, las lámparas fluorescentes desechadas deben tratarse como residuos peligrosos. En algunas zonas, los grandes usuarios de lámparas fluorescentes disponen de servicios de reciclaje , que pueden ser obligatorios por reglamentación. [60] [61] En algunas zonas, el reciclaje también está disponible para los consumidores. [62]
Las lámparas fluorescentes emiten una pequeña cantidad de luz ultravioleta (UV). Un estudio de 1993 en los EE. UU. determinó que la exposición a la luz ultravioleta por estar sentado bajo luces fluorescentes durante ocho horas equivale a un minuto de exposición al sol. [63] La radiación ultravioleta de las lámparas fluorescentes compactas puede exacerbar los síntomas en personas fotosensibles. [64] [65] [66]
Los artefactos de museo pueden necesitar protección contra la luz ultravioleta para evitar la degradación de los pigmentos o textiles. [67]
Las lámparas fluorescentes requieren un balasto para estabilizar la corriente que pasa por la lámpara y para proporcionar el voltaje de encendido inicial necesario para iniciar la descarga del arco. A menudo, un balasto se comparte entre dos o más lámparas. Los balastos electromagnéticos pueden producir un zumbido o ruido audible. En América del Norte, los balastos magnéticos suelen estar rellenos con un compuesto de encapsulado similar al alquitrán para reducir el ruido emitido. El zumbido se elimina en las lámparas con un balasto electrónico de alta frecuencia. La energía perdida en los balastos magnéticos es de alrededor del 10% de la potencia de entrada de la lámpara según la literatura de GE de 1978. [32] Los balastos electrónicos reducen esta pérdida.
Los balastos inductivos simples para lámparas fluorescentes tienen un factor de potencia inferior a la unidad. Los balastos inductivos incluyen condensadores de corrección del factor de potencia. Los balastos electrónicos simples también pueden tener un factor de potencia bajo debido a su etapa de entrada rectificadora.
Las lámparas fluorescentes son una carga no lineal y generan corrientes armónicas en la fuente de alimentación eléctrica. El arco dentro de la lámpara puede generar ruido de radiofrecuencia, que puede transmitirse a través del cableado eléctrico. Es posible suprimir las interferencias de radio. Es posible lograr una supresión muy buena, pero aumenta el costo de las luminarias fluorescentes.
Las lámparas fluorescentes que se acercan al final de su vida útil pueden presentar un grave riesgo de interferencia de radiofrecuencia. Las oscilaciones se generan a partir de la resistencia diferencial negativa del arco, y el flujo de corriente a través del tubo puede formar un circuito sintonizado cuya frecuencia depende de la longitud del recorrido. [68]
Las lámparas fluorescentes funcionan mejor a temperatura ambiente. A temperaturas más bajas o más altas, la eficacia disminuye. A temperaturas bajo cero, las lámparas estándar pueden no encenderse. Se pueden utilizar lámparas especiales para un servicio confiable en exteriores en climas fríos.
Los tubos fluorescentes son fuentes largas y de baja luminancia en comparación con las lámparas de descarga de alta intensidad , las lámparas incandescentes y halógenas y los LED de alta potencia. Sin embargo, la baja intensidad luminosa de la superficie emisora es útil porque reduce el deslumbramiento . El diseño de la luminaria debe controlar la luz desde un tubo largo en lugar de un globo compacto. La lámpara fluorescente compacta (CFL) reemplaza a las bombillas incandescentes comunes en muchas luminarias donde el espacio lo permite.
Las lámparas fluorescentes con balastos magnéticos parpadean a una frecuencia normalmente imperceptible de 100 o 120 Hz y este parpadeo puede causar problemas para algunas personas con sensibilidad a la luz ; [69] se enumeran como problemáticas para algunas personas con autismo , epilepsia , [70] lupus , [71] síndrome de fatiga crónica , enfermedad de Lyme , [72] y vértigo . [73]
Se puede observar un efecto estroboscópico , en el que algo que gira a la velocidad adecuada puede parecer estacionario si se ilumina únicamente con una lámpara fluorescente. Este efecto se elimina con lámparas emparejadas que funcionan con un balasto de adelanto y retraso. A diferencia de una lámpara estroboscópica verdadera, el nivel de luz cae en un tiempo apreciable y, por lo tanto, se evidenciaría una "borrosidad" sustancial de la parte móvil.
Las lámparas fluorescentes pueden producir parpadeos en la frecuencia de la fuente de alimentación (50 o 60 Hz), que son más perceptibles para la mayoría de las personas. Esto sucede si un cátodo dañado o defectuoso produce una rectificación leve y una salida de luz desigual en ciclos de corriente alterna positivos y negativos. El parpadeo de la frecuencia de la red eléctrica puede emitirse desde los extremos de los tubos, si cada electrodo del tubo produce un patrón de salida de luz ligeramente diferente en cada medio ciclo. El parpadeo en la frecuencia de la red eléctrica es más perceptible en la visión periférica que cuando se observa directamente.
Cerca del final de su vida útil, las lámparas fluorescentes pueden comenzar a parpadear a una frecuencia inferior a la frecuencia de la red eléctrica. Esto se debe a la inestabilidad de la resistencia negativa de la descarga del arco, [74] que puede deberse a una lámpara o balastro defectuosos o a una mala conexión.
Las lámparas fluorescentes nuevas pueden mostrar un patrón de luz en espiral en una parte de la lámpara. Este efecto se debe a que el material del cátodo está suelto y suele desaparecer después de unas horas de funcionamiento. [32] : 22
Los balastos electromagnéticos también pueden causar problemas durante la grabación de vídeo, ya que puede producirse un llamado efecto de batido entre la velocidad de fotogramas del vídeo y las fluctuaciones en la intensidad de la lámpara fluorescente.
Las lámparas fluorescentes con balastos electrónicos no parpadean, ya que por encima de unos 5 kHz, la vida media del estado de excitación del electrón es más larga que un medio ciclo, [ cita requerida ] y la producción de luz se vuelve continua. Las frecuencias de funcionamiento de los balastos electrónicos se seleccionan para evitar interferencias con los controles remotos infrarrojos. Los balastos electrónicos de mala calidad o defectuosos pueden tener una modulación considerable de la luz de 100/120 Hz.
Las luminarias fluorescentes no se pueden conectar a interruptores reguladores de intensidad diseñados para lámparas incandescentes. Dos efectos son responsables de esto: la forma de onda del voltaje emitido por un regulador de intensidad de control de fase estándar interactúa mal con muchos balastos y se vuelve difícil mantener un arco en el tubo fluorescente a niveles de potencia bajos. Las instalaciones de regulación de intensidad requieren un balasto regulador de intensidad compatible . Algunos modelos de lámparas fluorescentes compactas se pueden regular; en los Estados Unidos, dichas lámparas se identifican como compatibles con la norma UL de 1993. [75]
La nomenclatura sistemática identifica las lámparas del mercado masivo en cuanto a forma general, potencia nominal, longitud, color y otras características eléctricas y de iluminación.
En Estados Unidos y Canadá, las lámparas se identifican normalmente con un código como FxxTy, donde F es para fluorescente, el primer número (xx) indica la potencia en vatios o la longitud en pulgadas, la T indica que la forma de la bombilla es tubular y el último número (y) es el diámetro en octavos de pulgada (a veces en milímetros, redondeado al milímetro más cercano). Los diámetros típicos son T12 o T38 ( 1+1 ⁄ 2 pulgada o 38 mm) para lámparas residenciales, T8 o T26 (1 pulgada o 25 mm) para lámparas comerciales de ahorro de energía.
La sobreexcitación de una lámpara fluorescente es un método para obtener más luz de cada tubo de la que se obtiene en condiciones nominales. Los tubos fluorescentes ODNO (salida normal sobreexcitada) se utilizan generalmente cuando no hay suficiente espacio para colocar más bombillas para aumentar la luz. El método es eficaz, pero genera algunos problemas adicionales. Esta técnica se ha vuelto popular entre los jardineros acuáticos como una forma rentable de agregar más luz a sus acuarios. La sobreexcitación se realiza recableando los accesorios de las lámparas para aumentar la corriente de la lámpara; sin embargo, la vida útil de la lámpara se reduce. [76]
Las lámparas de luz negra son un subconjunto de las lámparas fluorescentes que se utilizan para proporcionar luz UVA (a una longitud de onda de aproximadamente 360 nm). Están construidas de la misma manera que las lámparas fluorescentes convencionales, pero el tubo de vidrio está recubierto con un fósforo que convierte la radiación ultravioleta de onda corta dentro del tubo en radiación ultravioleta de onda larga en lugar de luz visible. Se utilizan para provocar fluorescencia (para proporcionar efectos dramáticos utilizando pintura de luz negra y para detectar materiales como orina y ciertos tintes que serían invisibles en la luz visible), así como para atraer insectos a los matamoscas .
Las llamadas lámparas de luz negra azul también están hechas de un vidrio violeta oscuro más caro, conocido como vidrio de Wood, en lugar de vidrio transparente. El vidrio violeta oscuro filtra la mayoría de los colores visibles de la luz emitida directamente por la descarga de vapor de mercurio, lo que produce una luz visible proporcionalmente menor en comparación con la luz ultravioleta. Esto permite que la fluorescencia inducida por los rayos ultravioleta se vea más fácilmente (lo que permite que los carteles de luz negra parezcan mucho más dramáticos). Las lámparas de luz negra que se utilizan en los matamoscas no requieren este refinamiento, por lo que generalmente se omite por razones de costo; se las llama simplemente luz negra (y no luz negra azul).
Las lámparas que se utilizan en las camas de bronceado contienen una mezcla de fósforos diferente (normalmente de 3 a 5 o más fósforos) que emiten tanto rayos UVA como UVB, lo que provoca una respuesta de bronceado en la mayoría de las pieles humanas. Normalmente, la emisión se clasifica como 3-10% de rayos UVB (5% lo más típico) y el resto de rayos UV son rayos UVA. Se trata principalmente de lámparas de alta potencia de 100 W, aunque las de 160 W de muy alta potencia son algo comunes. Un fósforo común utilizado en estas lámparas es el disilicato de bario activado con plomo, pero también se utiliza un fluoroborato de estroncio activado con europio. Las primeras lámparas utilizaban talio como activador, pero las emisiones de talio durante la fabricación eran tóxicas. [77]
Las lámparas que se utilizan en fototerapia contienen un fósforo que emite únicamente luz ultravioleta UVB. [ cita requerida ] Hay dos tipos: la UVB de banda ancha, que emite de 290 a 320 nanómetros con una longitud de onda máxima de 306 nm, y la UVB de banda estrecha, que emite de 311 a 313 nanómetros. Debido a la mayor longitud de onda, las bombillas UVB de banda estrecha no provocan eritema en la piel como las de banda ancha. [ dudoso – discutir ] Requieren una dosis 10 a 20 veces mayor en la piel y requieren más bombillas y un tiempo de exposición más prolongado. La banda estrecha es buena para la psoriasis, el eczema (dermatitis atópica), el vitíligo, el liquen plano y algunas otras enfermedades de la piel. [ cita requerida ] La banda ancha es mejor para aumentar la vitamina D3 en el cuerpo.
Las lámparas de cultivo contienen mezclas de fósforo que estimulan la fotosíntesis , el crecimiento o la floración en plantas, algas, bacterias fotosintéticas y otros organismos que dependen de la luz. Estas suelen emitir luz principalmente en la gama de colores rojo y azul, que es absorbida por la clorofila y utilizada para la fotosíntesis en las plantas. [78]
Las lámparas pueden fabricarse con un fósforo de metaluminato de litio activado con hierro. Este fósforo tiene emisiones máximas entre 675 y 875 nanómetros, con emisiones menores en la parte roja profunda del espectro visible. [79]
La luz azul profunda generada a partir de un fósforo activado con europio se utiliza en el tratamiento de la ictericia mediante terapia de luz ; la luz de este color penetra la piel y ayuda a descomponer el exceso de bilirrubina . [79]
Las lámparas germicidas no contienen fósforo en absoluto, lo que las convierte en lámparas de descarga de gas de vapor de mercurio en lugar de fluorescentes. Sus tubos están hechos de cuarzo fundido transparente a la luz UVC emitida por la descarga de mercurio. La luz UVC de 254 nm emitida por estos tubos matará los gérmenes y la luz ultravioleta lejana de 184,45 nm ionizará el oxígeno en ozono . Las lámparas etiquetadas como OF bloquean la luz ultravioleta lejana de 184,45 nm y no producen ozono significativo. Además, la luz UVC puede causar daños en los ojos y la piel. A veces los geólogos las utilizan para identificar ciertas especies de minerales por el color de su fluorescencia cuando están equipadas con filtros que dejan pasar la luz ultravioleta de onda corta y bloquean la luz visible producida por la descarga de mercurio. También se utilizan en algunos borradores de EPROM . Las lámparas germicidas tienen designaciones que comienzan con G, por ejemplo, G30T8 para una lámpara germicida de 30 vatios, 1 pulgada (2,5 cm) de diámetro y 36 pulgadas (91 cm) de largo (a diferencia de una F30T8, que sería la lámpara fluorescente del mismo tamaño y clasificación).
Las lámparas de inducción sin electrodos son lámparas fluorescentes sin electrodos internos. Están disponibles comercialmente desde 1990. Se induce una corriente en la columna de gas mediante inducción electromagnética . Debido a que los electrodos suelen ser el elemento que limita la vida útil de las lámparas fluorescentes, estas lámparas sin electrodos pueden tener una vida útil muy larga, aunque también tienen un precio de compra más alto.
Las lámparas fluorescentes de cátodo frío se utilizaban como retroiluminación de las pantallas LCD de los monitores de ordenador y los televisores antes de que se utilizaran las pantallas LCD con retroiluminación LED . También eran populares entre los modificadores de carcasas de ordenador .
Las lámparas fluorescentes se pueden iluminar por otros medios además de una conexión eléctrica adecuada. Sin embargo, estos otros métodos dan como resultado una iluminación muy tenue o de muy corta duración, por lo que se ven principalmente en demostraciones científicas. La electricidad estática o un generador de Van de Graaff harán que una lámpara destelle momentáneamente mientras descarga una capacitancia de alto voltaje. Una bobina de Tesla hará pasar una corriente de alta frecuencia a través del tubo y, como también tiene un alto voltaje, los gases dentro del tubo se ionizarán y emitirán luz. Esto también funciona con globos de plasma . El acoplamiento capacitivo con líneas eléctricas de alto voltaje puede encender una lámpara de forma continua a baja intensidad, dependiendo de la intensidad del campo eléctrico.
Las tres marcas de arrancadores "RÁPIDOS" (< 0,5 segundos) provocaron un ruido audible "BURRRRRRRP" en algunas luminarias cuando se encendieron y este es un problema inherente causado por el uso del calentamiento "DC" más rápido. Es peor con tubos de mayor potencia y si hay algún metal suelto en la luminaria.
