Un balastro eléctrico es un dispositivo colocado en serie con una carga para limitar la cantidad de corriente en un circuito eléctrico .
Un ejemplo familiar y ampliamente utilizado es el balastro inductivo utilizado en lámparas fluorescentes para limitar la corriente a través del tubo, que de otro modo aumentaría a un nivel destructivo debido a la resistencia diferencial negativa de la característica voltaje-corriente del tubo.
Los balastros varían mucho en complejidad. Pueden ser tan simples como una resistencia , un inductor o un capacitor (o una combinación de estos) conectados en serie con la lámpara; o tan complejos como los balastros electrónicos utilizados en las lámparas fluorescentes compactas (CFL).
Un balastro eléctrico es un dispositivo que limita la corriente a través de una carga eléctrica . Estos se utilizan con mayor frecuencia cuando una carga (como una descarga de arco) tiene una disminución en el voltaje terminal cuando aumenta la corriente a través de la carga. Si un dispositivo de este tipo estuviera conectado a una fuente de alimentación de voltaje constante, consumiría una cantidad cada vez mayor de corriente hasta que se destruyera o provocara que fallara la fuente de alimentación. Para evitar esto, un balastro proporciona una resistencia o reactancia positiva que limita la corriente. El balastro garantiza el funcionamiento adecuado del dispositivo de resistencia negativa limitando la corriente.
Los balastros también se pueden utilizar simplemente para limitar la corriente en un circuito ordinario de resistencia positiva. Antes de la llegada del encendido de estado sólido, los sistemas de encendido de automóviles incluían comúnmente una resistencia de balastro para regular el voltaje aplicado al sistema de encendido.
Para cargas simples y de baja potencia, como una lámpara de neón , se suele utilizar una resistencia fija. Debido a que la resistencia del balastro es grande, determina la corriente en el circuito, incluso frente a la resistencia negativa introducida por la lámpara de neón.
El lastre también era un componente utilizado en los primeros modelos de motores de automóviles que reducía el voltaje de suministro al sistema de encendido después de arrancar el motor. Arrancar el motor requiere una cantidad significativa de corriente eléctrica proveniente de la batería , lo que resulta en una caída de voltaje igualmente significativa. Para permitir que el motor arranque, el sistema de encendido fue diseñado para funcionar con este voltaje más bajo. Pero una vez que se arrancó el vehículo y se desconectó el motor de arranque, el voltaje de funcionamiento normal era demasiado alto para el sistema de encendido. Para evitar este problema, se insertó una resistencia de balastro en serie con el sistema de encendido, lo que resultó en dos voltajes de operación diferentes para los sistemas de arranque y encendido.
Ocasionalmente, esta resistencia de lastre fallaba y el síntoma clásico de esta falla era que el motor funcionaba mientras se arrancaba (mientras se pasaba por alto la resistencia), pero se detenía inmediatamente cuando cesaba el arranque (y la resistencia se reconectaba en el circuito a través del interruptor de encendido). Los sistemas de encendido electrónico modernos (los utilizados desde la década de 1980 o finales de la década de 1970) no requieren una resistencia de balasto, ya que son lo suficientemente flexibles como para funcionar con el voltaje de arranque más bajo o con el voltaje de funcionamiento normal.
Otro uso común de una resistencia de lastre en la industria automotriz es ajustar la velocidad del ventilador. El lastre es una resistencia fija con generalmente dos tomas centrales, y el interruptor selector de velocidad del ventilador se usa para desviar partes del lastre: todos para velocidad máxima y ninguno para la configuración de baja velocidad. Una falla muy común ocurre cuando el ventilador funciona constantemente a la velocidad máxima (generalmente 3 de 4). Esto hará que una pieza muy corta de bobina de resistencia funcione con una corriente relativamente alta (hasta 10 A), lo que eventualmente la quemará. Esto hará que el ventilador no pueda funcionar a la configuración de velocidad reducida.
En algunos aparatos electrónicos de consumo, sobre todo en los televisores de la era de las válvulas ( tubos de vacío ), pero también en algunos tocadiscos económicos, los calentadores de tubos de vacío estaban conectados en serie. Dado que la caída de voltaje en todos los calentadores en serie generalmente era menor que el voltaje total de la red, era necesario proporcionar un balastro para reducir el exceso de voltaje. A menudo se utilizaba una resistencia para este propósito, ya que era barata y funcionaba tanto con corriente alterna (CA) como con corriente continua (CC).
Algunas resistencias de balastro tienen la propiedad de aumentar su resistencia a medida que aumenta la corriente a través de ellas, y disminuir su resistencia a medida que disminuye la corriente. Físicamente, algunos de estos dispositivos suelen estar construidos como lámparas incandescentes . Al igual que el filamento de tungsteno de una lámpara incandescente común, si la corriente aumenta, la resistencia del balastro se calienta, su resistencia aumenta y su caída de voltaje aumenta. Si la corriente disminuye, la resistencia del balastro se enfría, su resistencia cae y la caída de voltaje disminuye. Por tanto, la resistencia de balastro reduce las variaciones de corriente, a pesar de variaciones de tensión aplicada o cambios en el resto de un circuito eléctrico. Estos dispositivos a veces se denominan " barretters " y se utilizaron en los circuitos de calefacción en serie de los receptores domésticos de radio y televisión AC/DC de los años 1930 a 1960 . [ cita necesaria ]
Esta propiedad puede conducir a un control de corriente más preciso que simplemente elegir una resistencia fija adecuada. La potencia perdida en el balastro resistivo también se reduce porque una porción más pequeña de la potencia total cae en el balastro en comparación con lo que podría requerirse con una resistencia fija.
Antes [ ¿ cuándo? ] , las secadoras de ropa domésticas incorporaban a veces una lámpara germicida en serie con una lámpara incandescente ordinaria; la lámpara incandescente funcionaba como balastro de la lámpara germicida. Una luz de uso común en el hogar en la década de 1960 en los países de 220 a 240 V era un tubo circular lastrado por una lámpara de incandescencia de red regular empotrada. Las lámparas de vapor de mercurio con balastro automático incorporan filamentos de tungsteno ordinarios dentro de la envoltura general de la lámpara para actuar como balastro y complementan el área roja del espectro de luz producida que de otro modo faltaría.
Un inductor , generalmente un estrangulador , es muy común en los balastros de frecuencia de línea para proporcionar las condiciones eléctricas de arranque y funcionamiento adecuadas para alimentar una lámpara fluorescente o una lámpara HID. (Debido al uso del inductor, estos balastros generalmente se denominan balastros magnéticos ). El inductor tiene dos beneficios:
Una desventaja del inductor es que la corriente se desfasa con el voltaje, lo que produce un factor de potencia deficiente . En balastros más caros, a menudo se combina un condensador con el inductor para corregir el factor de potencia. En los balastros de autotransformador que controlan dos o más lámparas, los balastros de frecuencia de línea comúnmente usan diferentes relaciones de fase entre las múltiples lámparas. Esto no sólo mitiga el parpadeo de las lámparas individuales, sino que también ayuda a mantener un factor de potencia alto. Estos balastros a menudo se denominan balastros de adelanto porque la corriente en una lámpara se adelanta a la fase de la red y la corriente en la otra lámpara se retrasa con respecto a la fase de la red.
Nota: La mayoría de los fabricantes de balastros estadounidenses describen algunos de sus balastros como "NPF" (abreviatura de "Factor de potencia normal"), pero esto es engañoso, ya que el factor de potencia sólo puede ser alto o bajo, no "normal".
En la mayoría de los balastros de 220-240 V, el condensador no está incorporado dentro del balastro como en los balastros norteamericanos, sino que está cableado en paralelo o en serie con el balastro.
En Europa y en la mayoría de los territorios de 220-240 V, el voltaje de línea es suficiente para encender lámparas de más de 30 W con un inductor en serie. Sin embargo, en Norteamérica y Japón, el voltaje de línea (120 V o 100 V respectivamente) puede no ser suficiente para encender lámparas de más de 30 W con un inductor en serie, por lo que se incluye un devanado de autotransformador en el balastro para aumentar el voltaje. El autotransformador está diseñado con suficiente inductancia de fuga ( inductancia de cortocircuito ) para que la corriente esté adecuadamente limitada.
Debido al gran tamaño de los inductores y condensadores que se deben utilizar, así como al pesado núcleo de hierro del inductor, los balastros reactivos operados a la frecuencia de la línea tienden a ser grandes y pesados. Por lo general, también producen ruido acústico ( zumbido de frecuencia de línea ).
Antes de 1980, en los Estados Unidos, los aceites a base de bifenilo policlorado (PCB) se utilizaban como aceite aislante en muchos balastros para proporcionar refrigeración y aislamiento eléctrico (consulte Aceite para transformadores ).
Un balastro electrónico utiliza circuitos electrónicos de estado sólido para proporcionar las condiciones eléctricas de arranque y funcionamiento adecuadas para alimentar las lámparas de descarga. Un balastro electrónico puede ser más pequeño y liviano que uno magnético de clasificación comparable. Un balastro electrónico suele ser más silencioso que uno magnético, lo que produce un zumbido de frecuencia lineal por la vibración de las laminaciones del núcleo. [4]
Los balastros electrónicos a menudo se basan en una topología de fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS), primero rectificando la potencia de entrada y luego cortándola a alta frecuencia. Los balastros electrónicos avanzados pueden permitir la atenuación mediante modulación de ancho de pulso o cambiando la frecuencia a un valor más alto. Los balastros que incorporan un microcontrolador (balastos digitales) pueden ofrecer control y monitoreo remoto a través de redes como LonWorks , interfaz de iluminación direccionable digital (DALI), DMX512 , interfaz serie digital (DSI) o control analógico simple utilizando una señal de control de brillo de 0-10 V CC. . Se han introducido sistemas con control remoto del nivel de luz a través de una red de malla inalámbrica . [5]
Los balastros electrónicos suelen suministrar energía a la lámpara a una frecuencia de 20.000 Hz o superior, en lugar de la frecuencia de la red eléctrica de 50 a 60 Hz ; esto elimina sustancialmente el efecto estroboscópico del parpadeo, producto de la frecuencia de la línea asociada a la iluminación fluorescente (ver epilepsia fotosensible ). La alta frecuencia de salida de un balastro electrónico actualiza los fósforos de una lámpara fluorescente tan rápidamente que no se percibe ningún parpadeo. El índice de parpadeo, utilizado para medir la modulación de la luz perceptible, tiene un rango de 0,00 a 1,00, donde 0 indica la posibilidad más baja de parpadeo y 1 indica la más alta. Las lámparas que funcionan con balastros magnéticos tienen un índice de parpadeo entre 0,04 y 0,07, mientras que los balastros digitales tienen un índice de parpadeo inferior a 0,01. [6]
Debido a que permanece ionizado más gas en la corriente del arco, la lámpara funciona con aproximadamente un 9 % más de eficacia por encima de aproximadamente 10 kHz. La eficiencia de la lámpara aumenta bruscamente a aproximadamente 10 kHz y continúa mejorando hasta aproximadamente 20 kHz. [7] Alrededor de 2012 se habían probado actualizaciones de balastos electrónicos en las farolas existentes en algunas provincias canadienses; [8] Desde entonces, las adaptaciones de LED se han vuelto más comunes.
Con la mayor eficiencia del balastro en sí y la mayor eficacia de la lámpara a mayor frecuencia, los balastros electrónicos ofrecen una mayor eficacia del sistema para lámparas de baja presión como la lámpara fluorescente. Para las lámparas HID, no hay mejora en la eficacia de la lámpara al usar una frecuencia más alta. Más que esto: las lámparas HID, como las lámparas de halogenuros metálicos y las lámparas de sodio de alta presión, tienen una confiabilidad reducida cuando funcionan a altas frecuencias en el rango de 20 a 200 kHz , debido a la resonancia acústica ; para estas lámparas se utiliza principalmente un variador de corriente de baja frecuencia de onda cuadrada con una frecuencia en el rango de 100 a 400 Hz , con la misma ventaja de una menor depreciación de la luz.
La mayoría de los balastros electrónicos de nueva generación pueden funcionar tanto con lámparas de sodio de alta presión (HPS) como con lámparas de halogenuros metálicos . El balastro funciona inicialmente como iniciador del arco mediante su encendedor interno, suministrando un impulso de alto voltaje y, posteriormente, actúa como limitador/regulador del flujo eléctrico dentro del circuito. Los balastros electrónicos también funcionan mucho más fríos y son más ligeros que sus homólogos magnéticos. [6]
Esta técnica utiliza una combinación filamento - cátodo en cada extremo de la lámpara junto con un interruptor mecánico o automático (bimetálico o electrónico) que inicialmente conecta los filamentos en serie con el balastro para precalentarlos. Cuando se desconectan los filamentos, un pulso inductivo del balastro enciende la lámpara. Este sistema se describe como "Precalentamiento" en Norteamérica y "Switch Start" en el Reino Unido, y no tiene una descripción específica en el resto del mundo. Este sistema es común en países de 200 a 240 V (y para lámparas de 100 a 120 V de hasta aproximadamente 30 vatios).
Aunque un impulso inductivo aumenta la probabilidad de que la lámpara se encienda cuando se abre el interruptor de arranque, en realidad no es necesario. El balastro en tales sistemas también puede ser una resistencia. Varios accesorios de lámparas fluorescentes utilizaron una lámpara de incandescencia como balastro desde finales de la década de 1950 hasta la de 1960. Se fabricaron lámparas especiales de 170 voltios y 120 vatios. La lámpara tenía un arrancador térmico integrado en la base de 4 pines. Los requisitos de energía eran mucho mayores que los del uso de un balastro inductivo (aunque la corriente consumida era la misma), pero los usuarios a menudo preferían la luz más cálida del tipo de lámpara, especialmente en un entorno doméstico.
Los balastros resistivos eran el único tipo que se podía utilizar cuando el único suministro disponible para alimentar la lámpara fluorescente era CC. Dichos accesorios utilizaban el tipo de arranque térmico (principalmente porque habían dejado de usarse mucho antes de que se inventara el arrancador incandescente ), pero era posible incluir un estrangulador en el circuito cuyo único propósito era proporcionar un impulso al abrir el arrancador. cambiar para mejorar el arranque. Los accesorios de CC se complicaban por la necesidad de invertir la polaridad del suministro al tubo cada vez que arrancaba. No hacerlo acortó enormemente la vida útil del tubo.
Un balastro de arranque instantáneo no precalienta los electrodos, sino que utiliza un voltaje relativamente alto (~600 V) para iniciar el arco de descarga. Es el tipo con mayor eficiencia energética, pero produce la menor cantidad de ciclos de encendido de la lámpara, ya que el material sale disparado de la superficie de los electrodos fríos cada vez que se enciende la lámpara. Los balastros de arranque instantáneo son más adecuados para aplicaciones con ciclos de trabajo prolongados, donde las lámparas no se encienden y apagan con frecuencia. Aunque se usaban principalmente en países con suministros de red de 100 a 120 voltios (para lámparas de 40 W o más), fueron brevemente populares en otros países porque la lámpara encendía sin el parpadeo de los sistemas de encendido por interruptor. La popularidad duró poco debido a la corta vida útil de la lámpara.
Un balastro de arranque rápido siempre calienta los electrodos de la lámpara utilizando la misma potencia de calentamiento, antes, durante y después del encendido de la lámpara, mediante el uso de una bobina transformadora de calentamiento. Proporciona una vida útil más larga de la lámpara y un mayor ciclo de vida que el arranque instantáneo, pero tiene pérdidas de balasto muy altas en comparación con otros tipos de balastros, ya que los electrodos en cada extremo de la lámpara continúan consumiendo energía de calentamiento mientras la lámpara funciona. Nuevamente, aunque es popular en los Estados Unidos y Canadá para lámparas de 40 W y más, el arranque rápido se utiliza a veces en otros países, particularmente donde el parpadeo de los sistemas de arranque por interruptor no es deseable.
Algunos balastros de lámparas fluorescentes electrónicas estadounidenses que están etiquetados como "Arranque rápido" son completamente diferentes al balastro de arranque rápido estadounidense clásico, porque utilizan resonancia para encender la lámpara y calentar los cátodos, y no suministran todo el tiempo la misma potencia de calentamiento. independientemente de las condiciones de la lámpara.
Un balastro regulable es muy similar a un balastro de arranque rápido, pero generalmente tiene un capacitor incorporado para brindar un factor de potencia más cercano a la unidad que un balastro de arranque rápido estándar. Se puede utilizar un atenuador de luz tipo quadrac con un balastro de atenuación, que mantiene la corriente de calefacción y al mismo tiempo permite controlar la corriente de la lámpara. Se requiere conectar una resistencia de aproximadamente 10 kΩ en paralelo con el tubo fluorescente para permitir un disparo confiable del quadrac en niveles bajos de luz.
Un balastro electrónico con batería integrada está diseñado para proporcionar iluminación de salida de emergencia en caso de un corte de energía (generalmente menos de 2 horas). Estos se pueden utilizar como alternativa a la iluminación de salida alimentada por un generador eléctrico de respaldo. Sin embargo, los balastros de emergencia requieren pruebas periódicas y tienen una vida útil de 10 a 12 años.
Un balastro híbrido tiene un transformador magnético de núcleo y bobina y un interruptor electrónico para el circuito de calentamiento del electrodo . Al igual que un balastro magnético, una unidad híbrida funciona a la frecuencia de la línea eléctrica (50 Hz en Europa, por ejemplo). Este tipo de balastros, que también se conocen como balastros de desconexión catódica , desconectan el circuito de calentamiento de electrodos después de encender las lámparas.
Para un balastro de iluminación, el factor de balastro ANSI se utiliza en América del Norte para comparar la salida de luz (en lúmenes) de una lámpara que funciona con un balastro en comparación con la lámpara que funciona con un balastro de referencia ANSI. El balastro de referencia opera la lámpara a su potencia nominal especificada por ANSI. [9] [10] El factor de balastro de los balastros prácticos debe considerarse en el diseño de iluminación ; un factor de balastro bajo puede ahorrar energía, pero producirá menos luz y acortará la vida útil de la lámpara. Con lámparas fluorescentes, el factor de balasto puede variar del valor de referencia de 1,0. [11]
Los primeros televisores en color basados en tubos utilizaban un triodo de balastro , como el PD500, como estabilizador de derivación paralelo para el voltaje de aceleración del tubo de rayos catódicos (CRT), para mantener constante el factor de deflexión del CRT.
