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, que produce luz ultravioleta de onda corta que luego hace que brille una capa de fósforo en el interior de la lámpara. Una lámpara fluorescente convierte la energía eléctrica en luz útil de manera mucho más eficiente que una lámpara incandescente . La eficacia luminosa típica de los sistemas de iluminación fluorescente es de 50 a 100 lúmenes por vatio, varias veces la eficacia de las bombillas incandescentes con una salida de luz comparable. A modo de comparación, la eficacia luminosa de una bombilla incandescente puede ser sólo de 16 lúmenes por vatio.
Las lámparas fluorescentes son más costosas que las incandescentes porque, entre otras cosas, requieren un balastro para regular la corriente a través de la lámpara, pero el costo inicial se compensa con un costo de funcionamiento mucho menor. Las lámparas fluorescentes compactas ahora están disponibles en los mismos tamaños populares que las incandescentes y se utilizan como una alternativa de ahorro de energía a las lámparas incandescentes en los hogares.
Muchas lámparas fluorescentes están clasificadas como residuos peligrosos . La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos recomienda que las lámparas fluorescentes se separe de los desechos generales para su reciclaje o eliminación 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 comprender su naturaleza. A mediados del siglo XIX, los experimentadores habían observado un resplandor radiante que emanaba de recipientes de vidrio parcialmente evacuados a través de los cuales pasaba una corriente eléctrica . Uno de los primeros en explicarlo fue el científico irlandés Sir George Stokes de la Universidad de Cambridge en 1852, quien llamó al fenómeno "fluorescencia" en honor a la fluorita , un mineral en muchas de cuyas muestras brilla intensamente debido a las impurezas. La explicación se basó en la naturaleza de los fenómenos de electricidad y luz desarrollados por los científicos británicos Michael Faraday en la década de 1840 y James Clerk Maxwell en la década 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 evacuó un tubo de vidrio en una medida 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 aplicó un alto voltaje entre los electrodos, el interior del tubo se iluminó con una descarga luminosa . Al colocar diferentes productos químicos en su interior, se podía hacer que los tubos produjeran una variedad de colores, y se vendían elaborados tubos Geissler para entretenimiento. Más importante fue su contribución a la investigación científica. Uno de los primeros científicos que experimentó 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 . Alexandre Edmond Becquerel observó en 1859 que ciertas sustancias emitían luz cuando se colocaban en un tubo Geissler. Continuó aplicando finas capas de materiales luminiscentes a las superficies de estos tubos. Se produjo fluorescencia, pero los tubos eran ineficientes y tenían una vida útil corta. [5]
Las investigaciones que comenzaron con el tubo Geissler continuaron a medida que se producían mejores aspiradoras. El más famoso fue el tubo de vacío utilizado para la investigación científica por William Crookes . Ese tubo fue evacuado por la altamente eficaz bomba de vacío de mercurio creada por Hermann Sprengel . Las investigaciones realizadas por Crookes y otros condujeron finalmente al descubrimiento del electrón en 1897 por JJ Thomson y de los rayos X en 1895 por Wilhelm Röntgen . El tubo de Crookes , como llegó a conocerse, producía poca luz porque el vacío que contenía era demasiado grande y, por lo tanto, carecía de las trazas de gas necesarias para la luminiscencia estimulada eléctricamente .
Thomas Edison buscó brevemente la iluminación fluorescente por su potencial comercial. Inventó una lámpara fluorescente en 1896 que utilizaba una capa de tungstato de calcio como sustancia fluorescente, excitada por rayos X. Aunque recibió una patente en 1907, [6] no se puso en producción. Como ocurrió 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 hizo 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 logró cierto éxito comercial. En 1895, Daniel McFarlan Moore demostró lámparas de 2 a 3 metros (6,6 a 9,8 pies) de largo que utilizaban dióxido de carbono o nitrógeno para emitir luz blanca o rosa, respectivamente. Eran considerablemente más complicados que una bombilla incandescente y requerían tanto una fuente de alimentación de alto voltaje como un sistema de regulación de presión para el gas de llenado. [7]
Moore inventó una válvula controlada electromagnéticamente que mantenía una presión de gas constante dentro del tubo para prolongar la vida útil. [8] Aunque la lámpara de Moore era complicada, costosa y requería voltajes muy altos, era considerablemente más eficiente que las lámparas incandescentes y producía una mayor aproximación 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 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 tuvieron un valor considerable cuando la empresa se dedicó a la iluminación fluorescente más de dos décadas después.
Aproximadamente 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 pasaba una corriente eléctrica a través de vapor de mercurio a baja presión. A diferencia de las lámparas de Moore, las de Hewitt se fabricaban en tamaños estandarizados y funcionaban a bajos voltajes. 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 utilizó 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 recibieron un uso limitado para la iluminación a gran escala. Algunos de ellos empleaban revestimientos fluorescentes, pero se utilizaban principalmente para corregir el color y no para mejorar la salida de luz. Las lámparas de vapor de mercurio también se adelantaron a las lámparas fluorescentes al incorporar un balastro para mantener una corriente constante.
Cooper-Hewitt no había sido el primero en utilizar vapor de mercurio para la 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 menor diámetro 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 que carecía de la porción 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 corta. [10]
El siguiente paso en la iluminación a base de gas aprovechó las cualidades luminiscentes del neón , un gas inerte que había sido descubierto en 1898 aislándolo de la atmósfera. El neón brillaba con un color 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, estaba obteniendo suficiente neón como subproducto para sustentar una industria de iluminación de neón. [12] [13] Si bien la iluminación de neón se utilizaba alrededor de 1930 en Francia para 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, pasó a utilizarse 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 "sputtering", una fuente importante de degradación de los electrodos. La chisporroteo se produjo cuando partículas ionizadas golpearon un electrodo y arrancaron trozos de metal. Aunque el invento de Claude requería electrodos con mucha superficie, demostró que se podía superar un impedimento importante 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 tubos de luz de neón. [15] El uso principal de estas lámparas, que pueden considerarse las primeras fluorescentes de éxito comercial, fue para publicidad, no para iluminación general. Sin embargo, éste no fue el primer uso de revestimientos fluorescentes; Becquerel había utilizado anteriormente la idea y Edison utilizó tungstato de calcio para su lámpara fallida. [16] [17] [18] Se habían realizado otros esfuerzos, pero todos estaban 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 parte de 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 llegó a producirse comercialmente.
Todas las características principales de la iluminación fluorescente ya existían a finales de la década de 1920. Décadas de invención y desarrollo habían proporcionado los componentes clave de las lámparas fluorescentes: tubos de vidrio de fabricación económica, 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 podrían activarse con luz ultravioleta. En este punto, el desarrollo intensivo era más importante que la investigación básica.
En 1934, Arthur Compton , un renombrado físico y consultor de GE, informó al departamento de lámparas de GE sobre 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). Este no fue un ejercicio trivial; Como señaló Arthur A. Bright, "fue necesario realizar una gran cantidad de experimentación sobre los tamaños y formas de las lámparas, la construcción de los cátodos, las presiones de los gases de argón y de vapor de mercurio, los colores de los polvos fluorescentes, los métodos para fijarlos al interior de la lámpara". 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 trabajos de investigación y desarrollo sobre lámparas fluorescentes, General Electric controlaba lo que consideraba las patentes clave que cubrían la iluminación fluorescente, incluidas las patentes originalmente concedidas a Hewitt, Moore y Küch. Más importante que éstas fue una patente que cubría un electrodo que no se desintegraba a las presiones del 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 se concedió en 1931. [20] General Electric utilizó su control de las patentes para impedir la competencia con sus luces incandescentes y probablemente retrasó la introducción de las luces fluorescentes. iluminación por 20 años. Con el tiempo, la producción de guerra requirió fábricas que funcionaran las 24 horas del día con iluminación económica y se dispuso de luces fluorescentes.
Si bien 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 para producir luz ultravioleta, pero la solicitud también contenía algunas declaraciones referentes a la iluminación fluorescente. Los esfuerzos para obtener una patente estadounidense habían sufrido numerosos retrasos, pero si se hubiera concedido, la patente podría haber causado serias dificultades a GE. Al principio, GE intentó bloquear la emisión de una patente afirmando que la prioridad debería recaer en uno de sus empleados, Leroy J. Buttolph, quien según su afirmación había inventado una lámpara fluorescente en 1919 y cuya solicitud de patente aún 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 reclamación de Meyer, Spanner y Germer tenía cierto fundamento y que, en cualquier caso, un largo procedimiento de interferencia no era lo mejor para ellos. Por lo tanto, retiraron el reclamo de Buttolph y pagaron $180,000 para adquirir Meyer, et al. solicitud, 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 desafíos legales por parte de Sylvania Electric Products , Inc., que alegó infracción de patentes que poseía.
Aunque la cuestión de las patentes no se resolvió por completo durante muchos años, la fortaleza de General Electric en fabricación y marketing le dio una posición preeminente en el mercado emergente de luces fluorescentes. Las ventas de "lámparas fluorescentes luminiscentes" 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 introducción pública del balastro fluorescente Slimline en 1946 fue de la mano de Westinghouse y General Electric, y las luminarias Showcase/Display Case fueron introducidas por Articraft Fluorescent Lighting Corporation en 1946. [22] [23] Durante el año siguiente, GE y Westinghouse publicitaron las nuevas luces a través de exposiciones. en la Feria Mundial de Nueva York y en la Exposición Internacional Golden Gate de San Francisco. Los sistemas de iluminación fluorescente se difundieron rápidamente durante la Segunda Guerra Mundial a medida que la fabricación en tiempos de guerra intensificó 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 ortosilicato de zinc con contenido variable de berilio como fósforo verdoso. Pequeñas adiciones de tungstato de magnesio mejoraron la porción azul del espectro, produciendo un blanco aceptable. Después del descubrimiento de que el berilio era tóxico , dominaron los fósforos a base de halofosfatos. [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 inferior . 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 externo del átomo, lo que hace 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 vuelva a un nivel de energía más bajo y 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). Estos no son visibles para el ojo humano, por lo que la energía ultravioleta se convierte en luz visible mediante 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 recubrimiento de fósforo.
La corriente eléctrica fluye a través del tubo en una descarga de arco de baja presión . Los electrones chocan e ionizan los átomos de gases nobles dentro de la bombilla que rodea el filamento 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, permitiendo 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 en sí. 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 efecto Penning . Esto reduce la tensión de ruptura y de funcionamiento de la lámpara, en comparación con otros posibles gases de relleno como el criptón. [26]
El tubo de una lámpara fluorescente se llena con una mezcla de argón , xenón , neón o criptón y vapor de mercurio. La presión dentro de la lámpara ronda el 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 una capa fluorescente hecha de diferentes mezclas de sales de fósforo metálicas y de tierras raras . Los electrodos de la lámpara suelen estar hechos de tungsteno enrollado 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 lámparas en miniatura hasta 2,43 metros (8,0 pies) para 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 pequeño diámetro unidos en un haz de dos, cuatro o seis, o un tubo de pequeño diámetro enrollado en forma de 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 una pintura en el interior del tubo. Se deja que los disolventes orgánicos se evaporen y luego el tubo se calienta hasta casi el punto de fusión del vidrio para eliminar los compuestos orgánicos restantes y fusionar el revestimiento con el tubo de la lámpara. Es necesario un control cuidadoso del tamaño de grano de los fósforos suspendidos; los granos grandes provocan recubrimientos débiles y las partículas pequeñas provocan un mantenimiento y una eficiencia de la luz deficientes. La mayoría de los fósforos funcionan mejor con un tamaño de partícula de alrededor de 10 micrómetros. El recubrimiento debe ser lo suficientemente grueso como para capturar toda la luz ultravioleta producida por el arco de mercurio, pero no tan grueso como para que el recubrimiento de fósforo absorba demasiada luz visible. Los primeros fósforos fueron versiones sintéticas de minerales fluorescentes naturales, a los que se añadían pequeñas cantidades de metales como activadores. Posteriormente se descubrieron otros compuestos que permitieron fabricar lámparas de diferentes colores. [29]
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 cae, lo que permite que fluya aún más corriente. Conectada directamente a una fuente de alimentación de voltaje constante , una lámpara fluorescente se autodestruiría rápidamente debido al flujo de corriente incontrolado. Para evitar esto, las lámparas fluorescentes deben utilizar un balastro para regular el flujo de corriente a través de la lámpara.
El voltaje terminal a través de una lámpara en funcionamiento varía según la corriente del arco , el diámetro del tubo, la temperatura y el gas de relleno. Una lámpara T12 [30] de 48 pulgadas (1219 mm) de servicio de iluminación general funciona a 430 mA, con una caída de 100 voltios. Las lámparas de alto rendimiento funcionan a 800 mA y algunos tipos funcionan 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. [31]
El balastro más simple para uso en corriente alterna (CA) es un inductor colocado en serie, que consta de un devanado sobre un núcleo magnético laminado. La inductancia de este devanado limita el flujo de corriente alterna. Este tipo de balastro es común en países de 220 a 240 V (y en América del Norte, lámparas de hasta 30 W). Los balastros están clasificados según el tamaño de la lámpara y la frecuencia eléctrica. En América del Norte, el voltaje de CA es insuficiente para encender lámparas fluorescentes largas, por lo que el balastro suele ser un autotransformador elevador con una inductancia de fuga sustancial (para limitar el flujo de corriente). Cualquiera de las formas de balastro inductivo también puede incluir un condensador para la corrección del factor de potencia .
Las lámparas fluorescentes pueden funcionar directamente con un suministro de corriente continua (CC) de voltaje suficiente para generar un arco. El balastro debe ser resistivo y consumiría tanta energía como la lámpara. Cuando se opera desde CC, el interruptor de arranque a menudo está dispuesto para invertir la polaridad del suministro a la lámpara cada vez que se enciende; de lo contrario, el mercurio se acumula en un extremo del tubo. Por estos motivos, las lámparas fluorescentes (casi) nunca funcionan directamente con CC. En cambio, un inversor convierte CC en CA y proporciona la función de limitación de corriente como se describe a continuación para balastros 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. [32] 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 del bulbo aún debe controlarse 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 disipador de calor en el tubo para mantener la presión de vapor de mercurio en el valor óptimo. [33]
Sólo una fracción de la energía eléctrica que ingresa a una lámpara se convierte en luz útil. El lastre disipa algo de calor; Los balastros electrónicos pueden tener alrededor del 90% de eficiencia. En los electrodos se produce una caída de tensión fija, que también produce calor. Parte de la energía en la columna de vapor de mercurio también se disipa, pero alrededor del 85% se convierte en luz visible y ultravioleta.
No toda la radiación ultravioleta que incide sobre el 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 UV 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 sólo se utiliza el 45% de la energía ultravioleta; el resto se disipa en forma de calor. [34]
La mayoría de las lámparas fluorescentes utilizan electrodos que emiten electrones al interior del tubo mediante calor, conocidos como cátodos calientes. Sin embargo, los tubos de cátodo frío tienen cátodos que emiten electrones sólo debido al gran 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 recubrimiento de emisión termoiónica que se desgaste, pueden tener una vida útil mucho más larga que los tubos de cátodo caliente . Esto los hace deseables para aplicaciones de larga duración (como retroiluminación en pantallas de cristal líquido ). Todavía puede producirse pulverización catódica del electrodo, pero a los electrodos se les puede dar forma (por ejemplo, en un cilindro interno) para capturar la mayor parte del material pulverizado de modo 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 mayor. La energía disipada debido a la caída de voltaje 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 el mayor voltaje de los tubos requerido de todos modos, estos tubos pueden alargarse fácilmente e incluso funcionar como cadenas en serie. Son más adecuados para doblarse en formas especiales para letras y señalización, y también se pueden encender o apagar instantáneamente.
El gas utilizado en el tubo fluorescente debe ionizarse antes de que el arco pueda "encenderse". Para las lámparas pequeñas, no se necesita mucho voltaje para generar el arco y encender la lámpara no presenta ningún problema, pero los tubos más grandes requieren un voltaje sustancial (en el rango de mil voltios). Se han utilizado muchos circuitos de arranque diferentes. La elección del circuito se basa en el costo, el voltaje de CA, la longitud del tubo, el arranque instantáneo o no instantáneo, los rangos de temperatura y la disponibilidad de piezas.
El precalentamiento, también llamado arranque por interruptor, utiliza una combinación de filamento y cátodo en cada extremo de la lámpara junto con un interruptor mecánico o automático ( bimetálico ) (consulte el diagrama de circuito a la derecha) que inicialmente conecta los filamentos en serie con el balastro para precalentarlos; Después de un breve tiempo de precalentamiento se abre el interruptor de arranque. Si se sincroniza correctamente en relación con la fase del suministro de CA, esto hace que el balastro induzca un voltaje sobre el tubo lo suficientemente alto como para iniciar el arco inicial. [35] 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 la década de 1960, se utilizaban arrancadores térmicos de cuatro clavijas e interruptores manuales. [ cita necesaria ] Un arrancador con interruptor incandescente precalienta automáticamente los cátodos de la lámpara. Consiste en un interruptor bimetálico normalmente abierto dentro de 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 generar el arco; El proceso se repite hasta que se enciende la lámpara. Una vez que el tubo choca, la descarga principal que incide mantiene calientes los cátodos, lo que permite la emisión continua de electrones. El interruptor de arranque no se vuelve a cerrar porque el voltaje a través del tubo encendido es insuficiente para iniciar una descarga incandescente en el motor de arranque. [35]
Con los arrancadores con interruptor de incandescencia, un tubo defectuoso realizará ciclos repetidos. Algunos sistemas de arranque utilizaron un disparo térmico por sobrecorriente para detectar intentos de arranque repetidos y desactivar el circuito hasta que se reinicia manualmente.
Un condensador de corrección del factor de potencia (PFC) extrae corriente adelantada de la red eléctrica para compensar la corriente retrasada consumida por el circuito de la lámpara. [35]
Los arrancadores electrónicos utilizan un método diferente para precalentar los cátodos. [36] Pueden ser enchufables intercambiables con arrancadores incandescentes. Utilizan un interruptor semiconductor y "arrancan suavemente" la lámpara precalentando los cátodos antes de aplicar un impulso de arranque que enciende la lámpara por primera vez sin parpadear; esto desaloja una cantidad mínima de material de los cátodos durante el arranque, prolongando la vida útil de la lámpara. [35] Se afirma que esto prolonga la vida útil de la lámpara en un factor típico de 3 a 4 veces para una lámpara que se enciende con frecuencia como en el uso doméstico, [37] y reduce el ennegrecimiento de los extremos de la lámpara típico de los tubos fluorescentes. Si bien el circuito es complejo, la complejidad está integrada en un chip de circuito integrado . Los arrancadores electrónicos pueden optimizarse para un arranque rápido (tiempo de arranque típico de 0,3 segundos), [37] [38] 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. [39] Las unidades de arranque más rápido pueden producir ruidos audibles durante el arranque. [40]
Los arrancadores electrónicos sólo intentan encender una lámpara por un corto tiempo cuando se aplica energía inicialmente, y no intentan volver a encender repetidamente una lámpara que está apagada y no puede sostener un arco; algunos dejan automáticamente de intentar encender una lámpara defectuosa. [36] Esto elimina el volver a encender una lámpara y el parpadeo continuo de una lámpara defectuosa con un encendedor incandescente. 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 cotizar una vida útil de 20 años, o tanto como la lámpara. [38] [39]
Los tubos fluorescentes de arranque instantáneo se inventaron en 1944. El arranque instantáneo simplemente utiliza un voltaje suficientemente alto para romper la columna de gas y así iniciar la conducción del arco. Una vez que la chispa de alto voltaje "golpea" el arco, la corriente aumenta hasta que se forma una descarga luminosa . A medida que la lámpara se calienta y la presión aumenta, 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 pueden identificarse por una sola clavija en cada extremo del tubo (para lámparas comunes; las lámparas compactas de cátodo frío también pueden tener una sola clavija, pero funcionan con un transformador en lugar de un balastro). Los portalámparas tienen un enchufe de "desconexión" en el extremo de bajo voltaje que desconecta el balastro cuando se retira el tubo, para evitar descargas eléctricas . Las lámparas de arranque instantáneo son ligeramente más eficientes energéticamente que las de arranque rápido, porque no envían constantemente una corriente de calentamiento a los cátodos durante el funcionamiento, pero el arranque de los cátodos fríos aumenta la chisporroteo y tardan mucho más en pasar de una descarga luminosa a un arco. durante el calentamiento, por lo que la vida útil suele ser aproximadamente la mitad de la observada en lámparas de arranque rápido comparables. [41]
Debido a que la formación de un arco requiere la emisión termoiónica de grandes cantidades de electrones desde el cátodo, los diseños de balastro de arranque rápido proporcionan devanados dentro del balastro que calientan continuamente los filamentos del cátodo. Normalmente funciona con un voltaje de arco más bajo que el diseño de arranque instantáneo; no se produce ningún 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 luminosa se propague a través del tubo e inicie la descarga del arco mediante un acoplamiento capacitivo . En algunas lámparas, se coloca una tira de "ayuda de arranque" con conexión a tierra en el exterior del cristal de la lámpara. Este tipo de balastro es incompatible con las lámparas fluorescentes T8 de ahorro de energía europeas porque estas lámparas requieren un voltaje de arranque más alto que el voltaje de circuito abierto de los balastros de arranque rápido.
Los balastros de inicio rápido utilizan un pequeño autotransformador para calentar los filamentos cuando se aplica energía por primera vez. Cuando se produce un arco, la potencia de calentamiento del filamento se reduce y el tubo se pone en funcionamiento en medio segundo. El autotransformador se combina con el balastro o puede ser una unidad separada. Los tubos deben montarse cerca de un reflector metálico conectado a tierra para que puedan impactar. Los balastros de arranque rápido son más comunes en instalaciones comerciales debido a sus menores costos de mantenimiento. Un balastro de arranque rápido elimina la necesidad de un interruptor de arranque, una fuente común de fallas en las lámparas. No obstante, los balastros de inicio rápido también se utilizan en instalaciones domésticas (residenciales) debido a la característica deseable de que una luz de balastro de inicio rápido se enciende casi inmediatamente después de aplicar energía (cuando se enciende un interruptor). Los balastros de arranque rápido se usan sólo en circuitos de 240 V y están diseñados para usarse con los tubos T12 más antiguos y menos eficientes.
El circuito de inicio semi-resonante 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 la línea y generan aproximadamente el doble del voltaje de suministro a través del tubo y una pequeña corriente de calentamiento del electrodo. [42] Este voltaje del tubo es demasiado bajo para iniciar el arco con electrodos fríos, pero a medida que los electrodos se calientan hasta la temperatura de emisión termoiónica, el voltaje de inicio del tubo cae por debajo del voltaje 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 aumenta la corriente del arco y cae el voltaje del tubo, el circuito proporciona limitación de corriente.
Los circuitos de arranque semirresonante están restringidos principalmente a su uso en instalaciones comerciales debido al mayor costo inicial de los componentes del circuito. Sin embargo, no es necesario reemplazar interruptores de arranque y el daño al cátodo se reduce durante el arranque, lo que hace que las lámparas duren más, lo que reduce los costos de mantenimiento. Debido al alto voltaje del tubo en circuito abierto, este método de arranque es particularmente bueno para arrancar 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 de la tensión de alimentación debe ser inferior a la tensión de encendido del cátodo frío (o los tubos arrancarían instantáneamente por error), este diseño no se puede utilizar con alimentación de CA de 240 voltios a menos que los tubos midan al menos 1,2 m (3 pies 11 pulgadas) de longitud. Los accesorios de arranque semi-resonante generalmente son incompatibles con los tubos T8 de ahorro de energía, porque dichos tubos tienen un voltaje de arranque más alto que las lámparas T12 y pueden no arrancar de manera confiable, especialmente en bajas temperaturas. Las propuestas recientes en algunos países para eliminar gradualmente los tubos T12 reducirán la aplicación de este método inicial.
Los balastros electrónicos emplean transistores para cambiar la frecuencia de suministro a CA de alta frecuencia mientras regulan el flujo de corriente en la lámpara. Estos balastros aprovechan la mayor eficacia de las lámparas, que aumenta casi un 10% a 10 kHz , en comparación con la eficacia a una frecuencia 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 permanece más cerca de las condiciones operativas óptimas. [43] Los balastros electrónicos convierten la alimentación de CA de frecuencia de suministro en CA de frecuencia variable. La conversión puede reducir la modulación del brillo de la lámpara al doble de la frecuencia de la fuente de alimentación.
Los balastros de bajo costo contienen sólo un oscilador simple y un circuito LC resonante en serie . Este principio se denomina 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 todavía se utilizan para proteger el balastro contra el sobrecalentamiento si la lámpara no se enciende. Algunos fabricantes utilizan termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) para desactivar el arranque instantáneo y dar algo de tiempo para precalentar los filamentos.
Los balastros 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 balastro; y después de calentar los filamentos, la frecuencia disminuye rápidamente. Si la frecuencia se acerca a la frecuencia de resonancia del balastro, el voltaje de salida aumentará tanto que la lámpara se encenderá. Si la lámpara no se enciende, un circuito electrónico detiene el funcionamiento del balastro.
Muchos balastros electrónicos están controlados por un microcontrolador y, a veces, se les llama balastros digitales. Los balastros digitales pueden aplicar una lógica bastante compleja al encendido y funcionamiento de las lámparas. Esto permite funciones como la prueba de electrodos rotos y tubos faltantes antes de intentar comenzar, la detección de reemplazo de tubos y la detección del tipo de tubo, de modo que se pueda usar un solo balastro con varios tubos diferentes. 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 balastros de alta frecuencia se han utilizado en accesorios de iluminación general con lámparas de encendido rápido o de precalentamiento. Estos balastros convierten la potencia entrante a una frecuencia de salida superior a 20 kHz . Esto aumenta la eficiencia de la lámpara. [44] Estos balastros funcionan con voltajes que pueden ser casi 600 voltios, lo que requiere cierta consideración en el diseño de la carcasa y puede causar una limitación menor en la longitud de los cables desde el balastro hasta los extremos de la lámpara.
La vida útil de una lámpara fluorescente está limitada principalmente por la vida útil de los electrodos catódicos. Para mantener un nivel de corriente adecuado, los electrodos están recubiertos con una mezcla de emisión de óxidos metálicos. Cada vez que se enciende la lámpara, y durante el funcionamiento, una pequeña cantidad del recubrimiento 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 y lo oscurece. El método de inicio y la frecuencia afectan la pulverización catódica. También puede romperse un filamento, inutilizando la lámpara.
Los diseños de lámparas con bajo contenido de mercurio pueden fallar cuando el mercurio es absorbido por el tubo de vidrio, el fósforo y los componentes internos, 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 máxima potencia luminosa y, finalmente, hace que la lámpara brille con un tono rosa tenue cuando el gas argón asume el control como descarga primaria. [45]
Al someter el tubo a un flujo de corriente asimétrico, lo opera efectivamente bajo una polarización de CC y provoca una distribución asimétrica de iones de mercurio a lo largo del tubo. El agotamiento localizado de la presión del vapor de mercurio se manifiesta como una luminiscencia rosada del gas base en las proximidades de uno de los electrodos, y la vida útil de la lámpara puede acortarse drásticamente. Esto puede ser un problema con algunos inversores mal diseñados . [46]
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.
La falla del balastro electrónico integral de una bombilla fluorescente compacta también pondrá fin a su vida útil.
El espectro de luz emitida 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 de luz combinada que es diferente de la producida por fuentes incandescentes. La intensidad relativa de la luz emitida en cada banda estrecha de longitudes de onda en el espectro visible tiene proporciones diferentes en comparación con la de una fuente incandescente. Los objetos coloreados se perciben de manera diferente bajo fuentes de luz con diferentes distribuciones espectrales. Por ejemplo, algunas personas encuentran dura y desagradable la reproducción cromática producida por algunas lámparas fluorescentes. A veces, una persona sana puede parecer que tiene un tono de piel poco saludable bajo una iluminación 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 cromática (CRI).
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. [47] La iluminación halógena es de 3000 K. [48] Las lámparas fluorescentes se fabrican según un CCT elegido alterando la mezcla de fósforos dentro del tubo. Los fluorescentes de color blanco cálido tienen un CCT de 2700 K y son populares para la iluminación residencial. Los fluorescentes de color blanco neutro tienen un CCT de 3000 K o 3500 K. Los fluorescentes de color blanco frío tienen un CCT de 4100 K y son populares para la iluminación de oficinas. Los fluorescentes de luz diurna tienen un CCT de 6500 K, que es de color blanco azulado.
El índice de reproducción cromática (CRI) es un intento de medir la capacidad de una fuente de luz para revelar fielmente los colores de varios objetos 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 CRI de 100. Los tubos fluorescentes reales alcanzan un CRI de entre 50 y 98. Las lámparas fluorescentes con un CRI bajo tienen fósforos que emiten muy poca luz roja. La piel parece menos rosada y, por tanto, "insalubre" en comparación con la iluminación incandescente. Los objetos coloreados aparecen apagados. Por ejemplo, un tubo de halofosfato de bajo CRI 6800 K (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. [31] : 8
Los arreglos de iluminación utilizan tubos fluorescentes en una variedad de tonos de blanco. Mezclar tipos de tubos dentro de los accesorios puede mejorar la reproducción del color de tubos de menor calidad.
Parte de la luz menos agradable proviene de tubos que contienen fósforos más antiguos, de tipo halofosfato (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. A falta de una referencia, esta mezcla aparece blanca a la vista, pero la luz tiene un espectro incompleto . El índice de reproducción cromática (CRI) de estas lámparas es de aproximadamente 60.
Desde los años 90, las lámparas fluorescentes de mayor calidad utilizan una mezcla de trifósforo , basada en iones de europio y terbio , que tienen bandas de emisión distribuidas de manera más uniforme en todo el espectro de la luz visible. Los tubos de trifósforo dan una reproducción del color más natural al ojo humano. El CRI de este tipo de lámparas suele ser 85.
Las lámparas fluorescentes vienen en muchas formas y tamaños. [49] Muchas lámparas fluorescentes compactas integran la electrónica auxiliar en la base de la lámpara, lo que les permite encajar en un casquillo de bombilla normal.
En las residencias estadounidenses, las lámparas fluorescentes se encuentran principalmente en cocinas , sótanos o garajes . Las escuelas y las empresas consideran que el ahorro de costes que suponen las lámparas fluorescentes es significativo y rara vez utilizan luces incandescentes. Los costos de la 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, siendo reemplazado por la iluminación LED, que es más eficiente energéticamente y no contiene mercurio. [ cita necesaria ]
En otros países, el uso residencial de iluminación fluorescente varía según el precio de la energía, las preocupaciones financieras y ambientales de la población local y la aceptabilidad de la salida de luz. En el este y sudeste de Asia las bombillas incandescentes son raras en los edificios.
Muchos países están fomentando la eliminación gradual de las bombillas incandescentes y su sustitución por otros tipos de lámparas de bajo consumo.
Además de la iluminación general, a menudo se utilizan luces fluorescentes especiales en la iluminación escénica para la producción de películas y vídeos. Son más frías que las fuentes de luz halógena tradicionales y utilizan balastros de alta frecuencia para evitar el parpadeo del vídeo y lámparas de alto índice de reproducción cromática para aproximarse a las temperaturas de color de la luz del día.
Las lámparas fluorescentes convierten más energía de entrada en luz visible que las lámparas incandescentes. Una lámpara incandescente típica de filamento de tungsteno de 100 vatios puede convertir sólo 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 alrededor del 22% de la potencia de entrada en luz blanca visible. [31] : 20
La eficacia de los tubos fluorescentes varía desde aproximadamente 16 lúmenes por vatio para un tubo de 4 vatios con un balastro ordinario hasta más de 100 lúmenes por vatio [50] con un balastro electrónico moderno, con un promedio general de 50 a 67 lm/W en general. [51] La pérdida de balastro puede ser aproximadamente el 25% de la potencia de la lámpara con balastros magnéticos y alrededor del 10% con balastros electrónicos.
La eficacia de las lámparas fluorescentes depende de la temperatura de la lámpara en la parte más fría de la misma. En las lámparas T8 está en el centro del tubo. En las lámparas T5 se encuentra en el extremo del tubo con el texto estampado. La temperatura ideal para una lámpara T8 es de 25 °C (77 °F), mientras que la lámpara T5 es ideal de 35 °C (95 °F).
Normalmente, una lámpara fluorescente durará entre 10 y 20 veces más que una lámpara incandescente equivalente cuando se utiliza durante varias horas seguidas. En condiciones de prueba estándar, las lámparas fluorescentes duran entre 6.000 y 90.000 horas (de 2 a 31 años con 8 horas por día). [52]
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. [53] [ 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 ve desde 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 las lámparas incandescentes equivalentes. Esto reduce en gran medida el tamaño, el coste y el consumo de energía del aire acondicionado en edificios de oficinas que normalmente tienen muchas luces y pocas ventanas.
El cambio frecuente (más de cada 3 horas) acortará la vida útil de las lámparas. [54] Cada ciclo de inicio erosiona ligeramente la superficie emisora de electrones de los cátodos; cuando se acaba todo el material de emisión, la lámpara no puede encender con el voltaje de balastro disponible. Los accesorios para luces intermitentes (como los publicitarios) utilizan un balastro que mantiene la temperatura del cátodo cuando el arco está apagado, preservando la vida útil de la lámpara.
La energía extra 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. [55] [56]
Si una lámpara fluorescente se rompe, una cantidad muy pequeña de mercurio puede contaminar el medio ambiente. Alrededor del 99% del mercurio suele estar contenido en el fósforo, especialmente en las lámparas que están cerca del final de su vida útil. [57] Las lámparas rotas pueden liberar mercurio si no se limpian con los métodos correctos. [58] [ verificación fallida ]
Debido al contenido de mercurio, las lámparas fluorescentes desechadas deben tratarse como residuos peligrosos. Para los grandes usuarios de lámparas fluorescentes, los servicios de reciclaje están disponibles en algunas áreas y pueden ser requeridos por regulación. [59] [60] En algunas áreas, el reciclaje también está disponible para los consumidores. [61]
Las lámparas fluorescentes emiten una pequeña cantidad de luz ultravioleta (UV). Un estudio realizado en 1993 en Estados Unidos encontró que la exposición a los rayos ultravioleta al estar sentado bajo luces fluorescentes durante ocho horas equivale a un minuto de exposición al sol. [62] La radiación ultravioleta de las lámparas fluorescentes compactas puede exacerbar los síntomas en personas fotosensibles. [63] [64] [65]
Los artefactos del museo pueden necesitar protección de la luz ultravioleta para evitar la degradación de pigmentos o textiles. [66]
Las lámparas fluorescentes requieren un balastro para estabilizar la corriente a través de la lámpara y proporcionar el voltaje de encendido inicial requerido para iniciar la descarga del arco. A menudo, dos o más lámparas comparten un balastro. Los balastros electromagnéticos pueden producir un zumbido o zumbido audible. En América del Norte, los balastros magnéticos suelen estar rellenos con un compuesto de relleno similar al alquitrán para reducir el ruido emitido. El zumbido se elimina en lámparas con balastro electrónico de alta frecuencia. La energía perdida en los balastros magnéticos es alrededor del 10% de la potencia de entrada de la lámpara según la literatura de GE de 1978. [31] Los balastros electrónicos reducen esta pérdida.
Los balastros de lámparas fluorescentes inductivas simples tienen un factor de potencia inferior a la unidad. Los balastros inductivos incluyen condensadores de corrección del factor de potencia. Los balastros 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 el suministro de energía 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 una muy buena supresión, pero aumenta el coste de las luminarias fluorescentes.
Las lámparas fluorescentes que se acercan al final de su vida útil pueden presentar un grave peligro 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 camino. [67]
Las lámparas fluorescentes funcionan mejor a temperatura ambiente. A temperaturas más bajas o más altas, la eficacia disminuye. A temperaturas bajo cero es posible que las lámparas estándar no enciendan. Se pueden utilizar lámparas especiales para un servicio confiable al aire libre 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, una baja intensidad luminosa de la superficie emisora es útil porque reduce el deslumbramiento . El diseño de la lámpara debe controlar la luz desde un tubo largo en lugar de un globo compacto. La lámpara fluorescente compacta (CFL) reemplaza a las bombillas incandescentes normales en muchos artefactos de iluminación donde el espacio lo permite.
Las lámparas fluorescentes con balastros magnéticos parpadean a una frecuencia normalmente imperceptible de 100 o 120 Hz y este parpadeo puede causar problemas a algunas personas con sensibilidad a la luz ; [68] se enumeran como problemáticos para algunas personas con autismo , epilepsia , [69] lupus , [70] síndrome de fatiga crónica , enfermedad de Lyme , [71] y vértigo . [72]
Se puede notar un efecto estroboscópico , en el que algo que gira a la velocidad adecuada puede parecer estacionario si se ilumina únicamente con una única lámpara fluorescente. Este efecto se elimina mediante lámparas emparejadas que funcionan con un balasto de plomo y retardo. A diferencia de una verdadera lámpara estroboscópica, el nivel de luz cae en un tiempo apreciable y, por lo tanto, sería evidente una "desenfoque" sustancial de la parte móvil.
Las lámparas fluorescentes pueden producir parpadeos en la frecuencia de alimentación (50 o 60 Hz), lo que es perceptible por la mayoría de las personas. Esto sucede si un cátodo dañado o fallido produce una ligera rectificación y una salida de luz desigual en ciclos de CA positivos y negativos. Se puede emitir parpadeo de frecuencia industrial 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 a frecuencia industrial es más perceptible en la visión periférica que cuando se ve directamente.
Cerca del final de su vida útil, las lámparas fluorescentes pueden comenzar a parpadear a una frecuencia inferior a la frecuencia de alimentación. Esto se debe a la inestabilidad en la resistencia negativa de la descarga del arco, [73] que puede deberse a una lámpara o balastro defectuoso o a una mala conexión.
Las nuevas lámparas fluorescentes pueden mostrar un patrón de luz en espiral retorcido en una parte de la lámpara. Este efecto se debe al material del cátodo suelto y normalmente desaparece después de unas horas de funcionamiento. [31] : 22
Los balastros electromagnéticos también pueden causar problemas en la grabación de vídeo, ya que puede producirse el llamado efecto de batido entre la velocidad de fotogramas del vídeo y las fluctuaciones de intensidad de la lámpara fluorescente.
Las lámparas fluorescentes con balastos electrónicos no parpadean, ya que por encima de aproximadamente 5 kHz, la vida media del estado del electrón excitado es más larga que medio ciclo, [ cita necesaria ] y la producción de luz se vuelve continua. Las frecuencias de funcionamiento de los balastros electrónicos se seleccionan para evitar interferencias con los controles remotos infrarrojos. Los balastros electrónicos de mala calidad o defectuosos pueden tener una modulación de la luz considerable de 100/120 Hz.
Los artefactos de iluminación fluorescente no se pueden conectar a reguladores de intensidad destinados a lámparas incandescentes. Dos efectos son responsables de esto: la forma de onda del voltaje emitido por un atenuador de control de fase estándar interactúa mal con muchos balastros y resulta difícil mantener un arco en el tubo fluorescente a niveles de potencia bajos. Las instalaciones de atenuación requieren un balastro de atenuación compatible . Algunos modelos de lámparas fluorescentes compactas se pueden atenuar; en los Estados Unidos, se identifica que dichas lámparas cumplen con la norma UL 1993. [74]
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 los Estados Unidos y Canadá, las lámparas generalmente se identifican mediante 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 pulgadas o 38 mm) para lámparas residenciales, T8 o T26 (1 pulgada o 25 mm) para lámparas comerciales de bajo consumo.
Sobreexcitar 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 (Overdriven Normal Output) 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 volviendo a cablear las lámparas para aumentar la corriente de la lámpara; sin embargo, la vida útil de la lámpara se reduce. [75]
Las luces negras son un subconjunto de 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 los rayos UV de onda corta dentro del tubo en rayos UV de onda larga en lugar de luz visible. Se utilizan para provocar fluorescencia (para proporcionar efectos dramáticos usando pintura de luz negra y para detectar materiales como orina y ciertos tintes que serían invisibles en luz visible), así como para atraer insectos a los eliminadores de insectos .
Las llamadas lámparas Blacklite Blue también se fabrican con un cristal más caro de color violeta oscuro, conocido como cristal de Wood , en lugar de cristal transparente. El vidrio de color violeta oscuro filtra la mayoría de los colores visibles de la luz emitida directamente por la descarga de vapor de mercurio, produciendo proporcionalmente menos luz visible en comparación con la luz ultravioleta. Esto permite que la fluorescencia inducida por los rayos UV se vea más fácilmente (permitiendo así que los carteles de luz negra parezcan mucho más dramáticos). Las lámparas de luz negra utilizadas en los eliminadores de insectos no requieren este refinamiento, por lo que generalmente se omiten por razones de costo; se llaman simplemente blacklite (y no blacklite blue).
Las lámparas utilizadas en las camas de bronceado contienen una mezcla de fósforo diferente (normalmente de 3 a 5 o más fósforos) que emite tanto UVA como UVB, provocando una respuesta de bronceado en la mayoría de la piel humana. Por lo general, la salida se clasifica como de 3 a 10 % de UVB (el 5 % más típico) y el resto de UV como UVA. Se trata principalmente de lámparas de 100 W de alto rendimiento, aunque son algo comunes las de 160 W de muy alto rendimiento. Un fósforo común utilizado en estas lámparas es el disilicato de bario activado por plomo, pero también se utiliza un fluoroborato de estroncio activado por europio. Las primeras lámparas utilizaban talio como activador, pero las emisiones de talio durante la fabricación eran tóxicas. [76]
Las lámparas utilizadas en fototerapia contienen un fósforo que emite únicamente luz ultravioleta UVB. [ cita necesaria ] Hay dos tipos: UVB de banda ancha que proporciona entre 290 y 320 nanómetros con una longitud de onda máxima de 306 nm, y UVB de banda estrecha que proporciona entre 311 y 313 nanómetros. Debido a la longitud de onda más larga, las bombillas UVB de banda estrecha no causan eritema en la piel como las de banda ancha. [ dudoso ] Requieren una dosis de 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 necesaria ] La banda ancha es mejor para aumentar la vitamina D3 en el cuerpo.
Las lámparas de cultivo contienen mezclas de fósforo que fomentan la fotosíntesis , el crecimiento o la floración de plantas, algas, bacterias fotosintéticas y otros organismos dependientes de la luz. Estos 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. [77]
Las lámparas se pueden fabricar con un fósforo metaluminado de litio activado con hierro. Este fósforo tiene emisiones máximas entre 675 y 875 nanómetros, con menores emisiones en la parte roja profunda del espectro visible. [78]
La luz azul profunda generada a partir de un fósforo activado con europio se utiliza en el tratamiento de la ictericia con fototerapia ; La luz de este color penetra la piel y ayuda a descomponer el exceso de bilirrubina . [78]
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. El UVC de 254 nm emitido por estos tubos matará los gérmenes y el UV lejano de 184,45 nm ionizará el oxígeno en ozono . Las lámparas etiquetadas como OF bloquean los rayos UV lejanos de 184,45 nm y no producen una cantidad significativa de ozono. Además, los rayos UVC pueden provocar daños en los ojos y la piel. A veces los geólogos los utilizan para identificar ciertas especies de minerales por el color de su fluorescencia cuando están equipados con filtros que dejan pasar los rayos UV 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 de 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 . Dado 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 elevado.
Las lámparas fluorescentes de cátodo frío se utilizaban como retroiluminación de las pantallas LCD en monitores de ordenador y televisores antes del uso de las pantallas LCD con retroiluminación LED . También eran populares entre los modders de carcasas de computadoras .
Las lámparas fluorescentes pueden iluminarse por medios distintos a una conexión eléctrica adecuada. Estos otros métodos, sin embargo, dan como resultado una iluminación muy tenue o de muy corta duración, y por eso se ven principalmente en demostraciones científicas. La electricidad estática o un generador Van de Graaff harán que una lámpara parpadee momentáneamente mientras descarga una capacitancia de alto voltaje. Una bobina de Tesla pasará 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 arranque 'RÁPIDO' (< 0,5 segundos) provocaron un ruido audible de 'BURRRRRRRP' en algunas luminarias cuando arrancaron 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 lámpara.
