Una lámpara de neón (también lámpara incandescente de neón ) es una lámpara de descarga de gas en miniatura . La lámpara normalmente consta de una pequeña cápsula de vidrio que contiene una mezcla de neón y otros gases a baja presión y dos electrodos (un ánodo y un cátodo ). Cuando se aplica suficiente voltaje y se suministra suficiente corriente entre los electrodos, la lámpara produce una descarga luminosa de color naranja . La parte brillante de la lámpara es una región delgada cerca del cátodo; Los letreros de neón más grandes y mucho más largos también son descargas luminosas, pero utilizan la columna positiva que no está presente en las lámparas de neón comunes. Las lámparas de neón se utilizaron ampliamente como lámparas indicadoras en las pantallas de instrumentos y aparatos electrónicos. A veces todavía se utilizan por su simplicidad eléctrica en circuitos de alto voltaje.
El neón fue descubierto en 1898 por William Ramsay y Morris Travers . Inmediatamente se notó el característico color rojo brillante que emite el neón gaseoso cuando se excita eléctricamente; Travers escribió más tarde: "el resplandor de luz carmesí del tubo contaba su propia historia y era un espectáculo en el que pensar y nunca olvidar". [1]
La escasez de neón impidió su rápida aplicación para iluminación eléctrica similar a los tubos de Moore , que utilizaban descargas eléctricas en nitrógeno. Los tubos de Moore fueron comercializados por su inventor, Daniel McFarlan Moore , a principios del siglo XX. Después de 1902, la empresa de Georges Claude , Air Liquide , producía cantidades industriales de neón como subproducto de su negocio de licuefacción de aire, y en diciembre de 1910 Claude demostró una iluminación de neón moderna basada en un tubo de neón sellado. En 1915, se concedió a Claude una patente estadounidense que cubría el diseño de los electrodos para luces de tubo de neón; [2] esta patente se convirtió en la base del monopolio que mantuvo en los EE. UU. su empresa, Claude Neon Lights, hasta principios de la década de 1930. [3]
Alrededor de 1917, Daniel Moore desarrolló la lámpara de neón mientras trabajaba en la General Electric Company . La lámpara tiene un diseño muy diferente de los tubos de neón, mucho más grandes, que se utilizan para la iluminación de neón . La diferencia en el diseño fue suficiente para que se emitiera una patente estadounidense para la lámpara en 1919. [4] Un sitio web del Instituto Smithsonian señala: "Estos dispositivos pequeños y de baja potencia utilizan un principio físico llamado descarga coronal . Moore montó dos electrodos muy juntos en un Se añadía una bombilla y gas neón o argón. Los electrodos brillaban intensamente en rojo o azul, dependiendo del gas, y las lámparas duraban años. Dado que los electrodos podían adoptar casi cualquier forma imaginable, una aplicación popular han sido las extravagantes lámparas decorativas . 5]
Las lámparas incandescentes encontraron un uso práctico como indicadores en paneles de instrumentos y en muchos electrodomésticos hasta la comercialización generalizada de diodos emisores de luz (LED) en la década de 1970. [5]
Una pequeña corriente eléctrica (para una lámpara NE-2 de 5 mm de diámetro, la corriente de reposo es de aproximadamente 400 µA), que puede ser CA o CC , pasa a través del tubo, lo que hace que brille de color rojo anaranjado. El gas suele ser una mezcla de Penning , 99,5 % neón y 0,5 % argón , que tiene un voltaje de encendido menor que el neón puro, a una presión de 1 a 20 torrs (0,13 a 2,67 kPa).
La descarga luminosa de la lámpara se enciende con su voltaje de activación. [6] El voltaje de encendido se reduce por la luz ambiental o la radioactividad. Para reducir el "efecto oscuridad", algunas lámparas se fabricaron con una pequeña cantidad de material radiactivo, normalmente Krypton-85 , añadido a la envoltura para proporcionar ionización en la oscuridad. [6]
El voltaje requerido para sostener la descarga es significativamente (hasta un 30%) más bajo que el voltaje de inicio. Esto se debe a la organización de iones positivos cerca del cátodo. Las lámparas de neón funcionan mediante una descarga luminosa de baja corriente .
Los dispositivos de mayor potencia, como las lámparas de vapor de mercurio o las lámparas de halogenuros metálicos, utilizan una corriente de descarga de arco más alta . Las lámparas de vapor de sodio de baja presión utilizan una mezcla Penning de neón para calentarse y pueden funcionar como lámparas de neón gigantes si se utilizan en modo de bajo consumo.
Una vez que la lámpara de neón se ha averiado, puede soportar un gran flujo de corriente. Debido a esta característica, los circuitos eléctricos externos a la lámpara de neón deben limitar la corriente a través del circuito o, de lo contrario, la corriente aumentará rápidamente hasta que se destruya la lámpara.
Para las lámparas del tamaño de un indicador, una resistencia normalmente limita la corriente. Por el contrario, las lámparas de mayor tamaño suelen utilizar un transformador de alto voltaje especialmente construido con alta inductancia de fuga u otro balastro eléctrico para limitar la corriente disponible (ver letrero de neón ).
Cuando la corriente a través de la lámpara es menor que la corriente para la ruta de descarga de mayor corriente, la descarga luminosa puede volverse inestable y no cubrir toda la superficie de los electrodos. [7] Esto puede ser un signo de envejecimiento de la lámpara indicadora y se aprovecha en las lámparas de neón decorativas de "llama parpadeante". Sin embargo, mientras que una corriente demasiado baja provoca parpadeos, una corriente demasiado alta aumenta el desgaste de los electrodos al estimular la pulverización , que recubre la superficie interna de la lámpara con metal y hace que se oscurezca.
El potencial necesario para provocar la descarga es mayor que el necesario para sostenerla. Cuando no hay suficiente corriente, el brillo se forma solo alrededor de una parte de la superficie del electrodo. Las corrientes convectivas hacen que las áreas brillantes fluyan hacia arriba, de manera similar a la descarga en la escalera de Jacob . Aquí también se puede observar un efecto de fotoionización , ya que al iluminar la lámpara se puede aumentar la superficie de los electrodos cubierta por la descarga luminosa.
En comparación con las lámparas incandescentes , las lámparas de neón tienen una eficacia luminosa mucho mayor . La incandescencia es una emisión de luz impulsada por el calor, por lo que una gran parte de la energía eléctrica puesta en una lámpara incandescente se convierte en calor. Por lo tanto , las fuentes de luz no incandescentes, como las lámparas de neón, las lámparas fluorescentes y los diodos emisores de luz, son mucho más eficientes energéticamente que las lámparas incandescentes normales.
Las lámparas de neón verdes [8] pueden producir hasta 65 lúmenes por vatio de potencia de entrada, mientras que las lámparas de neón blancas tienen una eficacia de alrededor de 50 lúmenes por vatio. Por el contrario, una lámpara incandescente estándar sólo produce alrededor de 13,5 lúmenes por vatio. [9]
Los valores precisos de los voltajes de arranque y mantenimiento de las lámparas de neón están sujetos a cambios debido a varios efectos. La luz externa que incide sobre los electrodos proporciona una fuente de ionización para encender la lámpara; En total oscuridad, las lámparas pueden alcanzar un voltaje de arranque alto y errático. Una medida para mitigar este efecto es incluir una lámpara piloto dentro del recinto para proporcionar una fuente inicial de luz. Las lámparas también son algo sensibles a los campos electrostáticos externos, la temperatura y el envejecimiento. Las lámparas destinadas a ser utilizadas como componentes de circuitos pueden procesarse especialmente para eliminar la mayoría de los efectos del envejecimiento inicial. [10]
Las pequeñas lámparas de neón se utilizan más ampliamente como indicadores visuales en equipos y aparatos electrónicos, debido a su bajo consumo de energía, larga vida útil y capacidad de funcionar con la red eléctrica.
Las lámparas de neón se utilizan comúnmente como protectores contra sobretensiones de bajo voltaje , pero generalmente son inferiores a los protectores contra sobretensiones de tubo de descarga de gas (GDT) (que pueden diseñarse para aplicaciones de voltaje más alto). Las lámparas de neón se han utilizado como un método económico para proteger los receptores de RF de picos de voltaje (lámpara conectada a la entrada de RF y a tierra del chasis), pero no son adecuadas para transmisores de RF de mayor potencia. [11]
La mayoría de las lámparas de neón pequeñas (del tamaño de un indicador), como la común NE-2 , tienen un voltaje de ruptura de alrededor de 90 voltios . Cuando se alimenta desde una fuente de CC, solo brillará el electrodo cargado negativamente ( cátodo ). Cuando se alimentan desde una fuente de CA, ambos electrodos brillarán (cada uno durante medios ciclos alternos). Estos atributos hacen de las lámparas de neón (con resistencias en serie) un probador de voltaje conveniente y de bajo costo . Al examinar qué electrodo está brillando, pueden revelar si una fuente de voltaje determinada es CA o CC y, si es CC, la polaridad de los puntos que se están probando.
La característica de ruptura de las lámparas de descarga incandescente permite su uso como reguladores de voltaje o dispositivos de protección contra sobretensiones . [12] A partir de la década de 1930, General Electric (GE), Signalite y otras empresas fabricaron tubos reguladores de voltaje.
Al igual que otras lámparas de descarga de gas , [13] la lámpara de neón tiene resistencia negativa ; su voltaje cae al aumentar la corriente después de que la lámpara alcanza su voltaje de ruptura. [10] [14] [15] Por lo tanto, la lámpara tiene histéresis ; su voltaje de apagado (extinción) es menor que su voltaje de encendido (avería). [dieciséis]
Esto permite su uso como elemento de conmutación activo. Se utilizaron lámparas de neón para crear circuitos osciladores de relajación , utilizando este mecanismo, a veces denominado efecto Pearson-Anson [14] [16] [17] para aplicaciones de baja frecuencia, como luces de advertencia intermitentes, estroboscopios [18], generadores de tonos en electrónica. órganos, [14] y como bases de tiempo y osciladores de desviación en los primeros osciloscopios de rayos catódicos . [19]
Las lámparas de neón también pueden ser biestables e incluso se utilizaron para construir circuitos lógicos digitales como puertas lógicas , flip-flop , memorias binarias y contadores digitales . [20] [21] [22] Estas aplicaciones eran lo suficientemente comunes como para que los fabricantes fabricaran lámparas de neón específicamente para este uso, a veces llamadas lámparas de "componentes de circuito". Al menos algunas de estas lámparas tienen un brillo concentrado en un pequeño punto del cátodo, lo que las hacía inadecuadas para su uso como indicadores. Para proporcionar características de lámpara más repetibles y reducir el "efecto oscuro" (un aumento en el voltaje de arranque observado en lámparas mantenidas en total oscuridad), algunos tipos de lámpara como la NE83 (5AH) incluyen una pequeña cantidad de un radioisótopo para proporcionar ionización inicial. [10]
Una variante de la lámpara tipo NE-2 para aplicaciones de circuito, la NE-77, tiene tres electrodos de alambre en la lámpara (en un plano) en lugar de los dos habituales, el tercero para usar como electrodo de control.
Las lámparas de neón se han utilizado históricamente como detectores de microondas y de ondas milimétricas ("diodos de plasma" o detectores de descarga luminosa (GDD)) hasta aproximadamente 100 GHz y se decía que en ese servicio exhibían una sensibilidad comparable (del orden de unos pocos). 10 segundos a quizás 100 microvoltios) a los familiares diodos de silicio en contacto con bigotes de gato de tipo 1N23 [ cita necesaria ] que alguna vez estuvieron omnipresentes en los equipos de microondas. Más recientemente se ha descubierto que estas lámparas funcionan bien como detectores incluso en frecuencias submilimétricas ("terahercios") y se han utilizado con éxito como píxeles en varios conjuntos de imágenes experimentales en estas longitudes de onda.
En estas aplicaciones, las lámparas funcionan en modo de "inanición" (para reducir el ruido de la corriente de la lámpara) o en modo de descarga luminiscente normal; Alguna literatura hace referencia a su uso como detectores de radiación en el régimen óptico cuando se operan en modo de brillo anormal. El acoplamiento de microondas al plasma puede realizarse en el espacio libre, en una guía de ondas, mediante un concentrador parabólico (por ejemplo, cono de Winston ) o mediante medios capacitivos mediante una antena de bucle o dipolo montada directamente en la lámpara.
Aunque la mayoría de estas aplicaciones utilizan lámparas de doble electrodo comunes y corrientes, en un caso se descubrió que las lámparas especiales de tres (o más) electrodos, con el electrodo adicional actuando como antena de acoplamiento, proporcionaban resultados aún mejores (menor ruido). y mayor sensibilidad). Este descubrimiento recibió una patente estadounidense. [23]
Se utilizaron lámparas de neón con electrodos de varias formas como pantallas alfanuméricas conocidas como tubos Nixie . Desde entonces, estos han sido reemplazados por otros dispositivos de visualización, como diodos emisores de luz , pantallas fluorescentes de vacío y pantallas de cristal líquido .
Desde al menos la década de 1940, los indicadores de enganche de tiratrón con brillo de argón, neón y fósforo (que se iluminaban con un impulso en su electrodo de arranque y se apagaban sólo después de que se cortaba el voltaje del ánodo) estaban disponibles, por ejemplo, como registros de desplazamiento con visualización automática en grandes cantidades. -Pantallas de matriz de puntos de texto rastreo , [24] o, combinadas en una matriz de tiratrón fosforado de cuatro × 4, como un píxel RGBA apilable de 625 colores para grandes conjuntos de gráficos de video. [25] Los tiratrones de brillo de cátodo múltiple y/o de ánodo llamados Dekatrons podían contar hacia adelante y hacia atrás mientras su estado de conteo era visible como un brillo en uno de los cátodos numerados. [26] Estos se utilizaron como contador/temporizador/preescalador de división por n con visualización automática en instrumentos de conteo, o como sumadores/restadores en calculadoras .
En los aparatos de radio de la década de 1930, se utilizaban lámparas de neón como indicadores de sintonización, llamadas "tuneons", que daban un brillo más brillante a medida que la estación se sintonizaba correctamente. [27] [28]
Debido a su tiempo de respuesta comparativamente corto, en los inicios del desarrollo de la televisión , se utilizaron lámparas de neón como fuente de luz en muchas pantallas de televisión de escaneo mecánico .
Con fines artísticos se han fabricado novedosas lámparas incandescentes con electrodos moldeados (como flores y hojas), a menudo recubiertos con fósforo. En algunos de ellos, el brillo que rodea un electrodo es parte del diseño.
Las lámparas indicadoras de neón normalmente son de color naranja y se usan frecuentemente con un filtro de color sobre ellas para mejorar el contraste y cambiar su color a rojo o a un naranja más rojo.
También pueden llenarse con argón , criptón o xenón en lugar de neón, o mezclarse con ellos. Si bien las características de funcionamiento eléctrico siguen siendo similares, estas lámparas iluminan con un brillo azulado (incluido algo de ultravioleta ) en lugar del característico brillo naranja rojizo del neón. Luego, la radiación ultravioleta se puede utilizar para excitar una capa de fósforo dentro de la bombilla y proporcionar una amplia gama de colores, incluido el blanco. [29] Se puede utilizar una mezcla de 95% de neón, 2,5% de criptón y 2,5% de argón para obtener un brillo verde, [30] pero, sin embargo, las lámparas de "neón verde" suelen estar basadas en fósforo.
