Una lámpara de neón (también llamada lámpara fluorescente de neón ) es una lámpara de descarga de gas en miniatura . La lámpara generalmente 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 fluorescente 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 fluorescentes, pero utilizan la columna positiva que no está presente en la lámpara de neón común. Las lámparas fluorescentes de neón se usaron ampliamente como lámparas indicadoras en las pantallas de instrumentos y electrodomésticos electrónicos. Todavía se usan a veces 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 lo excita eléctricamente; Travers escribió más tarde: "el resplandor de luz carmesí del tubo contaba su propia historia y era un espectáculo para recordar y no olvidar jamás". [1]
La escasez de neón impidió su rápida aplicación para iluminación eléctrica en la línea de los tubos Moore , que utilizaban descargas eléctricas en nitrógeno. Los tubos Moore fueron comercializados por su inventor, Daniel McFarlan Moore , a principios de la década de 1900. Después de 1902, la empresa de Georges Claude , Air Liquide , estaba produciendo cantidades industriales de neón como subproducto de su negocio de licuefacción de aire, y en diciembre de 1910 Claude demostró la iluminación de neón moderna basada en un tubo sellado de neón. En 1915, se le otorgó a Claude una patente estadounidense que cubría el diseño de los electrodos para las luces de los tubos de neón; [2] esta patente se convirtió en la base del monopolio mantenido en los EE. UU. por su empresa, Claude Neon Lights, hasta principios de la década de 1930. [3]
En 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 usaban 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 de la Institución Smithsonian señala: "Estos pequeños dispositivos de bajo consumo utilizan un principio físico llamado descarga coronal . Moore montó dos electrodos juntos en una bombilla y agregó gas neón o argón. Los electrodos brillaban intensamente en rojo o azul, según el gas, y las lámparas duraban años. Dado que los electrodos podían adoptar casi cualquier forma imaginable, una aplicación popular han sido las lámparas decorativas extravagantes. [5]
Las lámparas incandescentes encontraron un uso práctico como indicadores en paneles de instrumentos y en muchos electrodomésticos hasta la comercialización generalizada de los diodos emisores de luz (LED) en la década de 1970. [5]
Se permite el paso de una pequeña corriente eléctrica (para una lámpara NE-2 de 5 mm de diámetro, la corriente de reposo es de unos 400 μA), que puede ser CA o CC , a través del tubo, lo que hace que brille de un color rojo anaranjado. El gas suele ser una mezcla de Penning , 99,5 % neón y 0,5 % argón , que tiene un voltaje de encendido más bajo 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 activación se reduce con la luz ambiental o la radiactividad. Para reducir el "efecto oscuro", algunas lámparas se fabricaron con una pequeña cantidad de material radiactivo, generalmente Kriptón-85 , agregado a la envoltura para proporcionar ionización en la oscuridad. [6]
El voltaje necesario para mantener la descarga es significativamente (hasta un 30 %) menor que el voltaje de descarga. Esto se debe a la organización de iones positivos cerca del cátodo. Las lámparas de neón funcionan mediante una descarga luminiscente de baja corriente .
Los dispositivos de mayor potencia, como las lámparas de vapor de mercurio o las lámparas de haluro metálico, utilizan una descarga de arco de mayor corriente . Las lámparas de vapor de sodio de baja presión utilizan una mezcla de neón Penning para calentarse y pueden funcionar como lámparas de neón gigantes si se utilizan en un modo de bajo consumo.
Una vez que la lámpara de neón se ha estropeado, puede soportar un gran flujo de corriente. Debido a esta característica, los circuitos eléctricos externos a la lámpara de neón deben limitar la corriente que pasa por el circuito o, de lo contrario, la corriente aumentará rápidamente hasta destruir la lámpara.
En el caso de las lámparas de tamaño indicador, una resistencia suele limitar la corriente. Por el contrario, las lámparas de mayor tamaño suelen utilizar un transformador de alto voltaje especialmente construido con una inductancia de fuga alta u otro balasto eléctrico para limitar la corriente disponible (consulte el letrero de neón ).
Cuando la corriente que pasa por la lámpara es menor que la corriente para la ruta de descarga de corriente más alta, la descarga luminiscente 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 explota en las lámparas de neón decorativas de "llama parpadeante". Sin embargo, mientras que una corriente demasiado baja causa parpadeo, una corriente demasiado alta aumenta el desgaste de los electrodos al estimular el chisporroteo , que recubre la superficie interna de la lámpara con metal y hace que se oscurezca.
El potencial necesario para generar la descarga es mayor que el necesario para mantenerla. Cuando no hay suficiente corriente, el resplandor se forma alrededor de solo 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 una escalera de Jacob . Aquí también se puede observar un efecto de fotoionización , ya que el área del electrodo cubierta por la descarga luminiscente se puede aumentar al proyectar luz sobre la lámpara.
En comparación con las lámparas incandescentes , las lámparas de neón tienen una eficacia luminosa mucho mayor . La incandescencia es la emisión de luz impulsada por el calor, por lo que una gran parte de la energía eléctrica que se introduce 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 verde [8] pueden producir hasta 65 lúmenes por vatio de potencia de entrada, mientras que las lámparas de neón blanco tienen una eficacia de alrededor de 50 lúmenes por vatio. En cambio, una lámpara incandescente estándar solo 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 cae sobre los electrodos proporciona una fuente de ionización para encender la lámpara; en la oscuridad total, las lámparas pueden alcanzar un voltaje de arranque alto y errático. Una medida para mitigar este efecto es incluir una lámpara piloto dentro del gabinete 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 usarse como componentes de circuitos pueden procesarse especialmente para eliminar la mayoría de los efectos iniciales del envejecimiento. [10]
Las lámparas de neón pequeñas son las más utilizadas como indicadores visuales en equipos y electrodomésticos electrónicos, debido a su bajo consumo de energía, larga vida útil y capacidad de funcionar con energía 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 mayor voltaje). 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 NE-2 común , tienen un voltaje de ruptura de alrededor de 90 voltios . Cuando se alimentan desde una fuente de CC, solo brillará el electrodo con carga negativa ( cátodo ). Cuando se alimentan desde una fuente de CA, ambos electrodos brillarán (cada uno durante semiciclos alternos). Estos atributos hacen que las lámparas de neón (con resistencias en serie) sean un comprobador de voltaje conveniente y de bajo costo . Al examinar qué electrodo está brillando, pueden revelar si una fuente de voltaje dada 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 luminiscente permite que se las utilice 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 con el aumento de 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 (ruptura). [16]
Esto permite que se utilice como un elemento de conmutación activo. Las lámparas de neón se utilizaron para hacer 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 órganos electrónicos, [14] y como bases de tiempo y osciladores de deflexión 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-flops , 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 en el 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 oscuridad total), algunos tipos de lámparas como 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 utilizar como electrodo de control.
Las lámparas de neón se han utilizado históricamente como detectores de microondas y ondas milimétricas ("diodos de plasma" o detectores de descarga luminosa (GDD)) hasta aproximadamente 100 GHz y se decía que en ese servicio mostraban una sensibilidad comparable (del orden de unas pocas decenas a quizás 100 microvoltios) a los familiares diodos de silicio con contacto de bigotes de gato de tipo 1N23 [ cita requerida ], alguna vez omnipresentes en los equipos de microondas. Más recientemente se ha descubierto que estas lámparas funcionan bien como detectores incluso a frecuencias submilimétricas ("terahertz") y se han utilizado con éxito como píxeles en varias matrices 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; en algunas publicaciones se hace referencia a su uso como detectores de radiación hasta el régimen óptico cuando funcionan en modo luminiscente anormal. El acoplamiento de las microondas al plasma puede realizarse en el espacio libre, en una guía de ondas, mediante un concentrador parabólico (por ejemplo, un cono Winston ) o por medios capacitivos mediante una antena de bucle o dipolo montada directamente en la lámpara.
Aunque la mayoría de estas aplicaciones utilizan lámparas de dos electrodos 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]
Las lámparas de neón con varios electrodos moldeados se utilizaban como pantallas alfanuméricas, conocidas como tubos Nixie . Desde entonces, se han sustituido 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 de brillo fosforado , argón y neón (que se encenderían con un impulso en su electrodo de arranque y se apagarían solo después de que se cortara el voltaje de su ánodo) estaban disponibles, por ejemplo, como registros de desplazamiento con visualización automática en pantallas de matriz de puntos de texto arrastrado de gran formato , [24] o, combinados en una matriz de tiratrón fosforado de cuatro colores de 4 × 4, como un píxel RGBA apilable de 625 colores para matrices de gráficos de video grandes. [25] Los tiratrones de brillo de ánodo y/o cátodo múltiple 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 usaban como contadores/temporizadores/preescaladores 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 cuando la estación estaba sintonizada correctamente. [27] [28]
Debido a su tiempo de respuesta comparativamente corto, en los primeros desarrollos de la televisión se utilizaron lámparas de neón como fuente de luz en muchas pantallas de televisión con escaneo mecánico .
Se han fabricado lámparas fluorescentes novedosas con electrodos con formas (como flores y hojas), a menudo recubiertos con fósforo, con fines artísticos. En algunas de ellas, el resplandor que rodea a un electrodo es parte del diseño.
Las lámparas indicadoras de neón normalmente son de color naranja y frecuentemente se utilizan con un filtro de color sobre ellas para mejorar el contraste y cambiar su color a rojo o a un naranja más rojizo.
También se pueden rellenar con argón , criptón o xenón en lugar de neón, o mezclarse con él. Aunque las características eléctricas de funcionamiento siguen siendo similares, estas lámparas se iluminan con un brillo azulado (incluido algo de ultravioleta ) en lugar del característico resplandor rojizo-anaranjado del neón. La radiación ultravioleta se puede utilizar para excitar un revestimiento 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.
