La lámpara de inducción , lámpara sin electrodos o lámpara de inducción sin electrodos es una lámpara de descarga de gas en la que un campo eléctrico o magnético transfiere la energía necesaria para generar luz desde el exterior de la envoltura de la lámpara al gas del interior. Esto contrasta con una lámpara de descarga de gas típica que utiliza electrodos internos conectados a la fuente de alimentación mediante conductores que pasan a través de la envoltura de la lámpara. La eliminación de los electrodos internos ofrece dos ventajas:
Son comunes dos sistemas: las lámparas de plasma , en las que las microondas o las ondas de radio activan una bombilla llena de vapor de azufre o haluros metálicos , y las lámparas de inducción fluorescentes, que son como una bombilla fluorescente convencional que induce corriente con una bobina externa o interna de alambre mediante inducción electromagnética .
En 1882, Philip Diehl (inventor) recibió una patente para un tipo de lámpara incandescente de inducción. [1]
Nikola Tesla demostró la transferencia inalámbrica de energía a lámparas sin electrodos en sus conferencias y artículos de la década de 1890, y posteriormente patentó un sistema de distribución de luz y energía basado en esos principios. [2]
En 1967 y 1968, John Anderson [3] de General Electric [4] [5] solicitó patentes para lámparas sin electrodos. En 1971, Fusion UV Systems instaló una lámpara UV de plasma de microondas sin electrodos de 300 vatios en una línea de producción de latas de Coors . [6] Philips introdujo sus sistemas de iluminación por inducción QL , que funcionaban a 2,65 MHz, en 1990 en Europa y en 1992 en los EE. UU. Matsushita tenía sistemas de luz por inducción disponibles en 1992. Intersource Technologies también anunció uno en 1992, llamado E-lamp . Operando a 13,6 MHz, estuvo disponible en el mercado estadounidense en 1993.
En 1990, Michael Ury, Charles Wood y sus colegas formularon el concepto de la lámpara de azufre . Con el apoyo del Departamento de Energía de los Estados Unidos , fue desarrollado en 1994 por Fusion Lighting de Rockville, Maryland, una filial de la división Fusion UV de Fusion Systems Corporation. Sus orígenes se encuentran en las fuentes de luz de descarga de microondas utilizadas para el curado ultravioleta en las industrias de semiconductores e impresión.
Desde 1994, General Electric produce su lámpara de inducción Genura con un controlador de alta frecuencia integrado , que funciona a 2,65 MHz. En 1996, Osram comenzó a vender su sistema de iluminación de inducción Endura , que funciona a 250 kHz. Está disponible en los EE. UU. como Sylvania Icetron . En 1997, PQL Lighting introdujo en los EE. UU. los sistemas de iluminación de inducción de la marca Superior Life . La mayoría de los sistemas de iluminación de inducción están clasificados para 100.000 horas de uso antes de requerir reemplazos absolutos de componentes.
En 2005, Amko Solara introdujo en Taiwán lámparas de inducción que pueden atenuarse y utilizar controles basados en IP (protocolo de Internet). Sus lámparas tienen un rango de potencia de 12 a 400 vatios y funcionan a 250 kHz.
A partir de 1995, los antiguos distribuidores de Fusion, Jenton/Jenact, ampliaron el hecho de que los plasmas emisores de UV energizados actúan como conductores con pérdidas para crear una serie de patentes relacionadas con lámparas UV sin electrodos para usos esterilizantes y germicidas.
Alrededor del año 2000 se desarrolló un sistema que concentraba ondas de radiofrecuencia en una guía de ondas dieléctrica sólida hecha de cerámica que energizaba un plasma emisor de luz en una bombilla colocada en su interior. Este sistema, por primera vez, permitió crear una lámpara sin electrodos extremadamente brillante y compacta. La invención ha sido motivo de controversia. Reivindicadas por Frederick Espiau (entonces de Luxim , ahora de Topanga Technologies), Chandrashekhar Joshi y Yian Chang, estas reivindicaciones fueron impugnadas por Ceravision Limited. [7] Varias de las patentes principales fueron asignadas a Ceravision. [8] [9]
En 2006, Luxim presentó un producto de lámpara para proyector con el nombre comercial LIFI. La empresa amplió aún más la tecnología con productos de fuente de luz en aplicaciones de iluminación de instrumentos, entretenimiento, calles, áreas y arquitectura , entre otras, durante 2007 y 2008.
En 2009, Ceravision Limited presentó la primera lámpara de plasma de alta eficiencia (HEP) con el nombre comercial Alvara. Esta lámpara reemplaza la guía de ondas de cerámica opaca de las lámparas anteriores por una guía de ondas de cuarzo ópticamente transparente que aumenta la eficiencia. En las lámparas anteriores, el quemador o bombilla era muy eficiente, pero la guía de ondas de cerámica opaca obstruía gravemente la proyección de la luz. Una guía de ondas de cuarzo deja pasar toda la luz del plasma.
En 2012, Topanga Technologies presentó una línea de lámparas de plasma avanzadas (APL), impulsadas por un controlador de radiofrecuencia (RF) de estado sólido , [10] evitando así la vida útil limitada de los controladores basados en magnetrones , con una potencia del sistema de 127 y 230 voltios y eficacias del sistema de 96 y 87 lúmenes /vatio, con un CRI de aproximadamente 70.
Varias empresas licenciaron esta tecnología y se convirtió en la solución viable de ahorro de energía para la modernización y actualización de la iluminación antes de que la iluminación LED alcanzara un punto de solución de eficacia viable. Se utilizó ampliamente en aplicaciones de carreteras y mástiles altos en todo el mundo, reemplazando los sistemas de haluro metálico y sodio de alta presión de 400 vatios, 750 vatios y 1000 vatios. La solución de plasma emisor de luz (LEP) fue excelente, ya que ofrecía una densidad de lúmenes mucho mayor que sus contrapartes HID, una reducción de energía de aproximadamente el 50% y podía alcanzar la intensidad máxima en alrededor de 45 a 60 segundos desde un disparo en frío o en caliente, a diferencia de sus predecesores HID.
Las lámparas de plasma son una familia de fuentes de luz que generan luz mediante la excitación de un plasma dentro de un quemador o bombilla transparente cerrada utilizando energía de radiofrecuencia (RF). Por lo general, estas lámparas utilizan un gas noble o una mezcla de estos gases y materiales adicionales como haluros metálicos , sodio , mercurio o azufre . Se utiliza una guía de ondas para restringir y enfocar el campo eléctrico en el plasma. En funcionamiento, el gas se ioniza y los electrones libres, acelerados por el campo eléctrico , chocan con el gas y los átomos de metal. Algunos electrones que circulan alrededor del gas y los átomos de metal se excitan por estas colisiones, lo que los lleva a un estado de energía más alto. Cuando el electrón vuelve a su estado original, emite un fotón , lo que da como resultado luz visible o radiación ultravioleta según los materiales de relleno.
La primera lámpara de plasma fue una lámpara de curado ultravioleta con un bulbo lleno de vapor de argón y mercurio, desarrollada por Fusion UV. Esa lámpara llevó a Fusion Systems a desarrollar la lámpara de azufre , que concentra las microondas a través de una guía de ondas hueca para bombardear un bulbo lleno de argón y azufre.
En el pasado, el magnetrón que genera las microondas limitaba la fiabilidad de las lámparas sin electrodos. La generación de RF de estado sólido funciona y ofrece una larga vida útil. Sin embargo, el uso de chips de estado sólido para generar RF es actualmente unas cincuenta veces más caro que el uso de un magnetrón, por lo que solo es adecuado para nichos de iluminación de alto valor. Dipolar de Suecia ha demostrado que es posible ampliar en gran medida la vida útil de los magnetrones [ aclaración necesaria ] a más de 40.000 horas [12], lo que hace posible las lámparas de plasma de bajo coste. Las lámparas de plasma las producen actualmente Ceravision y Luxim y están en desarrollo por Topanga Technologies.
Ceravision ha presentado una lámpara y luminaria combinadas bajo el nombre comercial Alvara para su uso en aplicaciones de iluminación de calles y de gran altura. Utiliza una guía de ondas de cuarzo ópticamente transparente con un quemador integrado para que toda la luz del plasma pase a través de ella. La pequeña fuente también permite que la luminaria utilice más del 90% de la luz disponible en comparación con el 55% de las luminarias HID típicas. Ceravision afirma tener la mayor calificación de eficacia de luminaria (LER) [13] de todas las luminarias del mercado y haber creado la primera lámpara de plasma de alta eficiencia (HEP). Ceravision utiliza un magnetrón para generar la potencia de RF necesaria y afirma tener una vida útil de 20.000 horas.
La lámpara LIFI de Luxim , afirma tener 120 lúmenes por vatio de RF (es decir, antes de tener en cuenta las pérdidas eléctricas). [14] La lámpara se ha utilizado en la luz de cabeza móvil ROBIN 300 Plasma Spot de Robe Lighting . [15] También se utilizó en una línea de televisores de retroproyección Panasonic , ahora descontinuados. [16]
Aparte del método de acoplamiento de energía al vapor de mercurio , estas lámparas son muy similares a las lámparas fluorescentes convencionales . El vapor de mercurio en el recipiente de descarga se excita eléctricamente para producir luz ultravioleta de onda corta , que luego excita los fósforos internos para producir luz visible. Si bien aún son relativamente desconocidas para el público, estas lámparas han estado disponibles desde 1990. A diferencia de una lámpara incandescente o lámparas fluorescentes convencionales, no hay conexión eléctrica dentro de la ampolla de vidrio; la energía se transfiere a través de la envoltura de vidrio únicamente por inducción electromagnética . Hay dos tipos principales de lámparas de inducción magnética: lámparas de núcleo externo y lámparas de núcleo interno. La primera forma de lámpara de inducción disponible comercialmente y aún ampliamente utilizada es el tipo de núcleo interno. El tipo de núcleo externo, que se comercializó más tarde, tiene una gama más amplia de aplicaciones y está disponible en factores de forma redondos, rectangulares y en forma de "oliva".
Las lámparas de núcleo externo son básicamente lámparas fluorescentes con núcleos magnéticos envueltos alrededor de una parte del tubo de descarga. El núcleo suele estar hecho de ferrita , un material cerámico que contiene óxido de hierro y otros metales. En las lámparas de núcleo externo, la energía de alta frecuencia de una fuente de alimentación especial pasa a través de cables que están envueltos en una bobina alrededor de un núcleo de ferrita toroidal colocado alrededor del exterior de una parte del tubo de vidrio. Esto crea un campo magnético de alta frecuencia dentro del núcleo de ferrita. Dado que la permeabilidad magnética de la ferrita es cientos o miles de veces mayor que la del aire o el vidrio circundantes, y el núcleo de ferrita proporciona un camino cerrado para el campo magnético, el núcleo de ferrita contiene prácticamente todo el campo magnético.
Siguiendo la ley de inducción de Faraday , el campo magnético variable en el tiempo en el núcleo genera un voltaje eléctrico variable en el tiempo en cualquier camino cerrado que encierra el campo magnético variable en el tiempo. El tubo de descarga forma uno de esos caminos cerrados alrededor del núcleo de ferrita, y de esa manera el campo magnético variable en el tiempo en el núcleo genera un campo eléctrico variable en el tubo de descarga. No hay necesidad de que el campo magnético penetre en el tubo de descarga. El campo eléctrico generado por el campo magnético variable en el tiempo impulsa la descarga de gas raro de mercurio de la misma manera que la descarga es impulsada por el campo eléctrico en una lámpara fluorescente convencional. El devanado primario en el núcleo de ferrita, el núcleo y la descarga forman un transformador , siendo la descarga un secundario de una vuelta en ese transformador.
El tubo de descarga contiene una baja presión de un gas raro como el argón y vapor de mercurio . Los átomos de mercurio son proporcionados por una gota de mercurio líquido, o por una amalgama semisólida de mercurio y otros metales como el bismuto , el plomo o el estaño . Parte del mercurio líquido o el mercurio en la amalgama se vaporiza para proporcionar el vapor de mercurio. El campo eléctrico ioniza algunos de los átomos de mercurio para producir electrones libres, y luego acelera esos electrones libres. Cuando los electrones libres chocan con los átomos de mercurio, algunos de esos átomos absorben energía de los electrones y se "excitan" a niveles de energía más altos. Después de un breve retraso, los átomos de mercurio excitados se relajan espontáneamente a su estado original de energía más baja y emiten un fotón UV con el exceso de energía. Como en un tubo fluorescente convencional , el fotón UV se difunde a través del gas hacia el interior de la bombilla exterior, y es absorbido por el recubrimiento de fósforo de esa superficie, transfiriendo su energía al fósforo. Cuando el fósforo se relaja y vuelve a su estado original de menor energía, emite luz visible. De esta manera, el fotón UV se convierte en luz visible gracias al revestimiento de fósforo del interior del tubo. Las paredes de vidrio de la lámpara impiden la emisión de fotones UV, ya que el vidrio común bloquea la radiación UV en longitudes de onda de 253,7 nm y más cortas.
En la forma de núcleo interno (ver diagrama), un tubo de vidrio (B) sobresale hacia la bombilla desde el fondo del recipiente de descarga (A), formando una cavidad reentrante. Este tubo contiene una antena llamada acoplador de potencia , que consiste en una bobina enrollada sobre un núcleo de ferrita cilíndrico . La bobina y la ferrita forman el inductor que acopla la energía al interior de la lámpara.
Las bobinas de la antena reciben energía eléctrica del controlador electrónico de alta frecuencia (C) que genera una alta frecuencia . La frecuencia exacta varía según el diseño de la lámpara, pero los ejemplos más populares incluyen 13,6 MHz , 2,65 MHz y 250 kHz. Un circuito resonante especial en el controlador produce un alto voltaje inicial en la bobina para iniciar una descarga de gas; luego, el voltaje se reduce al nivel de funcionamiento normal.
El sistema puede verse como un tipo de transformador , con el acoplador de potencia (inductor) formando la bobina primaria y el arco de descarga de gas en la bombilla formando la bobina secundaria de una vuelta y la carga del transformador. El controlador está conectado a la red eléctrica y generalmente está diseñado para funcionar con voltajes entre 100 y 277 V CA a una frecuencia de 50 o 60 Hz, o con un voltaje entre 100 y 400 V CC para sistemas de iluminación de emergencia alimentados por batería . Muchos controladores están disponibles en modelos de bajo voltaje, por lo que también se pueden conectar a fuentes de voltaje de CC como baterías para fines de iluminación de emergencia o para su uso con sistemas alimentados por energía renovable ( solar y eólica ).
En otras lámparas de descarga de gas convencionales, los electrodos son la parte con la vida útil más corta, lo que limita severamente la vida útil de la lámpara. Dado que una lámpara de inducción no tiene electrodos, puede tener una vida útil más larga. Para los sistemas de lámparas de inducción con un controlador separado, la vida útil puede ser de hasta 100.000 horas, lo que equivale a 11,4 años de funcionamiento continuo. Para las lámparas de inducción con controladores integrados, la vida útil está en el rango de 15.000 a 50.000 horas. Se necesitan circuitos electrónicos de altísima calidad para que el controlador alcance una vida útil tan larga . Estas lámparas se utilizan normalmente en aplicaciones comerciales o industriales. Por lo general, los costos de operación y mantenimiento son significativamente más bajos con los sistemas de iluminación por inducción debido a su ciclo de vida promedio de 100.000 horas y una garantía de cinco a diez años.
