Luminaria fluorescent

Erro al crear miniatura:

Luminaria fluorescent

Tubos fluorescents de diferents mides.

Es coneix per lluminària fluorescent al conjunt que formen una llàntia, denominada tubo fluorescent, i una armadura, que conté els accessoris necessaris per al funcionament. En certs llocs es coneix com lluminària solament a la llàntia. La llàntia és de descarrega de vapor de mercuri a baixa pressió i s'utilisa normalment per a l'allumenament domèstica o industrial. La seua ventaja front a un atre tipo de llànties, com les incandescents, és la seua eficiència energètica.

La llàntia consistix en un tubo de vidre fi revestit interiorment en diverses substàncies químiques compostes cridades fòsfors, encara que generalment no contenen l'element químic fòsfor i no deuen confondre's en ell. Eixos composts químics emeten llum visible en rebre una radiació ultravioleta. El tubo conté ademés una chicoteta cantitat de vapor de mercuri i un gas inerte, habitualment argón o neó, a una pressió més baixa que la pressió atmosfèrica. En cada extrem del tubo es troba un filament fet de wolframio, que en calfar-se al roig contribuïx a l'ionisació dels gasos.

Actualment, en l'Unió Europea, per la generalisació de l'allumenament led, molt més eficient, l'us de l'allumenament fluorescent ha quedat relegat a instalacions antigues o a entorns molt específics.

Història

El més antic antecedent de l'allumenament fluorescent possiblement siga l'experiment realisat i descrit en 1707 per Francis Hauksbee, que va generar per ionisació electrostàtica del vapor de mercuri una llum azulada que alcançava per a llegir un escrit. Posteriorment el físic alemà Heinrich Geissler va construir en 1856 un dispositiu per mig del qual va obtindre una llum de lluentor blavenc a partir d'un gas enrarit tancat en un tubo i excitat en una descàrrega elèctrica. Per la seua forma, este dispositiu va passar a cridar-se «tubo de Geissler». En la Fira Mundial de 1893 varen ser mostrats dispositius fluorescents desenrollats per Nikola Tesla.

En 1891, l'inventor nortamericà Daniel McFarlane Moore, colaborador de Tesla, va començar a realisar experiments en tubos de descàrrega gaseosa. Va crear aixina en 1894 la «llàntia Moore», que es tractava d'una llàntia comercial que competia en les peres de llum incandescents inventades pel seu antic cap Thomas Alva Edison. Estes llànties, que contenien nitrogen i diòxit de carbono, emetien llum blanca i rosada respectivament, i varen tindre un èxit moderat. En 1904, les primeres d'estes llànties es varen instalar en uns almagasens de la ciutat nortamericana de Newark. Com les llabors d'instalació, manteniment i reparació d'estes llànties eren dificultosas, no varen tindre èxit.

En 1901, Peter Cooper Hewitt va mostrar la seua llàntia de vapor de mercuri, la qual emetia llum de coloració verda-azulada, que era impròpia per a la majoria dels usos pràctics. No obstant, el seu disseny estava molt prop del de les llànties actuals, ademés de tindre major eficiència que els seus similars incandescents.

En 1926, Edmund Germer, Friedrich Meyer i Hans Spanner varen propondre incrementar la pressió del gas dins del tubo i recobrir-ho internament en una pols fluorescent que absorbira la radiació ultravioleta emesa per un gas en estat de plasma, i la convertira en una llum blanca més uniforme. L'idea va ser patentada a l'any següent i posteriorment la palesa va ser adquirida per l'empresa nortamericana General Electric i baix la direcció de George E. Inman la va posar a punt per al seu us comercial en 1938. Els coneguts tubos rectes i d'encés per precalentamiento es varen mostrar per primera volta al públic en la Fira Mundial de New York en l'any 1939. Des de llavors, els principis de funcionament s'han mantingut inalterados, llevat les tecnologies de manufactura i matèries primeres usades, lo que ha redundat en la disminució de preus i ha contribuït a popularisar estes llànties en tot lo món.

Funcionament

Erro al crear miniatura:

Instalació d'un fluorescent utilisant un interruptor d'arrancada automàtica. A: tubo fluorescent, B: Entrada de 220 volts, C: cebadores, D: Termostat bimetálico, I: Condensador, F: Filaments, G: Reactància inductiva

En cebador i reactància

És un sistema de funcionament que va caent en desús des de l'aparició de dispositius electrònics que fan la mateixa funció de millor manera i en menor consum d'energia. Es descriu, de tots modos, perque encara existixen moltes lluminàries d'este tipo i seguiran existint durant prou temps, encara que ara rarament s'instalen noves. L'Unió Europea, promovent l'aforro energètic, exigix que els balastos d'estes lluminàries siguen cada dia més eficients, i això solament es pot conseguir en balastos electrònics. El Reglament (CE) N°245/2009 de la comissió del 18 de març de 2009 prevea la prohibició total d'este tipo de balastos, i inclús d'algun electrònic dels menys eficients, a partir de 2017, pero en el reglament 347/2010 ha llimitat dita previsió a la prohibició dels models menys eficients.

En la figura de dalt es distinguixen, a banda de la pròpia llàntia, dos elements fonamentals: el «cebador» (també cridat «arrancador» o «partidor») i la «reactància» o «balasto», que proporciona reactància inductiva. En alguns països de parla espanyola s'ampren encara els seus sinònims anglesos starter i ballast.

El cebador, partidor o arrancador està format per una chicoteta ampolla de cristal que conté gasos a baixa pressió (neó, argón i gas de mercuri) i en l'interior del qual es troba un contacte format per una làmina bimetálica doblada en "O". En paralel en este contacte hi ha un condensador destinat al doble efecte d'actuar d'esmortidor de purna o apagachispas, i d'absorbir la radiació de radiofrecuencia que pogueren interferir en receptors de radi, TV o comunicacions. La presència d'este condensador no és imprescindible per al funcionament del tubo fluorescent, pero ajuda prou a aumentar la vida útil del contacte del parell bimetálico quan se li somet a treballar en altes corrents i altes tensions. Tant el cebador com la lluminària acurten la seua vida útil quant més voltes li l'encén, per esta raó es recomana usar l'allumenament fluorescent en règims continus i no com a allumenament intermitent.

L'element que proveïx reactància inductiva es diu «balasto» o «balastro», encara que en alguns països li'l denomina incorrectament «reactància», que en realitat és el nom de la magnitut elèctrica que proveïx, no de l'element. Tècnicament és un reactor que està constituït per una bobina d'aram de coure esmaltado, enrollada sobre un núcleu de chapes de ferro o d'acer elèctric. El terme balasto no deu ser confòs en el seu homònim, el material usat en la construcció de vies de ferrocarril.

En aplicar la tensió d'alimentació, els gasos continguts en l'ampolla del cebador es ionizan, en lo que aumenta el seu temperatura lo suficient per a que la làmina bimetálica es deforme, faça contacte tancant el circuit, lo que farà que els filaments dels extrems del tubo es calfen al roig viu, i açò comença l'ionisació dels gasos en la proximitat dels filaments. En tancar-se el contacte el cebador s'apaga i els seus gasos tornen a gelar-se, per lo que un parell de segons despuix el contacte s'obri novament. Esta obertura du com a conseqüència que el camp magnètic creat en la reactància inductiva desaparega bruscament, lo que du com a conseqüència, d'acort en la llei d'inducció de Faraday, la generació d'un pic d'alta tensió (autoinducción) que termina de ionizar els gasos. Es forma plasma conductor dins de tot el tubo fluorescent i, per lo tant, ho travessa una corrent d'electrons que interactua en els àtoms de Hg, Ar i Ne, excitant-los, els que emetran llum al desexcitarse, principalment en la regió del ultravioleta (UV).

La diferència de potencial aplicada als filaments i al tubo és pulsante, perque la tensió elèctrica que alimenta el circuit és corrent alterna de 50 Hz (en Europa,...) o de 60 Hz (en USA, Japó,...). Els filaments posseïxen inèrcia tèrmica, pero el plasma no, lo que produïx un veloç parpadeo en la llum emesa, que pot molestar a algunes persones, produir mal de cap i fins a convulsions a els qui sofrixen d'epilèpsia. Este fenomen es minimisa en dispondre els tubos en grups, alimentats cada tubo des de fases distintes i en reixetes de dispersió estroboscópica. Este efecte s'elimina en els moderns balastos electrònics.

Els filaments, en calfar-se, desprenen electrons que, junt en el pic de autoinducción, ionizan els gasos que omplin el tubo; es forma aixina un plasma que conduïx l'electricitat. Est plasma excita els àtoms del vapor de mercuri que, al desexcitarse, emeten llum visible i ultravioleta. Estos filaments estan recoberts per una espècie de pols cridada TRIPLECARBONATO, este s'utilisa per a promoure el bot d'electrons entre el càtodo i l'ànodo i cada volta que es energiza el tubo fluorescent es desprén una chicoteta cantitat del filament, que va formant la taca negra que s'aprecia en els fluorescents quan estan prop de complir la seua vida útil, una volta que s'ha agotat el triplecarbonato en els filaments, no hi ha forma de que es done el bot d'electrons i per tant el tubo fluorescent deixa de funcionar, a pesar de que totes les demés parts del tubo estiguen en perfecte estat. Per això no es recomana l'us d'esta tecnologia en llocs a on s'encén i apaguen constantment.

El revestiment interior de la llàntia té la funció de filtrar i convertir la llum ultravioleta en visible. La coloració de la llum emesa per la llàntia depén del material d'eixe recobriment intern. El material del tubo, vidre comú, contribuïx a reduir la llum UV que poguera escapar fòra de la luminaria.

Les llànties fluorescents són dispositius en pendent negativa de la seua resistència elèctrica, respecte de la tensió elèctrica. Açò significa que quant major siga la corrent que les travessa, major és el grau de ionisació del gas i, per tant, menor la resistència que opon al pas de dita corrent. Aixina, si es conecta directament la llàntia a una font de tensió pràcticament constant, com la suministrada per la ret elèctrica, l'intensitat tendirà a valors molt elevats, i la llàntia es destruirà en pocs segons. Per a evitar açò, sempre li la conecta a través d'un element llimitador de corrent per a mantindre-la dins dels seus llímits de treball. Este element llimitador, en el cas de l'instalació de la Figura 1, és el balasto que proveïx reluctancia inductiva, la que absorbirà la diferència entre la tensió d'alimentació i la tensió de treball del tubo.

Finalment, la disminució de la resistència interna del tubo una volta encés, fa que la tensió entre els terminals del cebador siga insuficient per a ionizar el gas contingut en la seua ampolla i per tant el contacte metàlic queda inactiu quan el tubo està encés.

Fins a prop de 1975 varen coexistir en Argentina l'alimentació elèctrica a domicilis per mig de corrent alterna i corrent contínua, abdós de 220 volts. Per açò, en este país es va inventar prop de 1950 un tipo de balasto per a corrent contínua que aprofitava la resistència negativa dels gasos ionizados de la lluminària per a generar una oscilació per relaixació d'una freqüència d'alguns kHz. L'efecte de cebador o arrancador es conseguia en un sorollós sistema de contactes vibratorios que es detenien en quant el tubo encenia. Tenia com a inconvenient que cada tant devia invertir-se la polaridad per a que el desgast de la lluminària fora el mateix en abdós filaments.

Compensació en llànties fluorescents

El conjunt tubo fluorescent-balasto-cebador posseïx elements reactius (bobina i condensadores) que consumixen i cedixen potència reactiva respectivament (la bobina la consumix els condensadores la cedixen). A sovint es intercala entre els terminals d'entrada un condensador que té la finalitat de permetre que el factor de potència del dispositiu siga propenc a 1. A este tipo de compensació se li denomina «compensació en paralel» per este apany.

El següent càlcul permet saber el valor (en pic o nanofaradios) del condensador que cal intercalar, ya que si és colocat un de valor major al necessari, aumentarà la corrent i el seu consum, per lo que és important trobar l'idòneu.

$C=\frac{P(\tan {\phi }_i-\tan {\phi }_f)}{2\pi f{V}^2}$

a on:

• $C$ és la capacitancia del condensador.
• $P$ és la potència activa absorbida pel conjunt.
• ${\phi }_i$ és l'àngul que el seu coseno és el factor de potència inicial, abans de la compensació.
• ${\phi }_f$ és l'àngul que el seu coseno és el factor de potència final, despuix de la compensació.
• $V$ és la tensió d'entrada.
• $f$ és la freqüència en hercios de la tensió d'entrada.

Eixemple: Si un tubo és de 18 W, en f = 50 Hz, V = 230 V (CA) i en factors de potència final de 0,85 i inicial de 0,226, el condensador a usar deu ser de 4 μF (microfaradios).

En balasto electrònic

Existix actualment un atre tipo de balasto o reactor, el balasto electrònic, que consta d'un circuit electrònic i una chicoteta bobina en núcleu de ferrita. Este balasto, a diferència del balasto inductivo, es conecta al fluorescent sense cebador i conseguix arrancades instantànees de la llàntia i sense parpadeos apreciables, o en atres models, arrancades d'una manera més suau. En realitat, no es tracta d'un reactor en el sentit estricte del terme, sino d'un circuit electrònic en semiconductors que genera:

• dos baixes tensions per a encendre els filaments dels extrems.
• una alta tensió d'alta freqüència (decenes de kHz) aplicada entre els extrems.

Abdós processos sumen els seus efectes per a ionizar els gasos i aixina produir el plasma conductor que generarà la radiació UV. Per regla general, els tubos que ampren el balasto electrònic tenen un rendiment lumínico notablement superior, i una vida mija molt més llarga que els que usen el inductivo.

Les seues conexions són molt senzilles:

• El cable de fase i el neutre es conecten abdós directament a les dos entrades del balasto.
• En este balasto hi ha dos parells d'eixides, i cada parell deu conectar-se a cada extrem (filament) de la llàntia.

Com es va dir al principi, el "fòsfor" que es menciona en el dibuix següent no és l'element químic cridat aixina, sino una substància química composta, que usualment no conté fòsfor.

Erro al crear miniatura:

Encés

Les llànties fluorescents necessiten d'uns moments de calfament abans d'alcançar el seu fluix lluminós normal, per lo que és aconsellable utilisar-les en llocs a on no s'estan encenent i apagant contínuament (com a passadiços i escales). Per un atre costat, com s'ha dit, els encesos i apagats constants acurten notablement la seua vida útil.

La condició de la vida útil de la llàntia fluorescents pot variar segons el seu us i les condicions ambientals en que es troba, i pot establir-se entre 5000 i 10 000 hores.

En el balasto o reactància electrònica abans nomenat, substituint a la reactància tradicional i al cebador, l'encés del tubo és instantàneu allargant d'esta manera la vida útil. De tots modos, sempre tarda un temps en aplegar a la seua lluminositat normal.