La lámpara interna sin electrodos , la lámpara de inducción o la 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 atraviesan la envoltura de la lámpara. Eliminar los electrodos internos aporta dos ventajas:
- Mayor vida útil de la lámpara (los electrodos internos son el factor más limitante en la vida útil de la lámpara, ya que su contenido metálico se pulverizará en los extremos de la lámpara cada vez que se enciendan) [ cita requerida ]
- Capacidad para utilizar sustancias generadoras de luz de mayor eficiencia que reaccionarían con electrodos metálicos internos en lámparas fluorescentes convencionales [ cita requerida ]
Dos sistemas son comunes: lámparas de plasma , en las que la inducción electrostática energiza una bombilla llena de vapor de azufre o haluros metálicos , y lámparas de inducción fluorescentes, que son como una bombilla de lámpara fluorescente convencional que induce corriente con una bobina externa de alambre mediante inducción electrodinámica .
Historia
En 1882, Philip Diehl (inventor) recibió una patente para una especie de lámpara incandescente de inducción. [1]
Nikola Tesla demostró la transferencia inalámbrica de energía a lámparas sin electrodos en sus conferencias y artículos en la década de 1890, y posteriormente patentó un sistema de distribución de luz y energía sobre esos principios. [2]
En 1967 y 1968, John Anderson de General Electric [3] [4] solicitó patentes para lámparas sin electrodos. En 1971, Fusion Systems UV instalado un 300- vatios plasma sin electrodos de microondas UV lámpara en una Coors lata línea de producción . [5] Philips introdujo sus sistemas de iluminación por inducción QL , que funcionan a 2,65 MHz, en 1990 en Europa y en 1992 en Estados Unidos. Matsushita tenía sistemas de luz de inducción disponibles en 1992. Intersource Technologies también anunció uno en 1992, llamado E-lamp . Operando a 13,6 MHz, estaba disponible en el mercado estadounidense en 1993.
En 1990, Michael Ury, Charles Wood y sus colegas formularon el concepto de lámpara de azufre . Con el apoyo del Departamento de Energía de los Estados Unidos , Fusion Lighting de Rockville, Maryland, una empresa derivada de la división Fusion UV de Fusion Systems Corporation, lo desarrolló aún más en 1994. 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 balasto integrado , que funciona a 2,65 MHz. En 1996, Osram comenzó a vender su sistema de luz de inducción Endura , operando 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 por inducción de la marca Superior Life . La mayoría de los sistemas de iluminación por inducción están clasificados para 100,000 horas de uso antes de requerir reemplazos absolutos de componentes.
En 2005, Amko Solara en Taiwán introdujo lámparas de inducción que pueden atenuar y usar controles basados en IP (Protocolo de Internet). Sus lámparas tienen un rango de 12 a 400 vatios y operan a 250 kHz.
Desde 1995, los antiguos distribuidores de Fusion, Jenton / Jenact, ampliaron el hecho de que los plasmas energizados que emiten rayos UV actúan como conductores con pérdidas para crear una serie de patentes sobre lámparas UV sin electrodos para esterilización y usos germicidas.
Alrededor de 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 el interior. Este sistema, por primera vez, permitió una lámpara sin electrodos extremadamente brillante y compacta. La invención ha sido objeto de controversia. Reclamado por Frederick Espiau (entonces de Luxim , ahora de Topanga Technologies), Chandrashekhar Joshi y Yian Chang, estos reclamos fueron disputados por Ceravision Limited. [6] Varias de las patentes principales se asignaron a Ceravision. [7] [8]
En 2006, Luxim presentó un producto de lámpara para proyector con el nombre comercial LIFI. La compañía extendió aún más la tecnología con productos de fuentes de luz en aplicaciones de iluminación de instrumentos, entretenimiento, calles, áreas y arquitectura , entre otras, a lo largo de 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 pasa toda la luz del plasma.
En 2012, Topanga Tecnologías introdujo una línea de lámparas avanzadas de plasma (APL), impulsado por un estado sólido de frecuencia de radio (RF) conductor , [9] eludiendo así la vida limitada de magnetrón -basado conductores, con la alimentación 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 obtuvieron la licencia de esta tecnología y se convirtió en la solución viable de ahorro de energía para la modernización y actualización de iluminación antes de que la iluminación LED alcanzara un punto de solución de eficacia viable. Se utilizó ampliamente en carreteras y aplicaciones de mástil alto en todo el mundo, reemplazando los sistemas de haluro metálico de 400 vatios, 750 vatios y 1000 vatios y de sodio de alta presión. La solución de plasma emisor de luz (LEP) fue excelente, ya que ofrecía una densidad de luz mucho más alta que sus contrapartes HID, aproximadamente un 50% de reducción de potencia y podía alcanzar la máxima intensidad en unos 45-60 segundos desde un golpe frío o caliente, a diferencia de su Predecesores de HID.
Lámparas de plasma
Lámparas de plasma son una familia de fuentes de luz que generan luz por un emocionante de plasma dentro de un quemador transparente cerrado o una bombilla usando radiofrecuencia (RF). Normalmente, 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 los átomos del gas y del metal. Algunos electrones que giran alrededor de los átomos de gas y metal son excitados por estas colisiones, llevándolos a un estado de mayor energía. Cuando el electrón vuelve a su estado original, emite un fotón , lo que genera luz visible o radiación ultravioleta , según los materiales de relleno.
La primera lámpara de plasma fue una lámpara de curado ultravioleta con una bombilla llena de vapor de argón y mercurio, desarrollada por Fusion UV . Esa lámpara llevó a Fusion Systems a desarrollar la lámpara de azufre , que concentra microondas a través de una guía de ondas hueca para bombardear una bombilla llena de argón y azufre.
En el pasado, el magnetrón que generaba las microondas limitaba la confiabilidad de las lámparas sin electrodos. La generación de RF de estado sólido funciona y brinda 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 apropiado para nichos de iluminación de alto valor. Dipolar of Sweden ha demostrado que es posible extender en gran medida la vida útil de los magnetrones [ aclaración necesaria ] a más de 40.000 horas [11], lo que hace posible las lámparas de plasma de bajo costo. Las lámparas de plasma son actualmente producidas por Ceravision y Luxim y en desarrollo por Topanga Technologies.
Ceravision ha introducido una lámpara y una luminaria combinadas con el nombre comercial Alvara para su uso en aplicaciones de alumbrado público y de gran altura. Utiliza una guía de ondas de cuarzo ópticamente transparente con un quemador integral para que pase toda la luz del plasma. La fuente pequeña también permite que la luminaria use más del 90% de la luz disponible en comparación con el 55% de los accesorios HID típicos. Ceravision afirma tener el índice de eficacia de luminaria (LER) más alto [12] de todos los dispositivos de iluminación del mercado, y ha creado la primera lámpara de plasma de alta eficiencia (HEP). Ceravision utiliza un magnetrón para generar la potencia de RF requerida y tiene una vida útil de 20.000 horas.
La lámpara LIFI de Luxim , reclama 120 lúmenes por vatio de RF (es decir, antes de tener en cuenta las pérdidas eléctricas). [13] La lámpara se ha utilizado en el traje de iluminación 's ROBIN 300 Punto Plasma luz-cabeza móvil . [14] También se usó en una línea de televisores de retroproyección Panasonic , ahora descontinuados . [15]
Lámparas de inducción magnética
Aparte del método de acoplar 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. Aunque todavía 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 bombilla 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 todavía 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 redonda, rectangular 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 llamada balasto electrónico pasa a través de cables que se envuelven 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 circundante, 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 un camino cerrado 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 tiempo 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 con el tiempo impulsa la descarga de mercurio-gas raro 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 el 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 bismuto , plomo o estaño . Parte del mercurio líquido o del mercurio de la amalgama se vaporiza para proporcionar 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 menor energía 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 del bulbo exterior y es absorbido por el fósforo que recubre esa superficie, transfiriendo su energía al fósforo. Cuando el fósforo se relaja a su estado original de menor energía, emite luz visible. De esta manera, el fotón UV se convierte en luz visible mediante la capa de fósforo en el interior del tubo. Las paredes de vidrio de la lámpara evitan la emisión de fotones UV porque el vidrio ordinario bloquea la radiación UV en los 253,7 nm y longitudes de onda más cortas.
En la forma de núcleo interno (ver diagrama), un tubo de vidrio (B) sobresale en forma de bulbo desde el fondo del recipiente de descarga (A), formando una cavidad de reentrada. 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 balasto electrónico (C) que genera una alta frecuencia . La frecuencia exacta varía con el diseño de la lámpara, pero los ejemplos populares incluyen 13,6 MHz , 2,65 MHz y 250 kHz. Un circuito resonante especial en el balasto produce un alto voltaje inicial en la bobina para iniciar una descarga de gas; a partir de entonces, 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 el bulbo formando la bobina secundaria de una vuelta y la carga del transformador. El lastre está conectado a la red eléctrica , y en general está diseñado para funcionar con voltajes entre 100 y 277 VAC a una frecuencia de 50 o 60 Hz, o en una tensión de entre 100 y 400 VCC para la batería -fed luz de emergencia sistemas. Muchos balastos 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 de energía renovable ( solar y eólica ).
En otras lámparas de descarga de gas convencionales, los electrodos son la parte con la vida más corta, limitando 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 balasto independiente, 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 balasto integrado, la vida útil está en el rango de 15.000 a 50.000 horas. Se necesitan circuitos electrónicos de muy alta calidad para que el balasto 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.
Ventajas
- Larga vida útil debido a la falta de electrodos, estrictamente hablando, casi indefinida en la lámpara pero entre 25.000 y 100.000 horas, según el modelo de lámpara y la calidad de la electrónica utilizada, comparable a los LED de baja calidad de la década de 1970;
- Alta eficiencia de conversión de energía de entre 62 y 90 lúmenes / vatio (las lámparas de mayor potencia son más eficientes energéticamente);
- Alto factor de potencia debido a la baja pérdida de los balastos electrónicos de alta frecuencia, que suelen tener una eficiencia de entre el 95% y el 98%;
- Depreciación lumínica mínima (disminución de la producción de luz con la edad) en comparación con otros tipos de lámparas, ya que no hay evaporación ni agotamiento del filamento;
- "Instant-on" y caliente re-huelga, a diferencia de la mayoría HID lámparas utilizadas en aplicaciones de iluminación comercial e industrial, tales como la lámpara de vapor de mercurio , lámpara de vapor de sodio y lámpara de haluro de metal ;
- Respetuoso con el medio ambiente, ya que las lámparas de inducción consumen menos energía y menos mercurio por hora de funcionamiento que la mayoría de las luces convencionales debido a su larga vida útil. El mercurio está en forma sólida que se recupera fácilmente si la lámpara se rompe o se recicla al final de su vida útil. [ cita requerida ]
Desventajas
- Algunas lámparas inductoras internas que utilizan balastos de alta frecuencia pueden producir interferencias de radiofrecuencia (RFI) que pueden interferir con las comunicaciones por radio. Las lámparas de tipo inductor externo más nuevas usan balastos de baja frecuencia que generalmente tienen certificación FCC u otra, lo que sugiere el cumplimiento de las regulaciones RFI.
- Algunos tipos de lámparas de inducción contienen mercurio, que es muy tóxico si se libera al medio ambiente.
Ver también
- Lista de fuentes de luz
- Cocina de inducción
Referencias
- ^ Patente estadounidense 255,497 , lámpara eléctrica incandescente, 28 de marzo de 1882
- ^ "Experimentos con corrientes alternas de muy alta frecuencia y su aplicación a métodos de iluminación artificial", AIEE, Columbia College, NY, 20 de mayo de 1891
- ^ Dispositivos de descarga eléctrica gaseosa sin electrodos que utilizan núcleos de ferrita
- ^ Conjunto de lámpara fluorescente sin electrodos de alta frecuencia
- ^ Una historia de Heraeus Noblelight Fusion UV y su liderazgo en la industria en equipos y productos de curado UV Archivado 2012-09-05 en Wayback Machine
- ^ Ceravision intensifica las acciones legales contra Luxim para recuperar la propiedad intelectual
- ^ Lámpara de plasma energizada por microondas con guía de onda dieléctrica sólida
- ^ Lámpara de plasma con guía de ondas dieléctrica
- ^ Tecnologías Topanga
- ^ http://www.lamptech.co.uk/Spec%20Sheets/D%20ED%20Stella%20FB-3000.htm
- ^ Ceravision y Dipolar forman una alianza global para llevar la tecnología de iluminación ultraeficiente a ... - MILTON KEYNES, Inglaterra, 19 de mayo / PRNewswire /
- ^ Procedimiento para determinar las clasificaciones de eficacia de luminarias para luminarias industriales de descarga de alta intensidad (HID) Archivado el 1 de mayo de 2009 en Wayback Machine
- ^ "Luxim lanza fuentes de luz de plasma de estado sólido de la serie LIFI STA-40" . Revista LED . 2008-11-13 . Consultado el 30 de octubre de 2019 .
- ^ "Robe lanza ROBIN 300 Plasma Spot" . Iluminación de batas. 2009-04-27.[ enlace muerto ]
- ^ "El regalo de LIFI: los televisores de proyección Panasonic no se queman" . cnet. 2007-01-09.
enlaces externos
- Lámparas de inducción sin electrodos , Museo de Tecnología de Lámparas Eléctricas