Una lámpara fluorescente , o tubo fluorescente , es una lámpara de descarga de gas de vapor de mercurio de baja presión que utiliza fluorescencia para producir luz visible. Una corriente eléctrica en el gas excita el vapor de mercurio, que produce luz ultravioleta de onda corta que luego hace que brille una capa de fósforo en el interior de la lámpara. Una lámpara fluorescente convierte la energía eléctrica en luz útil de manera mucho más eficiente que las lámparas incandescentes. La eficacia luminosa típica de los sistemas de iluminación fluorescente es de 50 a 100 lúmenes por vatio, varias veces la eficacia de las bombillas incandescentes con una salida de luz comparable.
Los accesorios de lámparas fluorescentes son más costosos que las lámparas incandescentes porque requieren un balasto para regular la corriente a través de la lámpara, pero el menor costo de energía generalmente compensa el mayor costo inicial. Las lámparas fluorescentes compactas ahora están disponibles en los mismos tamaños populares que las incandescentes y se utilizan como una alternativa de ahorro de energía en los hogares.
Debido a que contienen mercurio, muchas lámparas fluorescentes se clasifican como desechos peligrosos . La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos recomienda que las lámparas fluorescentes se separen de los desechos generales para su reciclaje o eliminación segura, y algunas jurisdicciones exigen su reciclaje. [3]
Historia
Descubrimientos físicos
La fluorescencia de ciertas rocas y otras sustancias se había observado durante cientos de años antes de que se entendiera su naturaleza. A mediados del siglo XIX, los experimentadores habían observado un resplandor radiante que emanaba de recipientes de vidrio parcialmente evacuados a través de los cuales pasaba una corriente eléctrica . Uno de los primeros en explicarlo fue el científico irlandés Sir George Stokes de la Universidad de Cambridge en 1852, quien llamó al fenómeno "fluorescencia" en honor a la fluorita , un mineral cuyas muestras brillan intensamente debido a las impurezas. La explicación se basó en la naturaleza de los fenómenos de luz y electricidad desarrollados por los científicos británicos Michael Faraday en la década de 1840 y James Clerk Maxwell en la de 1860. [4]
Poco más se hizo con este fenómeno hasta 1856, cuando el soplador de vidrio alemán Heinrich Geissler creó una bomba de vacío de mercurio que evacuó un tubo de vidrio en una medida que antes no era posible. Geissler inventó la primera lámpara de descarga de gas, el tubo Geissler , que consta de un tubo de vidrio parcialmente evacuado con un electrodo metálico en cada extremo. Cuando se aplicó un alto voltaje entre los electrodos, el interior del tubo se iluminó con una descarga luminosa . Al poner diferentes productos químicos en el interior, los tubos podían fabricarse para producir una variedad de colores, y se vendían elaborados tubos Geissler para entretenimiento. Más importante, sin embargo, fue su contribución a la investigación científica. Uno de los primeros científicos en experimentar con un tubo Geissler fue Julius Plücker, quien describió sistemáticamente en 1858 los efectos luminiscentes que ocurrían en un tubo Geissler. También hizo la importante observación de que el resplandor del tubo cambiaba de posición cuando estaba cerca de un campo electromagnético . Alexandre Edmond Becquerel observó en 1859 que ciertas sustancias emitían luz cuando se colocaban en un tubo Geissler. Continuó aplicando capas delgadas de materiales luminiscentes a las superficies de estos tubos. Se produjo fluorescencia, pero los tubos eran muy ineficaces y tenían una vida útil corta. [5]
Las consultas que comenzaron con el tubo Geissler continuaron a medida que se producían vacíos aún mejores. El más famoso fue el tubo de vacío utilizado para la investigación científica por William Crookes . Ese tubo fue evacuado por la bomba de vacío de mercurio altamente efectiva creada por Hermann Sprengel . La investigación realizada por Crookes y otros finalmente condujo al descubrimiento del electrón en 1897 por JJ Thomson y los rayos X en 1895 por Wilhelm Roentgen . Pero el tubo de Crookes , como se le conoció, producía poca luz porque el vacío en él era demasiado bueno y, por lo tanto, carecía de las trazas de gas que se necesitan para la luminiscencia estimulada eléctricamente .
Lámparas de descarga temprana
Thomas Edison buscó brevemente la iluminación fluorescente por su potencial comercial. Inventó una lámpara fluorescente en 1896 que usaba una capa de tungstato de calcio como sustancia fluorescente, excitada por rayos X , pero aunque recibió una patente en 1907, [6] no se puso en producción. Al igual que con algunos otros intentos de usar tubos Geissler para la iluminación, tuvo una vida útil corta y, dado el éxito de la luz incandescente, Edison tenía pocas razones para buscar un medio alternativo de iluminación eléctrica. Nikola Tesla hizo experimentos similares en la década de 1890, ideando bombillas fluorescentes de alta frecuencia que daban una luz verdosa brillante, pero al igual que con los dispositivos de Edison, no se logró ningún éxito comercial.
Uno de los ex empleados de Edison creó una lámpara de descarga de gas que logró cierto éxito comercial. En 1895, Daniel McFarlan Moore hizo una demostración de lámparas de 2 a 3 metros (6,6 a 9,8 pies) de longitud que utilizaban dióxido de carbono o nitrógeno para emitir luz blanca o rosa, respectivamente. Eran considerablemente más complicados que una bombilla incandescente, y requerían tanto una fuente de alimentación de alto voltaje como un sistema de regulación de presión para el gas de llenado. [7]
Moore inventó una válvula controlada electromagnéticamente que mantenía una presión de gas constante dentro del tubo para prolongar la vida útil. [8] Aunque la lámpara de Moore era complicada, cara y requería voltajes muy altos, era considerablemente más eficiente que las lámparas incandescentes y producía una aproximación más cercana a la luz natural que las lámparas incandescentes contemporáneas. A partir de 1904, el sistema de iluminación de Moore se instaló en varias tiendas y oficinas. [9] Su éxito contribuyó a la motivación de General Electric para mejorar la lámpara incandescente, especialmente su filamento. Los esfuerzos de GE se materializaron con la invención de un filamento a base de tungsteno . La vida útil prolongada y la eficacia mejorada de las bombillas incandescentes anularon una de las ventajas clave de la lámpara de Moore, pero GE compró las patentes pertinentes en 1912. Estas patentes y los esfuerzos inventivos que las respaldaban iban a tener un valor considerable cuando la empresa adoptó la iluminación fluorescente. más de dos décadas después.
Aproximadamente al mismo tiempo que Moore estaba desarrollando su sistema de iluminación, Peter Cooper Hewitt inventó la lámpara de vapor de mercurio , patentada en 1901 ( US 682692). La lámpara de Hewitt brillaba cuando se pasaba una corriente eléctrica a través del vapor de mercurio a baja presión. A diferencia de las lámparas de Moore, las de Hewitt se fabricaron en tamaños estandarizados y funcionaron a bajos voltajes. La lámpara de vapor de mercurio era superior a las lámparas incandescentes de la época en términos de eficiencia energética, pero la luz azul-verde que producía limitaba sus aplicaciones. Sin embargo, se utilizó para fotografía y algunos procesos industriales.
Las lámparas de vapor de mercurio continuaron desarrollándose a un ritmo lento, especialmente en Europa, y a principios de la década de 1930 recibieron un uso limitado para la iluminación a gran escala. Algunos de ellos empleaban recubrimientos fluorescentes, pero estos se utilizaron principalmente para la corrección de color y no para mejorar la salida de luz. Las lámparas de vapor de mercurio también se anticiparon a la lámpara fluorescente en su incorporación de un balasto para mantener una corriente constante.
Cooper-Hewitt no había sido el primero en utilizar vapor de mercurio para la iluminación, ya que Way, Rapieff, Arons, Bastian y Salisbury habían realizado esfuerzos anteriores. De particular importancia fue la lámpara de vapor de mercurio inventada por Küch y Retschinsky en Alemania . La lámpara usaba una bombilla de diámetro más pequeño y una corriente más alta operando a presiones más altas. Como consecuencia de la corriente, la bombilla funcionaba a una temperatura más alta, lo que requería el uso de una bombilla de cuarzo. Aunque su salida de luz en relación con el consumo eléctrico era mejor que la de otras fuentes de luz, la luz que producía era similar a la de la lámpara Cooper-Hewitt en el sentido de que carecía de la parte roja del espectro, lo que la hacía inadecuada para la iluminación ordinaria. Debido a las dificultades para sellar los electrodos al cuarzo, la lámpara tuvo una vida muy corta. [10]
Lámparas de neón
El siguiente paso en la iluminación a base de gas aprovechó las cualidades luminiscentes del neón , un gas inerte que se había descubierto en 1898 por aislamiento de la atmósfera. El neón brillaba con un rojo brillante cuando se usaba en tubos Geissler. [11] En 1910, Georges Claude , un francés que había desarrollado una tecnología y un negocio exitoso para la licuefacción de aire, estaba obteniendo suficiente neón como subproducto para apoyar una industria de iluminación con neón. [12] [13] Si bien la iluminación de neón se usó alrededor de 1930 en Francia para la iluminación general, no era más eficiente energéticamente que la iluminación incandescente convencional. La iluminación con tubos de neón, que también incluye el uso de argón y vapor de mercurio como gases alternativos, se empezó a utilizar principalmente para carteles y anuncios llamativos. Sin embargo, la iluminación de neón fue relevante para el desarrollo de la iluminación fluorescente, ya que el electrodo mejorado de Claude (patentado en 1915) superó el "chisporroteo", una fuente importante de degradación del electrodo. La pulverización se produjo cuando las partículas ionizadas golpearon un electrodo y arrancaron trozos de metal. Aunque la invención de Claude requirió electrodos con mucha superficie, demostró que se podía superar un impedimento importante para la iluminación a base de gas.
El desarrollo de la luz de neón también fue significativo para el último elemento clave de la lámpara fluorescente, su revestimiento fluorescente. [14] En 1926 Jacques Risler recibió una patente francesa para la aplicación de recubrimientos fluorescentes a tubos de luz de neón. [15] El uso principal de estas lámparas, que pueden considerarse las primeras fluorescentes comercialmente exitosas, fue para publicidad, no para iluminación general. Este, sin embargo, no fue el primer uso de recubrimientos fluorescentes; Becquerel había usado anteriormente la idea y Edison usó tungstato de calcio para su lámpara fallida. [16] [17] [18] Se habían realizado otros esfuerzos, pero todos estaban plagados de baja eficiencia y varios problemas técnicos. De particular importancia fue la invención en 1927 de una “lámpara de vapor de metal” de bajo voltaje por Friedrich Meyer, Hans-Joachim Spanner y Edmund Germer , quienes eran empleados de una empresa alemana en Berlín . Se concedió una patente alemana, pero la lámpara nunca entró en producción comercial.
Comercialización de lámparas fluorescentes
Todas las características principales de la iluminación fluorescente estaban vigentes a fines de la década de 1920. Décadas de invención y desarrollo habían proporcionado los componentes clave de las lámparas fluorescentes: tubos de vidrio fabricados de manera económica, gases inertes para llenar los tubos, balastos eléctricos, electrodos de larga duración, vapor de mercurio como fuente de luminiscencia, medios efectivos para producir una descarga eléctrica confiable y revestimientos fluorescentes que podrían activarse con luz ultravioleta. En este punto, el desarrollo intensivo era más importante que la investigación básica.
En 1934, Arthur Compton , un físico de renombre y consultor de GE, informó al departamento de lámparas de GE sobre experimentos exitosos con iluminación fluorescente en General Electric Co., Ltd. en Gran Bretaña (no relacionado con General Electric en los Estados Unidos). Estimulado por este informe, y con todos los elementos clave disponibles, un equipo dirigido por George E. Inman construyó un prototipo de lámpara fluorescente en 1934 en General Electric ‘s Nela Parque laboratorio de ingeniería (Ohio). Este no fue un ejercicio trivial; como señaló Arthur A. Bright, "Se tuvo que hacer una gran cantidad de experimentación sobre los tamaños y formas de las lámparas, la construcción del cátodo, las presiones de gas de argón y vapor de mercurio, los colores de los polvos fluorescentes, los métodos para unirlos al interior de la tubo, y otros detalles de la lámpara y sus auxiliares antes de que el nuevo dispositivo estuviera listo para el público ". [19]
Además de tener ingenieros y técnicos junto con instalaciones para el trabajo de I + D en lámparas fluorescentes, General Electric controlaba lo que consideraba las patentes clave que cubrían la iluminación fluorescente, incluidas las patentes emitidas originalmente a Hewitt, Moore y Küch. Más importante que estos fue una patente que cubría un electrodo que no se desintegró a las presiones de gas que finalmente se emplearon en las lámparas fluorescentes. Albert W. Hull, del Laboratorio de Investigación Schenectady de GE, solicitó una patente sobre esta invención en 1927, que se emitió en 1931. [20] General Electric utilizó su control de las patentes para evitar la competencia con sus luces incandescentes y probablemente retrasó la introducción de fluorescentes. Iluminación por 20 años. Finalmente, la producción de guerra requirió fábricas de 24 horas con iluminación económica y luces fluorescentes disponibles.
Si bien la patente de Hull le dio a GE una base para reclamar derechos legales sobre la lámpara fluorescente, unos meses después de que la lámpara entró en producción, la empresa se enteró de una solicitud de patente estadounidense que se había presentado en 1927 para la mencionada "lámpara de vapor de metal" inventada en Alemania por Meyer, Spanner y Germer. La solicitud de patente indicaba que la lámpara había sido creada como un medio superior para producir luz ultravioleta, pero la solicitud también contenía algunas declaraciones referentes a la iluminación fluorescente. Los esfuerzos para obtener una patente estadounidense se han encontrado con numerosos retrasos, pero si se concediera, la patente podría haber causado serias dificultades a GE. Al principio, GE buscó bloquear la emisión de una patente alegando que la prioridad debería ir a uno de sus empleados, Leroy J. Buttolph, quien según su afirmación había inventado una lámpara fluorescente en 1919 y cuya solicitud de patente aún estaba pendiente. GE también había presentado una solicitud de patente en 1936 a nombre de Inman para cubrir las "mejoras" realizadas por su grupo. En 1939, GE decidió que la afirmación de Meyer, Spanner y Germer tenía algún mérito y que, en cualquier caso, un procedimiento de interferencia prolongado no era lo mejor para ellos. Por lo tanto, retiraron el reclamo de Buttolph y pagaron $ 180,000 para adquirir Meyer, et al. solicitud, que en ese momento era propiedad de una empresa conocida como Electrons, Inc. La patente fue debidamente otorgada en diciembre de 1939. [21] Esta patente, junto con la patente de Hull, colocó a GE en lo que parecía ser un terreno legal firme, aunque enfrentó años de desafíos legales por parte de Sylvania Electric Products , Inc., que alegó la infracción de las patentes que poseía.
Aunque el problema de las patentes no se resolvió por completo durante muchos años, la solidez de General Electric en la fabricación y el marketing le dio una posición preeminente en el mercado emergente de luces fluorescentes. Las ventas de "lámparas fluorescentes lumiline" comenzaron en 1938 cuando se comercializaron cuatro tamaños diferentes de tubos. Fueron utilizados en accesorios fabricados por tres corporaciones líderes, Lightolier , Artcraft Fluorescent Lighting Corporation y Globe Lighting. La introducción pública del balasto fluorescente Slimline en 1946 fue realizada por Westinghouse y General Electric y Artcraft Fluorescent Lighting Corporation presentó en 1946 los accesorios de vitrina / vitrina . [22] [23] Durante el año siguiente, GE y Westinghouse publicitaron las nuevas luces a través de exhibiciones. en la Feria Mundial de Nueva York y la Exposición Internacional Golden Gate en San Francisco. Los sistemas de iluminación fluorescente se extendieron rápidamente durante la Segunda Guerra Mundial a medida que la fabricación en tiempos de guerra intensificó la demanda de iluminación. En 1951, las lámparas fluorescentes producían más luz en los Estados Unidos que las incandescentes. [24]
En los primeros años se utilizó como fósforo verdoso ortosilicato de zinc con contenido variable de berilio . Pequeñas adiciones de tungstato de magnesio mejoraron la parte azul del espectro produciendo un blanco aceptable. Después de que se descubrió que el berilio era tóxico , los fósforos a base de halofosfato se hicieron cargo. [25]
Principios de Operación
El mecanismo fundamental para la conversión de energía eléctrica en luz es la emisión de un fotón cuando un electrón en un átomo de mercurio cae de un estado excitado a un nivel de energía más bajo . Los electrones que fluyen en el arco chocan con los átomos de mercurio. Si el electrón incidente tiene suficiente energía cinética , transfiere energía al electrón externo del átomo, lo que hace que ese electrón salte temporalmente a un nivel de energía más alto que no es estable. El átomo emitirá un fotón ultravioleta a medida que el electrón del átomo revierte a un nivel de energía más bajo y más estable. La mayoría de los fotones que se liberan de los átomos de mercurio tienen longitudes de onda en la región ultravioleta (UV) del espectro, predominantemente en longitudes de onda de 253,7 y 185 nanómetros (nm). Estos no son visibles para el ojo humano, por lo que la energía ultravioleta se convierte en luz visible por la fluorescencia del revestimiento interior de fósforo. La diferencia de energía entre el fotón ultravioleta absorbido y el fotón de luz visible emitido va hacia el calentamiento de la capa de fósforo.
La corriente eléctrica fluye a través del tubo en una descarga de arco de baja presión . Los electrones chocan e ionizan los átomos de gases nobles dentro del bulbo que rodea el filamento para formar un plasma mediante el proceso de ionización por impacto . Como resultado de la ionización por avalancha , la conductividad del gas ionizado aumenta rápidamente, lo que permite que fluyan corrientes más altas a través de la lámpara.
El gas de llenado ayuda a determinar las características eléctricas de la lámpara, pero no emite luz en sí. El gas de relleno aumenta efectivamente la distancia que viajan los electrones a través del tubo, lo que permite que un electrón tenga más posibilidades de interactuar con un átomo de mercurio. Además, los átomos de argón, excitados a un estado metaestable por el impacto de un electrón, pueden impartir energía a un átomo de mercurio e ionizarlo, lo que se describe como el efecto Penning . Esto reduce la avería y el voltaje de funcionamiento de la lámpara, en comparación con otros posibles gases de relleno, como el criptón. [26]
Construcción
Un tubo de lámpara fluorescente se llena con una mezcla de argón , xenón , neón o criptón y vapor de mercurio. La presión dentro de la lámpara es de alrededor del 0,3% de la presión atmosférica. [27] La presión parcial del vapor de mercurio solo es de aproximadamente 0,8 Pa (8 millonésimas de la presión atmosférica), en una lámpara T12 de 40 vatios. [28] La superficie interior de la lámpara está recubierta con una capa fluorescente hecha de diversas mezclas de sales de fósforo metálicas y de tierras raras . Los electrodos de la lámpara suelen estar hechos de tungsteno enrollado y están recubiertos con una mezcla de óxidos de bario, estroncio y calcio para mejorar la emisión termoiónica .
Los tubos de las lámparas fluorescentes suelen ser rectos y su longitud varía desde unos 100 milímetros (3,9 pulgadas) para lámparas en miniatura hasta 2,43 metros (8,0 pies) para lámparas de alto rendimiento. Algunas lámparas tienen el tubo doblado en un círculo, que se usa para lámparas de mesa u otros lugares donde se desea una fuente de luz más compacta. Las lámparas en forma de U más grandes se utilizan para proporcionar la misma cantidad de luz en un área más compacta y se utilizan para fines arquitectónicos especiales. Las lámparas fluorescentes compactas tienen varios tubos de pequeño diámetro unidos en un haz de dos, cuatro o seis, o un tubo de pequeño diámetro enrollado en una hélice, para proporcionar una gran cantidad de salida de luz en poco volumen.
Los fósforos emisores de luz se aplican como una capa similar a una pintura en el interior del tubo. Los disolventes orgánicos se dejan evaporar, luego el tubo se calienta hasta casi el punto de fusión del vidrio para eliminar los compuestos orgánicos restantes y fusionar el revestimiento al tubo de la lámpara. Es necesario un control cuidadoso del tamaño de grano de los fósforos en suspensión; los granos grandes dan lugar a recubrimientos débiles y las partículas pequeñas provocan un mantenimiento de la luz y una eficiencia deficientes. La mayoría de los fósforos funcionan mejor con un tamaño de partícula de alrededor de 10 micrómetros. El recubrimiento debe ser lo suficientemente grueso para capturar toda la luz ultravioleta producida por el arco de mercurio, pero no tan grueso como para que el recubrimiento de fósforo absorba demasiada luz visible. Los primeros fósforos fueron versiones sintéticas de minerales fluorescentes naturales, con pequeñas cantidades de metales añadidos como activadores. Posteriormente se descubrieron otros compuestos que permitieron fabricar lámparas de diferentes colores. [29]
Balastos
Las lámparas fluorescentes son dispositivos de resistencia diferencial negativa , por lo que a medida que fluye más corriente a través de ellas, la resistencia eléctrica de la lámpara fluorescente disminuye, lo que permite que fluya aún más corriente. Conectada directamente a una fuente de alimentación de voltaje constante , una lámpara fluorescente se autodestruiría rápidamente debido al flujo de corriente incontrolado. Para evitar esto, las lámparas fluorescentes deben usar un balasto para regular el flujo de corriente a través de la lámpara.
El voltaje terminal a través de una lámpara operativa varía según la corriente del arco , el diámetro del tubo, la temperatura y el gas de llenado. Una lámpara T12 [30] de servicio de iluminación general de 48 pulgadas (1219 mm) funciona a 430 mA, con una caída de 100 voltios. Las lámparas de alto rendimiento funcionan a 800 mA y algunos tipos funcionan hasta 1,5 A. El nivel de potencia varía de 33 a 82 vatios por metro de longitud de tubo (10 a 25 W / pie) para las lámparas T12. [31]
El balasto más simple para uso de corriente alterna (CA) es un inductor colocado en serie, que consiste en un devanado sobre un núcleo magnético laminado. La inductancia de este devanado limita el flujo de corriente alterna. Este tipo todavía se utiliza, por ejemplo, en lámparas de escritorio que funcionan con 120 voltios que utilizan lámparas relativamente cortas. Los balastos están clasificados para el tamaño de la lámpara y la frecuencia de alimentación. Cuando el voltaje de CA es insuficiente para encender lámparas fluorescentes largas, el balasto es a menudo un autotransformador elevador con inductancia de fuga sustancial (para limitar el flujo de corriente). Cualquiera de las formas de balasto inductivo también puede incluir un condensador para la corrección del factor de potencia .
Las lámparas fluorescentes pueden funcionar directamente con un suministro de corriente continua (CC) de voltaje suficiente para iniciar un arco. El balasto debe ser resistivo y consumiría tanta energía como la lámpara. Cuando se opera desde CC, el interruptor de arranque a menudo está dispuesto para invertir la polaridad del suministro a la lámpara cada vez que se enciende; de lo contrario, el mercurio se acumula en un extremo del tubo. Las lámparas fluorescentes (casi) nunca se operan directamente desde CC por esas razones. En cambio, un inversor convierte la CC en CA y proporciona la función de limitación de corriente como se describe a continuación para balastos electrónicos.
Efecto de la temperatura
El rendimiento de las lámparas fluorescentes se ve críticamente afectado por la temperatura de la pared de la bombilla y su efecto sobre la presión parcial del vapor de mercurio dentro de la lámpara. [32] Dado que el mercurio se condensa en el punto más frío de la lámpara, se requiere un diseño cuidadoso para mantener ese punto a la temperatura óptima, alrededor de 40 ° C (104 ° F).
El uso de una amalgama con algún otro metal reduce la presión de vapor y extiende el rango de temperatura óptima hacia arriba; sin embargo, la temperatura del "punto frío" de la pared del bulbo aún debe controlarse para evitar la condensación. Las lámparas fluorescentes de alto rendimiento tienen características como un tubo deformado o disipadores de calor internos para controlar la temperatura del punto frío y la distribución del mercurio. Las lámparas pequeñas muy cargadas, como las lámparas fluorescentes compactas, también incluyen áreas de disipador de calor en el tubo para mantener la presión del vapor de mercurio en el valor óptimo. [33]
Pérdidas
Solo una fracción de la energía eléctrica introducida en una lámpara se convierte en luz útil. El lastre disipa algo de calor; Los balastos electrónicos pueden tener una eficiencia de alrededor del 90%. Se produce una caída de voltaje fija en los electrodos, que también produce calor. Parte de la energía en la columna de vapor de mercurio también se disipa, pero alrededor del 85% se convierte en luz visible y ultravioleta.
No toda la radiación ultravioleta que incide sobre el revestimiento de fósforo se convierte en luz visible; se pierde algo de energía. La mayor pérdida individual en las lámparas modernas se debe a la menor energía de cada fotón de luz visible, en comparación con la energía de los fotones UV que los generaron (un fenómeno llamado desplazamiento de Stokes ). Los fotones incidentes tienen una energía de 5,5 electronvoltios, pero producen fotones de luz visible con una energía de alrededor de 2,5 electronvoltios, por lo que solo se utiliza el 45% de la energía UV; el resto se disipa en forma de calor. [34]
Lámparas fluorescentes de cátodo frío
La mayoría de las lámparas fluorescentes utilizan electrodos que emiten electrones al interior del tubo mediante el calor, conocidos como cátodos calientes. Sin embargo, los tubos de cátodo frío tienen cátodos que emiten electrones solo debido al gran voltaje entre los electrodos. Los cátodos se calentarán con la corriente que fluye a través de ellos, pero no estarán lo suficientemente calientes para una emisión termoiónica significativa . Debido a que las lámparas de cátodo frío no tienen un revestimiento de emisión termoiónica que se pueda desgastar, pueden tener una vida mucho más larga que los tubos de cátodo caliente . Esto los hace deseables para aplicaciones de larga duración (como retroiluminación en pantallas de cristal líquido ). La pulverización del electrodo aún puede producirse, pero los electrodos se pueden moldear (por ejemplo, en un cilindro interno) para capturar la mayor parte del material pulverizado de modo que no se pierda del electrodo.
Las lámparas de cátodo frío son generalmente menos eficientes que las lámparas de emisión termoiónica porque el voltaje de caída del cátodo es mucho mayor. La potencia disipada debido a la caída de voltaje del cátodo no contribuye a la salida de luz. Sin embargo, esto es menos significativo con tubos más largos. La mayor disipación de potencia en los extremos de los tubos también suele significar que los tubos de cátodo frío tienen que funcionar con una carga menor que sus equivalentes de emisión termoiónica. Dado el voltaje de tubo más alto requerido de todos modos, estos tubos pueden alargarse fácilmente e incluso funcionar como cadenas en serie. Son más adecuadas para doblarse en formas especiales para rotulación y señalización, y también se pueden encender o apagar instantáneamente.
A partir de
El gas utilizado en el tubo fluorescente debe ionizarse antes de que el arco pueda "iniciarse". Para las lámparas pequeñas, no se necesita mucho voltaje para iniciar el arco y encender la lámpara no presenta ningún problema, pero los tubos más grandes requieren un voltaje sustancial (en el rango de mil voltios). Se han utilizado muchos circuitos de arranque diferentes. La elección del circuito se basa en el costo, el voltaje de CA, la longitud del tubo, el arranque instantáneo o no instantáneo, los rangos de temperatura y la disponibilidad de piezas.
Precalentamiento
Esta técnica utiliza una combinación de filamento - cátodo en cada extremo de la lámpara junto con un interruptor mecánico o automático (bimetálico) (ver diagrama de circuito a la derecha) que inicialmente conecta los filamentos en serie con el balasto para precalentarlos; cuando se golpea el arco, los filamentos se desconectan. Este sistema se describe como precalentamiento en algunos países y arranque por interruptor en otros. [35] Estos sistemas son equipos estándar en países de 200 a 240 V (y para lámparas de 100 a 120 V de hasta aproximadamente 30 vatios). [ cita requerida ]
Antes de la década de 1960, se utilizaban arrancadores térmicos de cuatro clavijas e interruptores manuales. [ cita requerida ] Un arrancador de interruptor incandescente precalienta automáticamente los cátodos de la lámpara. Consiste en un interruptor bimetálico normalmente abierto en una pequeña lámpara de descarga de gas sellada que contiene gas inerte (neón o argón). El interruptor de incandescencia calentará cíclicamente los filamentos e iniciará un voltaje de pulso para iniciar el arco; el proceso se repite hasta que se enciende la lámpara. Una vez que el tubo golpea, la descarga principal que choca mantiene calientes los cátodos, lo que permite la emisión continua de electrones. El interruptor de arranque no se vuelve a cerrar porque el voltaje a través del tubo iluminado es insuficiente para iniciar una descarga luminiscente en el motor de arranque. [35]
Con los arrancadores de interruptor incandescente, un tubo defectuoso realizará un ciclo repetidamente. Algunos sistemas de arranque usaban un disparo por sobrecorriente térmica para detectar intentos de arranque repetidos y deshabilitar el circuito hasta que se reiniciara manualmente.
Un condensador de corrección del factor de potencia (PFC) extrae la corriente principal de la red para compensar la corriente retrasada consumida por el circuito de la lámpara. [35]
Inicio instantáneo
Los tubos fluorescentes de encendido instantáneo simplemente usan un voltaje lo suficientemente alto para descomponer la columna de gas y mercurio y, por lo tanto, iniciar la conducción del arco. Estos tubos no tienen filamentos y pueden identificarse con un solo alfiler en cada extremo del tubo. Los portalámparas tienen un enchufe de "desconexión" en el extremo de bajo voltaje que desconecta el balasto cuando se quita el tubo, para evitar descargas eléctricas . En América del Norte, los artefactos de iluminación de bajo costo con balasto electrónico integrado utilizan el encendido instantáneo en lámparas originalmente diseñadas para precalentamiento, aunque acorta la vida útil de la lámpara. [ cita requerida ] Esta tecnología de lastre no es común fuera de América del Norte.
Inicio rápido
Los diseños de balasto de arranque rápido proporcionan bobinados dentro del balasto que calientan continuamente los filamentos del cátodo. Por lo general, opera a un voltaje de arco más bajo que el diseño de inicio instantáneo; no se produce un pico de voltaje inductivo para el arranque, por lo que las lámparas deben montarse cerca de un reflector conectado a tierra (a tierra) para permitir que la descarga luminiscente se propague a través del tubo e inicie la descarga del arco [ ¿por qué? ] . En algunas lámparas, una tira de "ayuda de arranque" conectada a tierra está unida al exterior del cristal de la lámpara. Este tipo de balasto es incompatible con las lámparas fluorescentes T8 ahorradoras de energía europeas porque estas lámparas requieren un voltaje de arranque más alto que el voltaje de circuito abierto de los balastos de arranque rápido.
Inicio rápido
Los balastos de arranque rápido utilizan un pequeño autotransformador para calentar los filamentos cuando se aplica energía por primera vez. Cuando se produce un arco, la potencia de calentamiento del filamento se reduce y el tubo se pondrá en marcha en medio segundo. El autotransformador se combina con el balasto o puede ser una unidad separada. Los tubos deben montarse cerca de un reflector de metal conectado a tierra para que golpeen. Los balastos de arranque rápido son más comunes en instalaciones comerciales debido a los menores costos de mantenimiento. Un balasto de arranque rápido elimina la necesidad de un interruptor de arranque, una fuente común de fallas en las lámparas. No obstante, los balastos de arranque rápido también se utilizan en instalaciones domésticas (residenciales) debido a la característica deseable de que una luz de balasto de arranque rápido se enciende casi inmediatamente después de que se aplica la energía (cuando se enciende un interruptor). Los balastos de arranque rápido se usan solo en circuitos de 240 V y están diseñados para usarse con los tubos T12 más antiguos y menos eficientes.
Inicio semi-resonante
El circuito de arranque semirresonante fue inventado por Thorn Lighting para su uso con tubos fluorescentes T12 . Este método utiliza un transformador de doble bobinado y un condensador. Sin corriente de arco, el transformador y el condensador resuenan a la frecuencia de la línea y generan aproximadamente el doble del voltaje de suministro a través del tubo y una pequeña corriente de calentamiento del electrodo. [36] Este voltaje del tubo es demasiado bajo para iniciar el arco con electrodos fríos, pero a medida que los electrodos se calientan hasta la temperatura de emisión termoiónica, el voltaje de golpe del tubo cae por debajo del voltaje de timbre y el arco se enciende. A medida que los electrodos se calientan, la lámpara, lentamente, durante tres a cinco segundos, alcanza el brillo máximo. A medida que aumenta la corriente del arco y cae el voltaje del tubo, el circuito proporciona limitación de corriente.
Los circuitos de arranque semirresonantes están restringidos principalmente para su uso en instalaciones comerciales debido al mayor costo inicial de los componentes del circuito. Sin embargo, no hay interruptores de arranque para reemplazar y el daño del cátodo se reduce durante el arranque, lo que hace que las lámparas duren más, lo que reduce los costos de mantenimiento. Debido al alto voltaje del tubo en circuito abierto, este método de arranque es particularmente bueno para arrancar tubos en ubicaciones frías. Además, el factor de potencia del circuito es casi 1.0 y no se necesita corrección adicional del factor de potencia en la instalación de iluminación. Como el diseño requiere que el doble de la tensión de alimentación sea inferior a la tensión de activación del cátodo frío (o los tubos se encenderían instantáneamente por error), este diseño no se puede utilizar con una alimentación de CA de 240 voltios a menos que los tubos midan al menos 1,2 m (3 pies 11 pulg.) de longitud. Los dispositivos de arranque semirresonantes son generalmente incompatibles con los tubos de adaptación T8 que ahorran energía, porque dichos tubos tienen un voltaje de arranque más alto que las lámparas T12 y pueden no arrancar de manera confiable, especialmente a bajas temperaturas. Las recientes propuestas de algunos países para eliminar los tubos T12 reducirán la aplicación de este método de inicio.
Balastos electrónicos
Los arrancadores electrónicos utilizan un método diferente para precalentar los cátodos. [37] Pueden ser intercambiables enchufables con encendedores incandescentes. Usan un interruptor semiconductor y "encienden suavemente" la lámpara precalentando los cátodos antes de aplicar un pulso de inicio que golpea la lámpara por primera vez sin parpadear; esto desaloja una cantidad mínima de material de los cátodos durante el arranque, lo que prolonga la vida útil de la lámpara. [35] Se afirma que esto prolonga la vida útil de la lámpara en un factor típico de 3 a 4 veces para una lámpara que se enciende con frecuencia como en el uso doméstico, [38] y reduce el ennegrecimiento de los extremos de la lámpara típico de los tubos fluorescentes. El circuito es típicamente complejo, pero la complejidad está integrada en el IC. Los arrancadores electrónicos pueden optimizarse para un arranque rápido (tiempo de arranque típico de 0,3 segundos), [38] [39] o para un arranque más confiable incluso a bajas temperaturas y con bajos voltajes de suministro, con un tiempo de arranque de 2 a 4 segundos. [40] Las unidades de arranque más rápido pueden producir ruido audible durante el arranque. [41]
Los arrancadores electrónicos solo intentan encender una lámpara por un corto tiempo cuando se aplica energía inicialmente, y no intentan repetidamente volver a encender una lámpara que está muerta e incapaz de sostener un arco; algunos apagan automáticamente una lámpara averiada. [37] Esto elimina el reencendido de una lámpara y el parpadeo continuo de una lámpara averiada con un encendedor incandescente. Los arrancadores electrónicos no están sujetos a desgaste y no necesitan ser reemplazados periódicamente, aunque pueden fallar como cualquier otro circuito electrónico. Los fabricantes suelen tener una vida útil de 20 años, o tan larga como la luminaria. [39] [40]
Los balastos electrónicos emplean transistores para cambiar la frecuencia de suministro a CA de alta frecuencia mientras regulan el flujo de corriente en la lámpara. Estos balastos aprovechan la mayor eficacia de las lámparas, que aumenta casi un 10% a 10 kHz , en comparación con la eficacia a una frecuencia industrial normal. Cuando el período de CA es más corto que el tiempo de relajación para desionizar los átomos de mercurio en la columna de descarga, la descarga permanece más cerca de las condiciones óptimas de funcionamiento. [42] Los balastos electrónicos convierten la alimentación de CA de frecuencia de suministro en CA de frecuencia variable. La conversión puede reducir la modulación del brillo de la lámpara al doble de la frecuencia de la fuente de alimentación.
Los balastos de bajo costo contienen solo un oscilador simple y un circuito LC resonante en serie. Este principio se denomina circuito inversor resonante de corriente . Después de un breve período de tiempo, el voltaje a través de la lámpara alcanza aproximadamente 1 kV y la lámpara se enciende instantáneamente en modo de cátodo frío. Los filamentos del cátodo todavía se utilizan para proteger el balasto contra el sobrecalentamiento si la lámpara no se enciende. Algunos fabricantes utilizan termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) para desactivar el arranque instantáneo y dar tiempo para precalentar los filamentos.
Los balastos electrónicos más complejos utilizan arranque programado. La frecuencia de salida se inicia por encima de la frecuencia de resonancia del circuito de salida del balasto; y después de calentar los filamentos, la frecuencia disminuye rápidamente. Si la frecuencia se acerca a la frecuencia de resonancia del balasto, el voltaje de salida aumentará tanto que la lámpara se encenderá. Si la lámpara no se enciende, un circuito electrónico detiene el funcionamiento del balasto.
Muchos balastos electrónicos están controlados por un microcontrolador , y a veces se denominan balastos digitales. Los balastos digitales pueden aplicar una lógica bastante compleja al arranque y funcionamiento de la lámpara. Esto habilita funciones como la prueba de electrodos rotos y tubos faltantes antes de intentar arrancar, la detección del reemplazo del tubo y la detección del tipo de tubo, de modo que un solo lastre se puede usar con varios tubos diferentes. Las características como la atenuación se pueden incluir en el software del microcontrolador integrado y se pueden encontrar en los productos de varios fabricantes.
Desde su introducción en la década de 1990, los balastos de alta frecuencia se han utilizado en dispositivos de iluminación generales con lámparas de precalentamiento o de encendido rápido. Estos balastos convierten la potencia entrante a una frecuencia de salida superior a 20 kHz . Esto aumenta la eficiencia de la lámpara. [43] Estos balastos operan con voltajes que pueden ser de casi 600 voltios, lo que requiere cierta consideración en el diseño de la carcasa y puede causar una limitación menor en la longitud de los cables desde el balasto hasta los extremos de la lámpara.
Fin de la vida
La vida útil de una lámpara fluorescente está limitada principalmente por la vida útil de los electrodos del cátodo. Para mantener un nivel de corriente adecuado, los electrodos se recubren con una mezcla de emisión de óxidos metálicos. Cada vez que se enciende la lámpara, y durante el funcionamiento, una pequeña cantidad del revestimiento del cátodo se expulsa de los electrodos por el impacto de electrones e iones pesados dentro del tubo. El material pulverizado se acumula en las paredes del tubo y lo oscurece. El método de arranque y la frecuencia afectan la pulverización catódica. Un filamento también puede romperse, desactivando la lámpara.
Los diseños de lámparas con bajo contenido de mercurio pueden fallar cuando el tubo de vidrio, el fósforo y los componentes internos absorben el mercurio, y ya no está disponible para vaporizarlo en el gas de llenado. La pérdida de mercurio inicialmente provoca un tiempo de calentamiento prolongado hasta la salida de luz completa y, finalmente, hace que la lámpara brille con un tono rosa tenue cuando el gas argón se convierte en la descarga primaria. [44]
Someter el tubo a un flujo de corriente asimétrico, lo opera efectivamente bajo una polarización de CC y provoca una distribución asimétrica de iones de mercurio a lo largo del tubo. El agotamiento localizado de la presión de vapor de mercurio se manifiesta como una luminiscencia rosada del gas base en las proximidades de uno de los electrodos, y la vida útil de funcionamiento de la lámpara puede acortarse drásticamente. Esto puede ser un problema con algunos inversores mal diseñados . [45]
Los fósforos que recubren la lámpara también se degradan con el tiempo, hasta que una lámpara ya no produce una fracción aceptable de su salida de luz inicial.
La falla del balasto electrónico integral de una bombilla fluorescente compacta también terminará su vida útil.
Fósforos y espectro de luz emitida
El espectro de luz emitida por una lámpara fluorescente es la combinación de luz emitida directamente por el vapor de mercurio y luz emitida por el revestimiento fosforescente. Las líneas espectrales de la emisión de mercurio y el efecto de fosforescencia dan una distribución espectral combinada de luz que es diferente de las producidas por fuentes incandescentes. La intensidad relativa de la luz emitida en cada banda estrecha de longitudes de onda sobre el espectro visible tiene diferentes proporciones en comparación con la de una fuente incandescente. Los objetos coloreados se perciben de manera diferente bajo fuentes de luz con diferentes distribuciones espectrales. Por ejemplo, algunas personas encuentran que la reproducción del color producida por algunas lámparas fluorescentes es dura y desagradable. A veces, una persona sana puede parecer tener un tono de piel poco saludable bajo una luz fluorescente. La medida en que se produce este fenómeno está relacionada con la composición espectral de la luz y puede medirse por su índice de reproducción cromática (CRI).
Temperatura del color
La temperatura de color correlacionada (CCT) es una medida del "tono" de blancura de una fuente de luz en comparación con un cuerpo negro. La iluminación incandescente típica es de 2700 K, que es de color blanco amarillento. [46] La iluminación halógena es de 3000 K. [47] Las lámparas fluorescentes se fabrican con un CCT elegido alterando la mezcla de fósforos dentro del tubo. Los fluorescentes de color blanco cálido tienen CCT de 2700 K y son populares para la iluminación residencial. Los fluorescentes de color blanco neutro tienen un CCT de 3000 K o 3500 K. Los fluorescentes de color blanco frío tienen un CCT de 4100 K y son populares para la iluminación de oficinas. Los fluorescentes de luz diurna tienen un CCT de 5000 K a 6500 K, que es de color blanco azulado.
La iluminación de CCT alta generalmente requiere niveles de luz más altos. A niveles de iluminación más tenues, el ojo humano percibe las temperaturas de color más bajas como más agradables, como se relaciona a través de la curva de Kruithof . Por lo tanto, una lámpara incandescente de 2700 K tenue parece cómoda y una lámpara de 5000 K brillante también parece natural, pero una lámpara fluorescente de 5000 K tenue parece demasiado pálida. Los fluorescentes de luz diurna se ven naturales solo si son muy brillantes.
Índice de reproducción cromática
El índice de reproducción cromática (CRI) es una medida de qué tan bien se pueden percibir los colores utilizando la luz de una fuente, en relación con la luz de una fuente de referencia, como la luz del día o un cuerpo negro con la misma temperatura de color . Por definición, una lámpara incandescente tiene un CRI de 100. Los tubos fluorescentes de la vida real alcanzan un CRI de entre 50 y 98. Las lámparas fluorescentes con un CRI bajo tienen fósforos que emiten muy poca luz roja. La piel parece menos rosada y, por lo tanto, "insalubre" en comparación con la iluminación incandescente. Los objetos de colores aparecen apagados. Por ejemplo, un tubo de halofosfato de bajo CRI 6800 K (un ejemplo extremo) hará que los rojos parezcan rojos opacos o incluso marrones. Dado que el ojo es relativamente menos eficaz para detectar la luz roja, una mejora en el índice de reproducción cromática, con un aumento de energía en la parte roja del espectro, puede reducir la eficacia luminosa global. [48]
Los arreglos de iluminación utilizan tubos fluorescentes en una variedad de tintes de blanco. La mezcla de tipos de tubos dentro de los accesorios puede mejorar la reproducción del color de los tubos de menor calidad.
Composición de fósforo
Algunas de las luces menos agradables provienen de tubos que contienen fósforos de tipo halofosfato más antiguos (fórmula química Ca 5 ( P O 4 ) 3 ( F , Cl ): Sb 3+ , Mn 2+ ). Este fósforo emite principalmente luz amarilla y azul, y relativamente poca luz verde y roja. En ausencia de una referencia, esta mezcla parece blanca a la vista, pero la luz tiene un espectro incompleto . El índice de reproducción cromática (CRI) de estas lámparas es de alrededor de 60.
Desde la década de 1990, las lámparas fluorescentes de mayor calidad utilizan un revestimiento de halofosfato de CRI más alto o una mezcla de trifósforo , basada en iones de europio y terbio , que tienen bandas de emisión distribuidas de manera más uniforme en el espectro de la luz visible. Los tubos de halofosfato y trifósforo de alto CRI brindan una reproducción del color más natural para el ojo humano. El CRI de estas lámparas suele ser de 82 a 100.
| Lámpara fluorescente típica con fósforo de tierras raras |  | Una lámpara fluorescente típica de "blanco frío" que utiliza dos fósforos dopados con tierras raras, Tb 3+ , Ce 3+ : La PO 4 para la emisión verde y azul y Eu : Y 2 O 3 para el rojo. Para obtener una explicación del origen de los picos individuales, haga clic en la imagen. Varios de los picos espectrales se generan directamente a partir del arco de mercurio. Este es probablemente el tipo de lámpara fluorescente más común que se usa en la actualidad. |
| Una lámpara fluorescente de halofosfato-fósforo de estilo antiguo |  | Los fósforos de halofosfato en estas lámparas generalmente consisten en antimonio trivalente y halofosfato de calcio dopado con manganeso divalente (Ca 5 (PO 4 ) 3 ( Cl , F ): Sb 3+ , Mn 2+ ). El color de la salida de luz se puede ajustar alterando la proporción del dopante de antimonio emisor de azul y el dopante de manganeso emisor de naranja. La capacidad de reproducción cromática de estas lámparas de estilo antiguo es bastante pobre. Los fósforos de halofosfato fueron inventados por AH McKeag et al. en 1942. |
| Luz fluorescente "sol natural" |  | Los picos con estrellas son líneas de mercurio . |
| Luces fluorescentes amarillas |  | El espectro es casi idéntico al de una lámpara fluorescente normal, excepto por una falta casi total de luz de menos de 500 nanómetros. Este efecto se puede lograr mediante el uso de fósforo especializado o, más comúnmente, mediante el uso de un filtro de luz amarilla simple. Estas lámparas se utilizan comúnmente como iluminación para trabajos de fotolitografía en salas blancas y como iluminación exterior "repelente de insectos" (cuya eficacia es cuestionable). |
| Espectro de una lámpara de "luz negra " |  | Por lo general, solo hay un fósforo presente en una lámpara de luz negra, que generalmente consiste en fluoroborato de estroncio dopado con europio , que está contenido en un sobre de vidrio de Wood . |
Aplicaciones
Las lámparas fluorescentes vienen en muchas formas y tamaños. [49] La lámpara fluorescente compacta (CFL) se está volviendo más popular. Muchas lámparas fluorescentes compactas integran la electrónica auxiliar en la base de la lámpara, lo que les permite encajar en un portalámparas normal.
En las residencias estadounidenses, las lámparas fluorescentes se encuentran principalmente en cocinas , sótanos o garajes , pero las escuelas y las empresas consideran que los ahorros de costos de las lámparas fluorescentes son significativos y rara vez usan luces incandescentes. Los costos de la electricidad, los incentivos fiscales y los códigos de construcción resultan en un mayor uso en lugares como California . El uso de fluorescentes está disminuyendo a medida que la iluminación LED, que es más eficiente energéticamente y no contiene mercurio, está reemplazando a los fluorescentes. {Cn | date = April 2021}}
En otros países, el uso residencial de iluminación fluorescente varía según el precio de la energía, las preocupaciones financieras y ambientales de la población local y la aceptabilidad de la producción de luz. En el este y el sudeste de Asia es muy raro ver bombillas incandescentes en edificios en cualquier lugar.
Muchos países están fomentando la eliminación gradual de las bombillas incandescentes y la sustitución de las lámparas incandescentes por lámparas fluorescentes o LED y otros tipos de lámparas de bajo consumo.
Además de la iluminación general, las luces fluorescentes especiales se utilizan a menudo en la iluminación de escenarios para la producción de películas y videos. Son más frías que las fuentes de luz halógenas tradicionales y utilizan balastos de alta frecuencia para evitar el parpadeo del vídeo y lámparas de alto índice de reproducción cromática para aproximarse a las temperaturas de color de la luz del día.
Comparación con lámparas incandescentes
Eficacia luminosa
Las lámparas fluorescentes convierten más potencia de entrada en luz visible que las lámparas incandescentes. Una lámpara incandescente típica de filamento de tungsteno de 100 vatios puede convertir solo el 5% de su entrada de energía en luz blanca visible (400-700 nm de longitud de onda), mientras que las lámparas fluorescentes típicas convierten aproximadamente el 22% de la entrada de energía en luz blanca visible. [50]
La eficacia de los tubos fluorescentes varía desde aproximadamente 16 lúmenes por vatio para un tubo de 4 vatios con un balasto ordinario hasta más de 100 lúmenes por vatio [51] con un balasto electrónico moderno, con un promedio general de 50 a 67 lm / W. [52] La pérdida de balasto puede ser alrededor del 25% de la potencia de la lámpara con balastos magnéticos y alrededor del 10% con balastos electrónicos.
La eficacia de la lámpara fluorescente depende de la temperatura de la lámpara en la parte más fría de la lámpara. En las lámparas T8, se encuentra en el centro del tubo. En las lámparas T5, se encuentra al final del tubo con el texto estampado. La temperatura ideal para una lámpara T8 es de 25 ° C (77 ° F), mientras que la lámpara T5 está idealmente a 35 ° C (95 ° F).
La vida
Normalmente, una lámpara fluorescente durará de 10 a 20 veces más que una lámpara incandescente equivalente cuando se utilice durante varias horas seguidas. En condiciones de prueba estándar, las lámparas fluorescentes duran de 6.000 a 80.000 horas (de 2 a 27 años a las 8 horas al día). [53]
El mayor costo inicial de una lámpara fluorescente en comparación con una lámpara incandescente generalmente se compensa con un menor consumo de energía a lo largo de su vida. [54] [ necesita actualización ]
Menor luminancia
Comparado con una lámpara incandescente, un tubo fluorescente es una fuente de luz más difusa y físicamente más grande. En las lámparas de diseño adecuado, la luz se puede distribuir de manera más uniforme sin una fuente puntual de deslumbramiento, como la que se ve desde un filamento incandescente no difundido; la lámpara es grande en comparación con la distancia típica entre la lámpara y las superficies iluminadas.
Bajar el calor
Las lámparas fluorescentes emiten aproximadamente una quinta parte del calor de las lámparas incandescentes equivalentes. Esto reduce en gran medida el tamaño, el costo y el consumo de energía dedicados al aire acondicionado para edificios de oficinas que normalmente tendrían muchas luces y pocas ventanas.
Desventajas
Cambio frecuente
El cambio frecuente (más de cada 3 horas) acortará la vida útil de las lámparas. [55] Cada ciclo de inicio erosiona ligeramente la superficie de emisión de electrones de los cátodos; cuando se acaba todo el material de emisión, la lámpara no puede arrancar con el voltaje de balasto disponible. Los accesorios para luces intermitentes (como para publicidad) usan un balasto que mantiene la temperatura del cátodo cuando el arco está apagado, preservando la vida útil de la lámpara.
La energía extra utilizada para encender una lámpara fluorescente equivale a unos pocos segundos de funcionamiento normal; Es más eficiente desde el punto de vista energético apagar las lámparas cuando no se necesitan durante varios minutos. [56] [57]
Contenido de mercurio
Si se rompe una lámpara fluorescente, una cantidad muy pequeña de mercurio puede contaminar el entorno circundante. Aproximadamente el 99% del mercurio se encuentra típicamente en el fósforo, especialmente en las lámparas que están cerca del final de su vida útil. [58] Las lámparas rotas pueden liberar mercurio si no se limpian con los métodos correctos. [59] [ verificación fallida ]
Debido al contenido de mercurio, las lámparas fluorescentes desechadas deben tratarse como desechos peligrosos. Para los grandes usuarios de lámparas fluorescentes, los servicios de reciclaje están disponibles en algunas áreas y pueden ser requeridos por la regulación. [60] [61] En algunas áreas, el reciclaje también está disponible para los consumidores. [62]
Emisión ultravioleta
Las lámparas fluorescentes emiten una pequeña cantidad de luz ultravioleta (UV). Un estudio de 1993 en los EE. UU. Encontró que la exposición ultravioleta por estar sentado bajo luces fluorescentes durante ocho horas es equivalente a un minuto de exposición al sol. [63] La radiación ultravioleta de las lámparas fluorescentes compactas puede exacerbar los síntomas en personas fotosensibles. [64] [65] [66]
Los artefactos de museo pueden necesitar protección contra la luz ultravioleta para evitar la degradación de pigmentos o textiles. [67]
Lastre
Las lámparas fluorescentes requieren un balasto para estabilizar la corriente a través de la lámpara y para proporcionar el voltaje de encendido inicial requerido para iniciar la descarga del arco. A menudo, un balasto se comparte entre dos o más lámparas. Los balastos electromagnéticos pueden producir un zumbido o zumbido audible. Los balastos magnéticos generalmente se llenan con un compuesto de relleno similar al alquitrán para reducir el ruido emitido. El zumbido se elimina en lámparas con balasto electrónico de alta frecuencia. La energía perdida en los balastos magnéticos es aproximadamente el 10% de la potencia de entrada de la lámpara según la literatura de GE de 1978. [31] Los balastos electrónicos reducen esta pérdida.
Calidad de energía e interferencias de radio
Los balastos de lámpara fluorescente inductiva simple tienen un factor de potencia menor que la unidad. Los balastos inductivos incluyen condensadores de corrección del factor de potencia. Los balastos electrónicos simples también pueden tener un factor de potencia bajo debido a su etapa de entrada del rectificador.
Las lámparas fluorescentes son una carga no lineal y generan corrientes armónicas en el suministro de energía eléctrica. El arco dentro de la lámpara puede generar ruido de radiofrecuencia, que se puede conducir a través del cableado de alimentación. Es posible la supresión de interferencias de radio. Es posible una muy buena supresión, pero aumenta el costo de los dispositivos fluorescentes.
Las lámparas fluorescentes que se acercan al final de su vida útil pueden presentar un grave peligro de interferencia de radiofrecuencia. Las oscilaciones se generan a partir de la resistencia diferencial negativa del arco, y el flujo de corriente a través del tubo puede formar un circuito sintonizado cuya frecuencia depende de la longitud del camino. [68]
Temperatura de funcionamiento
Las lámparas fluorescentes funcionan mejor a temperatura ambiente. A temperaturas más bajas o más altas, la eficacia disminuye. A temperaturas bajo cero, es posible que las lámparas estándar no se enciendan. Se pueden usar lámparas especiales para un servicio confiable al aire libre en climas fríos.
Forma de la lámpara
Los tubos fluorescentes son fuentes largas y de baja luminancia en comparación con las lámparas de arco de alta presión, las lámparas incandescentes y los LED. Sin embargo, la baja intensidad luminosa de la superficie emisora es útil porque reduce el deslumbramiento . El diseño de la lámpara debe controlar la luz de un tubo largo en lugar de un globo compacto. La lámpara fluorescente compacta (CFL) reemplaza a las bombillas incandescentes normales en muchos artefactos de iluminación cuando el espacio lo permite.
Parpadeo
Las lámparas fluorescentes con balastos magnéticos parpadean a una frecuencia normalmente imperceptible de 100 o 120 Hz y este parpadeo puede causar problemas a algunas personas con sensibilidad a la luz ; [69] se enumeran como problemáticos para algunas personas con autismo , epilepsia , [70] lupus , [71] síndrome de fatiga crónica , enfermedad de Lyme , [72] y vértigo . [73]
Se puede notar un efecto estroboscópico , donde algo que gira a la velocidad correcta puede parecer estacionario si se ilumina únicamente con una sola lámpara fluorescente. Este efecto se elimina mediante lámparas emparejadas que funcionan con un balasto de plomo-retraso. A diferencia de una verdadera lámpara estroboscópica, el nivel de luz cae en un tiempo apreciable y, por lo tanto, sería evidente una "borrosidad" sustancial de la parte móvil.
Las lámparas fluorescentes pueden producir un parpadeo a la frecuencia de la fuente de alimentación (50 o 60 Hz), que es notado por más personas. Esto sucede si un cátodo dañado o fallado da como resultado una ligera rectificación y una salida de luz desigual en ciclos de CA positivos y negativos. Se puede emitir parpadeo de frecuencia industrial desde los extremos de los tubos, si cada electrodo de tubo produce un patrón de salida de luz ligeramente diferente en cada medio ciclo. El parpadeo a la frecuencia industrial es más perceptible en la visión periférica que cuando se ve directamente.
Cerca del final de su vida útil, las lámparas fluorescentes pueden comenzar a parpadear a una frecuencia inferior a la frecuencia de alimentación. Esto se debe a la inestabilidad en la resistencia negativa de la descarga del arco, [74] que puede deberse a una lámpara o balasto defectuoso o una mala conexión.
Las lámparas fluorescentes nuevas pueden mostrar un patrón de luz en espiral que se retuerce en una parte de la lámpara. Este efecto se debe a que el material del cátodo está suelto y, por lo general, desaparece después de unas horas de funcionamiento. [31]