Lámpara fluorescente

Una lámpara fluorescente, luminaria fluorescente o tubo fluorescente, es una lámpara de descarga de gas de vapor de mercurio de baja presión que utiliza la fluorescencia para producir luz visible. Una corriente eléctrica en el gas excita el vapor de mercurio, que produce una 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 mucho más eficientemente que una lámpara incandescente. 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. A modo de comparación, la eficacia luminosa de una bombilla incandescente puede ser solo de 16 lúmenes por vatio.

Los accesorios de lámparas fluorescentes son más costosos que las lámparas incandescentes porque, entre otras cosas, requieren un balasto para regular la corriente a través de la lámpara, pero el costo inicial se compensa con un costo de funcionamiento mucho más bajo. 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.

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 vacíos 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 la luz y la electricidad desarrollados por los científicos británicos Michael Faraday en la década de 1840 y James Clerk Maxwell en la década de 1860.

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 evacuaba un tubo de vidrio en una medida que antes no era posible. Geissler inventó la primera lámpara de descarga de gas, el tubo de Geissler, que consiste en un tubo de vidrio parcialmente vacío con un electrodo de metal en cada extremo. Cuando se aplicó un alto voltaje entre los electrodos, el interior del tubo se iluminó con una descarga luminiscente. Al poner diferentes productos químicos en el interior, los tubos podían fabricarse para producir una variedad de colores, y los elaborados tubos de Geissler se vendían como entretenimiento. Más importante, sin embargo, fue su contribución a la investigación científica. Uno de los primeros científicos en experimentar con un tubo de Geissler fue Julius Plücker, quien describió sistemáticamente en 1858 los efectos luminiscentes que ocurrían en un tubo de Geissler. También hizo la importante observación de que el brillo en el 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 de Geissler. Luego pasó a aplicar capas delgadas de materiales luminiscentes a las superficies de estos tubos. Se produjo fluorescencia, pero los tubos eran muy ineficientes y tenían una vida útil corta.

Las consultas que comenzaron con el tubo Geissler continuaron a medida que se producían aspiradoras 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 Röntgen. Pero el tubo de Crookes, como llegó a ser conocido, producía poca luz porque el vacío en él era demasiado bueno y, por lo tanto, carecía de las cantidades mínimas 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, no se puso en producción. Al igual que con algunos otros intentos de usar tubos Geissler para 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, diseñando 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 demostró lámparas de 2 a 3 metros (6,6 a 9,8 pies) de largo que usaban 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.

Moore inventó una válvula controlada electromagnéticamente que mantenía una presión de gas constante dentro del tubo para prolongar la vida útil. Aunque la lámpara de Moore era complicada, costosa 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.Su éxito contribuyó a la motivación de General Electric para mejorar la lámpara incandescente, especialmente su filamento. Los esfuerzos de GE dieron sus frutos 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 correspondientes en 1912. Estas patentes y los esfuerzos inventivos que las respaldaban iban a ser de un valor considerable cuando la empresa se dedicó a la iluminación fluorescente. más de dos décadas después.

Casi 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 de vapor de mercurio a baja presión. A diferencia de las lámparas de Moore, las de Hewitt se fabricaban en tamaños estandarizados y funcionaban con voltajes bajos. La lámpara de vapor de mercurio era superior a las lámparas incandescentes de la época en términos de eficiencia energética, pero la luz azul verdosa que producía limitaba sus aplicaciones. Sin embargo, se utilizó para la 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 emplearon recubrimientos fluorescentes, pero estos se usaron 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 la 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 y Bastian and 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 menor calibre y una corriente más alta que operaba 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 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.

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. En 1910, Georges Claude, un francés que había desarrollado una tecnología y un negocio exitoso para la licuefacción del aire, obtenía suficiente neón como subproducto para sustentar una industria de luces de neón.Si bien la iluminación de neón se utilizó 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, pasó a utilizarse 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 chocaron contra un electrodo y arrancaron trozos de metal. Aunque el invento de Claude requería 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 recubrimiento fluorescente. En 1926, Jacques Risler recibió una patente francesa para la aplicación de revestimientos fluorescentes a los tubos de luz de neón. El uso principal de estas lámparas, que pueden considerarse los primeros fluorescentes comercialmente exitosos, fue para publicidad, no para iluminación general. Este, sin embargo, no fue el primer uso de recubrimientos fluorescentes; Becquerel había usado la idea anteriormente y Edison usó tungstato de calcio para su lámpara fallida.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 parte de Friedrich Meyer, Hans-Joachim Spanner y Edmund Germer, que 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 en su lugar a fines de la década de 1920. Décadas de invención y desarrollo habían proporcionado los componentes clave de las lámparas fluorescentes: tubos de vidrio de fabricación 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 renombrado físico 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 relacionada 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 el laboratorio de ingeniería de General Electric en Nela Park (Ohio). Este no fue un ejercicio trivial; como señaló Arthur A. Bright, "Se tuvo que hacer una gran cantidad de experimentación con los tamaños y formas de las lámparas, la construcción de cátodos, las presiones de los gases de argón y vapor de mercurio, los colores de los polvos fluorescentes, los métodos para adherirlos al interior del tubo, y otros detalles de la lámpara y sus auxiliares antes de que el nuevo dispositivo estuviera listo para el público".

Además de contar con ingenieros y técnicos junto con instalaciones para trabajos de investigación y desarrollo en lámparas fluorescentes, General Electric controlaba lo que consideraba las patentes clave que cubrían la iluminación fluorescente, incluidas las patentes otorgadas originalmente a Hewitt, Moore y Küch. Más importante que estos fue una patente que cubría un electrodo que no se desintegraba 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.General Electric usó su control de las patentes para evitar la competencia con sus luces incandescentes y probablemente retrasó la introducción de luces fluorescentes por 20 años. Eventualmente, la producción de guerra requirió fábricas de 24 horas con iluminación económica y las luces fluorescentes estuvieron disponibles.

Si bien la patente de Hull dio a GE una base para reclamar los derechos legales sobre la lámpara fluorescente, unos meses después de que la lámpara comenzara a producirse, 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 que se referían a la iluminación fluorescente. Los esfuerzos para obtener una patente estadounidense se habían topado con numerosos retrasos, pero si se concediera, la patente podría haber causado serias dificultades a GE. Al principio, GE trató de bloquear la emisión de una patente alegando que la prioridad debería ir a uno de sus empleados, Leroy J. Buttolph, quien según su reivindicación 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 el reclamo 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, abandonaron 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. y Germer tenían algún mérito y que, en cualquier caso, un procedimiento de interferencia prolongado no era lo mejor para ellos. Por lo tanto, abandonaron 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. y Germer tenían algún mérito y que, en cualquier caso, un procedimiento de interferencia prolongado no era lo mejor para ellos. Por lo tanto, abandonaron 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. 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 reclamaba la infracción de las patentes que poseía.

Aunque el problema de la patente 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 de luminina" comenzaron en 1938 cuando se pusieron en el mercado cuatro tamaños diferentes de tubos. Se utilizaron en luminarias fabricadas por tres corporaciones líderes, Lightolier, Artcraft Fluorescent Lighting Corporation y Globe Lighting. La presentación pública del balasto fluorescente Slimline en 1946 fue realizada por Westinghouse y General Electric y las luminarias Showcase/Display Case fueron presentadas por Articraft Fluorescent Lighting Corporation en 1946. 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 cuando la fabricación en tiempos de guerra intensificó la demanda de iluminación. Para 1951, las lámparas fluorescentes producían más luz en los Estados Unidos que las lámparas incandescentes.

En los primeros años se utilizó ortosilicato de zinc con contenido variable de berilio como fósforo verdoso. 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.

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 vuelve 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 tanto, la energía ultravioleta se convierte en luz visible por la fluorescencia del revestimiento de fósforo interno. La diferencia de energía entre el fotón ultravioleta absorbido y el fotón de luz visible emitido se utiliza para calentar el recubrimiento de fósforo.

La corriente eléctrica fluye a través del tubo en una descarga de arco de baja presión. Los electrones chocan con los átomos de gas noble y los ionizan 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 relleno ayuda a determinar las características eléctricas de la lámpara, pero no emite luz por sí mismo. El gas de relleno aumenta efectivamente la distancia que viajan los electrones a través del tubo, lo que permite que un electrón tenga una mayor probabilidad 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 el voltaje de ruptura y de funcionamiento de la lámpara, en comparación con otros posibles gases de relleno, como el criptón.

Construcción

El tubo de una lámpara fluorescente se llena con una mezcla de vapor de argón, xenón, neón o criptón y mercurio. La presión dentro de la lámpara es de alrededor del 0,3% de la presión atmosférica. 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. La superficie interna 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 lámparas fluorescentes suelen ser rectos y varían en longitud desde aproximadamente 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 círculo y se usan 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 forma de hélice, para proporcionar una gran cantidad de salida de luz en un volumen pequeño.

Los fósforos emisores de luz se aplican como una capa similar a la pintura en el interior del tubo. Se permite que los solventes orgánicos se evaporen, luego el tubo se calienta hasta casi el punto de fusión del vidrio para eliminar los compuestos orgánicos restantes y fusionar el revestimiento con el tubo de la lámpara. Es necesario un control cuidadoso del tamaño de grano de los fósforos suspendidos; los granos grandes conducen a recubrimientos débiles, y las partículas pequeñas conducen a un pobre mantenimiento y eficiencia de la luz. 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 tanto como para que el recubrimiento de fósforo absorba demasiada luz visible. Los primeros fósforos eran versiones sintéticas de minerales fluorescentes naturales, con pequeñas cantidades de metales añadidos como activadores.

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 cae, 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 descontrolado. 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 en funcionamiento varía según la corriente del arco, el diámetro del tubo, la temperatura y el gas de relleno. Una lámpara T12 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 del tubo (10 a 25 W/pie) para las lámparas T12.

El balasto más simple para el uso de corriente alterna (CA) es un inductor colocado en serie, que consta de un devanado en un núcleo magnético laminado. La inductancia de este devanado limita el flujo de corriente alterna. Este tipo de balastro es común en países de 220 a 240 V (y en América del Norte, lámparas de hasta 30 W). Los balastos están clasificados para el tamaño de la lámpara y la frecuencia de potencia. En América del Norte, el voltaje de CA es insuficiente para encender lámparas fluorescentes largas, por lo que el balasto suele ser un autotransformador elevador con una inductancia de fuga sustancial (para limitar el flujo de corriente). Cualquier forma de balasto inductivo también puede incluir un condensador para la corrección del factor de potencia.

Las lámparas fluorescentes pueden funcionar directamente desde 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 funcionan directamente desde CC por esos motivos. 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 afectado críticamente por la temperatura de la pared del foco y su efecto sobre la presión parcial del vapor de mercurio dentro de la lámpara. 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 óptimo 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 disipación de calor en el tubo para mantener la presión del vapor de mercurio en el valor óptimo.

Pérdidas

Solo una fracción de la entrada de energía eléctrica 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 tensión fija en los electrodos, que también produce calor. Parte de la energía de 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.

Lámparas fluorescentes de cátodo frío

La mayoría de las lámparas fluorescentes utilizan electrodos que emiten electrones en el tubo por 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 por la corriente que fluye a través de ellos, pero no están 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 desgaste, 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). Todavía se puede producir la pulverización catódica del electrodo, pero los electrodos pueden moldearse (por ejemplo, en un cilindro interno) para capturar la mayor parte del material pulverizado de manera 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 deben funcionar con una carga más baja que sus equivalentes de emisión termoiónica. Dado el voltaje de tubo más alto requerido de todos modos, estos tubos pueden hacerse largos fácilmente e incluso funcionar como cadenas en serie. Son más adecuados para doblarse en formas especiales para rotulación y señalización, y también se pueden encender o apagar instantáneamente.

Comenzando

El gas utilizado en el tubo fluorescente debe ionizarse antes de que el arco pueda "encender". Para lámparas pequeñas, no se necesita mucho voltaje para encender 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 versus no instantáneo, los rangos de temperatura y la disponibilidad de piezas.

Precalentamiento

El precalentamiento, también llamado arranque por interruptor, utiliza una combinación de filamento y cátodo en cada extremo de la lámpara junto con un interruptor mecánico o automático (bimetálico) (consulte el diagrama del circuito a la derecha) que inicialmente conecta los filamentos en serie con el balasto para precalentarlos; después de un breve tiempo de precalentamiento, se abre el interruptor de arranque. Si se sincroniza correctamente en relación con el suministro principal, esto hace que el balasto induzca un voltaje sobre el tubo lo suficientemente alto como para iniciar el arco de arranque. Estos sistemas son equipo estándar en países de 200 a 240 V (y para lámparas de 100 a 120 V de hasta unos 30 vatios).

Antes de la década de 1960, se usaban arrancadores térmicos de cuatro pines e interruptores manuales. Un arrancador con interruptor incandescente precalienta automáticamente los cátodos de la lámpara. Consiste en un interruptor bimetálico normalmente abierto en una pequeña lámpara sellada de descarga de gas que contiene gas inerte (neón o argón). El interruptor incandescente calentará cíclicamente los filamentos e iniciará un pulso de voltaje para iniciar el arco; el proceso se repite hasta que se enciende la lámpara. Una vez que el tubo golpea, la descarga principal que incide mantiene los cátodos calientes, 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.

Con los arrancadores con interruptor de incandescencia, un tubo que falla hará un ciclo repetidamente. Algunos sistemas de arranque utilizaron un disparo térmico por sobrecorriente para detectar repetidos intentos de arranque y deshabilitar el circuito hasta que se reinicie manualmente.

Un condensador de corrección del factor de potencia (PFC) extrae la corriente de adelanto de la red eléctrica para compensar la corriente de atraso consumida por el circuito de la lámpara.

Los arrancadores electrónicos utilizan un método diferente para precalentar los cátodos. Pueden ser intercambiables enchufables con arrancadores luminosos. Usan un interruptor de semiconductores y "arrancan suavemente" la lámpara precalentando los cátodos antes de aplicar un pulso de arranque 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. Se afirma que esto prolonga la vida útil de la lámpara por un factor típicamente de 3 a 4 veces para una lámpara que se enciende con frecuencia como en el uso doméstico, y reduce el ennegrecimiento de los extremos de la lámpara típico de los tubos fluorescentes. El circuito suele ser 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),o para un arranque más confiable incluso a bajas temperaturas y con voltajes de suministro bajos, con un tiempo de arranque de 2 a 4 segundos. Las unidades de arranque más rápido pueden producir un ruido audible durante el arranque.

Los arrancadores electrónicos solo intentan encender una lámpara durante un breve período de tiempo cuando se aplica energía inicialmente y no intentan volver a encender repetidamente una lámpara que está apagada y no puede sostener un arco; algunos dejan automáticamente de intentar encender una lámpara fallida. Esto elimina el reencendido de una lámpara y el parpadeo continuo de una lámpara defectuosa con un arrancador de incandescencia. 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 cotizar una vida útil de 20 años, o tan larga como la lámpara.

Inicio instantáneo

Inicio instantáneoLos tubos fluorescentes se inventaron en 1944. El encendido instantáneo simplemente usa un voltaje lo suficientemente alto para descomponer la columna de gas y, por lo tanto, iniciar la conducción del arco. Una vez que la chispa de alto voltaje "encende" el arco, la corriente aumenta hasta que se forma una descarga luminiscente. A medida que la lámpara se calienta y la presión aumenta, la corriente continúa aumentando y tanto la resistencia como el voltaje caen, hasta que el voltaje principal o de línea toma el control y la descarga se convierte en un arco. Estos tubos no tienen filamentos y se pueden identificar por un solo pin en cada extremo del tubo (para lámparas comunes, las lámparas compactas de cátodo frío también pueden tener un solo pin, pero funcionan con un transformador en lugar de un balasto). Los portalámparas tienen un enchufe de "desconexión" en el extremo de bajo voltaje que desconecta el balasto cuando se retira el tubo, para evitar descargas eléctricas.

Inicio rápido

Debido a que la formación de un arco requiere la emisión termoiónica de grandes cantidades de electrones desde el cátodo, el inicio rápidoLos diseños de balasto 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 arranque 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 para permitir que la descarga luminiscente se propague a través del tubo e inicie la descarga del arco a través del acoplamiento capacitivo. En algunas lámparas, se adjunta una tira de "ayuda de arranque" conectada a tierra en el exterior del vidrio 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 comenzará a funcionar 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 entren en contacto. 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 inicio rápido también se utilizan en instalaciones domésticas (residenciales) debido a la característica deseable de que la luz de un balasto de inicio rápido se enciende casi inmediatamente después de que se aplica energía (cuando se enciende un interruptor).

Comienzo 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 capacitor 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. El voltaje de este tubo es demasiado bajo para encender el arco con electrodos fríos, pero a medida que los electrodos se calientan hasta la temperatura de emisión termoiónica, el voltaje de encendido del tubo cae por debajo del voltaje de llamada y el arco se enciende. A medida que los electrodos se calientan, la lámpara lentamente, durante tres a cinco segundos, alcanza su máximo brillo. 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 se limitan principalmente al uso en instalaciones comerciales debido al mayor costo inicial de los componentes del circuito. Sin embargo, no hay interruptores de arranque que 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 de circuito abierto, este método de arranque es particularmente bueno para arrancar tubos en lugares fríos. Además, el factor de potencia del circuito es de casi 1,0 y no se necesita una corrección adicional del factor de potencia en la instalación de iluminación. Como el diseño requiere que el doble del voltaje de suministro sea menor que el voltaje de encendido del cátodo frío (o los tubos se encenderían instantáneamente por error), este diseño no se puede usar con 240 voltios.Alimentación de CA a menos que los tubos tengan una longitud mínima de 1,2 m (3 pies 11 pulgadas). Los dispositivos de encendido semirresonantes generalmente son incompatibles con los tubos de actualización T8 de ahorro de energía, porque dichos tubos tienen un voltaje de arranque más alto que las lámparas T12 y es posible que no se enciendan de manera confiable, especialmente a bajas temperaturas. Las propuestas recientes en algunos países para eliminar gradualmente los tubos T12 reducirán la aplicación de este método de inicio.

Balastos electrónicos

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 la frecuencia de alimentación 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 se mantiene más cerca de las condiciones óptimas de funcionamiento. 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 corto tiempo, el voltaje a través de la lámpara alcanza alrededor de 1 kV y la lámpara se enciende instantáneamente en modo de cátodo frío. Los filamentos de cátodo todavía se usan para proteger el balasto del sobrecalentamiento si la lámpara no se enciende. Algunos fabricantes utilizan termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) para desactivar el arranque instantáneo y dar algo de 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 resonante 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 les llama balastos digitales. Los balastos digitales pueden aplicar una lógica bastante compleja al encendido y funcionamiento de las lámparas. 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 balasto se puede usar con varios tubos diferentes. Las características como la atenuación se pueden incluir en el software del microcontrolador incorporado y se pueden encontrar en productos de varios fabricantes.

Desde su introducción en la década de 1990, los balastos de alta frecuencia se han utilizado en accesorios de iluminación general con lámparas de encendido rápido o de precalentamiento. Estos balastos convierten la potencia de entrada a una frecuencia de salida superior a 20 kHz. Esto aumenta la eficiencia de la lámpara. Estos balastros funcionan 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 balastro hasta los extremos de la lámpara.

Fin de la vida

La esperanza de vida de una lámpara fluorescente está limitada principalmente por la vida útil de los electrodos catódicos. Para mantener un nivel de corriente adecuado, los electrodos están recubiertos 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 desprende de los electrodos por el impacto de los electrones y los iones pesados ​​dentro del tubo. El material pulverizado se acumula en las paredes del tubo, oscureciéndolo. El método de inicio y la frecuencia afectan la pulverización catódica. Un filamento también puede romperse, inhabilitando la lámpara.

Los diseños de lámparas con bajo contenido de mercurio pueden fallar cuando el mercurio es absorbido por el tubo de vidrio, el fósforo y los componentes internos, y ya no está disponible para vaporizarse en el gas de relleno. La pérdida de mercurio provoca inicialmente un tiempo de calentamiento prolongado hasta la máxima salida de luz y, finalmente, hace que la lámpara brille con un tono rosado tenue cuando el gas argón se convierte en la descarga principal.

Al 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 la vecindad de uno de los electrodos, y la vida útil operativa de la lámpara puede acortarse drásticamente. Esto puede ser un problema con algunos inversores mal diseñados.

Los fósforos que recubren la lámpara también se degradan con el tiempo, hasta que la 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.

Los fósforos y el espectro de luz emitida

El espectro de luz emitido por una lámpara fluorescente es la combinación de la luz emitida directamente por el vapor de mercurio y la luz emitida por el revestimiento fosforescente. Las líneas espectrales de la emisión de mercurio y el efecto de la fosforescencia dan una distribución espectral combinada de la luz que es diferente de la que producen las fuentes incandescentes. La intensidad relativa de la luz emitida en cada banda estrecha de longitudes de onda sobre el espectro visible está en 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 áspera y desagradable. A veces, una persona sana puede parecer que tiene un tono de piel poco saludable bajo la luz fluorescente.

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. La iluminación halógena es de 3000 K. Las lámparas fluorescentes se fabrican según un CCT seleccionado alterando la mezcla de fósforos dentro del tubo. Los fluorescentes de color blanco cálido tienen un 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 alto CCT generalmente requiere niveles de luz más altos. A niveles de iluminación más tenues, el ojo humano percibe temperaturas de color más bajas como más agradables, según lo relacionado a través de la curva de Kruithof. Por lo tanto, una lámpara incandescente tenue de 2700 K parece cómoda y una lámpara brillante de 5000 K también parece natural, pero una lámpara tenue fluorescente de 5000 K parece demasiado pálida. Los fluorescentes tipo 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 de 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 50 a 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, "no saludable" en comparación con la iluminación incandescente. Los objetos de color aparecen apagados. Por ejemplo, un tubo de halofosfato de bajo CRI 6800 K (un ejemplo extremo) hará que los rojos parezcan rojos apagados o incluso marrones. Dado que el ojo es relativamente menos eficiente para detectar la luz roja, una mejora en el índice de reproducción cromática, con una mayor energía en la parte roja del espectro, puede reducir la eficacia luminosa general.

Los arreglos de iluminación utilizan tubos fluorescentes en una variedad de tonos de blanco. Mezclar 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 los fósforos de tipo halofosfato más antiguos (fórmula química Ca ₅ (PO ₄) ₃ (F, Cl):Sb, Mn). 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 una mezcla de trifósforo, a base de iones de europio y terbio, que tienen bandas de emisión distribuidas de manera más uniforme en el espectro de luz visible. Los tubos trifósforo dan una reproducción de color más natural al ojo humano. El CRI de estas lámparas suele ser de 85.

Lámpara fluorescente típica con fósforo de tierras raras		Una lámpara fluorescente típica de "blanco frío" que utiliza dos fósforos dopados con tierras raras, Tb, Ce:LaPO 4 para emisión verde y azul y Eu:Y 2 O 3 para rojo. Para 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 más común de lámpara fluorescente 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 halofosfato de calcio dopado con manganeso divalente y antimonio trivalente (Ca 5 (PO 4) 3 (Cl, F):Sb, Mn). El color de la salida de luz se puede ajustar alterando la proporción del dopante de antimonio que emite azul y el dopante de manganeso que emite 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.
Lámpara 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 limpias 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 una envoltura de vidrio de Wood.

Aplicaciones

Las lámparas fluorescentes vienen en muchas formas y tamaños. 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 de EE. UU., 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 electricidad, los incentivos fiscales y los códigos de construcción dan como resultado 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.

En otros países, el uso residencial de la iluminación fluorescente varía según el precio de la energía, las preocupaciones financieras y ambientales de la población local y la aceptabilidad de la salida de luz. En el este y sureste de Asia es muy raro ver bombillas incandescentes en edificios en cualquier lugar.

Muchos países están alentando la eliminación gradual de las bombillas de luz incandescente 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 usan balastos de alta frecuencia para evitar el parpadeo del video y lámparas de alto índice de reproducción de color para aproximarse a las temperaturas de color de la luz del día.

Comparación con las lámparas incandescentes

Eficacia luminosa

Las lámparas fluorescentes convierten una mayor parte de la 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 (longitud de onda de 400 a 700 nm), mientras que las lámparas fluorescentes típicas convierten alrededor del 22% de la entrada de energía en luz blanca visible.

La eficacia de los tubos fluorescentes varía desde alrededor de 16 lúmenes por vatio para un tubo de 4 vatios con un balasto común hasta más de 100 lúmenes por vatio con un balasto electrónico moderno, con un promedio general de 50 a 67 lm/W. La pérdida de balasto puede ser de alrededor del 25 % de la potencia de la lámpara con balastos magnéticos y de 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 está 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 temperatura ideal para la lámpara T5 es de 35 °C (95 °F).

Vida

Por lo general, una lámpara fluorescente dura de 10 a 20 veces más que una lámpara incandescente equivalente cuando funciona durante varias horas seguidas. Bajo condiciones de prueba estándar, las lámparas fluorescentes duran de 6000 a 80 000 horas (2 a 27 años a 8 horas por día).

El mayor costo inicial de una lámpara fluorescente en comparación con una lámpara incandescente generalmente se compensa con un menor consumo de energía durante su vida útil.

Baja luminancia

En comparación con una lámpara incandescente, un tubo fluorescente es una fuente de luz más difusa y físicamente más grande. En lámparas diseñadas adecuadamente, 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 difuso; la lámpara es grande en comparación con la distancia típica entre la lámpara y las superficies iluminadas.

Calor más bajo

Las lámparas fluorescentes emiten alrededor de una quinta parte del calor de las lámparas incandescentes equivalentes. Esto reduce en gran medida el tamaño, el costo y el consumo de energía dedicado 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. Cada ciclo de inicio erosiona ligeramente la superficie emisora ​​de electrones de los cátodos; cuando todo el material de emisión desaparece, la lámpara no puede encenderse con el voltaje de balasto disponible. Los accesorios para luces intermitentes (como las de publicidad) utilizan un balasto que mantiene la temperatura del cátodo cuando el arco está apagado, preservando la vida útil de la lámpara.

La energía adicional 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.

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 suele estar contenido en el fósforo, especialmente en las lámparas que están cerca del final de su vida útil. Las lámparas rotas pueden liberar mercurio si no se limpian con los métodos correctos.

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. En algunas áreas, el reciclaje también está disponible para los consumidores.

Emisión ultravioleta

Las lámparas fluorescentes emiten una pequeña cantidad de luz ultravioleta (UV). Un estudio de 1993 en los EE. UU. descubrió que la exposición a los rayos ultravioleta por estar sentado bajo luces fluorescentes durante ocho horas equivale a un minuto de exposición al sol. La radiación ultravioleta de las lámparas fluorescentes compactas puede exacerbar los síntomas en personas fotosensibles.

Los artefactos del museo pueden necesitar protección contra la luz ultravioleta para evitar la degradación de pigmentos o textiles.

Lastre

Las lámparas fluorescentes requieren un balasto para estabilizar la corriente a través de la lámpara y para proporcionar el voltaje 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 audible o un zumbido. En América del Norte, los balastos magnéticos generalmente se rellenan 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 que se pierde en los balastos magnéticos es de alrededor del 10 % de la potencia de entrada de la lámpara según la documentación de GE de 1978. Los balastos electrónicos reducen esta pérdida.

Calidad de la energía e interferencias de radio

Los balastos de lámparas fluorescentes inductivas simples tienen un factor de potencia inferior a 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 la fuente de alimentación 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 supresión muy buena, pero aumenta el costo de los accesorios 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.

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 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 las bombillas incandescentes regulares en muchos artefactos de iluminación donde 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; se enumeran como problemáticos para algunas personas con autismo, epilepsia, lupus, síndrome de fatiga crónica, enfermedad de Lyme y vértigo.

Se puede notar un efecto estroboscópico, donde algo que gira a la velocidad correcta puede parecer estacionario si está iluminado únicamente por una sola lámpara fluorescente. Este efecto se elimina con lámparas emparejadas que funcionan con un balasto de adelanto-retardo. 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 parpadeo en la frecuencia de la fuente de alimentación (50 o 60 Hz), lo que es perceptible por más personas. Esto sucede si un cátodo dañado o defectuoso da como resultado una ligera rectificación y una salida de luz desigual en ciclos de CA positivos y negativos. El parpadeo de la frecuencia de alimentación puede emitirse 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 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 la red. Esto se debe a la inestabilidad en la resistencia negativa de la descarga del arco, que puede deberse a una mala lámpara o balasto o una mala conexión.

Las lámparas fluorescentes nuevas pueden mostrar un patrón de luz en espiral retorcido en una parte de la lámpara. Este efecto se debe al material del cátodo suelto y generalmente desaparece después de algunas horas de funcionamiento.

Los balastos electromagnéticos también pueden causar problemas para la grabación de video, ya que puede haber un efecto de golpe entre la velocidad de cuadros del video y las fluctuaciones en la intensidad de la lámpara fluorescente.

Las lámparas fluorescentes con balastos electrónicos no parpadean, ya que por encima de los 5 kHz, la vida media del estado del electrón excitado es más larga que medio ciclo y la producción de luz se vuelve continua. Las frecuencias de funcionamiento de los balastros electrónicos se seleccionan para evitar interferencias con los controles remotos infrarrojos. Los balastos electrónicos defectuosos o de mala calidad pueden tener una modulación considerable de la luz de 100/120 Hz.

Atenuación

Las lámparas fluorescentes no se pueden conectar a reguladores de intensidad destinados a lámparas incandescentes. Dos efectos son responsables de esto: la forma de onda del voltaje emitido por un atenuador de control de fase estándar interactúa mal con muchos balastos y se vuelve difícil mantener un arco en el tubo fluorescente a niveles bajos de potencia. Las instalaciones de atenuación requieren un balasto de atenuación compatible. Algunos modelos de lámparas fluorescentes compactas pueden atenuarse; en los Estados Unidos, tales lámparas se identifican como que cumplen con la norma UL 1993.

Tamaños y designaciones de lámparas

La nomenclatura sistemática identifica las lámparas del mercado masivo en cuanto a forma general, potencia nominal, longitud, color y otras características eléctricas y de iluminación.

En los Estados Unidos y Canadá, las lámparas generalmente se identifican con un código como FxxTy, donde F es para fluorescente, el primer número (xx) indica la potencia en vatios o la longitud en pulgadas, la T indica que la forma de la bombilla es tubular, y el último número (y) es el diámetro en octavos de pulgada (a veces en milímetros, redondeado al milímetro más cercano). Los diámetros típicos son T12 o T38 (1+1⁄2 pulgada o 38 mm) para lámparas residenciales, T8 o T26 (1 pulgada o 25 mm) para lámparas comerciales de bajo consumo.

Sobremarcha

La sobrecarga de una lámpara fluorescente es un método para obtener más luz de cada tubo de la que se obtiene en condiciones nominales. Los tubos fluorescentes ODNO (salida normal sobrecargada) generalmente se usan cuando no hay suficiente espacio para colocar más bombillas para aumentar la luz. El método es eficaz, pero genera algunos problemas adicionales. Esta técnica se ha vuelto popular entre los jardineros acuáticos como una forma rentable de agregar más luz a sus acuarios. La sobrecarga se realiza volviendo a cablear las lámparas para aumentar la corriente de las lámparas; sin embargo, la vida útil de la lámpara se reduce.

Otras lámparas fluorescentes

Luz negra

Las luces negras son un subconjunto de lámparas fluorescentes que se utilizan para proporcionar luz ultravioleta cercana (a una longitud de onda de aproximadamente 360 ​​nm). Están construidas de la misma manera que las lámparas fluorescentes convencionales, pero el tubo de vidrio está recubierto con un fósforo que convierte la luz ultravioleta de onda corta dentro del tubo en luz ultravioleta de onda larga en lugar de luz visible. Se utilizan para provocar la fluorescencia (para proporcionar efectos dramáticos usando pintura de luz negra y para detectar materiales como la orina y ciertos tintes que serían invisibles en la luz visible), así como para atraer insectos a los exterminadores de insectos.

Las llamadas lámparas azules blacklite también están hechas de vidrio de color púrpura oscuro más caro conocido como vidrio de Wood en lugar de vidrio transparente. El vidrio de color morado oscuro filtra la mayoría de los colores visibles de la luz emitida directamente por la descarga de vapor de mercurio, produciendo proporcionalmente menos luz visible en comparación con la luz ultravioleta. Esto permite que la fluorescencia inducida por UV se vea más fácilmente (lo que permite que los carteles de luz negra parezcan mucho más dramáticos). Las lámparas de luz negra utilizadas en los exterminadores de insectos no requieren este refinamiento, por lo que generalmente se omite en aras del costo; se llaman simplemente blacklite (y no blacklite blue).

Lámpara de bronceado

Las lámparas que se usan en las camas de bronceado contienen una mezcla de fósforo diferente (típicamente de 3 a 5 o más fósforos) que emite tanto UVA como UVB, lo que provoca una respuesta de bronceado en la mayoría de la piel humana. Por lo general, la salida tiene una clasificación de 3 a 10 % de UVB (el 5 % más típico) con el resto de UV como UVA. Estas son principalmente lámparas F71, F72 o F73 HO (100 W), aunque las VHO de 160 W son algo comunes. Un fósforo común que se usa en estas lámparas es el disilicato de bario activado con plomo, pero también se usa un fluoroborato de estroncio activado con europio. Las primeras lámparas usaban talio como activador, pero las emisiones de talio durante la fabricación eran tóxicas.

Lámparas médicas UVB

Las lámparas utilizadas en fototerapia contienen un fósforo que emite únicamente luz ultravioleta UVB. Hay dos tipos: UVB de banda ancha que da 290-320 nanómetros con una longitud de onda máxima de 306 nm y UVB de banda estrecha que da 311-313 nanómetros. Debido a la longitud de onda más larga, las bombillas UVB de banda estrecha no causan eritema en la piel como las de banda ancha. Requieren una dosis de 10 a 20 veces mayor para la piel y requieren más bulbos y un tiempo de exposición más prolongado. La banda estrecha es buena para la psoriasis, el eccema (dermatitis atópica), el vitíligo, el liquen plano y algunas otras enfermedades de la piel. La banda ancha es mejor para aumentar la vitamina D3 en el cuerpo.

Lámpara de cultivo

Las lámparas de crecimiento contienen mezclas de fósforo que fomentan la fotosíntesis, el crecimiento o la floración en plantas, algas, bacterias fotosintéticas y otros organismos dependientes de la luz. Estos a menudo emiten luz principalmente en la gama de colores rojo y azul, que es absorbida por la clorofila y utilizada para la fotosíntesis en las plantas.

Lámparas infrarrojas

Las lámparas se pueden fabricar con un fósforo de metaluminato de litio activado con hierro. Este fósforo tiene emisiones máximas entre 675 y 875 nanómetros, con emisiones menores en la parte roja profunda del espectro visible.

Lámparas de bilirrubina

La luz azul profunda generada a partir de un fósforo activado con europio se utiliza en el tratamiento de la ictericia con fototerapia; la luz de este color penetra en la piel y ayuda a disolver el exceso de bilirrubina.

Lámpara germicida

Las lámparas germicidas no contienen fósforo en absoluto, lo que las convierte en lámparas de descarga de gas de vapor de mercurio en lugar de fluorescentes. Sus tubos están hechos de cuarzo fundido transparente a la luz UVC emitida por la descarga de mercurio. La UVC de 254 nm emitida por estos tubos matará los gérmenes y la UV lejana de 184,45 nm ionizará el oxígeno a ozono. Las lámparas con la etiqueta OF bloquean los rayos UV lejanos de 184,45 nm y no producen una cantidad significativa de ozono. Además, la UVC puede causar daños en los ojos y la piel. A veces, los geólogos los utilizan para identificar ciertas especies de minerales por el color de su fluorescencia cuando se les colocan filtros que dejan pasar la luz ultravioleta de onda corta y bloquean la luz visible producida por la descarga de mercurio. También se utilizan en algunos borradores de EPROM. Las lámparas germicidas tienen designaciones que comienzan con G, por ejemplo, G30T8 para 30 vatios, 1 pulgada (2,5 cm) de diámetro,

Lámpara sin electrodos

Las lámparas de inducción sin electrodos son lámparas fluorescentes sin electrodos internos. Están disponibles comercialmente desde 1990. Se induce una corriente en la columna de gas mediante inducción electromagnética. Debido a que los electrodos suelen ser el elemento que limita la vida útil de las lámparas fluorescentes, estas lámparas sin electrodos pueden tener una vida útil muy larga, aunque también tienen un precio de compra más alto.

Lámpara fluorescente de cátodo frío

Las lámparas fluorescentes de cátodo frío se utilizaron como retroiluminación para pantallas LCD en monitores de computadora y televisores antes del uso de pantallas LCD retroiluminadas por LED. También son populares entre los modificadores de carcasas de computadoras en los últimos años.

Demostraciones científicas

Las lámparas fluorescentes pueden iluminarse por otros medios que no sean una conexión eléctrica adecuada. Sin embargo, estos otros métodos dan como resultado una iluminación muy tenue o de muy corta duración, por lo que se ven principalmente en demostraciones científicas. La electricidad estática o un generador Van de Graaff harán que una lámpara parpadee momentáneamente mientras descarga una capacitancia de alto voltaje. Una bobina de Tesla pasará corriente de alta frecuencia a través del tubo y, dado que también tiene un alto voltaje, los gases dentro del tubo se ionizarán y emitirán luz. Esto también funciona con globos de plasma. El acoplamiento capacitivo con líneas eléctricas de alto voltaje puede encender una lámpara continuamente a baja intensidad, dependiendo de la intensidad del campo eléctrico.