Lámparas de Incandescencia

Lámparas de Incandescencia

• La luz se genera por agitación térmica de los átomos del filamento, generalmente de wolframio.
• La atenuación de la luz es suave.
• Al alterar la corriente, la temperatura de color de la proyección cambia.
• Emite un espectro continuo, resultando en una buena reproducción cromática de los colores.
• Se pueden montar en una amplia gama de soportes, se conectan a la red directamente y no precisan equipos auxiliares.
• Son seguras y relativamente fáciles de mantener.
• La eficiencia lumínica es baja, aproximadamente 15lm/w.
• La mayor parte de la energía se pierde como calor y radiación no visible (85% infrarrojo).
• Tienen un filamento largo que genera sombras.
• A medida que envejecen, la temperatura de color y la intensidad luminosa disminuyen debido al ennegrecimiento de la ampolla.
• Tienen una larga vida de iluminación en relación con la velocidad a la que decrece la calidad.
• Se están sustituyendo por lámparas de mayor rendimiento, principalmente lámparas fluorescentes compactas y LED, según directivas de la UE y la CIE.

Duración y Regulación

• La duración está normalizada en aproximadamente 1000 horas para las lámparas normales
• Factores externos como la temperatura y las desviaciones de tensión afectan su funcionamiento.
• La modificación de la tensión que alimenta la lámpara acorta su vida útil, pero existen dimmers de curva invertida para evitarlo.
• La modificación de la tensión causa cambios en la temperatura de color.

Lámparas Tungsteno Halógena

• Aprovechan el ciclo regenerativo del halógeno para prevenir el oscurecimiento de la ampolla, a diferencia de las lámparas incandescentes convencionales.
• El wolframio evaporado se combina con el halógeno formando un compuesto gaseoso wolframiohalógeno.
• Al entrar en contacto con el filamento incandescente, se descompone, depositando el wolframio nuevamente en el filamento y liberando el halógeno para continuar el ciclo.
• El halógeno ayuda a conservar el filamento, lo que se asemeja a las bombillas incandescentes normales.
• El envejecimiento es más lento.
• La temperatura del color se mantiene constante por más tiempo, aproximadamente 3200K.
• La intensidad lumínica también se mantiene constante por más tiempo.
• La eficiencia lumínica es mayor (25lm/w).
• El tamaño es más pequeño, evitando sombras más suaves
• Son calientes y quebradizas
• No se deben tocar con las manos para evitar la acción del sudor
• Pueden ser MBT (12V) que precisan transformador (230-12V).
• Pueden ser BT (230V) que no precisan transformador.

Lámparas de Descarga

• Son más eficientes y más económicas que las incandescentes.
• La luz se genera al excitar un gas dentro de un tubo mediante una descarga eléctrica entre dos electrodos.
• Pueden ser de descarga de vapor de mercurio o de vapor de sodio, con versiones de baja y alta presión.

Tipos de lamparas de descarga

• Lámparas de descarga en vapor de mercurio:

• A baja presión (VMBP)

• A alta presión (VMAP)

• Lámparas de descarga en vapor de sodio:

• A Baja Presión (VSBP)

• A Alta Presión (VSAP)

• El principio de funcionamiento de las lámparas de descarga es el siguiente

• Se establece una corriente eléctrica entre dos electrodos dentro de la lámpara, que contiene un gas de relleno o vapor ionizado.

• Como resultado de la diferencia de potencial entre los electrodos se crea una circulación de electrones a través del gas.

• Cuando un electrón colisiona con los electrones de las capas externas de los átomos, les transmite energía.

• La energía transmitida puede ser suficiente para liberar un electrón de su órbita estable, lo que provoca una reacción en cadena que, si no se limita, puede destruir la lámpara.

• Si la energía no es suficiente para liberar un electrón, este ocupa un orbital inestable de mayor energía y libera energía en forma de radiación electromagnética, ultravioleta o visible, al volver a su estado orbital estable.

• El espectro de emisión es discontinuo.

• La capacidad de reproducción de los colores es generalmente inferior a las lámparas incandescentes

• Para aumentar la eficacia y mejorar la reproducción de colores, el tubo puede ser recubierto con sustancias fluorescentes que transforman la radiación ultravioleta en luz visible.

Elementos Auxiliares

• Cebadores/Arrancadores : Proveen el pico de tensión inicial entre los electrodos para iniciar la descarga.
• Reactancia : Limitan el exceso de corriente.
• Elementos comunes en una lámpara de descarga:
  • Tubo de descarga, electrodos, ampolla exterior, casquillo o electrodos de conexión.

Lámparas Fluorescentes

• Son lámparas de descarga en vapor de mercurio a baja presión (0.8 Pa) con recubrimiento de polvo fluorescente.
• Las características cromáticas, la cantidad de luz y la temperatura de color dependen de la composición del recubrimiento
• Emplean un gas en el interior de la lámpara.
• Características básicas:
• Vida útil: 5,000-7,000 h (compactas alcanzan 10,000 h.)
• Alta eficiencia energética: 38-91 lm/W.
• Apariencia de color: diferentes blancos, tonos fríos
• Temperatura de color: 2,600-6,500 °K
• Buena o excelente reproducción del color. IRC Ra 80-90

Lámparas de Vapor de Mercurio a Alta Presión

• La descarga se produce en un tubo de cuarzo con mercurio y un gas inerte que ayuda al encendido.
• Parte de la descarga se emite como radiación visible y otra como radiación ultravioleta (UV).
• Las bombillas se recubren con un polvo fluorescente (vanadio de itrio) para convertir la radiación UV en radiación visible.
• Características básicas:
• Iluminación industrial general, áreas deportivas, aeropuertos y alumbrado público
• Vida útil: 8000 h (con depreciación), 16000 h (sin depreciación)
• Apariencia de color: Azulado-verde; Blanco
• Temperatura de color: 3500, 4500 K
• Reproducción de color: IRC: Ra 40-45
• Necesitan 4-5 min para encender.
• Precisan equipos auxiliares para el arranque

Principio de funcionamiento (Vapor de Mercurio a Alta Presión)

• Se usa un electrodo auxiliar para la ignición.
• Requieren de un balasto.

Vapor de Mercurio de Alta Presión: Luz Mezcla

• Combinación de una lámpara de vapor de mercurio a alta presión y una lámpara incandescente con recubrimiento fosforescente.
• Diseñados para contrarrestar la luz azulada de las lámparas de VMAP superponiendo el espectro continuo de la lámpara incandescente.
• Características de operación diferentes a las lámparas VMAP o incandescentes separadas.
• Características básicas:
• Alumbrado público y sustitución de lámparas Incandescentes
• Vida útil: 6000 h (considerando depreciación)
• Eficiencia energética baja: (alto nivel de pérdidas por calor)
• Apariencia de color: Blanco
• Temperatura de color: 3600 K
• Reproducción del color: IRC Ra 60.
• Tiempo de encendido: 2 minutos
• Eficacia: 20 ÷ 60 lm/W.

Vapor de Mercurio de Alta Presión: Halogenuros Metálicos (HMI)

• Lámparas VMAP a las que se han añadido halogenuros (yoduros) metálicos (sodio, talio, indio, disprosio, holmio, tulio).
• Cada sustancia añadida crea nuevas líneas en el espectro, resultando en un rendimiento del color IRC de 65-85 y una temperatura de color de 3000-6000K.
• El encendido toma alrededor de 10 minutos.
• Se precisa un balastro.
• Características básicas:
• Buena reproducción cromática
• Vida útil: 10000 h
• Eficiencia energética media: (alto nivel de pérdidas por calor)
• Apariencia de color: Blanco frío
• Temperatura de color: 3000-6000K
• Reproducción del color: IRC: Ra 65-85.
• Tiempo de encendido: media 10 minutos.
• Alta relación potencia/flujo luminoso.
• Se precisa equipos especiales para el arranque

Aplicaciones en Producción (HMI)

• Usadas en producciones de cine y televisión por su aceptable índice de reproducción cromática y eficiencia energética
• La instalación y el uso de este tipo de lámparas implica altos riesgos laborales.
• Riesgos incluyen emisión de radiación ultravioleta e infrarroja.

Lámparas de Vapor de Sodio a Baja Presión

• Emiten una radiación monocromática de color amarillo
• La radiación emitida está muy próxima al máximo de sensibilidad del ojo humano, lo cual se traduce en una eficacia luminosa muy elevada.
• El monocromatismo amarillo provoca una mala reproducción de colores, imposibilitando distinguir los colores de los objetos.
• Características básicas:
• Grandes áreas que no precisan una buena reproducción de colores.
• Alumbrado público viario, autopistas, puertos, pasos subterráneos, etc.
• Vida útil: 6000 – 8000 h
• Apariencia de color: Amarillo monocromático
• Temperatura de color: 1800 ºK
• Reproducción de color: Baja
• Tiempo de encendido: 10 minutos
• Alta relación potencia/flujo luminoso.
• Se precisa equipos auxiliares para el arranque

Lámparas de Vapor de Sodio a Alta Presión

• En su interior hay sodio, vapor de mercurio (que actúa como amortiguador de la descarga) y xenón (que facilita el arranque y reduce las pérdidas térmicas).
• Tiene una distribución en el espectro visible mayor que las de baja presión.
• Permiten una reproducción de los colores mucho mejor que las de baja presión.
• Características básicas:
• Usos: Iluminación pública, industrial y decorativa.
• Vida útil: 8000 – 12000 h Apariencia de color: Blanco amarillento (Blanco dorado)
• Temperatura de color: 2000 - 2200 K
• Reproducción de color: IRC Ra 20 - 40
• Tiempo de encendido: muy breve
• Se precisa equipos auxiliares para el arranque
• Alta relación Potencia / Flujo luminoso

Estructura Atómica y las Lámparas LED

• El átomo se compone de protón (carga positiva en el centro), electrón (carga negativa en distintos niveles del exterior) y neutrón (partícula neutra en el centro).

• La carga del protón y el electrón son iguales y contrarias.

• Los átomos tienen el mismo número de electrones que de protones, siendo su carga neutra.

• Cada elemento se diferencia por el número de protones, neutrones y electrones. El número atómico es el número de protones en un átomo, siendo esta característica particular a cada elemento.

• En el Diagrama de Moeller los electrones se colocan en la periferia del núcleo completando el orden de llenado de los orbitales (niveles y subniveles).

• Los subniveles son: s (2 electrones), p (6 electrones), d (10 electrones), f (14 electrones).

• Los átomos buscan estabilidad completando los niveles/subniveles de electrones que sean posibles.

Clasificación de Materiales según su Conductividad

• Aislantes: No conducen la corriente eléctrica.

• Conductores: Conducen la corriente eléctrica con facilidad.

• Semicunductores: Pueden comportarse como aislantes o como conductores, en función de las circunstancias.

• El silicio tiene un número atómico de 14, con una distribución electrónica de 1s2 2s2 + 2p6 + 3s2 + 3p2.

• En el nivel 3 tiene 4 electrones, y le faltan 4 electrones para completar un nivel 3s2+3p6.

• El silicio sin impurezas es un material aislante, con los atomos compartiendo los electrones de la ultima capa en enlaces covalentes.

La Unión PN y los Semiconductores

• Los electrones de la última capa se sitúan en la banda de valencia, y si reciben energía, pueden pasar a la banda de conducción.

• El silicio sin impurezas es un material aislante, constituyendo un semiconductor intrínseco con electrones estables completando un nivel.

• Un semiconductor N se obtiene añadiendo átomos pentavalentes al silicio.

• Un semiconductor P se obtiene añadiendo átomos trivalentes al silicio.

• Al unirse dos semiconductores dopados, los electrones libres del semiconductor N cerca de la unión, saltan al semiconductor P para completar los enlaces.

• Por cada electrón que salta de la zona N a ka zona P, aparece una carga negativa en la zona P y una carga positiva en la zona N.

• Al cabo de un tiempo, cerca de la unión, surge una banda de guarda cargada negativamente en la zona P y positivamente en la zona N.

• Estas cargas producen un campo eléctrico de N a P que se opone a que pasen más electrones de N a P.

Polarización de los Diodos LED

• Polarización Directa: Cuando la tensión aplicada supera la energía necesaria para que los electrones salten la zona P al N se mueven por la zona N y luego por la zona P hasta salir del diodo

• Polarización Inversa: Los electrones del polo negativo penetran en la zona P y se llenan huecos, pero no puede continuar porque no hay huecos en la zona N. En un diodo polarizado inversamente no fluye corriente.

• Al saltar la unión los electrones emiten energía que se cuantifica en función de la constante de Planck

• La energía emitida depende del material de la unión PN, determinando la longitud de onda de la emisión.

• La emisión puede ser en el espectro visible (filtrado de salida) o en el espectro no visible -> Recubrir el LED con fósforos que reaccionan con la luz emitida a la longitud de onda de la unión.

Generación de los Blancos

• La generación de blancos (con distintas temperaturas de color) se consigue con una capa de fosforo en la lente que recubre el led (chip azul, de emisión ultravioleta)
• En función de dicha lente, del grosor de la capa de deposición y del diagrama de emisión del chip, se pueden general distintas temperaturas de color en función del ángulo de emisión.

El Bineado de los LED

• Las elipses de MacAdam son superficies cerradas donde el ojo no pueden distinguir un cambio de color.
• Las elipses de MacAdam se utiliza en la tecnología led con el concepto de "bin" para la zona de blancos, determinando 38 bins: blancos neutros, rojizos y azulados.

Dimerización con los LEDS

• Al modificar la cantidad de electrones que pasan por la unión de los diodos, se varía la intensidad de la luz.

• Hay dos métodos principales para regular la intensidad de los LED:

• PWM (modulación de pulso): Se controla la intensidad según un porcentaje del con respecto al nivel bajo, lo cual puede producir parpadeo y no modifica la temperatura del color.

• Corriente: No produce parpadeo pero sí modificación de la temperatura del color.

Temperatura de la Unión y Refrigeración

• El flujo elevado de corriente en la unión PN causa un incremento en la temperatura.

• Es importante disipar el calor evitando que se caliente distribuyendo los electrones de dicha zona ya que de no hacer esto se modificaría la distribución de los electrones en la zona lo cual dañaría el funcionamiento.

• Las lámparas LED profesionales incorporan

• Sistema de gestión de la temperatura en el chip con sensor de temperatura y sistema de control.

• Refrigeración pasiva con disipador de calor para transferir el calor.

• Refrigeración activa con ventilador (La velocidad del ventilador se puede regular).

• Existe una relación entre el tipo de refrigeración y la vida útil.