Lámpara fluorescente y principio de funcionamiento de la lámpara fluorescente

¿Qué es una lámpara fluorescente?

Una lámpara fluorescente es una lámpara de vapor de mercurio de bajo peso que utiliza la fluorescencia para producir luz visible. Una corriente eléctrica en el gas energiza el vapor de mercurio, que produce radiación ultravioleta mediante un proceso de descarga, y esta radiación ultravioleta hace que la capa de fósforo en la pared interna de la lámpara emita luz visible.

Una lámpara fluorescente ha convertido la energía eléctrica en energía luminosa mucho más eficientemente que las lámparas incandescentes. La eficacia luminosa normal de los sistemas de iluminación fluorescente es de 50 a 100 lúmenes por vatio, lo que es varias veces la eficacia de las lámparas incandescentes con un rendimiento lumínico equivalente.

¿Cómo funciona una lámpara fluorescente?

Antes de explicar el principio de funcionamiento de una lámpara fluorescente, primero mostraremos el circuito de una lámpara fluorescente, o sea, el circuito de una tubo de luz.

Aquí conectamos un balasto, un interruptor y la alimentación en serie como se muestra. Luego conectamos el tubo fluorescente y un arrancador a través de él.

• Cuando encendemos la alimentación, la tensión completa llega a la lámpara y también al arrancador a través del balasto. Pero en ese instante, no ocurre ninguna descarga, es decir, no hay salida lumínica de la lámpara.

• En ese momento, la descarga de brillo se establece primero en el arrancador. Esto se debe a que la brecha entre los electrodos en el bulbo de neón del arrancador es mucho menor que la de la lámpara fluorescente.

• Luego, el gas dentro del arrancador se ioniza debido a esta tensión completa y calienta la tira bimetálica. Esto causa que la tira bimetálica se doble para conectar con el contacto fijo. Ahora, la corriente comienza a fluir a través del arrancador. Aunque el potencial de ionización del neón es mayor que el del argón, debido a la pequeña brecha entre los electrodos, aparece un gradiente de voltaje alto en el bulbo de neón y, por lo tanto, la descarga de brillo comienza primero en el arrancador.

• Tan pronto como la corriente comienza a fluir a través de los contactos tocados del bulbo de neón del arrancador, la tensión a través del bulbo de neón se reduce ya que la corriente provoca una caída de tensión a través del inductor (balasto). Sin tensión o con tensión reducida a través del bulbo de neón del arrancador, no habrá más descargas de gas y, por lo tanto, la tira bimetálica se enfriará y se separará del contacto fijo. En el momento de la ruptura de los contactos en el bulbo de neón del arrancador, la corriente se interrumpe, y por lo tanto, en ese momento, surge un gran pico de tensión a través del inductor (balasto).

  

• Este pico de tensión de alto valor llega a los electrodos de la lámpara fluorescente (tubo de luz) e impacta la mezcla de penning (mezcla de gas argón y vapor de mercurio).

• El proceso de descarga de gas se inicia y continúa, y por lo tanto, la corriente vuelve a tener un camino para fluir a través del tubo de la lámpara fluorescente (tubo de luz) mismo. Durante la descarga de la mezcla de gas de penning, la resistencia ofrecida por el gas es menor que la resistencia del arrancador.

• La descarga de átomos de mercurio produce radiación ultravioleta que, a su vez, excita el polvo fosforescente para emitir luz visible.

• El arrancador se inactiva durante el encendido de la lámpara fluorescente (tubo de luz) porque no pasa corriente a través del arrancador en esa condición.

Física detrás de la lámpara fluorescente

Cuando se aplica un voltaje suficientemente alto a través de los electrodos, se establece un fuerte campo eléctrico. Una pequeña cantidad de corriente a través de los filamentos de los electrodos calienta el filamento de la bobina. Como el filamento está recubierto de óxido, se produce una cantidad suficiente de electrones, y estos se desplazan desde el electrodo negativo o cátodo hacia el electrodo positivo o ánodo debido a este fuerte campo eléctrico. Durante el movimiento de los electrones libres, se establece el proceso de descarga.

El proceso de descarga básico siempre sigue tres pasos:

1. Los electrones libres se derivan de los electrodos y se aceleran por el campo eléctrico aplicado.

2. La energía cinética de los electrones libres se convierte en la energía de excitación de los átomos de gas.

3. La energía de excitación de los átomos de gas se convierte en radiación.

En el proceso de descarga, se produce una única línea espectral ultravioleta de 253.7 nm a una presión baja de vapor de mercurio. Para generar el rayo ultravioleta de 253.7 nm, la temperatura del bulbo se mantiene entre 105 a 115°C. La relación longitud-diámetro del tubo debe ser tal que ocurra una pérdida de vatios fija en ambos extremos. Donde ocurre esta pérdida de vatios o brillo de los electrodos se llama región de caída de cátodo y ánodo. Esta pérdida de vatios es muy pequeña. Además, los cátodos deben estar recubiertos de óxido. El cátodo caliente proporciona una abundancia de electrones libres. Los cátodos calientes, es decir, aquellos electrodos que se calientan mediante la corriente circulante, y esta corriente circulante se proporciona mediante un estrangulador o equipo de control. Algunas lámparas tienen cátodos fríos también. Los cátodos fríos tienen un área efectiva mayor y un voltaje más alto, como 11 kV, se aplica a través de ellos para obtener iones. El gas comienza a descargarse debido a la aplicación de este alto voltaje. Pero a 100 a 200 V, el brillo del cátodo se separa del cátodo, lo que se llama caída de cátodo. Esto proporciona un suministro grande de iones que se aceleran hacia el ánodo para producir electrones secundarios al impacto, lo que a su vez produce más iones. Pero la caída de cátodo en la descarga de cátodo caliente es solo de 10 V.

Historia e invención de la lámpara fluorescente

• En 1852, Sir George Stokes había descubierto la transformación de la radiación ultravioleta en radiación visible.

• Desde ese momento hasta 1920, se realizaron varios tipos de experimentos para desarrollar descargas eléctricas de baja y alta presión en vapor de mercurio y sodio. Pero todos los circuitos desarrollados eran ineficientes para transformar la radiación ultravioleta en visible. Esto se debía a que los electrodos no podían emitir suficientes electrones para establecer el fenómeno de descarga de arco. Además, muchos de los electrones colisionaban con los átomos de gas de manera elástica, por lo que la excitación no creaba una línea espectral para ser utilizada. Sin embargo, se realizó muy poco trabajo en lámparas fluorescentes.

• Pero en la década de 1920, se produjo un avance importante. Se descubrió que la mezcla de vapor de mercurio y gas inerte a baja presión es 60% eficiente para convertir la potencia de entrada eléctrica en una sola línea espectral a 253.7 nm. El rayo ultravioleta se convierte en rayos de luz visibles mediante el uso de material fluorescente adecuado dentro de la lámpara. A partir de ese momento, la lámpara fluorescente comenzó a introducirse en la vida diaria de las personas.

• Más tarde, en 1934, el Dr. W. L. Enfield recibió un informe del Dr. A. H. Crompton sobre el uso de lámparas con revestimiento fluorescente. Inmediatamente, Enfield formó un equipo de investigación y comenzó a crear lámparas fluorescentes comerciales. En 1935, su equipo produjo un prototipo de lámpara fluorescente verde que tenía una eficiencia de aproximadamente 60%.

• Dos años y medio después, las lámparas fluorescentes se introdujeron en blanco y seis otros colores en el mercado. Se utilizan diversas mezclas de polvo fosforescente para producir diversos colores en las lámparas fluorescentes. La primera lámpara se introdujo con 15, 20 y 30 W en longitudes de 18, 25 y 36 pulgadas.

• Pronto, se introdujo la lámpara T12 de 40 W, 4 pies, y se utilizó ampliamente en la iluminación de oficinas, escuelas e industrias. Las primeras lámparas producían una luz algo amarillenta a 3500K. Posteriormente, se desarrollaron lámparas de luz diurna de 6500K de manera que producen una luz que simula la luz promedio del cielo norte en un día nublado.

• Generalmente, las lámparas de 4 pies, con 1.5 pulgadas de diámetro, 40 W estuvieron disponibles en el mercado en 1940. Pero gradualmente, el diseño cambió para una mejor utilización. En la parte de descarga de arco de las lámparas se hizo un cambio. Pero aún se usa argón, aunque a una presión algo menor que la anterior. El vapor de mercurio se mantiene a la misma presión que antes. Esta lámpara requiere 425 mA con 100 a 105 V de caída de tensión.

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