6.3: Tipos de Iluminación
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Hay cuatro tipos básicos de iluminación:
- Incandescente
- Fluorescente
- Descarga de alta intensidad
- Sodio de baja presión
Bombillas incandescentes
Thomas Alva Edison inventó la bombilla incandescente con una vida razonable. Lewis Latimer lo ha perfeccionado con el uso de filamento de carbono.
La bombilla incandescente consiste en una bombilla de vidrio sellada con un filamento en su interior. Cuando la electricidad pasa a través del filamento, el filamento se calienta. Dependiendo de la temperatura del filamento, la radiación se emite desde el filamento.
La temperatura del filamento es muy alta, generalmente superior a 2,000º C, o 3,600º F. En una bombilla “estándar” de 60, 75 o 100 vatios, la temperatura del filamento es aproximadamente 2,550º C, o aproximadamente 4,600º F. A altas temperaturas como esta, la radiación térmica del filamento incluye una cantidad significativa de luz visible.
Este principio de obtener luz a partir del calor se llama 'incandescencia”. A esta alta temperatura de 2,000º C, alrededor del 5 por ciento de la energía eléctrica se convierte en luz visible y el resto se emite como calor o radiación infrarroja.
El siguiente video muestra cómo funciona una bombilla incandescente.
Veamos ahora varios tipos diferentes de bombillas incandescentes.
Bombillas incandescentes estándar
Las bombillas incandescentes estándar son las más comunes y, sin embargo, son las más ineficientes. Las bombillas de mayor potencia tienen una mayor eficacia (más lúmenes por vatio) que las bombillas de menor potencia.
Bombillas halógenas de tungsteno
El halógeno de tungsteno es una lámpara incandescente con gases de la familia halógena sellados dentro de la bombilla y un recubrimiento interno que refleja el calor de regreso al filamento, como se muestra en la Figura 6.3.1. Tiene salida de luz similar a una bombilla incandescente regular, pero con menos potencia. Los halógenos en el relleno de gas reducen las pérdidas de material del filamento causadas por la evaporación y aumentan el rendimiento de la lámpara.
Figura 6.3.1. Una lámpara halógena de tungsteno
Bombillas Tubulares Tungsteno-Halógenas
Las bombillas tubulares de tungsteno-halógeno se utilizan comúnmente en las lámparas de pie “torchiere”, como se muestra en la Figura 6.3.2, que reflejan la luz del techo, proporcionando una iluminación general más difusa y adecuada.
Aunque estas proporcionan una mejor eficiencia energética que la bombilla estándar tipo A, estas lámparas consumen cantidades significativas de energía (típicamente de 300 a 600 W) y se calientan mucho (una bombilla tubular de tungsteno-halógeno de 300 W alcanza una temperatura de aproximadamente 2600° C en comparación con aproximadamente 600° C para un fluorescente compacto bombilla). Debido a que las lámparas halógenas de tungsteno funcionan a temperaturas muy altas (lo suficientemente altas como para freír literalmente los huevos), no deben usarse en accesorios que tengan enchufes forrados de papel o celulosa.
Figura 6.3.2. Lámpara halógena tubular de tungsteno
Bombilla Halógena
Una bombilla halógena suele ser de 10 a 20 por ciento más eficiente que una bombilla incandescente ordinaria de voltaje, potencia y esperanza de vida similares. Las bombillas halógenas también pueden tener de dos a tres veces más larga vida útil que las bombillas normales. Cuánto se mejoran la vida útil y la eficiencia depende en gran medida de si se usa un gas de llenado premium (generalmente criptón, a veces xenón) o argón. La Figura 6.3.3 muestra una fotografía tomada con una cámara de infrarrojos comparando el calor producido por una bombilla halógena y una bombilla fluorescente compacta. Las zonas de color rojo y blanco son extremadamente calientes y las zonas azules son más frías.
Figura 6.3.3. Una comparación del calor generado por una bombilla halógena y CFL
Lámparas Reflectores
Lámparas Reflectoras - Las ondas de luz de una bombilla se extienden en todas las direcciones. La luz que va hacia atrás no es útil cuando más se necesita la luz en el frente. Las lámparas reflectoras (Tipo R) están diseñadas para difundir la luz sobre áreas específicas.
Las lámparas reflectoras tienen recubrimiento plateado en los laterales, como cualquier espejo, y por lo tanto todas las ondas de luz que pasan por los lados o la parte posterior se reflejan hacia el frente. Por lo tanto, se les llama lámparas reflectoras y también se les llama focos de iluminación, focos y lámparas de iluminación descendente.
Los videos a continuación muestran la diferencia entre una bombilla de lámpara regular y reflectante.
Lámparas de Reflector Aluminizado Parabólico (PAR)
Las lámparas reflectoras parabólicas aluminizadas (PAR) (mostradas en la Figura 6.3.4) también están disponibles con tecnología halógena para operar a 120 voltios. Un foco incandescente estándar de 150 W se puede reemplazar por una lámpara halógena de menor potencia, lo que reduce el consumo de electricidad hasta en un 40 por ciento.
Figura 6.3.4. Una bombilla reflectora (tipo R)
Bombillas Fluorescentes
La lámpara fluorescente es un avance importante y un éxito comercial en la iluminación a pequeña escala desde la bombilla incandescente de tungsteno original. Estas bombillas son altamente eficientes en comparación con las bombillas incandescentes. La fluorescencia es el fenómeno en el que la absorción de luz de una longitud de onda dada por una molécula fluorescente es seguida por la emisión de luz a longitudes de onda más largas. El siguiente video brinda más información sobre las bombillas fluorescentes.
Una bombilla fluorescente consiste en un tubo de vidrio con un recubrimiento de fósforo, una pequeña cantidad de gas inerte (generalmente argón o criptón), mercurio y un conjunto de electrodos. Los puntos de contacto en la parte exterior del tubo transportan electricidad a la bombilla.
El siguiente video muestra una descripción paso a paso de cómo las lámparas fluorescentes proporcionan luz.
Las lámparas fluorescentes son aproximadamente 2 a 4 veces más eficientes que las lámparas incandescentes para producir luz en las longitudes de onda que son útiles para los humanos. Por lo tanto, funcionan más frías para la misma salida de luz efectiva. Las bombillas en sí mismas también duran mucho más, de 10,000 a 20,000 horas frente a 1,000 horas para una típica incandescencia.
Las luces fluorescentes necesitan balastos (dispositivos que controlan la electricidad utilizada por la unidad) para el arranque y para la protección del circuito. Los balastos requieren energía, y para algún tipo de balastos, la eficiencia solo se logra si la lámpara fluorescente se deja encendida durante largos períodos de tiempo sin ciclos frecuentes de encendido-apagado.
La Figura 6.3.5. muestra una imagen de una lámpara fluorescente de tamaño completo. El ahorro de energía para la iluminación fluorescente existente se puede aumentar mediante:
- re-lamping (por ejemplo, reemplazar una lámpara existente por una de una potencia más baja);
- sustitución de balastos;
- reemplazando los accesorios con modelos más eficientes.
Figura 6.3.5. Lámpara fluorescente de tamaño completo
Las lámparas fluorescentes de tamaño completo están disponibles en varias formas, incluyendo configuraciones rectas, en forma de U y circulares. Los diámetros de las lámparas varían de 1" a 2.5". El tipo de lámpara más común es la lámpara fluorescente recta de cuatro pies (F40), 1.5" de diámetro (también llamada T12). Las lámparas fluorescentes más eficientes ahora están disponibles en diámetros más pequeños, incluyendo el 1.25 "(también llamado T10) y 1" (también llamado T8).
Las lámparas fluorescentes están disponibles en temperaturas de color que van desde colores cálidos (2700 K) “incandescentes” hasta colores muy fríos (6500 K) “luz del día”.
El blanco frío (4100 K) es el color de la lámpara fluorescente más común. El blanco neutro (3500 K) se está volviendo popular para el uso de oficinas y minoristas.
Lámparas Fluorescentes Compactas
Las lámparas fluorescentes compactas (CFL) son lámparas fluorescentes miniaturizadas que generalmente tienen fósforos premium que a menudo vienen empaquetados con balasto integral o modular, como se muestra en la Figura 6.3.6.
Figura 6.3.6. Tipos de bombillas fluorescentes compactas en el mercado
Las CFL vienen en una variedad de tamaños y formas, como se muestra en la Figura 6.3.7, incluyendo (a) integral de doble tubo, (b y c) integral de triple tubo, (d) modelo integral con carcasa que reduce el deslumbramiento, (e) circlina modular y balasto, y (f) cuatritubo modular y balasto. Las CFL se pueden instalar en accesorios incandescentes regulares y consumen menos de un tercio de la electricidad que las lámparas incandescentes.
Las CFL tienen las siguientes características. Ellos:
- Por lo general, tienen una base de tornillo estándar que se puede instalar en casi cualquier lámpara de mesa o accesorio de iluminación que acepte una lámpara incandescente.
- Vienen en una variedad de tamaños y formas y están siendo utilizados como alternativas de ahorro de energía a las lámparas incandescentes.
- Tener una vida mucho más larga: 6,000 a 20,000 horas (10 a 20 veces más), en comparación con 750 a 1000 horas para una incandescencia estándar.
- Puede reemplazar las bombillas incandescentes que son aproximadamente de 3 a 4 veces su potencia, pero pueden costar hasta 10 veces más que las bombillas incandescentes comparables.
- Son una de las mejores inversiones de eficiencia energética disponibles. A pesar de que cuestan más, son muy económicos a la larga.
Figura 6.3.7. CFL
Descarga de Alta Intensidad
Las lámparas de descarga de alta intensidad (HID) son similares a las fluorescentes en que se genera un arco entre dos electrodos. El arco en una fuente HID es más corto, pero genera mucha más luz, calor y presión dentro del tubo de arco.
A continuación se muestran las fuentes HID, enumeradas en orden creciente de eficacia (lúmenes por vatio):
- vapor de mercurio
- haluro metálico
- sodio de alta presión
- sodio de baja presión
Al igual que las luces fluorescentes, HID también requiere balastos, y tardan unos segundos en producir luz cuando se encienden por primera vez porque el balasto necesita tiempo para establecer el arco eléctrico.
Información Adicional
Originalmente desarrolladas para aplicaciones industriales y exteriores, las lámparas HID ahora se utilizan en aplicaciones de oficina, venta minorista y otras aplicaciones de interior. Sus características de reproducción cromática han sido mejoradas y recientemente se han vuelto disponibles menores vatajes (tan bajos como 18 vatios).
El Cuadro 6.3.1 analiza los detalles de las lámparas HID.
Cuadro 6.3.1. Ventajas y desventajas de las lámparas HID
| Ventajas | Desventajas |
|---|---|
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Información Adicional
Cuando las lámparas HID alcanzan el tiempo de “reactivación”, los gases dentro de la lámpara están demasiado calientes para ionizarse, y se necesita tiempo para que los gases se enfríen y la presión caiga antes de que el arco vuelva a encenderse. Este proceso de reactivación toma entre 5 y 15 minutos, dependiendo de qué fuente HID se esté utilizando. Por lo tanto, las buenas aplicaciones de las lámparas HID son áreas donde las lámparas no se encienden y apagan intermitentemente.
Tipos de lámparas HID
Lámparas de vapor de mercurio
Las lámparas de vapor de mercurio, que se muestran en la Figura 6.3.8, son ampliamente utilizadas para iluminar áreas tanto interiores como exteriores como gimnasios, fábricas, tiendas departamentales, bancos, autopistas, parques y campos deportivos.
Las lámparas de vapor de mercurio consisten en un tubo de descarga de arco interno construido de cuarzo rodeado por una envoltura externa de vidrio de borosilicato duro. La radiación UV de onda corta, resultado de la descomposición de los electrones de los átomos de mercurio de un estado excitado a un estado estable, se transmite fácilmente a través del tubo interno de cuarzo, pero es prácticamente bloqueada por la envoltura exterior de vidrio durante el funcionamiento normal.
Figura 6.3.8. Lámpara de vapor de mercurio
Lámparas de halogenuros metálicos
Las lámparas de halogenuros metálicos son similares a las lámparas de vapor de mercurio pero utilizan aditivos de halogenuros metálicos dentro del tubo de arco junto con el mercurio y el argón. Estos aditivos permiten que la lámpara produzca más luz visible por vatio con una mejor reproducción del color.
Los vatajes varían de 32 a 2,000, ofreciendo una amplia gama de aplicaciones en interiores y exteriores. La eficacia de las lámparas de halogenuros metálicos oscila entre 50 y 115 lúmenes por vatio, típicamente aproximadamente el doble que el vapor de mercurio.
Debido a la buena reproducción del color y la alta salida de lúmenes, estas lámparas son buenas para estadios y estadios deportivos. Los usos interiores incluyen grandes auditorios y salones de convenciones. Estas lámparas a veces se utilizan para la iluminación general al aire libre, como las instalaciones de estacionamiento, pero un sistema de sodio de alta presión suele ser una mejor opción.
El Cuadro 6.3.2 analiza las lámparas de halogenuros metálicos.
Cuadro 6.3.2. Ventajas y desventajas de las lámparas de halogenuros metálicos
| Ventajas | Desventajas |
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Lámparas de Sodio de Alta Presión (HPS)
La lámpara de sodio de alta presión (HPS) es ampliamente utilizada para aplicaciones industriales y exteriores. Su mayor eficacia lo convierte en una mejor opción que el haluro metálico para estas aplicaciones, especialmente cuando una buena reproducción del color no es una prioridad.
Las lámparas HPS difieren de las lámparas de mercurio y halogenuros metálicos en que no contienen electrodos de arranque; el circuito de balasto incluye un arrancador electrónico de alto voltaje. El tubo de arco está hecho de un material cerámico que puede soportar temperaturas de hasta 2,372°F. Está lleno de xenón para ayudar a iniciar el arco, así como una mezcla de gases de sodio y mercurio.
La eficacia de la lámpara HPS es muy alta (tanto como 140 lúmenes por vatio). Por ejemplo, una lámpara de sodio de alta presión de 400 vatios produce 50,000 lúmenes iniciales. La misma lámpara de halogenuros metálicos de potencia produce 40,000 lúmenes iniciales, y la lámpara de vapor de mercurio de 400 vatios produce solo 21,000 inicialmente.
El sodio, el principal elemento utilizado, produce el color “dorado” que es característico de las lámparas HPS. Aunque las lámparas HPS generalmente no se recomiendan para aplicaciones donde la reproducción cromática es crítica, las propiedades de reproducción de color HPS se están mejorando. Algunas lámparas HPS ahora están disponibles en colores “deluxe” y “blanco” que proporcionan una temperatura de color más alta y una mejor reproducción del color. La eficacia de las lámparas HPS “blancas” de baja potencia es menor que la de las lámparas de halogenuros metálicos (los lúmenes por vatio de haluro metálico de baja potencia son 75-85, mientras que el HPS blanco es 50-60 LPW).
Lámparas de Sodio de Baja Presión
Las lámparas de sodio de baja presión, que producen hasta 180 lúmenes por vatio, tienen la mayor eficacia de todas las fuentes de iluminación disponibles comercialmente. En la Figura 6.3.9 se muestra una lámpara de sodio de baja presión.
A pesar de que emiten una luz amarilla, una lámpara de sodio de baja presión NO debe confundirse con una lámpara de sodio de alta presión estándar, que es una lámpara de descarga de alta intensidad.
Figura 6.3.9. Lámpara de sodio de baja presión
Las lámparas de sodio de baja presión funcionan como las lámparas fluorescentes y requieren balasto. Las lámparas también son físicamente grandes, aproximadamente 4 pies de largo para el tamaño de 180 vatios, por lo que la distribución de la luz de los accesorios es menos controlable. Hay un breve período de calentamiento para que la lámpara alcance el brillo completo.
Con un CRI de 0, se utilizan lámparas de sodio de baja presión donde la reproducción del color no es importante pero la eficiencia energética sí. Se usan comúnmente para iluminación al aire libre, carreteras, estacionamientos y caminos. Las lámparas de sodio de baja presión se prefieren alrededor de los observatorios astronómicos porque la luz amarilla se puede filtrar de la luz aleatoria que rodea el telescopio.