Introducción

Si sos electricista o técnico este informe te va a resultar útil. En el mismo se detalla el funcionamiento de las lámparas fluorescentes y las variantes de equipos auxiliares para su correcto funcionamiento (balastos).

Lámparas fluorescentes

Generalidades

Las lámparas fluorescentes son fuentes luminosas consecuencia de una descarga eléctrica en atmósfera de vapor de mercurio a baja presión, en las que la luz se genera por el fenómeno de la fluorescencia.
Este fenómeno consiste en que determinadas sustancias luminiscentes, al ser excitadas por la radiación ultravioleta invisible del vapor de mercurio a baja presión, transforman esta radiación en otra radiación visible.
La lámpara fluorescente normal consta de un tubo de vidrio de diámetro y longitud variable según la potencia, recubierto internamente de una capa de sustancia fluorescente. En los extremos del tubo se encuentran los cátodos de wolframio impregnados de una pasta emisora de electrones. Interiormente tiene un gas noble (argon, kripton, etc.) enrarecido con átomos de mercurio.

Funcionamiento

El mecanismo de generación de luz visible de las lámparas fluorescentes es el siguiente:

Funcionamiento de lámparas fluorescentes

Conectada la lámpara en su circuito eléctrico correspondiente, la corriente que atraviesa los cátodos, los calienta y emiten electrones. Una vez que se ha establecido en el interior de la lámpara la nube de electrones susceptibles de movimiento, se aplica una sobretensión entre los extremos de la lámpara (por apertura brusca del arrancador e interacción de la reactancia). Los electrones pasan de un cátodo a otro a través de la atmósfera de argón del interior del tubo, iniciándose la descarga.
El calor producido por la descarga evapora rápidamente el mercurio por lo que la descarga se mantiene en una atmósfera de mayor conductividad, mezcla del gas argón y del vapor de mercurio.
Los electrones, en su recorrido de un cátodo al otro, chocan con los átomos de mercurio desprendiendo una energía que se transforma en radiación ultravioleta invisible, capaz de excitar la sustancia fluorescente de la capa que recubre interiormente el tubo, convirtiéndose en luz visible.
Las lámparas fluorescentes, como todas las de descarga, presentan el fenómeno denominado como resistencia negativa, esto significa que cuando la tensión entre los extremos de la lámpara disminuye la corriente a través de ella aumenta, por lo que no pueden ser conectadas directamente a la red de alimentación sin un dispositivo que controle la intensidad de corriente que circule por ellas. Este dispositivo es lo que habitualmente se conoce como reactancia o balasto.

Circuito clásico con arrancador

electronico

Como hemos mencionado el balasto es el encargado fijar el punto de funcionamiento de la lámpara pero a su vez, en conjunto con el arrancador, proporcionan la sobretensión necesaria para la ignición de la lámpara y el precalentamiento de los filamentos encargados de emitir electrones para favorecer el arranque de la lámpara.
Para que la lámpara entre en régimen permanente, deben ocurrir las siguientes etapas:

1. Etapa de precaldeo o precalentamiento

Cuando la lámpara se encuentra apagada, se dice que esta en estado de alta impedancia o sea que no es posible que circule corriente a través de ella. Pero el arrancador en un principio se encuentra cerrado entre sus bornes, lo que da lugar a un circuito serie conformado por los filamentos de la lámpara y el balasto.

lámpara

Como se observa en la imagen anterior al quedar conformado el circuito serie, da lugar a la circulación de una corriente denominada “Corriente de cortocircuito Icc”. La cual esta dada por la tensión de red dividido la suma vectorial de los filamentos y la impedancia del balasto.
Esta corriente calienta los filamentos y logra desprender electrones de los cátodos generando las condiciones propicias para la ignición de la lámpara. Cabe destacar que esta corriente es de aproximadamente el doble de la funcionamiento nominal de la lámpara.

2. Etapa de ignición

Una vez cumplida la etapa de precaldeo, los contactos del arrancador se abren generando por autoinducción una sobretensión en el balasto que aparece entre los extremos de la lámpara, que provoca la ignición de la misma.

3. Etapa en régimen permanente

Una vez encendida la lámpara, el balasto limita y estabiliza la corriente de funcionamiento de la misma. El arrancador no actúa más dado que la tensión que aparecen entre los extremos del mismo no alcanza para que los contactos se cierren nuevamente. Entonces la corriente va a circular solo por el gas contenido dentro de la lámpara.

El balasto

El balasto no es nada más y nada menos que una impedancia diseñada con un valor tal que limite la corriente de la lámpara para la cual fue destinado.
El mismo esta constituido por una bobina de alambre esmaltado de cobre de grado de aislamiento 1, un carrete de material auto extinguible tipo poliamida, un núcleo laminado tipo E I de chapa hierro silicio y su correspondiente bornera de conexión. El balasto se encuentra relleno de resina poliéster para mejorar la disipación térmica y reducir las vibraciones generadas por el campo magnético en el núcleo.
Idealmente el balasto sería una inductancia pura de un determinado valor lo que daría el nombre de reactancia pura, pero al estar compuesto un bobinado de cobre y núcleo de hierro silicio que poseen una resistencia equivalente traduciéndose en pérdidas de potencia, no es una reactancia pura dado que esta compuesta por una parte inductiva y otra, en menor proporción, resistiva. Por ejemplo en un balasto comercial para una lámpara de 36W las características serían las siguientes (en régimen permanente):

Ubalasto = 170V Ilámp=Ibal= 0.430A Pperdida = 10W

Entonces:

Z = 395 ohm XL = 391 ohm R = 54 ohm Cos φ= 0.136

Para lograr la impedancia requerida, al balasto se le ajustan el número de espiras o el entrehierro que existe entre la E y la I del núcleo. Esto es siempre contemplando que el núcleo posee características de saturación a una determinada inducción.

El arrancador

El arrancador esta compuesto por dos bimetales enfrentados dentro de una ampolla de vidrio con gas argón y neón.
En un principio los bimetales se encuentras separados, pero al conectar la tensión de línea en el sistema, esta aparece entre los dos bimetales ionizando el gas contenido dentro de la ampolla, lo que genera calor deformando los bimetales poniéndose en contacto cerrando el circuito, en el momento que estos se unieron la caída de tensión entre los mismos es cero finalizando el ionizado del gas, y en consecuencia los bimetales se vuelven a separar para un nuevo ciclo. Una vez que la lámpara encendió, la tensión entre los bornes del arrancador es la misma que la de la lámpara, la cual no alcanza para ionizar el gas y lograr que los bimetales se unan nuevamente.

El capacitor

Cuando la lámpara se encuentra en régimen permanente, queda un circuito serie formado por la lámpara y el balasto dando lugar a un circuito inductivo – resistivo con un determinado factor de potencia. Entonces va a existir una diferencia de fase determinada entre la tensión y la corriente la cual tenemos que tratar de llevarla al mínimo posible para llevar al mínimo la potencia reactiva del circuito. Dado que el circuito es de tipo inductivo, se utiliza un capacitor para reducir la potencia reactiva y en consecuencia corregir el factor de potencia que aparece en el lado de la línea.

Balastos electrónicos

Introducción

Los balastos electrónicos constituyen un sistema de alimentación de alta frecuencia para lámparas fluorescentes, sustitutivo de la instalación convencional compuesta de reactancia electromagnética, arrancador y condensador para alto factor de potencia.
Este sistema consiste en un circuito impreso con componentes electrónicos que hacen trabajar a las lámparas a frecuencias por encima de los 20kHz, a diferencia de las reactancias convencionales en las que las lámparas trabajan a la frecuencia de red.
La aplicación de los balastos electrónicos se extiende a todo tipo de lámparas fluorescentes.

Características de los balastos electrónicos


1. Funcionamiento en alta frecuencia

La principal característica de los balastos electrónicos es el funcionamiento de las lámparas en alta frecuencia. Haciendo trabajar a las lámparas fluorescentes a frecuencias superiores a 20KHz, el flujo luminoso obtenido, para la misma potencia en lámpara, es hasta un 10% mayor que el obtenido con 50Hz.
Esto se puede se puede apreciar en la siguiente curva:

tubo

Esto se debe a que en alta frecuencia el flujo de electrones tiende a circular por la superficie interna (efecto Skin) de la lámpara mejorando la intensidad lumínica generada por la fosforescencia de los materiales en la superficie del tubo.
Sin embargo, trabajar a frecuencias superiores a 50KHz no supone una mejora significativa en el aumento de la eficacia luminosa.

2. Alto grado de confort


Ausencia de efecto estroboscópico

Como consecuencia de utilizar corriente alterna en las redes de alimentación, la intensidad de la lámpara pasa por cero dos veces por periodo, disminuyendo su intensidad luminosa casi a cero en esos momentos. Esto ocasiona un parpadeo que aumenta la fatiga visual y produce una sensación de un movimiento menor al real en los cuerpos en rotación.
Usando balastos electrónicos la lámpara se alimenta en alta frecuencia, por lo que los instantes de paso por cero de la intensidad son de un valor temporal tan pequeño que son imperceptibles para el ojo humano, corrigiéndose así este molesto y peligroso fenómeno.

Sin parpadeos en el arranque

El uso de balastos electrónicos elimina el parpadeo característico en el encendido de las lámparas fluorescentes con equipo convencional, proporcionando un encendido más agradable.

Ausencia de parpadeos con lámpara agotada

Las lámparas fluorescentes, funcionando con equipo convencional, al final de su vida, cuando están agotadas, producen un molesto parpadeo al intentar ser encendidas continuamente por el cebador. Esto siempre y cuando el balasto posea un circuito de detección de lámpara agotada dado que los más económicos no lo poseen.

Menor depreciación del flujo luminoso

Debido a la mayor estabilización de potencia y flujo luminoso que proporcionan los balastos de alta frecuencia, se obtiene una mayor uniformidad en los parámetros eléctricos, y, como consecuencia, un menor deterioro en el flujo de la lámpara con el paso del tiempo. Esto se puede observar en la siguiente imagen:

balasto

Funcionamiento silencioso


Utilizando balastos electrónicos en las luminarias se consigue eliminar el zumbido que se puede producir en algunas situaciones con equipos convencionales debido al campo magnético disperso.

Funcionamiento: Diagrama en bloques básico

Funcionamiento de lámparas fluorescentes

Filtro de entrada

Los balastos electrónicos son aparatos que operan con elevadas tensiones de conmutación y altas frecuencias, siendo fuentes importantes de ruidos eléctricos y emisiones no deseables, que deben ser eliminados o disminuidos según exigencias de la normativa. Esta etapa está formada por un circuito de bobinas y condensadores, que derivan a tierra las componentes no deseadas en forma de corrientes de dispersión o de fuga. Realiza las siguientes funciones:

• Disminuye las emisiones de alta frecuencia conducidas a la red, de acuerdo con los límites establecidos por la normativa aplicable.

• Reduce los armónicos por debajo de los límites marcados por la normativa.

• Contribuye a la mejora del factor de potencia, ya que reduce la modulación de alta frecuencia en la onda de corriente de alimentación.

Rectificador

La etapa rectificadora tiene por finalidad convertir la tensión alterna de entrada en una tensión continua pulsante.

Corrector factor de potencia


El factor de potencia se define como:

• Indicador del desfase entre la tensión y corriente de un circuito eléctrico.

• Indicador de la deformación de la forma de onda de corriente respecto de la tensión.

La etapa correctora del factor de potencia tiene por finalidad acercar su valor lo más posible a 1.
Esta incluye un capacitor electrolítico de alta tensión con el fin de aplanar la continua pulsante existente. Esta puede ser colocada luego del rectificador en caso de no utilizar etapa de corrección de factor de potencia.

Oscilador y etapa de potencia


Aquí dentro se encuentra un oscilador el cual genera una onda cuadrada cuya frecuencia es la del funcionamiento del balasto electrónico (aproximadamente 20 KHz). Esta señal es utilizada para excitar la etapa de potencia encargada de alimentar las siguientes etapas.
El oscilador puede ser de tipo discretos, con circuitos integrados o de tipo auto-oscilante (este es el más utilizado en la Argentina dado que es el más económico).
La etapa de potencia consta de dos transistores MOSFET o Bipolares dispuestos en una topología denominada semi-puente conmutando en forma alternativa a la frecuencia del oscilador.

Impedancia


Dado que a la salida de la etapa de potencia ya disponemos de una señal cuadrada de alta frecuencia, podemos considerar a esta como un generador. Entonces para poder conectar la lámpara necesitamos conectar una impedancia que límite la corriente de la misma, tal cual lo hacíamos en 50Hz.
Esta se calcula de la misma forma que a 50Hz solo que estamos trabajando a otra frecuencia. Por lo general esta fabricada con un núcleo ferritico y con alambre esmaltado de tipo LITZ debido a que en alta frecuencia se manifiesta el efecto Skin en mayor proporción.

Detección de lámpara agotada

Esta etapa se encuentra con el fin que al agotarse la lámpara el balasto electrónico no entre en operación. Esto presenta una ventaja muy importante, dado que por el diseño clásico de los balastos electrónicos, si no estuviese esta etapa, cuando la lámpara no arranque se quemaría el balasto en cuestión de minutos.

Fuente: experiencia propia y información técnica de fabricantes de los productos mencionados.

Espero que les guste y les sea útil. Aguardo comentarios.