Lámpara de inducción

La lámpara de inducción , lámpara sin electrodos o lámpara de inducción sin electrodos es una lámpara de descarga de gas en la que un campo eléctrico o magnético transfiere la energía necesaria para generar luz desde el exterior de la envoltura de la lámpara al gas en su interior. Esto contrasta con una lámpara de descarga de gas típica que utiliza electrodos internos conectados a la fuente de alimentación mediante conductores que atraviesan la envoltura de la lámpara. La eliminación de los electrodos internos ofrece dos ventajas:

• Mayor vida útil de la lámpara (los electrodos internos son el factor más limitante en la vida útil de la lámpara, ya que su contenido metálico se pulveriza en los extremos de la lámpara cada vez que se encienden) ^{[ 1 ]}
• Capacidad para utilizar sustancias generadoras de luz de mayor eficiencia que reaccionarían con los electrodos metálicos internos de las lámparas fluorescentes convencionales.

Son comunes dos sistemas: lámparas de plasma , en las que las microondas o las ondas de radio energizan una bombilla llena de vapor de azufre ^{[ 2 ]} o haluros metálicos , y lámparas de inducción fluorescente, que son como las bombillas fluorescentes convencionales que inducen corriente con una bobina de alambre externa o interna a través de la inducción electromagnética .

En 1882, Philip Diehl recibió una patente para un tipo de lámpara incandescente de inducción. ^{[ 3 ]}

Nikola Tesla demostró la transferencia inalámbrica de energía a lámparas sin electrodos en sus conferencias y artículos en la década de 1890, y posteriormente patentó un sistema de distribución de luz y energía basado en esos principios. ^{[ 4 ]}

En 1967 y 1968, John Anderson ^{[ 5 ]} de General Electric ^{[ 6 ] [ 7 ]} solicitó patentes para lámparas sin electrodos. En 1971, Fusion UV Systems instaló una lámpara UV de plasma de microondas sin electrodos de 300 vatios en una línea de producción de latas de Coors . ^{[ 8 ] [ 9 ]} Philips presentó sus sistemas de iluminación por inducción QL , que operaban a 2,65 MHz, en 1990 en Europa y en 1992 en EE. UU. Matsushita tenía sistemas de luz por inducción disponibles en 1992. Intersource Technologies también anunció uno en 1992, llamado E-lamp . Operando a 13,6 MHz, estuvo disponible en el mercado estadounidense en 1993.  

En 1990, Michael Ury, Charles Wood y sus colegas formularon el concepto de la lámpara de azufre . Con el apoyo del Departamento de Energía de los Estados Unidos , fue desarrollada posteriormente en 1994 por Fusion Lighting de Rockville, Maryland , una empresa derivada de la división Fusion UV de Fusion Systems Corporation. Sus orígenes se encuentran en las fuentes de luz de descarga de microondas utilizadas para el curado ultravioleta en las industrias de semiconductores e impresión. ^{[ 2 ]}

Desde 1994, General Electric fabrica su lámpara de inducción Genura con un controlador de alta frecuencia integrado , que opera a 2,65  MHz. En 1996, Osram comenzó a comercializar su sistema de iluminación por inducción Endura  , que opera a 250 kHz. En Estados Unidos se comercializa como Sylvania Icetron . En 1997, PQL Lighting introdujo en Estados Unidos los sistemas de iluminación por inducción de la marca Superior Life . La mayoría de los sistemas de iluminación por inducción tienen una vida  útil de 100 000 horas antes de requerir el reemplazo de componentes.

A partir de 1995, los antiguos distribuidores de Fusion, Jenton/Jenact, aprovecharon el hecho de que los plasmas emisores de rayos UV energizados actúan como conductores con pérdidas para crear una serie de patentes relacionadas con lámparas UV sin electrodos para usos esterilizantes y germicidas.

Hacia el año 2000, se desarrolló un sistema que concentraba ondas de radiofrecuencia en una guía de ondas dieléctrica sólida de cerámica, la cual energizaba un plasma emisor de luz en una bombilla ubicada en su interior. Este sistema permitió, por primera vez, una lámpara sin electrodos extremadamente brillante y compacta. La invención ha sido objeto de controversia. Reivindicada por Frederick Espiau (entonces de Luxim , ahora de Topanga Technologies), Chandrashekhar Joshi y Yian Chang, estas reivindicaciones fueron impugnadas por Ceravision Limited. ^{[ 10 ]} Varias de las patentes principales fueron asignadas a Ceravision. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

En 2005, Amko Solara, en Taiwán, presentó lámparas de inducción regulables que utilizan controles basados ​​en protocolo de Internet. Sus lámparas tienen una potencia que oscila entre 12 y 400  vatios y funcionan a 250  kHz.

En 2006, Luxim lanzó un producto de lámpara para proyectores con el nombre comercial LIFI. La compañía amplió aún más la tecnología con productos de fuente de luz para aplicaciones de iluminación de instrumentos musicales, espectáculos, alumbrado público, áreas y arquitectura, entre otras, a lo largo de 2007 y 2008.

En 2009, Ceravision Limited presentó la primera lámpara de plasma de alta eficiencia (HEP) bajo la marca Alvara . Esta lámpara reemplaza la guía de onda cerámica opaca de las lámparas anteriores con una guía de onda de cuarzo ópticamente transparente que aumenta la eficiencia. En las lámparas anteriores, el quemador, o bombilla, era muy eficiente, pero la guía de onda cerámica opaca obstruía considerablemente la proyección de la luz. Una guía de onda de cuarzo permite el paso de toda la luz del plasma.

En 2012, Topanga Technologies presentó una línea de lámparas de plasma avanzadas (APL), impulsadas por un controlador de radiofrecuencia (RF) de estado sólido , ^{[ 13 ]} sorteando así la vida útil limitada de los controladores basados ​​en magnetrones , con una potencia del sistema de 127 y 230 voltios y eficacias del sistema de 96 y 87 lúmenes /vatio, con un CRI de aproximadamente 70. 

Varias empresas licenciaron esta tecnología, convirtiéndose en la solución viable de ahorro energético para la modernización y actualización de sistemas de iluminación antes de que la iluminación LED alcanzara un nivel de eficacia óptimo. Se utilizó ampliamente en aplicaciones viales y de mástiles altos en todo el mundo, reemplazando sistemas de halogenuros metálicos y sodio de alta presión de 400, 750 y 1000 vatios. La solución de plasma emisor de luz (LEP) resultó excelente, ya que ofrecía una densidad lumínica mucho mayor que sus homólogos HID, una reducción de potencia de aproximadamente el 50 % y podía alcanzar su máxima intensidad en unos 45-60 segundos, tanto con un encendido en frío como en caliente, a diferencia de sus predecesores HID.

Las lámparas de plasma son una familia de fuentes de luz que generan luz excitando un plasma dentro de un quemador o bombilla transparente y cerrada mediante energía de radiofrecuencia (RF). Normalmente, estas lámparas utilizan un gas noble o una mezcla de estos gases con materiales adicionales como haluros metálicos , sodio , mercurio o azufre . Se utiliza una guía de ondas para confinar y enfocar el campo eléctrico en el plasma. Durante su funcionamiento, el gas se ioniza y los electrones libres, acelerados por el campo eléctrico , colisionan con los átomos de gas y metal. Algunos electrones que orbitan alrededor de los átomos de gas y metal se excitan por estas colisiones, alcanzando un estado de mayor energía. Cuando el electrón regresa a su estado original, emite un fotón , lo que produce luz visible o radiación ultravioleta , según los materiales de relleno.

La primera lámpara de plasma fue una lámpara de curado ultravioleta con una bombilla llena de vapor de argón y mercurio, desarrollada por Fusion UV . Esa lámpara llevó a Fusion Systems a desarrollar la lámpara de azufre , que concentra microondas a través de una guía de ondas hueca para bombardear una bombilla llena de argón y azufre.

En el pasado, el magnetrón que genera las microondas limitaba la fiabilidad de las lámparas sin electrodos. La generación de RF de estado sólido funciona y ofrece una larga vida útil. Sin embargo, el uso de chips de estado sólido para generar RF es actualmente unas cincuenta veces más caro que el uso de un magnetrón, por lo que solo resulta apropiado para nichos de iluminación de alto valor. Dipolar de Suecia ha demostrado que es posible extender considerablemente la vida útil de los magnetrones a más de 40 000  horas, ^{[ 15 ]} lo que posibilita la fabricación de lámparas de plasma de bajo coste. Actualmente, Ceravision y Luxim producen lámparas de plasma , y ​​Topanga Technologies se encuentra en fase de desarrollo.

Ceravision ha presentado una lámpara y luminaria combinada bajo la marca Alvara para su uso en aplicaciones de alumbrado público y de gran altura. Utiliza una guía de ondas de cuarzo ópticamente transparente con un quemador integrado, lo que permite el paso de toda la luz del plasma. La pequeña fuente también permite que la luminaria utilice más del 90 % de la luz disponible, en comparación con el 55 % de las luminarias HID típicas. Ceravision afirma tener el índice de eficacia lumínica (LER) más alto ^{[ 16 ]} de cualquier luminaria del mercado y haber creado la primera lámpara de plasma de alta eficiencia (HEP). Ceravision utiliza un magnetrón para generar la potencia de radiofrecuencia necesaria y afirma una vida útil de 20 000  horas.

La lámpara LIFI de Luxim  afirma tener 120 lúmenes por vatio de RF (es decir, antes de tener en cuenta las pérdidas eléctricas). ^{[ 17 ]} También se utilizó en una línea de televisores de retroproyección Panasonic que ahora están descatalogados. ^{[ 18 ]}

Aparte del método de acoplamiento de energía al vapor de mercurio , estas lámparas son muy similares a las lámparas fluorescentes convencionales . El vapor de mercurio en el recipiente de descarga se excita eléctricamente para producir luz ultravioleta de onda corta, que luego excita los fósforos internos para producir luz visible. Aunque todavía son relativamente desconocidas para el público, estas lámparas están disponibles desde 1990. A diferencia de una lámpara incandescente o las lámparas fluorescentes convencionales, no hay conexión eléctrica dentro de la bombilla de vidrio; la energía se transfiere a través de la envoltura de vidrio únicamente por inducción electromagnética . Existen dos tipos principales de lámparas de inducción magnética: lámparas de núcleo externo y lámparas de núcleo interno. La primera forma de lámpara de inducción disponible comercialmente y aún ampliamente utilizada es la de núcleo interno. La de núcleo externo, que se comercializó más tarde, tiene una gama más amplia de aplicaciones y está disponible en formatos redondos, rectangulares y con forma de "oliva".

Las lámparas de núcleo externo son básicamente lámparas fluorescentes con núcleos magnéticos enrollados alrededor de una parte del tubo de descarga. El núcleo suele estar hecho de ferrita , un material cerámico que contiene óxido de hierro y otros metales. En estas lámparas, la energía de alta frecuencia proveniente de una fuente de alimentación especial pasa a través de cables enrollados alrededor de un núcleo toroidal de ferrita situado en la parte exterior de una sección del tubo de vidrio. Esto crea un campo magnético de alta frecuencia dentro del núcleo de ferrita. Dado que la permeabilidad magnética de la ferrita es cientos o miles de veces mayor que la del aire o el vidrio circundantes, y el núcleo de ferrita proporciona un camino cerrado para el campo magnético, este lo concentra prácticamente por completo.

Según la ley de inducción de Faraday , el campo magnético variable en el tiempo dentro del núcleo genera un voltaje eléctrico variable en el tiempo en cualquier trayectoria cerrada que lo contenga. El tubo de descarga forma una de estas trayectorias cerradas alrededor del núcleo de ferrita, y de esta manera, el campo magnético variable en el tiempo dentro del núcleo genera un campo eléctrico variable en el tiempo dentro del tubo de descarga. No es necesario que el campo magnético penetre en el tubo de descarga. El campo eléctrico generado por el campo magnético variable en el tiempo impulsa la descarga de gas mercurio de la misma manera que la descarga es impulsada por el campo eléctrico en una lámpara fluorescente convencional. El devanado primario del núcleo de ferrita, el núcleo y la descarga forman un transformador , siendo la descarga una espira secundaria de dicho transformador.

El tubo de descarga contiene una baja presión de un gas como argón y vapor de mercurio . Los átomos de mercurio provienen de una gota de mercurio líquido o de una amalgama semisólida de mercurio y otros metales como bismuto , plomo o estaño . Parte del mercurio líquido o del mercurio de la amalgama se vaporiza para generar el vapor de mercurio. El campo eléctrico ioniza algunos de los átomos de mercurio para producir electrones libres, que luego se aceleran. Cuando los electrones libres colisionan con los átomos de mercurio, algunos de estos absorben energía de los electrones y se excitan a niveles de energía superiores. Tras un breve lapso, los átomos de mercurio excitados se relajan espontáneamente a su estado original de menor energía y emiten un fotón UV con el exceso de energía. Al igual que en un tubo fluorescente convencional , el fotón UV se difunde a través del gas hacia el interior de la bombilla exterior y es absorbido por el recubrimiento de fósforo de esa superficie, transfiriendo su energía al fósforo. Cuando el fósforo regresa a su estado original de menor energía, emite luz visible. De esta forma, el fotón UV se convierte en luz visible gracias al recubrimiento de fósforo en el interior del tubo. Las paredes de vidrio de la lámpara impiden la emisión de fotones UV, ya que el vidrio común bloquea la radiación UV a 253,7  nm y longitudes de onda más cortas.

En la configuración de núcleo interno (véase el diagrama), un tubo de vidrio (B) sobresale hacia el bulbo desde la parte inferior del recipiente de descarga (A), formando una cavidad reentrante. Este tubo contiene una antena llamada acoplador de potencia , que consiste en una bobina enrollada sobre un núcleo cilíndrico de ferrita . La bobina y la ferrita forman el inductor que acopla la energía al interior de la lámpara.

Las bobinas de la antena reciben energía eléctrica del controlador electrónico de alta frecuencia (C), que genera una señal de alta frecuencia . La frecuencia exacta varía según el diseño de la lámpara, pero algunos ejemplos comunes son 13,6 MHz , 2,65 MHz y 250 kHz. Un circuito resonante especial en el controlador produce un alto voltaje inicial en la bobina para iniciar una descarga de gas; posteriormente, el voltaje se reduce al nivel de funcionamiento normal.   

El sistema puede considerarse un transformador , donde el acoplador de potencia (inductor) forma la bobina primaria y el arco de descarga de gas en la bombilla forma la bobina secundaria de una vuelta y la carga del transformador. El controlador se conecta a la red eléctrica y, por lo general, está diseñado para funcionar con voltajes entre 100 y 277 VCA a una frecuencia de 50 o 60 Hz, o con voltajes entre 100 y 400 VCC para sistemas de iluminación de emergencia alimentados por batería . Muchos controladores están disponibles en modelos de bajo voltaje, por lo que también pueden conectarse a fuentes de voltaje CC, como baterías, para iluminación de emergencia o para su uso con sistemas alimentados por energías renovables.   

En otras lámparas de descarga de gas convencionales, los electrodos son la parte con menor vida útil, lo que limita considerablemente su duración. Dado que una lámpara de inducción no tiene electrodos, puede tener una vida útil más prolongada. Para sistemas de lámparas de inducción con controlador independiente, la vida útil puede alcanzar las 100 000  horas, lo que equivale a 11,4  años de funcionamiento continuo. Para lámparas de inducción con controladores integrados, la vida útil oscila entre las 15 000 y las 50 000 horas. Se requieren circuitos electrónicos de altísima calidad para que el controlador alcance una vida útil tan larga . Estas lámparas se utilizan habitualmente en aplicaciones comerciales o industriales. Por lo general, los costes de operación y mantenimiento son significativamente menores con los sistemas de iluminación de inducción debido a su ciclo de vida promedio de 100 000 horas y una garantía de cinco a diez años.

Ventajas

• Larga vida útil debido a la ausencia de electrodos; estrictamente hablando, casi indefinida en la lámpara, pero entre 25.000 y 100.000  horas, dependiendo del modelo de lámpara y la calidad de la electrónica utilizada;
• Alta eficiencia de conversión de energía, de entre 62 y 90 lúmenes/vatio (las lámparas de mayor potencia son más eficientes energéticamente).

• Lista de fuentes de luz
• Cocina de inducción

• Lámparas de inducción sin electrodos , Museo de la Tecnología de Lámparas Eléctricas