UNA INTRODUCCIÓN A LAS LAMPARAS FLUORESCENTES COMPACTAS

1. INTRODUCCIÓN.

Es bien conocido que las lámparas fluorescentes tienen una muy buena eficiencia lumínica y un tiempo de vida mas prolongado que las lámparas incandescentes. Las lámparas fluorescentes tienen aplicaciones en muchas áreas de la iluminación y su uso ayuda a ahorrar el consumo de energía y los costos.

La estructura de una lámpara fluorescente es sencilla: un tubo de vidrio impregnado con una materia fosforescente o fluorescente y que posee dos electrodos en los extremos; el tubo es sellado conteniendo vapor de mercurio y gas argón. Los electrodos poseen un filamento que sirve inicialmente para calentar el gas dentro el tubo y que puedan encender. Cuando una lámpara fluorescente esta en operación, los electrodos son energizados aplicando una tensión y el vapor de mercurio es ionizado; éste vapor ionizado irradia luz cuya frecuencia cae en la parte ultravioleta del espectro y que es convertido en luz visible por el recubrimiento fluorescente dentro el tubo.

Hasta hace algunos años atrás, para hacer funcionar un tubo fluorescente se requería de un arrancador y una inductancia, los cuales debidamente conectados y alimentados por la red producían luz. Energizar una lámpara fluorescente con tensión a frecuencia de la red de distribución tiene algunas desventajas como ser la potencia reactiva a ser compensada, la incapacidad de arrancar inmediatamente y el desagradable efecto estroboscópico.

Actualmente se sigue empleando los tubos fluorescentes en diversas aplicaciones, es más su tamaño y forma han cambiado; sin embargo sus principios siguen siendo los mismos aunque ahora se ha sofisticado el método de arranque del tubo a través del empleo de balastros electrónicos. Las lámparas ahorradoras de energía o Lámparas Fluorescentes Compactas (LFC) son un desarrollo que data desde 1976 (Ing. Edward Hammer), época en que todavía no hubo la tecnología suficiente para obtener un producto en serie.

Las lámparas ahorradoras en promedio requieren un 30% de la energía que necesitan las incandescentes y duran 10 veces mas. Generan 70% menos calor que su equivalente incandescente el cual transforma 5% de la energía que absorbe en luz visible y el resto en calor justificando la sensación de calor que sentimos al encender estas últimas lámparas pues se trata de una pequeña estufa. Las LFC emplean electrónica para arrancar y operar durante todo el tiempo que permanezca encendido. La frecuencia de la tensión aplicada al tubo es del orden de los 30 kHz eliminando el efecto estroboscópico y arrancando de una forma rápida y segura.

2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.

La figura 1 muestra la electrónica de potencia que alimenta una LFC. Consiste de un circuito resonante serie que opera a una frecuencia cercana a la frecuencia de resonancia.

Los elementos S1 y S2 fueron idealizados lo que significa que en la práctica normalmente son transistores que operan a elevadas frecuencias y en forma alternada (línea entrecortada). La lámpara fluorescente esta dispuesta en paralelo con un capacitor el cual se entiende como un capacitor de arranque; la tensión en este capacitor es elevada solo hasta que el tubo haya producido la ignición. Luego de la ignición el comportamiento de la lámpara es similar al de un diodo zener trabajando en la región de avalancha.

Se puede ver que el tubo fluorescente esta inserto en un circuito que recibe y almacena energía (S1 abierto, S2 cerrado) para posteriormente conmutar su topología a un circuito cerrado (S1 cerrado, S2 abierto). Idealmente el tubo puede ser modelado por dos resistencias que representan a los filamentos; uniendo estas resistencias por sus medios, se encontraría otra resistencia. La resistencia de los filamentos es baja cuando está en frío; sin embargo sube cuando esta energizada.

3.0 ESQUEMA TIPICO.

La figura 2 muestra el esquema de un balastro electrónico muy empleado en algunas LFC de potencias entre 7 a 32 W, dicho esquema se denomina circuito quasi-resonante y es muy simple en su configuración.

El resistor R1, capacitor C2 y el diac DD conforman el circuito para iniciar la oscilación de los Transistores (cierrra uno y abre el otro) a través de un pulso inicial; es decir es un circuito de arranque cuya constante de tiempo (R1C2) debe ser mucho mayor que el período de la frecuencia de oscilación. Ese circuito termina siendo inoperante debido al diodo D que hace que luego de ese primer pulso el Diac no sobrepase su tensión de mantenimiento. Los transistores se mantienen en oscilación a través de la retroalimentación que proporciona los arrollamientos B y C del transformador TR. El tubo es ionizado y encendido debido a un sobrevoltaje que depende del mismo y que varia entre 600 a 1200 V entre los terminales del capacitor C4.

Antes de que el tubo esté ionizado, la frecuencia de operación la define el capacitor C4, en virtud a su tamaño (menor capacidad). Una vez ionizado el tubo, se establece una corriente a través del mismo; el capacitor C4 entrará en paralelo con las resistencias de los filamentos y la escasa resistencia dentro el tubo. Dado lo anterior, la frecuencia de operación está definido por C3 solamente y en consecuencia el voltaje en C4 es bajo y el suficiente como para mantener el tubo encendido.

Cuando el transistor Q2 es conmutado por primera vez a ON, la corriente a travéz del transformador TR se incrementa hasta que el núcleo se satura; en ese punto la retroalimentación a la base se elimina y después que el tiempo de almacenamiento del transistor haya pasado, Q2 conmuta a OFF. Por lo tanto además del capacitor C3, la frecuencia de operación del circuito también estará definida por el tamaño y la máxima densidad de flujo del núcleo de TR así como también del tiempo de almacenamiento de los transistores. Esta frecuencia generalmente se diseña un tanto inferior a la frecuencia natural de resonancia del circuito.

Desde el momento que se energiza todo el conjunto, el capacitor C4 produce casi una ionización instantánea y segura del tubo fluorescente (a diferencia de los arrancadores en los aparatos convencionales). La corriente de pico en el colector al momento de arranque es entre 3 a 5 veces la corriente normal de operación, razón por la cual los transistores deben tener capacidad de aguantar esta corriente. Otros parámetros para el dimensionamiento de los transistores son: la tensión de bloqueo que debe ser mayor a la tensión en la salida del rectificador, la ganancia en corriente continua debe ser unas 5 veces mayor a la corriente de disparo; por otro lado los tiempos de conmutación deben ser lo mas cortos posible para reducir pérdidas de conmutación.

4. SIMULACIÓN.

La Simulación de este circuito necesariamente implica el resolver un conjunto de ecuaciones algebraicas y diferenciales no lineales además de rígidas, pues el circuito posee elementos con constantes de tiempo muy distantes. El circuito de potencia correspondiente a la alta frecuencia en la figura 1, puede ser dimensionado de acuerdo con las siguientes ecuaciones.

El capacitor C₃, debe ser entre 10 a 15 veces mas grande que el valor del capacitor C₄. En dichas ecuaciones, se tiene que:

w = frecuencia resonante del circuito resonante serie,

V_f = Tensión a la salida del rectificador,

V_op = Tensión de operación de la lámpara,

P_L = Potencia de la lámpara

La figura 1 sugiere que el circuito de potencia de alta frecuencia podría simularse haciendo uso del circuito de la figura 3 (Electronics WorkBench: EWB). En dicha figura, la resistencia inserta mediante el switch temporizado puede ser calculado mediante:

En la figura 3 se muestran elementos calculados para un circuito con V_f = 311 V, V_op = 120 V, f = 30 kHz, P_L = 35 W. La fuente equivalente tiene una amplitud de 311 V a una frecuencia de 30 kHz., las resistencias de 10 ohms en realidad deberían ser mas bajas sin embargo se quiere tomar en cuenta el efecto de la temperatura. Datos adicionales de la lámpara los muestra la siguiente tabla /1/.

La figura 4 muestra las tensiones en diferentes elementos del circuito en la figura 3, concretamente en C3, L y C4 (C4 incluyendo las resistencias de filamento); la tensión de la fuente es la suma de estas tres tensiones. Para hallar estos trazos se mantuvo abierto el switch temporizado. Al margen de los resultados, la figura 4 muestra claramente la elevación de tensión en C4; este voltaje será el que provoque la ignición del tubo luego de que los filamentos hayan calentado e ionizado su interior.

La figura 4 muestra el resultado de la simulación cuando el switch conmuta a los 0.178 milisegundos, luego de lo cual la amplitud de la tensión en C4 disminuye y llega a un valor permanente que dependerá de C3 y L.

En la figura 6 se muestra un esquema circuital abreviado en entorno de EWB de todo el esquema típico de una LFC. En este esquema se insertó una resistencia de 27 ohm para poder apreciar la forma de onda de la corriente que ingresaría a todo el aparato; los transistores empleados corresponden al MJ13015 (por no disponer de librería completa), el cual no es el apropiado pero dio resultados razonablemente satisfactorios para los propósitos de simulación. La figura 7 muestra las ondas correspondientes a la tensión de entrada aplicada al LFC y la caída de tensión en la resistencia de 27 ohm la cual nos permite ver de forma indirecta, la forma de onda de la corriente que entra al LFC.

De acuerdo a la simulación, los picos de la señal de corriente se produce justo cuando transcurre el valor máximo de la tensión de alimentación. El canal A en la figura 7 muestra la señal de la caída de tensión en la resistencia de 27 ohm a una escala de 5V/div; mientras que el canal B muestra la tensión de alimentación de la red a una escala de 100 V/div. La base de tiempos está a una escala de 5 ms/div.

5. ANÁLISIS ESPECTRAL.

Para obtener en forma práctica la onda de corriente que ingresa al LFC, se insertó una resistencia serie de 27 ohm con un LFC de 18 W, de este modo se observa indirectamente dicha señal. La figura 8 muestra la imagen de las formas de onda obtenidas para la tensión de alimentación y la caída de tensión en la resistencia de 27 ohm; como se puede apreciar, la onda de tensión de alimentación proveniente de la red no era senoidal. La figura 9 es la versión digital y normalizada de dichas señales, donde la señal de tensión está a una escala de 1:300 y la señal sobre la resistencia a una escala de 1:12. Notese que el pico de la onda de corriente (similar a la caída de tensión en la resistencia de 27 ohm) no ocurre justamente en el centro de la onda de tensión.

Bajo la condición de que la tensión de alimentación no era senoidal y empleando los datos digitalizados de las señales, se realizo el análisis espectral de la señal de corriente. La figura 10 muestra dicho análisis (en MATLAB) notándose la presencia de componenetes armónicas y subarmonicas, siendo éstas últimas de mayor magnitud.

8. CONCLUSIONES.

Las lámparas compactas tienen muchas aplicaciones en el área de iluminación y proveen de una excelente iluminación a bajo costo que su similar incandescente. La forma de onda de la corriente que ingresa al aparato es no senoidal y genera armónicos lo cual no se presenta en una lámpara incandescente ideal. Por la imagen obtenida en el osciloscopio, se puede apreciar un ligero desplazamiento de la onda de corriente, lo cual implica que no habría un factor de potencia unitario. Por otra parte y debido a su operación a elevadas frecuencias el aparato es un generador de Interferencia Electromagnética (IEM) hacia el lado de la fuente. Estos últimos aspectos posiblemente hagan necesario el recurrir a filtros que minimicen los problemas sobre todo cuando se tengan en funcionamiento simultáneo muchos aparatos, como por ejemplo en una planta industrial.

BIBLIOGRAFIA.

/1/ How to design a dimming fluorescent electronic ballast, Tom Ribarich Director Lighting Design Center, International Rectifier Power Management DesignLine, 01/29/2006.

/2/ Cold Cathode Fluorescent Lampsm, John H. Kahl, Frank A. Dyemartin, JKL Components Corporation, 09/1997.

/3/ Self Oscillating 25W CFL Lamp Circuit, Application Note AN00048, J. H. G. Op het Veld, Philips Semiconductors, 21/07/2000.

/4/ Low Voltage DC Supply Dimmable Ballast for 1 x 36W T8, Lamp Application Note AN1038, Peter Green, International Rectifier, 22/11/2004.

/5/ Electronic Fluorescent Lamp Ballast, Application Note, A. Vitanza, R. Scollo, A. Hayes, ST Microelectronics, 1999.