USO DEL MISMO

Campo de la invención

La presente invención se engloba dentro del campo de los dispositivos de iluminación, y más en concreto, en el ámbito de las lámparas incandescentes de alta eficiencia y bajo consumo.

Antecedentes de la invención

La presente invención surge de la necesidad aumentar la eficiencia de las lámparas incandescentes actuales así como también prologar su tiempo de vida. Una lámpara incandescente es un dispositivo emisor de luz basado en que al paso de una corriente eléctrica por un filamento de tungsteno se pone incandescente por efecto Joule. La emisión de luz es debida a la propiedad de emisión electromagnética de un cuerpo negro, cuya potencia va en función de su temperatura, ley de Stefan-Boltzmann, según la ecuación (1) (potencia radiada por un cuerpo negro).

W=a - 7* (Wm ² ) (1 )

Siendo:

W la potencia radiada por unidad de superficie.

σ constante de proporcionalidad característica de cada material. Para el caso del filamento de tungsteno σ =5.670-10 ^-8 (Wm^K ⁴ ).

T la temperatura del filamento.

La potencia luminosa emitida por un cuerpo negro no se reparte uniformemente en todas las longitudes de onda sino que sigue una curva en función de la longitud de onda, según la ecuación (2) -factor de emisión de luz dependiente de la longitud de onda-, y ecuación (3) -emisión de luz en una banda de longitudes de onda-.

F = ~ t—— dx donde x =

E = [F(b) - F(a) ⁴ w/m2

El tungsteno es el elemento químico de mayor punto de fusión, 3695°K, y un punto de ebullición de 5828°K, tan solo es superado por el grafito, pero que tiene un punto de ebullición más bajo.

Para la temperatura con la que pueden operar con relativa seguridad las lámparas actuales de 2400°K, la distribución de potencia radiada en la banda de luz visible apenas llega al 5%.

La zona visible está comprendida normalmente entre la longitud de onda A=380nm y A=700nm. Sin embargo, el ojo humano tiene su propia curva de percepción que hace que la eficiencia aún sea menor. La ecuación (4) representa el flujo luminoso percibido por el ojo humano.

F Lúmenes ( ⁴ )

Donde φ(λ) es el flujo luminoso y ν(λ) la curva de sensibilidad del ojo humano.

La emisión de luz percibida por el ojo de un filamento incandescente a 2400°K es de 6,7lm/w, valor muy pequeño frente los 683 lumen por vatio que podrían alcanzar. Apenas un 1 % de la potencia consumida es apreciada como luz por el ojo humano, el resto de potencia se convierte en pérdidas; aproximadamente por emisión en el infrarrojo un 75%, por emisión en la banda ultravioleta un 2%, por pérdidas de calor por conducción o convección 21% y un 2% por opacidad del vidrio o geometría, dependiendo de la lámpara y su forma.

Ello implica que una lámpara incandescente como fuente emisora de luz es poco competitiva frente a otras fuentes como la luz LED o la luz fluorescente que tienen rendimientos cercanos a 60lm/w. Incluso hay otras fuentes lumínicas de mayores eficiencias, como las lámparas de descarga que consiguen 120lm/w. Esto ha llevado a la Unión Europea a emitir una directiva para que a partir del 1 de septiembre de 2009 no se puedan fabricar y distribuir lámparas incandescentes superiores a 100W y progresivamente en Noviembre de 2011 se eliminarán las de 60W.

No obstante, las lámparas incandescentes por su bajo coste de fabricación, por su versatilidad de potencias, de tamaños y formas y sobre todo también por su emisión de luz continua en todo el espectro, son todavía necesarias para muchas aplicaciones, y serían más necesarias si se mejorara su eficiencia.

Para aumentar la eficiencia hay que subir la temperatura del filamento, pero esto disminuye rápidamente su tiempo de vida y también el número de maniobras posibles de encendido y apagado, debido a que el filamento se va evaporando más rápidamente con la alta temperatura y termina pronto por romperse. No obstante, estas lámparas son empleadas en iluminación de teatros o en cinematografía donde se necesita de una fuente de luz con mucho brillo.

Las lámparas están formadas por una ampolla de vidrio que contiene el filamento de tungsteno, su interior se rellena con un gas inerte, como argón u otros, para minimizar la evaporación del filamento. Una manera de aumentar el rendimiento es hacerle el vacío para evitar las pérdidas de conducción y de convección, pero esto es a costa de reducir el tiempo de vida. La temperatura que puede soportar el filamento depende de su grosor y longitud, pudiendo variar entre los 2400°K para lámparas con potencias inferiores a 20w y los 2600°K para lámparas superiores a 60w.

Cuando el filamento se evapora, el vapor metálico se deposita sobre la ampolla de vidrio y la va oscureciendo progresivamente, disminuyendo así su transparencia y reduciendo la emisión de luz. Una solución a este problema consiste en introducir dentro de la ampolla de vidrio en contacto con el filamento un gas halógeno como el yodo que es capaz de recuperar el tungsteno evaporado, mediante una reacción química que oxida el metal evaporado y lo reduce nuevamente sobre el filamento incandescente. Estas lámparas son las lámparas halógenas que, mediante este procedimiento, pueden aumentar la temperatura del filamento hasta los 2884°K, doblando así su eficiencia que la sitúan entre 16 y 25lm/w. Al mismo tiempo triplican el tiempo de vida hasta las 3000 horas, consiguiendo una menor degradación de la luz emitida.

Para que una lámpara halógena funcione correctamente necesita de un filamento con un mayor diámetro que el de las lámparas de incandescencia corrientes, por ello las lámparas halógenas iniciales operaban a bajo voltaje, 12V. Para tener lámparas halógenas conectadas a la red de 230V se necesita el uso de transformadores, que son caros, pesados, voluminosos, consumen energía por su calentamiento y a menudo hacen un ruido en forma de zumbido de 50Hz.

Actualmente se fabrican también lámparas halógenas que operan conectadas directamente a la red de 230V en alterna, pero como el filamento debe ser más fino para aumentar su resistencia eléctrica, su tiempo de vida disminuye a 2000 horas y su eficiencia decae hasta un rango entre 14 y 20lm/w, son sólo un 30% más eficientes que las ordinarias en el mejor de los supuestos.

En el proceso de óxido-reducción que se produce en las bombillas halógenas se transporta calor desde el filamento por una reacción química de reducción hasta el cristal de la ampolla que lo contiene donde se realiza la oxidación del tungsteno. Esto tiene dos consecuencias negativas. La primera es que se calienta mucho la ampolla, la temperatura sube por encima de 1000 grados y no puede ser de vidrio sino de cristal de cuarzo que tiene un punto de fusión mayor. La segunda es que se aumentan las perdidas por conducción y convección del calor que se genera en la ampolla de cuarzo.

La compañía Philips ha fabricado unos dispositivos electrónicos que permiten reducir la tensión eléctrica de 230V AC a 6V AC, ocupan poco volumen, son muy ligeros y de bajo coste. Estos transformadores pueden quedar integrados en un casquillo de bombilla corriente E-27 o E-19 y así poder sustituir el filamento de la lámpara por otro más corto y grueso dentro de una pequeña ampolla de cuarzo en forma de bulbo, que es una lámpara halógena de bajo voltaje. Estas nuevas lámparas halógenas son intercambiables completamente con las lámparas tradicionales incandescentes, permitiendo incluso que su luz pueda ser modulada con los sistemas utilizados para las tradicionales lámparas a las que sustituyen. Esta nueva lámpara consigue duplicar la eficiencia de su equivalente en potencia entregando 20lm/w. El problema que no ha podido resolver Philips es cómo fabricar transformadores que superen los 30W de potencia para incluirlos dentro del casquillo E-27 o los 20W para los caequillos E-19. Por tanto sus lámparas no consiguen llegar a entregar la luz de una bombilla corriente de 75W o 100W. El dispositivo de Philips no tiene suficiente estabilidad de funcionamiento y en ocasiones las lámparas presentan un acusado parpadeo.

Para minimizar las pérdidas de emisión en la banda ultravioleta, en algunos modelos de bombillas Philips ha bañado la ampolla de vidrio exterior de la lámpara con una sustancia fluorescente, para transformar la luz ultravioleta emitida en luz visible. Sin embargo en la transformación se libera calor que queda retenido en la bombilla y desgraciadamente el transformador electrónico no soporta el incremento de temperatura y se destruye, por lo que Philips ha tenido que retirar estas lámparas del mercado. La gama de ampolla transparente que aún sigue comercializando durante los ensayos realizados en diferentes situaciones, cuando la lámpara funciona de forma continuada, la alta temperatura acumulada hace que el transformador se queme en menos de 40 horas de funcionamiento. Sin embargo siguen siendo una buena opción para pequeños tiempos de encendido, como suele ser el caso general de uso.

La presente invención propone resolver los anteriores problemas de baja eficiencia y reducido tiempo de vida de las lámparas incandescentes y los problemas de temperatura y estabilidad de las lámparas ECO de Philips. A propio tiempo por su gran eficiencia se convierte en un producto sustitutivo de lámparas fluorescentes compactas y de LED

Descripción de la invención

El nuevo dispositivo objeto de la invención es una lámpara incandescente de alta eficiencia, un procedimiento de fabricación de la misma y un dispositivo de control de potencia para la lámpara, el cual es un dispositivo de bajo coste integrable en los casquillos de las lámparas estándar E-27 y E-19 y que supera ampliamente los problemas y limitaciones de los dispositivos actuales enunciados anteriormente. Este dispositivo aumenta la eficiencia luminosa de las lámparas estándar (la cual ronda los 10lm/w) en un 100%, prolonga la duración del filamento de 1000 a 3000 horas, y el número de maniobras que se pueden realizar es decenas de veces superior a las lámparas corrientes. Se trata de un dispositivo de bajo coste que supera el límite de 30W de Philips, reduciendo al mismo tiempo considerablemente su complejidad y coste de fabricación, ganando en robustez y seguridad de funcionamiento.

La lámpara fabricada a partir de este dispositivo es 100% compatible con su homologa incandescente para cada una de las potencias estándares, 25, 40, 60, 75 y 100W, pero con una eficiencia luminosa del doble, y con el triple de duración. Es particularmente resistente a las maniobras de encendido y apagado. Su luz es prácticamente constante durante la vida del dispositivo y cuando envejece en lugar de fundirse reduce sensiblemente su luz para que pueda dar tiempo a ser remplazada, pero quedando totalmente operativa con menor brillo.

La lámpara incandescente de alta eficiencia comprende un dispositivo de control de potencia en serie con el filamento de la lámpara, disponiendo dicho dispositivo de control de potencia de una impedancia Z _G con un comportamiento combinado sustancialmente inductivo y/o capacitivo para reducir la potencia instantánea recibida por el filamento durante la operación de encendido de la lámpara y controlar la potencia recibida por el filamento durante su funcionamiento.

En una realización preferente el valor de la impedancia Z _G del dispositivo de control de potencia está adaptado en función del valor de resistencia eléctrica R _L del filamento en caliente de la lámpara.

La impedancia Z _G del dispositivo de control de potencia (1) es preferentemente tal que el valor de su módulo es sustancialmente idéntico al valor de resistencia R _L del filamento en caliente de la lámpara. Con ello se consigue una eficacia máxima.

El dispositivo de control de potencia puede comprender al menos un dispositivo formado por placas conductoras paralelas separadas por un dieléctrico y enrolladas, donde los contactos eléctricos están en lados opuestos de las placas.

El dispositivo de control de potencia puede comprender dos láminas metálicas paralelas separadas por un aislante, en el que los contactos eléctricos están en los extremos opuestos de las láminas para provocar un efecto inductivo.

El dispositivo de control de potencia puede comprender un condensador de placas enrollables formando una autoinducción, de forma que el efecto capacitivo se contrarresta con el inductivo para disminuir la impedancia del conjunto.

La lámpara es preferentemente halógena.

El filamento tiene preferentemente el mismo grosor que el filamento de una lámpara incandescente convencional de igual potencia, pero menor longitud.

Es objeto también de la presente invención un procedimiento de fabricación de una lámpara incandescente de alta eficiencia, de una potencia P determinada. El procedimiento comprende incorporar un dispositivo de control de potencia en serie con el filamento de la lámpara del mismo grosor que una lámpara incandescente convencional de igual potencia P pero menor longitud, disponiendo dicho dispositivo de control de potencia de una impedancia Z _G con un comportamiento combinado sustancialmente inductivo y/o capacitivo para reducir la potencia instantánea recibida por el filamento durante la operación de encendido de la lámpara y regular la potencia recibida por el filamento durante su funcionamiento.

Otro aspecto de la presente invención es el propio dispositivo de control de potencia para la mejora de eficiencia en lámparas incandescentes, que está configurado para su instalación en serie con el filamento de una lámpara incandescente. El dispositivo de control de potencia dispone de una impedancia Z _G con un comportamiento combinado sustancialmente inductivo y/o capacitivo para reducir la potencia instantánea recibida por el filamento durante la operación de encendido de la lámpara y regular la potencia recibida por el filamento durante su funcionamiento.

El valor de la impedancia Z _G del dispositivo de control de potencia está preferentemente determinado en función del valor de resistencia eléctrica R _L del filamento en caliente de la lámpara a la va destinada su instalación.

La impedancia Z _G del dispositivo de control de potencia es preferentemente tal que el valor de su módulo es sustancialmente idéntico al valor de resistencia R _L del filamento en caliente de la lámpara a la que va destinada su instalación.

El dispositivo de control de potencia puede comprender al menos un dispositivo formado por placas conductoras paralelas separadas por un dieléctrico y enrolladas, donde los contactos eléctricos están en lados opuestos de las placas.

El dispositivo de control de potencia puede comprender dos láminas metálicas paralelas separadas por un aislante, en el que los contactos eléctricos están en los extremos opuestos de las láminas para provocar un efecto inductivo.

El dispositivo de control de potencia puede comprender un condensador de placas enrollables formando una autoinducción, de forma que el efecto capacitivo se contrarresta con el inductivo para disminuir la impedancia del conjunto.

Breve descripción de los dibujos

A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

La Figura 1 muestra el espectro de radiación lumínica de un cuerpo negro a una temperatura de 2400°K. La franja sombreada refleja la región de luz visible.

La Figura 2 muestra la curva de percepción de la luz visible por el ojo humano. La Figura 3 muestra la distribución de la potencia radiada por un filamento de tungsteno a la temperatura de 2884°K. La franja sombreada refleja la región de luz visible.

Las Figuras 4A y 4B muestran, respectivamente, una gráfica de la potencia instantánea aplicada al filamento de una lámpara incandescente y de la evolución de la temperatura del filamento durante el encendido.

La Figura 5 muestra un esquema de funcionamiento de la lámpara incandescente con el dispositivo de control de potencia instalado.

Las Figuras 6a y 6b representan, respectivamente y a modo de ejemplo, una lámpara sin control de potencia y el esquema de configuración del dispositivo de control de potencia para establecer una potencia controlada en una lámpara de 60W.

La Figura 7 representa la potencia que recibe el filamento de una bombilla de 60w, con y sin el dispositivo de control de potencia objeto de la invención, durante la maniobra de encendido.

La Figura 8 muestra, para el caso de la Figura 7, un gráfico del retardo de tensión.

La Figura 9 muestra el retardo de encendido de una bombilla con y sin sistema de control de potencia.

La Figura 10 representa un esquema de la impedancia del dispositivo de control de potencia.

La Figura 11 muestra un esquema del circuito equivalente del dispositivo de control de potencia.

Las Figuras 12A y 12B representan esquemáticamente para un condensador convencional y para el dispositivo LC de la invención, respectivamente, el recorrido de las cargas eléctricas.

La Figura 13 muestra el esquema físico del dispositivo de control de potencia.

La Figura 14 representa el retardo de encendido para distintas situaciones.

Descripción detallada de la invención

Para las lámparas actuales de 2400°K la distribución de potencia radiada en la banda de luz visible apenas llega al 5%. La Figura 1 muestra el espectro de radiación lumínica de un cuerpo negro a una temperatura de 2400°K, en la que tan sólo un 3% de esa luz está emitida en la zona visible (zona sombreada).

La Figura 2 muestra la curva de percepción de la luz visible por el ojo humano.

En la Figura 3 se muestra la distribución de la potencia radiada por un filamento de tungsteno a la temperatura de 2884°K, donde la emisión en la banda visible, zona sombreada, corresponde a un 10,8% del total. La innovación del dispositivo de la presente invención proviene de estudiar con detalle el mecanismo de destrucción por temperatura del filamento de una lámpara incandescente que impide aumentar su eficiencia. Para conseguir mayor eficiencia se necesita subir la temperatura del filamento, pero la temperatura máxima que puede soportar un filamento por debajo de su punto de fusión sin destruirse en poco tiempo depende de la robustez del filamento. Pero para tensiones de red de 230V en las lámparas de pequeña potencia su filamento será largo y delgado para poder aumentar su resistencia eléctrica, entonces se observa que a menudo el más leve deterioro o imperfección del filamento de una bombilla hace que durante la maniobra de encendido la potencia se concentre sobre él y volatiza el metal.

Para una misma tensión cuanto más alta sea la potencia de la lámpara más robusto puede ser su filamento y por tanto soportará mayores temperaturas. Un filamento típico de tungsteno de una lámpara de 60W que opera a 230V en corriente alterna tiene una resistencia en caliente a la temperatura de 2550°K de 882Ω. La ecuación (5) muestra la resistencia ofrecida por el filamento de una lámpara incandescente en caliente.

R=V ² /W = 230 ² /60= 882Ω (5)

La resistencia del mismo filamento en frío, a 300°K, es 13.5 veces menor. La ecuación (6) muestra el crecimiento del valor de la resistencia con la temperatura y la ecuación (7) la resistencia ofrecida por el filamento de una lámpara incandescente a temperatura ambiente considerada a 25°C o 300°K.

En el caso del tungsteno a=0,0045 y β=3,9χ10 ^"7 .

Esta resistencia a temperatura ambiente (i.e. en frío) tan pequeña hace que durante el encendido la corriente instantánea sea 13,5 veces mayor de la nominal, soportando algunos puntos del filamento potencias instantáneas 180 veces mayores a las nominales. Por ello el filamento se calienta en apenas 120 milésimas de segundo, pero es tiempo suficiente para que se pueda destruir el filamento por exceso de potencia instantánea, ya que el calentamiento en el filamento no es uniforme y en algunas zonas la temperatura sube muy por encima de la temperatura nominal y cercana a la temperatura de fusión del tungsteno, por ello durante alguna maniobra el filamento puede que se funda y rompa por la parte más débil. En las Figuras 4A y 4B se muestran, respectivamente, una gráfica de la potencia instantánea aplicada al filamento de una lámpara incandescente y de la evolución de la temperatura del filamento (i.e. retardo de en el encendido).

Por esta razón las lámparas incandescentes corrientes suelen operar a una temperatura entre los 2400°K y 2600°K variando en función de la potencia, pero en cualquier caso, muy lejos de la temperatura de fusión del tungsteno a 3695°K. Por consecuencia se emite luz con una pobre eficiencia del 6.8%. Las lámparas halógenas mejoran significativamente el rendimiento de emisión en la zona visible llegando hasta el 10%, con luminosidades que pueden llegar hasta los 19,7lm/w. Para ello deben de subir la temperatura del filamento hasta los 2884°K. Esto sólo es posible si el filamento tiene cierta robustez, además de ser grueso, lo que disminuye mucho su resistencia eléctrica y entonces solo puede alimentarse con tensiones pequeñas en las lámparas de entre los 20W y los 100W. Las lámparas halógenas que utilizan tensiones directas a red deben de ser de potencias superiores a 100W o tienen que trabajar a menores temperaturas y menor eficiencia del orden de 15lm/w.

La presente invención propone diferentes dispositivos capaces de evitar que la potencia instantánea durante el encendido sea demasiado grande como para destruir el dispositivo. La mayoría de los dispositivos realizados con buenos resultados son circuitos electrónicos de potencia que permiten realizar un encendido y también un apagado suave de la luz, simulando la inercia de un filamento más robusto y de este modo reducir el riesgo de destrucción del filamento durante el encendido. Estos circuitos aumentan la potencia nominal de la lámpara y consiguen temperaturas de su filamento más altas, llegando holgadamente hasta los 2920°K y mejorando así la eficiencia hasta los 19.8lm/w. Incluso se ha conseguido operar con temperaturas de filamento de 3120°K, obteniendo eficiencias de 26.5lm/w. Durante la experimentación se han probado con éxito temperaturas de 3460°K, consiguiendo eficiencias de 40lm/w, que dobla la eficiencia de las halógenas actuales y cuadriplica la de las lámparas corrientes. No obstante con esta temperatura de filamento tan alta se nota un rápido ennegrecimiento del cristal.

El reto del sistema de encendido tan eficiente es que sea sencillo, robusto, de bajo coste, de pequeño tamaño, con poco peso e integrable en las lámparas clásicas y compatible con los sistemas de encendido actuales. Para conseguir esto se ha diseñado un dispositivo que se interpone en serie entre la tensión de red y el filamento de la lámpara regulando el encendido, se comporta como un generador equivalente de Tevening de tensión E _g e impedancia Z _G . Para que este generador de Tevening entregue la máxima potencia posible al filamento se necesita que su impedancia esté adaptada al valor de la resistencia eléctrica en caliente del filamento de la lámpara. Para que no haya pérdidas de potencia en el dispositivo de control de potencia 1 la impedancia tiene un comportamiento combinado puramente inductivo y capacitivo, no resistivo; por ello se puede denominar como dispositivo de control LC. En la Figura 5 se muestra un esquema del funcionamiento del sistema, un esquema de alimentación de la lámpara en el que Z _G representa una impedancia sólo capacitiva e inductiva, no resistiva para que no haya pérdidas por efecto Joule. R _L representa a la resistencia del filamento 2 de una lámpara incandescente, y E _g la fuente de tensión, normalmente la de red.

En el esquema de la Figura 5 la potencia que recibe R _L se puede expresar por la ecuación (8), potencia disipada por una lámpara. La ecuación (9) representa la potencia disipada por una lámpara en serie con una impedancia. La ecuación (10) muestra la potencia disipada por una lámpara en serie con una impedancia combinada inductiva y capacitiva.

V ^{1 L}

Para obtener el máximo de transmisión de potencia en función de R _L se deriva la expresión anterior y se iguala a cero, tal y como se muestra en la ecuación (11), condición de máxima potencia entregada a un filamento 2. La ecuación (12) muestra la adaptación de resistencia eléctrica del filamento 2 a una impedancia LC. d ( ,R _{nL +} , 1 ( _wL -— 1 ,Y2 ,) = _Λ 0 (11)

dR R _L wC

Para que haya adaptación de impedancias y por tanto máxima transmisión de potencia, con la potencia bajo control, el valor de resistencia R _L del filamento 2 en caliente de la lámpara debe ser igual al módulo de la impedancia del dispositivo de control de potencia 1. Es importante reseñar que aunque no se cumpliera tal condición la lámpara así modificada con el dispositivo de control podría seguir funcionando, si bien no con tanta eficiencia. Cuanto más cercana sea la relación entre A _¿ = |z _G | , más eficiente será la lámpara. La ecuación (13) muestra la potencia máxima entregada en función de una impedancia combinada LC.

1 1 (13)

P~~ =

4 Z,

wL - + wL wL - wC wC wC

Para una tensión eficaz de 230V, si la impedancia Z _G del dispositivo de control de potencia 1 es sólo inductiva, la potencia máxima entregada en función de dicha impedancia sólo inductiva es la mostrada en la ecuación (1 ):

Si Z _G fuera solo capacitiva entonces la potencia máxima entregada en función de dicha impedancia sólo capacitiva es la mostrada en la ecuación (15): lOOzC

La impedancia Z _G del dispositivo de control de potencia 1 es utilizada en el circuito para limitar la potencia disponible que llega al filamento 2 de la lámpara. El efecto inductivo se contrarresta con el efecto capacitivo por lo que una combinación de ambas impedancias subiría la potencia disponible.

Por ello si se requiere limitar potencias grandes, e.g. cientos de vatios, predominará el efecto inductivo, mientras que si se necesita limitar potencias pequeñas, e.g. unidades de pocos vatios, predominará el efecto capacitivo.

En el caso de las lámparas de incandescencia corrientes, las potencias están comprendidas entre 20W y 100W, por lo que se tendrá que utilizar un dispositivo que presente ambos efectos simultáneamente.

Es importante reseñar que la lámpara propuesta podría funcionar correctamente si el dispositivo de control de potencia 1 tuviera efecto solo inductivo o solo capacitivo. Ocurre que para conseguir el efecto inductivo para pequeñas potencias se necesitan bobinas de muchas espiras y con un hilo fino que conlleva resistencias óhmicas. Por el contrario para utilizar un efecto solo capacitivo en potencias medias se necesitarían condensadores de más capacidad y mayor tamaño. Por ello lo ideal es combinar ambos efectos, inductivo y capacitivo, para que el dispositivo de control de potencia 1 sea pequeño y no se produzcan pérdidas resistivas al paso de la corriente eléctrica. El fundamento de la presente invención comprende la fabricación de un dispositivo con comportamiento combinado inductivo-capacitivo que pueda controlar la potencia que recibe el filamento 2 de la bombilla, mediante el método de adaptación de potencias (ver ecuación (12)). Para ello se sustituye el filamento 2 de una lámpara de valor óhmico R _F (ver Figura 6a) por una combinación de una impedancia Z _G del dispositivo de control de potencia

1 y un nuevo filamento de valor de resistencia R _L . Repartiéndose el valor óhmico de R _F , mitad en el dispositivo de control de potencia 1 (con impedancia Z _G ) y mitad en el nuevo valor de resistencia R _L del filamento 2 de la lámpara. Por ejemplo, para una lámpara de 60W cuya temperatura de encendido sea 2550°K, su resistencia R _F es de 882Ω, por tanto la impedancia serie del dispositivo Z _G debe ser de 441 Ω y la nueva resistencia R _L del filamento

2 de la lámpara en caliente también de 441 Ω, tal y como muestra en la Figura 6b, que representa el esquema de configuración del dispositivo de control de potencia 1 para establecer una potencia controlada en una lámpara de 60W, al tiempo que multiplica la inercia del filamento.

La ecuación (16) representa la potencia máxima entregada en función de la nueva resistencia R _L del filamento 2 de la lámpara.

Por tanto se deduce que

Mediante el dispositivo de control de potencia 1 el filamento 2 de la bombilla es obligado a trabajar con un valor de resistencia en caliente preestablecido de R|_=441 Q, ya que para este valor es donde se transmite la máxima potencia que se corresponde con una temperatura del nuevo filamento de 2550°K.

En un filamento corriente sin protección del dispositivo de control de potencia 1 , si el valor de la resistencia es menor de lo esperado, la potencia recibida aumentará y se acortará la vida del filamento o se fundirá. Si lo que ocurre es que el valor de la resistencia es mayor del esperado, la potencia recibida disminuirá en proporción inversa y la luz emitida será menos blanca y por tanto menos eficiente.

Con el dispositivo de control de potencia 1 inductivo-capacitivo la temperatura de trabajo del filamento 2 está prefijada de antemano por la potencia disponible por el dispositivo de control de potencia 1 , y es poco sensible a las condiciones iniciales del filamento 2 de la lámpara, estableciendo el máximo justo en la temperatura de trabajo.

En una lámpara sin el dispositivo de control de potencia 1 al encenderse su filamento 2 va pasando por diferentes temperaturas y diferentes resistencias hasta que alcanza a la temperatura de trabajo. Esto hace que la potencia instantánea al inicio sea decenas de veces mayor a la de trabajo y el filamento 2 puede fundirse. Como se puede comprobar en la gráfica de la Figura 7, que representa la potencia que experimenta el filamento 2 -con y sin dispositivo de control de potencia 1- de una bombilla de 60w a medida que el filamento se va caldeando durante la maniobra de encendido hasta llega a la potencia nominal, la potencia que experimenta el filamento 2 de una bombilla de 60w sin el dispositivo de control de potencia 1 durante la maniobra de encendido es muy variable, llegando la potencia a ser inicialmente hasta 15 veces superior a la nominal, repartida desigualmente por el filamento. Este efecto pone en riesgo la vida del filamento 2. Por el contrario, con el dispositivo de control de potencia 1 la potencia entregada al filamento 2 es casi constante con la temperatura, haciendo que el caldeo del filamento sea suave y muy seguro y la potencia se distribuya uniformemente. Esto es debido a que se forma un divisor de tensión entre el dispositivo de control de potencia 1 y el filamento 2 de la lámpara. Por ello cuando el filamento 2 está frío, la impedancia del dispositivo que es constante 441 Ω es muy grande comparada con los 65Ω del filamento, por ello toda la tensión cae en dispositivo de control de potencia 1 , poco a poco el filamento se va caldeando y a medida que lo hace aumenta su resistencia hasta llegar a los 441 Ω y en ese momento la tensión se reparte entre ambos, haciendo que la potencia entregada al filamento sea máxima y la temperatura se estabilice.

La Figura 8 muestra un gráfico del retardo de tensión, esto es, la caída de tensión registrada en el dispositivo de control de potencia 1 y la caída de tensión en el filamento mientas se va caldeando. En el filamento 2 la tensión sufre un crecimiento exponencial desde los 0 voltios hasta - =(= 0,7) veces la tensión de red.

V2

Esta forma secuenciada de aplicar la tensión al filamento, hace que se observe un ligero retardo en el encendido de apenas 2 décimas de segundo, que no es significativo.

Una consecuencia directa que se puede sacar a primera vista es que en el filamento 2 sólo cae 0,7 veces la tensión de la red 230V por eso la resistencia del filamento puede ser la mitad de la que correspondería a una lámpara de igual potencia conectada directamente a red y permite que el filamento pueda cambiar su relación de aspecto, pudiendo ser la mitad de largo, o ser más grueso o un poco más corto y un poco más grueso, mejorando así su relación de ancho sobre largo que le va a configurar mayor robustez.

En la Figura 9 se muestra el proceso de encendido (retardo de encendido) de una bombilla con y sin sistema de control de potencia 1 ; en concreto una gráfica comparativa de tiempo de encendido de una bombilla conectada directamente a red 50ms y otra conectada al dispositivo de control de potencia 1 de encendido lento 200ms. Sin el sistema de control de potencia 1 el encendido es muy rápido, el filamento se calienta con una curva tipo exponencial con una fuerte pendiente en el inicio. Por el contrario con el sistema de control de potencia 1 la curva del calentamiento es inicialmente potencial, con una suave pendiente al principio que va aumentado a medida que el filamento se calienta para finalmente alcanzar la temperatura de régimen. Este sistema de encendido suave evita que por un lado se produzcan dilataciones tan bruscas del filamento y por otro lado evita el riesgo de rotura, permitiendo que todo el filamento se caldee por igual y de forma uniforme.

Por todo lo expuesto, las lámparas que incorporan el dispositivo de control de potencia 1 mejoran en los siguientes aspectos:

- La robustez del filamento, que puede ser más corto y más ancho, por lo que soportará mejor las maniobras de encendido y apagado, reduciendo la probabilidad de rotura por sobre calentamiento.

- La curva de caldeo es mucho más suave y esto hace que el esfuerzo mecánico por la dilatación térmica sea también más homogéneo, nuevamente reduciendo la probabilidad de rotura.

- Durante los primeros instantes del encendido el dispositivo de control de potencia 1 se comporta como un generador de corriente constante, que hace que la distribución de potencia a lo largo del filamento sea homogéneo evitando calentamientos puntuales que podrían romper el filamento.

- Al ser el dispositivo de control de potencia 1 un componente pasivo fabricado por combinación de inductancias y capacitancias con resistencia despreciable, no se producen pérdidas energéticas en calor como ocurre en otros dispositivos electrónicos, como en el caso de Philips explicado anteriormente, o en el caso de utilización de transformadores.

El dispositivo de control de potencia 1 es aplicable a las lámparas incandescente corrientes, pero es particularmente necesario cuando se aplica a las lámparas halógenas conectadas directamente a red, ya que al ser mayor la temperatura de trabajo, es también mayor la potencia instantánea, con lo que el dispositivo de control de potencia 1 protege la lámpara durante el encendido pero además el filamento puede ser más grueso y más corto, hace que sea más robusto y también favorece al proceso de óxido-reducción comentado anteriormente.

Todas estas mejoras comentadas anteriormente permiten la posibilidad de subir la temperatura del filamento de las lámparas y así mejorar su eficiencia lumínica. No obstante, si se sube la temperatura de la lámpara es necesario cambiar la ampolla de vidrio por una de cuarzo, que soporte mejor las altas temperaturas.

Lo expuesto a continuación se puede aplicar a lámparas incandescentes corrientes, sin embargo, como la intención final es subir la temperatura del filamento, se considera más recomendable aplicarlo directamente sobre las lámparas halógenas, porque éstas llevan un sistema de recuperación del filamento muy eficaz. Una lámpara halógena de pequeña potencia y bajo voltaje puede mantener con seguridad una temperatura en el filamento de hasta 2884°K, como sucede en las lámparas de los faros de los automóviles que operan a 12V, ya que los filamentos son muy cortos y muy gruesos y esa relación de aspecto hace que tengan mucha inercia térmica protegiéndolos contra las maniobras de encendido y apagado; sin embargo, las lámparas halógenas de baja potencia entre los 10 y 100w conectadas directamente a red necesitan que la resistencia eléctrica de su filamento sea grande y por ello sus filamentos son largos y delgados. En estas circunstancias solamente pueden subir la temperatura del filamento hasta los 2690°K, reduciendo la eficiencia entre los 12 y 18 Im/w, dependiendo de la potencia, lo que supone sólo una mejora del 30% respecto de las lámparas estándar equivalente.

Un cuerpo negro incandescente a 2690°K radia una potencia de 2.4Mw/m ² de los que los que solo un 8.7% están en la banda visible. Sin embargo, por la ley del desplazamiento de Wien hace que la eficiencia luminosa subjetiva del ojo humano suba desde la banda de 101/w hasta los 131/w, que supone un 30% más de eficiencia que las lámparas incandescentes corrientes.

Una lámpara funcionando a una temperatura de 2900°K tiene una curva de emisión de radiación de 19.2lm/w. Si la temperatura del filamento ascendiera tan solo a 3169°K la eficiencia relativa subiría hasta los 28,3lm/w. Para la temperatura de 3460° , la eficiencia relativa alcanzaría 39,2lm/w, valor próximo a la de las lámparas fluorescentes o la de la emisión LED, que pueden alcanzar 50lm/w.

Tal y como se muestra en la Figura 3, que representa la distribución de la potencia de radiación de un filamento de tungsteno a 2884° , la emisión en la banda visible supone un 10,8% de la potencia total, sin embargo el rendimiento en lumen es de 28 Im/w.

El límite de temperatura a la que se puede poner el filamento es a la temperatura de fusión del tungsteno de 3695°K, pero se fundiría rápidamente. Un filamento a esta temperatura emitiría el 24% de su energía en el espectro visible pero la sensibilidad del ojo humano sólo permite ver 48,2lm/w. La máxima eficiencia se obtendría con un cuerpo negro a 6685°K, como es el caso del Sol, lo que representa sin embargo sólo 106 Im/w.

A pesar de que existen en el mercado otros tipos de lámparas no incandescentes con eficiencias que superan los 50 Im/w o incluso los 120 Im/w, como en el caso de las lámparas de sodio, el dispositivo que aquí se presenta es muy interesante ya que, como se explicará más adelante, todas están lámparas que aumentan tanto su eficiencia lo hacen de un modo discontinuo en el espectro, porque solo emiten en ciertas zonas del espectro visible para dar la sensación al ojo de mayor luminosidad y eso tiene sus inconvenientes para muchas aplicaciones. Con el dispositivo de control de potencia 1 se pueden llegar a alcanzar de una forma estable los 28.3 Im/w, incluso para lámparas de pequeña potencia conectas a la red de 230V. Para conseguir esa eficiencia el filamento debe alcanzar una temperatura de 3170° de forma segura. Esto es posible ya que el dispositivo de control de potencia 1 permite retardar el encendido, mediante un caldeo suave, lo que permite que el calor generado se reparta uniformemente por todo el filamento, evitando que se formen puntos calientes en el filamento y así evitar su rotura.

Para sustituir una bombilla convencional de 60W por una equivalente en lúmenes, mediante este sistema, se deben aportar los 600 lúmenes a una temperatura del filamento de 3170°K. A partir del rendimiento de la lámpara se puede calcular que la nueva potencia radiada que es de 21 ,2 W, según la ecuación (17) -potencia consumida por una lámpara de 600 lúmenes con una eficiencia de 28.3 lm/w-:

Pe=600/28.3=21.2W (17)

Sin embargo, una lámpara trabajando a esta temperatura tendría pérdidas de potencia de 4.6W en forma de calor por conducción y convección que no son radiadas, por lo que la potencia eléctrica real consumida será de 25, 8w.

Una lámpara incandescente convencional de igual potencia sin el dispositivo de control de potencia 1 tendría una resistencia en caliente, en su punto de trabajo de 2550°K, de 2050Ω, según se muestra en la ecuación (18) -resistencia eléctrica en caliente de una lámpara de 25,8w a 230V-:

La resistencia en frío sería de 187.5Ω, según se representa en la ecuación (19) - resistencia a tem eratura ambiente de una lámpara de 25, 8w a 230V -:

Sin embargo su resistencia trabajando con el dispositivo de control 1 a una temperatura de 3170°K es de 1025Ω, según se muestra en la ecuación (20) -resistencia eléctrica en caliente de una lámpara de 25, 8w a 230V adaptada con el dispositivo de control 1-:

R ₂ =½V ² /P=½ x 230 ² /25.8=1025Ω ₍₂₀₎

La resistencia en frío sería de 58.6Ω, según se muestra en la ecuación (21) - resistencia eléctrica a temperatura ambiente de una lámpara de 25,8w a 230V adaptada con el dispositivo de control de potencia 1-:

Este valor óhmico del filamento es 3.2 veces menor que el que tendría su equivalente en vatios operando a 2550°K, sin el dispositivo de control de potencia 1.

Por eso variará significativamente la forma del filamento, su área de emisión, su sección y su diámetro si se supone cilindrico; en definitiva cambia su relación de aspecto, haciéndose más robusto, ya que tiene radiar la misma potencia, con una menor superficie de emisión y a una temperatura mayor. La ecuación (22) representa la relación entre la superficie de emisión de un filamento 2 a diferentes temperaturas:

El nuevo filamento al trabajar a mayor temperatura necesita menor superficie de emisión. En la ecuación (23) -superficie de emisión de un filamento de 21 , 2w a 2550°K- y en la ecuación (24) -superficie de emisión de un filamento de 21 , 2w a 3170°K- se muestran los cálculos de las respectivas áreas de emisión de luz. m ² =21 ,2/(5.68x10 ^~8 2550 ⁴ )=8,83x10 ^"6 m ² ₍₂₃₎ A ₂ =W/aT ⁴ m ² =21 , 2/(5.68x10 ^"8 3170 ⁴ )=3.7x10 ^"6 m ² ₍₂₄₎ Para calcular la relación de aspecto entre ambos filamentos en el supuesto de que tengan forma de cilindro de sección S y longitud L, se utiliza el cálculo de las ecuaciones (25) -área de una sección circular-, (26) -superficie lateral de un cilindro- y (27) -resistencia eléctrica de un cilindro conductor-:

S= -rrr ² (25)

A= 2TTT.L (26)

L (27)

= P— n.r

Siendo p=5.65x10 ^"8 Qm ^"1 .

Resolviendo el sistema de ecuaciones, se obtiene el radio r del filamento de una lámpara en función de su superficie de emisión de luz y su resistencia eléctrica en frío, ecuación (28), y la longitud L de un filamento de una lámpara en función de su superficie del semidiámetro, ecuación (29):

(29)

L =

2n.r

Dado que el área A de radiación del filamento depende linealmente con la potencia y la resistencia eléctrica R inversamente proporcional, de las fórmulas anteriores (28) y (29) respectivamente se puede deducir que para un mismo tipo de lámpara la longitud y la sección del filamento crecen con la potencia, por esa razón las lámparas de más potencia tienen los filamentos más robustos. Sin embargo, para potencias pequeñas los filamentos son más endebles, tienen que trabajar a trabajar a temperaturas menores, disminuyendo su eficiencia, salvo que se le introduzca el dispositivo de control de potencia 1 , que permite estabilizar la temperatura durante el encendido.

Haciendo la comparativa entre las dos tipos de lámparas con y sin el dispositivo de control 1 y resolviendo para (A^Ro , ecuaciones (30) y (31), se obtiene el radio η y longitud del filamento para (Ai,R ₀ i). De la misma forma, particularizando para para (A ₂ ,R ₀ 2), ecuaciones (32) y (33), se obtiene el radio r ₂ y longitud L ₂ del filamento para (A ₂ ,R ₀₂ ):

_ pA _l _ J 5,65x10 ^"8 2,5 l0 ^{~5 (30)}

L, =— ^í— = 21.5cm ^ ^

¹ 2n.r c ⁽³²⁾

A-, (33)

L ₂ = - ^ = \0Acm

2 .r ₂

Se aprecia que la longitud del filamento L ₂ cuando se utiliza el dispositivo de control de potencia 1 , es 2,7 veces menor que el que tendría una lámpara convencional de igual potencia y la sección del filamento es prácticamente idéntica.

Para que la lámpara calculada funcione correctamente, su dispositivo de control de potencia 1 tiene que tener una impedancia igual a la del filamento a la temperatura de 3170°K (Z _G =1025O).

La Figura 10 representa un esquema de la impedancia del dispositivo de control de potencia 1. Como se puede observar en la Figura 10 para ajustar Z _G al valor de R es necesario buscar una pareja de valores C y L lo menor posible para que el dispositivo sea muy pequeño. Existen infinitas combinaciones que cumplen que 1/(100πΟ)-100ττί^. Esto es, L=a/C+b. El valor concreto está condicionado como se verá mas adelante por el proceso físico de fabricación de este dispositivo de control de potencia 1.

La Figura 11 muestra un esquema del circuito equivalente del dispositivo de control de potencia 1.

En una realización preferida la construcción física del dispositivo de control de potencia 1 se hace mediante dos láminas metálicas paralelas (10,11) separadas por un aislante, de forma análoga a un condensador corriente, pero en el que los contactos eléctricos están en los extremos opuestos de las láminas, para provocar un efecto inductivo, tal y como se muestra en las Figuras 12A y 12B. En un condensador convencional (Figura 12A) las cargas eléctricas tienen que hacer solo un pequeño recorrido para conseguir atravesar el dispositivo, en cambio en el dispositivo de control de potencia 1 , dispositivo LC (Figura 12B), las cargas tienen que hacer un mayor recorrido por las placas para atravesar al otro lado, creándose una mayor efecto inductivo L.

Como podemos ver al paso de la corriente el desplazamiento de las cargas eléctricas por cada cara en un condensador corriente circulan en sentido contrario para contrarrestar el efecto inductivo, sin embargo en el dispositivo de control de potencia 1 , las cargas eléctricas se desplazan en la misma dirección en ambas caras, por lo que no se cancela el efecto inductivo.

La Figura 13 muestra el esquema físico de una posible realización del dispositivo de control de potencia 1. Se trata de construir un condensador de placas paralelas enrolladas formando una autoinducción, de forma que el efecto capacitivo se contrarresta en parte con el inductivo para disminuir así la impedancia Z _G del conjunto.

El dispositivo capacitivo así fabricado se comporta como el circuito equivalente de la Figura 11 , donde se combina el efecto inductivo con el capacitivo. El dispositivo de control así creado no consta de una sola C y una sola L, sino es más bien de la combinación serie y paralelo de infinitas diferenciales dC e infinitas diferenciales dL, con lo que el resultado eléctrico de todo ello es una impedancia conjunta Z _G mucho menor de la que tendría el dispositivo fabricado por la combinación de L y C convencionalmente. De esta forma se ha forzado la formación de una autoinducción, que permite reducir la impedancia del conjunto en un 30% a la tendría el condensador equivalente del mismo tamaño. Por lo que el dispositivo de control de potencia 1 en cuanto a la de entrega de potencia a la lámpara se comporta a efectos de impedancia como si fuera un condensador de superior capacidad C'=1 ,3C. La ecuación (34) muestra la potencia entregada en función de la capacidad equivalente del dispositivo de control de potencia 1 : max w/pF equivalentes

lOOz ' 100rl,3C

El cálculo de la capacidad C del dispositivo de control de potencia 1 :

C'=P/10,8=25.8/10.8· =2,38 pF equivalentes

Si se utiliza un condensador construido normalmente entonces se necesitaría una capacidad mayor y por tanto un mayor tamaño.

C=P/10,8=25.8/8.3=3.1 pF reales

El dispositivo de control de potencia 1 por construcción es similar a un condensador pero de un tamaño menor para la misma potencia entregada, por lo que para potencias pequeñas podrían ser intercambiables. No obstante, el comportamiento eléctrico del dispositivo de control de potencia con una componente inductiva tiene mejor comportamiento durante el transitorio del encendido, ya que su efecto inductivo suaviza aún más la corriente inicial mejorando la protección del filamento.

La Figura 14 representa el retardo de encendido para distintas situaciones, mostrando que el efecto inductivo del dispositivo de control de potencia 1 , dispositivo LC, aumenta el suavizado del encendido protegiendo aún más el filamento de la lámpara.

Si se aplicara este dispositivo a una lámpara equivalente en luminosidad a una de 100W convencional, la capacidad equivalente sería de 4pF, cuyo pequeño tamaño de fabricación es posible integrarlo en el interior del casquillo E27 de las lámparas clásicas.

Un caso interesante de esta tecnología para la fabricación de las lámparas con este dispositivo de control de potencia 1 incorporado es que el diámetro del filamento sea el mismo que el de la lámpara clásica equivalente en potencia.

El valor de la resistencia en caliente se puede expresar con la aproximación mostrada en la ecuación (35), relación entre la resistencia en frío y la resistencia en caliente de un filamento y en función de la potencia y tensión aplicada:

Siendo R la resistencia del filamento 2 a la temperatura de funcionamiento, P la potencia de la lámpara y V la tensión de alimentación.

La temperatura alcanzada por el filamento es forzada por el dispositivo de control 1 hasta que se igualen el módulo de Z _G y R _L No obstante, interesa que esa temperatura sea lo más cercana posible a 3169°K, para entregar la máxima eficiencia radiativa posible con filamentos de tungsteno. A menor temperatura baja la eficiencia y a mayor temperatura se acorta la vida de la lámpara. En ese caso sí que se necesita que el valor de la resistencia del filamento a temperatura ambiente sea un valor concreto R ₀ , que se obtiene de la ecuación (35). La tolerancia es pequeña 0.95R ₀ < |Z _g | < 1.05R ₀ .

Sustituyendo este valor en la ecuación (28) anterior, se obtiene la siguiente ecuación (36) ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., radio r del filamento 2 de una lámpara en función de la potencia, tensión y temperatura del filamento:

Ya que para el tungsteno el valor número de σ=ρ=5.670· 10

De la ecuación (36) se puede comprobar que el diámetro del filamento 2 de una lámpara aumenta con la potencia y disminuye con la tensión aplicada. Para dos lámparas de igual potencia y de igual tensión, una de ellas con el dispositivo de control de potencia 1 y otra sin él, se puede calcular la relación entre sus diámetros, según la ecuación (37) - relación del radio r ₂ de un filamento regulado por el dispositivo de control de potencia 1 y del radio n de otro filamento de igual potencia sin regulación-.

De la ecuación (37) se puede deducir la relación entre temperaturas para que los radios Ti y r ₂ sean idénticos, como se muestra en la ecuación (38). En el cálculo del radio del filamento de la lámpara con dispositivo de control de potencia 1 el voltaje que le llega es V/V2.

Para que se conserve el diámetro del filamento de las dos lámparas la temperatura con el dispositivo de control de potencia 1 debe aumentar 1 ,28 veces como por ejemplo pasar de 2500°K a 3200°K, que coincide con el caso expuesto. Sustituyendo este valor en la ecuación (39), se calcula la relación entre la longitud L ₂ de un filamento regulado por el dispositivo de control de potencia 1 y la longitud !_ _! de otro filamento de i ual potencia sin regulación:

Se comprueba que la longitud del filamento es 2.68 veces mayor en la lámpara de igual potencia sin el dispositivo de control de potencia 1.

Por tanto, en una cadena de producción de lámparas la única variación que hay hacer para adaptarlas al dispositivo de control de potencia 1 es acortar la longitud del filamento en 2.68 veces, manteniendo su diámetro.