Dispositivo de control de potencia para una lámpara incandescente y uso del mismo para la fabricación de una lámpara incandescente de alta eficiencia.

Lámpara incandescente de alta eficiencia, procedimiento de fabricación y dispositivo de control de potencia para la misma.

La lámpara comprende un dispositivo de control de potencia (1) en serie con el filamento (2) de la lámpara. El dispositivo de control de potencia (1) dispone de una impedancia ZG con un comportamiento combinado sustancialmente inductivo y/o capacitivo para reducir la potencia instantánea recibida por el filamento (2) durante la operación de encendido de la lámpara y controlar la potencia recibida por el filamento (2) durante su funcionamiento para aumentar su temperatura y mejorar la eficiencia. El valor de la impedancia ZG del dispositivo de control de potencia (1) está determinado en función del valor de resistencia eléctrica RL del filamento (2) en caliente de la lámpara, y preferiblemente el módulo de dicha impedancia ZG es sustancialmente idéntico al valor de resistencia RL del filamento (2) en caliente de la lámpara.

Dispositivo de control de potencia para una lámpara incandescente y uso del mismo para la fabricación de una lámpara incandescente de alta eficiencia 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=σ ·T4 (Wm2) (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-2K-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-.

bx 3 hc

F = dx donde x =

∫ x

π 4 ae −1 λKT (2)

E =[F (b) − F (a) ]σT w/m2 (3)

El tungsteno es el elemento químico de mayor punto de fusión, 3695ºK, y un punto de ebullición de 5828ºK, 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 2400ºK, 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 =683, 002f<pCA}! CA ) dA Lúmenes (4)

"

Donde <pCA) es el flujo luminoso y v CA) la curva de sensibilidad del ojo humano.

La emisión de luz percibida por el ojo de un filamento incandescente a 24000 K

es de 6, 7Im/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 LEO o la luz fluorescente que tienen rendimientos cercanos a 60Im/w. Incluso hay otras fuentes lumínicas de mayores eficiencias, como las lámparas de descarga que consiguen 120Im/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 1OOW 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 25 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 24000 K para lámparas con potencias inferiores a 20w y los 26000 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 25Im/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 20Im/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 20Im/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 casquillos 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...

1. Dispositivo de control de potencia para la mejora de eficiencia en lámparas incandescentes, para su instalación en serie con el filamento (2) de una lámpara incandescente, caracterizado por que dispone de una impedancia ZG con un comportamiento combinado sustancialmente inductivo y/o capacitivo para reducir la potencia instantánea recibida por el filamento (2) durante la operación de encendido de la lámpara y regular la potencia recibida por el filamento (2) durante su funcionamiento; y por que el valor de la impedancia ZG del dispositivo de control de potencia (1) está determinado en función del valor de resistencia eléctrica RL del filamento (2) en caliente de la lámpara a la que va destinada su instalación.

2. Dispositivo de control de potencia según la reivindicación 1, caracterizado por que la impedancia ZG del dispositivo de control de potencia (1) es tal que el valor de su módulo es sustancialmente idéntico al valor de resistencia RL del filamento (2) en caliente de la lámpara a la que va destinada su instalación.

3. Dispositivo de control de potencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende 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.

4. Dispositivo de control de potencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende 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.

5. Dispositivo de control de potencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende 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.

6. Lámpara incandescente de alta eficiencia, caracterizado por que incorpora el dispositivo de control de potencia según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en serie con el filamento (2) de la lámpara.

7. Lámpara incandescente según la reivindicación 6, caracterizada por que es una lámpara halógena.

8. Lámpara incandescente según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 7, de una potencia P determinada, caracterizada por que el filamento (2) tiene el mismo grosor que el filamento de una lámpara incandescente convencional de igual potencia P, pero menor longitud.

9. Uso del dispositivo de control de potencia según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 para la fabricación de una lámpara incandescente de alta eficiencia, de una potencia P determinada, a partir de una lámpara incandescente convencional, caracterizado por que comprende incorporar el dispositivo de control de potencia (1) en serie con el filamento (2) de la lámpara del mismo grosor que una lámpara incandescente convencional de igual potencia P pero menor longitud.

Fig. 13

Fig. 14