01 Electricidad Alumbrado Electromagnetismo

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01 Electricidad Alumbrado Electromagnetismo

  1. 1. TEMA 1 ALUMBRADO ARTIFICIAL Y ELECTROMAGNETISMO Indice 1. La luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2. Color . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3. Curva de sensibilidad del ojo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4. Rapidez de percepción visual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5. Fuentes de luz artificial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6. Lamparas de filamento incandescente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 7. Particularidades de las lámparas incandescentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 8. Formas de la ampolla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 9. Acabados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 10. Casquillos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 11. Lamparas halogenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 12. Lamparas halogenas intercambiables con las incandescentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 13. Tubo fluorescente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 14. Color de emisión de luz de los tubos fluorescentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 15. Aplicaciones especiales de los tubos fluorescentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 16. Reactancia para tubo fluorescente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 17. Cebador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 18. Particularidades físicas de los tubos fluorescentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 19. Lamparas ahorradoras de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 20. Lamparas de descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 21. Lampara de vapor de mercurio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 22. Lampara de vapor de sodio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 23. Lampara de luz mixta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 24. Lampara de descarga de halogenuros metálicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 25. Lampara de descarga de xenón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 26. Nuevas técnicas en la fabricación de lamparas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 27. Electromagnetismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 28. Magnetismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 29. Campo magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 30. Acción mutua de los imanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 31. Sentido de las lineas de fuerza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 32. Electromagnetismo producido por una corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 33. Espira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 34. Solenoide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 35. Electroimán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 36. Fuerza magnetomotriz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 37. Aplicaciones de los electroimanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 38. Relé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 39. Sentido de la f.e.m. ejercida sobre u conductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 40. Aplicación de la fuerza magnetomotriz a los motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 41. Velocidad eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
  2. 2. Curso Virtual: Electricidad industrial TEMA 1 ALUMBRADO ARTIFICIAL Y ELECTROMAGNETISMO 1. LA LUZ Una de las formas de generar energía radiante, capaz de producir sensaciones visuales por medio de los ojos y el cerebro es, la luz. Las investigaciones científicas, han revelado que, la luz, se mueve a través del espacio bajo forma de ondas electromagnéticas, semejantes por su velocidad (300.000 kilómetros por segundo) y su naturaleza a las ondas de radio y otras ondas electromagnéticas (figura 1); pero diferentes por su longitud de onda. 90º 6 4 10 10 10 2 -4 10 1RAYOS ELECTRICOS -2 10 -6 10 (ONDAS DE RADIO Y TV) -8 10 LUZ RAYOS -10 INFRAROJOS -1210 RAYOS 10 RAYOS GAMMA ULTRAVIOLETAS RAYOS RAYOS X CÓSMICOS Figura 1 ESPECTRO DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA La radiación de luz es la unión de dos planos superpuestos, que están desplazados 90 º, transmitiéndose en línea recta Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 1 de 49
  3. 3. Curso Virtual: Electricidad industrial Las ondas luminosas viajan en líneas rectas, pero pueden ser modificadas (figura 2) por medio de reflexión, refracción o difusión. REFLEXIÓN REFRACCIÓN DIFUSIÓN Figura 2 MODIFICACIÓN DEL RAYO DE LUZ Las ondas luminosas del espectro visible y cualquiera que sea su longitud, viajan con la misma velocidad a través del espacio, pero en un ambiente transparente los rayos azules viajan más lentamente que los rayos rojos. Lo que explica el porqué de la descomposición en sus colores componentes, de un rayo de luz, por la acción de un prisma. Figura 3 DESCOMPOSICIÓN DE LA LUZ BLANCA AL CRUZAR UN PRISMA Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 2 de 49
  4. 4. Curso Virtual: Electricidad industrial 2. COLOR El color depende de la longitud de onda de luz. El espectro visible se extiende de 7600 Angström (rojo) a 3800 Angström (violeta) (figura 5). Entre estos límites se hallan las longitudes de onda que el ojo distingue. La temperatura de color es un término empleado para describir el color de una fuente de luz por comparación con el color de un cuerpo negro radiador. Un cuerpo negro cambia de color al cambiar de temperatura, y se expresa esta temperatura en grados Kelvin, una escala de temperatura que tiene su cero a -273º Centígrados. Por ejemplo; la luz de un tubo fluorescente color "blanco" es similar a la luz de un cuerpo negro a la temperatura de 3500º K., y, por tanto, se dice que el tubo tiene un color de 3500º K. La luz de un tubo fluorescente "luz de día" es más azulada, y para igualar la temperatura del cuerpo negro tendrá que ser más elevada. El tubo "luz de día" tiene un color de 6500º K. FUENTE NATURAL GRADOS KELVIN FUENTE ARTIFICIAL CIELO AZUL 25.000 15.000 . 10.000 8.000 . CIELO CUBIERTO 6.500 TUBO FLUORESCENTE LUZ DÍA . SOL DE MEDIODÍA 5.000 LÁMPARA PARA FOTOGRAFÍA (FOCO) . . . 4.000 LÁMPARA DE CRISTAL AZUL 3.800 LÁMPARA DE DESTELLO PARA . ARCO VOLTAICO. 3.600 TUBO FLUORESCENTE BLANCO SOL UNA HORA DESPUÉS DE SALIR . O ANTES DEL OCASO. 3.400 LAMPARA INCANDESCENTE . . 2.400 LLAMA DE ACETILENO SOL MEDIA HORA DESPUÉS DE . O ANTES DEL OCASO. . 2.200 LLAMA DE GAS . 2.000 SALIDA O PUESTA DEL SOL. . LLAMA DE BUJÍA 80 Figura 4 TEMPERATURA DEL COLOR Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 3 de 49
  5. 5. Curso Virtual: Electricidad industrial 3. CURVA DE SENSIBILIDAD DEL OJO Los colores del espectro luminoso no llegan con igual intensidad al ojo de los animales que a los seres humanos, refiriéndonos a las personas, los experimentos demuestran que el brillo de una luz de onda de 5500 Angström tiene una percepción del 100 %, mientras que el color violeta de 4000 Angström así como el rojo de 7000 Angström su percepción es nula, el 0 %, con estos datos se ha podido establecer la curva de la figura 5 Figura 5 CURVA DE VISIBILIDAD DE OJO HUMANO Sin embargo, en las aplicaciones prácticas de alumbrado el efecto psicológico de la luz de color puede influir en el individuo y en algunas ocasiones será más conveniente emplear colores menos pronunciados aunque disminuya la agudeza visual. 4. RAPIDEZ DE PERCEPCIÓN VISUAL El ojo no responde instantáneamente al estímulo de la luz, y la percepción visual no es inmediata. Por lo tanto; si se expone el ojo a una fuente de luz que varía rápidamente de intensidad, la persistencia de la percepción visual en algunos casos impide descubrir la vacilación; este caso ocurre en el cine y la televisión. Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 4 de 49
  6. 6. Curso Virtual: Electricidad industrial Fluctuaciones más lentas, sin embargo, puede molestar y fatigar en algunos casos, aun cuando existe una tendencia por parte del observador de acostumbrarse a este fenómeno sin ocasionar daño permanente en los ojos. La variación a la frecuencia de 50 ciclos por segundo no la percibe el ojo y en apariencia no produce variación en la luminosidad en las lámparas incandescentes; pero, en la de descarga gaseosa y los tubos fluorescentes producen cierta vacilación o parpadeo llamado efecto estroboscópico. Para algunas tareas, con objetos en movimiento, este efecto puede ser molesto y es necesario corregirlo. Para ver un objeto, hay que producir sobre la retina del ojo una imagen en miniatura con todos los detalles y esto depende al menos de cuatro factores fundamentales: - El tiempo (tiempo que el ojo está fijo sobre el objeto) - El tamaño (cuanto más grande, más fácil de verlo) - El contraste (diferencia entre el objeto y su entorno) - El brillo (depende de la luz que incide sobre el objeto) De todos ellos el brillo es el más fácilmente controlado por el luminotécnico. 5. FUENTES DE LUZ ARTIFICIAL La gran lucha del hombre contra los elementos ha sido el poder mantener la luz cuando el sol desaparece en el horizonte. Para convencernos de esto basta con recordar que a principio del siglo XIX, casi no existía otra fuente de luz artificial que la vela de cera. Castillos, iglesias, palacios y viviendas se alumbraban con velas de cera. Finalizando el siglo XIX se descubrieron las primeras lámparas incandescentes, en los Estados Unidos de América del Norte, T. Edison, no sólo descubrió la lámpara sino que también tuvo que demostrar, iluminando él mismo una pequeña ciudad, que el alumbrado eléctrico era mucho mejor que el de los faroles de gas. Pero en Europa no llegó hasta la exposición Universal de París, hecho que le valió a la Capital de Francia, el sobrenombre de ciudad de la luz, ya que por primera vez se iluminó toda una gran ciudad y sus monumentos con luz eléctrica. Más tarde los movimientos culturales de la época, extenderían este concepto a lo cultural, lo cual no contradice del primer concepto. Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 5 de 49
  7. 7. Curso Virtual: Electricidad industrial 6. LÁMPARAS DE FILAMENTO INCANDESCENTE La incandescencia es el fenómeno que se observa al someter un cuerpo al aumento de temperatura hasta el punto que desprenda luz. En esto momento se dice que le cuerpo está incandescente, superado este instante el cuerpo se funde y volatiliza con desprendimiento de llama. Evitar que el cuerpo se funda y mantenerlo en este instante de incandescencia es lo que descubrió Edison. Para ello encerró dentro de una ampolla de vidrio un filamento de carbón y extrajo el aire del interior. Al no existir oxígeno el filamento no se fundía, la cantidad de luz emitida por estas lámparas era suficiente para iluminar su entorno, si bien el rendimiento de estas primeras lámparas era bajo. En 1907 se adoptó el filamento de volframio, y al tiempo que se hace el vacío en el interior de la ampolla se introduce un gas noble, que permite una corriente refrigerante que enfrían el filamento, alargando su vida y permitiendo temperaturas que sobrepasan los 3.000 ºC 7. PARTICULARIDADES DE LA LÁMPARA INCANDESCENTE La vida media de la lámpara incandescente es de 1.000 horas de funcionamiento. Figura 6 COMPONENTES DE LA LÁMPARA INCANDESCENTE Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 6 de 49
  8. 8. Curso Virtual: Electricidad industrial Las partes principales de una lámpara pueden verse en la figura 6 en la que: 1. - Gas para evitar la evaporación del filamento 2. - Soportes del filamento 3. - Hilos de conexión del filamento con el casquillo 4. - Botón de vidrio que sirve de base a los soportes 5. - Base de vidrio por la que se introduce las conexiones 6. - Fusible, dentro de la base de vidrio 7. - Tubo de evacuación del aire d Cuarzo yodo sin patillas durante la fabricación 8. - Ampolla 9. - Casquillo 8. FORMAS DE LA AMPOLLA La figura 7 muestra gráficamente las formas más usuales de lámparas incandescentes, cuya denominación es la siguiente: 1 Estándar 2 Hongo 3 Con reflector dicroico 4 Seta 5 Espejada 6 Globo de cuarzo yodo (Cebolla) 7 Esférica 8 9 Tubular 10 Tubo 11 12 Vela 13 Vela 14 Cónica Pebetero Cuadrada rizada 15 Linterna 16 De gota 17 Piloto 18 19 Sofito 20 Softone 21 Softone 22 de lente Micro lámpara dos un casquillo Portalámpar -sin casquillo- casquillos central a Softone 23 Lámpara lineal 25 Lámpara lineal cuarzo 24 Lámpara lineal cuarzo yodo con latiguillos cuarzo yodo larga yodo corta 26 Lámpara cuarzo 27 Cuarzo 28 bi-pin iodo con reflector iodo sin dicroico patillas 29 Cuarzo yodo 30 Cuarzo yodo 31 Par de vidrio 32 Cónica de intercambiable intercambiable prensado bajo voltaje tubular Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 7 de 49
  9. 9. Curso Virtual: Electricidad industrial Figura 7 DISTINTAS FORMAS DE LA AMPOLLA Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 8 de 49
  10. 10. Curso Virtual: Electricidad industrial 9. ACABADOS Las ampollas se fabrican con distintos acabados, según convenga para obtener un determinado efecto luminoso. Hoy día entre formas, acabados, potencias y voltajes existen en el mercado más de 40.000 tipos distintos de lámparas. Los principales acabados son: 1. - Clara o Standard 2. - Con casquete plateado 3. - Coloreado superficial 4. - Coloreado natural o azules 5. - Mate interior 6. - Con reflector incorporado 7. - De vidrio prensado - con haz de luz concentrado - con haz de luz abierto 1 2 3 4 5 6 7 concentra 7 abierto Figura 8 ACABADOS DE LÁMPARAS Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 9 de 49
  11. 11. Curso Virtual: Electricidad industrial 10. CASQUILLOS En un principio y hasta no hace muchos años, tan sólo existían dos grupos, los de rosca y los de bayoneta; los de bayonetas se aplican a todos los lugares sometido a vibración que puede hacer, que por el efecto del movimiento, se desenrosque la lámpara. En los demás casos se emplean los de rosca, de este último sólo existían tres medidas: E. - el de rosca Edison que era el más común, por encima de este había un tipo mayor G. - con rosca Goliat, para lámparas de 300 vatios o de consumo superior M. - rosca miñón (mignon). el de menor tamaño, que se empleaba en lámparas en forma de vela E M G Figura 9 CASQUILLOS La gama actual de casquillos es enorme, sobrepasando el centenar. Dividiéndolo por grupos existen: Casquillos roscados: Sólo indican tres: - los de las lámparas de vela E-14, denominados anteriormente miñón. - el casquillo E-27, antes de rosca Edison. - y el casquillo E-40, que antes se llamaba Goliat. Existiendo un total de nueve medidas distintas del diámetro de rosca. Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 10 de 49
  12. 12. Curso Virtual: Electricidad industrial Casquillos de bayoneta: El similar a la: - rosca E-14 es la bayoneta B-15 la forma más corriente de la ampolla de este casquillo es la de vela pero no la única. - rosca E-27 es la bayoneta B-22 llamada también forma estándar por ser la más común de todas las lámparas que hay en el mercado - rosca E-40 es la bayoneta BA-42 para lámpara de más de 300 vatios de consumo Casquillos de bayoneta para automóviles: De uno y dos filamentos, con prefocus o simples, de dos y también con tres tetones, se suele encontrar en el mercado por lote de recambio en cajas adecuadas (figura 10) Figura 10 LÁMPARAS DE AUTOMÓVIL Casquillos con terminales de cable, de espigas, y sin casquillos, son todas ellas lámparas especiales que sólo son aplicables a un sólo tipo de máquina y que se fabrican exclusivamente para ella, incluso dándose a veces, el caso que tan sólo la construye un sólo fabricante. Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 11 de 49
  13. 13. Curso Virtual: Electricidad industrial Figura 11 LÁMPARAS SIN CASQUILLOS 11. LÁMPARAS DE HALÓGENAS Son lámparas de filamento incandescente, a las que le han incorporado, además del nitrógeno y el argón, gases halógenos de yodo y bromo; lo que da lugar a un fenómeno llamado “ciclo del halógeno”, que consiste éste en la combinación con los átomos del tungsteno o volframio desprendido del filamento que se depositan en los puntos más calientes del filamento, con lo que se autorregenera el filamento constantemente, resultando una mayor vida de la lámpara. Para que esta reacción se produzca hace falta una elevada temperatura del filamento y que las paredes del bulbo se encuentren lo más cerca posible de éste. Por estas razones, el filamento se construye con una gran pureza y regularidad en el diámetro, y el cristal utilizado cuarzo, que resiste temperaturas de 650 ºC. El portalámpara está sometido a una alta temperatura, por lo que se construyen de cerámica y los conductores con revestimiento anticalórico. Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 12 de 49
  14. 14. Curso Virtual: Electricidad industrial Ventajas Reducido tamaño Menor consumo para una misma cantidad de luz Temperatura del color alta 3.000 ºK Mayor duración (3.000 a 5.000 horas), las sobretensiones y una ventilación inadecuada acortan en mucho este promedio de vida. Inconvenientes No pueden ser tocadas con los dedos, la grasa de estos reaccionan con el cuarzo a altas temperaturas y se cuartean (deben de colocarse sin quitar el papel envolvente, y una vez colocada quitar el papel de protección, no antes) La elevada temperatura produce que su entorno deba ser protegido de contactos accidentales, y los conductores protegidos con fundas anticalóricas. La alta luminiscencia, produce deslumbramientos si los ángulos de visión no son los adecuados. La mayoría de estas lámparas funcionan a pequeñas tensiones, por lo que es preciso utilizar trasformadores. Producen una importante radiación ultravioleta, por lo que no deben ser utilizas para iluminar seres vivos, como animales o plantas, a no ser que utilicen filtros adecuados, ya sea incorporado en la envolvente de la lámpara, o en la luminaria que la he de contener. Utilización En un principio, se utilizaron para producir una gran potencia de luz, con consumos de 300, 500, 1.000 y 1.500 W, por lo que se utilizan en proyectores, fotografía y teatro. Hoy día, también se utilizan como sustitución de las lámparas normales de incandescencia, en consumo muy bajo, de 30, 40 y 50 W y de muy diversas formas, incluso de vela, con reflector incorporado (figura 12), sin él (figura 13), de mayor o menor diámetro, con apertura de has de luz que oscila entre los 3 y los 30 º Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 13 de 49
  15. 15. Curso Virtual: Electricidad industrial Una de las innovaciones que más repercusión ha tenido en el alumbrado moderno de interiores, ha sido la unión de la lámpara halógena y el reflector de vidrio con revestimiento de capa fina dicroica (esta capa refleja la luz blanca hacia delante y deja pasar luz ultravioleta hacia atrás). Figura 12 LÁMPARA HALÓGENA DICROICA El voltaje de funcionamiento más común es 12 voltios pero también se fabrica en 13'8, 8, y 30 voltios Figura 13 LÁMPARA HALOGENA BI-PIN El tamaño de lámparas bi-pin oscila entre 25 y 60 mm de largo incluyendo los contactos, el filamento puede estar en posición axial, o transversal; y el cristal de cuarzo puede ser transparente u opaco. (En el lenguaje coloquial se suele eliminar el prefijo Bi- y se las denominan simplemente lámparas pin) Figura 14 LÁMPARA HALÓGENA LINEAL Las lámparas halógenas de cuarzo yodo lineal tienen posición de funcionamiento, deben trabajar en posición horizontal, con un ángulo máximo de inclinación de ± 15 ºC Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 14 de 49
  16. 16. Curso Virtual: Electricidad industrial 12. LÁMPARA HALÓGENA INTERCAMBIABLE CON LAS INCANDESCENTES Son halógenas con una doble envoltura de cristal normal, lo que permite manejarla igual que una lámpara normal con casquillo E-27, E-14 incluso E-40, todas al voltaje normal de 220 -230 V; pero, sin olvidar el mayor calor que produce. Por tanto, no se puede colocar en el mismo lugar que ocupe una lámpara normal, a no ser que esté bien ventilada, y de que el plástico no forme parte de la luminaria. Figura 15 DIVERSAS LÁMPARAS HALÓGENAS INTERCAMBIABLES CON LAS NORMALES 13. TUBO FLUORESCENTE. Presentado en la Feria de Nueva York de 1939 no se introdujeron en Europa hasta 1945, ya terminada la II Guerra Mundial. La figura 16 muestra qué es un montaje de lámpara fluorescente. En líneas generales, consta de un tubo de vidrio de calidad especial herméticamente cerrado, en el que previamente se ha hecho el vacío, sin el cual no puede funcionar la lámpara. Figura 16 TUBO FLUORESCENTE Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 15 de 49
  17. 17. Curso Virtual: Electricidad industrial Cada extremo del tubo lleva montado un filamento. La pared interior del tubo va revestida con una capa de un compuesto químico fluorescente. En el interior del tubo se introduce cierta cantidad de gas argón y una pequeña cantidad de mercurio. Los dos filamentos, colocados en ambos extremos del tubo, están recubierto de una substancia que por la acción del calor, emiten con facilidad electrones. Delante del filamento se coloca una pantalla, conectada eléctricamente con el filamento: esto hace que, un filamento actúe como un cátodo; y el otro, como un ánodo; los electrones que son desprendidos del cátodo, son atraídos por el ánodo produciendo un arco eléctrico. Este arco, se ve favorecido por la presencia del gas argón; la descarga inicial, se produce gracia a la presencia de este gas. Esta primera descarga, produce el calor suficiente para vaporizar rápidamente el mercurio; lo que sirve para mantener el arco; al mismo tiempo, el vapor de mercurio, por el choque de los electrones, se vuelve luminiscente. 14. COLOR DE EMISIÓN DE LUZ DE LOS TUBOS FLUORESCENTES La descarga eléctrica produce principalmente rayos ultravioletas y algo de radiaciones visibles verdes y azules. La misión del compuesto químico con que se recubren las paredes del tubo es la de absorber la radiación que se produce por la evaporación del mercurio y convertirla en luz. Gracias a las mezclas de polvos de fósforos, se obtiene el matiz deseado. Los colores comerciales más comunes son: - Blanco cálido - Luz día (el más utilizado) Sin que estos sean los únicos colores que se utilizan para iluminación, pues también se usa, el: - Blanco de lujo - Blanco cálido de lujo - Luz diurna fría También se fabrican para obtener efectos decorativos como son: - Rojo - Verde - Rosa - Azul - Oro - Amarillo 1 2 Figura 17 TUBO FLUORESCENTE 1 NORMAL DE 26 MM, 2 DE 18 MM Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 16 de 49
  18. 18. Curso Virtual: Electricidad industrial 15. APLICACIONES ESPECIALES DE LOS TUBOS FLUORESCENTES Aparte de los indicados existe una gran variedad de fluorescentes, para usos especiales, destinadas no a producir colores; para decoración, o para la iluminación; si no, para producir radiaciones, con el objeto de aplicar esta propiedad en efectos tales como: - el crecimiento de las plantas, especialmente para plantas de acuario; son los - Tubos Gro-lux Los - Tubos de luz negra - para producir radiaciones ultravioleta, con vidrio color azul oscuro, dando efectos luminiscentes de aplicación en discotecas, análisis y detección, industria azucarera textiles y alimentación, filatelia, mineralogía, banca, criminología y medicina. Figura 18 TUBO LUZ NEGRA Figura 19 BILLETE ILUMINADO CON LUZ ULTRAVIOLETA Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 17 de 49
  19. 19. Curso Virtual: Electricidad industrial Las - Lámparas germicidas - para la destrucción de bacterias y mohos, empleada en el conducto del aire acondicionado; se hace de forma que sus rayos no puedan ser emitidos al exterior, ya que una exposición prolongada puede ser perjudicial y producir conjuntivitis o eritemas en la piel. Se utiliza mucho en hospitales, cámaras frigoríficas, almacenes de queso, industria farmacéuticas, lecherías, destilerías de cerveza y centros de investigaciones bacteriológicas. También se fabrican lámparas fluorescentes sin filamento de caldeo, llamadas de "cátodo frío" tienen un sólo tetón por extremo del tubo en lugar de los dos que tienen los tubos de cátodo caliente (figura 20). Figura 20 TUBO DE CÁTODO FRÍO Otras terminaciones son los tubos circulares y los de forma de U Figura 21 DIVERSAS FORMAS DE TUBOS FLUORESCENTES Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 18 de 49
  20. 20. Curso Virtual: Electricidad industrial 16. REACTANCIA PARA TUBO FLUORESCENTE No es más que un carrete de hilo de cobre, o aluminio, devanado sobre un núcleo de hierro, de construcción en forma particular. La finalidad de la reactancia es triple. -Primero calienta los electrodos de la lámpara hasta que pueda iniciarse la emisión de electrones. -Segundo proporcionar una tensión suficientemente alta para que se produzca el arco entre los electrodos. -Tercero estabilizar la corriente y potencia de la lámpara a los valores previstos por el fabricante. NOTA: De aquí que en los tubos fluorescentes no se especifique la tensión de trabajo, es la reactancia la que se fabrica de distintos voltajes de red, sirviendo el tubo lo mismo para un voltaje de línea que para otro, ya que es la reactancia, la que regula la tensión de trabajo del tubo fluorescente. Figura 22 DIVERSOS ASPECTOS DE REACTANCIAS 17. CEBADOR Su misión es producir el "arranque" del primer arco dentro del tubo, el cual se origina por la combinación del efecto que se produce en la reactancia cuando el cebador interrumpe bruscamente el paso de la corriente por los filamentos de caldeo. (En la figura 16 se ve como, el cebador está conectado en serie con los dos filamentos) Figura 23 CEBADORES Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 19 de 49
  21. 21. Curso Virtual: Electricidad industrial Al interrumpirse el paso de la corriente a través del cebador, la tensión entre los extremos del tubo se eleva, gracias al efecto de la reactancia, y salta el arco entre ambos electrodos. Inmediatamente que se enciende la reactancia disminuye la tensión del tubo un 50 %, y el cebador deja de actuar, quedando fuera de servicio. Para comprobar esto basta con aflojar el cebador de modo que dejado fuera del circuito, el tubo continuará funcionando sin variación; pero, si se apaga no volverá a encender hasta que no coloquemos de nuevo el cebador. 18. PARTICULARIDADES FÍSICAS DE LOS TUBOS FLUORESCENTES La vida media de un tubo fluorescente, es doble de la lámpara incandescente, es decir: 2.000 horas de funcionamiento, pero, esta se acorta notablemente cuando los apagados y encendidos son muy frecuentes. Si un tubo fluorescente se conecta con un dispositivo intermitente de apagado y encendido continuo el tubo de funde en muy pocos minutos. La temperatura exterior les afecta, por lo que no se aconseja su uso en alumbrado público 19. LÁMPARAS AHORRADORAS DE ENERGÍA En la actualidad se fabrican tubos fluorescentes de pequeño consumo, en forma de lámpara, en los que la reactancia y el cebador están integrados dentro del conjunto y dispone de una rosca E-27 y aún E-14; con lo que nada más que hace falta enroscarla en el portalámpara en sustitución de la lámpara incandescente. La cantidad de luz de un tubo fluorescente de 7 W es similar al de una lámpara de 60 W, y su vida media es mayor; de aquí, el nombre que se les han dado a este tipo de lampara. La forma comercial puede ser cualquiera de las representadas en al figura 25. OSRAM 75 W 15 W 100 W 20 W OSRAM 120 W 23 W d Figura 24 COMPARACIÓN DEL GASTO CON LA CANTIDAD DE LUZ Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 20 de 49
  22. 22. Curso Virtual: Electricidad industrial Figura 25 LÁMPARAS AHORRADORAS DE ENERGÍA En la actualidad la electrónica se ha aplicado al encendido de los tubos fluorescentes siendo posibles algo que antes no se podía, como conectar los tubos a la corriente continua, incluso a pequeñas tensiones. La reactancia ya no existe en las lámparas de ahorro de energía. La electrónica también se aplica para disminuir la cantidad de iluminación mediante reguladores. Este tipo de reactancias (llamadas balastros), se muestran en la figura 26, suelen ser mucho más largas que las reactancias normales y el peso casi insignificante sorprenden, pues se ha eliminado el hierro. Figura 26 DIVERSAS REACTANCIAS ELECTRÓNICA PARA TUBOS FLUORESCENTES Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 21 de 49
  23. 23. Curso Virtual: Electricidad industrial Esquemas de conexionado: En todas las reactancias sea convencional o electrónica viene pintado el esquema de conexión. En la figura 26, se ven estos esquemas algo confuso y en la figura 27, puede observarse incluso reactancias para más de un tubo a la vez. 27. DIVERSOS ESQUEMAS DE TUBOS FLUORESCENTES 20. LÁMPARAS DE DESCARGA En la lámpara de incandescencia se originan unas pérdidas de energía de un 90 % aproximadamente, aprovechándose en luz únicamente el resto. Esto es debido a la radiación por temperatura, base de estas lámparas; se obtiene espectro continuos, con radiaciones que no son útiles a la visión. Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 22 de 49
  24. 24. Curso Virtual: Electricidad industrial Constan de un quemador, en forma alargada, rellena de gases eléctricamente neutros, como el argón, neón, xenón y el nitrógeno, dentro del cual se produce, al aplicarle la tensión adecuada, una ionización de la mezcla gaseosa, vaporizándose el mercurio y dando inicio a la descarga eléctrica entre cátodos. Esta descarga en forma de arco, produce luz de una intensidad mucho mayor que la incandescencia. Todo el proceso de arranque, también llamado cebado de la lámpara o encendido, suele durar de tres a cinco minutos, alcanzando su funcionamiento estable entre 5 y 6 minutos. El quemador está encerrado dentro de una ampolla de cristal transparente, o tratado interiormente con materias fluorescentes, los extremos del quemador unidos con láminas de molibdeno, al casquillo de rosca E-27 o bien E-40, facilita el recambio. Las lámparas de descarga al no tener filamentos no se funden, tan sólo se agotan, siendo la vida útil de estas es de 6.000 horas de funcionamiento. Y la relación, vatios consumido-luz radiada, mucho mayor que la de las lámparas de filamento. No obstante la enorme ventaja que proporcionan esta lámpara, sin embargo, no está hecha para sustituir a las lámparas incandescentes que siguen teniendo su campo de aplicación propio. Las lámparas de descarga están diseñadas para alumbrado de grandes espacios abiertos, especialmente para alumbrado de carreteras, jardines, aparcamientos. 21. LÁMPARAS DE VAPOR DE MERCURIO (VM) Existen tres tipos: las estándar, la de color corregido y las reflectoras. El quemador al iniciar el encendido, hace aumentar la tensión entre los bornes de la lámpara, por la acción de la descarga y el aumento de la temperatura. Esta tensión podría aumentar de forma indefinida la cantidad de corriente, que conduciría casi de inmediato a la destrucción de la lámpara. Para impedir este inconveniente se coloca, en serie con la lámpara, una reactancia del valor adecuado a la potencia de cada lámpara. El uso de reactancia obliga a su vez, a utilizar condensadores correctores del factor de potencia, adecuado a cada tipo de lámpara. Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 23 de 49
  25. 25. Curso Virtual: Electricidad industrial LÁMPARA VM ESTÁNDAR La emisión del quemador de vapor de mercurio emite una considerable cantidad de ultravioleta, recubriendo la ampolla con fósforo, se consigue convertir en luz visible el arco del quemador. Sin embargo, el color resultante deja mucho que desear, por lo que, se limita el uso de estas lámparas a grandes espacios en los que no es preciso un alto nivel cromático LÁMPARA VM CC Recubriendo el interior de la ampolla con materias fluorescentes, como el fluorogermanato de magnesio se convierte la luz ultravioleta en luz visible muy agradable, de color permanentemente blanco y de gran eficacia para la visión, aunque el rendimiento luminoso sea un 2'5 % menor. Estas lámparas reciben el nombre de vapor de mercurio de color corregido (VM CC) Figura 28 LÁMPARA DE VAPOR DE MERCURIO Y REACTANCIA LÁMPARA VM reflectora Diseñadas para proyectar direccionalmente la luz a lugares concretos, presentan forma de hongo (figura 29), su construcción y funcionamiento es igual a las de VM, con la diferencia del cristal, transparente en la parte frontal o mate, para difuminar la luz; la parte trasera es un reflector de capas de dióxido de titanio, sobre la que se deposita sustancias fluorescentes que aumentan el rendimiento lumínico a 4.000 ºK. La vida media de estas lámparas es superior a sus homólogas de vapor de mercurio, llegando a las 9.000 horas de funcionamiento. Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 24 de 49
  26. 26. Curso Virtual: Electricidad industrial Se fabrican todas con casquillo E-40. d Figura 29 LÁMPARA DE VM CON REFLECTOR Potencia en lámparas de VM Estándar E-27: 50, 80 y 125 W Condensador: 7, 8 y 10 µF E-40: 250, 400, 700 y 1.000 W Condensador: 18, 25, 40 y 60 µF Color corregido E-27: 50, 80 y 125 W Condensador: 7, 8 y 10 µF E-40: 250 y 400 W Condensador: 18 y 25, µF Con reflector E-40: 250, 400, 700 y 1.000 W Condensador: 18, 25, 40 y 60 µF Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 25 de 49
  27. 27. Curso Virtual: Electricidad industrial Reactancia en lámparas de descarga Todas las lámparas de Vapor de Mercurio y Vapor de Sodio, necesitan un equipo auxiliar para limitar la corriente que circula por el circuito, siendo las características de esta reactancia adecuadas a la lámpara. Por otro lado como son lámparas de alumbrado público la reactancia han de ir protegidas contra los agentes atmosféricos como la lluvia, la nieve o el sol, y contra golpes. En la figura 28 se aprecia la forma física que presenta este tipo de reactancias. 22. LÁMPARA DE VAPOR DE SODIO Existen dos tipos las de baja presión y las de alta presión Lámpara de vapor de sodio de baja presión Consta de un tubo doblado en forma de horquilla, que lleva una serie de resaltes o cavidades, dispuestas a todo lo largo del tubo, para que en ellas de deposite, una vez enfriado el gas, en estas cavidades; que son las partes más frías del tubo. De esta forma, el material está listo para una nueva ionización al reencender la lámpara. El tubo se llena de una mezcla de neón y argón, además de una pequeña cantidad de sodio. En los finales del tubo, como ésta es una lámpara de cátodo caliente, se insertan unos cátodos caliente, se insertas unos electrodos de triple espiral de tungsteno, con intersticios rellenos de un emisor de electrones, como el óxido de torio. En la figura 30 puede verse el tubo interior en forma de horquilla con sus protuberancias de distribución de sodio. Figura 30 LÁMPARA DE VAPOR DE SODIO DE BAJA PRESIÓN Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 26 de 49
  28. 28. Curso Virtual: Electricidad industrial Para el arranque de la lámpara se precisa una tensión elevada, entre los 350 y 400 V, de forma que hace falta un transformador en la alimentación. Este tipo de transformador recibe el nombre de reactancias de fugas, ya que una vez encendido actúa como una reactancia que controla la corriente del arco. Durante el proceso de arranque, el neón y el argón reaccionan y comienza el encendido con un tono de luz rojizo, luego el gas de sodio entra en resonancia y se inicia un cambio de color, al naranja que poco a poco pasa a ser el color dominente, todo el proceso suele durar unos diez minutos, dependiendo de la temperatura ambiente Finalmente cuando la lámpara se encuentra la 100 % de su rendimiento, la luz desprendida tiene un color amarillo-naranja, que es precisamente el color que mejor distingue el ojo humano, por lo que la visión de lo que los volúmenes que estén iluminados con este tipo de luz se distinguen mucho mejor que si estuvieran iluminados con luz blanca. Aunque bajo esta luz no se aprecia las diferencias de colores, las masas y volúmenes si aparecen con más nitidez, aunque se puedan confundir los colores. El rendimiento luminoso es similar al de tres lámparas de vapor de mercurio de la misma potencia, o al de quince lámparas incandescentes de los mismos vatios. Se usan casi exclusivamente en cruces de carreteras, autopistas, túneles, puertos, muelles, almacenes al aire libre, balizamiento de aeropuertos, canteras y minas, donde los colores no revisten mayor importancia, pero sí los detalles. La potencia que consumen es relativamente baja, sin embargo, las dimensiones de la lámpara son bastante importantes según puede verse en el cuadro resumen siguiente Potencia Flujo Diámetro Longitud W luminoso mm mm 18 1.800 53 216 35 4.800 52 310 55 8.000 52 425 90 13.500 66 528 135 22.500 66 775 180 33.000 66 1.120 Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 27 de 49
  29. 29. Curso Virtual: Electricidad industrial La ventaja más destacada de estas lámparas es su elevadísimo rendimiento, flujo luminoso del 95 % durante toda su vida útil es la solución más ventajosa al alumbrado público. Son lámparas que tienen posición de uso, es decir, no funcionan en cualquier postura. Lampara de vapor de sodio de alta presión Utilizan un quemador de cerámica traslúcida, en lugar de vidrio, en los extremos del tubo cerámico se sitúan los electrodos y una mezcla de mercurio y sodio, mientras en el interior del quemador está compuesta de xenón a una presión de 20 atmósferas, dentro del quemador se desarrollan temperaturas de 1.300 ºC. El sistema de encendido es aún más complejo, precisa de una reactancia y un ignitor, que proporciona pulsos de aproximadamente 4.000 V. para iniciar el arco en el xenón, que desencadene la evaporación del mercurio y el sodio. Este período de arranque dura entre tres y cuatro minutos. La producción de luz está prácticamente desprovista de rayos ultravioletas, proporcionando luz prácticamente blanca de gran calidad y de alto rendimiento, de todas las del marcado es la que más cantidad de luz proporciona en relación con el consumo 130 lúmenes por vatio, y una temperatura del color de 2.500 ºK. Se fabrica en formato tubular y elipsoidal, aunque presenta un inconveniente muy importante: El ignitor no puede ser colocado a más de 50 cm de la lámpara. Figura 31 LÁMPARA DE VAPOR DE SODIO Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 28 de 49
  30. 30. Curso Virtual: Electricidad industrial 23. LÁMPARA DE LUZ MIXTA Consisten en un tubo de descarga en mercurio, hecho de cuarzo, conectado en serie con un filamento de tungsteno. Este filamento funciona como fuente de luz incandescente y al mismo tiempo, como reactancia para el tubo de descarga en mercurio ya que limita la corriente de la lámpara. La ampolla exterior de la lámpara tiene una capa interior correctora, que mejora la reproducción de la luz de ambas fuentes siendo el resultado una luz difusa, pocos minutos después de encendida la lámpara, las dos fuentes alcanzan su rendimiento óptimo. No necesitan reactancia, por lo que son un recurso excelente para mejorar el alumbrado incandescente ya existente sin necesidad de adquirir reactancia ni montar nuevas armaduras. Se fabrican en tres vatiajes distintos 160, 250 y 500 vatios siendo la menor de las tras la única que tiene posición de funcionamiento, las otras dos funciona en cualquier posición. Figura 32 LÁMPARA DE LUZ MIXTA 24. LÁMPARAS DE DESCARGA DE HALOGENUROS METÁLICOS Se basan en la tecnología de del vapor de mercurio, con adicción de otros elementos en minúsculas cantidades, especialmente el talio, indio, iridio y escandio, además de los metales como el mercurio y el sodio. La construcción de estas lámparas es muy variada, con una múltiple variedad de formas, que las hacen acoplable a casi todo tipo de luminaria. Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 29 de 49
  31. 31. Curso Virtual: Electricidad industrial La forma más común es la de ampolla tipo bi-pin (figura 33), también se fabrica en ampolla oval, lo que hace que se puedan utilizar en sustitución de las lámparas de vapor de mercurio, siempre que se sustituya el equipo de arranque y la alimentación. La forma tubular es la que se utiliza para sustituir a las lámparas de vapor de sodio de alta presión. Figura 33 LÁMPARAS DE HALOGENUROS METÁLICOS 25. LÁMPARAS DE DESCARGA DE XENÓN Se emplean principalmente en proyectores de muy alta potencia como aparatos de discotecas, proyectores tipo antiaéreos y proyectores de iluminación espectacular, como inauguraciones y fiestas. Produce un arco corto, es una lámpara de descarga de alta presión, lo cual proporciona un alto flujo luminoso que va desde los ultravioletas al infrarrojo, con un has de luz similar a del sol. Son lámparas fabricadas totalmente de cuarzo, que han de soportar importantes temperaturas de trabajo, además de fuertes presiones internas, incluso en reposo. Tiene forma lineal, con electrodos diametralmente opuestos (figura 34). Un cátodo pequeño y un ánodo grande. Estas lámparas operan con un complejo sistema de alimentación y arranque, siendo alimentadas con corriente continua a voltajes de 15 y 30 V. alcanzando la corriente los 160 A. Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 30 de 49
  32. 32. Curso Virtual: Electricidad industrial Son elementos de muy alto costo, una de estas lámparas pueden tener el mismo precio que un coche pequeño, y el peso del alimentador es tanto que necesita una remolque para transportarlo. Figura 34 LÁMPARA DE ZENÓN 26. NUEVAS TÉCNICAS EN LA FABRICACIÓN DE LÁMPARAS A partir de 1960 y por encargo del Ejército de los Estados Unidos se inicia la construcción de lámparas de cuarzo con gas xenón, capaces de llegar a los 35.000 vatios de consumo, para iluminar las pistas y torres de lanzamientos de cohetes especiales, y que se emplearon ya en los proyectos Apolo y Venus. En 1963 se llegan a conseguir lámparas de mercurio de 100.000 vatios, utilizada para acelerar los cambios químicos. Paralelamente a estos logros; en los tubos fluorescentes, se sigue investigando con el fin de aumentar el rendimiento lumínico y prolongar la vida media de los tubos fluorescentes. En este sentido se ha llegado a una temperatura de color de 5.500 grados Kelvin, exactamente igual a la luz natural, pero tal vez, la característica más impresionante es la duración que llega a un mínimo de 33.000 horas de funcionamiento, casi cuatro años de funcionamiento permanente. Esto ha sido posible gracias a la utilización del volframio puro, el gas Kriptón y cinco tipos de fósforos, cuya combinación reproduce un espectro equilibrado de los colores del arco iris. Todo lo anterior se consigue por el interés de la NASA en reproducir, dentro de las cápsulas espaciales, la luz artificial más parecida a la luz natural en beneficio de los astronautas y productos transportados, como plantas y animales. La iluminación no solo ha de alumbrar sino que la fluorescencia ha de ser capaz de que se realice la fotosíntesis en las plantas y las reacciones hormonales en los seres vivos, tan necesarias en la reproducción y en la fijación de las vitaminas A y D. Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 31 de 49
  33. 33. Curso Virtual: Electricidad industrial La aplicación de estas técnicas de construcción al resto de las lámparas también prolonga la vida media de estas; así, se consiguen lámparas incandescentes de 12.000 horas de funcionamiento y en lámparas de descarga se ha llegado a las 27.000 horas de vida media. Otra ventaja fundamental que aportan estas nuevas técnicas de fabricación, es el mantenimiento del flujo luminoso. En las lámparas convencionales, a mitad de su vida, la caída del flujo es del orden del 50 %; en estas nuevas lámparas al 90 % de su vida útil, el rendimiento luminoso tan solo decae un 20 %. Naturalmente todas estas ventajas repercuten en el precio del producto elaborado, por lo que estas lámparas se venden con una garantía de horas de uso, para ello el fabricante incorpora un código impreso que controla la vida de la lámpara. Características de las nuevas lámparas de iluminación Su gran rendimiento: Su definición espectral con una temperatura de color de 5.500 grados Kelvin, le hace lo más parecida a la luz natural, por lo que se ven los colores tal como son y sin distorsión, por lo que se consigue un total descanso visual en las personas que permaneces muchas horas expuestas a la luz artificial. Consecuentemente se ve mejor con menos cantidad de luz, pudiéndose reducir el número de puntos de luz. Otras ventajas: ! Salud en las personas y en los animales.  Descanso visual.  Mejora el estado de ánimo y el bienestar visual.  Fijación del calcio y de las vitaminas A y D.  Funcionamiento hormonal. ! Sobre las plantas.  Fotosíntesis.  Acelera la germinación y asentamiento de las raíces, prolongan la vida.  Resalta la variedad de los colores. Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 32 de 49
  34. 34. Curso Virtual: Electricidad industrial ! Sobre las cosas.  No produce brillos ni reflejos.  No distorsiona los colores. 27. ELECTROMAGNETISMO En las máquinas eléctricas, y los conductores de corriente, se presentan fenómenos magnéticos cuyo conocimiento es imprescindible conocer, debido, a la gran importancia que representan estos fenómenos en la generación de corriente, su transporte y la utilización. Los fenómenos magnéticos pueden ser de dos clases:  Originados por los imanes; cuyo estudio es el objeto del Magnetismo.  Los debido a la corriente eléctrica, de cuyo estudio se ocupa el Electromagnetismo. 28. MAGNETISMO Imán es todo cuerpo capaz de atraer al hierro y sus derivados. Los imanes pueden ser naturales y artificiales. Imán natural es el que posee la propiedad, sin que en ello intervenga ningún proceso industrial. El mineral que posee la propiedad de atraer al hierro se denomina magnetita o piedra imán. Imán artificial es una pieza de hierro, o acero, de muy diversas formas, que han adquirido por algún proceso industrial, la propiedad magnética; aunque sea por simple influencia. Lo imanes artificiales pueden ser temporales o permanentes. Imanes temporales.- Son aquellos que sólo manifiestan la propiedad magnética mientras exista una causa que lo origine; al cesar la causa imanadora deja de comportarse como tal imán. Los imanes temporales son todos de hierro. Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 33 de 49
  35. 35. Curso Virtual: Electricidad industrial Imanes permanentes.- Reciben esta denominación aquellos que, cuando deja de actuar la causa inductora, continúan manteniendo las propiedades magnéticas. Para construir imanes permanentes es necesario utilizar el acero templado. N NO NE O E SO SE S Figura 35 BRÚJULA Y BOCINA: IMÁN PERMANENTE Y TEMPORAL 29. CAMPO MAGNÉTICO. Si se coloca sobre un imán permanente, una cartulina; y sobre ella esparcen limaduras de hierro. Las partículas de hierro se alinean en infinidad de líneas que tienden a establecer un sin fin de puentes entre el polo norte y el polo sur del imán. La forma característica que presentan las limaduras de hierro será similar a la del dibujo de la figura 36, a este peculiar aspecto se le denomina espectro magnético. El campo magnético llega hasta donde se manifiesten estos efectos. La distancia equidistante entre ambos extremos del imán, donde se aprecia una acción nula de los efectos de este, se denomina eje del imán. Figura 36 CIRCUITO MAGNÉTICO DE UN IMÁN DE HERRADURA Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 34 de 49
  36. 36. Curso Virtual: Electricidad industrial Si se cuelga de un hilo fino, de seda o algodón, a un imán por su eje, el imán se gira orientándose siempre en una misma dirección. Se puede señalar la punta que siempre se orienta hacia el Norte Geográfico de rojo y se llama Polo Norte del imán, mientras que la otra punta se pinta de blanco y se la denominará Polo Sur del imán. N Figura 37 AGUJA MAGNÉTICA 30. ACCIÓN MUTUA DE LOS IMANES Entre dos imanes, cuyas polaridades hayan sido previamente determinadas, se pueden observar los siguientes comportamientos: 1. Dos polos del mismo nombre se repelen entre sí N S S N S N N S Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 35 de 49
  37. 37. Curso Virtual: Electricidad industrial 2. Los polos de nombres contrarios se atraen entre sí N S N S 3. Dos imanes unidos, uno a continuación de otro, se comportan como si fuera uno solo. N S 4. Al cortar un imán por su eje central, no se obtiene dos polos aislados; pues, se forman dos imanes. Los polos de un imán son indivisibles. 31. SENTIDO DE LAS LÍNEAS DE FUERZA El estudio del magnetismo es muy difícil, ya que, solamente es posible hacerlo a base de observar los efectos producidos. Para facilitar el estudio, se supone teóricamente que de uno a otro polo del imán se extienden las llamadas líneas de fuerza. Por conveniencia, se ha venido a establecer que las líneas de fuerza del campo magnético creado por un imán, salen del polo Norte y después de un recorrido por el especio exterior, vuelven a entrar en el imán por su polo Sur, y que por el interior del imán lo hace de Sur a Norte (figura 41). S N S Figura 41 CIRCUITO MAGNÉTICO Al recorrido de las líneas de fuerza se le denomina circuito magnético. Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 36 de 49
  38. 38. Curso Virtual: Electricidad industrial 32. ELECTROMAGNETISMO PRODUCIDO POR UNA CORRIENTE Si una bobina es recorrida por una corriente, a su alrededor se crea un campo magnético, similar al de un imán. Esto es fácil de comprobar; simplemente con repetir el experimento de echar limaduras sobre una cartulina colocada inmediatamente encima de una bobina: Si la bobina está desconectada, en las limaduras de hierro no se aprecia variación, se quedan tal como cayeron; tan pronto como se somete a tensión la bobina, las limaduras sobre la cartulina forman de inmediato la misma forma que la del imán permanente (figura 42). Cuando de desconecta la bobina, las limaduras de hierro se quedan tan como están, pero ahora pueden ser movidas al menor esfuerzo, no volviendo a alinearse hasta que no se conecte de nuevo la bobina. Figura 42 ESPECTRO MAGNÉTICO Es decir: una bobina recorrida por una corriente se comporta como un imán, la acción de este imán aumenta cuando en el interior de la bobina se introduce un núcleo de hierro (figura 43). Figura 43 EL NÚCLEO DE HIERRO AUMENTA LA FUERZA DEL CAMPO MAGNÉTICO Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 37 de 49
  39. 39. Curso Virtual: Electricidad industrial Las bobinas con núcleo de hierro se denominan electroimanes (figura 44). Los electroimanes son imanes artificiales que tan sólo produce efectos magnéticos cuando por su bobina circula corriente, cuando cesa la corriente cesan los efectos magnéticos. Figura 44 ELECTROIMÁN 33. ESPIRA Si se dobla un conductor recorrido por una corriente para formar una curva, obteniéndose lo que se llama una espira (figura 45), que puede ser circular, o, cuadrada. Figura 45 ESPIRA CIRCULAR Y DE CUADRO Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 38 de 49
  40. 40. Curso Virtual: Electricidad industrial El sistema punto-aspa, de la figura 46, se utiliza para indica el sentido de la corriente en la espira. Una corriente que va del observador al plano de la figura se representa por un aspa. El sentido contrario, por un punto. s N Figura 46 SENTIDO DE LA CORRIENTE Y DEL EFECTO ELECTROMAGNÉTICO También se ha de suponer que la corriente avanza en la espira como lo haría un sacacorchos, coincidiendo el giro del sacacorchos con las líneas de fuerza del campo magnético que se forma al paso de la corriente En la figura 46 aparece indicado con flechas el sentido de las líneas de fuerza. Por tanto, a la derecha del dibujo se encuentra el polo norte del imán formado por la corriente continua que atraviesa los conductores En la espira, toda las líneas del campo magnético que penetran por la misma cara de la superficie, aparecen como magnetizada con polaridad S de un imán; atrayendo a un polo N. La otra cara aparece como magnetizada con polaridad N, y repele a un polo N. Por esto, a la primera de las caras de le denomina cara sur de la espira, y a la segunda cara norte. Si se tiene en cuenta el sentido de la circulación de la corriente en la espira, se puede determinar la polaridad de sus caras mediante la regla siguiente: Figura 47 REGLA PARA DETERMINAR LA POLARIDAD EN LA ESPIRA Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 39 de 49
  41. 41. Curso Virtual: Electricidad industrial Se mira de frente a la espira (figura 47) y se indica por flechas el sentido de la corriente. Uniendo extremidades posteriores de las flechas se escribe la letra N y S. Las letras que coincidan en dirección con la flecha indicadora de la corriente en la espira nos dará la polaridad de la cara. 34. SOLENOIDE Varias espiras unidas, constituyen lo que se llama un solenoide. Se construye éste, devanando sobre una carcasa de cartón, un hilo conductor aislado (figura 48). Figura 48 SOLENOIDE, CARRETE, O, BOBINA El devanado, compuesto por un número de espiras determinado, se denomina bobina o carrete. Si la bobina está compuesta por espiras rectangulares y en pequeño número se denomina cuadro. Un solenoide, por cuyo devanado circula una corriente, equivale a un imán con sus dos polos. Los fenómenos de atracción y de repulsión, se manifiestan cada vez que se hace circular una corriente por sus espiras. Si N es el número de espiras del solenoide, e I es la corriente en amperios que circula por sus espiras, al producto N.I se denomina amperios vueltas. Amperios vueltas = N . I Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 40 de 49
  42. 42. Curso Virtual: Electricidad industrial 35. ELECTROIMÁN Un electroimán es un solenoide devanado sobre un núcleo magnético. El núcleo se imana por inducción. El conductor que se devana, va aislado con esmalte especial; a fin de disminuir el grueso del aislante. Entre la carcasa de hierro y el conductor, se interpone una carcasa aislante (Cartón o PVC.), En la que, después de devanado el conductor, se introduce el núcleo. Si el núcleo fuese de acero templado, al cesar la corriente, el núcleo queda imanado. Si el núcleo es de hierro dulce, cesa su imantación tan pronto como se interrumpe la corriente quedando sólo el magnetismo remanente, con tan escasa fuerza que apenas se manifiestan sus efectos. En la construcción de los buenos imanes permanente se emplea el acero templado, el cual se introduce dentro de una bobina por la que se hace pasar una corriente continua; Cuando cesa la corriente, el imán permanece imanado. Figura 49 PARTES DEL ELECTROIMÁN El electroimán (figura 49), generalmente, presenta dos polos en forma de U. En cada una de las ramas, también llamadas núcleo, se devana las bobinas B de hilo de cobre aislado; teniendo en cuenta, que cuando se pasa de la primera rama a la segunda, se ha de hacer el devanado en sentido inverso, para que la corriente única que circula por el devanado cree los polos N y S.. Normalmente, los polos se construyen con dos núcleos paralelos, de sección cuadrada, rectangular o circular, unidos por una pieza transversal, C, llamada culata. El electroimán atrae a la pieza A o armadura, cuando el electroimán se halla desconectado, entre la armadura y el núcleo existe un espacio e llamado entrehierro. Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 41 de 49
  43. 43. Curso Virtual: Electricidad industrial 36. FUERZA MAGNETOMOTRIZ Se llama fuerza magnetomotriz (f.m.m.) o tensión magnética de una bobina con núcleo, formado por N espiras y recorrida por una corriente I al valor del producto. f.m.m. = 1'25 N . I Es decir, la fuerza magnetomotriz es igual al número de amperios vueltas multiplicado por 1'25. 37. APLICACIONES DE LOS ELECTROIMANES Las primeras aplicaciones son los propios electroimanes; utilizados como grúa (figura 50), la bobina queda encerrada dentro de una carcasa; el polo N se sitúa en el centro y el S en la periferia; la bobina queda de esta forma protegida con la coraza que forma la carcasa, por ello recibe el nombre de electroimán acorazado. Figura 50 ELECTROIMÁN ACORAZADO La más común de las aplicaciones, es el electrofreno de los ascensores (figura 50), en el que la armadura se introduce dentro del núcleo, ajustando perfectamente en un "lecho o cama" para evitar que la armadura se gire sobre su eje. Figura 51 ELECTROIMÁN FRENO Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 42 de 49
  44. 44. Curso Virtual: Electricidad industrial 38. RELÉ La armadura de un relé se asemeja al brazo de una balanza N (figura 52), de modo que éste bascula sobre un eje. Al conectar una corriente continua, entre los puntos 1 y 2, el electroimán E, atrae a su armadura N, venciendo la fuerza del muelle M, o en otros casos, el de una lámina L. Cuando cesa la corriente, la fuerza del muelle vuelve a la posición inicial la armadura N. N L E M A B 1 2 C Figura 52 RELÉ Solidario con la armadura N, y unido por piezas aislantes, está el doble contacto C; que en el extremo tiene, por la parte superior, y la inferior, una pieza de una aleación especial (pintada de negro en la figura), capaz de resistir las pequeñas chispas que se producen al cerrar o abrir el circuito de corriente. Cuando el relé está en reposo; es decir; no hay corriente en la bobina E, existe una comunicación eléctrica entre los puntos A y C; cuando se excita la bobina, el efecto electromagnético del carrete atrae al núcleo, abriéndose el contacto A C, y al mismo tiempo, cerrándose el contacto B C. Se puede decir del relé, que es igual que un conmutador con mando eléctrico. Existen relés que actúan a la vez con más de un conmutador, no existiendo en teoría límite para el número de contactos que han de abrir o cerrar al mismo tiempo. Figura 53 RELÉ DE CUATRO CONTACTOS AUXILIARES Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 43 de 49
  45. 45. Curso Virtual: Electricidad industrial 39. SENTIDO DE LA f.e.m. EJERCIDA SOBRE UN CONDUCTOR Se ha visto en los ejemplos anteriores, que el campo magnético desplaza a los cuerpos construidos sobre armaduras de hierro, también actúa sobre los conductores haciéndoles desplazar siempre en un mismo sentido. Existe una regla para determinar en que sentido se desplazará un conductor que es recorrido por una corriente cuando se encuentra dentro de un campo magnético, llamada regla de los tres dedos de la mano izquierda: Si se coloca la mano izquierda disponiendo que los dedos pulgar, índice y medio formando ángulos rectos entre sí, figura 54, y haciendo dirigir el dedo índice en el sentido del flujo del campo magnético, y el dedo medio en el sentido de l a corriente que recorre el conductor; la dirección del dedo pulgar indicará en que sentido se desplazará el conductor. Figura 54 REGLA DE LOS TRES DEDOS DE LA MANO IZQUIERDA 40. APLICACIÓN DE LA FUERZA MAGNÉTICA A LOS MOTORES El motor eléctrico no es más que una masa de hierro inteligentemente dispuesta para que pueda girar sobre sí mismo, sin que se frene por el rozamiento; por ello está soportado el eje del rotor sobre cojinetes. La parte estática del motor está compuesta por las bobinas, colocadas convenientemente alrededor de esta masa de hierro. Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 44 de 49
  46. 46. Curso Virtual: Electricidad industrial Cuando se suministra corriente, se producen dentro del motor unas atracciones y repulsiones electromagnéticas que hacen que el rotor gire en el sentido que se puede determinar por la regla de los tres dedos de la mano izquierda (figura 55) dando lugar al fenómeno de la conversión de la energía eléctrica en energía mecánica. Representado simbólicamente en la figura 55. La corriente que llega al motor produce el movimiento de la polea del motor Figura 55 MOTOR ELÉCTRICO En la figura 56 está representada una parte de un motor, precisamente por donde en este momento se está ejerciendo la fuerza del campo magnético que hace que los conductores se desplacen hacia la izquierda del dibujo. Lo que da lugar al giro del rotor. Figura 56 FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE LOS CONDUCTORES 41. VELOCIDAD ELÉCTRICA Hasta ahora se ha considerando que el conductor giratorio se movía en un campo magnético compuesto de un polo Norte y un polo Sur de tal forma que, durante una vuelta completa, es decir, en un giro de 360º geométrico; por tanto, la velocidad mecánica del giro del motor coincide con el ciclo de la corriente. Pero la inmensa mayoría de las máquinas eléctricas están provistas de varios pares de polos, es decir, son multipolares. En estas máquinas no coinciden los valores de las velocidades eléctricas y mecánica. Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 45 de 49
  47. 47. Curso Virtual: Electricidad industrial En la máquina exapolar de la figura 57, el conductor L1 gira en sentido contrario al de las agujas del reloj: Como es fácil comprobar; por cada par de polos se presentan en el conductor los valores de la f.e.m. correspondiente a un ciclo completo. En efecto, desde L1 hasta L2, se producen los mismos efectos que antes se producían en una vuelta completa de una máquina bipolar. Exactamente igual ocurre durente el recorrido L2 hasta L3, así como desde L3 hasta L1. Figura 57 MOTOR DE TRES PARES DE POLOS Resumiendo cada vuelta completa de 360º, corresponden tantos ciclos eléctricos como pares de polos tiene la máquina. Así, pues, siendo 2p el número de polos de la máquina, existirá entre las velocidades eléctricas y mecánica la relación: 1 vuelta del conductor = p ciclos eléctricos. Aumentando el número de polos de un motor se influye en la velocidad del motor de tal manera que según la fórmula n f p 60 La frecuencia f a que trabaja un motor viene dada por el número de pares de polos p multiplicado por la velocidad del motor contado en revoluciones por minuto (r.p.m.) Dividido por 60 Por tanto, se puede saber la velocidad en r.p.m. a que funciona un motor transformando la fórmula anterior en: 60 f n p Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 46 de 49
  48. 48. Curso Virtual: Electricidad industrial Según esta fórmula la velocidad de giro de un motor no depende en nada del voltaje de funcionamiento, y como el valor de la frecuencia es inalterable, para cambiar la velocidad de un motor solo se puede hacer, cambiando el número de polos que tiene el motor. Polos de un motor Para visualizar mejor los polos de un motor en las figuras 55,56 y 57 se han representados los polos salientes, como es el caso de los motores de corriente continua y los primeros motores de corriente alterna. Pero en los actuales motores los polos de un motor de corriente alterna, el hierro está formado por ranuras longitudinales, y en cada ranura se cola el final de una bobina con el principio de otra bobina (figura 58). Se llama de polos liso. Aunque los polos no permanecen estáticos giran según la posición en cada momento de las tres fases. Figura 58 MOTOR DE DOS PARES DE POLOS El número de ranuras siempre será múltiplo de tres, puestos que es un motor trifásico. Si el motor fuese de 3.000 revoluciones es porque lleva dos bobinas, una norte y otra sur, por el número de fases serían seis ranuras. El estator de la figura 58 tiene 12 ranuras lo que permite cuatro bobinas por fase, luego corresponde a un motor de 1.500 r.p.m. En la figura 59, se ha representado el bobinado de este motor y el sentido de la corriente por cada fase. Observando la figura 60, se ve que en cada instante, representado por líneas perpendiculares, siempre existen dos fases en un mismo sentido y la tercera en sentido contario Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 47 de 49
  49. 49. Curso Virtual: Electricidad industrial Por esta razón a la fase R y T se le ha dado un sentido y a la fase central S se le ha dado el sentido contrario. U, V y W son las salidas y R, S y T las entradas. Se observa en la figura 59 que se forman cuatro polo, con dos fases que actúan en un sentido y la tercera en sentido contario, que no cuenta, o que la suma algebraica de los valores de las tres fases (que se deduce de la figura 60) hace que predomine las dos sobre la tercera. Figura 59 FORMACIÓN DE LOS CUATRO POLOS La sucesión de fases Los valores de la tensión de las tres fases están en contante variación, tan pronto predomina una fase sobre las otras, como deja paso a la fase siguiente de este predominio para inmediatamente volverlo a recuperar hasta 50 veces en un segundo, las líneas verticales de la figura 60 son instantes imaginarios en que puede detenerse la sucesión de fases y puede verse que las tres fases cambian constantemente de valor creciente positivo a valor decreciente, pasando de positivo a negativo, y al mismo tiempo, las otras dos fases también cambian. Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 48 de 49
  50. 50. Curso Virtual: Electricidad industrial Este movimiento incansable es lo que produce un campo magnético giratorio dentro del estator, sin que aparentemente no exista movimiento alguno. Figura 60 LA CORRIENTE TRIFÁSICA SIEMPRE TIENE UNA FASE EN SENTIDO CONTRARIO A LAS OTRAS DOS En el dibujo, la suma algebraica de la fase R, S y T siempre dará un valor cambiante al campo magnético, apareciendo en el estator del motor un campo magnético cuyos polos N y S contantemente giran en un sentido. Cuando se cambian dos fases el giro del campo magnético cambian al contrario, si se cambian las tres fases al mismo tiempo, el giro no cambia. Módulo 2. Tema 1 Alumbrado Artificial y Electromagnetismo Página 49 de 49

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