ES2231933T3 - Lampara sin electrodos con puente termico entre el nucleo del transformador y la amalgama. - Google Patents
Lampara sin electrodos con puente termico entre el nucleo del transformador y la amalgama.Info
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Abstract
UN CONJUNTO DE LAMPARA ELECTRICA INCLUYE UNA LAMPARA SIN ELECTRODOS, QUE INCLUYE UNA ENVOLTURA DE LAMPARA SIN ELECTRODOS, UN NUCLEO TRANSFORMADOR DISPUESTO CERCA DE LA ENVOLTURA DE LA LAMPARA Y UN ARROLLAMIENTO DE ENTRADA, DISPUESTO EN EL NUCLEO DEL TRANSFORMADOR. LA ENVOLTURA DE LA LAMPARA COMPRENDE PREFERENTEMENTE UNA ENVOLTURA TUBULAR DE LAMPARA, EN CIRCUITO CERRADO, Y EL TRANSFORMADOR SE ENCUENTRA DISPUESTO PREFERENTEMENTE ALREDEDOR DE LA ENVOLTURA DE LA LAMPARA. LA ENVOLTURA DE LA LAMPARA SIN ELECTRODOS RODEA Y ENCIERRA UN MATERIAL DE RELLENO QUE SOPORTA UNA DESCARGA A BAJA PRESION. LA LAMPARA SIN ELECTRODOS INCLUYE ADEMAS UNA AMALGAMA SITUADA DENTRO DE LA ENVOLTURA DE LA LAMPARA. EL ARROLLAMIENTO DE ENTRADA RECIBE ENERGIA DE RADIOFRECUENCIA QUE PRODUCE UNA DESCARGA A BAJA PRESION EN LA ENVOLTURA DE LA LAMPARA. LA LAMPARA SIN ELECTRODOS INCLUYE UN PUENTE TERMICO ENTRE EL NUCLEO DEL TRANSFORMADOR Y LA AMALGAMA, DE MANERA QUE LA AMALGAMA SEA CALENTADA POR EL NUCLEO DEL TRANSFORMADOR DURANTE SU FUNCIONAMIENTO.
Description
Lámpara sin electrodos con puente térmico entre
el núcleo del transformador y la amalgama.
Esta invención está relacionada con las lámparas
de descarga de baja presión sin electrodos y más en particular con
las lámparas de descarga sin electrodos, en las que la temperatura
de una amalgama está controlada mediante el suministro de una
conexión térmica entre el núcleo del transformador y la
amalgama.
Las lámparas fluorescentes sin electrodos se
encuentra expuesta en la patente de los EE.UU. número 3500118
concedida el 10 de Marzo de 1970, de Anderson; patente de los
EE.UU. número 3987334 concedida el 19 de Octubre de 1976, de
Anderson; y en el documento "Ingeniería de Iluminación", Abril
1969, páginas 236-244. La lámpara sin electrodos de
acoplamiento inductivo, tal como se expone en estas referencias,
incluye una descarga de gas a baja presión de mercurio/gas
separador en un tubo de descarga, el cual forma un recorrido
continuo y cerrado. El recorrido del tubo de descarga pasa a través
del centro de uno o más núcleos de ferrita toroidales, de forma tal
que el tubo de descarga llegue a convertirse en el secundario de un
transformador. La alimentación eléctrica está acoplada a la
descarga mediante la aplicación de un voltaje sinusoidal a algunas
espiras de hilo bobinadas alrededor del núcleo toroidal que abarcan
al tubo de descarga. La corriente a través del devanado del primario
crea un flujo magnético variable en el tiempo, el cual induce a lo
largo del tubo de descarga un voltaje que mantiene la descarga. La
superficie interior del tubo de descarga está revestida con un
fósforo que emite luz visible al ser irradiado por los fotones
emitidos por los átomos de mercurio excitados. Los parámetros de la
lámpara descritos por Anderson producen una lámpara que tiene una
alta pérdida en el núcleo y que por tanto es extremadamente
ineficiente. Adicionalmente, la lámpara de Anderson es
impracticablemente pesada debido al material de ferrita utilizado
en el núcleo del transformador.
En la solicitud de los EE.UU. número de serie
08/624043 concedida el 27 de Marzo de 1996 se expone un conjunto de
lámpara sin electrodos que tiene un alto rendimiento. El conjunto
de lámpara expuesto comprende una lámpara sin electrodos que
incluye una lámpara tubular de bucle cerrado que encierra un vapor
de mercurio y un gas separador a una presión inferior a
aproximadamente 0,5 torr (mm barométrico de mercurio), un núcleo de
transformador dispuesto alrededor de la envoltura de la lámpara, un
devanado de entrada dispuesto sobre el núcleo del transformador y
una fuente de energía de radiofrecuencia acoplada al devanado de
entrada. La fuente de energía de radiofrecuencia tiene típicamente
una frecuencia en el rango de aproximadamente 100 kHz a 400 kHz. La
fuente de radiofrecuencia suministra una energía de radiofrecuencia
suficiente al vapor de mercurio y el gas separador para generar en
la envoltura de la lámpara una descarga que tiene una corriente de
descargar igual o superior a aproximadamente 2 amperios. El
conjunto de la lámpara expuesta consigue una potencia de salida en
lúmenes relativamente alta, con un alto rendimiento y una densidad
axial en lúmenes de un valor alto de forma simultánea, haciendo así
atractiva la alternativa a las lámparas fluorescentes VHO y a las
lámparas de descarga de alta intensidad y alta presión.
Se expone otro tipo de lámpara sin electrodos en
la patente de los EE.UU. número 4298828 concedida el 5 de Noviembre
de 1981 a Justice y otros. Se expone una lámpara en forma de globo,
en la que el recorrido de la descarga es irregular en su forma y
está confinada en una envoltura de lámpara aproximadamente
esférica. El núcleo del transformador está situado dentro de la
envoltura de la lámpara.
En la patente de los EE.UU. número 5239238 se
expone otro tipo de lámpara sin electrodos, concedida el 24 de
Agosto de 1993 a Bergervoet y otros. El núcleo del transformador
está posicionado en una cavidad reentrante de una envoltura de
lámpara sin electrodos en forma general de globo.
Las temperaturas altas de la pared de las
envolturas de la lámpara en las lámparas anteriormente descritas
requieren el uso de amalgamas de mercurio para asegurar una presión
de vapor de mercurio cuasióptima durante la operación típica. Las
amalgamas tienen también la ventaja de incrementar substancialmente
el rango de temperaturas útiles de las lámparas. No obstante, bajo
ciertas condiciones, la temperatura de la amalgama puede caer por
debajo del rango óptimo de temperaturas. En este caso, se produce
una caída en los lúmenes de salida y en el rendimiento, y el color
de la lámpara puede desplazarse debido a la caída en la presión del
vapor de mercurio. Estos cambios no deseables pueden tener lugar en
las lámparas en forma de globo, que no tienen una reactancia
integral para proporcionar el calentamiento de la amalgama, y
también en las lámparas tubulares. Las temperaturas por debajo del
valor óptimo pueden tener lugar cuando la potencia de la lámpara se
reduzca durante la reducción de luminosidad y a temperaturas
ambiente bajas, y también cuando la lámpara está siendo operada
fuera de un accesorio.
En las lámparas sin electrodos tubulares, el
lugar más práctico para la amalgama se encuentra en la salida o
tubulación ficticia. Con lámparas de carga típica que operen en un
accesorio encerrado interior, la temperatura de la amalgama alcanza
aproximadamente una temperatura de 85ºC a 95ºC, dentro del rango de
temperaturas que proporciona un valor en lúmenes superior al 90%
del valor máximo. No obstante, para el uso exterior, es deseable
mantener la salida alta en lúmenes hasta -20ºC o inferior. Bajo
estas condiciones, la potencia de salida en lúmenes cae muy por
debajo del valor máximo. Así mismo, en un ambiente exterior a
temperatura ambiente normal de 25ºC, la amalgama cae por debajo del
rango de temperaturas que proporciona una potencia en lúmenes
superior al 90% del valor máximo para los sistemas de amalgama
comunes basándose en el bismuto, estaño y plomo o bismuto e
indio.
En consecuencia, es deseable proporcionar
configuraciones y métodos de lámparas sin electrodos para la
operación de lámparas sin electrodos que proporcionen una potencia
alta de salida en lúmenes a través de una amplia gama de
temperaturas operativas.
De acuerdo con un primer aspecto de la invención,
se proporciona un conjunto de lámpara eléctrica. El conjunto de
lámpara comprende una lámpara sin electrodos que incluye una
envoltura de lámpara sin electrodos, un número de transformador,
dispuestos en proximidad a la envoltura de la lámpara, y un
devanado de entrada dispuesto sobre el núcleo del transformador. La
envoltura de la lámpara sin electrodos encierra un material de
relleno para soportar una descarga de baja presión. La lámpara sin
electrodos incluye además una amalgama situada dentro de la
envoltura de la lámpara. El devanado de entrada recibe una energía
de radiofrecuencia de una fuente de radiofrecuencia. La energía de
radiofrecuencia genera una descarga de baja presión en la envoltura
de la lámpara. La envoltura de la lámpara comprende además una
conexión térmica entre el núcleo del transformador y la amalgama,
en donde la amalgama se caliente por el núcleo del transformador
durante la operación.
En una realización preferida, la envoltura de la
lámpara comprende una envoltura de lámpara tubular de bucle
cerrado, y el núcleo del transformador está dispuesto alrededor de
la envoltura de la lámpara. La amalgama puede estar situada en la
tubulación de salida de la envoltura de la lámpara, y la conexión
térmica puede comprender un puente térmico entre el núcleo del
transformador y la tubulación de salida. El puente térmico puede
comprender un metal térmicamente conductor o un pegamento
térmicamente conductor en contacto térmico con el núcleo del
transformador y la tubulación de salida. El conjunto de lámpara
puede incluir además una fijación del núcleo dispuesta alrededor del
núcleo del transformador. En esta configuración, la conexión
térmica entre el núcleo del transformador y la amalgama puede
comprender una conexión térmica entre la fijación del núcleo y la
tubulación externa. En otra realización, la amalgama está situada
en la proximidad cercana al núcleo del transformador, y la energía
térmica es transferida desde el núcleo del transformador a la
amalgama a través de la envoltura de la lámpara.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, se
proporciona un conjunto de lámpara sin electrodos. El conjunto de
lámpara comprende una lámpara sin electrodos que incluye una
envoltura de lámpara tubular de bucle cerrado, un núcleo de
transformador dispuesto alrededor de la envoltura de la lámpara, un
devanado de entrada dispuesto sobre el núcleo del transformador y
una fuente de alimentación de energía de radiofrecuencia acoplada al
devanado de entrada. La envoltura de la lámpara encierra vapor de
mercurio y un gas separador. La fuente de energía de
radiofrecuencia suministra una energía suficiente de
radiofrecuencia a la lámpara sin electrodos para generar una
descarga a baja presión en la envoltura de la lámpara. El conjunto
de la lámpara comprende una conexión térmica entre el núcleo del
transformador y la amalgama, en el que la amalgama se calienta por
el núcleo del transformador durante la operación.
De acuerdo con un aspecto adicional de la
invención, se proporciona un método de operación para operar un
conjunto de lámpara eléctrica. El conjunto de la lámpara comprende
una lámpara sin electrodos que incluye una envoltura de lámpara sin
electrodos que encierra un material de relleno para soportar una
descarga a baja presión, un núcleo de transformador dispuesto en la
proximidad de la envoltura de la lámpara, y un devanado de entrada
dispuesto en el núcleo del transformador. La lámpara sin electrodos
incluye además una amalgama situada dentro de la envoltura de la
lámpara. El método comprende las etapas de suministro de una
energía de radiofrecuencia al devanado de entrada, en el que la
energía de radiofrecuencia genera una descarga a baja presión en la
envoltura de la lámpara, y controlando la temperatura de la
amalgama mediante el acoplamiento de la energía térmica desde el
núcleo del transformador a la amalgama durante la operación del
conjunto de la lámpara.
Para una mejor comprensión de la presente
invención, se hace referencia a los dibujos adjuntos, los cuales se
incorporan aquí como referencia y en los cuales:
la figura 1 es una vista en planta de un conjunto
de lámpara sin electrodos de acuerdo con la invención;
la figura 2 es una vista lateral del conjunto de
lámpara sin electrodos de la figura 1;
la figura 3 es un diagrama esquemático del
subconjunto del núcleo utilizado en el conjunto de lámpara sin
electrodos de las figuras 1 y 2;
la figura 4 es una vista en sección transversal
ampliada parcial del conjunto de la lámpara sin electrodos de las
figuras 1 y 2;
la figura 5 es un gráfico de la potencia relativa
de salida en lúmenes en función de la temperatura de las lámparas
sin electrodos con y sin un puente térmico de acuerdo con la
invención; y
la figura 6 es una gráfico de la potencia
relativa de salida en lúmenes en función de la potencia de las
lámparas sin electrodos con y sin un puente térmico de acuerdo con
la invención.
En las figuras 1-4 se muestra un
ejemplo de una lámpara de descarga de acuerdo con la presente
invención. La lámpara sin electrodos 10 incluye una envoltura de
lámpara 12, la cual tiene una configuración tubular en bucle
cerrado y sin electrodos. La envoltura de la lámpara 12 encierra una
zona de descarga 14 que contiene un gas separador y vapor de
mercurio. Puede estar formado un revestimiento de fósforo sobre la
superficie interior de la envoltura de la lámpara 12. La energía de
radiofrecuencia (RF) de una fuente de RF 20 (figura 3) está
acoplada inductivamente a la lámpara sin electrodos 10 mediante un
primer núcleo de transformador 22 y un segundo núcleo de
transformador 24. Cada uno de los núcleos de transformador 22 y 24
tienen preferiblemente una configuración toroidal que rodea la
envoltura de la lámpara 12. La fuente de RF 20 está conectada a un
devanado 30 sobre el primer núcleo del transformador 22 y está
conectada a un devanado 32 en el segundo núcleo del transformador
24. Las bandas conductoras 26 y 28 adheridas a la superficie
exterior de la envoltura de la lámpara 12 y conectadas
eléctricamente a los cables terminales 27 y 29, respectivamente, de
la fuente de RF 20, pueden ser utilizadas para el inicio de la
descarga de baja presión en la lámpara sin electrodos 10. Las bandas
conductoras 26 y 28 pueden estar aisladas eléctricamente de los
núcleos de los transformadores 22 y 24, respectivamente, mediante
una goma espuma aislante o bien otro aislante.
Durante la operación, la energía de RF se acopla
inductivamente a una descarga de baja presión dentro de la
envoltura de la lámpara 12 mediante los núcleos de los
transformadores 22 y 24. La lámpara sin electrodos 10 actúa como
circuito secundario para cada transformador. Los devanados 30 y 32
están excitados preferiblemente en fase y pueden estar conectados en
paralelo, tal como se muestra en la figura 3. Los núcleos de los
transformadores 22 y 24 están posicionados sobre la envoltura de la
lámpara 12, de forma tal que se sumen los voltajes inducidos en la
descarga por los núcleos de los transformadores 22 y 24. La
corriente de RF a través de los devanados 30 y 32 crean un flujo
magnético variable en el tiempo que induce a lo largo de la
envoltura de la lámpara un voltaje que mantiene la descarga. La
descarga dentro de la envoltura de la lámpara 12 emite una
radiación ultravioleta que estimula la emisión de luz visible por el
revestimiento de fósforo. En esta configuración, la envoltura de la
lámpara 12 está fabricada por un material, tal como vidrio, que
transmite la luz visible. En una configuración alternativa, la
lámpara sin electrodos se utiliza como una fuente de radiación
ultravioleta. En esta configuración, el revestimiento de fósforo
está omitido, y la envoltura de la lámpara 12 está fabricada por un
material transmisor de luz ultravioleta, tal como el cuarzo.
La envoltura de la lámpara tiene preferiblemente
un diámetro en la sección transversal en un rango de
aproximadamente 1 pulgada a 10,16 centímetros, para una potencia de
salida en lúmenes de alto valor. El material de relleno comprende
un gas separador y una pequeña cantidad de mercurio que genera un
vapor de mercurio. El gas separador es preferiblemente un gas noble
y más preferiblemente criptón. Se ha encontrado que el criptón
proporciona un nivel de lúmenes más alto por vatio en la operación
de la lámpara con una carga de potencia moderada. Con una carga de
potencia más alta, puede ser preferible el uso del argón. La
envoltura de la lámpara 12 puede tener cualquier forma que se
conforme en un bucle cerrado, incluyendo la forma ovalada, forma
circular y la forma elíptica, o bien una serie de tubos rectos
unidos para formar un bucle cerrado. En el ejemplo de las figuras
1-3, la envoltura de la lámpara 12 incluye dos
tubos rectos 54 y 58 en una configuración en paralelo. Los tubos 54
y 58 están interconectados en un extremo mediante un tubo lateral
58, y están interconectados en el otro extremo mediante un tubo
lateral 60. En cada uno de los tubos laterales, o puentes, 58 y 60,
se proporciona la comunicación del gas entre los tubos rectos 54 y
56, formando por tanto una configuración en bucle cerrado. Los
tubos rectos 54 y 56 tienen una ventaja sobre las demás formas,
porque son fáciles de fabricar y fáciles de recubrir con fósforo. El
núcleo del transformador 22 está montado alrededor del puente 58,
y el núcleo del transformador 24 está montado alrededor del puente
60. En una realización preferida, los tubos rectos 54 y 56 tiene
un diámetro mayor que los puentes 58 y 60. El tubo recto 54 incluye
una tubulación de salida 70, y el tubo recto 56 incluye una
tubulación de salida 72.
Los núcleos del transformador 22 y 24 están
fabricados preferiblemente con un material de ferrita de alta
permeabilidad y bajas pérdidas, tal como la ferrita de cinc y
manganeso. Los núcleos del transformador 22 y 24 forman un bucle
cerrado alrededor de la envoltura de la lámpara 12 y tienen
típicamente una configuración toroidal, con un diámetro interno que
es ligeramente mayor que el diámetro exterior de la envoltura de la
lámpara 12. Los devanados 30 y 32 pueden comprender cada uno
algunas pocas espiras de hilo de un tamaño suficiente para
transportar la corriente del primario. Cada transformador está
configurado para rebajar el voltaje primario y elevar la corriente
primaria, típicamente por un factor de aproximadamente 5 a 25. La
fuente de RF está preferiblemente en un rango de aproximadamente 50
kHz a 3 MHz, y estando más preferiblemente en el rango de
aproximadamente 100 kHz a 400 kHz.
La lámpara de descarga puede incluir además una
fijación del núcleo 80 alrededor del núcleo de transformador 22 y
una fijación del núcleo 82 alrededor del núcleo del transformador
24. Cada fijador de núcleo 80, 82 puede ser de la forma de una
banda metaliza en forma generalmente de U, que tenga los agujeros
de montaje 84 para fijar los respectivos núcleos de los
transformadores en posiciones fijas, por ejemplo, en un accesorio
de lámpara. Las fijaciones de los núcleos 80 y 82 pueden estar
fijadas sobre los núcleos de los transformadores 22 y 24 mediante
los resortes 86 y 88, respectivamente. Las fijaciones de los
núcleos 80 y 82 y los resortes 86 y 88 mantienen los núcleos del
transformador dividido conjuntamente alrededor de la envoltura de
la lámpara 12.
La lámpara sin electrodos 10 incluye
preferiblemente una amalgama para controlar la presión del vapor de
mercurio dentro de la envoltura de la lámpara 12, y para
proporcionar una potencia de salida constante en el nivel de lúmenes
a través de un rango de temperaturas. La amalgama puede, por
ejemplo, incluir bismuto, estaño, plomo y mercurio. La amalgama
puede estar situada dentro de una de las tubulaciones de salida,
tal como la tubulación de salida 72. Son conocidas las
composiciones de amalgamas adecuadas para los técnicos
especializados en el arte. La amalgama puede estar situada en otras
posiciones dentro de la envoltura de la lámpara 12, dentro del
alcance de la presente invención.
De acuerdo con la invención, uno de los núcleos
del transformador está conectado térmicamente a la amalgama, de
forma que la amalgama se caliente por la energía térmica generada
en el núcleo del transformador o conducida desde la lámpara 10 al
núcleo del transformador durante la operación. Tal como se describe
más adelante, la conexión térmica puede ser un puente térmico o un
material térmicamente conductor o bien puede resultar por la
proximidad cercana de la amalgama al núcleo del transformador.
Preferiblemente, la amalgama está situada lo más cerca posible
prácticamente del núcleo del transformador. Esto puede llevarse a
cabo mediante la colocación de la tubulación de salida conteniendo
la amalgama en forma adyacente al núcleo del transformador o dentro
del núcleo del transformador.
Las ferritas típicas utilizadas para los núcleos
de los transformadores en las lámparas sin electrodos tienen una
baja pérdida en el núcleo a temperaturas por debajo de 100ºC. La
pérdida del núcleo depende en grado elevado de la densidad de
flujo, lo cual es una función de la sección transversal del núcleo y
del voltaje primario. La pérdida del núcleo aumenta rápidamente con
el incremento del voltaje primario con respecto al devanado de
entrada. Debido al alto costo del material de ferrita, la sección
transversal del núcleo del transformador se mantiene al mínimo. La
combinación del autocalentamiento del núcleo debido a las pérdidas
y al calor de la lámpara da lugar a una temperatura en el núcleo
durante la operación de la lámpara normal de aproximadamente 100ºC
a 140ºC. De la forma conveniente, este rango está cerca del limite
de temperaturas útiles superiores de las amalgamas tal como el
bismuto; indio y bismuto; estaño; plomo.
Un ejemplo de la conexión térmica, o puente
térmico, entre el núcleo del transformador y la amalgama es el que
se muestra en las figuras 1 y 2. La aleta térmicamente conductora
90 está soldada o fijada mecánicamente a la fijación del núcleo 80.
La aleta 90, que funciona como un puente térmico, puede por ejemplo
ser de aluminio. La aleta 90 está formada alrededor de la tubulación
de salida 72, y conduce la emergía térmica del núcleo del
transformador 22 hasta una amalgama situada dentro de la tubulación
de salida 72, calentando por tanto la amalgama por encima de la
temperatura que resultan en ausencia del puente térmico.
Bajo casi todas las condiciones, los núcleos de
los transformadores de ferrita se encuentran a una temperatura más
alta que la amalgama en la tubulación de salida. El efecto
inmediato de calentar la amalgama es desplazar el rango de
temperaturas ambiente útil de la lámpara de descarga hasta una zona
inferior. Esto es beneficioso para la mayoría de las aplicaciones,
puesto que la temperatura para obtener la potencia de salida optima
en lúmenes está por encima de la temperatura encontrada en los
accesorios de lámparas típicas. Esto es especialmente cierto para
los accesorios utilizados a bajas temperaturas de ambiente.
Otra ventaja del puente térmico tiene lugar en
las aplicaciones de reducción de luz. Cuando la carga de la pared
cae conforme se reduce la luz de la lámpara, la temperatura de la
tubulación de salida cae también y se aproxima a la temperatura
ambiente. Bajo estas condiciones, la presión de vapor de mercurio
está lejos por debajo del valor óptimo, generando desplazamientos
apreciables del color y un bajo rendimiento. No obstante, conforme
cae la corriente de descarga, se incrementan los voltajes de
descarga. Esto incrementa la densidad de flujo en los núcleos, y
provoca el aumento de las pérdidas del núcleo. El incremento de las
pérdidas del núcleo puede hacer desplazar realmente la disminución
de calor de la lámpara y descender la temperatura ambiente del
núcleo. Cuando la amalgama en la tubulación de salida se calienta
por el núcleo del transformador, se reducen los efectos adversos de
la reducción de luminosidad.
Una tercera ventaja del puente térmico está
relacionada con la potencia de salida en lúmenes al reiniciar la
lámpara. Las lámparas de amalgama requieren usualmente una amalgama
auxiliar situada dentro de la descarga. Se utiliza una bandera de
indio plateado, la cual se calienta rápidamente después de la
ignición y libera mercurio suficiente para dar un incremento rápido
de la luminosidad. La elevación de lúmenes está limitada solo por
la velocidad de calentamiento de la envoltura de la lámpara y por
el tiempo de difusión a través de la descarga. Para una elevación
rápida de los lúmenes, la bandera tiene que contener una cantidad
mayor de mercurio mayor de la que está presente en el gas durante
la operación. En consecuencia, después de la desactivación de la
lámpara, se encuentra disponible una cantidad insuficiente en la
zona de descarga de la lámpara. El mercurio tiene que difundirse a
partir de la amalgama principal hacia la bandera a través de un
periodo de tiempo. Cuando se extingue una lámpara normal, la
amalgama en la tubulación de salida es el punto frío. La
tubulación de salida se enfría también de forma más rápida que el
resto de la lámpara. Así pues, el transporte de mercurio desde la
amalgama principal a la bandera es lento. Los tiempos de
desactivación dan lugar típicamente a una elevación de lúmenes de
tipo lento después del reinicio. No obstante, los núcleos de los
transformadores tienen una capacidad térmica alta con respecto al
resto de la lámpara. Mediante el suministro de un puente térmico
entre el núcleo del transformador y la amalgama, la amalgama
principal se enfría más lentamente que las demás partes de la
lámpara. Esto acelera el mercurio fuera de la amalgama principal y
acelera el equilibrio con la bandera, incrementando por tanto la
velocidad de elevación de lúmenes después del reinicio.
En la figura 4 se muestra una vista en sección
transversal parcial de la envoltura de la lámpara 12 y de la
tubulación de salida 72. La tubulación de salida 72 contiene una
amalgama 14. El núcleo del transformador 22 está dispuesto
alrededor de la envoltura de la lámpara 12 en cercana proximidad a
la tubulación de salida 12. El puente térmico 90 está fijado entre
la fijación del núcleo 80 y la tubulación de salida 72,
proporcionando así una conexión térmica entre el núcleo del
transformador 22 y la amalgama 104. Alternativamente, el puente
térmico puede estar conectado directamente entre la tubulación de
salida 72 y el núcleo del transformador. El puente térmico 90 está
fabricado con un material térmicamente conductor, tal como un metal
térmicamente conductor o un pegamento térmicamente conductor, y
está fijado con el fin de proporcionar un recorrido térmico entre
el núcleo del transformador 106 y la amalgama 104. El núcleo del
transformador 22 y la tubulación de salida 72 pueden estar en
cercana proximidad, preferiblemente inferior a aproximadamente 5
centímetros. En algunos casos, el puente térmico independiente
puede no ser necesario para la transferencia térmica eficiente
entre el núcleo del transformador 22 y la amalgama. Por ejemplo, la
amalgama 112 puede estar situada opcionalmente en la superficie
interna de la envoltura de la lámpara 12 adyacente al núcleo del
transformador 22. En este caso, la conducción de la energía térmica
desde el núcleo del transformador 22 hasta la amalgama 112 a través
de la pared de la envoltura de la lámpara 12 produce un
calentamiento suficiente de la amalgama 112 para conseguir el
rendimiento mejorado aquí descrito.
En un primer ejemplo de la lámpara de descarga
sin electrodos de acuerdo con la invención, la envoltura de la
lámpara está hecha con cristal Pirex de un diámetro exterior de 50
milímetros, con una composición del 81% de SiO_{2}, 13% de
B_{2}O3, 4% de Na_{2}O, y el 2% de Al_{2}O_{3} encerrando un
volumen de descarga de la forma de un toroide alargado. El relleno
de gas incluye criptón a 0,3 torr y 10 miligramos (mg) de mercurio,
el cual está amalgamado con 300 mg de una aleación de bismuto:
estaño: plomo en una relación de 46:30:20 en peso. La amalgama está
situada en una tubulación de salida opuesta a la tubulación de
vacío. La envoltura de la lámpara está provista con una capa de
material de fósforo. La zona del puente en cada extremo de la
lámpara no está revestida con fósforo.
Los núcleos de los transformadores 22 y 24 son de
material VOGT Fi325 de tamaño R61, los cuales se han cortado por la
mitad. Cada núcleo tiene un devanado primario de once espiras. Los
devanados primarios están conectados en paralelo a la fuente de RF
20, y pueden ser de hilo de cobre aislado de Teflón numero 24.
Las bandas de hoja de aluminio 26 y 28 se aplican
sobre los puentes de la lámpara 58 y 60 y están conectados
eléctricamente a los hilos terminales opuestos de la fuente de RF
20, tal como se muestra en la figura 3. Se utiliza una capa de
goma espuma de silicio para aislar eléctricamente los núcleos de los
transformadores de los dispositivos de ayuda de inicio de hoja de
aluminio. Las fijaciones de aluminio de los núcleos 80 y 82 y los
resortes de hoja 86 y 88 retienen conjuntamente los núcleos
respectivos. Las fijaciones de los núcleos 80 y 82 conducen también
el calor desde el núcleo al accesorio de la lámpara. La aleta 90
funciona como un puente térmico entre la amalgama en la tubulación
de salida 72 y el núcleo del transformador 22.
La fuente de RF 20 tiene una frecuencia de salida
en el rango de 200 kHz a 300 kHz y opera la lámpara a
aproximadamente 400 vatios cuando la lámpara está equilibrada. La
fuente de RF 20 proporciona un voltaje inicial alto para asegurar
el inicio rápido.
La lámpara anteriormente descrita tiene que
operar en medios interiores y exteriores a través de un rango
amplio de temperaturas ambientales. La temperatura local dentro
del accesorio se espera que esté en el rango de aproximadamente 0ºC
a 80ºC. Se desea una potencia de salida de alto nivel de lúmenes en
todo el rango posible. Es preferible también poder obtener una
potencia máxima de salida en lúmenes a la temperatura normal
ambiente de 25ºC.
La potencia relativa de salida en lúmenes de una
lámpara de descarga sin electrodos de la construcción descrita en
el ejemplo anterior se midió a través de un rango de temperaturas
ambiente. La prueba se efectuó inicialmente con una tubulación de
salida expuesta. La prueba fue repetida con un tubo de cobre de
0,95 centímetros de diámetro exterior por 0,08 centímetros de grosor
de la pared por 2,29 centímetros de longitud a través de la
tubulación de salida conteniendo la amalgama. El tubo de cobre fue
conectado a la fijación del núcleo con una banda de cobre de 2,54
centímetros de longitud por 0,76 centímetros de ancho por 0,05
centímetros de grosor. Los resultados están representados
gráficamente en la figura 5, la cual muestra la potencia relativa de
salida en lúmenes en función de la temperatura ambiente. La curva
130 indica los resultados de la medida sin un puente térmico entre
el núcleo del transformador y la amalgama, mientras que la curva
132 indica los resultados con el puente térmico anteriormente
descrito entre el núcleo del transformador y la amalgama, en donde
1 pulgada equivale a 2,54 centímetros.
Es evidente a partir de la figura 5 que el puente
térmico mejora substancialmente el rendimiento a baja temperatura
de la lámpara, con solo una ligera caída en la potencia de salida a
altas temperaturas. El rango de temperaturas útiles, definido por
el rango a través del cual la potencia de salida en lúmenes sea
mayor del 90% del valor de pico, se incrementa en 15º (desde 31ºC
a un valor mayor que a 80ºC sin el puente térmico con respecto a
16ºC a un valor mayor que a 80ºC con el puente térmico), suponiendo
que no aparezcan temperaturas del accesorio por encima de 80ºC.
Adicionalmente, la potencia relativa de salida a 25ºC se incrementa
en aproximadamente el 82% del valor de pico hasta el 98% del valor
de pico utilizando el puente térmico.
La reducción de luminosidad es una característica
deseable de la lámpara de descarga sin electrodos anteriormente
descrita. No obstante, las lámparas de amalgama típicamente no se
comportan bien al reducir su luminosidad. A niveles de baja
potencia, se genera mucho menos calor en el dispositivo accesorio, y
la temperatura de la amalgama puede caer al valor próximo a la
temperatura ambiente. Los problemas están provocados por la baja
presión del valor de mercurio que resulta cuando se reduce la
potencia. El rendimiento de la descarga cae bruscamente, y se
origina un desplazamiento pronunciado del color. Estos efectos son
más pronunciados con las lámparas de amalgama que con las lámparas
típicas de mercurio.
Se probó la lámpara de descarga sin electrodos de
la construcción descrita en el ejemplo anterior en un dispositivo
accesorio simulado, en el que se varió la potencia de la lámpara
desde 140 vatios hasta 40 vatios. La prueba fue realizada
primeramente con un puente térmico de cobre idéntico al utilizado en
la prueba de niveles de lúmenes con respecto a la temperatura. La
prueba se repitió entonces con el puente térmico extraído. Para
asegurar una prueba válida, la tubulación de la amalgama fue
recubierta con aislante, de forma que la temperatura de la amalgama
sin el puente térmico fuera de aproximadamente igual a la
temperatura con el puente.
La potencia relativa de salida en lúmenes se
represento gráficamente en función de la potencia de la lámpara en
la figura 6. La curva 140 representa los resultados sin el puente
térmico, y la curva 142 representa los resultados con el puente
térmico. El rendimiento a baja potencia es más alto cuando se
utiliza el puente térmico. De hecho, se obtuvo una potencia
substancialmente menor en la lámpara al utilizar el puente térmico.
Sin el puente térmico, se produjo inestabilidad ligeramente por
debajo de 60ºC y la potencia de salida cayó bruscamente a casi
cero.
Una tercera ventaja del puente térmico es la
mejora de la elevación del nivel de lúmenes después de la conexión
de activación. La elevación de lúmenes de una lámpara típica de
descarga sin electrodos se midió con y sin el puente térmico tal
como se ha descrito anteriormente. La lámpara fue operada durante
aproximadamente 2 horas y después de desactivó. Después de una
hora, se activó la lámpara y se registró el tiempo para alcanzar el
90% de la potencia de salida en lúmenes. La prueba se repitió
después, pero con el puente térmico extraído inmediatamente después
de desconectar la lámpara. El tiempo de elevación del nivel en
lúmenes se incrementó desde 67 segundos con el puente térmico hasta
133 segundos sin el puente térmico.
Se describe a continuación un segundo ejemplo de
una lámpara de descarga sin electrodos de acuerdo con la invención.
El segundo ejemplo es similar en su construcción al primer ejemplo
descrito anteriormente. Las diferencias en la construcción están
expuestas más adelante, en donde la envuelta de la lámpara está
hecha con vidrio Pirex de 54 mm de diámetro exterior. El relleno de
gas incluye criptón a 0,25 torr y 15 mg de mercurio, el cual está
amalgamado con 400 mg de aleación eutectica de
bismuto-indio. Los núcleos de los transformadores
son del material Siemens N87 con un diámetro exterior de
aproximadamente 64 mm de diámetro interno y aproximadamente 41 mm y
una anchura de 18 mm. Los núcleos están cortados por la mitad. Cada
núcleo tiene un devanado primario de 18 espiras de hilo aislado de
Teflón del numero 24. Los devanados están conectados en paralelo.
Las bandas de hoja no se utilizan en el segundo ejemplo. En su
lugar, los extremos de los hilos de un núcleo están encintados en la
envoltura de la lámpara utilizando cinta transparente FEP. Durante
el arranque, el voltaje de circuito abierto total de la fuente de
RF 20 se aplica a través de estos hilos, los cuales están acoplados
capacitivamente a la lámpara. El puente térmico está hecho de una
pieza de aluminio estampado que está formada en un tubo con una
aleta que se extiende desde un extremo. El tubo se desliza sobre la
tubulación que contiene la amalgama, y la aleta se extiende a lo
largo de la superficie de la envoltura de la lámpara y entra en
contacto con el núcleo del transformador, bien por debajo del
núcleo y sobre el lado del núcleo.
La utilización de un puente térmico ha sido
descrita en relación con una lámpara de descarga sin electrodos que
tiene una envoltura de lámpara tubular en bucle cerrado, en donde
está situado un núcleo de transformador alrededor de una envoltura
de lámpara. Se comprende que la presente invención puede ser
aplicada a cualquier lámpara de descarga sin electrodos de baja
presión, en la que la energía eléctrica está acoplada a una
descarga de baja presión utilizando un núcleo de transformador. El
núcleo de transformador puede, por ejemplo, estar situado dentro de
la envoltura de la lámpara, dentro de una cavidad reentrante de la
envoltura de la lámpara o de otra forma en la proximidad de la
envoltura de la lámpara. En cada caso, se proporciona una conexión
térmica entre el núcleo del transformador y la amalgama, de forma
que la amalgama se caliente por el núcleo del transformador durante
la operación.
Aunque se ha mostrado y descrito lo que se
considera como las realizaciones preferidas de la presente
invención, será obvio para los técnicos especializados en el arte
que pueden efectuarse varios cambios y modificaciones en la misma,
sin desviarse del alcance de la invención según lo definido por las
reivindicaciones adjuntas.
Claims (13)
1. Un conjunto de lámpara eléctrica que
comprende:
una lámpara sin electrodos que incluye una
envoltura de lámpara sin electrodos que encierra un material de
relleno para soportar una descarga a baja presión, en la que la
mencionada lámpara sin electrodos incluye una amalgama situada
dentro de la mencionada envoltura de la lámpara;
un núcleo de transformador dispuesto en la
proximidad de la mencionada envoltura de la lámpara;
un devanado de entrada dispuesto sobre el
mencionado núcleo del transformador para recibir la energía de
radiofrecuencia de una fuente de radiofrecuencia, generando la
mencionada emergía de radiofrecuencia la mencionada descarga de
baja presión en la mencionada envoltura de la lámpara; y
una conexión térmica entre el mencionado núcleo
del transformador y la mencionada amalgama, en la que la mencionada
amalgama se calienta por el mencionado núcleo del transformador
durante la operación.
2. Un conjunto de lámpara eléctrica según la
reivindicación 1, en el que la mencionada envoltura de la lámpara
comprende una envoltura de lámpara tubular en bucle cerrado, y en
el que el mencionado núcleo del transformador está situado
alrededor de la mencionada envoltura de la lámpara.
3. Un conjunto de lámpara eléctrica según la
reivindicación 2, en el que la mencionada amalgama está situada en
la tubulación de salida de la mencionada envoltura de la lámpara, y
en el que la mencionada conexión térmica comprende un puente
térmico entre el mencionado núcleo del transformador y la mencionada
tubulación de salida.
4. Un conjunto de lámpara eléctrica según la
reivindicación 3, en el que el mencionado puente térmico comprende
un metal térmicamente conductor en contacto térmico con el
mencionado núcleo del transformador y la mencionada tubulación de
salida.
5. Un conjunto de lámpara eléctrica según la
reivindicación 3, en el que el mencionado puente térmico comprende
un pegamento en contacto térmico con el mencionado núcleo del
transformador y la mencionada tubulación de salida.
6. Un conjunto de lámpara eléctrica según la
reivindicación 2, en el que la mencionada amalgama está situada en
una tubulación de salida de la mencionada envoltura de la lámpara y
en el que la mencionada conexión térmica comprende un contacto
térmico entre el mencionado núcleo del transformador y la mencionada
tubulación de salida.
7. Un conjunto de lámpara eléctrica según la
reivindicación 2, en el que la mencionada amalgama está situada en
la tubulación de salida de la mencionada envoltura de la lámpara y
en el que la mencionada tubulación de salida está situada dentro de
aproximadamente 5 centímetros del mencionado núcleo del
transformador.
8. Un conjunto de lámpara eléctrica según la
reivindicación 2, en el que la mencionada amalgama está situada en
una tubulación de salida de la mencionada envoltura de la lámpara,
y en el que el mencionado conjunto de lámpara comprende además una
fijación del núcleo dispuesta alrededor del mencionado núcleo del
transformador, en el que la mencionada conexión térmica entre el
mencionado núcleo del transformador y la mencionada amalgama
comprende una conexión térmica entre la mencionada fijación del
núcleo y la mencionada tubulación de salida.
9. Un conjunto de lámpara eléctrica según la
reivindicación 1, en el que la mencionada amalgama está situada en
cercana proximidad al mencionado núcleo del transformador, en el
que la energía térmica se transfiere desde el mencionado núcleo del
transformador hasta la mencionada amalgama a través de la mencionada
amalgama de la lámpara.
10. Un conjunto de lámpara sin electrodos que
comprende:
una lámpara sin electrodos que incluye una
envoltura de lámpara tubular de bucle cerrado, encerrando vapor de
mercurio y un gas separador, en la que la mencionada lámpara sin
electrodos incluye una amalgama situada dentro de la mencionada
envoltura de la lámpara;
un núcleo de transformador dispuesto alrededor de
la mencionada envoltura de la lámpara;
un devanado de entrada dispuesto sobre el
mencionado núcleo del transformador;
una fuente de alimentación de radiofrecuencia
acoplada al mencionado devanado de entrada para suministrar una
energía de radiofrecuencia suficiente a la mencionada lámpara sin
electrodos para generar una descarga de baja presión en la
mencionada envoltura de la lámpara; y
una conexión térmica entre el mencionado núcleo
del transformador y la mencionada amalgama, en la que la mencionada
amalgama se calienta por el mencionado núcleo del transformador
durante la operación.
11. Un método para operar un conjunto de lámpara
eléctrica, que comprende una lámpara sin electrodos que incluye
una envoltura de lámpara sin electrodos que encierra un material de
relleno para soportar una descarga de baja presión, en el que la
mencionada lámpara sin electrodos incluye además una amalgama en
una posición predeterminada dentro de la mencionada envoltura de la
lámpara, un núcleo de transformador dispuesto en la proximidad a la
mencionada envoltura de la lámpara y un devanado de entrada
dispuesto sobre el mencionado núcleo del transformador,
comprendiendo el mencionado método las etapas de:
suministrar energía de radiofrecuencia al
mencionado devanado de entrada, en el que la mencionada energía de
radiofrecuencia genera la mencionada descarga de baja presión en la
mencionada envoltura de la lámpara; y
controlar la temperatura de la amalgama mediante
el acoplamiento de energía térmica desde el mencionado núcleo del
transformador hasta la amalgama durante la operación del mencionado
conjunto de la lámpara:
12. Un método según la reivindicación 11, en el
que la mencionada amalgama está situada en una tubulación de salida
de la mencionada envoltura de la lámpara, y en el que la etapa de
controlar la temperatura de la amalgama incluye el suministro de un
puente térmico entre el mencionado núcleo del transformador y la
mencionada tubulación de salida.
13. Un método según la reivindicación 11, en el
que la mencionada amalgama está situada en una tubulación de
salida de la mencionada envoltura de la lámpara, y en el que la
mencionada lámpara sin electrodos comprende además una fijación del
núcleo dispuesta alrededor del mencionado núcleo del transformador,
en el que la etapa de control de la temperatura de la amalgama
comprende una conexión térmica entre la mencionada fijación del
núcleo y la mencionada tubulación de salida.
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