Nota técnica | Balastos electrónicos para lámparas fluorescentes (parte III) | Carlos Suárez, ELT

Luego de la etapa del oscilador

Balasto limitador o bobina de salida

La bobina de salida es el componente que, de la misma forma que en un circuito con balastos electromagnéticos, limita la corriente que se suministra a la lámpara. La bobina de salida es necesaria ya que la lámpara posee un efecto de resistencia negativa y necesita de un dispositivo regulador. El tamaño se hace muy pequeño por las razones que hemos comentado en la primera entrega del capítulo. No hay mucho más que decir aquí, salvo por el ahorro de energía, producto de la reducción proporcional al aumento de frecuencia, que hace despreciables las pérdidas en núcleo de la bobina.

Circuito de protección

Durante el funcionamiento normal del balasto electrónico, como es de esperar, la corriente aplicada a la lámpara circula a través del gas de ésta (figura 21).

_{Figura 21}

Sin embargo, cuando la lámpara se agota, la corriente deja de circular a través del gas. En este momento, la configuración del circuito hace que la corriente de salida del balasto electrónico comience a circular por el único camino posible, o sea, a través de los filamentos (figura 22).

_{Figura 22}

Dado que la resistencia que presentan los filamentos es muy baja, la corriente tiende a aumentar considerablemente y pone en riesgo el circuito del balasto electrónico. Entonces, el balasto electrónico deberá estar dotado de un circuito que detecte este tipo de sobrecorriente y proteja a los transistores del oscilador. Dicho circuito se llama “circuito de protección ante lámpara agotada”. La función del mismo es desconectar el balasto electrónico ante la presencia de lámpara en condición de agotamiento, ruptura o cortocircuito en los bornes de salida. De carecer de este tipo de protección, el balasto electrónico se quema sí o sí.

Regla Nº 6: Exija siempre balastos electrónicos con protección ante lámpara agotada.

Precaldeo de filamentos

El precaldeo de filamentos se refiere a la forma en que el balasto electrónico enciende la lámpara. Básicamente, existen dos sistemas para el encendido de la lámpara:

• Arranque instantáneo
• Arranque por precaldeo de cátodos

Arranque instantáneo

Los balastos electrónicos con arranque instantáneo hacen que la lámpara encienda al instante, en el mismo momento en que se conecta la alimentación del equipo. Este sistema de encendido también es conocido como “instant start”, “partida rápida” o “arranque en frío” y obviamente es el método más económico, ya que no necesita circuitos adicionales dentro del balasto electrónico. Cuando el usuario acciona el interruptor, el balasto electrónico recibe alimentación y envía alta tensión a la lámpara para ionizar el gas y producir el encendido. El problema radica en que los filamentos del tubo están fríos hasta entonces y esto produce desprendimiento de material que se va acumulando en los extremos de la lámpara, provocando el típico ennegrecimiento de las puntas (figura 23).

_{Figura 23}

Los sistemas de partida rápida envejecen prematuramente la lámpara, empeorando la condición si el encendido se realiza más de una vez al día.

Arranque por precaldeo de cátodos

A diferencia del arranque en frío, el arranque por precaldeo de cátodos, también conocido como “arranque programado”, “soft start” o “arranque suave”, evita el envejecimiento prematuro de la lámpara. Por otra parte, es el tipo de encendido reconocido por la norma IEC 60929. El arranque por precalentamiento de cátodos funciona de la siguiente forma: una vez que el usuario conecta la alimentación del balasto electrónico, el circuito hace circular una corriente por los filamentos de la lámpara durante un intervalo de tiempo que puede oscilar entre 0,6 y 2 segundos (dependiendo de la intensidad de dicha corriente) para calentarlos lo suficiente (figura 24).

_{Figura 24}

Una vez que los filamentos se encuentran calientes, se envía alta tensión para romper la aislación del gas y encender la lámpara. De esta forma, los filamentos no desprenden material y el arranque se realiza suavemente. El usuario, con este tipo de sistema, tiene la libertad de encender y apagar la lámpara varias veces al día sin comprometer su vida útil.

Regla Nº 7: Es recomendable instalar balastos electrónicos con arranque por precalentamiento de cátodos. De esta forma, completamos todas las etapas del balasto electrónico.

Efectos de los balastos electrónicos en las personas

Con la aparición de los balastos electrónicos, se consiguió mejorar algunos efectos no deseados producidos por los sistemas de iluminación con balastos electromagnéticos. Alguno de estos efectos son la fatiga visual y el efecto estroboscópico.

Fatiga visual

Para explicar de qué se trata la fatiga visual, tenemos que hacer un poco de fisiología del ojo humano. Cuando leemos o hacemos algún tipo de actividad bajo lámparas fluorescentes, creemos que la luz llega a nuestros ojos de manera continua, como si se tratara de una lámpara incandescente. En realidad, esto no es así, dado que solo estamos creyendo que esto sucede debido al efecto integrador que tiene la retina. Podríamos compararla con la persistencia que tiene un tubo de televisor (TRC): por más que los rayos dejen de emitirse, el fósforo de la pantalla seguirá encendido.
Vuelva a la primera entrega del capítulo, y verifique que tipo de forma de onda que alimenta el circuito. Por supuesto, es tensión alterna. Observe la forma de onda en la figura 25, allí destacamos los puntos de mayor relevancia de la tensión.

_{Figura 25}

Como ya explicamos anteriormente, la tensión de alimentación de una red normal de 220 V 50 Hz, no es continua, sino que cambia a través del tiempo. En el punto “A” la tensión es de cero volts, por lo tanto, aquí la lámpara está apagada. ¿Apagada? ¡Sí, apagada! ¿Le suena raro?
Una lámpara incandescente también se alimenta con la misma forma de onda, pero la inercia térmica del filamento hace que se sigan emitiendo fotones mientras la forma de onda pasa por valores donde la tensión es cero. En el tubo fluorescente no hay un filamento que se utilice para dar luz, por lo tanto, cuando la forma de onda pasa por valores bajos, si bien la persistencia del fósforo hace que la lámpara no se llegue a apagar del todo, el nivel de luz cae.
A medida que la tensión aumenta y se acerca al punto “B”, la lámpara enciende y se mantiene encendida hasta que la forma de onda vuelva nuevamente a valores lo suficientemente bajos y el nivel de luz vuelva a caer (punto “C”). Luego, el proceso se repite, pero en este caso negativamente, lo que significa que la corriente causa el mismo efecto pero circula al revés (puntos “D” y “E”). Sin entrar en detalle, podemos decir que la lámpara tiene 4 cambios en un ciclo de señal, o lo que es lo mismo, 200 cambios por segundo (figura 26).

_{Figura 26}

Cómo es posible que no podamos darnos cuenta de esto, sencillo, el poder integrador de la retina hace que nuestro cerebro no reciba la información de estos cambios tan rápidos, sino que recibe la imagen que, aunque desaparecida, persiste en la retina como si fuese una imagen de fotografía.
Sin embargo, la pupila del ojo, encargada de regular el paso de luz hacia la retina, detecta los cambios en la caída del nivel luminoso de la lámpara a medida que ésta se acerca al final de su vida útil. La apertura y cierre de la pupila, como consecuencia de lo que hemos explicado con anterioridad, provoca un cansancio visual que se acentúa luego de trabajar algunas horas bajo luz fluorescente.
Si consideramos que un balasto electrónico eleva unas 1000 veces la frecuencia de línea, podríamos hablar de 200.000 (doscientos mil) cambios por segundo de encendido / apagado en la lámpara. Velocidad imperceptible para la pupila de cualquier ser humano. Por lo tanto, el trabajo bajo luminarias alimentadas con balastos electrónicos evita la fatiga visual y todos los cambios psicológicos que esto trae aparejado.

Efecto estroboscópico

El efecto estroboscópico está muy relacionado con lo que acabamos de explicar. Ya sabemos que la lámpara en un ciclo completo de la señal de red se apaga dos veces y, hasta no tener nuevamente la suficiente tensión, no enciende. Obviamente, esto sucede muy rápido, pero cuando la fuente luminosa se utiliza para dar luz a objetos en movimiento (a una velocidad considerable) nuestros ojos no reciben la información de la posición del objeto mientras la lámpara se encuentra apagada. Tampoco podemos percatarnos de que esto está sucediendo, ya que la retina no tiene la suficiente reacción (como hemos comentado con anterioridad) y se encarga de integrar la imagen mostrándonos información irreal. Lo más sencillo para comprender este fenómeno es arribar a través de un ejemplo. Observe el gráfico de la figura 27. Se muestra una rueda (como podría ser la rueda de un balancín) girando hacia la derecha e iluminada por una lámpara fluorescente en diferentes momentos de la forma de onda de red.

_{Figura 27}

Por una cuestión de practicidad, analizaremos cuatro posiciones del giro total de 360 grados de la rueda del balancín. Las posiciones de la rueda están divididas en A – B – C y D y los diferentes momentos de la forma de onda: 1 – 2 – 3 y 4. La velocidad de la ruada generalmente es sincrónica con la velocidad de la forma de onda de red (tratándose de motores alimentados con 50 Hz). Si el motor se alimenta con variadores de velocidad, está claro que se producirá un desfasaje.
Momento 1: la forma de onda de red tiene la tensión suficiente como para mantener la lámpara encendida, por lo tanto, la luz ilumina la rueda y se recibe información en el ojo de la posición de la misma (observe el punto rojo marcado en la rueda).
Momento 2: la rueda continúa girando y la marca roja llega al punto B, pero ahora, la forma de onda está pasando por el punto 2, donde no tiene la suficiente tensión como para mantener encendida la lámpara. Por lo tanto, la lámpara se apaga y el ojo no recibe la información de la posición del punto rojo.
Momento 3: la rueda está pasando por el punto C, la forma de onda continúa con un valor de tensión insuficiente (punto 3) como para que la lámpara encienda, y la rueda sigue sin iluminarse. El ojo permanece sin recibir información.
Momento 4: la rueda está pasando por el punto D, la forma de onda continúa con un valor de tensión insuficiente (punto 4) como para que la lámpara encienda, y la rueda sigue sin iluminarse. El ojo permanece sin recibir información.
Momento 5: la rueda vuelve a su estado inicial, en el punto A, y la tensión de red vuelve a ser suficiente como para encender la lámpara en el punto 5. El ojo vuelve a recibir información de la posición de la rueda nuevamente.

Conclusión

El ojo solo recibió información en los puntos 1 y 5 de la forma de onda, donde la rueda se encontraba en el punto A para ambos casos. Por lo tanto la persona no percibe movimiento de la rueda cuando, en realidad, está girando a muy alta velocidad. A este efecto se lo llama efecto estroboscópico y puede representar, no solo una sensación falsa, sino un peligro para la integridad de la persona. Imagine un lugar con mucho ruido donde usted no pueda darse cuenta si un balancín está girando o está en reposo. Con la incorporación de los balastos electrónicos, se evita el efecto estroboscópico puesto que la lámpara opera con frecuencias altísimas comparables a la frecuencia del movimiento de diversos cuerpos utilizados por las personas.

Efectos del balasto electrónico en la red de alimentación

Al conectar un balasto electrónico a la red de alimentación, se generan efectos no deseados. Esto ocurre por la forma en que trabaja el balasto electrónico, y el circuito del mismo debe filtrarlos. Uno de los efectos no deseados lo hemos comentado con anterioridad en este artículo: la irradiación de alta frecuencia que proviene del oscilador hacia la red. El otro efecto es el contenido armónico de la corriente de alimentación, lo que significa que existe una distorsión en la corriente consumida por el balasto, problema que acarrea diversos trastornos en las instalaciones, aumentando el grado de peligrosidad y la posibilidad de accidentes.

¿Qué es la distorsión armónica?

Quédese tranquilo, no vamos a citar ninguna referencia que le complique la vida ni tampoco le vamos a dar una definición “matemáticamente” compleja. Como es de esperar, lo vamos a explicar de una forma muy sencilla y rápida para que usted pueda comprenderlo. Si le interesa profundizar, existe infinidad de bibliografía donde puede consultar, y entretenerse un rato.
El balasto electrónico no se parece en nada a una resistencia, donde usted, aplique la forma de onda que aplique, obtiene una corriente proporcional con la misma forma de onda (figura 28) Al alimentar un balasto electrónico (ver * luego de leer este apartado) la corriente circula de manera “distorsionada” respecto de la forma de onda de alimentación (figura 29). Ahora bien, nosotros estamos acostumbrados a operar con formas de onda senoidales, incluso los instrumentos de medición más comunes no son capaces de determinar un valor eléctrico cuando la forma de onda está distorsionada. Para medir valores cuya forma de onda no es senoidal, deben utilizarse instrumentos de verdadero valor eficaz (true RMS), cuyos costos en el mercado son muy superiores a un instrumento convencional.

Figura 28

_{Figura 29}

Pero esa forma de onda distorsionada de la corriente puede descomponerse en la suma de formas de onda senoidales cuyas frecuencias son múltiplos de la fundamental. Por ejemplo, si la señal fundamental es de 50 Hz, los múltiplos son 100 Hz, 150 Hz, 200Hz, 250 Hz, etc. A estas señales múltiplos se las llama “armónicas”. La suma de diversas armónicas nos da como resultado esa forma de onda tan distorsionada y compleja de operar. Entonces, cuando estemos en presencia de señales complejas, sepa que las puede descomponer en la suma de señales senoidales múltiplo, o sea, en la suma de sus armónicas.
A medida que se colocan a la red varios balastos electrónicos, la distorsión armónica aumenta. Si esta distorsión armónica no se controla, puede llegar a distorsionar la tensión de alimentación y allí estaríamos en un verdadero problema, puesto que los dispositivos conectados a una red alterna de alimentación no están preparados para recibir formas de onda de tensión distorsionada.
El circuito del balasto electrónico debe implementar un sistema de corrección del contenido armónico de la corriente que consume de la red, consiguiendo que la misma sea “lo más parecido posible” a una forma de onda senoidal.
(*) La forma de onda distorsionada aparece si el balasto electrónico no posee filtro de contenido armónico. Perfecto, pero… ¿cómo comprendo si un balasto electrónico causará un contenido armónico en la red si carezco de instrumentos de medición tan sofisticados?
El fabricante debe declarar el THD (distorsión armónica total). Se trata de un valor porcentual que se calcula teniendo en cuenta todas las armónicas de la corriente de alimentación del balasto y nos da una idea rápida de la calidad del equipo en este aspecto:
- THD menor al 10%:
calidad excelente.
- THD menor al 20%:
calidad buena.
- THD menor al 25%:
calidad regular.
- THD mayor al 25%:
calidad inaceptable.

¿Necesito saber algo más del contenido armónico de los balastos electrónicos?

Hay algo más: cuando se trata de un sistema de alimentación trifásico, las armónicas múltiplos impares de tres (3º, 9º, 15º, etc.) presentes en cada una de las fases y producidas tanto por balastos electrónicos de baja calidad como por cualquier otro tipo de dispositivos, se superponen perfectamente y comienzan a circular por el conductor del neutro. Esto produce un recalentamiento del conductor que recibe valores de corriente anormales y aumenta el riesgo de incendio de la instalación. Es por ello que no debe dudar de colocar balastos con THD menor al 10% en instalaciones de tipo industrial o a gran escala.
Regla Nº 8: Evite colocar balastos electrónicos con un THD mayor al 10% en obras industriales o de envergadura. Evite siempre colocar balastos electrónicos con un THD mayor al 20%.

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Carlos Suárez