Balasto eléctrico

Un balasto eléctrico es un dispositivo colocado en serie con una carga para limitar la cantidad de corriente en un circuito eléctrico .

Un ejemplo conocido y ampliamente utilizado es el balasto inductivo utilizado en las lámparas fluorescentes para limitar la corriente a través del tubo, que de otro modo aumentaría hasta un nivel destructivo debido a la resistencia diferencial negativa de la característica de voltaje-corriente del tubo.

Los balastos varían mucho en complejidad. Pueden ser tan simples como una resistencia , un inductor o un condensador (o una combinación de estos) conectados en serie con la lámpara, o tan complejos como los balastos electrónicos utilizados en las lámparas fluorescentes compactas (CFL).

Un balasto eléctrico es un dispositivo que limita la corriente que pasa por una carga eléctrica . Estos se utilizan con mayor frecuencia cuando una carga (como una descarga de arco) tiene su voltaje terminal disminuyendo cuando la corriente que pasa por la carga aumenta. Si un dispositivo de este tipo se conectara a una fuente de alimentación de voltaje constante, consumiría una cantidad cada vez mayor de corriente hasta que se destruyera o provocara que la fuente de alimentación fallara. Para evitar esto, un balasto proporciona una resistencia positiva o reactancia que limita la corriente. El balasto garantiza el funcionamiento adecuado del dispositivo de resistencia negativa al limitar la corriente.

Los balastos también se pueden utilizar simplemente para limitar la corriente en un circuito ordinario de resistencia positiva. Antes de la llegada del encendido de estado sólido, los sistemas de encendido de los automóviles incluían comúnmente una resistencia de balasto para regular el voltaje aplicado al sistema de encendido.

Para cargas simples y de baja potencia, como una lámpara de neón , se suele utilizar una resistencia fija. Debido a que la resistencia de la resistencia del balasto es grande, determina la corriente en el circuito, incluso ante la resistencia negativa introducida por la lámpara de neón.

El balasto también era un componente utilizado en los motores de los primeros modelos de automóviles que reducía el voltaje de suministro al sistema de encendido después de que se había puesto en marcha el motor. El arranque del motor requiere una cantidad significativa de corriente eléctrica de la batería , lo que da como resultado una caída de voltaje igualmente significativa. Para permitir que el motor arranque, el sistema de encendido fue diseñado para funcionar con este voltaje más bajo. Pero una vez que se puso en marcha el vehículo y se desacopló el motor de arranque, el voltaje de funcionamiento normal era demasiado alto para el sistema de encendido. Para evitar este problema, se insertó una resistencia de balasto en serie con el sistema de encendido, lo que dio como resultado dos voltajes de funcionamiento diferentes para los sistemas de arranque y de encendido.

Ocasionalmente, esta resistencia de balastro fallaba y el síntoma clásico de esta falla era que el motor funcionaba mientras se lo hacía girar (mientras la resistencia estaba puenteada) pero se paraba inmediatamente cuando se interrumpía el giro (y la resistencia se reconectaba en el circuito a través del interruptor de encendido). Los sistemas de encendido electrónico modernos (los que se usan desde los años 80 o finales de los 70) no requieren una resistencia de balastro, ya que son lo suficientemente flexibles para funcionar con el voltaje de giro más bajo o el voltaje de funcionamiento normal.

Otro uso común de una resistencia de balastro en la industria automotriz es ajustar la velocidad del ventilador. El balastro es una resistencia fija con normalmente dos tomas centrales, y el interruptor selector de velocidad del ventilador se utiliza para desviar partes del balastro: todas ellas para la velocidad máxima y ninguna para la configuración de baja velocidad. Una falla muy común ocurre cuando el ventilador funciona constantemente en la configuración de velocidad siguiente a la máxima (normalmente 3 de 4). Esto hará que una pieza muy corta de la bobina de la resistencia funcione con una corriente relativamente alta (hasta 10 A), que finalmente se queme. Esto hará que el ventilador no pueda funcionar en la configuración de velocidad reducida.

En algunos equipos electrónicos de consumo, sobre todo en los televisores de la era de las válvulas ( tubos de vacío ), pero también en algunos tocadiscos de bajo coste, los calentadores de los tubos de vacío se conectaban en serie. Como la caída de tensión en todos los calentadores en serie era normalmente inferior a la tensión total de la red, era necesario proporcionar un balasto para reducir el exceso de tensión. A menudo se utilizaba una resistencia para este fin, ya que era barata y funcionaba tanto con corriente alterna (CA) como con corriente continua (CC).

Algunas resistencias de balasto tienen la propiedad de aumentar su resistencia a medida que aumenta la corriente que las atraviesa y de disminuirla a medida que disminuye la corriente. Físicamente, algunos de estos dispositivos suelen estar construidos de forma muy similar a las lámparas incandescentes . Al igual que el filamento de tungsteno de una lámpara incandescente común, si aumenta la corriente , la resistencia de balasto se calienta, su resistencia aumenta y su caída de tensión aumenta. Si la corriente disminuye, la resistencia de balasto se enfría, su resistencia cae y la caída de tensión disminuye. Por lo tanto, la resistencia de balasto reduce las variaciones de corriente, a pesar de las variaciones en el voltaje aplicado o los cambios en el resto de un circuito eléctrico. Estos dispositivos a veces se denominan " barretters " y se utilizaron en los circuitos de calefacción en serie de los receptores domésticos de radio y televisión de CA/CC de los años 1930 a 1960. ^{[ cita requerida ]}

Esta propiedad puede dar lugar a un control de corriente más preciso que el que se consigue simplemente eligiendo una resistencia fija adecuada. La potencia perdida en el balasto resistivo también se reduce porque una parte menor de la potencia total se pierde en el balasto en comparación con lo que podría necesitarse con una resistencia fija.

Anteriormente ^{[¿ cuándo? ]} , las secadoras de ropa domésticas a veces incorporaban una lámpara germicida en serie con una lámpara incandescente común; la lámpara incandescente funcionaba como balasto para la lámpara germicida. Una luz comúnmente utilizada en el hogar en la década de 1960 en los países de 220-240 V era un tubo circular lastrado por una lámpara de filamento de red regular con funcionamiento por debajo. Las lámparas de vapor de mercurio con balasto incorporado incorporan filamentos de tungsteno comunes dentro de la envoltura general de la lámpara para actuar como balasto y complementan el área roja del espectro de luz producida, que de otro modo estaría ausente.

Un inductor , generalmente un estrangulador , es muy común en los balastos de frecuencia de línea para proporcionar las condiciones eléctricas de arranque y funcionamiento adecuadas para alimentar una lámpara fluorescente o una lámpara HID. (Debido al uso del inductor, estos balastos generalmente se denominan balastos magnéticos ). El inductor tiene dos beneficios:

1. Su reactancia limita la potencia disponible para la lámpara con solo pérdidas de potencia mínimas en el inductor.
2. El pico de voltaje que se produce cuando la corriente a través del inductor se interrumpe rápidamente se utiliza en algunos circuitos para generar primero el arco en la lámpara.

Una desventaja del inductor es que la corriente se desfasa con respecto al voltaje, lo que produce un factor de potencia deficiente . En los balastos más caros, a menudo se combina un condensador con el inductor para corregir el factor de potencia. En los balastos de autotransformador que controlan dos o más lámparas, los balastos de frecuencia de línea suelen utilizar diferentes relaciones de fase entre las múltiples lámparas. Esto no solo mitiga el parpadeo de las lámparas individuales, sino que también ayuda a mantener un factor de potencia alto. Estos balastos a menudo se denominan balastos de adelanto y atraso porque la corriente en una lámpara adelanta la fase de la red y la corriente en la otra lámpara retrasa la fase de la red.

Nota: La mayoría de los fabricantes de balastos estadounidenses describen algunos de sus balastos como "NPF" (abreviatura de "factor de potencia normal"), pero esto es engañoso, ya que el factor de potencia solo puede ser alto o bajo, no "normal".

En la mayoría de los balastos de 220-240 V, el condensador no está incorporado dentro del balasto como en los balastos norteamericanos, sino que está conectado en paralelo o en serie con el balasto.

En Europa y la mayoría de los territorios de 220-240 V, el voltaje de línea es suficiente para encender lámparas de más de 30 W con un inductor en serie. Sin embargo, en América del Norte y Japón, el voltaje de línea (120 V o 100 V respectivamente) puede no ser suficiente para encender lámparas de más de 30 W con un inductor en serie, por lo que se incluye un bobinado de autotransformador en el balasto para aumentar el voltaje. El autotransformador está diseñado con suficiente inductancia de fuga ( inductancia de cortocircuito ) para que la corriente esté adecuadamente limitada.

Debido al gran tamaño de los inductores y capacitores que se deben utilizar, así como al pesado núcleo de hierro del inductor, los balastos reactivos que funcionan a frecuencia de línea tienden a ser grandes y pesados. También suelen producir ruido acústico ( zumbido de frecuencia de línea ).

Antes de 1980, en los Estados Unidos, se utilizaban aceites basados ​​en bifenilo policlorado (PCB) como aceite aislante en muchos balastos para proporcionar refrigeración y aislamiento eléctrico (ver Aceite de transformador ).

Un balasto electrónico utiliza circuitos electrónicos de estado sólido para proporcionar las condiciones eléctricas de arranque y funcionamiento adecuadas para alimentar lámparas de descarga. Un balasto electrónico puede ser más pequeño y liviano que uno magnético de potencia comparable. Un balasto electrónico suele ser más silencioso que uno magnético, que produce un zumbido de frecuencia de línea por vibración de las láminas del núcleo. ^[4]

Los balastos electrónicos suelen basarse en una topología de fuente de alimentación conmutada (SMPS), que primero rectifica la potencia de entrada y luego la corta a una frecuencia alta. Los balastos electrónicos avanzados pueden permitir la atenuación mediante modulación por ancho de pulso o cambiando la frecuencia a un valor más alto. Los balastos que incorporan un microcontrolador (balastos digitales) pueden ofrecer control y monitoreo remotos a través de redes como LonWorks , Interfaz de iluminación direccionable digital (DALI), DMX512 , Interfaz serial digital (DSI) o control analógico simple utilizando una señal de control de brillo de 0-10 V CC. Se han introducido sistemas con control remoto del nivel de luz a través de una red de malla inalámbrica . ^[5]

Los balastos electrónicos suelen suministrar energía a la lámpara a una frecuencia de 20.000 Hz o superior, en lugar de la frecuencia de la red eléctrica de 50 a 60 Hz ; esto elimina sustancialmente el efecto estroboscópico del parpadeo, un producto de la frecuencia de línea asociada con la iluminación fluorescente (véase epilepsia fotosensible ). La alta frecuencia de salida de un balasto electrónico refresca los fósforos de una lámpara fluorescente tan rápidamente que no hay parpadeo perceptible. El índice de parpadeo, utilizado para medir la modulación de luz perceptible, tiene un rango de 0,00 a 1,00, donde 0 indica la posibilidad más baja de parpadeo y 1 indica la más alta. Las lámparas que funcionan con balastos magnéticos tienen un índice de parpadeo entre 0,04 y 0,07, mientras que los balastos digitales tienen un índice de parpadeo inferior a 0,01. ^[6]

Debido a que más gas permanece ionizado en la corriente del arco, la lámpara funciona con una eficacia aproximadamente un 9 % mayor por encima de aproximadamente 10 kHz. La eficiencia de la lámpara aumenta drásticamente a aproximadamente 10 kHz y continúa mejorando hasta aproximadamente 20 kHz. ^[7] En algunas provincias canadienses se habían probado actualizaciones de balastos electrónicos para farolas existentes alrededor de 2012; ^[8] desde entonces, las actualizaciones de LED se han vuelto más comunes.

Con la mayor eficiencia del propio balasto y la mayor eficacia de la lámpara a mayor frecuencia, los balastos electrónicos ofrecen una mayor eficacia del sistema para lámparas de baja presión como la lámpara fluorescente. Para las lámparas HID, no hay mejora de la eficacia de la lámpara al usar una frecuencia más alta. Más que esto: las lámparas HID como las lámparas de haluro metálico y las lámparas de sodio de alta presión tienen una confiabilidad reducida cuando funcionan a altas frecuencias en el rango de 20 a 200 kHz , debido a la resonancia acústica ; para estas lámparas, se utiliza principalmente un controlador de corriente de baja frecuencia de onda cuadrada con una frecuencia en el rango de 100 a 400 Hz , con la misma ventaja de una menor depreciación de la luz.

La mayoría de los balastos electrónicos de nueva generación pueden operar tanto lámparas de sodio de alta presión (HPS) como lámparas de halogenuros metálicos . El balasto funciona inicialmente como iniciador del arco mediante su encendedor interno, que suministra un impulso de alto voltaje y, más tarde, funciona como limitador/regulador del flujo eléctrico dentro del circuito. Los balastos electrónicos también funcionan a temperaturas mucho más bajas y son más livianos que sus contrapartes magnéticas. ^[6]

Esta técnica utiliza una combinación de filamento y cátodo en cada extremo de la lámpara junto con un interruptor mecánico o automático (bimetálico o electrónico) que inicialmente conecta los filamentos en serie con el balasto para precalentarlos. Cuando se desconectan los filamentos, un pulso inductivo del balasto enciende la lámpara. Este sistema se describe como "Preheat" en América del Norte y "Switch Start" en el Reino Unido, y no tiene una descripción específica en el resto del mundo. Este sistema es común en países de 200 a 240 V (y para lámparas de 100 a 120 V de hasta aproximadamente 30 vatios).

Aunque un pulso inductivo aumenta la probabilidad de que la lámpara se encienda cuando se abre el interruptor de arranque, en realidad no es necesario. El balasto en estos sistemas también puede ser una resistencia. Varias luminarias para lámparas fluorescentes utilizaban una lámpara de filamento como balasto desde finales de los años 50 hasta los 60. Se fabricaron lámparas especiales con una potencia nominal de 170 voltios y 120 vatios. La lámpara tenía un arrancador térmico integrado en la base de 4 pines. Los requisitos de potencia eran mucho mayores que con un balasto inductivo (aunque la corriente consumida era la misma), pero los usuarios preferían la luz más cálida del tipo de balasto de lámpara, especialmente en un entorno doméstico.

Los balastos resistivos eran el único tipo que se podía utilizar cuando la única fuente de alimentación disponible para alimentar la lámpara fluorescente era la corriente continua. Estos accesorios utilizaban el tipo térmico de cebador (principalmente porque habían dejado de utilizarse mucho antes de que se inventara el cebador incandescente ), pero era posible incluir un estrangulador en el circuito cuyo único propósito era proporcionar un pulso al abrir el interruptor de arranque para mejorar el arranque. Los accesorios de corriente continua se complicaban por la necesidad de invertir la polaridad de la fuente de alimentación del tubo cada vez que se encendía. Si no se hacía esto, se acortaba enormemente la vida útil del tubo.

Un balasto de encendido instantáneo no precalienta los electrodos, sino que utiliza un voltaje relativamente alto (~600 V) para iniciar el arco de descarga. Es el tipo más eficiente energéticamente, pero produce menos ciclos de encendido de la lámpara, ya que el material se expulsa de la superficie de los electrodos fríos cada vez que se enciende la lámpara. Los balastos de encendido instantáneo son los más adecuados para aplicaciones con ciclos de trabajo largos, donde las lámparas no se encienden y apagan con frecuencia. Aunque se usaban principalmente en países con suministros de red de 100-120 voltios (para lámparas de 40 W o más), fueron populares durante un breve período en otros países porque la lámpara se encendía sin el parpadeo de los sistemas de encendido por interruptor. La popularidad duró poco debido a la corta vida útil de la lámpara.

Un balasto de arranque rápido siempre calienta los electrodos de la lámpara utilizando la misma potencia de calentamiento, antes, durante y después del encendido de la lámpara, mediante una bobina de transformador de calentamiento. Proporciona una vida útil más prolongada de la lámpara y más ciclos de vida que el arranque instantáneo, pero tiene pérdidas de balasto muy altas en comparación con otros tipos de balastos, ya que los electrodos en cada extremo de la lámpara continúan consumiendo potencia de calentamiento mientras la lámpara funciona. Nuevamente, aunque es popular en los Estados Unidos y Canadá para lámparas de 40 W y más, el arranque rápido a veces se usa en otros países, particularmente donde el parpadeo de los sistemas de encendido por interruptor es indeseable.

Algunos balastos electrónicos estadounidenses para lámparas fluorescentes que están etiquetados como "de arranque rápido" son completamente diferentes de los balastos estadounidenses clásicos de arranque rápido, porque utilizan resonancia para encender la lámpara y calentar los cátodos, y no suministran todo el tiempo la misma potencia de calentamiento independientemente de las condiciones de la lámpara.

Un balasto regulable es muy similar a un balasto de arranque rápido, excepto que el autotransformador está conectado a un regulador de intensidad. Se puede utilizar un regulador de intensidad de luz tipo quadrac con un balasto de regulación, que mantiene la corriente de calentamiento mientras permite controlar la corriente de la lámpara. Se requiere conectar una resistencia de aproximadamente 10 kΩ en paralelo con el tubo fluorescente para permitir un encendido confiable del quadrac con niveles bajos de luz.

Hay balastos electrónicos regulables que utilizan interfaces 1-10 V o DALI para regular la lámpara.

Un balastro electrónico con batería integrada está diseñado para proporcionar iluminación de emergencia en caso de un corte de energía (normalmente menos de 2 horas). Se puede utilizar como alternativa a la iluminación de salida alimentada por un generador eléctrico de respaldo.

Un balasto híbrido tiene un transformador de núcleo y bobina magnéticos y un interruptor electrónico para el circuito de calentamiento de electrodos . Al igual que un balasto magnético, una unidad híbrida funciona a la frecuencia de la red eléctrica (50 Hz en Europa, por ejemplo). Este tipo de balastos, también conocidos como balastos de desconexión de cátodo , desconectan el circuito de calentamiento de electrodos después de encender las lámparas.

En América del Norte , en el caso de los balastos de iluminación, se utiliza el factor de balasto ANSI para comparar la salida de luz (en lúmenes) de una lámpara que funciona con un balasto en comparación con la de una lámpara que funciona con un balasto de referencia ANSI. El balasto de referencia hace funcionar la lámpara a su potencia nominal especificada por ANSI. ^{[9] [10]} El factor de balasto de los balastos prácticos debe tenerse en cuenta en el diseño de iluminación ; un factor de balasto bajo puede ahorrar energía, pero producirá menos luz y acortará la vida útil de la lámpara. En el caso de las lámparas fluorescentes, el factor de balasto puede variar con respecto al valor de referencia de 1,0. ^[11]

Los primeros televisores en color basados ​​en tubos utilizaban un triodo de balasto , como el PD500, como estabilizador en derivación paralela para el voltaje de aceleración del tubo de rayos catódicos (TRC), para mantener constante el factor de deflexión del TRC.

• Resistencia de hierro-hidrógeno
• Lámpara de sodio

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