Alumbrado por incandescencia

Lámparas de filamento de carbón

Cualquiera que sea el origen del carbono que constituye el filamento que produce la luz en las lámparas de incandescencia en el vacío, el funcionamiento de estas lámparas está siempre basado en el mismo principio: el del calentamiento de un conductor resistente bajo el efecto de la circulación de una corriente. Este es un principio completamente diferente del arco voltaico precedentemente estudiado.

Fig. 52. - Lámpara de incandescencia de filamento sencillo.

Según una ley formulada por el físico Joule, el desprendimiento de calor en un conductor de resistencia R tiene por expresión: Q = ARI2, siendo A una constante, I la intensidad de la corriente y Q la cantidad de calor desarrollado.

Cuando este calor es suficiente para llevar á la incandescencia el hilo atravesado por la corriente, se obtiene una fuente de luz cuya potencia depende de la temperatura alcanzada y del poder emisivo de la sustancia utilizada. Esta sustancia debe llenar varias condiciones, entre las que las principales son una resistencia eléctrica suficiente, cierta solidez para resistir á los esfuerzos de la dilatación y á los choques; en fin, debe ser refractaria y poseer el más alto poder emisivo posible.

Fig. 53. - Lámpara de incandescencia con filamento en bucle.

En los comienzos se ensayó el platino, pero carecía de resistencia y su punto de fusión no era bastante elevado. Edison fué el que invento la primera lámpara práctica, utilizando el carbón, que es á la vez refractario y resistente. Desde entonces no se han aportado más que modificaciones de detalle á la construcción de estas lámparas; pero los procedimientos de fabricación han sido sensiblemente perfeccionados para aumentar la producción, disminuyendo el consumo de la corriente para una misma cantidad de luz.

Fig. 54. - Lámpara incandescente de varios filamentos.

El filamento que constituye las lámparas de incandescencia modernas es, por lo tanto, de carbono, obtenido pasando por la hilera celulosa disuelta en cloruro de cinc, una mezcla de alcohol y éter, ácido sulfúrico, etc. El hilo, pasado á una fuerte presión por una hilera, es desde luego carbonizado en vaso cerrado, de manera de ser transformado en carbono; después se le somete a una operación que tiene por objeto darle una sección regular en toda su longitud, al mismo tiempo que proporcionarle una textura más homogénea y menor resistencia.

Esta operación se ejecuta de ordinario de la manera siguiente:

En uno de los procedimientos empleados, los filamentos, al salir del horno de carbonización, se montan en un circuito recorrido por la corriente de una dinamo y sumergidos en un baño de aceite pesado de petróleo; se los lleva así al rojo oscuro. El aceite mineral, mal conductor del calor y de la corriente, se disocia, y su carbono se deposita sobre el filamento. Como la disociación del aceite es tanto más rápida cuanto á más alta temperatura está el punto de contacto del filamento, las irregularidades se nivelan, los puntos menos densos vienen á la altura de los salientes, que no descomponen más que poco ó ningún aceite en contacto, no siendo muy elevada su temperatura. Cuando el diámetro resulta uniforme, se continúa el depósito de carbono hasta que los filamentos alcancen la resistencia deseada, lo que se verifica con un voltímetro.

En otro procedimiento se monta el filamento informe en su ampolla y se la lleva al rojo por el paso de la corriente, mientras que se lleva dentro de esta ampolla una atmósfera hidrocarburada, formada por una mezcla de gas del alumbrado y gasolina. Los hidrocarburos son descompuestos por la acción del calor, y, como en el primer caso, depositan carbono sobre las superficies débiles del filamento.

Después de las operaciones de creación se mide la resistencia y el diámetro de cada filamento y se clasifica la fabricación según los valores obtenidos. Si es necesario se someten los filamentos, cuya resistencia es muy débil, á una segunda operación.

El filamento terminado de una lámpara de incandescencia se compone, en definitiva, de un núcleo de carbono ordinario recubierto de un tubo ó envoltura de carbón grafítico de aspecto metálico, sólido, y presentando seis veces menos resistencia que el carbón que forma el alma interior. Al principio la operación de creación era muy corta, pero se ha reconocido después que era conveniente aumentar la proporción de carbón grafítico. Sin embargo, este resultado no se ha podido alcanzar más que disminuyendo la sección del alma y aumentando la longitud. Se ha pasado así de la forma primitiva en V al bucle, después al gran bucle sostenido en su centro y, por fin, al uso de dos filamentos en V, acoplados en tensión, lo que rebaja la resistencia a un tercio de su valor.

El tubo grafítico depositado por la creación tiene un espesor igual á una décima parte del filamento terminado, de suerte que la sección se compone de un tercio de grafito y dos tercios de alma.

La temperatura alcanzada por el filamento de una lámpara de incandescencia normalmente llevada oscila entre 1.700 y 1.800º, y la resistencia eléctrica es entonces igual á la mitad de su valor á 15º.

Las conexiones metálicas del filamento al circuito exterior atraviesan el espesor de la ampolla y es de toda necesidad, para evitar la entrada del aire, que el soporte y el cristal tengan el mismo coeficiente de dilatación. Además, á consecuencia de los encendidos y las extinciones repetidas, este soporte se separaría del cristal á cada variación de temperatura, y el aire que entraría cada vez quemaría poco á poco el filamento, cuya resistencia aumentaría rápidamente en detrimento de su rendimiento luminoso. Tan sólo el platino responde a estas condiciones; pero como es extremadamente costoso, no se emplea más que para atravesar el cristal, siendo de cobre el resto.

Los dos soportes están reunidos por un tornillo de cristal transversal destinado á contenerlos con la separación deseada; su extremidad se sumerge en una mezcla de goma arábiga, de grafito y de óxido de cobre, y entre ellos van fijas las dos extremidades del filamento. Bajo la acción del soplete oxhídrico, el óxido de cobre es reducido y el filamento queda soldado al cobre del soporte por una gota de metal fundido.

El obrero pone en su lugar, en el interior de la ampolla de cristal fino, el filamento y su soporte; después calienta la corona, y cuando ésta está reblandecida conduce con unas pinzas el soporte en el gollete á una posición conveniente para que el filamento esté bien derecho y en el eje de la ampolla.

Las lámparas se sueldan á continuación por su punta delgada, previamente abierta en una canalización de cristal en la que se opera el vacío con una bomba mecánica ó con una bomba trompa de mercurio de Alberguiat ó de Sprengel. Se extrae desde luego la mayor cantidad de aire con la bomba mecánica y se termina con la de mercurio. La canalización dispuesta con la batería de bombas de vacío sobre un marco vertical de madera puede recibir 500 bombas para operar el vacío en 1.000 lámparas á la vez. Cuando la presión interior empieza á ser muy reducida, se hace pasar la corriente por los filamentos para llevarlos al rojo hasta el fin de la operación, con objeto de extraer los gases introducidos en los poros del carbón. En fin, se cierra al soplete la punta de la lámpara, separándola del tubo de cristal á que está unida.

Terminadas las lámparas se llevan al laboratorio de fotometría, donde sufren dos ensayos, consistiendo uno en el grado de vacío y el otro sobre la potencia luminosa. La verificación del grado de vacío se ejecuta, con la ayuda de una bobina de Ruhmkorff, en los reóforos en forma de cuchara que sujetan la ampolla de cristal; si el vacío es imperfecto, el globo se llena de un fulgor azulado ó violáceo, lo que indica que la lámpara debe devolverse al taller de bombas de vacío. En el caso contrario, cuando el vacío está bien hecho, el interior de la ampolla permanece oscuro y sólo la superficie del cristal toma un tinte fluorescente verde.

El segundo ensayo permite determinar la intensidad luminosa de la lámpara, y se opera en el fotómetro por comparación con otra fuente luminosa de intensidad conocida. Cuando se mandan las lámparas al comercio, llevan una etiqueta indicando la potencia luminosa en bujías decimales á una tensión fija en voltios.

Antes de llevarlas al almacén se coloca á las lámparas un culot ó casquillo, de yeso ó de vidrio, rodeado de una envoltura metálica. La extremidad inferior de los hilos de cobre del soporte está soldada á dos bloques de latón que sirven para establecer las conexiones con el circuito de distribución. Existen dos formas de culots: los de rosca, para lámpara Edison, y los de bayoneta, más empleados. En el primero la envoltura metálica del culot presenta unas canales que forman los filetes de un tornillo; en el otro, dos vástagos transversales atraviesan el cilindro siguiendo su diámetro. Este tornillo ó estos vástagos sirven para mantener la lámpara en la boquilla ó portalámpara que está fijada á la extremidad de un racor ó de un brazo de luz.

Werner y Hardwich han imaginado un filamento que es particularmente interesante para las lámparas de alto voltaje, que no pueden construirse con los filamentos de carbono actuales, cuya conductibilidad es mucho mayor; esta conductibilidad es además uno de los mejores indicios de homogeneidad y pureza, que son las cualidades indispensables de un buen filamento de carbono. El empleo del carbono resulta ya muy difícil para las lámparas de 200 voltios y conduce á artificios de fabricación  tales como el empleo de filamentos dobles ó el anclado de los filamentos largos, que no pueden ser considerados sino como soluciones provisionales.

El filamento de Werner y Hardwich es un filamento compuesto, lo que parece una solución delicada desde el punto de vista de la realización de un conductor, que debe al menos tener una resistencia uniforme.

Este filamento se obtiene sumergiendo un hilo de algodón en una solución de nitrato de tierra rara y de una sal de metal á alta temperatura de fusión, tal como el iridio. Después de esto, se seca este hilo y se le chamusca en un mechero Bunsen. Se monta entonces el hilo en un soporte y se le somete á la acción de una corriente, de manera de quemar completamente todo el carbono. La intensidad de corriente empleada es próximamente doble de la que debiera pasar normalmente por el filamento montado; esta precaución es necesaria para destruir el carbono de iridio que tiende á formarse y evitar, por consecuencia, el ennegrecimiento de la ampolla.

En más recientes ensayos han recubierto el hilo así preparado de osmio, para permitir elevar más su temperatura; es decir, aumentar su rendimiento luminoso.

Otro procedimiento de fabricación consiste en hacer una trenza de dos hilos de algodón, bañados uno en una sal de iridio y el otro en un nitrato de tierra rara. Este procedimiento parece poco práctico á priori y Werner y Hardwich no han podido, según dicen, obtener por este medio más que filamentos de 200 voltios.

Los filamentos así fabricados poseen, según los inventores, una gran resistencia mecánica y una flexibilidad considerable.

Mr. Weismann emplea lámparas de voltaje reducido y éste varía con la intensidad luminosa de la lámpara. Así el voltaje de una lámpara de 16 bujías no es el mismo que el de una de 5.

El principio que domina este procedimiento es el siguiente: empleando lámparas de poco voltaje se tienen filamentos de diámetro aumentado, y esto permite emplear intensidades importantes, que hacen que el rendimiento luminoso del filamento sea mejor, á causa de la gran superficie de radiación.

El consumo medio de una lámpara de incandescencia ordinaria es superior á 3,5 vatios por bujía decimal para lámparas de 16 bujías y 110 voltios. Para una lámpara de 5 bujías, al mismo voltaje, este consumo alcanza hasta 5 vatios por bujía.

Mr. Weismann deduce de sus experiencias que, á diversas tensiones de la de 110 voltios, el rendimiento luminoso decrece con el poder luminoso de la lámpara. Era natural investigar si se podría obtener el mismo rendimiento luminoso para todas las lámparas cualquiera que fuera su poder luminoso. Mr. Weismann ha hecho toda una serie de experiencias con este objeto, y ha sacado la conclusión de que, para obtener el máximum de rendimiento de las lámparas de incandescencia, es necesario apropiar la tensión á estas lámparas según su intensidad luminosa respectiva.

Mr Weismann ha reconocido, por consiguiente, que las lámparas de filamento grueso, y por consecuencia á bajo voltaje, 20 voltios por ejemplo, son superiores á las lámparas de filamento fino, prácticamente utilizadas. En efecto; estos filamentos pueden soportar grandes intensidades, y su masa forma volante de calor, disminuyendo los efectos de variaciones de voltaje, que con el procedimiento Weismann son reducidas en grandes proporciones, puesto que un transformador pequeño rebaja la tensión normal de los sectores de 110 á 20 voltios, por ejemplo, y las variaciones son reducidas en la misma proporción, ó sea la quinta parte próximamente.

Además, para los filamentos finos, el brillo disminuye del centro al borde; en los filamentos gruesos, la disminución no se produce más que cerca de los bordes.

Sobre las consideraciones expuestas más arriba, el señor Weismann ha imaginado un nuevo sistema de distribución que permite obtener en las lámparas las bajas tensiones de que tiene necesidad.

Cada grupo de lámparas está accionado por un transformador de dimensiones muy reducidas y que funcionan siempre á plena carga, y, por consecuencia, con un rendimiento excelente (de 85 á 95 por 100). El pequeño volumen de estos transformadores permite disimularlos fácilmente en los pies de los aparatos, por ejemplo, y su precio de coste es mínimo: 5 francos para 5 á 10 lámparas.

Mr. Canthonnier ha imaginado un procedimiento para volver al estado de nuevas las lámparas de incandescencia, permitiendo reemplazar el filamento usado por un filamento nuevo.

La primera operación consiste en abrir el remate de la lámpara, operación muy rápida; una obrera puede abrir fácilmente más de 1.000 lámparas en un día. A seguida la abertura se agranda con el soplete, de manera de hacer pasar una pinza especial, por medio de la cual se quita el filamento usado y se introduce el filamento nuevo previamente contrastado, como en la fabricación de las lámparas nuevas.

Para soldar el filamento nuevo se llena la ampolla de un hidrocarburo especial, y por medio de la pinza que mantiene el filamento se hace pasar una corriente eléctrica por la proximidad de los puentes de unión; el hidrocarburo se descompone, el hidrógeno se escapa por la abertura de la ampolla, y el carbono se deposita en la extremidad de los electrodos, que poseen ya una capa de carbono proveniente de la soldadura inicial, y sobre la del nuevo filamento, que queda fijado de esta manera. Después se suelda á seguida un rabillo al remate de la ampolla, de manera de hacer desaparecer el depósito interior de carbón, que se transforma en óxido de carbono por el oxígeno del aire. La lámpara, cuya ampolla resulta entonces tan transparente como si estuviera nueva, se termina como de ordinario.

Como se ve, este procedimiento permite economizar, como materias primas, el casquillo, la ampolla, los hilos de platino, de níquel y de cobre, y como mano de obra el soldado de platino en el cristal, el trifilado del níquel, la soldadura del níquel al platino, el enyesado, la soldadura de los electrodos de cobre á los hilos de platino y á los bloques de contacto; es decir, la mayor parte de los gastos de materias primas y de fabricación del filamento, no dejando más que subsistir la mano de obra de las operaciones relatadas más arriba, gastos muy mínimos; un obrero hábil puede preparar 60 á 65 lámparas por hora.
 

Lámparas de filamento metálico

Se puede reprochar á la lámpara de incandescencia de filamento de carbono un consumo de corriente bastante elevado, si se trata de asegurar una larga duración del funcionamiento que alcance de 800 á 1.000 horas. Para disminuir este gasto se ha buscado un medio ingenioso: hacer que las lámparas absorban una potencia superior á la normal y para la que el fabricante la ha contrastado. El rendimiento luminoso es mucho mejor, pero á expensas de la duración de la lámpara, que baja entonces á 200 ó 250 horas.

Así, colocando en un circuito a 11 voltios una lámpara contrastada á 10 voltios 10 bujías, la luz será de 16 bujías, con un gasto de 2,5 vatios por bujía en vez de 4 vatios. Se realiza, por lo tanto, una seria economía, aun usando cuatro lámparas por una, como lo prueba la comparación siguiente, admitiendo que la corriente se vende por la central á razón de 0,80 el kilovatio hora.

1.º Lámpara normal; duración 1.000 horas.

Pesetas.

 16 bujías á 4 vatios por bujía = 64 vatios durante 1.000 horas = 6,5 kilovatios á 0,80 ............................................................................  52,00

1 lámpara de 16 bujías ....................................................................  0,60
Total .........................................................................  52,60

2.º Lámpara forzada; duración 200 horas.

Pesetas.

 16 bujías á 2,5 vatios por bujía = 40 vatios durante 1.000 horas = 4 kilovatios á 0,80 ............................................................................  32,00

5 lámparas de 10 bujías ...................................................................  3,00
Total .........................................................................  35,00

Se realiza, por lo tanto, un beneficio neto de 17,60 pesetas, por poco, empleando el método del forzado y reduciendo la duración de las lámpara á la cuarta parte de la normal.

Este beneficio es tanto más grande cuanto la tarifa de venta de energía eléctrica es más elevada.

Sin embargo, este procedimiento no permite más que sortear la dificultad sin resolverla completamente; no sucede lo mismo cuando se toma, para constituir el filamento, una materia diferente del carbono, por ejemplo un metal muy refractario y susceptible de estirarse en hilos extremadamente finos. El físico alemán Nerst ha combinado un sistema que funciona al aire libre, utilizando la incandescencia de óxidos tales como circonio, torio, itria y otras tierras raras, moldeada bajo la forma de una varilla de varios centímetros de longitud. Pero esta varilla debe ser precisamente calentada a una temperatura de 1.000 grados para resultar conductor de corriente, y este calor es suministrado por una espiral de platino que rodea el cilindro cerámico. El consumo específico es 1 vatio por bujía; la tensión normal de alimentación es de 220 voltios.

Los electricistas Siemens y Halske son los primeros que han resuelto fabricar industrialmente lámparas eléctricas de filamento metálico. El tántalo ha sido el elegido, y á pesar de su precio elevado se ha extendido rápidamente, por razón de su consumo reducido, que varía entre 1 y 1,5 vatios por bujía, con una duración media de 800 horas. La tensión necesaria es de 10 á 120 voltios, que es la que se encuentra más frecuentemente en los sectores de distribución.

Después de esto se han usado metales no menos refractarios que el tántalo, tales como el tungsteno, el titano, el osmio, etc. Las lámparas de filamento metálico tienden á sustituir cada vez más á las lámparas de filamento de carbono, aunque estas últimas tienen un precio notablemente inferior. Pero su consumo específico es de tal manera reducido, que se compensa rápidamente la diferencia entre el precio de compra y la economía de corriente que permiten realizar.
 

"Todo el mundo electricista"  H. de Graffigny
Casa Editorial Bailly - Bailliere, Madrid, 1913