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domingo, 26 de febrero de 2017

Tutorial Electrónica Básica. Cap 23. Lámparas de NEÓN



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ÍNDICE

LA LÁMPARA DE NEÓN

1. Que es y para qué sirve
2. Cómo luce?
3. Cómo está hecha una lamparita de neón
4. A qué tensión funciona. Tensión de disparo
5. Es necesario limitar la intensidad
6. Tensión de extinción. Histéresis.
7. Funciona con ambas: Corriente continua y alterna
8. Símbolos utilizados para el neón en los esquemas
9. Usos de la lámpara de neón
      9.1. Señalización
      9.2. Iluminación artística y espectacular
      9.3. Oscilador (Efecto Pearson-Anson) (protoboard)
      9.4. Detección de microondas (experimento)
      9.5. Polímetro básico
      9.6. Regulación de voltaje
      9.7. Display: El tubo nixie
10. Colores de luz obtenidos
11. El vídeo
12. Otros vídeos que pueden interesarte
13. Toda mi colección de vídeos de Youtube



Hola amig@s, pensaba dedicar un TutoBreve al neón, esa humilde lamparita que aún se ve en algún equipo que otro. Pero veo que si le dedico al neón la atención que merece, el TutoBreve se convierte en TutoExtenso, por lo que mejor lo incluiré en el Tutorial de Electrónica Básica, capítulo 23, y además, por la puerta grande.



1. Que es y para qué sirve una lámpara de neón

Una lámpara de neón pertenece a la categoría de lámparas llamadas "de descarga" en donde un gas a baja presión (en torno a 10 milibares), mediante una tensión eléctrica se ioniza y emite luz. Aunque el neón se ha ganado el título genérico para estas lámparas por ser el primer gas utilizado, no es el único. Y se les sigue llamando "lámparas de neón" aún en el caso de que en su composición no figure en absoluto el neón. Otros gases (o mezclas de ellos) también valen y emiten luz de distintos colores, lo veremos más adelante. A menudo se utilizan gases nobles pero también se usan gases que no lo son.

En cuanto a la utilidad de estas lámparas, lo primero que se nos viene a la cabeza es el uso como elementos de señalización luminosa (pilotos), y así es, pero más adelante en este artículo, en el punto 9, veremos que esta lámpara tiene una vocación polifacética y puede hacer cosas que no sospechábamos...


Aquí conviene hacer una distinción. Una cosa es una lámpara de neón y otra, un tubo de neón. Ambas están basadas en el mismo fenómeno, se construyen de forma parecida, pero hay algunas diferencias que muestro en la siguiente tabla.

Este tutorial tratará sobre la primera, la lámpara de neón.




El tipo NE-2 de lámpara de neón es el más común. 


Fig 1. Lámparas de neón tipo NE-2




2. Cómo luce?

Las hay en distintos colores según el gas utilizado, pero la más común es la de neón con un color rojo anaranjado. Emiten muy poca luz, por lo que no se usan como iluminación sino más bien como señalización. A pesar de la poca luz emitida, su eficiencia es mucho mayor que la de una bombilla de incandescencia ya que el consumo es minúsculo.

Fig 2. Lámpara de neón funcionando



3. Como está hecha una lamparita de neón

Fig 3. Como está hecha una lámpara de neón
Consiste en una ampolla de vidrio en cuyo interior hay dos electrodos muy próximos, pero que no se tocan entre sí. La ampolla está rellena con un gas a una presión bastante baja, de unos pocos milibares. Se suele utilizar una mezcla de neón y argón que produce una luz anaranjada virando ligeramente al rojo.





Como veis, fabricarla podrá tener sus complicaciones, pero la idea y su estructura es bien sencilla.



4. A qué tensión funciona. Tensión de disparo

Vemos en la figura 3 que los electrodos están separados. El gas contenido en el interior es aislante. Así que si le aplicamos a la lámpara una tensión pequeña (por ejemplo, 5 voltios), la corriente no puede fluir. La lámpara no luce.

Por supuesto, si aplicamos alta tensión, dada la pequeña distancia que separa a los electrodos, saltará un arco voltaico entre ambos, pero no es ésta la manera en que funciona una lampara de este tipo...

Si aumentamos paulatinamente esa tensión de 5 voltios, llega un momento en que el gas se ioniza y se vuelve conductor, y lo hace emitiendo luz. 

El proceso sería más o menos así:

1) La elevada tensión "arranca" algunos electrones de sus átomos, y quedan libres (como en los metales) a merced del campo eléctrico aplicado a los electrodos de la lámpara y por lo tanto, se aceleran y se desplazan hacia el electrodo positivo, y esto constituye una corriente eléctrica. 

2) La razón de porqué se pone el gas a baja presión es para que no haya mucha densidad de átomos, pues en ese caso los electrones chocan muy a menudo con los átomos de neón pero lo hacen a baja velocidad. Si por el contrario el gas está a muy baja presión habrán menos átomos y los electrones experimentarán menos choques, pero serán más energéticos ya que han experimentado mayor aceleración y por tanto, más velocidad y así energizarán a los átomos contra los que chocan.

3) Como consecuencia de esos choques electrón-átomos, algunos átomos alcanzan un nivel energético superior al que tenían antes del choque.Además, estos choques arrancan electrones a otros átomos, electrones que se suman a la corriente.

4) Los átomos energizados vuelven a su estado anterior, desprendiendo esa energía que captaron con el choque, y lo hacen con una longitud de onda dada que determinará el tipo de radiación que emiten. En el caso que nos ocupa, con el neón, esa longitud de onda corresponde a la luz visible, así que directamente apreciamos ese resplandor rojo-anaranjado.

Esta tensión a partir de la cual la lámpara comienza a lucir se conoce como "tensión de disparo" y es un parámetro fundamental de la lámpara. Depende del gas utilizado y de cómo estén configurados los electrodos, siendo un valor normal entre 60 y 150 voltios. La mayoría tienen una tensión de disparo rondando los 90 voltios.

En el vídeo monto, en protoboard, una improvisada fuente de alimentación que, a partir de la tensión de red alterna 220V, entrega una tensión continua de unos 80-100 voltios, regulable, y la utilizo para averiguar la tensión de disparo de una lámpara de neón. Resulta ser de unos 73 voltios.

Supongo que muchos estaréis interesados en esta pequeña fuente regulable con la que he hecho funcionar la lámpara, ahí va el esquema:


Fig 4. Fuente de alimentación para obtener 100V continua regulables para probar lámparas de neón

El diodo D1 es un rectificador de uso general y con él hacemos un rectificador de media onda. Este diodo no puede ser cualquier diodo. Ha de ser uno que tenga una tensión inversa de 400 voltios como mínimo o de lo contrario la fuente no alcanzará los 100 voltios deseados. El tipo 1N4004 es válido.

A continuación, el zener DZ1 de 100 voltios estabiliza la tensión precisamente a 100 voltios y carga al condensador C1 con esos 100 voltios, pero lo hará lentamente ya que la resistencia R1 limita bastante el paso de la corriente dado su alto valor de 27.000 ohmios. Si se desea obtener una tensión más alta que 100 voltios, por ejemplo 150 voltios, no hay problema en que DZ1 sea un zener de 150 voltios.

El potenciómetro R2 toma los 100 voltios entre sus extremos y en su cursor o terminal central tendremos una porción de esos 100 voltios, según la posición del mismo. Regulando R2 obtendremos desde casi cero voltios, hasta el máximo, esto es, 100 voltios.

Habrá un punto de regulación de R2 en que la lámpara de neón se encienda. 
La tensión aplicada justo en ese momento será la tensión de disparo del neón.



Recuerdo las precauciones que se deben tomar siempre que se manejen más de 50 voltios, así como el importante detalle de que esta fuente no está aislada de la red.








5. Es necesario limitar la intensidad

Una vez alcanzada la tensión de disparo, la lámpara de neón comienza a conducir, pero la ionización del gas del interior constituye un auténtico cortocircuito, y si la fuente de alimentación empleada tiene potencia suficiente (y la suele tener, ya que habitualmente se trata de la red eléctrica) la corriente que circulará por la lámpara será muy alta y se destruirá rápidamente.

Por eso, el empleo de una lámpara de neón lleva aparejada la necesidad de limitar la corriente, y esto se hace con una resistencia limitadora en serie con la lámpara de neón, cuya función es precisamente evitar que fluya la corriente de forma explosiva. 

Siempre que veáis un neón, dad por sentado que cerca hay una resistencia.

Para una tensión de 230 voltios, la resistencia debe ser de entre 100K y 220K (100.000 y 220.000 ohmios respectivamente). Para 125 voltios, la resistencia será la mitad: entre 47K y 100K


Fig 5. Es necesario limitar la intensidad de un neón con una resistencia en serie. Siempre

En las condiciones de funcionamiento anterior con la resistencia de 180K, si aplicamos la Ley de Ohm veremos que la corriente que circula por la lámpara de neón es francamente reducida, del orden de 1,2 mA, y no necesita más...


Intensidad = Voltios / Resistencia

Intensidad = 230 / 180.000 = 0,0012 A = 1,2 mA



6. Tensión de extinción. Histéresis de la lámpara de neón

Hemos visto que a partir de 73 voltios la lámpara de neón comenzaba a conducir, pero, si ahora disminuimos la tensión aplicada... ¿Dejará de conducir justo por debajo de esa misma tensión?

No.

Este fenómeno se conoce como histéresis, consiste en que una cosa que es activada a "un nivel X" se desactiva a un nivel "menor que X". En este caso, la lámpara se activa a 73 voltios, pero se desactiva a una tensión menor, unos 62 voltios.



Aquí tenemos otro parámetro importante en una lámpara de neón: La tensión de extinción, aquélla a la cual la lámpara deja de conducir. La tensión de extinción siempre será menor (nunca igual) que la tensión de disparo.

Esta característica le permite ser utilizada en tareas especiales.




7. Funciona con ambas: Corriente continua y alterna

Nada he dicho hasta ahora de si la lámpara de neón funciona con corriente continua o alterna.

Funciona con ambas.

Sencillamente vamos a ver un fenómeno que, por cierto, nos puede ser útil. Hay que tener claro que el electrodo que se ilumina siempre es el electrodo negativo. El que libera los electrones.

- Si el neón se conecta a corriente alterna: Lucen ambos electrodos

- Si se conecta a continua: Solo lucirá el electrodo conectado a negativo

De esto se deduce que una lampara de neón se puede utilizar como un tester muy básico con las siguientes prestaciones:

1) Nos dice si una tensión supera o no cierto nivel. La de su disparo.

2) Nos dice si esa tensión es alterna o continua, según luzcan los dos o solo uno de sus electrodos respectivamente.

3) En caso de que sea corriente continua, también nos permitirá conocer la polaridad, pues nos indicará cuál de los dos cables es el negativo (el que luce)

Fig 6. Negativo a la izquierda, negativo a la derecha, y corriente alterna. El neón como detector de tipo de corriente



8. Símbolos utilizados para el neón en los esquemas

Estos son los símbolos que te vas a encontrar habitualmente cuando una lámpara de neón figure en un esquema:


Fig 7. Símbolos utilizados en los esquemas para representar a una lámpara de neón



9. Usos de la lámpara de neón

9.1. Señalización

Como ya comenté al principio, éste es el uso más conocido. 

Un piloto de neón tiene sus ventajas: Consumo muy reducido, larga vida y un detalle muy útil: Puede conectarse directamente a 125/230V (y a más voltaje) sin necesidad de transformadores, fuentes, ni ninguna otra cosa... excepto la pequeña resistencia limitadora de 100K-220K que no supone apenas costo.


Fig 8. Piloto de neón



9.2. Iluminación artística y espectacular

Una variante de la lámpara de neón que nos ocupa es la utilizada en reclamos publicitarios, por todos conocidas, y que adornan nuestras ciudades en la noche.

Fig 9. Rótulos luminosos de neón

La primera luz obtenida fue con el gas neón, que daba una luz de color rojo-anaranjado, pero actualmente hay disponibles muchos colores para este tipo de lámparas. Se utilizan pigmentos en el interior de los tubos que convierten la radiación inicial (muchas veces ultravioleta) en colores de luz visible.




En el mundo de la televisión, concretamente en los receptores de TV, hace unos años hubo una gran actividad de investigación para conseguir recubrimientos en el interior de los tubos de imagen y que éstos pudieran emitir la máxima cantidad posible de colores y matices. El mundo de los rótulos luminosos de neón se benefició mucho de estas investigaciones, y actualmente hay decenas de colores disponibles para este tipo de lámparas.



9.3. Oscilador (Efecto Pearson-Anson)

Si hoy quisiéramos hacer un circuito oscilador, tiraríamos del típico circuito integrado 555 o cualquier otro de tipo digital, según el caso, y la verdad, funcionan muy bien. Pero...¿Y antes de los circuitos integrados? ¿Que se utilizaba?: Transistores, se usaban transistores.

¿Y antes de los transistores? Se usaban válvulas de vacío.

¿Y antes de las válvulas de vacío?

Nos remontamos a un tiempo en que la electrónica estaba en pañales, pero también se hacían osciladores. Y se hacían con lámparas de neón.

Como suele ocurrir, un invento antiguo ha sido superado por inventos más modernos, pero ese invento antiguo se resiste a morir porque en algunas aplicaciones sigue siendo ventajoso. Un ejemplo lo tenemos en los cebadores para los tubos fluorescentes que se siguen usando en la actualidad. Son osciladores basados en un neón y un condensador que, junto con la reactancia, permiten arrancar a un tubo fluorescente. Hasta el momento no hay invento "más moderno" que pueda hacer eso de una forma mejor y/o más económica.

Fig 10. Cebador para tubos fluorescentes, oscilador basado en lámpara de neón

Vamos a reproducir en protoboard uno de estos sencillos osciladores basados en una lámpara de neón y un condensador


Fig 11. Oscilador basado en lámpara de neón y condensador

Una primera pega es que la tensión de funcionamiento para este oscilador no puede ser tan baja como a la que estamos acostumbrados (6, 12 voltios...). Un neón funciona a partir de varias decenas de voltios y a eso nos tendremos que ceñir...

La alimentación del circuito de la figura 11 es a 100 voltios.

La resistencia P1, de alto valor (3M3  3.300.000 ohms) hace que el condensador C1 se vaya cargando lentamente. El condensador C1 podemos verlo como un cubo que se va llenando lentamente de agua a través del potenciómetro P1. En lugar de un potenciómetro también se puede poner una resistencia fija. 

Llega un momento en que el condensador C1 adquiere un voltaje igual al del disparo del neón, y efectivamente, se produce el disparo del neón. Éste conduce (y luce) momentáneamente, con lo cual el condensador C1 entrega su carga al neón y pierde una gran parte de la tensión que había acumulado. El neón ahora se extingue (deja de conducir) y se apaga.

Habrá que esperar a que C1 se vuelva a cargar a través de P1 para que se repita lo anterior.

Y con esto, tenemos un oscilador. Un oscilador de tipo "relajación" que consiste en que alguna magnitud (en este caso la tensión en C1) va subiendo hasta llegar a un nivel en que "se relaja" cayendo de nivel, hasta que vuelve a alcanzarse un valor y vuelve a relajarse...

La velocidad a la que funciona este oscilador, es decir, su frecuencia, depende del valor de la resistencia en P1 y de la capacidad de C1, y dependen en este sentido: Cuanto más alta sea la resistencia en P1, mas lento oscila, pues hará falta más tiempo para llenar C1. También a más alta sea la capacidad de C1 mas lento oscila, pues hará falta más tiempo para llenarlo.



9.4. Detección de microondas

Una cualidad no muy conocida de una lámpara de neón es que ésta funcionará si está inmersa en microondas, y lo podemos comprobar con un horno de microondas doméstico.

Algunas averías de estos hornos dan como síntoma que todo funciona pero no calienta: Se enciende la luz del interior, el plato gira, el temporizador se pone en marcha, todo funciona... excepto que no calienta.

Si un microondas calienta o no se puede comprobar metiendo un simple vaso de agua, pero el truco que propongo es más rápido, no hay que esperar a que se caliente el agua. Y también evitamos la posibilidad de un derrame de agua.

Podemos obtener una lámpara de neón de un cebador de tubo fluorescente, incluso de uno descartado, que suele tener el neón en buen estado.



Fig 12. Cebador de tubo fluorescente

El procedimiento consiste en meter la lámpara de neón en el horno microondas y ponerlo en marcha. Si el horno funciona la lámpara se encenderá. Si no lo hace, es que no hay microondas.

Consejos sobre este experimento:

1) Hacer la prueba sólo durante unos cinco segundos. No hay necesidad de más tiempo porque a un horno microondas no le sienta bien que se le haga funcionar sin comida o bebida dentro. Si el horno está bien, en esos 5 segundos la lámpara deberá lucir.

2) Aunque el horno esté bien, a veces verás que el neón se apaga. Es normal. En el interior de gabinete hay zonas de "silencio" de microondas. Esa es precisamente la función del plato giratorio: Que todo el contenido pase alternativamente por zonas activas. Si no fuese por el plato giratorio, algunas zonas de la comida saldrían frías.

3) No tengas prisa por sacar del microondas la lámpara de neón tras esta prueba: Quema, y mucho. Se calienta bastante. Déjala enfriar un par de minutos dentro del microondas. O tómala con pinzas.

Fig 13. Lámpara de neón brillando, activada por microondas



9.5. Polímetro muy básico

De los dos electrodos que tiene una lámpara de neón, el que brilla siempre es el negativo. El positivo no. ¿Y si es alterna? Entonces brillan ambos. En realidad, en un instante dado sólo brilla uno, pero la rápida sucesión de 50/60 Hz de la red engaña a nuestra vista haciéndonos parecer que brillan ambos.

Fig 14. Destornillador buscapolos
Esto nos permite usar un neón como un improvisado y limitado "polímetro" para saber si una tensión supera cierto nivel (el de disparo de la lámpara), también nos permite conocer si la corriente es alterna o continua, y en caso de que sea continua, cuál es el polo positivo y cuál el negativo.




En el punto 7 hablo también sobre esto.

Un ejemplo práctico de uso del neón como tester básico es el conocido destornillador "buscapolos" (Fig. 14) que nos avisa si hay una tensión mayor de unos 100 voltios en algún punto del circuito. Por supuesto, no se debe utilizar esta herramienta para probar tensiones más altas que la de la red.



9.6. Regulación de voltaje

Teniendo en cuenta la capacidad de la lámpara de neón de dispararse al llegar a cierta tensión, se pueden hacer circuitos que exploten esta característica para regular el voltaje, o para dar un aviso de que cierta tensión se ha alcanzado o superado.



9.7. Displays

Para representar cifras u otros símbolos.

Fig 15. Tubos Nixie, displays en los inicios de la electrónica

Antes de la aparición de los displays modernos que hoy conocemos como el LCD y los basados en diodos LED, se utilizaban lámparas de neón. Eran los tubos nixie que hoy ya apenas se utilizan.

Un tubo nixie es una válvula de vacío con un ánodo común y tantos cátodos como símbolos a utilizar.






10. Colores de luz obtenidos

Como ya he mencionado, el neón proporciona un color rojo-naranja, es el más utilizado, pero hay otros gases con los cuales se obtienen distintos colores. Los gases más utilizados y sus respectivos colores son:

Hidrógeno: Rojo, magenta, rosa
Neón: Rojo-Naranja
Helio: Muy variable, desde naranja a blanco
Criptón: Verde
Argón: Azul a violeta
Xenón: Gris-azul
Vapores de mercurio: Azul pálido, ultravioleta
Dióxido de carbono: Blanco azulado, rosa
Vapor de sodio: Naranja-amarillo

Algunos de los gases anteriores no brillan con un único color, pueden variar por otros muchos factores.


Fig 16. Estas no son exactamente lámparas de neón, son ampollas rellenas de gas, sin electrodos, y son excitadas con una bobina de tesla. El fenómeno que las hace funcionar es el mismo: Ionización del gas a baja presión.



11. El vídeo







12. Otros vídeos que pueden interesarte

Hablando de optoelectrónica, otros dispositivos ampliamente utilizados son los diodos LED, diodos emisores de luz. No tienen nada que ver con las lámparas de neón en cuanto a principios de funcionamiento o en prestaciones, pero sí tienen en común el ser componentes de optoelectrónica.

En este vídeo se habla sobre los diodos en general, incluyendo a los LEDs:






13. Toda mi colección de vídeos de Youtube

En Youtube, una "lista de reproducción" es una colección de vídeos, normalmente de una misma temática. A continuación tienes mis listas de reproducción:











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