Lámpara de descarga de alta intensidad

Las lámparas de descarga de alta intensidad ( lámparas HID ) son un tipo de lámpara de descarga de gas eléctrica que produce luz por medio de un arco eléctrico entre electrodos de tungsteno alojados dentro de un tubo de arco de cuarzo fundido o alúmina fundida translúcido o transparente . ^[1] Este tubo está lleno de gas noble y, a menudo, también contiene metal o sales metálicas adecuadas . ^{[ aclaración necesaria ]} El gas noble permite el inicio del arco. Una vez que se inicia el arco, calienta y evapora la mezcla metálica. Su presencia en el plasma del arco aumenta en gran medida la intensidad de la luz visible producida por el arco para una entrada de potencia determinada, ya que los metales tienen muchas líneas espectrales de emisión en la parte visible del espectro. Las lámparas de descarga de alta intensidad son un tipo de lámpara de arco .

Las lámparas de descarga de alta intensidad nuevas producen más luz visible por unidad de energía eléctrica consumida que las lámparas fluorescentes e incandescentes , ya que una mayor proporción de su radiación es luz visible en comparación con la infrarroja. Sin embargo, la salida de lúmenes de la iluminación HID puede deteriorarse hasta en un 70% a lo largo de 10.000 horas de funcionamiento.

Muchos vehículos modernos utilizan bombillas HID para los principales sistemas de iluminación, aunque algunas aplicaciones ahora están pasando de las bombillas HID a la tecnología LED y láser. ^[2]

En los tubos de arco de las lámparas HID se utilizan distintos tipos de productos químicos, según las características deseadas de intensidad de luz, temperatura de color correlacionada , índice de reproducción cromática (IRC), eficiencia energética y vida útil. Las variedades de lámparas HID incluyen:

• Lámparas de vapor de mercurio
• Lámparas de halogenuros metálicos (MH)
• Lámparas cerámicas MH
• Lámparas de vapor de sodio
• Lámparas de xenón de arco corto

El elemento productor de luz de estos tipos de lámparas es una descarga de arco bien estabilizada contenida dentro de un tubo de arco con envoltura refractaria con una carga de pared superior a 3 vatios por centímetro cuadrado (19 W/pulgada ² ).

Las lámparas de vapor de mercurio fueron las primeras lámparas HID disponibles comercialmente. Originalmente producían una luz verde azulada, pero las versiones más recientes pueden producir luz con un tinte de color menos pronunciado. Sin embargo, las lámparas de vapor de mercurio están cayendo en desuso y están siendo reemplazadas por lámparas de vapor de sodio y de halogenuros metálicos.

Las lámparas de halogenuros metálicos y de halogenuros metálicos cerámicos pueden fabricarse para emitir una luz blanca neutra útil para aplicaciones en las que la apariencia normal del color es fundamental, como en la producción de películas y televisión, los juegos deportivos en interiores o nocturnos, los faros de los automóviles y la iluminación de acuarios.

Las lámparas de vapor de sodio de baja presión son extremadamente eficientes. Producen una luz de color amarillo anaranjado intenso y tienen un IRC efectivo de casi cero; los objetos que se ven bajo su luz parecen monocromáticos . Esto las hace particularmente efectivas como luces de seguridad fotográficas . Las lámparas de sodio de alta presión tienden a producir una luz mucho más blanca, pero aún con un tono naranja rosado característico. Ahora hay nuevas versiones con corrección de color que producen una luz más blanca, pero se sacrifica cierta eficiencia a cambio de un color mejorado.

Al igual que las lámparas fluorescentes, las lámparas HID requieren un balasto para iniciar y mantener sus arcos. El método utilizado para iniciar el arco varía: las lámparas de vapor de mercurio y algunas lámparas de haluro metálico suelen iniciarse utilizando un tercer electrodo cerca de uno de los electrodos principales, mientras que otros tipos de lámparas suelen iniciarse utilizando pulsos de alto voltaje.

Se han investigado y se están llevando a cabo investigaciones para sustituir el mercurio tóxico en las lámparas HID. Los experimentos muestran resultados prometedores y se esperan aplicaciones generalizadas en el futuro. ^[3]

Algunas lámparas HID utilizan sustancias radiactivas como el criptón-85 y el torio . ^{[4] [5] [6] [7] [8]} Estos isótopos ayudan a encender las lámparas y mejoran sus características de funcionamiento. ^{[4] [6]}

El criptón-85 es un gas y se encuentra mezclado con el argón , que está en el tubo de arco de la lámpara. ^[8] El torio, que es un sólido, se utiliza en los electrodos. ^[8]

Estos isótopos producen radiación ionizante de tipo alfa y beta . Esta radiación provoca una alta ionización dentro de la lámpara sin poder escapar de ella. ^[6] La alta ionización hace que el inicio del arco mediante avalancha de Townsend sea mucho más fácil. Además, la presencia de torio en los electrodos reduce la función de trabajo , lo que a su vez hace que el inicio y el mantenimiento del arco sean más fáciles.

La cantidad de radiación gamma producida por los isótopos que pueden escapar de la lámpara es insignificante. ^[6]

Las lámparas HID se utilizan normalmente cuando se requieren altos niveles de luz en grandes áreas y cuando se desea eficiencia energética y/o intensidad de la luz. Estas áreas incluyen gimnasios , grandes áreas públicas, almacenes , cines, estadios de fútbol, ^​​[9] áreas de actividades al aire libre, carreteras, estacionamientos y caminos. Más recientemente, las lámparas HID se han utilizado en pequeños comercios minoristas e incluso en entornos residenciales debido a los avances en bombillas de lúmenes reducidos. Las lámparas HID de rendimiento ultra alto (UHP) también se utilizan en televisores de proyección LCD o DLP o en pantallas de proyección.

Las lámparas HID han hecho que la jardinería de interior sea práctica, en particular para las plantas que requieren altos niveles de luz solar directa en su hábitat natural; las lámparas HID, específicamente las de haluro metálico y de sodio de alta presión, son una fuente de luz común para los jardines de interior. También se utilizan para reproducir la luz solar de intensidad tropical para acuarios de interior .

La mayoría de las lámparas HID producen una radiación ultravioleta significativa y requieren filtros de bloqueo de rayos ultravioleta para evitar la degradación inducida por rayos ultravioleta de los componentes de la luminaria y la decoloración de los elementos teñidos iluminados por la lámpara. La exposición a lámparas HID que funcionan con filtros de bloqueo de rayos ultravioleta defectuosos o ausentes provoca lesiones a humanos y animales, como quemaduras solares y ojos de arco . Muchas lámparas HID están diseñadas para apagarse rápidamente si se rompe su envoltura de vidrio protectora de rayos ultravioleta.

A principios de los años 90, las lámparas HID se han utilizado en los faros de los automóviles . La iluminación de xenón, o de descarga de alta intensidad (HID), proporciona faros más brillantes y aumenta la visibilidad de muchos objetos periféricos (por ejemplo, señales de tráfico y peatones) que quedan en las sombras con la iluminación halógena estándar. Sin embargo, los faros brillantes han dado lugar a quejas sobre el deslumbramiento. ^[10]

Las lámparas HID se utilizan en faros delanteros de alto rendimiento para bicicletas , así como en linternas y otras luces portátiles, porque producen una gran cantidad de luz por unidad de potencia. Como las luces HID utilizan menos de la mitad de la potencia de una luz halógena de tungsteno equivalente, se puede utilizar una fuente de alimentación significativamente más pequeña y liviana.

Las lámparas HID también se han vuelto comunes en muchos aviones como reemplazo de las luces de aterrizaje y rodaje tradicionales. ^{[ cita requerida ]}

Las lámparas HID también se utilizan en lámparas para buceo submarino . La mayor eficacia de las lámparas HID en comparación con las unidades halógenas significa tiempos de encendido más prolongados para un tamaño de batería y una potencia lumínica determinados.

Las lámparas HID están disponibles en una variedad de colores (comúnmente denominados temperaturas de color ) y se miden en Kelvin (K). La escala de temperatura de color Kelvin varía de 1000 K (ámbar) a 3000 K (amarillo) a 5500 K (blanco) a 8000 K (azul) a 12000 K (violeta).

Las lámparas HID producen diferentes colores de luz principalmente a través del uso de varios aditivos metálicos en el tubo de arco de la lámpara y la física del proceso de descarga de gas. ^[11]

• Aditivos metálicos : las lámparas HID contienen un tubo de arco lleno de una mezcla de gases, incluido un gas noble (como el xenón ). Estos aditivos metálicos son cruciales para producir diferentes colores de luz. Los diferentes metales emiten luz en longitudes de onda específicas cuando se energizan, y esta característica determina la salida de color de la lámpara.
• Proceso de descarga de gas : el funcionamiento de la lámpara implica la creación de un arco eléctrico a través de los electrodos dentro del tubo de arco. Este arco genera un calor intenso y excita los gases y los aditivos metálicos dentro del tubo. A medida que los átomos excitados regresan a su estado fundamental, liberan energía en forma de luz.
• Espectro de emisión : el espectro específico de luz emitida depende de los niveles de energía de los átomos excitados y de las propiedades de los aditivos metálicos. Cada metal emite luz en determinadas longitudes de onda, lo que da lugar a colores específicos.
• Recubrimiento de fósforo : algunas lámparas HID, como las lámparas de vapor de mercurio , también utilizan recubrimientos de fósforo en la superficie interna del tubo de arco. Estos fósforos absorben la luz ultravioleta (UV) emitida por los átomos de gas excitados y luego reemiten luz visible. La combinación de luz ultravioleta y luz visible emitida crea un espectro más amplio de colores.
• Índice de reproducción cromática (IRC) : las lámparas HID no siempre son conocidas por sus excelentes propiedades de reproducción cromática. La reproducción cromática se refiere a la precisión con la que la fuente de luz muestra los colores verdaderos de los objetos en comparación con la luz solar natural. Las distintas lámparas HID tienen distintos valores de IRC , y algunas ofrecen una mejor reproducción cromática que otras.

La elección de aditivos metálicos y sus concentraciones permite a los fabricantes de lámparas crear lámparas HID con distintas temperaturas de color y características espectrales para satisfacer diferentes necesidades de iluminación.

La mayoría de las lámparas HID se producen en un rango de temperatura de color de 5000 K a 6000 K, similar a la luz natural. Esto resulta útil para aplicaciones que requieren altos niveles de luminosidad , como estadios deportivos, almacenes, televisores de proyección e iluminación de jardinería. ^[12]

Sin embargo, para ciertas aplicaciones, como los faros de los automóviles, las lámparas HID se producen en casi todos los colores, desde amarillo y blanco hasta azul y morado. ^[13]

Los factores de desgaste se deben principalmente a los ciclos de encendido y apagado en comparación con el tiempo total de encendido. El mayor desgaste se produce cuando el quemador HID se enciende mientras aún está caliente y antes de que las sales metálicas se hayan recristalizado.

Al final de su vida útil, muchos tipos de lámparas de descarga de alta intensidad presentan un fenómeno conocido como ciclo . Estas lámparas pueden encenderse con un voltaje relativamente bajo . Sin embargo, a medida que se calientan durante el funcionamiento, la presión interna del gas dentro del tubo de arco aumenta y se requiere un voltaje más alto para mantener la descarga del arco . A medida que una lámpara envejece, el voltaje necesario para mantener el arco eventualmente aumenta hasta superar el voltaje proporcionado por el balasto eléctrico . A medida que la lámpara se calienta hasta este punto, el arco falla y la lámpara se apaga. Finalmente, con el arco extinguido, la lámpara se enfría nuevamente, la presión del gas en el tubo de arco se reduce y el balasto puede hacer que el arco se active nuevamente. El efecto de esto es que la lámpara brilla por un tiempo y luego se apaga, repetidamente. Los diseños de balastos más sofisticados detectan el ciclo y dejan de intentar encender la lámpara después de unos pocos ciclos. Si se corta la energía y se vuelve a aplicar, el balasto realizará una nueva serie de intentos de encendido.

Otro fenómeno asociado con el desgaste y el envejecimiento de las lámparas HID es la decoloración del haz de luz emitido ("desvanecimiento" ^[14] ). Comúnmente, se puede observar un cambio hacia el azul y/o el violeta. Este cambio es leve al principio y es más generalmente una señal de que las lámparas se están "adaptando" mientras aún están en buenas condiciones generales de funcionamiento, pero hacia el final de su vida útil, la lámpara HID a menudo se percibe como si solo produjera luz azul y violeta. Según la ley de Planck , esto es un resultado directo del aumento de voltaje y la temperatura más alta necesarios para mantener el arco.

En ocasiones, el tubo de cuarzo que contiene mercurio puede explotar en una lámpara UHP. ^[15] Cuando esto sucede, se liberan a la atmósfera hasta 50 mg de vapor de mercurio. Esta cantidad de mercurio es potencialmente tóxica, pero el principal peligro de las lámparas rotas son los cortes con vidrio, y no se espera que la exposición ocasional a lámparas rotas tenga efectos adversos. Philips recomienda el uso de una aspiradora de mercurio, ventilación o protección respiratoria, protección ocular y ropa protectora cuando se manipulan lámparas rotas. Las lámparas de mercurio siempre requieren una eliminación o reciclaje especializado, lo que es legalmente obligatorio en muchos lugares según la jurisdicción. ^[16]