El yoduro de arco medio Hydrargyrum ( HMI ) es el nombre comercial de la marca de lámparas de arco medio de descarga de gas de haluro metálico de Osram , [1] fabricadas específicamente para aplicaciones cinematográficas y de entretenimiento. Hydrargyrum proviene del nombre griego del elemento mercurio .
Una lámpara HMI utiliza vapor de mercurio mezclado con haluros metálicos en una envoltura de vidrio de cuarzo , con dos electrodos de tungsteno con una separación de arco media. A diferencia de las unidades de iluminación tradicionales que utilizan bombillas incandescentes , las HMI necesitan balastos eléctricos , que están separados del cabezal mediante un cable de cabecera, para limitar la corriente y suministrar el voltaje adecuado. La lámpara funciona creando un arco eléctrico entre dos electrodos dentro de la bombilla que excita el vapor de mercurio presurizado y los haluros metálicos, y proporciona una salida de luz muy alta con mayor eficiencia que las unidades de iluminación incandescentes. La ventaja de eficiencia es casi cuatro veces mayor, con aproximadamente 85–108 lúmenes por vatio de electricidad. A diferencia de las lámparas halógenas incandescentes normales, en las que se utiliza un gas haluro para regenerar el filamento y evitar que el tungsteno evaporado oscurezca el vidrio, el vapor de mercurio y los haluros metálicos en las lámparas HMI son los que emiten la luz. El alto índice de reproducción cromática (IRC) y la temperatura de color se deben a la química específica de la lámpara.
A finales de los años 60, los productores de televisión alemanes pidieron al desarrollador de lámparas OSRAM que creara un sustituto más seguro y limpio de la iluminación de arco de carbono utilizada por la industria cinematográfica . Osram desarrolló y comenzó a producir lámparas HMI a pedido de ellos. [2]
Philips produjo una variación de la HMI, una versión de un solo extremo llamada MSR (medium source rare-earth). Utiliza una base de lámpara estándar de dos clavijas. Para evitar el cambio de color durante el uso, agregaron una envoltura secundaria alrededor de la cámara de gas. Existen otras variaciones de bombillas, incluidas GEMI (yoduro metálico de General Electric), CID (luz diurna de yoduro compacto; [3] [4] Thorn EMI, Reino Unido, desde 1990 GE), CSI (yodo de fuente compacta; Thorn EMI, Reino Unido), DAYMAX (fabricada por ILC) y BRITE ARC (|[Sylvania Lighting Inc. (SLI)]). Todas son variaciones y diferentes nombres para, esencialmente, el mismo concepto.
Se invirtió mucha investigación en hacer que las lámparas HMI fueran más pequeñas debido a su uso en luminarias móviles como las fabricadas por Vari-Lite , Martin, Robe y Highend. La principal contribución de Philips después de esto fue la invención de un revestimiento de fósforo en la soldadura del filamento a la lámina de molibdeno que reduce la oxidación y las fallas tempranas en ese punto, haciendo que esa área sea capaz de soportar calor extremo.
Las luces HMI de varios kilovatios se utilizan en la industria cinematográfica y para la proyección de diapositivas en pantalla grande debido a su salida de luz equilibrada con la luz del día, así como a su eficiencia.
De manera similar a las luces fluorescentes , las HMI presentan problemas con la temperatura de color cuando se utilizan para aplicaciones de iluminación de películas o videos. A diferencia de las unidades de iluminación incandescente, que son radiadores de cuerpo negro limitados a un máximo teórico de 3680 K (el punto de fusión del tungsteno), las lámparas HMI, como toda la iluminación de descarga de gas, emiten las líneas espectrales de emisión de sus elementos constituyentes, elegidas específicamente para que combinadas, se asemejen al espectro de cuerpo negro de una fuente de 6000 K. Esto coincide estrechamente con el color de la luz solar (pero no de la luz del cielo), porque la superficie del Sol es un radiador de cuerpo negro de 6000 K.
En el caso de las bombillas HMI, la temperatura de color varía significativamente con la antigüedad de la lámpara. Una bombilla nueva generalmente emitirá una temperatura de color cercana a los 15 000 K durante sus primeras horas. A medida que la bombilla envejece, la temperatura de color alcanza su valor nominal de alrededor de 5600 K o 6000 K. Con el tiempo, la longitud del arco se hace más grande a medida que se queman más electrodos. Esto requiere un mayor voltaje para mantener el arco y, a medida que aumenta el voltaje, la temperatura de color disminuye proporcionalmente a una tasa de aproximadamente 0,5 a 1 kelvin por cada hora quemada. Por esta razón, y otras razones de seguridad, no se recomienda utilizar bombillas HMI más allá de la mitad de su vida útil. [ cita requerida ]
Las bombillas HMI (como todas las bombillas de arco) necesitan una unidad limitadora de corriente para funcionar. En la sección de balastros que aparece a continuación se describen dos formas de hacerlo. El problema del parpadeo solo existe cuando se utiliza la bombilla en combinación con un balastro magnético (los balastros electrónicos producen una luz sin parpadeos). Las bombillas HMI (que funcionan con balastro magnético) presentan un problema inherente de posible producción de luz en películas o vídeos con un parpadeo notable . Esto se debe al método por el que la unidad produce luz. Una HMI, al igual que una unidad de iluminación incandescente, funciona con alimentación de red, lo que significa que la lámpara se enciende y se apaga 100 o 120 veces por segundo (dos veces por cada ciclo de tensión de línea). Aunque no es visible para el ojo humano, una cámara de cine o de vídeo debe estar sincronizada correctamente con este ciclo o cada fotograma grabado mostrará una salida de luz diferente. Aunque las lámparas incandescentes también funcionan con alimentación de red, no muestran un parpadeo perceptible porque sus filamentos no se enfrían lo suficiente entre ciclos como para que su salida de luz disminuya mucho. En el caso de las lámparas HMI, el parpadeo se puede evitar mediante el uso de balastos electrónicos que funcionan a frecuencias miles de veces más rápidas que la frecuencia de la red eléctrica.
Para alimentar una bombilla HMI, los balastos especiales actúan como un encendedor para iniciar el arco y luego lo regulan actuando como un estrangulador. Existen dos tipos de balastos: magnéticos y electrónicos (de onda cuadrada o sin parpadeo). Los balastos magnéticos son generalmente mucho más pesados y voluminosos que los balastos electrónicos, ya que consisten principalmente en una red de grandes inductores. Suelen ser más baratos que los balastos electrónicos. Dado que el tipo de balasto magnético no mantiene la descarga de forma continua, la lámpara en realidad se apaga en los cruces por cero de la forma de onda de la red eléctrica; a menos que la cámara esté sincronizada con la forma de onda de la red eléctrica, la diferencia de frecuencia entre la lámpara y el obturador producirá una frecuencia de batido que es visible en la grabación resultante. Esta es la razón por la que los estándares de TV suelen utilizar la frecuencia de la red eléctrica como su velocidad de fotogramas básica. [ dudoso – discutir ] [ cita requerida ] Los balastos magnéticos son dispositivos simples en comparación con los balastos electrónicos. En esencia, un balasto magnético es una bobina de transformador grande y pesada que utiliza un principio simple para generar los altos voltajes de arranque necesarios para crear un arco en una lámpara fría. La energía de entrada se dirige a una bobina de estrangulamiento conectada entre la entrada principal y la lámpara. La bobina puede tener tomas en varios lugares para proporcionar varios voltajes de entrada (120 V o 240 V) y un alto voltaje de arranque. También se incluyen condensadores para compensar la inductancia de la bobina y mejorar el factor de potencia . Debido a la gran cantidad de corriente a través del balasto, a menudo se escucha un zumbido bajo debido a la magnetostricción de las laminaciones de hierro del balasto. Algunos balastos magnéticos tienen aislamiento alrededor de la bobina para un funcionamiento silencioso.
Desde principios de los años 90, los balastos electrónicos sin parpadeo (o de onda cuadrada ) se han vuelto cada vez más populares y asequibles como alternativa a los balastos magnéticos al eliminar la mayoría de los problemas asociados con el parpadeo de la HMI. Su funcionamiento no es tan simple como el de un balasto magnético. Se puede pensar que los balastos electrónicos funcionan en tres etapas: un convertidor intermedio de CC, un módulo de potencia y un inversor de CA. La energía fluye inicialmente a través de los disyuntores principales hacia un filtro de red de RF que evita el flujo de ruido de regreso a la línea de alimentación entrante. Luego, los rectificadores y los condensadores se cargan y descargan para invertir la mitad negativa del ciclo de CA y convertir la línea en voltaje de CC positivo . Esto se llama intermedio de CC. En la segunda etapa, un convertidor reductor extrae del intermedio de CC y regula la corriente a la electrónica de potencia final a través de una placa de control electrónico. Esta placa de control ajusta cuidadosamente el ciclo de trabajo de alta frecuencia de sus transistores para mantener un color y una salida de luz óptimos a medida que la lámpara envejece. Finalmente, la corriente regulada se invierte mediante una placa de conversión de baja frecuencia que utiliza cuatro transistores bipolares de puerta aislada ( IGBT ) para convertir la CC a exactamente 60 Hz en una CA de onda cuadrada (a diferencia del patrón sinusoidal de la CA de línea). Los líderes en este campo incluyen Power Gems Corp, B&S y Mytronic.
Al utilizar una salida de onda cuadrada que no esté referenciada a la frecuencia de ciclo de la línea, se puede producir una salida sin parpadeos. Dado que los IGBT se encienden y se apagan a una frecuencia de ciclo regulada, un generador puede estar ligeramente fuera de velocidad y la lámpara seguirá estando libre de parpadeos, lo que no sucede con un balasto magnético estándar. La naturaleza de onda cuadrada de la salida da como resultado una salida de potencia en línea recta de la lámpara. El tiempo en el que los cátodos no emiten electrones de energía lo suficientemente alta es muy corto, lo que significa que se puede filmar de manera segura (sin parpadeos) a velocidades de cuadro de hasta 10 000 cuadros por segundo en la mayoría de los balastos electrónicos.
Este encendido y apagado muy brusco inherente a la forma de onda cuadrada provoca vibraciones de frecuencia extremadamente alta en la lámpara. Una onda cuadrada puede considerarse como una suma infinita de armónicos impares, que incluirán frecuencias en la frecuencia de resonancia de la bombilla, lo que hará que vibre a esa frecuencia como una campana o un silbato. La carcasa de la lámpara no ayuda en esto, actuando como una cámara de resonancia que amplifica el ruido y presenta un problema para la grabación de sonido sincronizado para películas y videos. Para corregir esto, la mayoría de los balastos electrónicos están equipados con un modo silencioso que elimina las frecuencias más altas, pero redondea la transición de voltaje, lo que provoca el mismo problema de parpadeo con los elementos magnéticos, aunque en menor medida. Este modo proporciona una filmación segura y sin parpadeos a velocidades de cuadro de hasta 24 cuadros por segundo en la mayoría de los balastos electrónicos.
Además de resolver los problemas de parpadeo, los balastos electrónicos también ofrecen otras ventajas sobre los balastos magnéticos. Con un voltaje de onda cuadrada, los cátodos pasan mucho más tiempo emitiendo electrones y excitando el plasma, lo que crea una ganancia de 5 a 10% en la salida de lúmenes. [5] La naturaleza de onda cuadrada del flujo de energía permite extender la vida útil de la lámpara hasta en un 20%. La mayoría de los balastos modernos ahora también están equipados con un regulador de intensidad, que utiliza modulación de ancho de pulso para atenuar la lámpara hasta un 50%, o hasta un paso de luz. A diferencia de una luz basada en tungsteno, que tiene un cambio de temperatura de color negativo con una caída de potencia, los espectros de emisión de mercurio toman el control con una caída de potencia (aproximadamente 200 K más azul con una salida del 50%).
Las lámparas HMI tienen aproximadamente la misma temperatura de color que el sol al mediodía (6000 K) y, al igual que otras lámparas de descarga de alta intensidad que contienen mercurio, generan luz ultravioleta . Cada dispositivo HMI tiene una cubierta de vidrio de seguridad UV que debe usarse para proteger a las personas que puedan estar frente a la luz. La exposición a una lámpara sin protección puede causar daño a la retina y quemaduras graves en la piel.
Las lámparas HMI pueden alcanzar voltajes de encendido de hasta 70.000 V cuando se encienden en caliente y se consideran [ ¿quién las considera? ] muy peligrosas si están mal conectadas. Es una buena práctica encender la lámpara desde el balasto y no desde el cabezal, [ aclaración necesaria ] en caso de que haya un cortocircuito en el cabezal de la lámpara. También se deben seguir los procedimientos de encendido adecuados, como gritar una advertencia vocal cada vez que se enciende una luz para advertir a las personas que se encuentran en el área. Además, el cable del cabezal debe estar conectado de forma correcta y segura. Casi todos los cables del cabezal actuales están equipados con accesorios de "bloqueo por torsión" en cada extremo para garantizar una conexión segura y precisa, tanto en el balasto como en la carcasa de la lámpara. [ cita requerida ]
En todas las lámparas de cuarzo que tienen un relleno de gas, hay una pequeña zona que parece una boquilla. De hecho, es la ubicación del tubo de escape donde se llenó la lámpara con su mezcla de gases. La posición de la boquilla es muy importante y, si está orientada en la dirección incorrecta, puede aparecer como una sombra en el camino óptico. Siempre que sea posible, la punta de escape debe estar orientada hacia arriba, o hasta 45 grados desde la vertical. Esto mantendrá la punta en el lugar más caliente y evitará que los yoduros y los metales de tierras raras se acumulen en ella a medida que la lámpara se enfría. Si la punta está orientada hacia abajo, los metales de tierras raras se acumularán en ella con el tiempo y el color de la lámpara cambiará, ya que ya no están incluidos en el arco de plasma.
Además de estas preocupaciones, se sabe que las lámparas HMI se rompen al final de su vida útil o si se someten a una tensión suficiente. Si bien no son tan violentas como la explosión de una bombilla de xenón de arco corto , requieren precaución. Como resultado, las lámparas HMI no deben usarse más allá de la mitad de su vida útil nominal, [ cita requerida ] y se debe tener cuidado con las lámparas más grandes al encender la lámpara, ya que es más probable que explote dentro de los primeros cinco minutos de encenderla. Por este motivo, cada lámpara HMI generalmente llevará consigo un registro detallado del número de encendidos y el número de horas que se ha utilizado. Se debe tener cuidado al transportar la lámpara y reemplazarla. Los gases en una lámpara HMI están bajo una presión muy pequeña, pero aumenta con la temperatura. Al igual que con las bombillas halógenas de cuarzo, se debe tener cuidado de no tocar el vidrio directamente, ya que los aceites de la piel que quedan en la envoltura pueden calentarse más allá de la temperatura de trabajo de la envoltura y causar burbujas y/o un punto débil. Por este motivo, siempre que se manipule una lámpara, se debe limpiar con un paño humedecido con alcohol isopropílico. La mayoría de los diseños de carcasas de lámparas son inherentemente más resistentes y gruesos que las unidades de tungsteno tradicionales, de modo que, en caso de explosión de la bombilla, quienes se encuentren cerca estén protegidos de los escombros que salgan volando. Existe la posibilidad de que el elemento de lente frontal del cabezal de la lámpara se agriete debido a un choque térmico (aunque no se rompa ni se agriete por completo). Siempre se deben seguir los procedimientos de seguridad adecuados al utilizar unidades HMI, ya que pueden ser peligrosas si se usan incorrectamente.
En 2014, el periodista Kerry Sanders informó que había quedado ciego durante 36 horas como resultado de la sobreexposición a la luz ultravioleta de una lámpara HMI que funcionaba mal. Si la luminaria hubiera incluido protección UV, como exige la OSHA, la emisión de la lámpara no habría tenido ningún efecto. [6]