Las lámparas de descarga de alta intensidad ( lámparas HID ) son un tipo de lámpara eléctrica de descarga de gas que produce luz mediante un arco eléctrico entre electrodos de tungsteno alojados dentro de un tubo de arco de alúmina o cuarzo fundido translúcido o transparente . [1] Este tubo está lleno de gas noble y, a menudo, también contiene metales o sales metálicas adecuadas. [ se necesita aclaración ] El gas noble permite el ataque inicial del arco. Una vez iniciado 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 energía 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 nuevas lámparas de descarga de alta intensidad emiten 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 a diferencia de la infrarroja. Sin embargo, la producción de lúmenes de la iluminación HID puede deteriorarse hasta un 70% después de 10.000 horas de funcionamiento.
Muchos vehículos modernos utilizan bombillas HID para los sistemas de iluminación principales, aunque algunas aplicaciones ahora están pasando de las bombillas HID a la tecnología LED y láser. [2]
Se utilizan varios tipos de química en los tubos de arco de las lámparas HID, según las características deseadas de intensidad de luz, temperatura de color correlacionada , índice de reproducción cromática (CRI), eficiencia energética y vida útil. Las variedades de lámparas HID incluyen:
El elemento productor de luz de estos tipos de lámparas es una descarga de arco bien estabilizada contenida dentro de un tubo de arco envolvente refractario con una carga de pared superior a 3 W/cm² (19,4 W/in²).
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 perdiendo popularidad y siendo reemplazadas por lámparas de vapor de sodio y halogenuros metálicos.
Se pueden fabricar lámparas de halogenuros metálicos y cerámicas de halogenuros metálicos para emitir luz blanca neutra, útil para aplicaciones en las que la apariencia normal del color es fundamental, como la producción de televisión y películas, juegos deportivos en interiores o nocturnos, faros de automóviles e 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 CRI efectivo de casi cero; Los elementos vistos 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 característico tono rosa anaranjado. Ahora están disponibles nuevas versiones con corrección de color que producen una luz más blanca, pero se sacrifica cierta eficiencia por el color mejorado.
Al igual que las lámparas fluorescentes, las lámparas HID requieren un balastro para iniciar y mantener sus arcos. El método utilizado para iniciar inicialmente el arco varía: las lámparas de vapor de mercurio y algunas lámparas de halogenuros metálicos generalmente se encienden usando un tercer electrodo cerca de uno de los electrodos principales, mientras que otros estilos de lámparas generalmente se encienden usando pulsos de alto voltaje.
Se han investigado los reemplazos del mercurio tóxico en las lámparas HID y son materia de investigación continua. Los experimentos muestran resultados prometedores y se esperan aplicaciones futuras generalizadas. [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 se encuentra en el tubo de arco de la lámpara. [8] El torio, que es un sólido, se utiliza en los electrodos. [8]
Estos isótopos producen radiaciones ionizantes de tipo alfa y beta . Esta radiación provoca una alta ionización dentro de la lámpara sin poder escapar de la lámpara. [6] La alta ionización hace que el inicio del arco mediante avalancha Townsend sea mucho más fácil. Además, la presencia de torio en los electrodos reduce la función de trabajo , lo que nuevamente resulta en un arranque y mantenimiento del arco más fácil.
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 áreas grandes y cuando se desea eficiencia energética y/o intensidad de luz. Estas áreas incluyen gimnasios , grandes áreas públicas, almacenes , salas de cine, estadios de fútbol, [9] áreas de actividades al aire libre, carreteras, estacionamientos y senderos. Más recientemente, las lámparas HID se han utilizado en pequeños comercios e incluso en entornos residenciales debido a los avances en las bombillas de lúmenes reducidos. Las lámparas HID de rendimiento ultraalto (UHP) también se utilizan en televisores de proyección LCD o DLP o en pantallas de proyección.
Las lámparas HID han hecho que la jardinería interior sea práctica, especialmente para plantas que requieren altos niveles de luz solar directa en su hábitat natural; Las lámparas HID, específicamente las de halogenuros metálicos y las de sodio de alta presión, son una fuente de luz común para los jardines interiores. También se utilizan para reproducir la luz solar de intensidad tropical para acuarios de interior .
La mayoría de las lámparas HID producen una radiación UV significativa y requieren filtros que bloqueen los rayos UV para evitar la degradación inducida por los rayos UV de los componentes de las lámparas y la decoloración de los artículos teñidos iluminados por la lámpara. La exposición a lámparas HID que funcionan con filtros de bloqueo de rayos UV defectuosos o ausentes causa lesiones a humanos y animales, como quemaduras solares y arco ocular . Muchas lámparas HID están diseñadas para apagarse rápidamente si se rompe la envoltura exterior de vidrio que protege contra los rayos UV.
A principios de la década de 1990, las lámparas HID han tenido aplicaciones en los faros de los automóviles . La iluminación de xenón, o descarga de alta intensidad (HID), proporciona luces más brillantes y aumenta la visibilidad de muchos objetos periféricos (por ejemplo, señales de tráfico y peatones) que la iluminación halógena estándar deja en las sombras.
Las lámparas HID se utilizan en faros de bicicleta de alto rendimiento , 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 energía que 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 tradicionales de aterrizaje y rodaje. [ cita necesaria ]
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 funcionamiento más prolongados para un tamaño de batería y una potencia lumínica determinados.
Las lámparas HID están disponibles en una variedad de colores (comúnmente conocidos como temperaturas de color ) y se miden en Kelvins (K). La escala de temperatura de color Kelvin varía de 1000K (ámbar) a 3000K (amarillo), 5500K (blanco), 8000K (azul) y 12000K (púrpura).
Las lámparas HID producen diferentes colores de luz principalmente mediante el uso de diversos aditivos metálicos en el tubo de arco de la lámpara y la física del proceso de descarga de gas. [10]
La elección de los 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 fabrican en un rango de temperatura de color de 5000 K a 6000 K, que es similar a la luz natural. Esto resulta útil para aplicaciones que requieren altos niveles de luminosidad , como estadios deportivos, almacenes, televisores de proyección y luces de jardín. [11]
Sin embargo, para determinadas 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. [12]
Los factores de desgaste provienen principalmente de los ciclos de encendido/apagado versus 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 del gas interno 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 exceder el voltaje proporcionado por el balastro eléctrico . A medida que la lámpara se calienta hasta este punto, el arco falla y la lámpara se apaga. Finalmente, una vez extinguido el arco, la lámpara se enfría nuevamente, la presión del gas en el tubo de arco se reduce y el balasto puede provocar nuevamente que se encienda el arco. El efecto de esto es que la lámpara brilla por un tiempo y luego se apaga repetidamente. Los diseños de balastro más sofisticados detectan los ciclos y dejan de intentar encender la lámpara después de algunos ciclos. Si se quita y se vuelve a aplicar energía, el balastro realizará una nueva serie de intentos de arranque.
Otro fenómeno asociado con el desgaste y el envejecimiento de las lámparas HID es la decoloración del haz de luz emitido ("desvanecimiento" [13] ). Comúnmente se puede observar un cambio hacia el azul y/o violeta. Este cambio es leve al principio y, en general, es una señal de que las lámparas se han "asentado" mientras aún se encuentran en buen estado de funcionamiento general, pero hacia el final de su vida útil, a menudo se percibe que la lámpara HID solo produce luz azul y violeta. . Según la ley de Planck , esto es un resultado directo del aumento de voltaje y temperatura más alta necesarios para mantener el arco.
A veces, el tubo de cuarzo que contiene mercurio puede explotar en una lámpara UHP. [14] Cuando eso 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 en el 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 trata de lámparas rotas. Las lámparas de mercurio siempre requieren eliminación o reciclaje especializado, lo cual es legalmente obligatorio en muchos lugares según la jurisdicción. [15]