Una lámpara de haluro metálico es una lámpara eléctrica que produce luz mediante un arco eléctrico a través de una mezcla gaseosa de mercurio vaporizado y haluros metálicos [1] [2] (compuestos de metales con bromo o yodo ). Es un tipo de lámpara de descarga de gas de descarga de alta intensidad (HID) . [1] Desarrolladas en la década de 1960, son similares a las lámparas de vapor de mercurio , [1] pero contienen compuestos de haluro metálico adicionales en el tubo de arco de cuarzo , que mejoran la eficiencia y la reproducción cromática de la luz. El compuesto de haluro metálico más común utilizado es el yoduro de sodio . Una vez que el tubo de arco alcanza su temperatura de funcionamiento, el sodio se disocia del yodo, agregando naranja y rojos al espectro de la lámpara desde la línea D del sodio a medida que el metal se ioniza. Como resultado, las lámparas de halogenuros metálicos tienen una alta eficacia luminosa de alrededor de 75-100 lúmenes por vatio, [2] que es aproximadamente el doble que las luces de vapor de mercurio y de 3 a 5 veces que las luces incandescentes [1] y producen una luz blanca intensa. La vida útil de la lámpara es de 6.000 a 15.000 horas. [2] [3] Como una de las fuentes más eficientes de luz blanca de alto CRI , los haluros metálicos a partir de 2005 fueron el segmento de más rápido crecimiento de la industria de la iluminación. [1] Se utilizan para iluminación superior de área amplia [2] de lugares comerciales, industriales y públicos, como estacionamientos, estadios deportivos, fábricas y tiendas minoristas, [1] así como iluminación de seguridad residencial , faros de automóviles (a menudo conocidos genéricamente como " faros de xenón ") y operaciones de cultivo de cannabis en interiores.[actualizar]
Las lámparas consisten en un pequeño tubo de arco de cuarzo fundido o cerámica que contiene los gases y el arco, encerrado dentro de una ampolla de vidrio más grande (o ampolla de cuarzo con un recubrimiento para filtrar la luz ultravioleta producida en el caso de las lámparas compactas). [1] [3] Operan a una presión entre 4 y 20 atmósferas, y requieren accesorios especiales para operar de manera segura, así como un balastro eléctrico . Los átomos de metal producen la mayor parte de la salida de luz. [1] Requieren un período de calentamiento de varios minutos para alcanzar la salida de luz completa. [2]
Las lámparas de halogenuros metálicos se utilizan para fines de iluminación general tanto en interiores como en exteriores, como en espacios comerciales, industriales y públicos, estacionamientos, estadios deportivos, fábricas y tiendas minoristas, así como iluminación de seguridad residencial ; las aplicaciones automotrices y especiales son otros campos de uso.
Las lámparas de halogenuros metálicos se utilizan en los faros de los automóviles , donde comúnmente se las denomina genéricamente "faros de xenón" debido al uso de gas xenón en la bombilla, para proporcionar una luz mínima al encenderse antes de que la lámpara se caliente, en lugar del argón que se usa típicamente en otras lámparas de haluro.
Otro uso generalizado de estas lámparas es en iluminación fotográfica y en luminarias de escenario , donde comúnmente se las conoce genéricamente como lámparas MSD o HMI y generalmente se utilizan en potencias de 150, 250, 400, 575 y 1200 vatios , especialmente en iluminación inteligente .
Debido a su amplio espectro y buena eficiencia, se utilizaron para aplicaciones de cultivo en interiores, específicamente cannabis, y fueron bastante populares entre los acuaristas de arrecife que necesitaban una fuente de luz de alta intensidad para sus corales. [4] [5] Sin embargo, los LED han reemplazado casi por completo al haluro metálico en ambas aplicaciones, y solo un puñado de puristas aún se mantienen. [6]
Al igual que otras lámparas de descarga de gas, como las lámparas de vapor de mercurio , muy similares , las lámparas de halogenuros metálicos producen luz ionizando una mezcla de gases en un arco eléctrico . En una lámpara de halogenuros metálicos, el tubo de arco compacto contiene una mezcla de argón o xenón , mercurio y una variedad de haluros metálicos , como yoduro de sodio y yoduro de escandio. [7] La mezcla particular de haluros metálicos influye en la temperatura y la intensidad del color correlacionadas (haciendo que la luz sea más azul o roja, por ejemplo). Cuando se enciende, el gas argón en la lámpara se ioniza primero, lo que ayuda a mantener el arco a través de los dos electrodos con el voltaje de arranque aplicado. Luego, el calor generado por el arco y los electrodos ioniza el mercurio y los haluros metálicos en un plasma , que produce una luz blanca cada vez más brillante a medida que la temperatura y la presión aumentan hasta las condiciones de funcionamiento.
El tubo de arco funciona a cualquier temperatura de entre 5 y 50 atm o más [8] (70 a 700 psi o 500 a 5000 kPa ) y entre 1000 y 3000 °C. [9] Al igual que todas las demás lámparas de descarga de gas, las lámparas de haluro metálico tienen resistencia negativa (con la rara excepción de las lámparas con balasto propio con filamento), por lo que requieren un balasto para proporcionar voltajes de arranque y funcionamiento adecuados mientras regulan el flujo de corriente a través de la lámpara. Aproximadamente el 24% de la energía utilizada por las lámparas de haluro metálico produce luz (una eficacia de 65 a 115 lm / W ), [4] lo que las hace sustancialmente más eficientes que las bombillas incandescentes , que normalmente tienen eficiencias en el rango del 2 al 4%.
Las lámparas de halogenuros metálicos constan de un tubo de arco con electrodos, una bombilla exterior y una base.
Dentro del tubo de arco de cuarzo fundido , dos electrodos de tungsteno dopados con torio están sellados en cada extremo y se les aplica un voltaje de CA a través de sellos de lámina de molibdeno fundidos en sílice. Es el arco entre los dos electrodos donde realmente se crea la luz.
Además del vapor de mercurio, la lámpara contiene yoduros o bromuros de diferentes metales. El yodo y el bromo pertenecen al grupo de los halógenos de la tabla periódica, por lo que se denominan "haluros" cuando están ionizados. El escandio y el sodio también se utilizan en algunos tipos, con talio , indio y sodio en los modelos Tri-Salt europeos . El disprosio se utiliza para temperaturas de color altas y el estaño para temperaturas de color más bajas. El holmio y el tulio se utilizan en modelos de iluminación cinematográfica de muy alta potencia y en lámparas de haluro metálico de color luz diurna para iluminación de áreas, lámparas de haluro metálico compactas de bajo voltaje, así como iluminación de estadios en Europa. El galio o el plomo se utilizan en modelos especiales de alta radiación UV-A para fines de impresión. La mezcla de los metales utilizados define el color de la lámpara. Algunos tipos, para efectos festivos o teatrales, utilizan yoduros casi puros de talio, para lámparas verdes, e indio, para lámparas azules. Casi siempre se añade un metal alcalino (sodio o potasio ) para reducir la impedancia del arco , lo que permite que el tubo de arco sea lo suficientemente largo y que se puedan utilizar balastos eléctricos simples. Se introduce en frío un gas noble , normalmente argón , en el tubo de arco a una presión de unos 2 kPa para facilitar el inicio de la descarga. Las lámparas rellenas de argón suelen ser bastante lentas de encender, tardando varios minutos en alcanzar la intensidad luminosa total; las lámparas rellenas de xenón, como las que se utilizan en los faros de los automóviles, se encienden relativamente más rápido.
Los extremos del tubo de arco suelen estar recubiertos externamente con silicato de circonio blanco que refleja los rayos infrarrojos o con óxido de circonio para reflejar el calor hacia los electrodos y mantenerlos calientes y emitiendo calor termoiónico . Algunas bombillas tienen un revestimiento de fósforo en el lado interior de la bombilla exterior para mejorar el espectro y difundir la luz.
A mediados de la década de 1980 se desarrolló un nuevo tipo de lámpara de haluro metálico que, en lugar de un tubo de arco de cuarzo (sílice fundida) como el utilizado en las lámparas de vapor de mercurio y los diseños anteriores de lámparas de haluro metálico, utiliza un tubo de arco de alúmina sinterizada similar a los utilizados en la lámpara de sodio de alta presión . Este desarrollo reduce los efectos del deslizamiento de iones que afecta a los tubos de arco de sílice fundida. Durante su vida útil, el sodio y otros elementos tienden a migrar al tubo de cuarzo y, debido a la alta radiación UV y la ionización del gas, provocarán la erosión de los electrodos, lo que provocará el ciclo de la lámpara. El tubo de arco de alúmina sinterizada no permite que los iones se filtren a través de él, lo que mantiene un color más constante durante la vida útil de la lámpara. Por lo general, se las conoce como lámparas de haluro metálico cerámico o lámparas CMH.
El concepto de agregar yoduros metálicos para la modificación espectral (específicamente: sodio - amarillo, litio - rojo, indio - azul, potasio y rubidio - rojo oscuro y talio - verde) de una descarga de arco de mercurio para crear la primera lámpara de haluro metálico se remonta a la patente US1025932 en 1912 de Charles Proteus Steinmetz , el "Mago de General Electric".
La cantidad de mercurio utilizada ha disminuido a lo largo de los años de progreso.
La mayoría de los modelos están equipados con una ampolla de vidrio exterior para proteger los componentes internos y evitar la pérdida de calor. La ampolla exterior también se puede utilizar para bloquear parte o toda la luz ultravioleta generada por la descarga de vapor de mercurio, y puede estar compuesta de sílice fundida "anti-UV" especialmente dopada. La protección ultravioleta se emplea comúnmente en modelos de un solo extremo (base única) y modelos de doble extremo que proporcionan iluminación para uso humano cercano. Algunos modelos de alta potencia, en particular los modelos de impresión UV de plomo-galio y los modelos utilizados para algunos tipos de iluminación de estadios deportivos, no tienen una ampolla exterior. El uso de un tubo de arco desnudo puede permitir la transmisión de UV o el posicionamiento preciso dentro del sistema óptico de una luminaria . El vidrio de cubierta de la luminaria se puede utilizar para bloquear los rayos UV y también puede proteger a las personas o el equipo si la lámpara falla por explosión.
Algunos tipos tienen una base metálica de rosca Edison , para distintas potencias nominales entre 10 y 18.000 vatios. Otros tipos son de doble extremo, como se muestra arriba, con bases R7s-24 compuestas de cerámica, junto con conexiones metálicas entre el interior del tubo de arco y el exterior. Estas están hechas de varias aleaciones (como hierro-cobalto-níquel) que tienen un coeficiente de expansión térmica que coincide con el del tubo de arco.
El arco eléctrico de las lámparas de halogenuros metálicos, como el de todas las lámparas de descarga de gas , tiene una propiedad de resistencia negativa , lo que significa que a medida que aumenta la corriente que pasa por la bombilla, disminuye el voltaje que pasa por ella. Si la bombilla se alimenta desde una fuente de voltaje constante, como directamente desde el cableado de CA, la corriente aumentará hasta que la bombilla se destruya a sí misma; por lo tanto, las bombillas de halogenuros requieren balastos eléctricos para limitar la corriente del arco. Hay dos tipos:
Las lámparas de haluro metálico con encendido por pulsos no contienen un electrodo de arranque que genere el arco, y requieren un encendedor para generar un pulso de alto voltaje (1–5 kV en encendido en frío, más de 30 kV [11] en reencendido en caliente) para iniciar el arco. Los balastos electrónicos incluyen el circuito de encendido en un solo paquete. Las normas del sistema de balasto-lámpara del Instituto Nacional Estadounidense de Normas (ANSI) establecen parámetros para todos los componentes de haluro metálico (con excepción de algunos productos más nuevos).
Debido a que la luz que generan es más blanca y natural, las lámparas de haluro metálico se prefirieron inicialmente a las lámparas de vapor de mercurio azuladas. Con la introducción de mezclas especializadas de haluro metálico, las lámparas de haluro metálico ahora están disponibles con una temperatura de color correlacionada de 3000 K a más de 20 000 K. La temperatura de color puede variar ligeramente de una lámpara a otra, y este efecto se nota en lugares donde se utilizan muchas lámparas. Debido a que las características de color de la lámpara tienden a cambiar durante su vida útil, el color se mide después de que la bombilla haya estado encendida durante 100 horas (expuesta) de acuerdo con las normas ANSI . Las lámparas de haluro metálico de encendido por pulsos han mejorado la reproducción del color y han proporcionado una variación de kelvin más controlada (±100 a 200 kelvin) debido a mejores formas de tubo de arco en comparación con la lámpara de haluro metálico de encendido por sonda, que no requiere la presencia de un electrodo de encendido y permite una mayor presión y temperatura de los haluros.
La temperatura de color de una lámpara de haluro metálico también puede verse afectada por las características eléctricas del sistema eléctrico que alimenta la bombilla y por las variaciones de fabricación de la propia bombilla. Si una bombilla de haluro metálico tiene poca potencia, debido a la temperatura de funcionamiento más baja , su salida de luz será azulada debido a la evaporación del mercurio únicamente. Este fenómeno se puede observar durante el calentamiento, cuando el tubo de arco aún no ha alcanzado la temperatura de funcionamiento completa y los haluros no se han vaporizado por completo. También es muy evidente con los balastos de regulación. Lo inverso es cierto para una bombilla con demasiada potencia, pero esta condición puede ser peligrosa y provocar una posible explosión del tubo de arco debido al sobrecalentamiento y la sobrepresión.
Una lámpara de haluro metálico fría no puede comenzar a producir inmediatamente su capacidad de luz completa porque la temperatura y la presión en la cámara de arco interna requieren tiempo para alcanzar niveles de funcionamiento completos. El inicio del arco de argón inicial (o xenón en los automóviles) a veces demora unos segundos, y el período de calentamiento puede durar hasta cinco minutos (según el tipo de lámpara). Durante este tiempo, la lámpara exhibe diferentes colores a medida que los diversos haluros metálicos se vaporizan en la cámara de arco.
Si se interrumpe la alimentación, el arco de la lámpara se extingue y la alta presión que existe en el tubo de arco caliente impedirá que se vuelva a encender el arco; con un encendedor normal, se necesitará un período de enfriamiento de 5 a 10 minutos antes de que se pueda volver a encender la lámpara, pero con encendedores especiales y lámparas especialmente diseñadas, el arco se puede restablecer de inmediato. En los dispositivos sin capacidad de reencendido instantáneo, una pérdida momentánea de energía puede significar que no haya luz durante varios minutos. Por razones de seguridad, algunos dispositivos de haluro metálico tienen una lámpara incandescente de halógeno de tungsteno de respaldo que funciona durante el enfriamiento y el reencendido. Una vez que el haluro metálico se vuelve a encender y se calienta, la luz incandescente de seguridad se apaga. Una lámpara caliente también tiende a tardar más tiempo en alcanzar su brillo máximo que una lámpara que se enciende completamente fría.
La mayoría de las lámparas de techo colgantes tienden a enfriarse pasivamente, con una combinación de balasto y lámpara.
Las lámparas de halogenuros metálicos suelen perder su potencia o cambiar de color debido a la pérdida de haluros y al ennegrecimiento del arco voltaico. Dejan de funcionar al final de su vida útil, de forma similar a las lámparas de mercurio. En casos excepcionales, también pueden encenderse y apagarse cíclicamente. Algunas pueden presentar un cambio de color importante y, en casos excepcionales, explotar. [12]
Todos los tubos de arco de haluro metálico pierden resistencia a lo largo de su vida útil debido al ataque químico, el estrés térmico y la vibración mecánica. A medida que la lámpara envejece, el tubo de arco se decolora (a menudo adquiere un tono gris oscuro), absorbe la luz y se calienta. El tubo seguirá debilitándose hasta que finalmente falle, lo que provocará su rotura.
El tubo de arco puede fallar antes de tiempo debido a defectos de fabricación. Los fabricantes pueden "curar" las lámparas nuevas para verificar que no tengan esos defectos antes de venderlas.
Dado que una lámpara de haluro metálico contiene gases a una presión significativamente alta (hasta 3,4 atmósferas), la falla del tubo de arco es inevitablemente un evento violento. Los fragmentos del tubo de arco romperán la bombilla exterior y los fragmentos de vidrio caliente pueden caer sobre las personas u objetos que se encuentren debajo. Los fragmentos calientes pueden presentar un peligro de incendio. Las luminarias están diseñadas para contener fragmentos calientes con una cubierta de vidrio duro, o pueden estar diseñadas para lámparas con un tubo de cuarzo que rodea el tubo de arco para evitar roturas.
La rotura del tubo de arco se puede evitar reemplazando la lámpara si se produce un ennegrecimiento excesivo del tubo de arco, si este comienza a hincharse, si se produce un cambio repentino del color de la luz o si la lámpara comienza a encenderse y apagarse.
Los sistemas de reencendido instantáneo y reinicio rápido eliminan la demora en el reinicio de las lámparas MH después de una caída de voltaje o una interrupción. Utilizan balastos CWA especialmente cableados y encendedores de alto voltaje que producen un alto voltaje (8 kV a 40 kV) para reiniciar lámparas especiales.
