La lámpara de azufre (también lámpara de azufre ) es un sistema de iluminación sin electrodos de espectro completo y altamente eficiente cuya luz se genera mediante plasma de azufre que ha sido excitado por radiación de microondas . Son un tipo particular de lámpara de plasma , y una de las más modernas. La tecnología se desarrolló a principios de la década de 1990, pero, aunque inicialmente parecía muy prometedora, la iluminación con azufre fue un fracaso comercial a finales de la década de 1990. Desde 2005 se vuelven a fabricar lámparas para uso comercial.
La lámpara de azufre consiste en una bombilla de cuarzo fundido del tamaño de una pelota de golf (30 mm) que contiene varios miligramos de polvo de azufre y gas argón en el extremo de un fino eje de vidrio. La bombilla está encerrada en una jaula de malla de alambre resonante de microondas . Un magnetrón , muy parecido a los de los hornos microondas domésticos , bombardea la bombilla, a través de una guía de ondas , con microondas de 2,45 GHz . La energía de microondas excita el gas a cinco atmósferas de presión, lo que a su vez calienta el azufre hasta un grado extremo, formando un plasma brillante capaz de iluminar un área grande. Debido a que la bombilla se calienta considerablemente, puede ser necesario proporcionar refrigeración por aire forzado para evitar que se derrita. La bombilla suele colocarse en el foco de un reflector parabólico para dirigir toda la luz en una dirección.
Sería imposible excitar el azufre utilizando electrodos tradicionales ya que el azufre reaccionaría rápidamente y destruiría cualquier electrodo metálico . Una patente pendiente para emplear electrodos recubiertos se analiza en Perspectivas futuras a continuación. La ausencia de electrodos permite utilizar una variedad mucho mayor de sustancias generadoras de luz que las utilizadas en las lámparas tradicionales.
La vida útil diseñada de la bombilla es de aproximadamente 60.000 horas. La vida útil del diseño del magnetrón ha sido mejorada por Plasma International, con sede en Alemania e Inglaterra, para que también pueda durar el mismo período.
El tiempo de calentamiento de la lámpara de azufre es notablemente más corto que el de otras lámparas de descarga de gas, a excepción de las lámparas fluorescentes , incluso a bajas temperaturas ambiente. Alcanza el 80% de su flujo luminoso final en 20 segundos y la lámpara puede reiniciarse aproximadamente cinco minutos después de un corte de energía.
Los primeros prototipos de lámparas eran unidades de 5,9 kW, con una eficiencia del sistema de 80 lúmenes por vatio . [1] Los primeros modelos de producción tenían 96,4 lúmenes por vatio. Los modelos posteriores pudieron eliminar el ventilador de refrigeración y mejorar la eficacia luminosa a 100 lúmenes por vatio. [2]
En comparación, los chips LED rentables disponibles comercialmente están disponibles con una eficacia de alrededor de 160 lúmenes por vatio (2023), con una depreciación típica de la salida de luz del 10% después de 50.000 horas, dependiendo del entorno operativo.
El plasma de azufre se compone principalmente de moléculas dímeras (S 2 ), que generan la luz mediante emisión molecular . A diferencia de la emisión atómica , el espectro de emisión es continuo en todo el espectro visible . Hasta el 73% de la radiación emitida se encuentra en el espectro visible, con una pequeña cantidad en energía infrarroja y menos del 1% en luz ultravioleta .
La salida espectral alcanza un máximo de 510 nanómetros, dando a la luz un tono verdoso. La temperatura de color correlacionada es de aproximadamente 6000 kelvin con un CRI de 79. La lámpara se puede atenuar hasta un 15% sin afectar la calidad de la luz.
Se puede utilizar un filtro magenta para darle a la luz una sensación más cálida. Un filtro de este tipo se utilizó en las lámparas del Museo Nacional del Aire y el Espacio en Washington, DC [3]
La adición de otros productos químicos a la bombilla podría mejorar la reproducción del color. Las bombillas de lámparas de azufre con bromuro de calcio (CaBr 2 ) añadido producen un espectro similar más un pico en longitudes de onda rojas a 625 nm. [4] Se pueden utilizar otros aditivos como yoduro de litio (LiI) y yoduro de sodio (NaI) para modificar los espectros de salida. [5] [6] [7]
La tecnología fue concebida por el ingeniero Michael Ury, el físico Charles Wood y sus colegas en 1990. Con el apoyo del Departamento de Energía de los Estados Unidos , fue desarrollada en 1994 por Fusion Lighting de Rockville, Maryland , una filial de la división Fusion UV de Corporación de sistemas de fusión. Sus orígenes se encuentran en las fuentes de luz de descarga de microondas utilizadas para el curado ultravioleta en las industrias de semiconductores y de impresión. La división Fusion UV se vendió más tarde a Spectris plc , y el resto de Fusion Systems fue adquirido más tarde por Eaton Corporation .
Sólo se desarrollaron dos modelos de producción, ambos con especificaciones similares: el Solar 1000 en 1994 y el Light Drive 1000 en 1997, que fue un refinamiento del modelo anterior.
La producción de estas lámparas terminó en 1998. [8] Fusion Lighting cerró su ubicación en Rockville, MD, entre principios de 2002 y febrero de 2003, después de consumir aproximadamente 90 millones de dólares en capital de riesgo . [9] Sus patentes fueron licenciadas al Grupo LG . Internet Archive tiene una copia del desaparecido sitio web de Fusion Lighting. Sus lámparas se instalaron en más de cien instalaciones en todo el mundo, pero muchas de ellas ya han sido retiradas.
En 2001, Ningbo Youhe New Lighting Source Co., Ltd, en Ningbo , China , produjo su propia versión de lámpara de azufre. El sitio web de la empresa ya no está en línea y es posible que esté cerrado, pero la información sobre estas lámparas está disponible en su copia archivada en Internet Archive.
En 2006, LG Electronics inició la producción de sus lámparas de azufre, denominadas Plasma Lighting System (PLS).
Las lámparas de azufre fueron producidas en la década de 2010 por Hive Lighting como Wasp 1000. Se pueden identificar por la malla que rodea la bombilla de vidrio. Posteriormente fue descontinuado.
Los magnetrones de estas lámparas pueden causar interferencias electromagnéticas en el espectro inalámbrico de 2,4 GHz , que utilizan Wi-Fi , teléfonos inalámbricos y radio satelital en América del Norte . Temiendo interferencias con sus transmisiones, la radio satelital Sirius y XM solicitaron a la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de los Estados Unidos que obligue a Fusion Lighting a reducir las emisiones electromagnéticas de sus lámparas en un 99,9%. En 2001, Fusion Lighting acordó instalar blindaje metálico alrededor de sus lámparas para reducir las emisiones electromagnéticas en un 95%.
En mayo de 2003, la FCC puso fin al procedimiento que habría definido límites de emisión fuera de banda para luces de radiofrecuencia que funcionan a 2,45 GHz, diciendo que el expediente del procedimiento había quedado obsoleto y Fusion Lighting había dejado de funcionar con dichas lámparas. [10] La orden concluyó:
Por lo tanto, nos negamos a brindar la compensación solicitada por los Licenciatarios de radio satelital para prohibir el funcionamiento de todas las luces de RF en la banda de 2,45 GHz, ya que consideramos que la prohibición solicitada es general y no está justificada según las circunstancias. Si hay evidencia de que alguna entidad intentará operar luces de RF en la banda de 2,45 GHz y, como consecuencia, causará interferencias dañinas a los receptores de radio satelital , y nuestros límites existentes resultan inadecuados, en ese momento tomaremos las medidas apropiadas.
A diferencia de las lámparas fluorescentes y de descarga de alta intensidad , las lámparas de azufre no contienen mercurio . Por lo tanto, las lámparas de azufre no representan una amenaza para el medio ambiente ni requieren una eliminación especial. [ cita necesaria ] Además, el uso de lámparas de azufre tiene el potencial de reducir la cantidad total de energía necesaria para la iluminación.
Debido a que la cantidad de luz producida por una bombilla es tan grande, generalmente es necesario distribuir la luz a áreas alejadas de la lámpara. El método más común utilizado son los tubos de luz .
El tubo de luz de 3M es un cilindro hueco, largo y transparente con una superficie prismática desarrollada por 3M que distribuye la luz uniformemente a lo largo de su longitud. [11] Los tubos de luz pueden tener hasta 40 metros (130 pies) de largo y se ensamblan en el sitio a partir de unidades modulares más cortas. El tubo luminoso está fijado al reflector parabólico de la lámpara de azufre. Para tuberías más cortas, habrá un espejo en el extremo opuesto; para los más largos, habrá una lámpara en cada extremo. Se ha comparado el aspecto general de un tubo luminoso con el de un tubo fluorescente de tamaño gigante . Una lámpara de azufre con un tubo de luz puede reemplazar docenas de lámparas HID . En el Museo Nacional del Aire y el Espacio , tres lámparas, cada una con un tubo de 27 metros (89 pies), reemplazaron 94 lámparas HID y aumentaron considerablemente la cantidad de luz emitida. [3]
La cantidad muy reducida de lámparas puede simplificar el mantenimiento y reducir los costos de instalación, pero también puede requerir un sistema de respaldo para áreas donde la iluminación es crítica. Los tubos de luz permiten colocar la lámpara en una zona de fácil acceso para su mantenimiento y alejada de lugares donde el calor de la lámpara pueda ser un problema.
Un reflector secundario es una estructura con una superficie espejada colocada directamente en el camino del haz de luz cuando sale del reflector primario parabólico de la lámpara. Un reflector secundario puede tener una geometría compleja que le permite dividir la luz y dirigirla hacia donde se desea. Puede resaltar un objeto o extender la luz para una iluminación general.
En el aeropuerto de Sundsvall-Härnösand, cerca de Sundsvall , Suecia , la iluminación del aeródromo la proporcionan lámparas de azufre montadas en torres de 30 metros de altura. Las lámparas están orientadas hacia arriba e irradian su luz sobre reflectores secundarios en forma de alas que distribuyen la luz y la dirigen hacia abajo. De esta manera, una lámpara puede iluminar un área de 30 por 80 metros (100 por 260 pies).
En la sede de DONG Energy , una empresa energética de Dinamarca, una única lámpara de azufre dirige su luz hacia numerosos reflectores y difusores especulares para iluminar el vestíbulo de entrada, así como varias esculturas en el exterior del edificio.
En la entrada del Hospital Universitario de Lund , Suecia , los reflectores secundarios del techo están revestidos con películas altamente reflectantes, pero con una forma que evita el deslumbramiento. Además, como estas películas tienen una estructura superficial microprismática que divide los haces, se reduce aún más el riesgo de problemas de deslumbramiento. El hecho de que los reflectores alejan la fuente de luz del ojo de cualquiera que los mire ayuda a eliminar aún más los problemas de deslumbramiento. [12]
Las luminarias indirectas dirigen la mayor parte de su flujo luminoso hacia el techo. Un techo altamente reflectante puede servir entonces como fuente secundaria de iluminación difusa, de baja luminancia y de alta calidad visual para espacios interiores. Las principales ventajas de la iluminación indirecta son la oportunidad de reducir significativamente el potencial de deslumbramiento indirecto y eliminar la visualización directa de la fuente. [13]
En el edificio de la sede del Distrito Municipal de Servicios Públicos de Sacramento (SMUD), se instalaron dos lámparas de azufre en la parte superior de los quioscos independientes . El techo de 4,2 metros (13 pies 9 pulgadas) de altura se actualizó con placas de techo acústicas blancas de alta reflectancia (90 %) . Las lámparas dirigen su luz hacia arriba y ésta se refleja en el techo proporcionando luz indirecta. Se pueden crear patrones de haz estrecho, medio o ancho eligiendo varios elementos reflectores. [14]
Los tubos de luz no serían necesarios en aplicaciones como la iluminación de estadios , donde se puede montar una luminaria simple lo suficientemente alta como para que la luz pueda extenderse sobre un área grande. La instalación en Hill Air Force Base contiene lámparas con tubos de luz, así como luminarias empotradas montadas en lo alto de un hangar de aviones .
Se han estudiado las fibras ópticas como sistema de distribución para lámparas de azufre, pero nunca se ha comercializado ningún sistema práctico. [15]
Las lámparas de azufre se pueden utilizar como fuentes de luz en instrumentos científicos.
El desarrollo de una fuente de microondas asequible, eficiente y de larga duración es un obstáculo tecnológico para la reducción de costos y el éxito comercial. Los prototipos de lámparas solo estaban disponibles en potencias altas (más de 1000 W), lo que impedía su adopción en aplicaciones donde las demandas de salida de luz no eran grandes. La lámpara de azufre tiene problemas con la vida útil del magnetrón y el motor que hace girar la bombilla y el ruido del ventilador de refrigeración. Debido a que la mayoría de las lámparas de azufre tienen partes móviles, la confiabilidad sigue siendo un tema crítico y el mantenimiento del sistema puede impedir la adopción en el mercado; sin embargo, se encuentran disponibles comercialmente lámparas de diseño más nuevo que ya no requieren enfriamiento activo. [2] Los investigadores han tenido cierto éxito al eliminar la necesidad de girar la bombilla utilizando microondas polarizadas circularmente para hacer girar la descarga de plasma. [16] [17] Otros experimentos han utilizado yoduro de sodio , yoduro de escandio , monobromuro de indio (InBr), [18] [19] o telurio [20] como medio generador de luz.
Muchas de las instalaciones de las lámparas se realizaron únicamente con fines de prueba, pero quedan algunos sitios donde las lámparas se utilizan como fuente de iluminación principal. Quizás el más visible de ellos sea el atrio de cristal del Museo Nacional del Aire y el Espacio .
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