Una lámpara de halogenuros metálicos 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 halogenuros metálicos 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 rojo al espectro de la lámpara desde la línea D de sodio a medida que el metal se ioniza. Como resultado, las lámparas de halogenuros metálicos tienen una alta eficacia luminosa de alrededor de 75 a 100 lúmenes por vatio, [2] que es aproximadamente el doble que las luces de vapor de mercurio y de 3 a 5 veces mayor que las luces incandescentes [1] y producen un color blanco intenso. luz. 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 con alto CRI , los haluros metálicos en 2005 fueron el segmento de más rápido crecimiento de la industria de la iluminación. [1] Se utilizan para iluminación cenital de áreas amplias [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 cerámico o de cuarzo fundido que contiene los gases y el arco, encerrado dentro de una bombilla de vidrio más grande que tiene un revestimiento para filtrar la luz ultravioleta producida. [1] [3] Operan a una presión de entre 4 y 20 atmósferas, y requieren accesorios especiales para funcionar con seguridad, así como un balastro eléctrico . Los átomos metálicos producen la mayor parte de la emisión de luz. [1] Requieren un período de calentamiento de varios minutos para alcanzar la máxima potencia luminosa. [2]
Las lámparas de halogenuros metálicos se utilizan para fines de iluminación general tanto en interiores como en exteriores, como espacios comerciales, industriales y públicos, estacionamientos, estadios deportivos, fábricas y tiendas minoristas, así como iluminación de seguridad residencial ; Las aplicaciones automotrices y especializadas son otros campos de uso.
Las lámparas de halogenuros metálicos se utilizan en los faros de los automóviles , donde comúnmente se denominan 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 utiliza normalmente. en otras lámparas de halogenuros.
Otro uso generalizado de este tipo de lámparas es en iluminación fotográfica y accesorios de iluminación de escenarios , donde comúnmente se les conoce genéricamente como lámparas MSD o HMI y generalmente se usan en potencias nominales de 150, 250, 400, 575 y 1200 vatios , especialmente iluminación inteligente .
Debido a su amplio espectro y buena eficiencia, se utilizaron para aplicaciones de cultivo en interiores, específicamente cannabis, y fueron muy populares entre los acuaristas de arrecifes que necesitaban una fuente de luz de alta intensidad para sus corales. [4] [5] Sin embargo, en los últimos años, los LED han reemplazado casi por completo a los haluros metálicos en ambas aplicaciones, y solo un puñado de puristas aún se mantienen firmes. [6]
Al igual que otras lámparas de descarga de gas, como las muy similares lámparas de vapor de mercurio , 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 de la lámpara se ioniza primero, lo que ayuda a mantener el arco entre los dos electrodos con el voltaje de arranque aplicado. 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 opera entre 5 y 50 atm o más [8] (70 a 700 psi o 500 a 5000 kPa ) y 1000 a 3000 °C. [9] Como todas las demás lámparas de descarga de gas, las lámparas de halogenuros metálicos tienen una resistencia negativa (con la rara excepción de las lámparas con balasto propio con filamento) y, por lo tanto, requieren un balastro para proporcionar voltajes de arranque y funcionamiento adecuados mientras se regula el flujo de corriente. a través de la lámpara. Aproximadamente el 24% de la energía utilizada por las lámparas de halogenuros metálicos 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 , se sellan dos electrodos de tungsteno dopados con torio en cada extremo y se les aplica un voltaje de CA a través de sellos de lámina de molibdeno fusionados en sílice. Es el arco entre los dos electrodos donde realmente se crea la luz.
Además de 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 se ionizan. El escandio y el sodio también se utilizan en algunos tipos, con talio , indio y sodio en los modelos europeos Tri-Sal . 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 de películas de muy alta potencia y en lámparas de halogenuros metálicos de color diurno para iluminación de zonas, lámparas compactas de halogenuros metálicos de baja potencia y en iluminación de estadios en Europa. El galio o el plomo se utilizan en modelos especiales con alto contenido de 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 del arco sea lo suficientemente largo y se puedan utilizar balastos eléctricos simples. Se introduce en frío un gas noble , generalmente argón , en el tubo de arco a una presión de aproximadamente 2 kPa para facilitar el inicio de la descarga. Las lámparas rellenas de argón suelen tardar bastante en encenderse y tardan varios minutos en alcanzar la intensidad luminosa máxima; El relleno de xenón, como el que se utiliza en los faros de los automóviles, arranca relativamente más rápido.
Los extremos del tubo de arco suelen estar recubiertos externamente con silicato de circonio u óxido de circonio reflectante infrarrojo blanco para reflejar el calor de vuelta a los electrodos y mantenerlos calientes y emitiendo termiónicamente . Algunas bombillas tienen una capa 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 halogenuros metálicos que, en lugar de un tubo de arco de cuarzo (sílice fundida) como se utilizaba en las lámparas de vapor de mercurio y en los diseños anteriores de lámparas de halogenuros metálicos, utiliza un tubo de arco de alúmina sinterizada similar al los utilizados en la lámpara de sodio de alta presión . Este desarrollo reduce los efectos de la fluencia de iones que afecta a los tubos de arco de sílice fundida. Durante su vida, el sodio y otros elementos tienden a migrar al tubo de cuarzo y, debido a la alta radiación ultravioleta y la ionización del gas, provocarán la erosión de los electrodos y, por lo tanto, provocarán ciclos de la lámpara. El tubo de arco de alúmina sinterizada no permite que los iones se filtren, manteniendo un color más constante durante la vida útil de la lámpara. Suelen denominarse lámparas cerámicas de halogenuros metálicos o lámparas CMH.
El concepto de agregar yoduros metálicos para la modificación espectral (específicamente: sodio - amarillo, litio - rojo, indio - azul, potasio y rubidio - rojo intenso y talio - verde) de una descarga de arco de mercurio para crear la primera lámpara de haluro metálico puede Se remonta a la patente US1025932 en 1912 de Charles Proteus Steinmetz , el "Mago de General Electric".
La cantidad de mercurio utilizado ha disminuido a lo largo de años de progreso.
La mayoría de los tipos están equipados con una bombilla de vidrio exterior para proteger los componentes internos y evitar la pérdida de calor. La bombilla exterior también se puede utilizar para bloquear parte o la totalidad de la luz ultravioleta generada por la descarga de vapor de mercurio y puede estar compuesta de sílice fundida "detención de rayos ultravioleta" especialmente dopada. La protección ultravioleta se emplea comúnmente en modelos de un solo extremo (una sola base) y modelos de dos extremos que brindan 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 bombilla exterior. El uso de un tubo de arco desnudo puede permitir la transmisión de rayos UV o un posicionamiento preciso dentro del sistema óptico de una luminaria . La cubierta de cristal de la luminaria se puede utilizar para bloquear los rayos UV y también puede proteger a personas o equipos en caso de que la lámpara falle por explosión.
Algunos tipos tienen una base metálica de tornillo Edison , para varias potencias nominales entre 10 y 18.000 vatios. Otros tipos tienen dos extremos, 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. Están hechos de varias aleaciones (como hierro, cobalto y níquel) que tienen un coeficiente de expansión térmica que coincide con el del tubo de arco.
El arco eléctrico en las lámparas de halogenuros metálicos, como en todas las lámparas de descarga de gas, tiene una propiedad de resistencia negativa ; lo que significa que a medida que aumenta la corriente a través de la bombilla, el voltaje a través de ella disminuye. 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; por lo tanto, las bombillas de halogenuros requieren balastros eléctricos para limitar la corriente del arco. Hay dos tipos:
Las bombillas de halogenuros metálicos de arranque por impulsos no contienen un electrodo de arranque que encienda el arco y requieren un encendedor para generar un pulso de alto voltaje (1 a 5 kV en encendido en frío, más de 30 kV [ 11] en encendido en caliente) para iniciar el arco. Los balastros electrónicos incluyen el circuito de encendido en un solo paquete. Las normas para sistemas de balastro de lámpara del American National Standards Institute (ANSI) establecen parámetros para todos los componentes de haluros metálicos (con excepción de algunos productos más nuevos).
Debido a la luz más blanca y natural generada, inicialmente se prefirieron las lámparas de halogenuros metálicos a las lámparas de vapor de mercurio azuladas. Con la introducción de mezclas especializadas de halogenuros metálicos, las lámparas de halogenuros metálicos 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 muchas lámparas son usados. Debido a que las características de color de la lámpara tienden a cambiar durante la vida útil de la lámpara, el color se mide después de que la bombilla haya estado encendida durante 100 horas (curada) de acuerdo con los estándares ANSI . Las lámparas de halogenuros metálicos de arranque por impulsos han mejorado la reproducción cromática y proporcionan una variación kelvin más controlada (±100 a 200 kelvin).
La temperatura de color de una lámpara de halogenuros metálicos también puede verse afectada por las características eléctricas del sistema eléctrico que alimenta la bombilla y las variaciones de fabricación en 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 únicamente a la evaporación del mercurio. Este fenómeno se puede observar durante el calentamiento, cuando el tubo de arco aún no ha alcanzado la temperatura de funcionamiento total y los haluros no se han vaporizado por completo. También es muy evidente con balastos atenuantes. Lo contrario es cierto para una bombilla sobrecargada, pero esta condición puede ser peligrosa y provocar posiblemente una explosión del tubo de arco debido al sobrecalentamiento y la sobrepresión.
Una lámpara fría de halogenuros metálicos no puede comenzar a producir inmediatamente su capacidad lumínica total porque la temperatura y la presión en la cámara de arco interna requieren tiempo para alcanzar niveles operativos completos. El inicio del arco de argón inicial (o xenón en los automóviles) a veces tarda 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 distintos haluros metálicos se vaporizan en la cámara de arco.
Si se interrumpe la energía, el arco de la lámpara se extinguirá 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 reiniciar la lámpara, pero con encendedores especiales y lámparas especialmente diseñadas, el arco se puede restablecer inmediatamente. En luminarias sin capacidad de reinicio instantáneo, una pérdida momentánea de energía puede significar que no haya luz durante varios minutos. Por razones de seguridad, muchas luminarias de halogenuros metálicos tienen una lámpara incandescente de tungsteno-halógeno de respaldo que funciona durante el enfriamiento y el reinicio. Una vez que el halogenuro metálico vuelve a encenderse y se calienta, la luz de seguridad incandescente se apaga. Una lámpara caliente también tiende a tardar más en alcanzar su brillo máximo que una lámpara que se enciende completamente fría.
La mayoría de las lámparas de techo colgantes tienden a tener refrigeración pasiva, 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 tubo de arco. Dejan de funcionar al final de su vida útil, de forma similar a las lámparas de mercurio. En casos raros, también pueden activarse o desactivarse. Algunos pueden exhibir un cambio de color importante y, en casos raros, explotar. [12]
Todos los tubos de arco de halogenuros metálicos 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, provocando su rotura.
Puede ocurrir una falla prematura del tubo de arco debido a defectos de fabricación. Los fabricantes pueden "curar" las lámparas nuevas para comprobar si existen defectos antes de la venta.
Dado que una lámpara de halogenuros metálicos 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 el bulbo exterior y fragmentos de vidrio caliente pueden caer sobre las personas u objetos que se encuentren debajo. Los fragmentos calientes pueden representar un riesgo de incendio. Los accesorios están diseñados para contener fragmentos calientes con una cubierta de vidrio duro, o pueden estar diseñados para lámparas con un tubo de cuarzo que rodea el tubo de arco para evitar roturas.
Se puede evitar la rotura del tubo de arco reemplazando la lámpara si hay un ennegrecimiento excesivo del tubo de arco, el tubo de arco comienza a hincharse, hay un cambio repentino del color de la luz o la lámpara comienza a encenderse y apagarse.
Los sistemas de reinicio instantáneo y reinicio rápido eliminan el retraso en el reinicio de las lámparas MH después de una caída o interrupción.
Utilizan balastros CWA especialmente cableados y encendedores de alto voltaje que producen un alto voltaje (8 kV a 40 kV) para reiniciar lámparas especiales.
