Una lámpara de vapor de sodio es una lámpara de descarga de gas que utiliza sodio en estado excitado para producir luz en una longitud de onda característica cercana a los 589 nm .
Existen dos variedades de este tipo de lámparas: de baja presión y de alta presión . Las lámparas de sodio de baja presión son fuentes de luz eléctrica muy eficientes, pero su luz amarilla restringe sus aplicaciones a la iluminación exterior, como las farolas , donde se utilizan ampliamente. [1] Las lámparas de sodio de alta presión emiten un espectro de luz más amplio que las lámparas de baja presión, pero aún así tienen una reproducción cromática peor que otros tipos de lámparas. [2] Las lámparas de sodio de baja presión solo emiten luz amarilla monocromática y, por lo tanto, inhiben la visión de los colores durante la noche .
Las lámparas de encendido automático de un solo extremo están aisladas con un disco de mica y contenidas en un tubo de descarga de gas de vidrio de borosilicato (tubo de arco) y una tapa de metal. [3] [4] Incluyen la lámpara de vapor de sodio, que es la lámpara de descarga de gas en el alumbrado público. [5] [6] [3] [4]
La lámpara de descarga de arco de sodio de baja presión se puso en práctica por primera vez alrededor de 1920 debido al desarrollo de un tipo de vidrio que podía resistir los efectos corrosivos del vapor de sodio. Estos operaron a presiones de menos de 1 Pa y produjeron un espectro de luz casi monocromático alrededor de las líneas de emisión de sodio en longitudes de onda de 589,0 y 589,56 nanómetros. La luz amarilla producida por estos limitaba la gama de aplicaciones a aquellas donde no se requería visión del color. [7]
Las primeras lámparas comerciales LPS se comercializaron en 1932, concebidas respectivamente tanto en Alemania como en Holanda por Osram y Philips . Se utilizan principalmente en carreteras principales, pero estas lámparas se utilizan principalmente en zonas de clima frío y húmedo como Bélgica , Países Bajos, Luxemburgo , Alemania, Irlanda , Reino Unido , Escandinavia o incluso Canadá .
La investigación sobre lámparas de sodio de alta presión se llevó a cabo tanto en el Reino Unido como en los Estados Unidos . El aumento de la presión del vapor de sodio amplió el espectro de emisión de sodio, de modo que la luz producida emitió más energía en longitudes de onda por encima y por debajo de la región de 589 nm. El material de cuarzo utilizado en las lámparas de descarga de mercurio fue corroído por vapor de sodio a alta presión. En 1959 se llevó a cabo una demostración de laboratorio de una lámpara de alta presión. El desarrollo por parte de General Electric de un material de óxido de aluminio sinterizado (al que se le añadió óxido de magnesio para mejorar la transmisión de la luz) fue un paso importante en la construcción de una lámpara comercial. El material estaba disponible en forma de tubos en 1962, pero se requirieron técnicas adicionales para sellar los tubos y agregar los electrodos necesarios: el material no podía fusionarse como el cuarzo. Las tapas de los extremos del tubo de arco se calentaban hasta 800 grados C en funcionamiento y luego se enfriaban a temperatura ambiente cuando se apagaba la lámpara, por lo que las terminaciones de los electrodos y el sello del tubo de arco tenían que tolerar ciclos de temperatura repetidos. Este problema fue resuelto por Michael Arendash [8] en la planta de GE Nela Park. Las primeras lámparas comerciales de sodio de alta presión estuvieron disponibles en 1965 en empresas de los Estados Unidos, el Reino Unido y los Países Bajos; En el momento de su introducción, una lámpara de 400 vatios produciría alrededor de 100 lúmenes por vatio. [7] [9]
También se fabricaron y utilizaron tubos de zafiro artificial monocristalino para lámparas HPS a principios de la década de 1970, con una ligera mejora en la eficacia, pero los costos de producción fueron más altos que los de los tubos de alúmina policristalina. [7]
Las lámparas de sodio de baja presión (LPS) tienen un tubo de descarga de gas de vidrio de borosilicato (tubo de arco) que contiene sodio sólido y una pequeña cantidad de gas neón y argón en una mezcla Penning para iniciar la descarga de gas. El tubo de descarga puede ser lineal (lámpara SLI) [10] o en forma de U. Cuando la lámpara se enciende por primera vez, emite una luz tenue de color rojo/rosa para calentar el metal de sodio; Al cabo de unos minutos, a medida que el sodio metálico se vaporiza , la emisión se vuelve de color amarillo brillante común . Estas lámparas producen una luz prácticamente monocromática con una longitud de onda promedio de 589,3 nm (en realidad, dos líneas espectrales dominantes muy juntas a 589,0 y 589,6 nm). Los colores de los objetos iluminados únicamente por este estrecho ancho de banda son difíciles de distinguir.
Las lámparas LPS tienen una envoltura exterior de vidrio al vacío alrededor del tubo de descarga interior para aislamiento térmico , lo que mejora su eficiencia. Las lámparas LPS anteriores tenían una chaqueta dewar desmontable (lámparas SO). [11] Se desarrollaron lámparas con una envoltura de vacío permanente (lámparas SOI) para mejorar el aislamiento térmico. [12] Se lograron mejoras adicionales recubriendo la envoltura de vidrio con una capa reflectante de infrarrojos de óxido de indio y estaño , lo que dio como resultado lámparas SOX. [13]
Las lámparas LPS se encuentran entre las fuentes de luz eléctrica más eficientes cuando se miden en condiciones de iluminación fotópica , produciendo entre 100 y hasta 206 lm / W . [14] Esta alta eficiencia se debe en parte a que la luz emitida tiene una longitud de onda cercana a la sensibilidad máxima del ojo humano. Se utilizan principalmente para iluminación exterior (como alumbrado público e iluminación de seguridad ) donde la reproducción fiel del color no es importante.
Las lámparas LPS son similares a las lámparas fluorescentes en que son una fuente de luz de baja intensidad con forma de lámpara lineal. No presentan un arco brillante como lo hacen las lámparas de descarga de alta intensidad (HID); Emiten un brillo luminoso más suave, lo que produce menos deslumbramiento. A diferencia de las lámparas HID, durante una caída de voltaje, las lámparas de sodio de baja presión recuperan rápidamente su brillo máximo. Las lámparas LPS están disponibles con potencias de 10 a 180 W; Sin embargo, las lámparas de mayor longitud pueden sufrir problemas de diseño e ingeniería.
Las lámparas LPS modernas tienen una vida útil de aproximadamente 18.000 horas y su producción de lúmenes no disminuye con el tiempo, aunque sí aumentan el consumo de energía en aproximadamente un 10% hacia el final de su vida útil. Esta propiedad contrasta con las lámparas HID de vapor de mercurio, que se vuelven más tenues hacia el final de su vida útil hasta el punto de volverse ineficaces, mientras consumen energía eléctrica sin disminuir.
En 2017, Philips Lighting, el último fabricante de lámparas LPS, anunció que suspendería la producción de lámparas debido a la caída de la demanda. [15] Inicialmente, la producción debía eliminarse progresivamente a lo largo de 2020, pero esta fecha se adelantó y las últimas lámparas se produjeron en la fábrica de Hamilton el 31 de diciembre de 2019. [16]
Para lugares donde se considera la contaminación lumínica , como cerca de observatorios astronómicos o playas de anidación de tortugas marinas , se prefiere el sodio a baja presión (como anteriormente en San José, California y Flagstaff, Arizona ). [17] [18] Estas lámparas emiten luz en sólo dos líneas espectrales dominantes (con otras líneas mucho más débiles) y, por lo tanto, tienen la menor interferencia espectral con la observación astronómica. [19] (Ahora que ha cesado la producción de lámparas LPS, se está considerando el uso de LED ámbar de banda estrecha, que tienen un espectro de color similar al LPS). El color amarillo de las lámparas de sodio de baja presión también conduce a el brillo menos visual del cielo, debido principalmente al cambio de Purkinje de la visión humana adaptada a la oscuridad, lo que hace que el ojo sea relativamente insensible a la luz amarilla dispersada en niveles bajos de luminancia en la atmósfera clara. [20] [21] Una consecuencia del alumbrado público generalizado es que en las noches nubladas, las ciudades con suficiente iluminación se iluminan con la luz reflejada en las nubes. Mientras que las luces de vapor de sodio son la fuente de iluminación urbana, el cielo nocturno se tiñe de naranja.
El proceso de vapor de sodio (ocasionalmente denominado pantalla amarilla) es una técnica de película que se basa en las características de banda estrecha de la lámpara LPS. La película negativa en color normalmente no es sensible a la luz amarilla de una lámpara LPS, pero una película especial en blanco y negro puede registrarla. Utilizando una cámara especial, las escenas se graban en dos carretes simultáneamente, uno con los actores (u otros objetos en primer plano) y otro que se convierte en una máscara para su posterior combinación con diferentes fondos . Esta técnica originalmente produjo resultados superiores a la tecnología de pantalla azul, y fue utilizada en los años 1956 a 1990, principalmente por los estudios Disney . Ejemplos notables de películas que utilizan esta técnica incluyen The Birds de Alfred Hitchcock y las películas de Disney Mary Poppins y Bedknobs and Broomsticks . Avances posteriores en técnicas de pantalla azul y verde e imágenes por computadora cerraron esa brecha, dejando a SVP económicamente impracticable. [22]
Las lámparas de sodio de alta presión (HPS) se han utilizado ampliamente en la iluminación industrial, especialmente en grandes instalaciones de fabricación, y se utilizan comúnmente como luces de cultivo de plantas . Contienen mercurio . [23] También se han utilizado ampliamente para la iluminación de áreas exteriores, como carreteras, estacionamientos y áreas de seguridad. Comprender el cambio en la sensibilidad humana a la visión del color de fotópica a mesópica y escotópica es esencial para una planificación adecuada al diseñar la iluminación de las carreteras. [24]
Las lámparas de sodio de alta presión son bastante eficientes: alrededor de 100 lúmenes por vatio, cuando se miden en condiciones de iluminación fotópica . Algunas lámparas de mayor potencia (por ejemplo, 600 vatios) tienen una eficacia de unos 150 lúmenes por vatio.
Dado que el arco de sodio a alta presión es extremadamente reactivo químicamente, el tubo del arco suele estar hecho de óxido de aluminio translúcido . Esta construcción llevó a General Electric Company a utilizar el nombre comercial "Lucalox" para su línea de lámparas de sodio de alta presión.
El xenón a baja presión se utiliza como "gas de arranque" en la lámpara HPS. Tiene la conductividad térmica más baja y el potencial de ionización más bajo de todos los gases nobles estables . Como gas noble, no interfiere con las reacciones químicas que ocurren en la lámpara de funcionamiento. La baja conductividad térmica minimiza las pérdidas térmicas en la lámpara mientras está en estado operativo, y el bajo potencial de ionización hace que el voltaje de ruptura del gas sea relativamente bajo en estado frío, lo que permite que la lámpara se encienda fácilmente.
Una variación del sodio de alta presión introducido en 1986, la HPS blanca tiene una presión más alta que la lámpara HPS típica, produciendo una temperatura de color de alrededor de 2700 kelvin con un índice de reproducción cromática (CRI) de aproximadamente 85, muy parecido al color de una luz incandescente. [25] Estas lámparas se utilizan a menudo en interiores de cafeterías y restaurantes para lograr un efecto estético. Sin embargo, las lámparas HPS blancas tienen un costo más alto, una vida útil más corta y una menor eficiencia lumínica, por lo que no pueden competir con las HPS en este momento.
Una amalgama de sodio metálico y mercurio se encuentra en la parte más fría de la lámpara y proporciona el vapor de sodio y mercurio que se necesita para dibujar un arco. La temperatura de la amalgama está determinada en gran medida por la potencia de la lámpara. Cuanto mayor sea la potencia de la lámpara, mayor será la temperatura de la amalgama. Cuanto mayor sea la temperatura de la amalgama, mayores serán las presiones de vapor de mercurio y sodio en la lámpara y mayor será el voltaje terminal. A medida que aumenta la temperatura, la corriente constante y el voltaje creciente consumen energía cada vez mayor hasta que se alcanza el nivel operativo de potencia. Para una tensión determinada, existen generalmente tres modos de funcionamiento:
El primer y último estado son estables porque la resistencia de la lámpara está débilmente relacionada con el voltaje, pero el segundo estado es inestable. Cualquier aumento anómalo de corriente provocará un aumento de potencia, provocando un aumento de temperatura de la amalgama, lo que provocará una disminución de la resistencia, lo que provocará un mayor aumento de corriente. Esto creará un efecto desbocado y la lámpara saltará al estado de alta corriente (#3). Debido a que las lámparas reales no están diseñadas para manejar tanta energía, esto resultaría en una falla catastrófica. Del mismo modo, una caída anómala de la corriente provocará la extinción de la lámpara. El segundo estado es el estado operativo deseado de la lámpara, porque una pérdida lenta de la amalgama con el tiempo desde un depósito tendrá menos efecto sobre las características de la lámpara que una amalgama completamente evaporada. El resultado es una vida útil media de la lámpara de más de 20.000 horas.
En el uso práctico, la lámpara es alimentada por una fuente de voltaje CA en serie con un " balasto " inductivo para suministrar una corriente casi constante a la lámpara, en lugar de un voltaje constante, asegurando así un funcionamiento estable. El balastro suele ser inductivo en lugar de simplemente resistivo para minimizar el desperdicio de energía debido a las pérdidas de resistencia. Debido a que la lámpara se apaga efectivamente en cada punto de corriente cero en el ciclo de CA, el balastro inductivo ayuda en el reencendido proporcionando un pico de voltaje en el punto de corriente cero.
La luz de la lámpara consta de líneas de emisión atómica de mercurio y sodio, pero está dominada por la emisión de la línea D de sodio. Esta línea se ensancha extremadamente por presión (resonancia) y también se invierte automáticamente debido a la absorción en las capas exteriores más frías del arco, lo que le da a la lámpara sus características mejoradas de reproducción cromática . Además, el ala roja de la emisión de la línea D se ve ampliada aún más por la presión de las fuerzas de Van der Waals de los átomos de mercurio en el arco.
Al final de su vida útil, las lámparas de sodio de alta presión (HPS) presentan un fenómeno conocido como ciclo , causado por una pérdida de sodio en el arco. El sodio es un elemento altamente reactivo y se pierde al reaccionar con el óxido de aluminio del tubo de arco. Los productos son óxido de sodio y aluminio :
Como resultado, estas lámparas pueden encenderse con un voltaje relativamente bajo, pero, a medida que se calientan durante el funcionamiento, la presión interna del gas dentro del tubo de arco aumenta y se requiere cada vez más voltaje para mantener la descarga del arco . A medida que una lámpara envejece, el voltaje de mantenimiento del arco eventualmente aumenta hasta exceder el voltaje máximo de salida del 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, generalmente comenzando con un blanco puro o azulado y luego pasando a un rojo anaranjado antes de apagarse.
Los diseños de encendedor más sofisticados detectan los ciclos y dejan de intentar encender la lámpara después de algunos ciclos, ya que los repetidos encendidos de alto voltaje necesarios para reiniciar el arco reducen la vida útil del balasto o del encendedor, dependiendo de la configuración del encendedor. Si se quita y se vuelve a aplicar energía, el balastro realizará una nueva serie de intentos de arranque.
La falla de la lámpara LPS no produce ciclos; más bien, la lámpara simplemente no se encenderá o mantendrá el brillo rojo apagado de la fase de arranque. En otro modo de falla, una pequeña perforación en el tubo de arco filtra parte del vapor de sodio hacia el bulbo de vacío exterior. El sodio se condensa y crea un espejo en el vidrio exterior, oscureciendo parcialmente el tubo de arco. La lámpara a menudo continúa funcionando normalmente, pero gran parte de la luz generada queda oscurecida por el recubrimiento de sodio, por lo que no proporciona iluminación.
