Lámpara de vapor de sodio - Sodium-vapor lamp

Una farola de sodio de alta presión en Toronto
Una lámpara de vapor de sodio de alta presión

Una lámpara de vapor de sodio es una lámpara de descarga de gas que usa sodio en un estado excitado para producir luz en una longitud de onda característica cercana a 589  nm .

Existen dos variedades de tales lámparas: baja presión y alta presión . Las lámparas de sodio de baja presión son fuentes de luz eléctrica altamente eficientes, pero su luz amarilla restringe las aplicaciones a la iluminación exterior, como las farolas , donde se usan ampliamente. Las lámparas de sodio de alta presión emiten un espectro de luz más amplio que las lámparas de baja presión, pero aún tienen una reproducción cromática más pobre que otros tipos de lámparas. 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 .

Desarrollo

La lámpara de descarga de arco de sodio de baja presión se hizo 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 a 589,0 y 589,56 nanómetros de longitud de onda. La luz amarilla producida por estos limitó el rango de aplicaciones a aquellas donde no se requería visión de color.

La investigación sobre las lámparas de sodio de alta presión se llevó a cabo tanto en el Reino Unido como en los EE. UU. El aumento de la presión del vapor de sodio amplió el espectro de emisión de sodio de modo que la luz producida tuviera más energía emitida 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 General Electric de un material de óxido de aluminio sinterizado (con óxido de magnesio agregado para mejorar la transmisión de luz) fue un paso importante en la construcción de una lámpara comercial. El material estaba disponible en forma de tubería en 1962, pero se requirieron técnicas adicionales para sellar los tubos y agregar los electrodos necesarios; el material no se podía fusionar como el cuarzo. Las tapas de los extremos del tubo de arco se calientan hasta 800 grados C en funcionamiento, luego se enfrían a temperatura ambiente cuando se apaga la lámpara, por lo que las terminaciones de los electrodos y el sello del tubo de arco deben tolerar ciclos de temperatura repetidos. Este problema fue resuelto por Michael Arendash en la planta de GE Nela Park. Las primeras lámparas comerciales de sodio de alta presión estaban disponibles en 1965 de empresas de los Estados Unidos, el Reino Unido y los Países Bajos; En la introducción, una lámpara de 400 vatios produciría alrededor de 100 lúmenes por vatio.

Los tubos de zafiro artificial monocristalino también se fabricaron y utilizaron 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.

Sodio a baja presión

Una lámpara LPS / SOX de 35 W apagada
Fases de calentamiento de una lámpara LPS. La tenue luz rosada de la mezcla de Penning es reemplazada gradualmente por la brillante luz naranja monocromática del vapor de sodio metálico.
Una lámpara LPS / SOX de 35 W en funcionamiento
Espectro de una lámpara de sodio de baja presión. La banda amarilla intensa es la emisión de la línea D de sodio atómico, que comprende aproximadamente el 90% de la emisión de luz visible para este tipo de lámpara.
Dos Honda Fits bajo lámparas de sodio de baja presión. Ambos aparecen negros, aunque el automóvil de la izquierda es rojo brillante, mientras que el automóvil de la derecha es en realidad negro.

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 de neón y argón en una mezcla de Penning para iniciar la descarga de gas. El tubo de descarga puede ser lineal (lámpara SLI) o en forma de U. Cuando la lámpara se enciende por primera vez, emite una luz roja / rosa tenue para calentar el metal de sodio; en unos pocos 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 un promedio de longitud de onda 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 solo por este estrecho ancho de banda son difíciles de distinguir.

Las lámparas LPS tienen una envoltura de vacío de vidrio exterior alrededor del tubo de descarga interno para aislamiento térmico, lo que mejora su eficiencia. Las lámparas LPS anteriores tenían una chaqueta dewar desmontable (lámparas SO). Se desarrollaron lámparas con envolvente de vacío permanente (lámparas SOI) para mejorar el aislamiento térmico. Se logró una mejora adicional recubriendo la envoltura de vidrio con una capa reflectante de infrarrojos de óxido de indio y estaño , lo que dio como resultado lámparas SOX.

Lámparas LPS se encuentran entre los más fuentes de luz eléctricas eficientes cuando se mide en fotópicas condiciones de iluminación, produciendo por encima de 100 y hasta 206 lm / W . 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. Estudios recientes muestran que en condiciones típicas de conducción mesópica nocturna , una luz más blanca puede proporcionar mejores resultados con un nivel de iluminación más bajo.

Las lámparas LPS son similares a las lámparas fluorescentes en que son una fuente de luz de baja intensidad con una forma de lámpara lineal. No exhiben un arco brillante como lo hacen las lámparas de descarga de alta intensidad (HID); emiten un brillo luminoso más suave, lo que resulta en menos deslumbramiento. A diferencia de las lámparas HID, durante una caída de voltaje, las lámparas de sodio de baja presión vuelven rápidamente a su brillo total. Las lámparas LPS están disponibles con potencias nominales desde 10 W hasta 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 no disminuyen la producción de lúmenes con la edad, aunque 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 ser ineficaces, mientras consumen energía eléctrica sin disminuir.

En 2017, Philips Lighting, el último fabricante de lámparas LPS, anunció que interrumpirían la producción de las lámparas debido a la caída de la demanda. Inicialmente, la producción debía eliminarse gradualmente en el transcurso de 2020, sin embargo, esta fecha se adelantó y las últimas lámparas se produjeron en la fábrica de Hamilton en noviembre de 2019.

Consideraciones sobre contaminación lumínica

Para lugares donde la contaminación lumínica es una consideración, como cerca de observatorios astronómicos o playas de anidación de tortugas marinas , se prefiere el sodio de baja presión (como antes en San José y Flagstaff, Arizona ). Tales lámparas emiten luz en solo dos líneas espectrales dominantes (con otras líneas mucho más débiles) y, por lo tanto, tienen la menor interferencia espectral con la observación astronómica. (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 la menor visibilidad resplandor 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 dispersa a niveles bajos de luminancia en la atmósfera clara. Una consecuencia del alumbrado público generalizado es que en las noches nubladas, las ciudades con suficiente iluminación se iluminan con la luz reflejada por las nubes. Donde las luces de vapor de sodio son la fuente de iluminación urbana, el cielo nocturno se tiñe de naranja.

Efectos especiales de películas

El proceso de vapor de sodio (en ocasiones 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 grabarla. Usando una cámara especial, las escenas se graban en dos carretes simultáneamente, uno con 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 Disney Studios . Ejemplos notables de películas que utilizan esta técnica incluyen Alfred Hitchcock 's Los pájaros y las películas de Disney Mary Poppins y La bruja novata . Los avances posteriores en las técnicas de pantalla azul y verde y las imágenes de computadora cerraron esa brecha, dejando a SVP económicamente impráctico.

Sodio de alta presión

Lámpara de sodio de alta presión en funcionamiento
Espectro de lámpara de sodio de alta presión. La banda amarilla-roja de la izquierda es la emisión de la línea D de sodio atómico; la línea turquesa es una línea de sodio que, por lo demás, es bastante débil en una descarga de baja presión, pero se vuelve intensa en una descarga de alta presión. La mayoría de las otras líneas verde, azul y violeta surgen del mercurio.
Diagrama que muestra la salida espectral de una lámpara típica de sodio de alta presión (HPS).
Edificio de oficinas iluminado por lámparas de sodio de alta presión.
Edificio de oficinas iluminado por lámparas de sodio de alta presión.
Lámpara de sodio de alta presión Philips SON-T Master 600 W

Las lámparas de sodio de alta presión (HPS) se han utilizado ampliamente en iluminación industrial, especialmente en grandes instalaciones de fabricación, y se utilizan comúnmente como luces de cultivo de plantas . Contienen mercurio . También se han utilizado ampliamente para la iluminación de áreas exteriores, como en carreteras, estacionamientos y áreas de seguridad. Comprender el cambio en la sensibilidad de la visión del color humana de fotópica a mesópica y escotópica es esencial para una planificación adecuada al diseñar la iluminación de las carreteras.

Las lámparas de sodio de alta presión son bastante eficientes: alrededor de 100 lúmenes por vatio, cuando se miden para condiciones de iluminación fotópica . Algunas lámparas de mayor potencia (por ejemplo, 600 vatios) tienen una eficacia de aproximadamente 150 lúmenes por vatio.

Dado que el arco de sodio a alta presión es extremadamente reactivo químicamente, el tubo del arco está hecho típicamente 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 operativa. La baja conductividad térmica minimiza las pérdidas térmicas en la lámpara mientras está en el estado operativo, y el bajo potencial de ionización hace que el voltaje de ruptura del gas sea relativamente bajo en el estado frío, lo que permite que la lámpara se encienda fácilmente.

HIJO "blanco"

Una variación del sodio de alta presión introducido en 1986, la White SON tiene una presión más alta que la lámpara típica HPS / SON, 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. Estas lámparas se utilizan a menudo en interiores en cafés y restaurantes para lograr un efecto estético. Sin embargo, las lámparas SON blancas tienen un costo más alto, una vida útil más corta y una eficiencia de luz más baja, por lo que no pueden competir con HPS en este momento.

Teoría de operación

Diagrama de una lámpara de sodio de alta presión.

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 creciente hasta que se alcanza el nivel operativo de potencia. Para un voltaje dado, generalmente hay tres modos de operación:

  1. La lámpara se apaga y no fluye corriente.
  2. La lámpara está funcionando con amalgama líquida en el tubo.
  3. La lámpara está funcionando con toda la amalgama evaporada.

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 la temperatura de la amalgama, lo que provocará una disminución de la resistencia, lo que provocará un aumento adicional de la corriente. Esto creará un efecto de fuga 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 fallas catastróficas. De manera similar, una caída anómala en la corriente conducirá la lámpara a la extinción. Es el segundo estado que es el estado operativo deseado de la lámpara, porque una pérdida lenta de la amalgama a lo largo del tiempo de 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 balasto suele ser inductivo en lugar de ser simplemente resistivo para minimizar el desperdicio de energía por pérdidas de resistencia. Debido a que la lámpara se apaga efectivamente en cada punto de corriente cero en el ciclo de CA, el balasto inductivo ayuda en el reencendido al proporcionar 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 auto-invierte debido a la absorción en las capas exteriores más frías del arco, lo que le da a la lámpara sus características de reproducción cromática mejoradas . Además, las fuerzas de Van der Waals de los átomos de mercurio en el arco amplían aún más la presión del ala roja de la emisión de la línea D.

Fin de la vida

Farola de vapor de sodio
Primer plano después del anochecer

Al final de su vida útil, las lámparas de sodio de alta presión (HPS) exhiben un fenómeno conocido como ciclo , causado por una pérdida de sodio en el arco. El sodio es un elemento altamente reactivo y se pierde en una reacción con el óxido de aluminio del tubo de arco. Los productos son óxido de sodio y aluminio :

6 Na + Al 2 O 3 → 3 Na 2 O + 2 Al

Como resultado, estas lámparas pueden encenderse a 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 para exceder el voltaje máximo de salida del balasto eléctrico. A medida que la lámpara se calienta hasta este punto, el arco falla y la lámpara se apaga. Finalmente, con el arco extinguido, la lámpara se enfría nuevamente, la presión del gas en el tubo del arco se reduce y el lastre puede hacer que el arco se encienda nuevamente. El efecto de esto es que la lámpara se enciende por un tiempo y luego se apaga, típicamente comenzando con un blanco puro o azulado y luego moviéndose a un rojo anaranjado antes de apagarse.

Los diseños de balasto 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. Si se quita la energía y se vuelve a aplicar, el balasto hará una nueva serie de intentos de arranque.

La falla de la lámpara del LPS no resulta en ciclos; más bien, la lámpara simplemente no se encenderá o mantendrá el brillo rojo apagado de la fase de inicio. En otro modo de falla, un pequeño pinchazo del tubo de arco filtra algo 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 es oscurecida por el recubrimiento de sodio, lo que no proporciona iluminación.

Códigos de lastre ANSI HPS

Salida de potencia Códigos ANSI
35 W S76
50 W S68
70 W S62
100 W S54
150 W S55 (55v) o S56 (100v)
200 W S66
250 W S50
310 W S67
400 W S51
600 W S106
750 W S111
1000 W S52

Ver también

Notas

Referencias