Lámpara de descarga de alta intensidad

Las lámparas de descarga de alta intensidad ( lámparas HID ) son un tipo de lámpara eléctrica de descarga de gas que produce luz mediante un arco eléctrico entre electrodos de tungsteno alojados dentro de un tubo de arco de cuarzo fundido o alúmina fundida translúcido o transparente. ^{[ 1 ]} Este tubo está lleno de gas noble y a menudo también contiene un metal o sales metálicas adecuadas, que emiten el espectro de luz deseado cuando se excitan (como mercurio , sodio o yoduro de sodio ). El gas noble permite el inicio del arco. Una vez que se inicia el arco, calienta y evapora la mezcla metálica. Su presencia en el plasma del arco aumenta considerablemente la intensidad de la luz visible producida por el arco para una entrada de potencia dada, ya que los metales tienen muchas líneas espectrales de emisión en la parte visible del espectro. Las lámparas de descarga de alta intensidad son un tipo de lámpara de arco .

Las nuevas lámparas de descarga de alta intensidad (HID) generan más luz visible por unidad de energía eléctrica consumida que las lámparas fluorescentes e incandescentes , ya que una mayor proporción de su radiación es luz visible en comparación con la infrarroja. Sin embargo, el flujo luminoso de la iluminación HID puede disminuir hasta en un 70 % tras 10 000 horas de funcionamiento.

Las bombillas HID se utilizan habitualmente en los faros de los vehículos .

En los tubos de arco de las lámparas HID se utilizan diversos tipos de química, según las características deseadas de intensidad de luz, temperatura de color correlacionada , índice de reproducción cromática (IRC), eficiencia energética y vida útil. Entre las variedades de lámparas HID se incluyen:

• Lámparas de vapor de mercurio
• Lámparas de halogenuros metálicos (MH)
• Lámparas de cerámica MH
• Lámparas de vapor de sodio
• Lámparas de arco corto de xenón

El elemento productor de luz de este tipo de lámparas es una descarga de arco bien estabilizada contenida dentro de un tubo de arco con envoltura refractaria con una carga de pared superior a 3 vatios por centímetro cuadrado (19 W/in ² ) . 

Las lámparas de vapor de mercurio fueron las primeras lámparas HID disponibles comercialmente. Originalmente producían una luz azul verdosa, pero las versiones más recientes pueden producir luz con un tono de color menos pronunciado. Sin embargo, las lámparas de vapor de mercurio están cayendo en desuso y están siendo reemplazadas por lámparas de vapor de sodio y de halogenuros metálicos.

Las lámparas de halogenuros metálicos y de halogenuros metálicos cerámicos pueden fabricarse para emitir una luz blanca neutra, útil para aplicaciones donde la apariencia del color normal es fundamental, como la producción de televisión y cine, eventos deportivos en interiores o nocturnos, faros de automóviles e iluminación de acuarios.

Las lámparas de vapor de sodio de baja presión son extremadamente eficientes. Producen una luz amarillo-anaranjada intensa y tienen un índice de reproducción cromática (IRC) efectivo cercano a cero; los objetos que se ven bajo su luz aparecen monocromáticos . Esto las hace especialmente efectivas como luces de seguridad para fotografía . Las lámparas de sodio de alta presión tienden a producir una luz mucho más blanca, pero aún con un característico tono naranja-rosado. Actualmente existen nuevas versiones con corrección de color que producen una luz más blanca, pero esto implica sacrificar algo de eficiencia en aras de una mejor reproducción cromática.

Al igual que las lámparas fluorescentes, las lámparas HID requieren un balasto para iniciar y mantener el arco eléctrico. El método para iniciar el arco varía: las lámparas de vapor de mercurio y algunas lámparas de halogenuros metálicos suelen encenderse mediante un tercer electrodo cerca de uno de los electrodos principales, mientras que otros tipos de lámparas se encienden mediante pulsos de alto voltaje.

Se han investigado sustitutos del mercurio tóxico en las lámparas HID y son objeto de investigación continua. Los experimentos muestran resultados prometedores y se prevén amplias aplicaciones futuras. ^{[ 2 ]}

Algunas lámparas HID utilizan sustancias radiactivas como el criptón-85 y el torio . ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} Estos isótopos ayudan a encender las lámparas y mejoran sus características de funcionamiento. ^{[ 3 ] [ 5 ]}

El criptón-85 es un gas que se encuentra mezclado con el argón , presente en el tubo de arco de la lámpara. ^{[ 7 ]} El torio, que es un sólido, se utiliza en los electrodos. ^{[ 7 ]}

Estos isótopos producen radiación ionizante de tipo alfa y beta . Esta radiación provoca una alta ionización dentro de la lámpara, sin que pueda escapar de ella. ^{[ 5 ]} La alta ionización facilita considerablemente el inicio del arco mediante avalancha de Townsend . Además, la presencia de torio en los electrodos reduce la función de trabajo , lo que a su vez facilita el inicio y el mantenimiento del arco.

La cantidad de radiación gamma producida por los isótopos que puede escapar de la lámpara es insignificante. ^{[ 5 ]}

Las lámparas HID se utilizan normalmente cuando se requieren altos niveles de luz en grandes áreas y cuando se busca eficiencia energética y/o intensidad lumínica. Estas áreas incluyen gimnasios , grandes espacios públicos, almacenes , cines, estadios de fútbol, ^{​​[ 8 ]} áreas de actividades al aire libre, carreteras, estacionamientos y senderos. Más recientemente, las lámparas HID se han utilizado en pequeños comercios e incluso en entornos residenciales debido a los avances en bombillas de menor flujo luminoso. Las lámparas HID de ultra alto rendimiento (UHP) también se utilizan en televisores de proyección LCD o DLP o pantallas de proyección.

Las lámparas HID han hecho posible la jardinería de interior, especialmente para plantas que requieren altos niveles de luz solar directa en su hábitat natural. Las lámparas HID, en concreto las de halogenuros metálicos y las de sodio de alta presión, son una fuente de luz común para jardines de interior. También se utilizan para reproducir la intensidad de la luz solar tropical en acuarios de interior .

La mayoría de las lámparas HID producen una radiación UV significativa y requieren filtros que la bloqueen para evitar la degradación de los componentes de la lámpara y la decoloración de los objetos iluminados. La exposición a lámparas HID con filtros UV defectuosos o sin filtros causa daños a personas y animales, como quemaduras solares y oftalmopatía por arco eléctrico . Muchas lámparas HID están diseñadas para apagarse rápidamente si se rompe su cubierta de vidrio protectora contra los rayos UV.

A principios de la década de 1990, las lámparas HID se han utilizado en faros de automóviles . La iluminación de xenón, o de descarga de alta intensidad (HID), proporciona faros más brillantes y aumenta la visibilidad de muchos objetos periféricos (por ejemplo, señales de tráfico y peatones) que quedan en la sombra con la iluminación halógena estándar. Sin embargo, la brillantez de los faros ha generado quejas por deslumbramiento. ^{[ 9 ]}

Las lámparas HID se utilizan en faros de bicicleta de alto rendimiento , así como en linternas y otras luces portátiles, debido a que producen una gran cantidad de luz por unidad de potencia. Dado que las luces HID consumen menos de la mitad de la energía que una lámpara halógena de tungsteno equivalente, se puede utilizar una fuente de alimentación significativamente más pequeña y ligera.

Las lámparas HID también se han vuelto comunes en muchos aviones como reemplazo de las luces tradicionales de aterrizaje y rodaje.

Las lámparas HID también se utilizan en linternas para buceo . Su mayor eficacia en comparación con las lámparas halógenas se traduce en una mayor duración de la batería y una potencia lumínica determinadas.

Las lámparas HID están disponibles en una variedad de colores (conocidos comúnmente como temperaturas de color ) y se miden en Kelvin (K). La escala de temperatura de color Kelvin abarca desde 1000 K (ámbar) hasta 3000 K (amarillo), 5500 K (blanco), 8000 K (azul) y 12000 K (violeta).

Las lámparas HID producen diferentes colores de luz principalmente mediante el uso de varios aditivos metálicos en el tubo de arco de la lámpara y la física del proceso de descarga de gas. ^{[ 10 ]}

• Aditivos metálicos : Las lámparas HID contienen un tubo de arco eléctrico lleno de una mezcla de gases, incluido un gas noble (como el xenón ). Estos aditivos metálicos son cruciales para producir diferentes colores de luz. Los distintos metales emiten luz en longitudes de onda específicas al ser energizados, y esta característica determina el color que emite la lámpara.
• Proceso de descarga de gas : El funcionamiento de la lámpara consiste en crear un arco eléctrico entre los electrodos dentro del tubo. Este arco genera calor intenso y excita los gases y aditivos metálicos del tubo. A medida que los átomos excitados regresan a su estado fundamental, liberan energía en forma de luz.
• Emisión del espectro : El espectro específico de luz emitida depende de los niveles de energía de los átomos excitados y de las propiedades de los aditivos metálicos. Cada metal emite luz en ciertas longitudes de onda, lo que da como resultado colores específicos.
• Recubrimiento de fósforo : Algunas lámparas HID, como las de vapor de mercurio , también utilizan recubrimientos de fósforo en la superficie interna de la bombilla protectora exterior. Estos fósforos absorben la luz ultravioleta (UV) emitida por los átomos de gas excitados y luego reemiten luz visible. La combinación de la luz UV y la luz visible emitida crea un espectro de colores más amplio.
• Índice de Reproducción Cromática (IRC) : Las lámparas HID no siempre se caracterizan por su excelente reproducción cromática. La reproducción cromática se refiere a la precisión con la que la fuente de luz muestra los colores reales de los objetos en comparación con la luz solar natural. Las distintas lámparas HID tienen diferentes valores de IRC , y algunas ofrecen una mejor reproducción cromática que otras.

La elección de los aditivos metálicos y sus concentraciones permite a los fabricantes de lámparas crear lámparas HID con distintas temperaturas de color y características espectrales para satisfacer diferentes necesidades de iluminación.

La mayoría de las lámparas HID se fabrican en el rango de temperatura de color de 5000 K a 6000 K, similar a la luz natural del día. Esto resulta útil para aplicaciones que requieren altos niveles de luminosidad, como estadios deportivos, almacenes, televisores de proyección e iluminación para jardines. ^{[ 11 ]}

Sin embargo, para ciertas aplicaciones, como los faros de los automóviles, las lámparas HID se producen en casi todos los colores, desde amarillo y blanco hasta azul y morado. ^{[ 12 ]}

El desgaste se debe principalmente a los ciclos de encendido y apagado, en comparación con el tiempo total de funcionamiento. El mayor desgaste se produce cuando el quemador HID se enciende estando aún caliente y antes de que las sales metálicas se hayan recristalizado.

Al final de su vida útil, muchos tipos de lámparas de descarga de alta intensidad presentan un fenómeno conocido como ciclo de encendido . Estas lámparas pueden encenderse con un voltaje relativamente bajo . Sin embargo, a medida que se calientan durante su funcionamiento, la presión interna del gas dentro del tubo de arco aumenta y se requiere un voltaje mayor para mantener la descarga del arco . Con el paso del tiempo, el voltaje necesario para mantener el arco aumenta hasta superar el voltaje proporcionado por el balasto eléctrico . Cuando la lámpara se calienta hasta este punto, el arco falla y la lámpara se apaga. Finalmente, con el arco extinguido, la lámpara se enfría, la presión del gas en el tubo de arco disminuye y el balasto puede volver a provocar el arco. El efecto es que la lámpara brilla durante un tiempo y luego se apaga repetidamente. Los balastos más sofisticados detectan el ciclo de encendido y apagado y dejan de intentar encender la lámpara después de unos pocos ciclos. Si se interrumpe y se restablece la alimentación, el balasto realizará una nueva serie de intentos de arranque.

Otro fenómeno asociado al desgaste y envejecimiento de las lámparas HID es la decoloración del haz de luz emitido ("desvanecimiento" ^{[ 13 ]} ). Comúnmente, se observa un cambio hacia el azul y/o el violeta. Este cambio es leve al principio y, por lo general, indica que las lámparas se han "rodado" mientras aún funcionan correctamente, pero hacia el final de su vida útil, la lámpara HID suele percibirse como si solo produjera luz azul y violeta. Según la ley de Planck , esto es consecuencia directa del aumento de voltaje y la mayor temperatura necesarios para mantener el arco.

En ocasiones, el tubo de cuarzo que contiene mercurio puede explotar en una lámpara de ultra alta potencia (UHP). ^{[ 14 ]} Cuando esto ocurre, se liberan hasta 50  mg de vapor de mercurio a la atmósfera. Esta cantidad de mercurio es potencialmente tóxica, pero el principal peligro de las lámparas rotas son los cortes en el vidrio, y no se espera que la exposición ocasional a lámparas rotas tenga efectos adversos. Philips recomienda el uso de una aspiradora de mercurio, ventilación o protección respiratoria, protección ocular y ropa protectora al manipular lámparas rotas. Las lámparas de mercurio siempre requieren una eliminación o reciclaje especializado, que es obligatorio por ley en muchos lugares según la jurisdicción. ^{[ 15 ]}