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Lámpara de vapor de sodio

Farolas de sodio en Tuntorp, Suecia. Una lámpara HPS después de apagarse. El material de alúmina brilla en rojo porque aún está caliente. Una lámpara de vapor de sodio es una lá...

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Farolas de sodio en Tuntorp, Suecia.
Una lámpara HPS después de apagarse. El material de alúmina brilla en rojo porque aún está caliente.

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

Existen dos variedades de estas 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 amarillo-anaranjada 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 de baja presión, pero aún así tienen una reproducción cromática inferior a la de otros tipos de lámparas. [ 2 ] Las lámparas de sodio de baja presión solo dan luz amarillo-anaranjada monocromática , lo que inhibe la visión del color por la noche .

Las lámparas autoarrancables 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) con una tapa metálica. [ 3 ] [ 4 ] Incluyen la lámpara de vapor de sodio, que es la lámpara de descarga de gas utilizada en el alumbrado público. [ 5 ] [ 6 ] [ 3 ] [ 4 ]

Las lámparas de sodio de baja presión suelen usar una base de bayoneta BY22d , mientras que las de alta presión suelen usar las bases de rosca Edison E27 (para potencias menores de 35 W a 100 W) y E40 (para potencias mayores de 150 W a 1000 W) . Al igual que todas las lámparas de descarga de gas, las lámparas de vapor de sodio requieren un balasto eléctrico para funcionar.

Desarrollo

La lámpara de descarga de arco de sodio de baja presión se hizo práctica por primera vez alrededor de 1920 gracias al desarrollo de un tipo de vidrio que podía resistir los efectos corrosivos del vapor de sodio. Estas lámparas funcionaban a presiones inferiores a 1 Pa y producían un espectro de luz casi monocromático alrededor de las líneas de emisión del sodio a longitudes de onda de 589,0 y 589,6 nanómetros. La luz amarilla que producían limitaba su rango de aplicaciones a aquellas en las que no se requería visión del color. [ 7 ] 

La investigación sobre lámparas de sodio de alta presión se llevó a cabo tanto en el Reino Unido como en Estados Unidos . El aumento de la presión del vapor de sodio amplió el espectro de emisión de sodio, de modo que la luz producida tenía 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 se corroía por el vapor de sodio a alta presión. En 1959 se realizó 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 (con óxido de magnesio añadido 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 requerían técnicas adicionales para sellar los tubos y añadir los electrodos necesarios; el material no se podía fundir como el cuarzo. Las tapas de los extremos del tubo de arco alcanzaban temperaturas de hasta 800 °C (1470 °F) durante el funcionamiento, para luego enfriarse a temperatura ambiente al apagar la lámpara, por lo que las terminaciones de los electrodos y el sellado del tubo de arco debían soportar 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 a través de empresas en Estados Unidos, Reino Unido y Países Bajos; en su lanzamiento, una lámpara de 400 vatios producía 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 ]

Sodio de baja presión

Lámpara de sodio de baja presión (SOX).
Espectro de una lámpara de sodio de baja presión. La intensa banda amarilla corresponde a la emisión de la línea D del sodio atómico, que comprende aproximadamente el 90% de la luz visible emitida por este tipo de lámpara.
Dos Honda Fit bajo farolas de sodio de baja presión. Ambos parecen negros, aunque el coche de la izquierda es de color rojo brillante, mientras que el 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 que contiene sodio sólido y una pequeña cantidad de neón y argón en una mezcla de Penning (99 % neón, 1 % argón) 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 roja/rosa tenue (proveniente del neón y el argón) para calentar el sodio metálico; en pocos minutos, a medida que el sodio metálico se vaporiza , la emisión se convierte en el 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 próximas entre sí a 589,0 y 589,6  nm). Los colores de los objetos iluminados solo por este ancho de banda estrecho son difíciles de distinguir.

Las lámparas LPS tienen una envoltura de vacío de vidrio exterior alrededor del tubo de descarga interno para el aislamiento térmico , lo que mejora su eficiencia. Las primeras lámparas LPS tenían una cubierta de dewar desmontable (lámparas SO). [ 11 ] Se desarrollaron lámparas con una envoltura de vacío permanente (lámparas SOI) para mejorar el aislamiento térmico. [ 12 ] Se logró una mejora adicional al recubrir la envoltura de vidrio con una capa reflectante de infrarrojos de óxido de indio y estaño , dando como resultado las lámparas SOX, el tipo estándar actual de lámparas de sodio de baja presión. [ 13 ]

Tras el desarrollo de la Philips Mini-SOX de 18 W (que se convirtió en la lámpara de sodio de baja presión de menor tamaño y posteriormente se incorporó a la gama SOX-E), [ 14 ] algunas de las características de diseño que contribuyeron a su alta eficacia se aplicaron a las lámparas SOX de alta potencia existentes. El resultado fue la gama SOX-E (Economy), que era más eficiente energéticamente y funcionaba con menos corriente que antes. Se distinguen fácilmente por sus casquillos de bayoneta negros en lugar de rojos, como en las lámparas SOX estándar. La potencia de la lámpara se redujo significativamente en comparación con la de la gama SOX tradicional, disminuyendo la densidad de corriente de descarga y aumentando la eficacia luminosa. Esto se logró mediante un mejor aislamiento térmico y un recubrimiento reflectante de infrarrojos modificado. [ 15 ]

Otro desarrollo posterior fue la lámpara SOX-PSG (Philips Solid-state Getter) de Philips, que introdujo un sistema de getter (diseñado para mantener un vacío perfecto) drásticamente diferente para evitar fugas que podían causar fallas prematuras en las lámparas SOX estándar y, por lo tanto, pretendía tener una vida útil más confiable y prolongada para el usuario final. También emplearon un diseño térmico refinado para una mayor eficacia y durabilidad. Algunos ejemplos (principalmente de producción temprana-media) se identifican generalmente por sus tapas de bayoneta azules, aunque los ejemplos posteriores conservaron las rojas normales. Las lámparas SOX-PSG se produjeron solo en las potencias de 35 W y 55 W, siendo la SOX-E de 36 W el único modelo de eficiencia energética/Economy adaptado a una variante SOX-E-PSG que tiene una tapa de bayoneta verde. [ 16 ] También se sabe que se comercializaron lámparas SOX-Plus/Pro que estaban destinadas a tener el doble de vida útil general que las lámparas SOX/de sodio de baja presión regulares, pero que se veían extremadamente similares a las lámparas regulares. [ 17 ]

Las lámparas LPS se encuentran entre las fuentes de luz eléctrica más eficientes cuando se miden en condiciones de iluminación fotópica , produciendo más de 100 y hasta 206 lm / W . [ 18 ] Esta alta eficiencia se debe en parte a que la luz emitida tiene una longitud de onda cercana a la máxima sensibilidad del ojo humano. Se utilizan principalmente para iluminación exterior (como alumbrado público y alumbrado de seguridad ) donde la reproducción fiel del color no es importante.

Las lámparas de sodio de baja presión (LPS) son similares a las fluorescentes, ya que emiten luz de baja intensidad y tienen forma lineal. No producen un arco brillante como las lámparas de descarga de alta intensidad (HID); emiten una luz más suave, lo que reduce el deslumbramiento. A diferencia de las lámparas HID, durante una caída de tensión, las lámparas de sodio de baja presión recuperan su brillo máximo rápidamente. Las lámparas LPS están disponibles con potencias de 10 a 180  W; sin embargo, las lámparas de mayor longitud pueden presentar problemas de diseño e ingeniería.

Las lámparas LPS modernas tienen una vida útil de aproximadamente 18 000 horas y su flujo luminoso no disminuye con el tiempo, aunque su consumo energético aumenta alrededor de un 10 % hacia el final de su vida útil. Esta característica contrasta con las lámparas HID de vapor de mercurio, que se atenúan hacia el final de su vida útil hasta volverse ineficaces, mientras que su consumo eléctrico se mantiene constante.

En 2017, Philips Lighting, un importante fabricante de lámparas LPS, anunció que dejaría de producirlas debido a la caída de la demanda. [ 19 ] Inicialmente, se preveía que la producción se interrumpiera gradualmente a lo largo de 2020, pero esta fecha se adelantó y las últimas lámparas se produjeron en la fábrica de Hamilton , Escocia, el  31 de diciembre de 2019. [ 20 ]

La empresa Qian Shun Lighting Company, con sede en Taizhou, China, sigue fabricando y vendiendo lámparas, balastros, encendedores y portalámparas LPS. [ 21 ]

Consideraciones sobre la contaminación lumínica

Para lugares donde la contaminación lumínica es un factor a considerar, como cerca de observatorios astronómicos o playas de anidación de tortugas marinas , se prefiere el sodio de baja presión (como se usaba anteriormente en San José, California y Flagstaff, Arizona ). [ 22 ] [ 23 ] Estas 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. [ 24 ] Ahora que la producción de lámparas LPS ha cesado, se está considerando el uso de LED ámbar de banda estrecha, que tienen un espectro de color similar al de las LPS.

El color amarillo de las lámparas de sodio de baja presión produce el menor brillo visual del cielo, debido principalmente al desplazamiento 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 bajos niveles de luminancia en la atmósfera clara. [ 25 ] [ 26 ] Una consecuencia de la iluminación pública generalizada 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 (a veces denominado pantalla amarilla) es una técnica cinematográfica que se basa en las características de banda estrecha de la lámpara LPS. La película negativa en color suele ser insensible a la luz amarilla de una lámpara LPS, pero una película especial en blanco y negro puede registrarla. Mediante una cámara especial, las escenas se graban simultáneamente en dos carretes: uno con los actores (u otros objetos en primer plano) y otro que se convierte en una máscara para su posterior combinación con un fondo diferente . Esta técnica originalmente produjo resultados superiores a la tecnología de pantalla azul y se utilizó entre 1956 y 1990, principalmente por los estudios Disney . Ejemplos notables de películas que utilizaron esta técnica incluyen Los pájaros de Alfred Hitchcock 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 por computadora cerraron esa brecha, haciendo que el SVP fuera económicamente inviable. [ 27 ]

Parámetros eléctricos

[ 28 ]

Sodio a alta presión

Lámparas de sodio de alta presión (SON).
Espectro de una lámpara de sodio de alta presión. La banda amarillo-roja de la izquierda corresponde a la emisión de la línea D del sodio atómico; la línea turquesa es una línea de sodio que, en condiciones de baja presión, es bastante débil, pero se intensifica en descargas de alta presión. La mayoría de las demás líneas verdes, azules y violetas provienen principalmente del sodio, pero también de líneas de mercurio.
Diagrama que muestra la salida espectral de una lámpara de sodio de alta presión (HPS) típica.
Edificio de oficinas iluminado por lámparas de sodio de alta presión.
Edificio de oficinas iluminado por lámparas de sodio de alta presión.

Las lámparas de sodio de alta presión (HPS) se han utilizado ampliamente en la iluminación industrial, especialmente en grandes instalaciones de fabricación, y se emplean comúnmente como luces para el cultivo de plantas . Contienen mercurio . [ 29 ] También se han utilizado ampliamente para la iluminación de áreas exteriores, como carreteras, estacionamientos y áreas de seguridad. Comprender el cambio en la sensibilidad de la visión del color humana desde la fotópica hasta la mesópica y la escotópica es esencial para una planificación adecuada al diseñar la iluminación de carreteras. [ 30 ]

Las lámparas de sodio de alta presión son bastante eficientes: alrededor de 100 lúmenes por vatio, según las mediciones realizadas en condiciones de iluminación fotópica . Algunas lámparas de mayor potencia (por ejemplo, de 600 vatios) alcanzan 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 la marca comercial "Lucalox" para su línea de lámparas de sodio de alta presión.

El xenón a baja presión se utiliza como gas de arranque en las lámparas HPS. Posee la conductividad térmica y el potencial de ionización más bajos entre todos los gases nobles estables . Al ser un gas noble, no interfiere con las reacciones químicas que tienen lugar en la lámpara durante su funcionamiento. Su baja conductividad térmica minimiza las pérdidas de calor en la lámpara mientras está en funcionamiento, y su bajo potencial de ionización provoca que la tensión de ruptura del gas sea relativamente baja en frío, lo que facilita el encendido de la lámpara.

Lámpara de sodio de alta presión "blanca"

Una variante de la lámpara de sodio de alta presión introducida en 1986, la lámpara HPS blanca tiene una presión aún mayor que la lámpara HPS típica, produciendo una temperatura de color de alrededor de 2500  kelvin con un índice de reproducción cromática (IRC) de aproximadamente 85, muy similar al color de una luz incandescente. [ 31 ] Estas lámparas se utilizan a menudo en interiores, en cafeterías y restaurantes, por su efecto estético. Sin embargo, las lámparas HPS blancas tienen un costo mayor y una menor eficacia lumínica, por lo que no pueden competir con las HPS.

Parámetros eléctricos de las lámparas de sodio blancas

[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]

Teoría de funcionamiento

Fases de calentamiento de una lámpara HPS/SON de 70 W en una luminaria [ 35 ] DW Windsor Strand B. El tenue brillo blanco del xenón proveniente del arco eléctrico en el tubo de arco es reemplazado rápida y gradualmente por el brillo naranja del vapor de sodio metálico.
Diagrama de una lámpara de sodio de alta presión

Una amalgama de sodio y mercurio metálicos se encuentra en la parte más fría de la lámpara y proporciona el vapor de sodio y mercurio necesario para generar un arco eléctrico. 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 la tensión en los terminales. A medida que aumenta la temperatura, la corriente constante y la tensión creciente consumen cada vez más energía hasta alcanzar el nivel de potencia de funcionamiento. Para una tensión dada, generalmente existen tres modos de funcionamiento:

  1. La lámpara está apagada y no circula corriente eléctrica.
  2. La lámpara funciona con amalgama líquida en el tubo (vapor saturado).
  3. La lámpara funciona con toda la amalgama evaporada (vapor insaturado).

Los dos primeros estados son estables, ya que la resistencia de la lámpara está débilmente relacionada con el voltaje, pero el segundo estado es inestable. Cualquier aumento anómalo de la corriente provocará un aumento de la potencia, lo que a su vez incrementará la temperatura de la amalgama, disminuyendo la resistencia y, finalmente, aumentando aún más la corriente. Esto generará un efecto de fuga y la lámpara pasará al estado de alta corriente (#3). Dado que las lámparas reales no están diseñadas para soportar tanta potencia, esto resultaría en una falla catastrófica. De manera similar, una caída anómala de la corriente provocará la extinción de la lámpara. El segundo estado es el estado de funcionamiento deseado, ya que una pérdida gradual de la amalgama del depósito, a medida que la lámpara se quema con el tiempo, tendrá un menor impacto en sus características que una amalgama completamente evaporada. El resultado es una vida útil promedio de la lámpara superior a las 20 000 horas.

En la práctica, la lámpara se alimenta mediante una fuente de voltaje de CA en serie con un balasto inductivo para suministrarle una corriente casi constante, en lugar de un voltaje constante, lo que garantiza un funcionamiento estable. El balasto suele ser inductivo en lugar de simplemente resistivo para minimizar la pérdida de energía por resistencia. Dado que la lámpara se apaga en cada punto de corriente cero del ciclo de CA, el balasto inductivo facilita su reencendido al proporcionar un pico de voltaje en dicho punto.

La luz de la lámpara se compone de líneas de emisión atómica de mercurio y sodio, pero predomina la línea D del sodio. Esta línea se ensancha considerablemente por la presión (resonancia) y, además, se invierte debido a la absorción en las capas exteriores más frías del arco, lo que confiere a la lámpara una reproducción cromática mejorada . Asimismo, el extremo rojo de la línea D se ensancha aún más por la presión, debido a las fuerzas de Van der Waals de los átomos de mercurio en el arco.

Parámetros eléctricos para lámparas de sodio de alta presión europeas y británicas

[ 36 ]

Parámetros eléctricos para lámparas de sodio de alta presión americanas

[ 37 ]

Fin de vida

Al final de su vida útil, las lámparas de sodio de alta presión (HPS) saturadas pueden comenzar a encenderse y apagarse intermitentemente. El material que se desprende de los electrodos oscurece el tubo de arco, lo que provoca que absorba más luz radiada y opere a mayor temperatura. El aumento de temperatura incrementa la presión del gas, lo que aumenta la caída de voltaje en el tubo de arco. Finalmente, el balasto eléctrico deja de proporcionar el voltaje suficiente para mantener la descarga del arco . A medida que la lámpara se calienta, el arco falla y la lámpara se apaga. Una vez extinguido el arco, la lámpara se enfría, la presión del gas en el tubo de arco disminuye y el balasto eléctrico puede volver a provocar el arco. El efecto es que la lámpara brilla durante un tiempo y luego se apaga, generalmente comenzando con un blanco puro o azulado y luego pasando a un rojo anaranjado antes de apagarse. Algunos diseños de encendedores dejan de intentar encender la lámpara después de algunos ciclos para proteger el balasto y el encendedor del deterioro debido a los múltiples pulsos de alto voltaje. Si se interrumpe y se restablece la alimentación, el balasto realizará una nueva serie de intentos de arranque.

Las lámparas de sodio de alta presión no saturadas presentan un fallo diferente al final de su vida útil. Dado que todo el sodio-amalgama se vaporiza, no hay aumento de voltaje, por lo que estas lámparas no se apagan ni se apagan al final de su vida útil. Cuando se consume todo el sodio, la lámpara emite una descarga de vapor de mercurio de color verdoso.

La falla de la lámpara LPS no produce ciclos de encendido y apagado. La lámpara no se encenderá o mantendrá el tenue brillo rojo de la fase de arranque. En otro modo de falla, una pequeña perforación en el tubo de arco permite que parte del vapor de sodio se filtre al 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 la capa de sodio, sin proporcionar iluminación. [ 38 ]

Declive y transición gradual a LED

Desde mediados de la década de 2010, muchas autoridades municipales de todo el mundo han comenzado a eliminar gradualmente las lámparas de vapor de sodio y a cambiarlas por alumbrado público con diodos emisores de luz (LED) , citando preocupaciones ambientales (especialmente sobre el cambio climático) y ahorros en el consumo de energía (ya que los LED son significativamente más eficientes en comparación). [ 39 ] [ 40 ] Sin embargo, estas lámparas suelen fabricarse para emitir luz blanca en el rango de 4500-5000 K (en comparación con 1400-2700 K para el sodio). Estas tienen varias preocupaciones de salud y desagrado estético entre las personas [ 41 ] además de fallas técnicas. [ 42 ] Algunos municipios como Titusville, Florida, y el cercano Centro Espacial Kennedy han instalado farolas LED con la luz naranja/ámbar "más cálida" de sus predecesoras lámparas de sodio.

Véase también

Referencias

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  4. 1 2 "La lámpara de sodio de baja presión" .
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  6. ↑ "La lámpara de sodio: cómo funciona e historia" . EdisonTechCenter.org .
  7. 1 2 3 Raymond Kane, Heinz Sell, Revolución en lámparas: una crónica de 50 años de progreso, segunda edición , Fairmont Press, 2001. págs. 238–241.
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Fuentes

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  • Museo de Lámparas de Descarga Eléctrica
  • Este invento le hizo ganar millones a Disney , ¡pero luego lo perdieron ! – Corridor Crew vía YouTube (2024) – recreando el sistema de iluminación de vapor de sodio utilizado en los efectos especiales de las películas.