Lámparas de sodio y de mercurio halogenado - marzo/2002

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Lámparas de sodio y de mercurio halogenado
Redacción SicaNews [ newsletter@sicaelec.com ]

Resumen: 


En este artículo se describen las características de funcionamiento de las lámparas de vapor de sodio a alta presión y de vapor de mercurio halogenado, como así también las recomendaciones para su correcta instalación.

Desarrollo:

Las fuentes luminosas de alimentación eléctrica que se emplean en la actualidad comprenden un espectro considerable de lámparas que funcionan según distintos principios, tienen diferentes aplicaciones y necesitan o no de equipos auxiliares para su operación.

En este artículo nos detendremos en el examen de las lámparas de alta intensidad de descarga gaseosa, de vapor de sodio a alta presión y de vapor de mercurio halogenado, que habitualmente se emplean para alumbrado público y usos similares. 

Lámparas de vapor de sodio a alta presión (SAP)

Las lámparas SAP comenzaron siendo utilizadas en aplicaciones muy específicas, donde no era muy importante la reproducción cromática obtenida. 

Como consecuencia del progreso en su tecnología de fabricación, de la mejora de su espectro de emisión, y fundamentalmente por la economía que se obtiene en sus costos de explotación; se ha producido una masiva difusión de su empleo, reemplazado ventajosamente a las lámparas de vapor de mercurio a alta presión (MAP).

En efecto, en comparación con las lámparas MAP, tienen un mayor rendimiento lumínico (lm/W), lo que permite la utilización de lámparas de menor consumo a igualdad de flujo luminoso; y además no atraen a los insectos, pues carecen de un espectro con longitudes de onda dominantes en la banda del azul, lo que permite disminuir los costos de mantenimiento por limpieza de las luminarias. 
Si bien las lámparas SAP requieren un equipo auxiliar de mayor costo que el de las lámparas MAP, esa mayor inversión inicial se amortiza rápidamente con los menores costos de funcionamiento que se obtienen.

Por otro lado, comparadas con las lámparas de sodio a baja presión (SBP), ofrecen una mayor capacidad para discriminar los colores, convirtiéndose en una fuente de luz de aspecto más aceptable, con una elevada eficacia luminosa (aunque menor que las SBP). 

En las lámparas SAP, la luz se obtiene por la emisión producida por el choque de los electrones libres contra los átomos del vapor contenido en el tubo de descarga. 
En este proceso, los choques producen la excitación de los electrones de los átomos del vapor, que pasan a ocupar orbitales de mayor energía. Cuando dichos electrones retornan a su órbita natural, se produce la emisión de fotones y en consecuencia ocurre una emisión de luz.

La descarga se produce en un elemento interno de óxido de aluminio sinterizado que contiene vapor de sodio a una presión de servicio cercana a 0,98 bar, además de otros materiales como mercurio, y xenón.

El elemento interno está rodeado por un recipiente de protección que sirve para estabilizar la temperatura de servicio, y en algunos casos tiene un polvo de recubrimiento para mejorar su espectro luminoso.

Estas lámparas admiten cualquier posición de funcionamiento y en el encendido absorben hasta 1,5 veces la intensidad nominal, alcanzando su flujo luminoso máximo a los 5 - 6 minutos de producido el mismo, y requiriendo un tiempo de enfriamiento para efectuar el reencendido. 

Su eficacia luminosa está comprendida entre los 90 y los 130 lm/W, no siendo prácticamente afectada por las variaciones en la temperatura ambiente, y alcanzando una vida útil superior a las 20.000 hs.

Por otro lado, proveen una visión de alto contraste y su reproducción cromática es regular, con valores del índice de reproducción del color cercanos a Ra = 30 / 50 - luz predominantemente amarilla, aunque en los últimos años se ha mejorado mucho su espectro luminoso (color corregido). Además generan un efecto estroboscópico, pues se alimentan con corriente alterna.

En general, las lámparas de sodio a alta presión se aplican en alumbrado público, naves industriales, estacionamientos, grandes áreas, fachadas, parques, depósitos industriales, etcétera.

La función del equipo auxiliar para una lámpara de sodio a alta presión es la misma que la de los demás tipos de lámparas de alta intensidad de descarga gaseosa, debiendo satisfacer todos los requerimientos básicos habituales de las mismas, para lograr un elevado rendimiento en condiciones confiables. 
De esta manera, debe proveer la tensión de circuito abierto necesaria para el encendido, debe controlar la intensidad de manera que la potencia de la lámpara ni sobrepase el límite superior admitido, ni sea tan baja que el flujo luminoso quede por debajo del valor mínimo económicamente aceptable; y además debe proveer una corriente de trabajo con el menor contenido poliarmónico posible y el factor de potencia adecuado. 

Estas fuentes de luz tienen una característica de resistencia negativa, ya que la tensión de arco disminuye con el aumento de la corriente, y por lo tanto requieren una impedancia limitadora (balasto) para lograr una operación estable al alimentarse desde una fuente de tensión constante. 
Además necesitan un ignitor que provea un pulso de alta tensión de encendido, y generalmente se les conecta un capacitor para corregir el factor de potencia en forma local.
Cabe destacar la significativa importancia que reviste el equipo auxiliar necesario para la operación de estas lámparas, pues de su correcto funcionamiento dependen todos los parámetros eléctricos, y fundamentalmente, la vida útil de las mismas. 

Como la tensión de arco de la lámpara no es constante, el diseño de los balastos requiere un mayor cuidado, no pudiendo fabricarse balastos autorregulados, como en las MAP.

En efecto, en una lámpara de vapor de mercurio a alta presión, la caida en el arco no varía con la potencia de funcionamiento (P = f (V) es una recta vertical), pues como todos los iones disponibles intervienen en la descarga, la potencia que se inyecta en la lámpara no modifica su caida de tensión. Además dicha tensión se mantiene prácticamente constante a lo largo de la vida útil. 

En cambio, en una lámpara de vapor de sodio a alta presión, la caida en el arco varía marcadamente con la potencia de funcionamiento (P = f (V) es una recta inclinada) y además va aumentando con el transcurso de su vida. De esta manera se obtiene una zona de trabajo que adopta la forma de un trapecio, en razón del desplazamiento "paralelo" de la recta de operación a lo largo del tiempo.
Este aumento de la caida de tensión se origina por un lado por las fugas de sodio del tubo de descarga, que provocan un aumento en el porcentual de mercurio, cuya tensión de ionización es mayor. Además los electrodos al oscurecerse con el envejecimiento aumentan la temperatura del tubo de descarga, la presión y en consecuencia, la tensión de la lámpara.

Esta diferencia resulta fundamental, pues en el caso del balasto para SAP, el mismo deberá operar en distintas condiciones conforme vaya envejeciendo la lámpara.

Debido a este comportamiento, los fabricantes de lámparas acotan el “trapecio” admisible de la característica de trabajo P = f (V) de las mismas a lo largo de su vida útil. 
Cabe aclarar que los trapecios de las lámparas de tipo europeo son ligeramente diferentes a los de las lámparas de tipo americano, por lo que los balastos asociados también resultan distintos.

Por lo anterior, un balasto correctamente diseñado no deberá hacer que la lámpara trabaje en puntos situados fuera de dicha zona admisible.
Para verificar tal condición, se efectúa un ensayo que simula las condiciones de envejecimiento de la lámpara, trazando las curvas correspondientes al conjunto balasto + lámpara para el 105, el 100 y el 95 % de la tensión nominal aplicada, y comprobando que ninguna de las tres curvas resultantes corte los límites de potencia superior e inferior del trapecio.

Por otro lado, el encendido de estas lámparas SAP requiere un pico de tensión comprendido entre los 2500 y los 4000 V, según la potencia de la misma.
Estos pulsos de alta tensión se obtienen por medio de un pequeño ignitor electrónico que puede ser del tipo derivación o serie.

En la República Argentina el ignitor derivación está mas difundido, fundamentalmente por su menor costo unitario. 
Básicamente el mismo contiene un circuito que comprueba que la lámpara esté apagada, midiendo la tensión en la misma, y una llave electrónica, que por lo menos una vez por ciclo de la onda de tensión, conecta la fuente RC de pulsos del ignitor a una derivación intermedia del bobinado del balasto, el cuál opera como transformador de impulsos para generar los picos de tensión. Una vez encendida la lámpara, no se siguen produciendo pulsos.
Como la capacidad de los cables de conexión entre el equipo auxiliar y la lámpara produce una marcada atenuación de los pulsos, con este ignitor no se pueden instalar equipos a mas de 4 m de las lámparas. Esta limitación siempre debe tenerse en cuenta al proyectar y realizar instalaciones de alumbrado con SAP.

En el ignitor serie, el transformador de impulsos se encuentra integrado dentro del conjunto del ignitor, de manera que no se necesita emplear ninguna derivación del balasto. De esta manera sólo es necesario que el ignitor se encuentre cerca de la lámpara, pudiendo estar mas alejado el balasto que en el caso anterior. Esto resulta útil para instalar los balastos al pie de las torres de iluminación.

Lámparas de vapor de mercurio halogenado (MH)

Las lámparas MH comenzaron siendo utilizadas en aplicaciones muy específicas, donde era muy importante la reproducción cromática obtenida. Tal es el caso de la iluminación de los estudios de televisión en color.

Con el tiempo este campo de aplicación se ha ampliado notablemente, abarcando el alumbrado de áreas deportivas, la iluminación de vidrieras y marquesinas comerciales, distintas instalaciones de alumbrado público e industrial, y toda otra aplicación que requiera una excelente calidad de luz.

En estas lámparas, la descarga se produce en un tubo de cuarzo o cerámico con halogenuros metálicos. El elemento interno está rodeado por un recipiente de protección que sirve para estabilizar la temperatura de servicio, y en algunos casos tiene un polvo de recubrimiento para corregir su espectro luminoso.

Como su arco de descarga es muy corto, ofrecen una fuente de luz muy puntual, lo que brinda una gran facilidad para dirigir la luz donde se necesita.

Debido a que en las potencias mas reducidas se tiene una gran generación de calor por unidad de volumen, en tales casos se utilizan zócalos especiales para adaptarse a la dilatación térmica.

Como muchas de las características de las lámparas de mercurio halogenado son muy semejantes a las descriptas para las SAP, en adelante sólo citaremos aquellas que resultan diferentes.

En primer lugar debemos aclarar que como existe una pronunciada diversidad de lámparas de distintas marcas, diseños y procedencias, es menester proceder con sumo cuidado en la selección del equipo auxiliar a utilizar, pues la intercambiabilidad entre lámparas de igual potencia resulta muy limitada, en razón de sus diferentes valores eléctricos de funcionamiento y las distintas necesidades de amplitud de pulsos de encendido.

Así las lámparas de tipo americano son marcadamente diferentes a las lámparas de tipo europeo, por lo que los equipos asociados también resultan distintos. Además existen muchas subvariantes. Por ejemplo, las lámparas europeas de Osram son distintas de las de Philips.

Conceptualmente, el equipo auxiliar necesario resulta muy semejante al de SAP, pero en muchos casos se requiere una mayor amplitud de pulso, pues son de mas dificil cebado. Sin perjuicio de lo anterior, algunas lámparas pueden funcionar con el equipo de sodio de la misma potencia.

Como las lámparas MH son algo inestables, especialmente al fin de su vida útil, pueden entrar en rectificación y la elevada corriente resultante puede destruir el balasto; por lo que es conveniente que el mismo cuente con un protector térmico interno

En algunos casos, las luminarias deben estar provistas de un vidrio de suficiente espesor para suprimir su elevada radiación ultravioleta.

Algunas lámparas tienen una posición de funcionamiento restringida y en general son mas delicadas y costosas que las SAP y de menor vida útil: 6.000 hs.

Habitualmente en el encendido absorben hasta 2 veces la intensidad nominal y necesitan alrededor de 4 minutos para que las sustancias de llenado se vaporicen completamente y entren en el régimen máximo de emisión luminosa. Asimismo requieren un tiempo de enfriamiento para el reencendido.

Tienen una alta eficacia luminosa, entre 70 y 90 lm/W, y se distinguen por su luz de amplio espectro con muy buena reproducción cromática, Ra = 70 / 80. 


  



 

 

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