Lámparas de sodio de baja y alta presión

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Lámparas de sodio de baja y alta presión
Redacción SicaNews [ newsletter@sicaelec.com ]

Lámparas de sodio de baja y alta presión

Resumen: 


En este artículo se describen las características constructivas y de funcionamiento de las lámparas de vapor de sodio a baja y a alta presión, 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 de alta y baja presión, 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, en las cuales 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 aquellas aplicaciones en las que se necesita una luz abundante y económica.

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 (como las MAP), lo que permite disminuir los costos de mantenimiento por limpieza de las luminarias instaladas.
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 generación de radiación lumínica.

Una lámpara SAP típica está constituida por una ampolla externa de vidrio que puede ser transparente o con recubrimiento según el modelo. La forma de esta ampolla adopta diferentes variantes ovoidales y tubulares, con una geometría tal que puede instalarse en las mismas ópticas y luminarias diseñadas para las lámparas MAP.

Este recipiente de protección sirve para reducir la emisión de calor, estabilizar la temperatura de servicio y así evitar apreciables variaciones en el flujo luminoso; y en algunos casos tiene una capa de polvo de recubrimiento en la pared interior del bulbo, para mejorar la distribución de su espectro luminoso.

La descarga se produce en un elemento tubular recto interno, separado de la ampolla por un espacio en el que se ha realizado el vacío. El tubo de descarga está construido con óxido de aluminio sinterizado, para soportar la acción corrosiva del sodio a temperaturas elevadas, y contiene fundamentalmente vapor de sodio a una presión de servicio cercana a 0,98 bar, además de otros materiales como neón, xenón y mercurio, que actúa como corrector de color y control de tensión. 

Al conectar la lámpara se produce una descarga inicial a través del gas auxiliar (neón), originándose una luz rojiza típica de ese gas, y la lámpara comienza a calentarse por acción del arco, lo que produce la evaporación del sodio metálico y la emisión de luz amarillenta, hasta que se completa el ciclo de encendido.

Para la conexión al circuito externo generalmente se dispone de un casquillo de bronce o de aluminio, que se fabrica con diferentes ejecuciones a rosca (E27, E40).

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, aeropuertos, 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 externo que puede ser del tipo derivación o serie (salvo en lámparas muy pequeñas, que tienen el ignitor incorporado).

Existen algunos modelos de lámparas SAP diseñadas para operar con el mismo equipo auxiliar que las MAP, pero con menor rendimiento.

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 sodio a baja presión (SBP)

Las lámparas SBP se utilizan en aplicaciones muy específicas, en las cuales se privilegia el rendimiento de la conversión de energía eléctrica en lumínica y no resulta tan importante la reproducción cromática obtenida. 

Por ello constituyen una solución eficaz y económica en alumbrado público de puentes, cruces ferroviarios, grandes áreas portuarias y similares. 
También son muy apropiadas para zonas peligrosas en las que se necesita resaltar cuerpos en movimiento, ya que su luz monocromática amarilla (long. onda= 590 nm) coincide con el color al que se tiene la máxima sensibilidad del ojo humano y favorece el contraste, lo que permite la visibilidad aún en presencia de niebla. Asimismo, en algunos casos pueden utilizarse para la iluminación ornamental de parques y jardines.

En virtud de su elevado rendimiento, estas lámparas se fabrican en un rango de potencias relativamente bajas, comprendidas entre 18 y 180 W.

Dado que las lámparas de vapor de sodio a baja presión tienen muchas semejanzas con las SAP, sólo nos detendremos en algunos aspectos diferentes.

La descarga eléctrica en estas lámparas se produce en un tubo en forma de "U" que contiene una atmósfera de sodio a muy baja presión y algunos gases auxiliares para facilitar el encendido. Este tubo de descarga está rodeado por otro exterior de protección y en el espacio entre ambos tubos se ha hecho el vacío. Para la conexión al circuito externo disponen de casquillos a rosca para algunas potencias bajas, o a bayoneta, para lámparas mayores. En ambos casos, deben ser aptos para soportar la sobretensión de encendido.

El proceso de puesta en funcionamiento es mas prolongado que en el caso anterior, ya que el máximo flujo luminoso se alcanza a los 15 minutos.

Debido a que estas lámparas requieren para su encendido tensiones mas elevadas que la nominal de la línea, que varían entre 400 y 680 V, se necesita un equipo auxiliar del tipo autotransformador de dispersión para su funcionamiento, cuyo diseño varía según la potencia de la lámpara. Sin embargo, también existen circuitos híbridos, compuestos por un balasto en serie con un capacitor y un ignitor.

Otras características son:

Vida útil elevada: 10.000 hs.

Mantienen el flujo luminoso a lo largo de su vida.

Eficacia luminosa: es la fuente luminosa de mayor rendimiento, alcanzando valores de 180 lm/W.

Tienen una posición de funcionamiento restringida.

Reproducción cromática: nula. Ra = 0. Luz totalmente monocromática amarillo oro.

Su factor de potencia es bajo y puede corregirse con capacitores.







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