Ponentes: Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012

1. Sistema Electrónicos para Iluminación • Día 3 • Lámparas de Alta Intensidad de Descarga (HID) Ponentes: Marco Antonio Dalla Costa Gustavo Ariel Barbera 13 a 18 de Febrero de 2012

2. SUMARIO • Lámparas HID: • Vapor de Mercurio • Vapor de Sodio • Halogenuros Metálicos • Etapas de Operación de Lámparas HID • Resonancias Acústicas • Balastos Electrónicos para Lámparas HID

3. PRINCIPALES LÁMPARAS HID • Lámpara de Mercurio de Alta Presión. • Lámpara de Vapor de Sodio. • Lámpara de Halogenuros Metálicos.

4. LÁMPARAS DE MERCURIO EN ALTA PRESIÓN • Lámpara de Mercurio de Alta Presión. • Lámpara de Vapor de Sodio. • Lámpara de Halogenuros Metálicos.

5. LÁMPARAS DE MERCURIO EN ALTA PRESIÓN ÁTOMO DE MERCURIO ENERGIA [eV] ENERGÍA DE EXCITACIÓN 10 365 313 297 546 436 405 3S 8 185 1P1 3P2 6 3P1 3P0 4 DOMINANTE ULTRAVIOLETA 253.7 2 0 NIVELES DE ENERGÍA SIMPLIFICADOS DEL ÁTOMO DE MERCURIO

6. 60 40 20 P [Pa] 1 106 102 104 LÁMPARAS DE MERCURIO EN ALTA PRESIÓN AL AUMENTAR LA PRESIÓN EN LA LÁMPARA DE MERCURIO AUMENTA DE FORMA MUY IMPORTANTE EL RENDIMIENTO LUMINOSO APARECEN LÍNEAS DE EXCITACIÓN DENTRO DEL ESPECTRO VISIBLE COMPRENDE 3 TIPOS BÁSICOS DE LÁMPARAS: - VAPOR DE MERCURIO PROPIAMENTE - VAPOR DE MERCURIO CON COLOR CORREGIDO - VAPOR DE MERCURIO LUZ MEZCLA

7. LÁMPARAS DE MERCURIO EN ALTA PRESIÓN LAS LÁMPARAS DE VAPOR DE MERCURIO DE ALTA PRESIÓN (VMAP) TRABAJAN ENTRE 2 - 4 BARES CARECE DE EMISIÓN EN EL ROJO Y PRESENTA UNA MALA REPRODUCCIÓN CROMÁTICA (IRC = 25). VAPOR DE MERCURIO DE ALTA PRESIÓN VM 350 400 450 500 550 600 650 700 750  [nm]

8. FÓSFOROS ROJOS. FLUOROGERMANATO DE MAGNESIO LÁMPARAS DE MERCURIO EN ALTA PRESIÓN LA INCORPORACIÓN DE SUSTANCIAS FLUORESCENTES PARA APROVECHAR LA LUZ ULTRAVIOLETA PRODUCIDA Y CONVERTIRLA EN ROJA, DA LUGAR A LAS LÁMPARAS DE VAPOR DE MERCURIO DE COLOR CORREGIDO. MEJORA LA CALIDAD DE LA LUZ, PUDIENDO LLEGAR A IRC = 60 (ACEPTABLE) VAPOR DE MERCURIO DE ALTA PRESIÓN COLOR CORREGIDO IRC =60 350 400 450 500 550 600 650 700 750  [nm]

9. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA LÁMPARAS DE VMAP 1.- ARRANCAN CON TENSIONES MUY BAJAS (LEY DE PASCHEN). NO NECESITAN ARRANCADOR DESDE RED. 2.- PRECISA DE TIEMPOS DE 4-5 MINUTOS HASTA ALCANZAR EL EQUILIBRIO DE FUNCIONAMIENTO UNA VEZ SE HA LLEGADO AL EQUILIBRIO SE ALCANZAN PRESIONES Y TEMPERATURAS MUY ELEVADAS EN EL TUBO DE DESCARGA. P del orden de 2. 105 hasta 20 . 105 Pa T del orden de 630 K (357 ºC) DENSIDAD DE VAPOR DE MERCURIO PRESIÓN ¡ CUIDADO CON ROTURAS Y EXPLOSIONES DEL TUBO DE DESCARGA! Ts TEMPERATURA Ts= TEMPERATURA DE SATURACIÓN

10. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA LÁMPARAS DE VMAP 3.- LA CORRIENTE DURANTE LA FASE DE CALENTAMIENTO PUEDE LLEGAR A 2-3 VECES LA DE FUNCIONAMIENTO NORMAL (DURANTE ESTA FASE LA LÁMPARA ES UNA RESISTENCIA MUY PEQUEÑA). 4.- LA TEMPERATURA DE COLOR ES INTERMEDIA 3500 - 4500 K (CON FÓSFOROS) 5.- LA VIDA MEDIA PUEDE LLEGAR HASTA LAS 25.000 HORAS 6.- LA EFICIENCIA LUMINOSA PUEDE LLEGAR HASTA LOS 60 Lm/W 7.- LOS ENCENDIDOS EN CALIENTE SON COMPLICADOS, YA QUE LA PRESIÓN EN EL TUBO ES ELEVADA (PUEDE REQUERIR VARIOS KV). HABITUALMENTE EL CIRCUITO REINTENTA EL ENCENDIDO HASTA QUE LA LÁMPARA ENFRÍA (DISMINUYE LA PRESIÓN).

11. BALASTO CONVENCIONAL PARA LÁMPARAS DE VMAP LA DESCARGA SE INICIA EN EL ELECTRODO AUXILIAR PROPORCIONANDO SUFICIENTES ELECTRONES PARA INICIAR LA DESCARGA ENTRE LOS DOS ELECTRODOS PRINCIPALES ELECTRODO AUXILIAR BALASTO ARCO RESISTENCIA DE ARRANQUE ELECTRODOS PRINCIPALES TUBO DE CUARZO

12. LÁMPARA DE MERCURIO EN ALTA PRESIÓN TUBO DE CUARZO ELECTRODO AUXILIAR RESISTENCIA DE ARRANQUE ELECTRODOS PRINCIPALES

13. LÁMPARA DE MERCURIO EN ALTA PRESIÓN DE COLOR CORREGIDO AMPOLLA EXTERIOR CON RECUBRIMIENTO DE FRUOROGERMANATO DE MAGNESIO (FOSFORO ROJO) SOLO MEDIA LÁMPARA (LÁMPARA DE PRUEBA)

14. LÁMPARA DE MERCURIO EN ALTA PRESIÓN CON LUZ MEZCLA SE USA COMO BALASTO UN FILAMENTO INCANDESCENTE QUE APORTA EL COLOR ROJO NECESARIO Y REALIZA LAS FUNCIONES PROPIAS DE LIMITAR LA CORRIENTE EN FUNCIONAMIENTO. - MEJORA EL TIEMPO DE CALENTAMIENTO (1-2 MINUTOS) - LAS FLUCTUACIONES DE LA RED AFECTAN A LA VIDA DEL FILAMENTO. - TEMPERATURA DE COLOR 3600 K - IRC = 60 (ACEPTABLE) - VIDA MEDIA 6.000 HORAS (BAJA BASTANTE) - EFICIENCIA LUMINOSA DEL ORDEN DE 30 Lm/W - NO NECESITA BALASTO FILAMENTO INCANDESCENTE

15. LÁMPARA DE MERCURIO EN ALTA PRESIÓN CON LUZ MEZCLA 350 400 450 500 550 600 650 700 750  [nm]

16. LÁMPARA DE VMAP CON LUZ MEZCLA PANASONIC FILAMENTO INCANDESCENTE

17. LÁMPARAS DE VAPOR DE SODIO EN BAJA PRESIÓN 1.- EL 90% DE LA RADIACIÓN SE PRODUCE EN LA BANDA 589 - 589,6 nm (AMARILLO). ES LA LÁMPARA MAS EFICAZ DE TODAS LAS FUENTES DE LUZ QUE EXISTEN. 2.- LA TEMPERATURA EN EL TUBO DE DESCARGA ES MUY ELEVADA (DEL ORDEN DE LOS 260 ºC) 3.- LOS ELECTRODOS NO SON PRECALENTADOS (ARRANQUE EN FRIO) POR LO QUE REQUIERE UNA TENSIÓN DE CEBADO BASTANTE ELEVADA (400 - 600 V). SON LÁMPARAS GRANDES

18. ESPECTRO TÍPICO DE UNA LÁMPARA DE VAPOR DE SODIO DE BAJA PRESIÓN (VSBP) VSBP LPS 350 400 450 500 550 600 650 700 750  [nm] - TIENEN UNA EFICACIA LUMINOSA MUY ELEVADA DE HASTA 183 lm/W - DURACIÓN DEL ORDEN DE 6000 HORAS - EL ÍNDICE DE REPRODUCCIÓN CROMÁTICA ES MUY MALO (AMARILLO PRÁCTICAMENTE PURO) - LA LUZ MONOCROMÁTICA ACENTÚA LOS CONTRASTES Y LAS FORMAS SE PERCIBEN MEJOR. (IMPORTANTE PARA VIALES CON NIEBLA)

19. ESTRUCTURA LÁMPARA VSBP AMPOLLA EXTERIOR (PROTECCIÓN Y FILTRO IR) ¡CUIDADO TIENEN POSICIÓN DE FUNCIONAMIENTO! TUBO DE DESCARGA DOBLADO ELECTRODOS SODIO EN FRIÓ DEPOSITADO EN FORMA DE GOTITAS

20. COMENTARIOS LÁMPARA VSBP - ES IMPORTANTE REDUCIR LA RADIACIÓN DE CALOR DEL TUBO DE DESCARGA AL MÍNIMO PARA ASEGURAR SU LA TEMPERATURA DE FUNCIONAMIENTO ÓPTIMA (260 ºC). - LA AMPOLLA EXTERIOR SUELE LLEVAR FILTROS INFRARROJO (EMISIÓN MÁXIMA SOBRE 5.500 nm - CUERPO NEGRO A 260 ºC). - EL SODIO ES MUY ACTIVO CON LA MAYOR PARTE DE LOS CRISTALES (SE USAN CRISTALES ESPECIALES DE BORATO EN EL TUBO DE DESCARGA). - LA PRESIÓN ÓPTIMA DE TRABAJO ES DE 0.4 Pa (260 ºC): SI ES DEMASIADO BAJA NO TENEMOS SUFICIENTE ÁTOMOS DE SODIO PARA SER EXCITADOS SI ES DEMASIADO ALTA SE PRODUCE ABSORCIÓN DE LA LÍNEAS DE RESONANCIA DEL SODIO Y SE REDUCE LA EFICIENCIA.

21. TENSIÓN DE ENCENDIDO [V] MEZCLA PENNING 580 540 0.3 0.5 1 ARGÓN EN NEÓN [%] GAS AUXILIAR DE ARRANQUE EN LÁMPARAS VSBP LAS LÁMPARAS DE VSBP CONTIENEN MUCHO MAS SODIO DEL QUE SE NECESITA PARA ALCANZAR LA PRESIÓN DE VAPOR DE SATURACIÓN. (NO ALCANZAN NUNCA LA SATURACIÓN) 1012 atomos Na/mm3 DENSIDAD DE VAPOR DE SODIO 1 bar PRESIÓN 600 K TEMPERATURA

22. CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS LÁMPARAS VSBP 1.- TARDAN EN ALCANZAR EL RÉGIMEN TÉRMICO DESPUÉS DEL ARRANQUE UNOS 15 MINUTOS. 2.- SIN EMBARGO LA RESISTENCIA DURANTE LA FASE DE CALENTAMIENTO ES SIMILAR A LA DE RÉGIMEN PERMANENTE (NO HAY SOBRECORRIENTES DURANTE ESTA FASE) 3.- LA TENSIÓN DE ENCENDIDO ES DEL ORDEN DE 400-600 V EN FRIÓ. PUDIENDO LLEGAR HASTA VARIOS kVEN CALIENTE. 4.- LA TENSIÓN DE ARCO (LA RESISTENCIA DE LA LÁMPARA) CRECE A LO LARGO DE LA VIDA DE LA MISMA. 5.- A PESAR DE TODO, EL FLUJO LUMINOSO ES MUY ESTABLE.

23. LA EFICIENCIA LUMINOSA DE LA LÁMPARAS DE VSBP INICIALMENTE DECRECE CON LA FRECUENCIA DE EXCITACIÓN PARA POSTERIORMENTE AUMENTAR. PARA OBTENER BENEFICIOS DE RENDIMIENTO LUMINOSO ES NECESARIO SUBIR POR ENCIMA DE LOS 100 KHz RENDIMIENTO LUMINOSO [%] 115 100 50 25K 100K 400K FRECUENCIA

24. ASPECTOS DE SEGURIDAD CON LAS LÁMPARAS DE VSBP EL SODIO REACCIONA VIOLENTAMENTE CON EL AGUA PRODUCIENDO SODA CÁUSTICA (HIDRÓXIDO DE SODIO) E HIDROGENO. ¡¡¡MUCHO CUIDADO CON LAS ROTURAS DE ESTAS LÁMPARAS (INCLUSO SIN CONECTAR)!!! ANIMACIÓN: PEQUEÑA CANTIDAD DE SODIO EN AGUA FOTO: GRAN CANTIDAD DE SODIO EN AGUA

25. LÁMPARAS DE VAPOR DE SODIO EN BAJA PRESIÓN LAS LÁMPARAS VSAP SON DE DESARROLLO RECIENTE. PROBLEMA: EL SODIO A ALTA PRESIÓN Y TEMPERATURA ES ALTAMENTE AGRESIVO. LA OPTIMA PRESIÓN DE VAPOR NECESARIA ES MENOS QUE EN EL CASO DEL MERCURIO Y EN SATURACIÓN DE LA PRESIÓN DE VAPOR DE SODIO. SE REQUIERE AMPLIA SEPARACIÓN DE LOS ELECTRODOS PARA TENER UNA TENSIÓN ADECUADA.

26. RENDIMIENTO LUMINOSO [%] BAJA PRESIÓN VSAP: EVOLUCIÓN DEL RENDIMIENTO LUMINOSO Y DEL ESPECTRO CON LA PRESIÓN EN EL TUBO DE DESCARGA 100 80 60 ESTÁNDAR (IRC 20) 40 IRC 60 IRC 80 ALTA PRESIÓN 20 1 10 100 1.000 10.000 100.000 PRESIÓN EN EL TUBO DE DESCARGA T=2.000K T=2.150K T=2.500K

27. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LA LÁMPARA DE VSAP 1.- TEMPERATURA DE COLOR CÁLIDA (ENTRE 2.000 - 2.200 K) 2.- IRC DEPENDIENTE DEL MODELO (ENTRE 20 - 80) 3.- VIDA MEDIA DE HASTA 24.000 HORAS 4.- EFICACIA LUMINOSA DE HASTA 130 lm/W 5.- NO TIENEN PRÁCTICAMENTE ULTRAVIOLETA TUBO DE DESCARGA (T HASTA 1.000 ºC) "OXIDO DE ALUMINIO SINTERIZADO" ANILLO DE ARRANQUE PARA FACILITAR EL CEBADO

28. EL TUBO DE DESCARGA CONTIENE UNA AMALGAMA DE SODIO (ALEACIÓN DE SODIO Y MERCURIO) JUNTO AL GAS NOBLE HABITUAL LÁMPARAS VSAP

29. VAPOR DE SODIO DE ALTA PRESIÓN IRC 23 VSAP IRC=20 HPS 150 W 350 400 450 500 550 600 650 700 750  [nm]

30. VAPOR DE SODIO DE ALTA PRESIÓN IRC=60 VSAP IRC=60 HPS 150 W 350 400 450 500 550 600 650 700 750  [nm]

31. VAPOR DE SODIO DE ALTA PRESIÓN IRC=80 VSAP IRC=80 HPS 150 W 350 400 450 500 550 600 650 700 750  [nm]

32. 8 6 TENSIÓN DE ENCENDIDO [KV] 4 2 200 400 600 800 1.000 TEMPERATURA [K] VSAP: RE-ENCENDIDO EN CALIENTE REQUIERE TENSIONES DE ENCENDIDO ELEVADAS EN CALIENTE

33. VSAP: DETALLE DE LA EVOLUCIÓN DE LA TENSIÓN DE ENCENDIDO CON EL TIEMPO DE ENFRIAMIENTO 3 VSAP 70 W 2,5 2 Tensión de ruptura (KV) 1,5 1 0,5 0 0 1 2 3 4 5 6 Tiempo de enfriamiento (min)

34. LÁMPARA DE VSAP: RESISTENCIA EQUIVALENTE EN ALTA FRECUENCIA (VARIA POCO CON LA POTENCIA) Pla VSAP 70W Osram 70 W 35 W Rla 90 - 95 

35. LÁMPARA DE VSAP: DIFERENCIAS ENTRE FABRICANTES 12 % Fluctuación (medida experimental sobre 5 lamp. Mazda, Osram and Philips) Pla 70 W VSAP 70W 85  95.5  90  Rla

36. LÁMPARA DE VSAP: ENVEJECIMIENTO 5.000 H Nueva 10.000 H La resistencia aumenta al envejecer la lámpara 70 W Efecto del envejecimiento 180  90  120  Rla DR varía dependiendo de la lámpara y puede ser mayor de 100% DR VSAP 70 W

37. LÁMPARAS DE HALOGENUROS METÁLICOS - ESTÁN DERIVADAS DE LAS DE VAPOR DE MERCURIO DE ALTA PRESIÓN Y SE LES HAN INCORPORADO ADITIVOS METÁLICOS PARA MEJORAR LA CALIDAD DE LA LUZ - NO EXISTE ELECTRODO AUXILIAR DE ENCENDIDO. - REQUIEREN TENSIONES DE CEBADO ELEVADAS (ENTRE 1.5 Y 5 KV). - SE PRECISA UN ARRANCADOR ELECTRÓNICO. - LA FASE DE CALENTAMIENTO PUEDE DURAR DE 3 A 10 MINUTOS

38. EXISTEN VARIOS ADITIVOS: DISPROSIO Y TALIO, SODIO Y ESCANDIO, TALIO Y TIERRAS RARAS. HALOGENUROS METÁLICOS TALIO Y TIERRAS RARAS 350 400 450 500 550 600 650 700 750  [nm] - LA DURACIÓN ES DE UNAS 6000 HORAS. - LA EFICIENCIA LUMINOSA PUEDE LLEGAR HASTA LOS 80 Lm/W - LA TEMPERATURA DE COLOR PUEDE ESTAR ENTRE 3.000 Y 5.500 K DEPENDIENDO DEL ADITIVO EMPLEADO

39. LA CALIDAD DE LUZ Y EL ÍNDICE DE REPRODUCCIÓN CROMÁTICA OBTENIDA CON ESTAS LÁMPARAS ES EXCELENTE FLUORESCENTE IRC 85 HALOGENUROS METÁLICOS IRC 90 LÁMPARA DE MERCURIO IRC 45

40. LÁMPARA DE MH CON ELECTRODOS A AMBOS LADOS PARA RE-ENCENDIDO INSTANTÁNEO CON ALTAS TENSIONES ELECTRODOS DE RE-ENCENDIDO

41. LÁMPARA MH PARA ESTUDIO DE TELEVISIÓN

42. VARIOS TIPOS DE LÁMPARA MH

43. ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID • Lâmpara HID: Vácuo

44. ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID • Tensión Elevada: 3kV p/ Lámpara fría • 30kV p/ Lámpara caliente • Ancho de pulso controlado: mínimo 1µs (normativa) • Cebado • Fase crítica para balastos electrónicos: corriente elevada y tensión reducida. • Calentamiento • Comportase como una resistencia. • Cuidado: característica dinámica. • Régimen Permanente

45. ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID - CEBADO • Ruptura del gas • Pulso de sobretensión; • Reducción de la tensión; • Modificación de las propiedades del gas de ignición. • Transición para un arco estable • Fornecer energía para que los electrodos atinjan la temperatura correcta de emisión; • Inercia en la variación de temperatura de los electrodos; • Transporte de energía pequeño; • Reducción de la vida útil de la lámpara.

46. ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID - CEBADO 1.- En la zona de descarga de arco se debe limitar la corriente (zona de resistencia negativa) 2.- Para ayudar a iniciar la descarga, se introducen gases inertes o una mezcla de gases (mezcla Penning) 3.- La tensión de ruptura depende de varios factores: geometría, presión del gas, temperatura ambiente, etc CORRIENTE DESCARGA DE ARCO RUPTURA DESCARGA LUMINICENTE TENUE LUMINOSIDAD TENSIÓN CORRIENTE DE SATURACIÓN (DESCARGA OSCURA) TENSIÓN DE RUPTURA

47. ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID - CEBADO Los gases que forman la descarga son buenos aislantes. Para iniciar la descarga se introducen gases inertes. TENSIÓN DE RUPTURA Ar Xe Ne MEZCLA PENNING Ne + 0.1% Ar PRESIÓN

48. 8 6 TENSIÓN DE CEBADO [kV] 4 2 200 400 600 800 1.000 TEMPERATURA [K] ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID - CEBADO

49. ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID - CEBADO 3 HPS 70 W 2,5 2 Tensión de Ignición (kV) 1,5 1 0,5 0 0 1 2 3 4 5 6 Tempo de enfriamiento (min)

50. ETAPAS DE OPERACIÓN DE LÁMPARAS HID - CEBADO • Tipos de cebado • Por pulso de tensión; • Con condensador auxiliar; • Filtro LCC resonante. • Topologías Estudiadas • SparkGap; • SIDAC; • Condensador; • Filtro LCC.