Lámpara de descarga de gas

Las lámparas de descarga de gas son una familia de fuentes de luz artificiales que generan luz enviando una descarga eléctrica a través de un gas ionizado, un plasma.

Por lo general, estas lámparas utilizan un gas noble (argón, neón, criptón y xenón) o una mezcla de estos gases. Algunos incluyen sustancias adicionales, como mercurio, sodio y haluros metálicos, que se vaporizan durante el arranque para formar parte de la mezcla de gases.

Las lámparas de encendido automático 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) y una tapa de metal. Incluyen la lámpara de vapor de sodio, que es la lámpara de descarga de gas del alumbrado público.

En funcionamiento, algunos de los electrones se ven obligados a dejar los átomos del gas cerca del ánodo por el campo eléctrico aplicado entre los dos electrodos, dejando estos átomos positivamente ionizados. Los electrones libres así liberados fluyen hacia el ánodo, mientras que las caciones así formadas son aceleradas por el campo eléctrico y fluyen hacia la cátodo.

Los iones normalmente cubren sólo una distancia muy corta antes de chocar con átomos de gas neutro, que les dan a los iones sus electrones. Los átomos que perdieron un electrón durante las colisiones se ionizan y aceleran hacia el cátodo, mientras que los iones que ganaron un electrón durante las colisiones regresan a un estado de menor energía, liberando energía en forma de fotones. De este modo se emite luz de una frecuencia característica. De esta manera, los electrones se transmiten a través del gas desde el cátodo al ánodo.

El color de la luz producida depende de los espectros de emisión de los átomos que componen el gas, así como de la presión del gas, la densidad de corriente y otras variables. Las lámparas de descarga de gas pueden producir una amplia gama de colores. Algunas lámparas producen radiación ultravioleta que se convierte en luz visible mediante una capa fluorescente en el interior de la superficie de vidrio de la lámpara. La lámpara fluorescente es quizás la lámpara de descarga de gas más conocida.

En comparación con las lámparas incandescentes, las lámparas de descarga de gas ofrecen una mayor eficiencia, pero son más complicadas de fabricar y la mayoría presenta una resistencia negativa, lo que hace que la resistencia en el plasma disminuya a medida que aumenta el flujo de corriente. Por lo tanto, generalmente requieren equipos electrónicos auxiliares, como balastros, para controlar el flujo de corriente a través del gas, evitando la fuga de corriente (arco eléctrico).

Algunas lámparas de descarga de gas también tienen un tiempo de encendido perceptible para alcanzar su máxima potencia luminosa. Aún así, debido a su mayor eficiencia, las lámparas de descarga de gas fueron preferidas a las luces incandescentes en muchas aplicaciones de iluminación, hasta las recientes mejoras en la tecnología de lámparas LED.

Historia

La historia de las lámparas de descarga de gas comenzó en 1675 cuando el astrónomo francés Jean Picard observó que el espacio vacío en su barómetro de mercurio brillaba cuando el mercurio se agitaba mientras él llevaba el barómetro. Los investigadores, entre ellos Francis Hauksbee, intentaron determinar la causa del fenómeno. Hauksbee demostró por primera vez una lámpara de descarga de gas en 1705. Demostró que un globo de vidrio evacuado o parcialmente evacuado, en el que colocaba una pequeña cantidad de mercurio, mientras se cargaba con electricidad estática, podía producir una luz lo suficientemente brillante como para leer. El fenómeno del arco eléctrico fue descrito por primera vez por Vasily V. Petrov en 1802. En 1809, Sir Humphry Davy demostró el arco eléctrico en la Royal Institution de Gran Bretaña. Desde entonces, se han investigado las fuentes de luz de descarga porque crean luz a partir de electricidad de manera mucho más eficiente que las bombillas incandescentes.

El padre del tubo de descarga de gas de baja presión fue el soplador de vidrio alemán Heinrich Geissler, quien a partir de 1857 construyó artísticos y coloridos tubos de cátodo frío con diferentes gases que brillaban con muchos colores diferentes, llamados tubos Geissler. Se demostró que los gases inertes como los gases nobles neón, argón, criptón o xenón, así como el dióxido de carbono, funcionan bien en los tubos. Esta tecnología fue comercializada por el ingeniero francés Georges Claude en 1910 y se convirtió en iluminación de neón, utilizada en letreros de neón.

La introducción de la lámpara de vapor de metal, que incluía varios metales dentro del tubo de descarga, fue un avance posterior. El calor de la descarga de gas vaporiza parte del metal y la descarga es producida casi exclusivamente por el vapor del metal. Los metales habituales son el sodio y el mercurio debido a su emisión en el espectro visible.

Cien años de investigación condujeron más tarde a lámparas sin electrodos que, en cambio, se alimentan mediante microondas o fuentes de radiofrecuencia. Además, se han creado fuentes de luz de potencia mucho menor, ampliando las aplicaciones de la iluminación de descarga al uso doméstico o interior.

El "Ruhmkorff" lámpara

Las lámparas Ruhmkorff fueron una de las primeras formas de lámpara eléctrica portátil, recibieron el nombre de Heinrich Daniel Ruhmkorff y se utilizaron por primera vez en la década de 1860. La lámpara constaba de un tubo Geissler excitado por una bobina de inducción de Ruhmkorff alimentada por batería; uno de los primeros transformadores capaces de convertir corrientes continuas de bajo voltaje en pulsos rápidos de alto voltaje. Inicialmente, la lámpara generaba luz blanca mediante el uso de un tubo Geissler lleno de dióxido de carbono. Sin embargo, el dióxido de carbono tendía a descomponerse. Por lo tanto, en lámparas posteriores, el tubo Geissler se llenó con nitrógeno (que generaba luz roja) y el vidrio transparente se reemplazó con vidrio de uranio (que emitía fluorescencia con luz verde).

Diseñada para su uso en entornos potencialmente explosivos de la minería, así como en entornos libres de oxígeno como el buceo o como lámpara sin calor para su posible uso en cirugía, la lámpara fue desarrollada por Alphonse Dumas, un ingeniero de las minas de hierro. de Saint-Priest y de Lac, cerca de Privas, en el departamento de Ardèche, Francia, y por la Dra. Camille Benoît, médico de Privas. En 1864, la Academia de Ciencias de Francia concedió a Dumas y Benoît un premio de 1.000 francos por su invento. Las lámparas, tecnología puntera en su época, adquirieron fama tras ser descritas en varias novelas de ciencia ficción de Julio Verne.

Color

Cada gas, dependiendo de su estructura atómica, emite radiación de determinadas longitudes de onda, su espectro de emisión, que determina el color de la luz de la lámpara. Como forma de evaluar la capacidad de una fuente de luz para reproducir los colores de varios objetos iluminados por la fuente, la Comisión Internacional de Iluminación (CIE) introdujo el índice de reproducción cromática (CRI). Algunas lámparas de descarga de gas tienen un CRI relativamente bajo, lo que significa que los colores que iluminan parecen sustancialmente diferentes de cómo lo hacen bajo la luz solar u otra iluminación con un CRI alto.

Gas	Color	Spectrum	Notas	Imagen
Helio	Blanco a naranja; bajo algunas condiciones puede ser gris, azul o verde-azul.		Utilizado por artistas para iluminación de uso especial.
Neon	Red-orange		Luz intensa. Usado frecuentemente en signos de neón y lámparas de neón.
Argon	Violet a pálido lavanda azul		A menudo se utiliza junto con vapor de mercurio.
Krypton	Gris de blanco a verde. En las altas corrientes pico, brillante azul-blanco.		Utilizado por artistas para iluminación de uso especial.
Xenon	Gris o azul-gray dim blanco. En las altas corrientes pico, muy brillante verde-azul.		Se utiliza en lámparas flash, faros HID xenon y lámparas de arco xenon.
Nitrogen	Similar a argon pero duller, más rosa; en las altas corrientes pico brillante azul-blanco.		utilizado en la lámpara Moore (históricamente)
Oxygen	Violet a lavanda, martillo que argon
Hidrogen	Lavanda en corrientes bajas, rosa a magenta sobre 10 mA
vapor de agua	Similar a hidrógeno, martillo
Dióxido de carbono	Azul-blanco a rosa, en las corrientes inferiores más brillante que xenón		Usado en láser de dióxido de carbono, la lámpara Moore (históricamente).
vapor de mercurio	Azul claro, intenso ultravioleta		Ultravioleta no se muestra en esta imagen espectral. Usado en combinación con fósforos usados para generar muchos colores de luz. Ampliamente utilizado en lámparas de vapor de mercurio y tubos fluorescentes.
vapor de sodio (presión baja)	Amarillo naranja brillante		Ampliamente utilizado en lámparas de sodio-vapor.

Tipos

Las lámparas se dividen en familias según la presión del gas y si el cátodo se calienta o no. Las lámparas de cátodo caliente tienen electrodos que funcionan a alta temperatura y se calientan mediante la corriente de arco en la lámpara. El calor elimina los electrones de los electrodos mediante emisión termoiónica, lo que ayuda a mantener el arco. En muchos tipos, los electrodos consisten en filamentos eléctricos hechos de alambre fino, que se calientan mediante una corriente separada al inicio, para iniciar el arco. Las lámparas de cátodo frío tienen electrodos que funcionan a temperatura ambiente. Para iniciar la conducción en la lámpara se debe aplicar un voltaje suficientemente alto (el voltaje de encendido) para ionizar el gas, por lo que estas lámparas requieren un voltaje más alto para encenderse.

Lámparas de descarga de baja presión

Las lámparas de baja presión tienen una presión de trabajo mucho menor que la presión atmosférica. Por ejemplo, las lámparas fluorescentes comunes funcionan a una presión de aproximadamente el 0,3% de la presión atmosférica.

Las lámparas fluorescentes, una lámpara de cátodo calentado, la lámpara más común en iluminación de oficinas y muchas otras aplicaciones, producen hasta 100 lúmenes por vatio.

Iluminación de neón, una forma ampliamente utilizada de iluminación especial de cátodo frío que consiste en tubos largos llenos de diversos gases a baja presión excitados por altos voltajes, que se utiliza como publicidad en letreros de neón.

Las lámparas de sodio de baja presión, el tipo de lámpara de descarga de gas más eficiente, producen hasta 200 lúmenes por vatio, pero a expensas de una reproducción cromática muy pobre. La luz amarilla, casi monocromática, sólo es aceptable para el alumbrado público y aplicaciones similares.

Se utiliza una pequeña lámpara de descarga que contiene un interruptor bimetálico para encender una lámpara fluorescente. En este caso el calor de la descarga se utiliza para accionar el interruptor; El motor de arranque está contenido en una carcasa opaca y no se utiliza la pequeña potencia luminosa.

Las lámparas de brillo continuo se producen para aplicaciones especiales donde los electrodos se pueden cortar en forma de caracteres alfanuméricos y figuras.

Una bombilla de luz parpadeante, una bombilla de llama parpadeante o una lámpara de brillo parpadeante es una lámpara de descarga de gas que produce luz ionizando un gas, generalmente neón mezclado con helio y una pequeña cantidad de gas nitrógeno, mediante una corriente eléctrica que pasa a través de dos Pantallas de electrodos en forma de llama recubiertas con azida de bario parcialmente descompuesta. El gas ionizado se mueve aleatoriamente entre los dos electrodos, lo que produce un efecto de parpadeo, que a menudo se comercializa como una llama de vela (ver imagen).

Lámparas de descarga de alta presión

Las lámparas de alta presión tienen una descarga que se produce en gas bajo una presión ligeramente menor o mayor que la atmosférica. Por ejemplo, una lámpara de sodio de alta presión tiene un tubo de arco bajo una presión de 100 a 200 torr, aproximadamente del 14% al 28% de la presión atmosférica; Algunos faros HID de automóviles tienen hasta 50 bar o cincuenta veces la presión atmosférica.

Las lámparas de halogenuros metálicos producen una luz casi blanca y alcanzan una salida de luz de 100 lúmenes por vatio. Las aplicaciones incluyen iluminación interior de edificios altos, estacionamientos, tiendas y terrenos deportivos.

Las lámparas de sodio de alta presión, que producen hasta 150 lúmenes por vatio, producen un espectro de luz más amplio que las lámparas de sodio de baja presión. También se utiliza para alumbrado público y para fotoasimilación artificial para plantas en crecimiento.

Las lámparas de vapor de mercurio de alta presión son el tipo de lámpara de alta presión más antiguo y han sido reemplazadas en la mayoría de las aplicaciones por lámparas de halogenuros metálicos y de sodio de alta presión. Requieren una longitud de arco más corta.

Lámparas de descarga de alta intensidad

Una lámpara de descarga de alta intensidad (HID) es un tipo de lámpara eléctrica que produce luz mediante un arco eléctrico entre electrodos de tungsteno alojados dentro de un tubo de arco de alúmina o cuarzo fundido translúcido o transparente. En comparación con otros tipos de lámparas, existe una potencia de arco relativamente alta para la longitud del arco. Ejemplos de lámparas HID incluyen lámparas de vapor de mercurio, lámparas de halogenuros metálicos, lámparas de halogenuros metálicos de descarga cerámica, lámparas de vapor de sodio y lámparas de arco de xenón.

Las lámparas HID se utilizan normalmente cuando se desean altos niveles de iluminación y eficiencia energética.

Otros ejemplos

La lámpara de flash de xenón produce un único destello de luz en el rango de milisegundos-microsegundos y se utiliza comúnmente en cine, fotografía e iluminación teatral. Las versiones particularmente robustas de esta lámpara, conocidas como luces estroboscópicas, pueden producir largas secuencias de destellos, lo que permite el examen estroboscópico del movimiento. Esto ha encontrado utilidad en el estudio del movimiento mecánico, en medicina y en la iluminación de salones de baile.

Alternativas

• Lámparas increíbles: Tienen bajos costos de fabricación;
• Lámpara LED blanca. La eficiencia de las lámparas LED blancas es de 61-200 lm/W.
• Linternas propulsadas por la batería (llenando con krypton o xenón).