Una lámpara de arco de xenón es un tipo de lámpara de descarga de gas altamente especializada , una luz eléctrica que produce luz al pasar electricidad a través de gas xenón ionizado a alta presión. Produce una luz blanca brillante que imita de cerca la luz solar natural , con aplicaciones en proyectores de películas en cines , reflectores y para usos especializados en la industria y la investigación para simular la luz solar, a menudo para pruebas de productos.
Los "faros de xenón" en los automóviles son en realidad lámparas de halogenuros metálicos , en las que solo se utiliza un arco de xenón durante el encendido para proporcionar una cantidad mínima de luz al instante una vez que se enciende la lámpara.
Tipos
Las lámparas de arco de xenón se pueden dividir aproximadamente en tres categorías: lámparas de arco corto de xenón de salida continua, lámparas de arco largo de xenón de salida continua y lámparas de destellos de xenón (que generalmente se consideran por separado).
Cada uno consta de un cuarzo fundido u otro tubo de arco de vidrio resistente al calor , con un electrodo de metal de tungsteno en cada extremo. El tubo de vidrio se primera evacuó y luego re-llena de gas xenón. Para los tubos de flash de xenón, un tercer electrodo "disparador" generalmente rodea el exterior del tubo de arco. La vida útil de una lámpara de arco de xenón varía según su diseño y consumo de energía, y un fabricante importante cita una vida útil promedio que varía entre 500 horas (7kW) y 1.500 (1kW). [1]
Historia
P. Schulz despertó por primera vez el interés en la descarga de xenón en 1944, tras su descubrimiento de su espectro casi continuo y su luz blanca de alta reproducción cromática. [2] Debido a las limitaciones de la disponibilidad de este gas noble en tiempos de guerra, no se lograron avances significativos hasta que John Aldington de la compañía británica de lámparas Siemens publicó su investigación en 1949. [3] Esto provocó intensos esfuerzos en la compañía alemana Osram para desarrollar aún más la tecnología como reemplazo de los arcos de carbono en la proyección de cine. La primera proyección pública exitosa con luz de xenón se realizó el 30 de octubre de 1950, cuando se mostraron extractos de una película en color ( Das Schwarzwaldmädel ) durante la 216ª sesión de la Sociedad Cinematográfica Alemana en Berlín. [4] La tecnología fue introducida comercialmente por German Osram en 1952. [5] Producidas por primera vez en el tamaño de 2 kW (XBO2001), [ cita requerida ] estas lámparas tuvieron un amplio uso en la proyección de películas , donde reemplazaron a las más antiguas, más laboriosas Lámparas de arco de carbón intensivas (para operar) .
Uso moderno
La luz blanca continua generada por el arco de xenón es espectralmente similar a la luz del día, pero la lámpara tiene una eficacia bastante baja en términos de lúmenes de salida de luz visible por vatio de potencia de entrada. Hoy en día, casi todos los proyectores de películas en los cines emplean estas lámparas, con potencias que van desde los 900 vatios hasta los 12 kW. Los sistemas de proyección Omnimax (Imax Dome) utilizan lámparas de xenón individuales con potencias de hasta 15 kW. A partir de 2016, la iluminación láser para proyectores de teatro digital está comenzando a establecer una presencia en el mercado [6] y se prevé que sustituirá a la lámpara de arco de xenón para esta aplicación. [7]
El tamaño muy pequeño del arco permite enfocar la luz de la lámpara con precisión moderada. Por esta razón, las lámparas de arco de xenón de tamaños más pequeños, hasta 10 vatios, se utilizan en óptica y en iluminación de precisión para microscopios y otros instrumentos, aunque en los tiempos modernos están siendo reemplazadas por diodos láser monomodo y láseres supercontinuos de luz blanca que pueden producir un punto verdaderamente limitado por difracción. Las lámparas más grandes se emplean en reflectores donde se generan haces de luz estrechos, o en iluminación de producción de películas donde se requiere la simulación de la luz del día.
Todas las lámparas de arco corto de xenón generan una considerable radiación ultravioleta . El xenón tiene fuertes líneas espectrales en las bandas UV, y estas pasan fácilmente a través de la envoltura de la lámpara de cuarzo fundido. A diferencia del vidrio de borosilicato que se usa en las lámparas estándar, el cuarzo fundido pasa fácilmente la radiación UV a menos que esté especialmente dopado . La radiación ultravioleta liberada por una lámpara de arco corto puede causar un problema secundario de generación de ozono . La radiación ultravioleta golpea las moléculas de oxígeno en el aire que rodea la lámpara, provocando su ionización. Algunas de las moléculas ionizadas luego se recombinan como O 3 , ozono. Los equipos que utilizan lámparas de arco corto como fuente de luz deben contener radiación ultravioleta y evitar la acumulación de ozono.
Muchas lámparas tienen una capa de bloqueo de rayos ultravioleta de onda corta en el sobre y se venden como lámparas "libres de ozono". Estas lámparas "libres de ozono" se utilizan comúnmente en aplicaciones de interior, donde la ventilación adecuada no es de fácil acceso. La empresa WACOM también tiene una larga trayectoria en la producción de lámparas de xenón. [8] Algunas lámparas tienen envoltorios hechos de sílice fundida sintética ultrapura (como "Suprasil"), que aproximadamente duplica el costo, pero les permite emitir luz útil en la región ultravioleta del vacío . Estas lámparas funcionan normalmente en una atmósfera de nitrógeno puro.
Construcción de lámpara
Todas las lámparas de arco corto de xenón modernas utilizan una envoltura de cuarzo fundido con electrodos de tungsteno toriados . El cuarzo fundido es el único material económicamente viable actualmente disponible que puede soportar la alta presión (25 atmósferas para una bombilla IMAX ) y la alta temperatura presente en una lámpara en funcionamiento, sin dejar de ser ópticamente transparente. El dopante de torio en los electrodos mejora en gran medida sus características de emisión de electrones . Debido a que el tungsteno y el cuarzo tienen diferentes coeficientes de expansión térmica , los electrodos de tungsteno se sueldan a tiras de metal de molibdeno puro o aleación Invar , que luego se funden en el cuarzo para formar el sello de la envoltura.
Debido a los altísimos niveles de potencia implicados, las lámparas grandes se refrigeran por agua. En los que se utilizan en los proyectores IMAX, los cuerpos de los electrodos están hechos de invar sólido y tienen una punta de tungsteno toriado. Una junta tórica sella el tubo para que los electrodos desnudos no entren en contacto con el agua. En aplicaciones de baja potencia, los electrodos están demasiado fríos para una emisión de electrones eficiente y no se enfrían. En aplicaciones de alta potencia, es necesario un circuito de refrigeración por agua adicional para cada electrodo. Para reducir el costo, los circuitos de agua a menudo no están separados y el agua debe ser desionizada para que no sea conductora de electricidad, lo que permite que el cuarzo o algunos medios láser se disuelvan en el agua.
Para lograr la máxima eficiencia, el gas xenón dentro de las lámparas de arco corto se mantiene a una presión extremadamente alta, hasta 30 atmósferas (440 psi / 3040 kPa), lo que plantea problemas de seguridad. Si una lámpara se cae o se rompe mientras está en servicio, los pedazos de la envoltura de la lámpara pueden arrojarse a alta velocidad. Para mitigar esto, las lámparas grandes de arco corto de xenón normalmente se envían en pantallas protectoras, que contendrán los fragmentos de la envoltura en caso de que se rompa. Normalmente, el protector se quita una vez que la lámpara está instalada en la carcasa de la lámpara. Cuando la lámpara llega al final de su vida útil, la pantalla protectora se vuelve a colocar en la lámpara y la lámpara gastada se retira del equipo y se desecha. A medida que las lámparas envejecen, aumenta el riesgo de fallas, por lo que las bombillas que se reemplazan tienen mayor riesgo de explosión. Los fabricantes de lámparas recomiendan el uso de protección ocular al manipular lámparas de arco corto de xenón. Algunas lámparas, especialmente las que se utilizan en los proyectores IMAX, requieren el uso de ropa protectora para todo el cuerpo.
Mecanismo de generación de luz
Las lámparas de arco corto de xenón vienen en dos variedades distintas: xenón puro, que contiene sólo gas xenón; y xenón-mercurio, que contiene gas xenón y una pequeña cantidad de mercurio metálico.
Xenón puro
En una lámpara de xenón puro, la mayor parte de la luz se genera dentro de una nube de plasma diminuta, del tamaño de un alfiler, situada donde la corriente de electrones sale de la cara del cátodo. El volumen de generación de luz tiene forma de cono y la intensidad luminosa cae exponencialmente moviéndose de cátodo a ánodo. Los electrones que atraviesan la nube de plasma chocan contra el ánodo, lo que hace que se caliente. Como resultado, el ánodo en una lámpara de arco corto de xenón tiene que ser mucho más grande que el cátodo o estar refrigerado por agua para disipar el calor. La salida de una lámpara de arco corto de xenón puro ofrece una distribución de potencia espectral bastante continua con una temperatura de color de aproximadamente 6200 K y un índice de reproducción cromática cercano a 100. [9] Sin embargo, incluso en una lámpara de alta presión hay algunas líneas de emisión muy fuertes en el infrarrojo cercano, aproximadamente en la región de 850 a 900 nm. Esta región espectral puede contener aproximadamente el 10% de la luz emitida total. [ cita requerida ] La intensidad de la luz varía de 20.000 a 500.000 cd / cm 2 . Un ejemplo es la "lámpara XBO", que es un nombre comercial de OSRAM para una lámpara de arco corto de xenón puro. [9]
Para algunas aplicaciones, como la endoscopia y la tecnología dental, se incluyen sistemas de guía de luz.
Xenón-mercurio
Como en una lámpara de xenón puro, la mayor parte de la luz producida se irradia desde una nube de plasma del tamaño de un alfiler cerca de la cara del cátodo. Sin embargo, la nube de plasma en una lámpara de xenón-mercurio es a menudo más pequeña que la de una lámpara de xenón puro de tamaño equivalente, debido a que la corriente de electrones pierde su energía más rápidamente en los átomos de mercurio más pesados. Las lámparas de arco corto de xenón-mercurio tienen un espectro de color blanco azulado y una salida de rayos ultravioleta extremadamente alta . Estas lámparas se utilizan principalmente para aplicaciones de curado UV , esterilización de objetos y generación de ozono .
Lámparas de xenón de cerámica
Las lámparas de arco corto de xenón también se fabrican con un cuerpo cerámico y un reflector integral. Están disponibles en muchas clasificaciones de potencia de salida con ventanas de bloqueo o de transmisión de UV. Las opciones de reflector son parabólicas (para luz colimada) o elípticas (para luz enfocada). Se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, como proyectores de vídeo, iluminadores de fibra óptica, iluminación de faros y endoscopios, iluminación dental y luces de búsqueda.
Requisitos de suministro de energía
Las lámparas de arco corto de xenón tienen un coeficiente de temperatura negativo como otras lámparas de descarga de gas. Se operan a baja tensión, alta corriente, CC y se inician con un pulso de alta tensión de 20 a 50 kV. Por ejemplo, una lámpara de 450 W funciona normalmente a 18 V y 25 A una vez encendida. También son inherentemente inestables, propensos a fenómenos como la oscilación del plasma y la fuga térmica . [ cita requerida ] Debido a estas características, las lámparas de arco corto de xenón requieren una fuente de alimentación adecuada que funcione sin parpadear en la llama, lo que finalmente podría dañar los electrodos.
Faros de automoción
En 1991 se introdujeron los " faros de xenón " para vehículos ( BMW E32 ). En realidad, se trata de lámparas de halogenuros metálicos ; el gas xenón se usa solo para proporcionar algo de luz inmediatamente después del encendido de la lámpara, como se requiere para la seguridad en una aplicación de faros de automóviles. La intensidad máxima se alcanza de 20 a 30 segundos más tarde, una vez que las sales de sodio y escandio se vaporizan por el calor del arco de xenón. La envoltura de la lámpara es pequeña y el arco se extiende solo unos pocos milímetros . Un tubo exterior de vidrio duro bloquea el escape de la radiación ultravioleta que tendería a dañar los componentes de plástico de los faros. Los primeros faros de xenón contenían mercurio; los tipos más nuevos no lo hacen.
Lámparas de arco largo de xenón
Estas son estructuralmente similares a las lámparas de arco corto, excepto que la distancia entre los electrodos en el tubo de vidrio es muy alargada. Cuando se montan dentro de un reflector elíptico , estas lámparas se utilizan con frecuencia para simular la luz solar en breves destellos, a menudo para fotografía. Los usos típicos incluyen pruebas de células solares (con el uso de filtros ópticos), simulación solar para pruebas de envejecimiento de materiales, procesamiento térmico rápido, inspección y sinterización de materiales.
Aunque no se conocen comúnmente fuera de Rusia y los países satélites de la antigua Unión Soviética, las lámparas de xenón de arco largo se utilizaron para la iluminación general de grandes áreas como estaciones de ferrocarril, estadios deportivos, operaciones mineras y espacios de gran altura en plantas de energía nuclear. Estas lámparas, Лампа ксеноновая ДКСТ , literalmente "lámpara de xenón DKST", se caracterizaban por altas potencias que van desde 2kW hasta 100 kW. Las lámparas funcionaban en un régimen de descarga peculiar en el que el plasma se termalizaba, es decir, los electrones no estaban significativamente más calientes que el propio gas. En estas condiciones se demostró una curva corriente-voltaje positiva. Esto permitió que los tamaños comunes más grandes, como 5 y 10 kW, funcionaran directamente desde la red CA a 110 y 220 voltios, respectivamente, sin balasto; solo se necesitaba un encendedor en serie para iniciar el arco.
Las lámparas producían alrededor de 30 lúmenes / vatio, que es aproximadamente el doble de la eficiencia de la lámpara incandescente de tungsteno, pero menos que las fuentes más modernas como el haluro metálico. Tenían la ventaja de no tener contenido de mercurio, refrigeración por aire por convección, ningún riesgo de rotura por alta presión y una reproducción del color casi perfecta. Debido a la baja eficiencia y la competencia de los tipos de lámparas más comunes, quedan pocas instalaciones en la actualidad, pero donde lo hacen, pueden ser reconocidas por un reflector rectangular / elíptico característico y una luz azul-blanca nítida de una fuente tubular relativamente larga.
Ver también
- Lista de fuentes de luz
Referencias
- ^ "Ushio - página de datos del producto" . 2017-04-18.
- ↑ Edelgasbögen, P.Schulz, Reichsbericht f.Physik, Volumen 1 (1944) p147
- ^ Arcos de gas, JN Aldington, Transactions of the Illuminating Engineering Society of London, Vol.14 (1949) pp19-51.
- ^ Die Neuen Xenon-Hochdrucklampen, K. Ittig, K. Larché, F. Michalk, Technisch-wissenschaftliche Abhandlungen der Osram-Gesellchaft, Vol.6 (1953) pp33-38.
- ↑ Technik der Spezial-Entladungslampen, publ. Osram GmbH 1989, p24.
- ^ "Christie anuncia la instalación de proyectores láser" .
- ^ "Ejemplo de artículo sobre iluminación láser que reemplaza el arco de xenón" . 2014-02-22.
- ^ "WACOM KXL" (PDF) .
- ^ a b "OSRAM SYVLANIA XBO" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 18 de julio de 2013.
