23 noviembre 2010

Tecnología de iluminación mediante lámparas de descarga de alta intensidad


La industria de la iluminación está actualmente enfocada a la tecnología LED, pero la iluminación HID (descarga de alta intensidad) todavía se usa para muchas aplicaciones de iluminación para propósito general y arquitectónico de exteriores. Estas lámparas son populares debido a su alta eficacia (120 lúmenes/vatio), larga vida útil (20000 horas), y excelente devolución de color. Las propiedades eléctricas de las lámparas HID son únicas, y su tecnología no es muy conocida en la industria. En este artículo explicamos los fundamentos de las lámparas HID, sus características eléctricas, y la forma de controlarla.

  
Tecnología HID

Las lámparas HID producen luz usando una técnica similar a la utilizada en las lámparas fluorescentes, donde los átomos de mercurio se excitan por medio de una corriente eléctrica resultante en la producción de luz ultravioleta (UV). La luz UV se convierte en luz visible mediante un revestimiento de fósforo en el interior del tubo. En las lámparas HID, operan a muy alta temperatura y alta presión, la longitud del arco es muy corta, y la luz visible se produce directamente sin necesidad de fósforo.

Las lámparas de haluros metálicos consisten en un tubo de arco rodeado por una envolvente exterior. El tubo del arco está hecho de cuarzo o vidrio cerámico, tiene electrodos de tungsteno localizado en cada extremo, y contiene una mezcla de argón, mercurio, y sales de haluros metálicos. Los haluros metálicos se añaden a la lámpara para incrementar los lúmenes y mejorar el color de la luz.

La lámpara se enciende aplicando un pulso de alto voltaje a través del tubo de forma que se ioniza el gas argón. Una vez el gas está completamente ionizado, se extiende un arco sostenido de un electrodo al otro, y la corriente (suministrada por un balasto) fluye a través del tubo para ionizar el gas argón. Una vez el gas está completamente ionizado, un arco sostenido se extiende de un electrodo a otro, y la corriente (suministrada por un balasto) fluye a través del tubo. Ya que la presión y temperatura en el interior del tubo se incrementa, los materiales dentro del tubo del arco se vaporizan, y la luz es emitida en forma de luz visible y radiación UV.

Requerimientos de lámparas HID

Las lámparas HID requieren alto voltaje para ignición (3 a 4 kV típico, >20 kV si la lámpara está caliente), limitación de corriente durante el calentamiento, y una energía constante mientras funcionan. Es importante tener una estrecha regulación de la energía de la lámpara para minimizar el color lámpara-a-lámpara y las variaciones en el brillo. También, las lámparas HID pueden también funcionar con un voltaje ac de baja frecuencia (<200 Hz típica) para evitar la migración del mercurio y prevenir daños en las lámparas debidos a resonancia acústica.

Una lámpara HID de 250 vatios de haluros metálicos tiene los siguientes requerimientos: 250 vatios nominal, un voltaje nominal de 100 V rms, corriente nominal de 2.5 A rms, tiempo de calentamiento de 2 minutos, y voltaje de ignición de 4000 V pk.

Antes de la ignición, la lámpara es un circuito abierto. Después de la ignición de la lámpara, el voltaje de la lámpara cae rápidamente del voltaje en circuito abierto a valores muy bajos (20 V típicos) debido a la baja resistencia de la lámpara. Esto causa que la corriente de la lámpara se incremente a un valor muy alto y por lo tanto tenga limitado a un nivel máximo de seguridad (limitación de corriente). Cuando la lámpara se calienta, la corriente decrece cuando el voltaje y la potencia se incrementan. Eventualmente el voltaje de la lámpara alcanza su valor nominal (100V típico) y la potencia se regula a un nivel constante.

Para satisfacer los requerimientos de la lámpara y diferentes modos de operación, se necesita un circuito de balasto electrónico que provoca la ignición de la lámpara, controla la potencia de la lámpara, y produce un voltaje de la lámpara ac.

Topología del circuito de balasto HID

Un diagrama de bloque de balasto electrónico HID típico incluye filtrado EMI para bloquear el ruido generado por el balasto, un rectificador de puente para convertir el voltaje principal ac a un voltaje rectificado de onda completa, una etapa PFC para corrección del factor de potencia activa y generar un voltaje de bus dc constante, un convertidor para controlar la corriente de la lámpara, una etapa para la operación ac de la lámpara, y un circuito de ignición para encender la lámpara.

Un circuito de control o IC es necesario para controlar el sistema y gestionar las diferentes operaciones y modos de operación de las lámparas.

La etapa PFC realiza una corrección del factor de potencia activa de forma que la corriente de entrada al balasto en ac tiene la misma fase y forma del voltaje de entrada principal. Esta etapa también mantiene un voltaje de bus dc (400V dc típico) sobre un amplio voltaje de la línea de entrada y rango de carga. Los métodos de control más populares para el PFC incluyen el modo de conducción crítico o el modo de conducción continuo, y muy diferentes ICs de control están disponibles en el mercado para realizar esta función.

Como conclusión indicamos que la iluminación HID es un mercado en crecimiento con muchas aplicaciones. La iluminación de exterior es especialmente atractiva debido a la larga duración y alto brillo que estas lámparas transmiten y los enormes beneficios de ahorro energético que los balastos electrónicos ofrecen. Los requerimientos de la lámpara son críticos y los requerimientos del balasto son un desafío, haciendo el diseño del balasto electrónico una tarea difícil.

Bibliografía: HID-lighting-technology fundamentals. EDN October 21, 2010
Palabras clave: HID (high-intensity-discharge)
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