Las lámparas constan de dos tipos básicos: lámparas de filamento (o incandescentes) y lámparas de descarga. Los componentes básicos de ambos tipos de lámparas incluyen vidrio, varias piezas de alambre de metal, un gas de relleno y, por lo general, una base. Según el fabricante de la lámpara, estos materiales se fabrican internamente o se pueden obtener de un proveedor externo. El fabricante típico de lámparas fabricará sus propias bombillas de vidrio, pero puede comprar otras piezas y lentes de fabricantes especializados o de otras compañías de lámparas.
Dependiendo del tipo de lámpara, se pueden usar una variedad de lentes. Las lámparas incandescentes y fluorescentes suelen utilizar un vidrio de cal sodada. Las lámparas de temperatura más alta usarán vidrio de borosilicato, mientras que las lámparas de descarga de alta presión usarán cuarzo o cerámica para el tubo de arco y vidrio de borosilicato para la cubierta exterior. El vidrio emplomado (que contiene aproximadamente entre un 20 y un 30 % de plomo) se suele utilizar para sellar los extremos de las bombillas de las lámparas.
Los cables utilizados como soportes o conectores en la construcción de lámparas pueden estar hechos de una variedad de materiales que incluyen acero, níquel, cobre, magnesio y hierro, mientras que los filamentos están hechos de tungsteno o aleación de tungsteno-torio. Un requisito crítico para el cable de soporte es que debe coincidir con las características de expansión del vidrio donde el cable penetra el vidrio para conducir la corriente eléctrica de la lámpara. Con frecuencia, en esta aplicación se utilizan cables conductores de varias partes.
Las bases (o tapas) suelen estar hechas de latón o aluminio, siendo el latón el material preferido cuando se requiere uso en exteriores.
Lámparas de filamento o incandescentes
Las lámparas de filamento o incandescentes son el tipo de lámpara más antiguo que aún se fabrica. Toman su nombre de la forma en que estas lámparas producen su luz: a través del calentamiento de un filamento de alambre a una temperatura lo suficientemente alta como para que brille. Si bien es posible fabricar una lámpara incandescente con casi cualquier tipo de filamento (las primeras lámparas usaban carbón), hoy en día la mayoría de estas lámparas usan un filamento hecho de metal de tungsteno.
Lámparas de tungsteno. La versión doméstica común de estas lámparas consiste en una bombilla de vidrio que encierra un filamento de alambre de tungsteno. La electricidad es conducida al filamento por cables que sostienen el filamento y se extienden a través de la montura de vidrio que está sellada a la bombilla. Luego, los cables se conectan a la base de metal, con un cable soldado en el ojal central de la base y el otro conectado a la cubierta roscada. Los hilos de soporte son de composición especial, de modo que tienen las mismas características de expansión que el vidrio, evitando fugas cuando las lámparas se calientan durante el uso. El bulbo de vidrio generalmente está hecho de vidrio de cal, mientras que el soporte de vidrio es de vidrio emplomado. El dióxido de azufre se utiliza con frecuencia en la preparación de la preparación. El dióxido de azufre actúa como lubricante durante el montaje de lámparas de alta velocidad. Dependiendo del diseño de la lámpara, la bombilla puede encerrar un vacío o puede usar un gas de relleno de argón o algún otro gas no reactivo.
Las lámparas de este diseño se venden con bombillas de vidrio transparente, bombillas esmeriladas y bombillas recubiertas con una variedad de materiales. Las bombillas esmeriladas y recubiertas con un material blanco (frecuentemente arcilla o sílice amorfa) se utilizan para reducir el deslumbramiento del filamento que se encuentra en las bombillas transparentes. Las bombillas también están recubiertas con una variedad de otros revestimientos decorativos, que incluyen cerámica de colores y lacas en el exterior de las bombillas y otros colores, como amarillo o rosa, en el interior de la bombilla.
Si bien la forma típica del hogar es la más común, las lámparas incandescentes se pueden fabricar en muchas formas de bombilla, incluidos tubulares, globos y reflectores, así como en muchos tamaños y potencias, desde subminiatura hasta grandes lámparas de escenario/estudio.
Lámparas de tungsteno-halógeno. Un problema en el diseño de la lámpara de filamento de tungsteno estándar es que el tungsteno se evapora durante el uso y se condensa en la pared de vidrio más fría, oscureciéndola y reduciendo la transmisión de luz. Agregar un halógeno, como bromuro de hidrógeno o bromuro de metilo, al gas de llenado elimina este problema. El halógeno reacciona con el tungsteno, evitando que se condense en la pared de vidrio. Cuando la lámpara se enfríe, el tungsteno se volverá a depositar en el filamento. Dado que esta reacción funciona mejor a presiones de lámpara más altas, las lámparas de tungsteno-halógeno suelen contener gas a varias atmósferas de presión. Por lo general, el halógeno se agrega como parte del gas de llenado de la lámpara, generalmente en concentraciones del 2% o menos.
Las lámparas de tungsteno-halógeno también pueden usar bombillas hechas de cuarzo en lugar de vidrio. Las bombillas de cuarzo pueden soportar presiones más altas que las de vidrio. Sin embargo, las bombillas de cuarzo presentan un peligro potencial, ya que el cuarzo es transparente a la luz ultravioleta. Aunque el filamento de tungsteno produce relativamente poca luz ultravioleta, la exposición prolongada a corta distancia puede producir enrojecimiento de la piel e irritación ocular. Filtrar la luz a través de un cubreobjetos reducirá en gran medida la cantidad de luz ultravioleta y brindará protección contra el cuarzo caliente en caso de que la lámpara se rompa durante el uso.
Peligros y precauciones
En general, los mayores peligros en la producción de lámparas, independientemente del tipo de producto, se deben a los peligros de los equipos automatizados y la manipulación de bombillas y lámparas de vidrio y otros materiales. Los cortes del vidrio y la penetración en el equipo operativo son las causas más comunes de accidentes; Los problemas de manipulación de materiales, como los movimientos repetitivos o las lesiones en la espalda, son motivo de especial preocupación.
La soldadura de plomo se usa con frecuencia en las lámparas. Para lámparas utilizadas en aplicaciones de temperatura más alta, se pueden usar soldaduras que contengan cadmio. En las operaciones de montaje de lámparas automatizadas, la exposición a ambas soldaduras es mínima. Cuando se realice soldadura manual, como en operaciones de reparación o semiautomáticas, se debe monitorear la exposición al plomo o al cadmio.
Las exposiciones potenciales a materiales peligrosos durante la fabricación de lámparas han disminuido constantemente desde mediados del siglo XX. En la fabricación de lámparas incandescentes, un gran número de lámparas se grababan anteriormente con ácido fluorhídrico o soluciones salinas de bifluoruro para producir una lámpara esmerilada. Esto ha sido reemplazado en gran medida por el uso de un revestimiento de arcilla de baja toxicidad. Si bien no se reemplazó por completo, el uso de ácido fluorhídrico se redujo considerablemente. Este cambio ha reducido el riesgo de quemaduras en la piel e irritación de los pulmones debido al ácido. Los revestimientos cerámicos de colores utilizados en el exterior de algunos productos de lámparas contenían anteriormente pigmentos de metales pesados como plomo, cadmio, cobalto y otros, además de utilizar una frita de vidrio de silicato de plomo como parte de la composición. Durante los últimos años, muchos de los pigmentos de metales pesados han sido reemplazados por colorantes menos tóxicos. En los casos en que todavía se utilicen los metales pesados, se puede utilizar una forma de menor toxicidad (p. ej., cromo III en lugar de cromo VI).
Los filamentos de tungsteno enrollados continúan haciéndose enrollando el tungsteno alrededor de un alambre de mandril de molibdeno o acero. Una vez formada y sinterizada la bobina, los mandriles se disuelven utilizando ácido clorhídrico (para el acero) o una mezcla de ácido nítrico y sulfúrico para el molibdeno. Debido a las posibles exposiciones a ácidos, este trabajo se realiza de forma rutinaria en sistemas de campana o, más recientemente, en disolventes totalmente cerrados (especialmente cuando se trata de la mezcla nítrica/sulfúrica).
Los gases de relleno utilizados en las lámparas de tungsteno-halógeno se agregan a las lámparas en sistemas totalmente cerrados con poca pérdida o exposición. El uso de bromuro de hidrógeno presenta sus propios problemas debido a su naturaleza corrosiva. Se debe proporcionar LEV y se debe usar tubería resistente a la corrosión para los sistemas de suministro de gas. El alambre de tungsteno toriado (generalmente con 1 a 2% de torio) todavía se usa en algunos tipos de lámparas. Sin embargo, hay poco riesgo por el torio en forma de alambre.
El dióxido de azufre debe controlarse cuidadosamente. LEV debe usarse siempre que el material se agregue al proceso. Los detectores de fugas también pueden ser útiles en áreas de almacenamiento. Se prefiere el uso de cilindros de gas más pequeños de 75 kg en lugar de contenedores más grandes de 1,000 kg debido a las posibles consecuencias de una liberación catastrófica.
La irritación de la piel puede ser un peligro potencial debido a los fundentes de soldadura oa las resinas utilizadas en el cemento base. Algunos sistemas de cemento base utilizan paraformaldehído en lugar de resinas naturales, lo que genera una posible exposición al formaldehído durante el curado del cemento base.
Todas las lámparas utilizan un sistema químico de "recubrimiento", en el que se recubre el filamento con un material antes del ensamblaje. El propósito del getter es reaccionar y eliminar cualquier humedad u oxígeno residual en la lámpara después de que la lámpara esté sellada. Los captadores típicos incluyen nitruro de fósforo y mezclas de polvos metálicos de aluminio y circonio. Si bien el captador de nitruro de fósforo tiene un uso bastante benigno, la manipulación de polvos metálicos de aluminio y circonio puede ser un peligro de inflamabilidad. Los absorbentes se aplican húmedos en un solvente orgánico, pero si el material se derrama, los polvos metálicos secos pueden encenderse por fricción. Los incendios de metales deben extinguirse con extintores especiales Clase D y no pueden combatirse con agua, espuma u otros materiales habituales. Un tercer tipo de captador incluye el uso de fosfina o silano. Estos materiales pueden incluirse en el relleno de gas de la lámpara en baja concentración o pueden agregarse en alta concentración y “destellos” en la lámpara antes del relleno de gas final. Ambos materiales son altamente tóxicos; si se usa en alta concentración, se deben usar sistemas totalmente cerrados con detectores de fugas y alarmas en el sitio.
Lámparas y Tubos de Descarga
Las lámparas de descarga, tanto los modelos de baja como de alta presión, son más eficientes en términos de luz por vatio que las lámparas incandescentes. Las lámparas fluorescentes se han utilizado durante muchos años en edificios comerciales y han encontrado un uso cada vez mayor en el hogar. Recientemente, se han desarrollado versiones compactas de la lámpara fluorescente específicamente como reemplazo de la lámpara incandescente.
Las lámparas de descarga de alta presión se han utilizado durante mucho tiempo para el alumbrado público y de grandes superficies. También se están desarrollando versiones de bajo voltaje de estos productos.
Lámparas fluorescentes
Las lámparas fluorescentes reciben su nombre del polvo fluorescente que se usa para recubrir el interior del tubo de vidrio. Este polvo absorbe la luz ultravioleta producida por el vapor de mercurio utilizado en la lámpara, la convierte y la vuelve a emitir como luz visible.
El vidrio utilizado en esta lámpara es similar al de las lámparas incandescentes, utilizando vidrio de cal para el tubo y vidrio emplomado para los soportes de cada extremo. Actualmente se utilizan dos familias diferentes de fósforos. Los halofosfatos, a base de cloro-fluoro-fosfato de calcio o de estroncio, son los fósforos más antiguos y comenzaron a usarse ampliamente a principios de la década de 1950 cuando reemplazaron a los fósforos a base de silicato de berilio. La segunda familia de fósforos incluye fósforos hechos de tierras raras, que normalmente incluyen itrio, lantano y otros. Estos fósforos de tierras raras suelen tener un espectro de emisión estrecho y se utiliza una mezcla de estos, generalmente un fósforo rojo, azul y verde.
Los fósforos se mezclan con un sistema aglutinante, se suspenden en una mezcla orgánica o en una mezcla de agua/amoníaco y se revisten en el interior del tubo de vidrio. La suspensión orgánica utiliza acetato de butilo, acetato de butilo/nafta o xileno. Debido a las regulaciones ambientales, las suspensiones a base de agua están reemplazando a las de base orgánica. Una vez que se aplica el revestimiento, se seca sobre el tubo y el tubo se calienta a una temperatura alta para eliminar el aglutinante.
Un soporte está unido a cada extremo de la lámpara. Mercurio ahora se introduce en la lámpara. Esto puede hacerse de varias maneras. Aunque en algunas áreas el mercurio se agrega manualmente, la forma predominante es automáticamente, con la lámpara montada en forma vertical u horizontal. En máquinas verticales, el vástago de montaje en un extremo de la lámpara está cerrado. Luego, se deja caer mercurio en la lámpara desde arriba, la lámpara se llena con argón a baja presión y el vástago de montaje superior se sella, sellando completamente la lámpara. En las máquinas horizontales, el mercurio se introduce por un lado, mientras que la lámpara sale por el otro lado. Se agrega nuevamente argón a la presión adecuada y se sellan ambos extremos de la lámpara. Una vez sellados, las tapas o bases se agregan a los extremos y los cables conductores se sueldan o sueldan a los contactos eléctricos.
Se pueden utilizar otras dos formas posibles de introducir vapor de mercurio. En un sistema, el mercurio está contenido en una tira impregnada de mercurio, que libera el mercurio cuando la lámpara se enciende por primera vez. En el otro sistema, se usa mercurio líquido, pero está contenido dentro de una cápsula de vidrio que está unida a la montura. La cápsula se rompe después de que la lámpara se haya sellado y agotado, liberando así el mercurio.
Las lámparas fluorescentes compactas son versiones más pequeñas de la lámpara fluorescente estándar, que a veces incluyen la electrónica del balasto como componente integral de la lámpara. Los fluorescentes compactos generalmente usan una mezcla de fósforos de tierras raras. Algunas lámparas compactas incorporarán un encendedor que contiene pequeñas cantidades de materiales radiactivos para ayudar a encender la lámpara. Estos arrancadores luminosos suelen utilizar criptón-85, hidrógeno-3, prometio-147 o torio natural para proporcionar lo que se denomina una corriente oscura, que ayuda a que la lámpara se encienda más rápido. Esto es deseable desde el punto de vista del consumidor, donde el cliente quiere que la lámpara se encienda inmediatamente, sin parpadeo.
Peligros y precauciones
La fabricación de lámparas fluorescentes ha experimentado un número considerable de cambios. El uso temprano de un fósforo que contenía berilio se suspendió en 1949, lo que eliminó un peligro respiratorio significativo durante la producción y el uso del fósforo. En muchas operaciones, las suspensiones de fósforo a base de agua han reemplazado a las suspensiones orgánicas en el revestimiento de las lámparas fluorescentes, lo que reduce la exposición de los trabajadores y reduce la emisión de COV al medio ambiente. Las suspensiones a base de agua implican una exposición mínima al amoníaco, particularmente durante la mezcla de las suspensiones.
El mercurio sigue siendo el material de mayor preocupación durante la fabricación de lámparas fluorescentes. Si bien las exposiciones son relativamente bajas, excepto alrededor de las máquinas de escape, existe la posibilidad de una exposición significativa para los trabajadores ubicados alrededor de la máquina de escape, los mecánicos que trabajan en estas máquinas y durante las operaciones de limpieza. Debe usarse equipo de protección personal, como overoles y guantes para evitar o limitar la exposición y, cuando sea necesario, protección respiratoria, especialmente durante las actividades de mantenimiento y limpieza. Debe establecerse un programa de vigilancia biológica, incluido el análisis de orina de mercurio, para los sitios de fabricación de lámparas fluorescentes.
Los dos sistemas de fósforo actualmente en producción utilizan materiales que se considera que tienen una toxicidad relativamente baja. Si bien algunos de los aditivos de los fósforos originales (como el bario, el plomo y el manganeso) tienen límites de exposición establecidos por varias agencias gubernamentales, estos componentes suelen estar presentes en porcentajes relativamente bajos en las composiciones.
Las resinas de fenol-formaldehído se utilizan como aislantes eléctricos en las tapas de los extremos de las lámparas. El cemento normalmente incluye resinas naturales y sintéticas, que pueden incluir irritantes de la piel como la hexametilentetramina. Los equipos automatizados de mezcla y manejo limitan el potencial de contacto de estos materiales con la piel, lo que limita el potencial de irritación de la piel.
Lámparas de mercurio de alta presión
Las lámparas de mercurio de alta presión incluyen dos tipos similares: las que usan solo mercurio y las que usan una mezcla de mercurio y una variedad de haluros metálicos. El diseño básico de las lámparas es similar. Ambos tipos usan un tubo de arco de cuarzo que contendrá el mercurio o la mezcla de mercurio/haluro. Luego, este tubo de arco se encierra en una cubierta exterior dura de vidrio de borosilicato y se agrega una base de metal para proporcionar contactos eléctricos. La cubierta exterior puede ser transparente o recubierta con un material difusor o un fósforo para modificar el color de la luz.
Lámparas de mercurio contienen sólo mercurio y argón en el tubo de arco de cuarzo de la lámpara. El mercurio, a alta presión, genera luz con un alto contenido de azul y ultravioleta. El tubo de arco de cuarzo es completamente transparente a la luz ultravioleta y, en caso de que la cubierta exterior se rompa o se quite, es una poderosa fuente de luz ultravioleta que puede producir quemaduras en la piel y los ojos en las personas expuestas. Aunque el diseño típico de lámpara de mercurio seguirá funcionando si se quita la cubierta exterior, los fabricantes también ofrecen algunos modelos con un diseño fundido que dejará de funcionar si se rompe la cubierta. Durante el uso normal, el vidrio de borosilicato de la cubierta exterior absorbe un alto porcentaje de la luz ultravioleta, por lo que la lámpara intacta no representa un peligro.
Debido al alto contenido de azul del espectro de la lámpara de mercurio, el interior de la cubierta exterior suele estar recubierto con un fósforo como el fosfato de vanadato de itrio o un fósforo similar que realza el rojo.
Lámparas de halogenuros metálicos también contienen mercurio y argón en el tubo de arco, pero agregan haluros metálicos (típicamente una mezcla de sodio y escandio, posiblemente con otros). La adición de haluros metálicos mejora la salida de luz roja de la lámpara, produciendo una lámpara que tiene un espectro de luz más equilibrado.
Peligros y precauciones
Aparte del mercurio, los materiales potencialmente peligrosos que se utilizan en la producción de lámparas de mercurio de alta presión incluyen los materiales de revestimiento utilizados en las envolturas exteriores y los aditivos de haluros utilizados en las lámparas de haluros metálicos. Un material de recubrimiento es un difusor simple, el mismo que se usa en las lámparas incandescentes. Otro es un fósforo corrector de color, vanadato de itrio o fosfato de vanadato de itrio. Si bien es similar al pentóxido de vanadio, el vanadato se considera menos tóxico. La exposición a los materiales de haluros normalmente no es significativa, ya que los haluros reaccionan en el aire húmedo y deben mantenerse secos y bajo una atmósfera inerte durante la manipulación y el uso. De manera similar, aunque el sodio es un metal altamente reactivo, también debe manipularse en una atmósfera inerte para evitar la oxidación del metal.
Lámparas de sodio
Actualmente se producen dos tipos de lámparas de sodio. Las lámparas de baja presión contienen solo sodio metálico como fuente de emisión de luz y producen una luz muy amarilla. Las lámparas de sodio de alta presión utilizan mercurio y sodio para generar una luz más blanca.
Lámparas de sodio de baja presión tener un tubo de vidrio, que contiene el sodio metálico, encerrado dentro de un segundo tubo de vidrio.
Lámparas de sodio de alta presión contienen una mezcla de mercurio y sodio dentro de un tubo de arco de alúmina cerámica de alta pureza. Aparte de la composición del tubo de arco, la construcción de la lámpara de sodio de alta presión es esencialmente la misma que la de las lámparas de mercurio y de halogenuros metálicos.
Peligros y precauciones
Hay pocos peligros únicos durante la fabricación de lámparas de sodio de alta o baja presión. En ambos tipos de lámparas, el sodio debe mantenerse seco. El sodio metálico puro reaccionará violentamente con el agua, produciendo gas hidrógeno y suficiente calor para provocar la ignición. El sodio metálico que queda en el aire reaccionará con la humedad del aire y producirá una capa de óxido en el metal. Para evitar esto, el sodio generalmente se maneja en una caja de guantes, bajo una atmósfera seca de nitrógeno o argón. Para los sitios que fabrican lámparas de sodio de alta presión, se necesitan precauciones adicionales para manejar el mercurio, similares a los sitios que fabrican lámparas de mercurio de alta presión.
Problemas ambientales y de salud pública
La eliminación de desechos y/o el reciclaje de lámparas que contienen mercurio es un tema que ha recibido un alto grado de atención en muchas áreas del mundo durante los últimos años. Si bien en el mejor de los casos es una operación de "equilibrio" desde el punto de vista de los costos, actualmente existe tecnología para recuperar el mercurio de las lámparas fluorescentes y de descarga de alta presión. El reciclaje de los materiales de las lámparas en la actualidad se describe con mayor precisión como recuperación, ya que los materiales de las lámparas rara vez se reprocesan y se utilizan para fabricar lámparas nuevas. Por lo general, las piezas de metal se envían a los comerciantes de chatarra. El vidrio recuperado puede utilizarse para fabricar fibra de vidrio o bloques de vidrio o utilizarse como árido en pavimentos de cemento o asfalto. El reciclaje puede ser la alternativa de menor costo, según la ubicación y la disponibilidad de opciones de reciclaje y eliminación de desechos especiales o peligrosos.
Los balastos utilizados en las instalaciones de lámparas fluorescentes contenían anteriormente condensadores que utilizaban PCB como dieléctrico. Si bien se ha interrumpido la fabricación de balastos que contienen PCB, es posible que muchos de los balastos más antiguos todavía estén en uso debido a su larga vida útil. La eliminación de los balastos que contienen PCB puede estar regulada y puede requerir la eliminación como un desecho especial o peligroso.
La fabricación de vidrio, particularmente los vidrios de borosilicato, puede ser una fuente importante de NOx emisión a la atmósfera. Recientemente, se ha utilizado oxígeno puro en lugar de aire con quemadores de gas como un medio para reducir el NOx las emisiones.