Fabio Peron. Sorgenti artificiali di luce. Le lampade: breve storia. Sorgenti di luce. Lezioni di illuminotecnica. Sorgenti di luce artificiali

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1 Sorgenti artificiali di luce Si dà il nome di sorgenti luminose, o sorgenti di luce, a tutti i corpi che emettono energia radiante caratterizzata da lunghezze d onda comprese entro l intervallo ~0,38 ~0,78μ, con intensità sufficiente per impressionare l occhio umano. Lezioni di illuminotecnica. Sorgenti di luce artificiali Fabio Peron Università IUAV - Venezia Le sorgenti artificiali servono a sopperire alla carenza di illuminamento naturale trasformano energia elettrica in luce e generalmente sono costituite da due parti le quali determinano le prestazioni della sorgente: la lampada: preposta alla conversione di energia elettrica in flusso luminoso; l apparecchio illuminante: ha la funzione di distribuire tale flusso in maniera opportuna e di proteggere la lampada stessa. Sorgenti di luce Le lampade: breve storia Le prime sorgenti di luce artificiale sono state messe a punto circa 150 anni fa. Le Tecnologie oggi utilizzate sono figlie di una storia lunga circa 100 anni. I led inizialmente utilizzati nel campo della segnalazione sono la tecnologia attualmente più promettente

2 Le lampade Le lampade a incandescenza, ai vapori di mercurio, sodio, ioduri metallici saranno progressivamente bandite dal mercato: Le lampade Le lampade possono essere ricondotte tre grandi categorie, le quali differiscono tra loro per il principio fisico su cui si basa la produzione di radiazioni luminose: lampade a incandescenza: il cui funzionamento sul riscaldamento di un corpo ad alta temperatura fino all incandescenza in modo che emette radiazioni anche nel campo visibile. lampade a scarica: nelle quali la produzione di luce è dovuta all interazione degli elettroni di una scarica elettrica con gli ioni di un gas o di un vapore. Lampade LED Light Emitting Diode: nelle quali la luce viene emessa dall interazione degli elettroni con un cristallo emettitore Le lampade: quadro generale Parametri caratteristici di una lampada I dati essenziali delle lampade che devono essere sempre specificati nei cataloghi sono: Flusso luminoso [lm]. Esprime la quantità di luce, erogata per unità di tempo. E espresso in lumen. I flussi luminosi variano da 100 lm a lumen. Efficienza luminosa [lm/w]. È una misura dell efficacia di una sorgente luminosa, espressa dal rapporto lumen/watt, è definita come il rapporto tra la quantità di luce prodotta dalla lampada e la potenza elettrica fornita alla lampada stessa. Le lampade ad incandescenza hanno un efficienza specifica che varia da 10 a massimo 35 lm/w, mentre quelle a scarica partono da 20 fino a 200 lm/w. Dimensioni fisiche e forma. La forma e la dimensione dei corpi illuminanti ha subito negli ultimi anni notevoli variazioni, in una costante ricerca di riduzione degli ingombri. La tendenza riguarda in modo particolare le sorgenti destinate all illuminazione di ambienti interni e ciò per motivi legati al design, ad una maggiore flessibilità di uso e al migliore rendimento ottico dell apparecchio. Una caratteristica peculiare delle lampade è il tipo di attacco. Quello più noto è l attacco a vite Edison. Diverse famiglie di sorgenti luminose artificiali

3 Parametri di una lampada Efficienza luminosa di una lampada potenza di alimentazione [W]: potenza elettrica che è necessario fornire per il funzionamento; tensione di alimentazione[v]: in genere intorno ai 220 V, o in alcuni case V ossia bassa tensione; vita media [h]: indica il numero di ore di funzionamento dopo il quale, in un lotto di lampade ed in certe condizioni di prova, il 50% cessa di funzionare; curva di decadimento è la rappresentazione grafica dell andamento del flusso al variare delle ore di funzionamento; indice di resa cromatica, CRI, Ra: indica cioè la fedeltà con cui la luce fornita da una sorgente artificiale riesce a riprodurre i colori reali, ossia la luce del sole temperatura di colore [K]: Rappresenta la temperatura del corpo nero con l emissione più vicina a quella della sorgente considerata; tipo di attacco: edison e a baionetta tempo di accensione: indica il tempo necessario per la messa a regime del sistema di emissione (lampade a scarica). Esempi di tipi di attacchi Lampade a incandescenza La tipologia e la classificazione degli attacchi è il risultato di una convenzione internazionale che permette un informazione chiara ed inequivocabile, mediante l adozione di sigle, riportate da tutti i cataloghi di lampade. Ad esempio, l attacco B15d viene così decodificato: attacco a baionetta, diametro esterno 15 mm, contatto elettrico doppio. EP 10 IEC DIN BA 9 s IEC DIN E 14 IEC DIN BA 15 d IEC A DIN T1 E 27 IEC DIN BA 15 d IEC DIN Sono state presentate per la prima volta negli Stati Uniti nel 1879 da Thomas Edison. Ne è stato vietato il commercio in Europa dal 2010 per potenze superiori a 100 W a causa della loro bassa efficienza. Le lampade ad incandescenza sono costituite da: filamento metallico (generalmente di tungsteno, t f =3653K); contatti in nichel; ampolla in vetro; gas di riempimento (85% argon, 15% azoto); attacco per il fissaggio e la trasmissione elettrica.

4 Lampade a incandescenza Il gas di riempimento (xeno, azoto, ecc.) è introdotto allo scopo di rallentare l evaporazione del filamento e, quindi, di ridurre l annerimento del bulbo e di aumentare la vita della sorgente. Il filamento di tungsteno Il filamento, principale elemento della lampada, è di tungsteno, perché la temperatura di fusione è molto elevata (3.653 k), la temperatura di funzionamento è invece compresa tra e C, che rappresenta una soluzione di compromesso tra durata, efficienza e caratteristiche cromatiche. Con questi accorgimenti, le moderne lampade ad incandescenza raggiungono efficienze di lm/w, con un ottima resa cromatica (Ra = 100) ed una vita media di circa ore. Filamento di tungsteno o wolframio Filamento in carbonio temperatura di fusione 3563 K temperatura di fusione 3825 K Lampade a incandescenza Le lampade a incandescenza sono le più antiche (1841, T.A. Edison) e ancora molto utilizzate per il buon compromesso tra costo, vita media e efficienza. Esse basano il loro funzionamento sul passaggio della corrente elettrica attraverso un filamento dotato di una certa resistenza elettrica. Per effetto Joule una parte dell energia elettrica viene dissipata in calore e aumenta la temperatura del filamento fino a temperature compatibili con l emissione nel visibile (legge di Wien): K per le GLS e circa 3300 K per le alogene. Lampade ad incandescenza Possiamo dividere le lampade ad incandescenza in tre categorie: GLS; Reflector e Alogene. Pregi: costo modesto, ottima resa cromatica (intorno a 100), facili da installare e disponibili in varie forme. Limiti: scarsa efficienza (max 20 lm/w), possibilità di abbagliamento, vita media non elevata ( ore), elevato invecchiamento.

5 Lampade a incandescenza ad alogeni (alogene) Lampade a incandescenza ad alogeni Un tipo particolare di lampade a incandescenza sono quelle ad alogeni. Nelle quali viene immesso un alogeno (iodio, cloro, bromo) in grado di combinarsi con il tungsteno e ridepositarlo sul filamento. Con tale ciclo rigenerativo, si evita l annerimento dell ampolla e nel contempo si allunga la vita del filamento di circa il 100% rispetto alle normali lampade ad incandescenza. Hanno migliori prestazioni rispetto alle lampade ad incandescenza: Durata da 1000 a 3000 ore; Efficienza sino a 25 lm/w; Temperatura del filamento intorno a 3500 K; Temperatura di colore più elevata, da 2900 a 3100 K; Elevatissima resa cromatica intorno a 100; Dimensioni estremamente ridotte del corpo luminoso. Il bulbo delle alogene è realizzato in quarzo in grado di resistere a temperature elevate. Il riflettore può essere trattato con l applicazione di strati di ossidi riflettenti alle radiazioni visibili, ma non a quelle infrarosse. Spesso sono alimentate in bassa tensione 6-24 V. Queste sorgenti sono fornite di un filamento doppiamente spiralizzato di tungsteno, ma hanno ampolle molto piccole, di forme e dimensioni calcolate per rendere stazionario un determinato regime termico interno. Nello spazio delimitato dal bulbo, a temperature comprese tra 2000 e 500 K, le sostanze alogene si combinano con le particelle di tungsteno provenienti dal filamento creando gli alogenuri di tungsteno che sono gas trasparenti incapaci di aderire alla parte interna dell ampolla. Trasportati dai moti convettivi interni, gli alogenuri tendono a tornare nella regione vicino al filamento ad una temperatura superiore ai 2000 K. Poiché gli alogenuri di tungsteno sono composti stabili solo entro l intervallo di temperature indicato, avviene la dissociazione: Il tungsteno ritorna libero e si deposita casualmente sul filamento, ma rimane anche libero l alogeno, così sono nuovamente liberi di ricomporsi e di ricomciare il ciclo. Il fatto che il tungsteno non ritorna nella posizione iniziali, ma si deposita casualmente sul filamento, porta a logoramenti localizzati là dove il tungsteno non torna mai a depositarsi. Lampade a incandescenza a ciclo di alogeni Lampade a incandescenza ad alogeni WI 2 <1400 K W I 2000 K I I

6 Lampade a incandescenza ad alogeni Lampade a incandescenza Lampade a alogeni bassa tensione riflettore dicroico Lampade a alogeni bassa tensione riflettore dicroico Le ottiche con riflettore dicroico consentono di limitare l emissione frontale di radiazioni infrarosse di sorgenti alogene l incandescenza del filamento emette in modo rilevante nell infrarosso La lampada ad incandescenza produce perciò non solo luce ma anche calore in molte applicazioni risulta utile l uso di una parabola con filtro dicroico

7 Classificazione lampade ad incandescenza Categorie Tipo Potenza assorbita (W) Gls Incandescenza Reflector Alogene Tensione di funzionamento (V) Efficienza specifica (lm/w) Durata (h) Lampade a scarica in gas Il funzionamento si basa sull eccitazione ad opera di una scarica elettrica di un gas opportuno (vapore metallico oppure miscuglio di vari gas a vapori). Il gas è racchiuso in un contenitore di vetro o quarzo al cui interno sono posizionati due elettrodi. Applicando ad essi una notevole tensione (da 100 V a 5 kv) viene prodotta una scarica ossia un flusso di elettroni che interagiscono con gli atomi del gas. Gli elettroni degli orbitali più esterni vengono spostati dalla loro posizione di equilibrio con assorbimento di energia in maniera quantizzata. In tale condizione gli ioni o gli atomi del gas sono instabili e gli elettroni eccitati tendono a ritornare nei loro orbitali di equilibrio liberando l energia corrispondente al relativo salto energetico con emissione di radiazione. Per innescare la scarica e regolarla durante il funzionamento sono necessari opportuni dispositivi: starter, reattore. Lampade a scarica in gas Lampade a scarica in gas I gas utilizzati devono essere in grado di emettere nel campo del visibile. Si sono utilizzati per primi i gas nobili (neon) si utilizzano anche vapori di sodio o mercurio o alogenuri metallici. Una parte dell emissione può avvenire nel campo dell ultravioletto. In questo caso si utilizza il fenomeno della fluorescenza utilizzando polveri (alluminati, ossisolfuri, silicati, con metalli pesanti e terre rare) in grado di assorbire la radiazione UV e riemettere radiazione visibile. Si spalma di queste polveri il tubo in vetro e si ottengono le cosiddette lampade fluorescenti. Pregi: efficienza specifica elevata (35 lm/w-200 lm/w), vita media elevata compresa tra e ore. Limiti: spettro discontinuo, limitati valori di CRI in molti casi, fluorescenti hanno un buon indice di resa cromatica (85-90), quelle al sodio bassa pressione non hanno praticamente CRI.

8 Lampade a scarica in gas Fluorescenza Un dispositivo elettronico detto Ballast permette di ottenere: elevata tensione corrente stabile variazione di intensità accensione rapida La fluorescenza è un processo di decadimento radiativo per cui una molecola assorbe radiazioni della banda ultravioletta e le emette nel visibile. Fluorescenza Fluorescenza 10 minerali illuminati con luce bianca dall'alto in basso e da sinistra a destra sono: corallo, calcite con willemite, quarzo, scheelite, quarzo con calcite, agata, wernerita, gesso, hackmanite, rubino rosso e azzurro. A destra si osserva la reazione dei minerali alla luce ultravioletta a 366 nm. Vari minerali fluorescenti sotto la luce UV A, UV B o UV C

9 Fluorescenza Il campo, pieno di fiori di Crocifere è illuminato dal cielo. Ebbene, un oggetto illuminato non può essere più luminoso della sorgente che lo illumina. Eppure, i fiori appaiono più brillanti del cielo. Il cielo nuvoloso irradia fortemente nell UV, e sarebbe quindi più luminoso del campo. Però il nostro occhio non è sensibile all UV e ci fa vedere il cielo scuro. Invece i fiori, che contengono abbondanti pigmenti gialli, sono fluorescenti, e trasformano una parte dell irraggiamento UV in luce visibile. Alla fine, essi ci appaiono più luminosi del cielo. Lampade al sodio bassa pressione Sono state messe a punto nel 1932 in Olanda dai tecnici Philips per illuminazione stradale. Le lampade al sodio a bassa pressione sono caratterizzate da una elevata efficienza luminosa (che può raggiungere i 200 lm/w circa) e da una lunga durata. Purtroppo la luce prodotta è monocromatica giallo-verde. Esse, perciò, trovano applicazione dove la resa dei colori è di minore importanza e dove conta di più la percezione dei contrasti, ad esempio sulle autostrade, nei porti e negli scali ferroviari. Sono disponibili in una gamma di potenze comprese tra i 35 W e i 180 W. Lampade al sodio bassa pressione Lampade al sodio alta pressione Sono state messe a punto cercando di superare la principale limitazione delle lampade al sodio a bassa pressione, la bassa resa cromatica. La pressione del gas nel bulbo è di 40 kpa e si cerca di mantenere una temperatura intorno ai 270 C. 1) attacco a baionetta; 2) getter; 3) supporti; 4) elettrodi; 5) vaschette di raccolta del sodio; 6) tubo di scarica; 7) tubo esterno; 8) punto per la messa a vuoto. Essendoilsodiomoltoaggressivoadelevatatemperaturaitubidiscarica sono realizzati in ossidi di alluminio, più resistenti e comunque trasparenti. L efficienza luminosa diminuisce fino a lm/w. L indice di resa cromatica è intorno a 60 e la temperatura di colore intorno a 2150 K. Si ha una vasta gamma di potenze da 70 a 1000 W con diverse forme. Vita media 5000 ore. Tempo di accensione 3-4 minuti. Aumentando la pressione fino a 95 kpa Philips ha ottenuto una temperatura di colore di 2500 K e un CRI di 80, tendendo alle prestazioni di una lampada ad incandescenza. L efficienza diminuisce fino a 43 lm/w.

10 Lampade al sodio alta pressione 1) supporto; 2) bulbo; 3) fosfori; 4) collegamento elettrodo; 5) tubo di scarica; 6) elettrodo ausiliario; 7) elettrodo principale; 8) resistenza per l innesco; 9) attacco. Lampade mercurio bassa pressione (fluorescenti) Utilizzano una miscela di argon e vapore di mercurio. Sono tipiche lampade fluorescenti. La superficie interna del tubo è ricoperta da tre o cinque diversi ossidi. Si riesce a ottenere un CRI tra 85 e 90. La temperatura di colore va da 4000K a 6000K. L efficienza luminosa risulta compresa tra 50 e 95 lm/w mentre la vita media è intorno a ore. Lampade mercurio alta pressione (ioduri metallici) La pressione del gas nel bulbo va da 100 kpa a 2,5 Mpa. Il bulbo è realizzato in quarzo ed è alloggiato in un bulbo in vetro. Gli elettrodi sono spirali in tungsteno ricoperto di terre rare. L efficienza luminosa è compresa tra 35 e 50 lm/w, mentre l indice di resa cromatica è relativamente basso. Vita media 5000 ore. Tempo di accensione 3-5 minuti Lampade ad alogenuri metallici La miscela gassosa utilizzata oltre a argon e vapore di mercurio presenta anche alogenuri di sodio, tallio. Forniscono flussi luminosi molto elevati e hanno una buona efficienza intorno a 80 lm/w. I tempi di accensione sono intorno a 2-3 minuti e la vita media può superare le 6000 ore. Possono sostituire le incandescenti ad alogeni e le fluorescenti standard.

11 Spettro di emissione di lampade a scarica in gas Lampade ad induzione La scarica viene in questo caso prodotta senza elettrodi utilizzando un campo magnetico oscillante ad elevata frequenza (2,65 MHz) il quale induce un campo elettrico secondario. Il campo elettrico ionizza il gas che emette radiazione UV corretta con l utilizzo di polveri fluorescenti. Forniscono flussi luminosi elevati e hanno una buona efficienza intorno a 70 lm/w. I tempi di accensione sono rapidi (0,5 s) e la vita media può superare le ore, non avendo elettrodi soggetti a «consumo». Lampade ad induzione Lampade ad induzione Un gas contenente vapori di mercurio è contenuto all'interno del bulbo di scarica, tale gas viene generato da una piccola quantità di amalgama di mercurio situato su un lato del bulbo stesso. Il ballast elettronico genera una corrente ad alta frequenza che alimenta gli induttori (da 200 khz a oltre 13 MHz). La tensione prodotta dal ballast ha valori simili a quelli in ingresso, tuttavia all'accensione viene prodotto un picco generalmente maggiore di 500 V al fine di avviare il processo di scarica del gas.

12 Lampade ad induzione Lampade a luce miscelata Sono costituite da un bulbo riempito con un gas inerte, all'interno del quale è posto un tubo di scarica con vapore di mercurio ad alta pressione, collegato in serie con un filamento in tungsteno. Il filamento sostituisce il reattore, stabilizzando la corrente che circola nella lampada, ma soprattutto conferisce alla luce una tonalità calda, più piacevole. Tali lampade sono caratterizzate da una efficienza fino a 30 lm/w e una durata di circa 7500 ore; resa di colore fino a 75. Usate in illuminazione di esterni. Lighting emitting diode, LED LED e Premio Nobel 2014 E una sorgente luminosa allo stato solido. Tecnologia recente ma ormai consolidata: Rubin Braustein nel 1955 mette a punto il primo led che emette nell infrarosso. Nick Holoniack mette a punto nel 1962 il primo led che emette luce visibile. Suji Nakamura nel 1993 ottiene il led blu E figlio della tecnologia dei semiconduttori, è un componente elettronico: diodo. L emettitore di luce è incapsulato in un diffusore realizzato in materiale polimerico. Il Nobel per la fisica 2014 è stato assegnato a Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e al più noto Shuji Nakamura, inventori, nel 1993, del LED ad emissione di luce nello spettro del blu, basato su tecnologia GaN

13 Lighting emitting diode LED LED: il colore Il LED e costituito da sottili strati di materiali semiconduttori. Si tratta di una giunzione p-n realizzata in genere con arseniuro di gallio o fosfuro di gallio drogato con azoto e fosforo. Quando il diodo e alimentato da corrente elettrica uno strato si attiva e genera luce monocromatica. Il colore dipende dal materiale utilizzato. Principio di funzionamento: elettroluminescenza. Elettroni e lacune si ricombinano in un semiconduttore emettendo fotoni. La colorazione dipende dalla composizione chimica dello strato semiconduttore. Questi sono gli elementi utilizzati L intensità delle radiazioni è proporzionale alla corrente circolante con valori compresi tra 5 e 50 ma. L efficienza del processo di generazione della luce aumenta con la l intensità della corrente e diminuisce con l incremento della temperatura. LED e luce bianca LED e luce bianca RGB multichip Si hanno su un unico chip tre emettitori rosso, verde, blu Buona efficienza Bassa qualità della luce Possibile viraggio del colore Chip Blu + fosforo giallo Efficienza eccellente nel bianco freddo Sufficiente efficienza nel bianco caldo Resa dei colori variabile e trade-off con l efficienza Possibile viraggio del colore I LED a luce bianca classico con chip blue a base GaInN nitruro di gallio e indio e phosforo fosforescente. Il chip emette nel blue il fosforo nel verde e rosso. Il risultato finale è una luce bianca tendenzialmente fredda. Chip violetto + multi fosforo Migliore qualità di luce led eccellente bianco caldo ( K) Luce emessa da un solo elemento colore stabile

14 Greenpix Olympic Water cube, Pechino Beijing China Caratteristiche delle sorgenti Distribuzione spettrale sorgenti Incandescenza Alogena Fluorescente

15 Distribuzione spettrale sorgenti Temperatura di colore e resa del colore Alogenuri metallici LED Vapori sodio bassa pressione La scelta della sorgente La scelta della sorgente

16 La scelta della sorgente

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