Illuminazione e lampade. Prof. Ing. P. Romagnoni Università IUAV di Venezia Dorsoduro 2206 Venezia

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1 Illuminazione e lampade Prof. Ing. P. Romagnoni Università IUAV di Venezia Dorsoduro 2206 Venezia

2 L illuminazione Arco elettrico J. Ritter Jena H. Davy Londra Generatore elettrico Generatore a motore M. Faraday E.M. Clarke F. Holmes

3 1877 generatore di corrente alternata Macchina di Gramme 1878 illuminazione di Parigi (Opéra) di Filadelfia 1879 Cleveland e S. Francisco 1886 il 75% del mercato Thomson-Houston Electric Company

4 Edison realizza nel 1879 una lampada ad incandescenza che ha una durata di 40 h E un filamento di cotone carbonizzato e piegato a forcella in un ampolla di vetro a pera cui era stata estratta l aria. Due filamenti di platino, annegati nel vetro (per mantenere il vuoto) garantivano il collegamento elettrico 1881: esposizione internazionale dell elettricità 4 diversi tipi di lampade

5 1909 La New York Edison Co. fornisce elettricità a 4 milioni di lampade ad incandescenza Nasce la General Electric (Mazda) 1913 la lampada ad incandescenza è perfezionata 1938 GE commercializza la prima lampada a fluorescenza

6 La percezione dell occhio

7 Sottoponendo l'occhio umano a due radiazioni luminose monocromatiche di uguale intensità energetica, ma di differente lunghezza d'onda, si ha una differente sensazione visiva. L'occhio percepisce meglio la gamma dei colori al centro dello spettro visibile. Pertanto per ottenere la stessa sensazione visiva occorre convogliare su di esso molta più energia nell'unità di tempo con luce violetta o rossa che non con luce gialla.

8 Quando l'intensità della radiazione diventa particolarmente debole (visione scotopica) il massimo della sensibilità dell'occhio si ha per una sorgente monocromatica di lunghezza d'onda λ = mm (colore verde-blu). Osservazione: Le guide ottiche impiegate per motivi di sicurezza negli aeroporti e negli ospedali sono realizzate con sorgenti luminose di colore verde-blu.

9 Definizione L'angolo solido unitario è dato dallo spazio racchiuso da un cono che ha il vertice nel centro di una sfera di raggio R e che intercetta sulla stessa sfera un'area di estensione R 2.

10 Flusso luminoso E l energia irradiata in ogni secondo dalla sorgente riferita alla sensibilità dell occhio umano. L unità di misura è il lumen [lm], il simbolo è Φ. Per una lunghezza d onda di 555 nm la sensibilità relativa dell occhio è massima. 1 W irradiato = 683 lumen

11 Considerando quindi una radiazione luminosa monocromatica di lunghezza d'onda λ si definisce flusso luminoso la quantità: Φ(λ) =K λ (λ) ϕ(λ) =K max V λ (λ) ϕ(λ) ϕ(λ) = flusso luminoso emesso da una sorgente monocromatica di lunghezza d'onda λ. Il valore di K max viene indirettamente fissato attraverso la definizione dell'unità di misura di un'altra grandezza fotometrica: l'intensità luminosa. V λ è fattore di visibilità relativa.

12 Lampada ad incandescenza da 100 W Lampada fluorescente compatta 20 W 1200 lm 1200 lm Lampada con alogeno a doppio attacco 300 W lm Lampada al Na a bassa pressione Lampada ad alogenuri lm lm

13 Intensità luminosa E il rapporto tra il flusso luminoso infinitesimo emesso dalla sorgente in una data direzione e l angolo solido elementare. L unità di misura di questa grandezza è la candela (cd); è definita come l intensità luminosa emessa, in una data direzione, da una sorgente che emette una radiazione monocromatica di frequenza Hz (λ = 555 nm) e con intensità energetica in quella direzione di 1/683 W/sr.

14 Solido fotometrico di una sorgente luminosa: figura geometrica delimitata da una superficie chiusa formata dal luogo dei punti estremi di segmenti aventi lunghezza proporzionale all'intensità luminosa e centro nella sorgente

15 Curva fotometrica

16 Un'emissione monocromatica si può ottenere sperimentalmente selezionando una radiazione luminosa a spettro continuo con un monocromatore (filtro), che lascia passare esclusivamente la radiazione contenuta nell'intervallo di lunghezza Δλ intorno alla lunghezza d'onda λ.

17 a) sorgente luminosa ad incandescenza b) sorgente luminosa a scarica di gas

18 L illuminamento è il rapporto tra il flusso luminoso incidente su una superficie e l area della superficie stessa: E = Φ/A L unità di misura è il lux (lx). Un lux è quindi l illuminamento prodotto dal flusso di un lumen distribuito in modo uniforme su di una superficie di un metro quadrato

19 Temperatura di colore Temperatura alla quale deve essere portato il corpo nero perché emetta una luce simile a quella della sorgente luminosa Luna Sole Cielo coperto Cielo sereno (blu intenso) 4100 K K 6400 K K

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21 Si definiscono tonalità calda lampade con temperatura di colore minore di 3300 K tonalità neutra lampade con temperatura di colore compresa tra 3300 K e 5300 K tonalità fredda lampade con temperatura di colore superiore a 5300 K

22 L efficienza luminosa E il rapporto tra il flusso luminoso emesso [lumen] e la potenza elettrica assorbita [W]. Lampade ad incandescenza tradizionali 12 lm/ W Lampade a Na a bassa pressione 200 lm/ W Lampade fluorescenti compatte 80 lm/w

23 Durata di vita La durata di vita media si riferisce al numero di ore di funzionamento dopo il quale, in un determinato lotto di lampade, in condizioni di prova ben precise, il 50% degli apparecchi ha cessato di funzionare.

24 Resa cromatica Un oggetto appare di un certo colore perché riflette le radiazioni luminose di quel colore ed assorbe le altre. La buona resa dei colori da parte di una lampada è condizionata dal fatto che essa emetta tutti i colori dello spettro All effetto della resa cromatica le proprietà di una lampada sono valutate tramite l indice Ra (valutato rispetto ad una sorgente campione) 100 > Ra > 85 ottima 85 > Ra > 70 buona 70 > Ra > 50 discreta

25 Lampade ad incandescenza

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28 Lampade ad incandescenza Il meccanismo fisico che permette a questo tipo di lampade di produrre luce è basato sul surriscaldamento prodotto dal passaggio di corrente elettrica nel filamento stesso (effetto Joule). Se la temperatura del filamento supera gli 873 K (600 C) circa, l energia viene irradiata, oltre che nell ambito degli infrarossi, anche sotto forma di luce, in una quantità che aumenta all aumentare della temperatura.

29 Le lampade ad incandescenza sono costituite da: un filamento metallico (generalmente di tungsteno 3653K); un ampolla; un gas di riempimento (85% argon, 15% azoto); un attacco per il trasmissione elettrica. fissaggio e la Lampade a incandescenza

30 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, 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.

31 Lampada incandescenti con alogeno E aggiunto un alogeno (iodio o bromo) all interno del bulbo in quarzo. I vapori di Tungsteno (sublimazione del filamento) si spostano verso la parete interna del bulbo dove reagiscono con l alogeno alogenuro di tungsteno L alogenuro si sposta verso il filamento (2500 C) e si ha una reazione inversa (dissociazione) e il tungsteno si rideposita sul filamento.

32 Il filamento di tungsteno Filamento di tungsteno o wolframio Filamento in carbonio temperatura di fusione 3563 K temperatura di fusione 3825 K

33 Lampade a incandescenza Le lampade a incandescenza sono 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. 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.

34 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.

35 Sorgenti a ciclo di alogeni 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.

36 Lampade fluorescenti La luce emessa da una lampada a scarica in gas non è prodotta per riscaldamento di un filamento, ma dall eccitazione di un gas (vapore metallico oppure miscuglio di vari gas a vapori) racchiuso in un tubo di scarica. Il tubo di scarica è contenuto in un ampolla tubolare o ellissoidale. Tutte le fonti luminose a scarica in gas hanno bisogno di dispositivi elettronici ed elettrici detti apparecchiature ausiliarie.

37 Lampade fluorescenti Le lampade fluorescenti lineari contengono vapori di Mercurio a bassa pressione Polveri fluorescenti rivestono l interno del tubo: le polveri sono colpite da radiazioni UV prodotte dall eccitazione del mercurio. Sono le polveri a emettere nel visibile.

38 Le lampade fluorescenti compatte sono state introdotte all inizio degli anni 80 allo scopo di mettere a disposizione degli utenti sorgenti luminose che, pur avendo dimensioni e tonalità di luce simili a quelle delle lampade ad incandescenza, fossero caratterizzate da un efficienza luminosa e da una durata di vita notevolmente superiori.

39 Le lampade fluorescenti compatte hanno un efficienza luminosa che varia da 40 a 60 lumen/watt a seconda del tipo, e quindi consentono di ridurre di circa il 70% i consumi d energia elettrica rispetto alle lampade ad incandescenza di equivalente flusso luminoso: ad esempio, una di queste lampade da 20 W fornisce la stessa quantità di luce di una ad incandescenza da 100 W.

40 LED è l acronimo di Light Emitting Diode

41 LED sono uno speciale tipo di diodi a giunzione p-n, formati da un sottile strato di materiale semiconduttore drogato. Quando sono sottoposti ad una tensione diretta per ridurre la barriera di potenziale della giunzione, gli elettroni della banda di conduzione del semiconduttore si ricombinano con le lacune della banda di valenza rilasciando energia sufficiente da produrre fotoni.

42 Polarizzando direttamente la giunzione, cioè applicando una differenza di potenziale positiva V tra regione P e N si abbassa la barriera di potenziale creata dalla SCR (regione di carica spaziale) con una conseguente iniezione di portatori minoritari: elettroni dalla regione N alla P e lacune in senso opposto. Si ottiene così un flusso di corrente

43 Caratteristica I V a temperatura ambiente per alcuni semiconduttori

44 Anche se è cosa poco nota, i LED sono "macchine reversibili": infatti, se la loro giunzione viene esposta direttamente ad una forte fonte luminosa o ai raggi solari, ai terminali appare una tensione, dipendente dall'intensità della radiazione e dal colore del led in esame (massima per il blu). Questa caratteristica viene abitualmente sfruttata nella realizzazione di sensori, per sistemi di puntamento (inseguitori solari) di piccoli impianti fotovoltaici o a concentratore e per molti altri scopi

45 A causa dello spessore ridotto del chip un ragionevole numero di questi fotoni può abbandonarlo ed essere emesso come luce. I LED sono formati da GaAs (arseniuro di gallio), GaP (fosfuro di gallio), GaAsP (fosfuro arseniuro di gallio), SiC (carburo di silicio) e GaInN (nitruro di gallio e indio). L'esatta scelta dei semiconduttori determina la lunghezza d'onda dell'emissione di picco dei fotoni, l'efficienza nella conversione elettro-ottica e quindi l'intensità luminosa in uscita.

46 I LED sono sempre più utilizzati in ambito illuminotecnico in sostituzione di alcune sorgenti di luce tradizionali. Il loro utilizzo nell'illuminazione domestica, quindi in sostituzione di lampade ad incandescenza, alogene o fluorescenti compatte (comunemente chiamate a risparmio energetico), è oggi possibile con notevoli risultati raggiunti grazie alle tecniche innovative sviluppate nel campo. Attraverso i nuovi studi, infatti, l'efficienza luminosa quantità di luce/consumo (lm/w) è stato calcolato di un minimo di 3 a 1. Fondamentalmente, il limite dei LED per questo tipo di applicazione è la quantità di luce emessa (flusso luminoso espresso in lumen), che nei modelli di ultima generazione per uso professionale si attesta intorno ai 120 lm, ma che nei modelli più economici raggiunge solo i 20 lumen

47 A seconda del drogante utilizzato, i LED producono i seguenti colori:

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49 Spectrum curve: LED with K and Ra > 90 Spectrum curve: low-voltage halogen lamp

50 Spectrum curve: HIT LF 930 metal halide lamp Spectrum curve: fluorescent lamp

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53 LED a bassa potenza Il wafer di semiconduttore su cui viene ricavata la giunzione (die) è inservibile ai fini dell'emissione luminosa in quanto necessita di un apposito involucro fornito dagli appositi elementi elettrici e ottici. Tutti i LED sono montati in un involucro detto "package" che fornisce due contatti elettrici (anodo e catodo), degli elementi ottici in grado di dirigere il flusso luminoso in una ben determinata direzione e nel caso dei Power Led di un sistema di dissipazione termica.

54 Il materiale d'incapsulamento oltre ad essere ermetico e inerte, possiede un alta trasparenza ottica, un alto indice di rifrazione e stabilità a temperature elevate. Il chip è posizionato all'interno di una specie di "tazza" riflettente che ha il compito di riflettere e rifrangere le radiazioni luminose in modo che queste ultime sia concentrate nell'emisfero superiore dello spazio che circonda il LED. La tazza provvede anche a collegare il chip ad uno dei terminali elettrici (solitamente il catodo), mentre il collegamento all'anodo viene effettuato tramite un sottile filo d oro.

55 La resistenza termica del package del LED insieme alla temperatura massima di funzionamento determina la massima potenza che può essere dissipata nel package stesso. La massima temperatura di funzionamento può essere determinata dalle considerazioni di affidabilità, dalla degradazione dell'incapsulamento e dalle considerazioni in materia di efficienza quantica interna.

56 Variazione resistenza termica nei LED

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58 La direttiva 92/75/CEE ha stabilito la necessità di applicare un etichetta energetica ai principali elettrodomestici. Nel 1994 è stata emanata la prima direttiva specifica. La legislazione europea è stata poi recepita in ciascuno dei paesi dell Unione Europea. Così in Italia nel 1998 è stato introdotto l obbligo dell etichettatura energetica per frigoriferi e congelatori, da maggio 1999 è stata introdotta l etichetta per le lavatrici, da giugno 2000 quella per le lavastoviglie, da luglio 2002 è obbligatoria l etichetta per le lampade ad uso domestico e da luglio 2003, infine, sono state introdotte le etichette per i forni elettrici e i condizionatori.

59 Lampadine fluorescenti e a basso consumo: classi A e B. Lampadine a incandescenza alogene: prevalentemente in classe D. Lampadine a incandescenza: prevalentemente nelle classi E e F. La valutazione della classe di efficienza energetica si basa sui valori di corrente luminosa e di potenza della lampadina, rilevati secondo le menzionate disposizioni. Le procedure di rilevamento sono stabilite nella Norma DIN EN 50285:1999 Procedure di misurazione dell'efficienza energetica di lampade elettriche per l'uso domestico".

60 Secondo la direttiva UE 2002/95/EG (RoHS, Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances), dal nei Paesi membri dell Unione Europea è vietato immettere per la prima volta sul mercato nuovi apparecchi elettrici ed elettronici (incluse lampadine a basso consumo) le cui sostanze velenose superano i limiti massimi da questa stabiliti, sempre che non vi siano casi eccezionali. Dal gli apparecchi e le lampadine che non adempiono ai requisiti UE non possono più essere immessi sul mercato neanche in Svizzera. Cd cadmio 100 ppm Hg mercurio ppm (eccezione: tubolari fluorescenti) CrVI cromo esavalente ppm PBB bifenili polibromati ppm PBDE difenileteri polibromati ppm

61 Direttiva 2005/32/Ce Dal settembre 2009, le lampadine opache (smerigliate) devono essere di classe A in base all'etichetta energetica dell'ue. Solo le lampadine fluorescenti compatte e le lampadine a LED raggiungono tanta efficienza energetica. Tutti gli altri tipi di lampadine opache, non abbastanza efficienti, dovranno essere gradualmente ritirati dal commercio, come anche le lampadine trasparenti a bassa efficienza.

62 Il ritiro è iniziato nel settembre 2009, quando sono state eliminate le lampadine trasparenti a incandescenza da 100W e oltre e si è introdotto per i prodotti equivalenti il requisito di essere di classe C. Lo stesso criterio sarà esteso gradualmente alle potenze minori entro il 2012 (75W nel 2010, 60W nel 2011, 40W e inferiori nel 2012).