SORGENTI ARTIFICIALI DI LUCE

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1 SORGENTI ARTIFICIALI DI LUCE

2 SORGENTI ARTIFICIALI DI LUCE Caratteristiche principali di una sorgente luminosa La scelta di una sorgente di luce è motivata da esigenze funzionali, impiantistiche, estetiche e di costo; spesso è necessario eseguire confronti fra sorgenti diverse: così, anche al fine di razionalizzare il confronto, possono essere introdotti dei parametri di valutazione della qualità di una lampada Flusso luminoso emesso Il flusso è la grandezza fotometrica più significativa per caratterizzare una lampada, dato che, per come è stato definito, esprime proprio la potenza luminosa utile ai fini della illuminazione. Spesso, per una informazione più completa, si fornisce il solido fotometrico, che consente di conoscere la distribuzione spaziale del flusso: in presenza di simmetria assiale, il solido fotometrico può essere sostituito dalla curva fotometrica.

3 SORGENTI ARTIFICIALI DI LUCE Caratteristiche principali di una sorgente luminosa Efficienza specifica Si definisce efficienza specifica s il rapporto fra il flusso luminoso emesso dalla sorgente e la potenza elettrica assorbita. La s si misura in lumen/watt. Il massimo teorico dell'efficienza specifica di una lampada è di 683 lumen/watt, corrispondente ad una radiazione monocromatica di 0,555 mm, per la quale si raggiunge il valore massimo del coefficiente di visibilità. I massimi valori di s si raggiungono con le lampade al sodio a bassa pressione e sono dell'ordine dei 200 lumen/watt.

4 SORGENTI ARTIFICIALI DI LUCE Caratteristiche principali di una sorgente luminosa Temperatura di colore Il colore di una luce può essere stabilito associandolo al colore della radiazione emessa dal corpo nero. Questa varia di colore al variare della temperatura di emissione seguendo una curva caratteristica che può essere riportata sul diagramma normalizzato CIE dei colori S curva del corpo nero Ad ogni sorgente luminosa si può associare un punto rappresentativo del colore giacente su detta curva; è così attribuita la temperatura di colore della sorgente. Se il punto di colore della radiazione della sorgente non giace sulla curva del corpo nero, si considera la temperatura isoprossimale di colore, che rappresenta la temperatura alla quale il corpo nero emette una radiazione il cui colore è quanto più vicino a quello della radiazione in esame.

5 SORGENTI ARTIFICIALI DI LUCE Resa cromatica Esprime l'attitudine di una sorgente luminosa a rendere i colori degli oggetti che illumina La determinazione di questo parametro avviene illuminando piastrine di colori campione prima con una sorgente di riferimento, poi con la sorgente da testare. La sorgente di riferimento è scelta con temperatura di colore prossima alla sorgente in esame.

6 SORGENTI ARTIFICIALI DI LUCE Resa cromatica Convenzionalmente alla sorgente campione è assegnato il valore 100; diminuendo Ra, aumenta l'alterazione dei colori indotta dalla sorgente. Trattandosi di una media complessiva, effettuata su tutte le piastrine, sorgenti luminose che hanno uno stesso valore di Ra possono comportarsi in maniera diversa rispetto alle singole piastrine. Inoltre due sorgenti con uguali temperature di colore possono avere rese cromatiche molto diverse, se hanno composizioni spettrali differenti. In base ai valori di Ra la resa dei colori delle lampade può essere: -ottima Ra = buona Ra = moderata Ra =70 50

7 SORGENTI ARTIFICIALI DI LUCE Caratteristiche elettriche e Tempo di accensione Le Caratteristiche elettriche sono costituite dalla potenza di alimentazione: P = V i cos Dove: -cos fattore di potenza, è pari ad 1 per le lampade ad incandescenza e pari a 0,3 0,5 per le lampade a scarica di gas, le quali perciò richiedono la presenza sul circuito di un condensatore di rifasamento. -Inoltre, nella lampade a scarica, dato che la corrente i tende ad aumentare dopo che si è innescato l'arco, è necessario inserire un limitatore di corrente (impedenza zavorra di tipo induttivo). Tempo Di Accensione È uguale a zero per la lampade ad incandescenza e può variare da zero ad alcuni minuti per le altre lampade.

8 SORGENTI ARTIFICIALI DI LUCE Durata delle lampade La vita di una lampada o di un gruppo di lampade può essere definita nei seguenti modi: vita tecnica individuale: numero delle ore di accensione dopo le quali una lampada va fuori servizio o non risponde più a determinate specifiche; vita minima: numero minimo di ore di vita della lampada garantita dal costruttore; vita economica: numero di ore dopo il quale il livello di illuminamento della lampada decade di oltre il 30 %; vita media: numero di ore dopo il quale il 50 % di un lotto significativo di lampade va fuori servizio. La durata di una lampada dipende dai seguenti fattori: scostamento dal valore nominale della tensione di alimentazione; cicli di accensione; temperatura ambiente; posizione di funzionamento; urti e vibrazioni; shock termici.

9 SORGENTI ARTIFICIALI DI LUCE Decadimento del flusso luminoso Il valore iniziale del flusso luminoso viene misurato dopo 10 ore di accensione per le lampade ad incandescenza e dopo 100 ore per le lampade a scarica. Il deposito sulla parete interna del bulbo di materiale opaco proveniente dal filamento o dagli elettrodi, l'azione corrosiva degli alogenuri metallici sul bulbo, l'esaurimento delle polveri fluorescenti, producono un decadimento del flusso luminoso, al quale si associa un cambiamento della temperatura di colore e dell'indice di resa cromatica. In fig. 5.1 è riportata la curva di decadimento del flusso per una lampada ad incandescenza. variazione percentuale del flusso luminoso emesso da una lampada ad incandescenza in funzione delle ore di funzionamento

10 SORGENTI ARTIFICIALI DI LUCE Regolazione del flusso luminoso Regolazione del flusso luminoso La parzializzazione del flusso luminoso, a gradini o continua, avviene regolando la corrente elettrica. Nelle lampade ad incandescenza si praticano delle interruzioni di durata variabile della corrente, senza variare la frequenza (circuiti chopper), mentre nelle lampade a scarica si preferisce diminuire la tensione agli estremi della lampada, aumentando però la frequenza della tensione stessa. Nelle lampade a scarica il flusso luminoso può essere ridotto fino al 50 %. Contemporaneamente però si alterano significativamente i parametri colorimetrici della lampada.

11 SORGENTI ARTIFICIALI DI LUCE Temperatura e posizione di funzionamento Temperatura e posizione di funzionamento La temperatura di funzionamento delle lampade dipende dalle caratteristiche costruttive e non dalla temperatura dell'ambiente. Solo per i tubi fluorescenti si verifica un abbassamento del flusso luminoso quando la temperatura ambiente si discosta dai C Il posizionamento delle sorgenti luminose, infine, influenza significativamente la durata delle lampade: ad esempio, radiatori e fan-coils originano delle correnti convettive che sollevano le polveri, le quali si depositano sulle lampade più vicine, determinando un rapido decadimento del flusso luminoso. variazione percentuale del flusso luminoso emesso da un tubo fluorescente in funzione della temperatura dell'ambiente

12 SORGENTI ARTIFICIALI DI LUCE Classificazione delle sorgenti luminose

13 SORGENTI ARTIFICIALI DI LUCE Lampade ad incandescenza A breve non più in commercio (Da settembre 2011 non sono in commercio quelle di potenza uguale o superiore a 60 W)

14 SORGENTI ARTIFICIALI DI LUCE Lampade ad incandescenza 1,5 (10 6 W/m m) 1 0,5 campo del visibile corpo nero tungsteno m Il tungsteno mentre evapora solidifica sulle pareti interne del bulbo opacizzandolo, con conseguente diminuzione del flusso luminoso emesso dalla lampada. Se nel bulbo si immettono i cosiddetti fissatori, in genere a base di fosforo, zirconio, fluoruri, questi si legano agli atomi di tungsteno formando dei composti che, una volta solidificati sulla parete interna del bulbo, sono trasparenti alla radiazione luminosa visibile, con conseguente allungamento della vita media delle lampade ad incandescenza.

15 SORGENTI ARTIFICIALI DI LUCE Lampade ad incandescenza: GLS

16 SORGENTI ARTIFICIALI DI LUCE Lampade ad incandescenza: Reflector paraboloide zona trasparente o satinata lente zona opacizzata o satinata

17 SORGENTI ARTIFICIALI DI LUCE Lampade ad incandescenza: Alogene Ciclo rigenerativo del tungsteno può essere schematizzato dalle seguenti reazioni chimiche: I 2 2I 2000K W 2I WI K WI W 2I 2

18 SORGENTI ARTIFICIALI DI LUCE Lampade ad incandescenza: Alogene

19 LAMPADE A SCARICA Principio di funzionamento Una lampada a scarica in gas è costituita da un tubo di vetro o quarzo ermeticamente chiuso. All'interno del tubo, in corrispondenza delle estremità, sono posizionati due elettrodi, l'anodo (positivo) e il catodo (negativo). Il tubo contiene un gas oppure una piccola quantità di metallo che vaporizza quando fra gli elettrodi si innesca il passaggio di corrente, che in un gas prende il nome di scarica.

20 funzionamento anodo LAMPADE A SCARICA catodo d Non appena si applica agli estremi degli elettrodi una differenza di potenziale, gli elettroni liberi presenti nel gas non si muovono più caoticamente, ma migrano verso l'anodo instaurando una corrente elettrica. Durante il loro movimento, gli elettroni urtano gli atomi del gas, cedendogli una parte dell'energia cinetica che possiedono, la cui entità dipende dalla velocità alla quale avviene l'urto. A bassa velocità l'elettrone devia dalla sua traiettoria, mentre l'atomo si riscalda. Ad alta velocità l'atomo diventa eccitato: l'energia che ha ricevuto viene utilizzata dagli elettroni più esterni per passare su orbitali a cui competono livelli energetici più elevati. Dopo un tempo molto breve, dell'ordine di secondi, l'elettrone ritorna nell'orbitale che occupava inizialmente, emettendo sotto forma di radiazione la differenza di energia esistente tra i due livelli. :

21 LAMPADE A SCARICA La frequenza n della radiazione emessa è legata alla differenza di energia tra i due orbitali E2 E1 tramite l'equazione E2 E1 = hn dove h è la costante di Planck che vale 6, Js. Quando l'urto avviene ad altissima velocità, l'elettrone più esterno abbandona l'atomo, che si trasforma in uno ione. Questo si può legare ad un elettrone libero, emettendo luce, oppure può urtare contro la parete del bulbo, producendo calore. Sotto l'azione del campo elettrico interno al bulbo, gli elettroni strappati agli atomi si comportano come elettroni liberi. Applicando una tensione opportuna, detta tensione d'innesco, la velocità degli elettroni è tale da dar luogo a urti ad altissima velocità. Il fenomeno della ionizzazione del gas si accresce rapidamente (valanga elettronica), con gli ioni che si spostano verso il catodo, mentre gli elettroni, molto più velocemente, migrano verso l'anodo

22 LAMPADE A SCARICA Temperatura e posizione di funzionamento V (V) regione di transizione scarica di Townsend innesco scarica normale tensione d'innesco scarica anormale regione di transizione arco i (A) A causa dell'urto con gli ioni, il catodo si riscalda favorendo ulteriormente la ionizzazione e quindi la formazione di nuovi elettroni. Lo svilupparsi di questo secondo processo di ionizzazione accelera il raggiungimento delle condizioni di regime, in cui il numero degli elettroni è sufficiente a mantenere la scarica tra i due elettrodi. Per il mantenimento della scarica è sufficiente una tensione minore detta tensione d'arco.

23 LAMPADE A SCARICA Temperatura e posizione di funzionamento Nonostante la diminuzione della tensione applicata agli elettrodi, la ionizzazione si accrescerebbe all'infinito, facendo diminuire la resistenza elettrica della colonna di gas frapposta tra i due elettrodi, fino a portare alla distruzione della lampada. Per rendere possibile il funzionamento della lampada a scarica va quindi inserito in serie un reattore o alimentatore che limita la corrente che circola nel circuito. Gli atomi, potendo subire diversi stati di eccitazione, emettono radiazioni aventi diversa lunghezza d'onda. Vi sono radiazioni che ricadono direttamente nel campo del visibile, altre nell'infrarosso e nell'ultravioletto. Per aumentare l'efficienza specifica della lampada, la parete interna del tubo è rivestita con polveri fluorescenti, che sono eccitate dalla radiazione ultravioletta incidente e, quando ritornano allo stato di equilibrio iniziale, emettono energia luminosa.

24 Le sorgenti luminose gassose, operanti a bassa pressione, emettono in genere radiazioni secondo uno spettro a righe; talvolta emettono anche secondo uno spettro continuo, a cui competono però emissioni specifiche minori. Il numero delle linee spettrali dipende dalla natura del gas, mentre l'emissione specifica e l'ampiezza dell'intervallo di lunghezze d'onda è funzione della pressione e dalla temperatura del gas. A bassa pressione le linee sono più strette e l'emissione specifica della sorgente risulta minore; al crescere della pressione aumenta non solo l'emissione specifica, ma anche l'ampiezza delle righe, fino a che si sovrappongono e compare uno spettro continuo. LAMPADE A SCARICA

25 LAMPADE A SCARICA Tensione d'innesco A parità di diametro del tubo, per un dato gas, si è osservato sperimentalmente che la tensione d'innesco è funzione della pressione del gas e della distanza tra gli elettrodi. V (V) P d d 1 d 2 d 3 d 1 d 2 d 3 V (V) P 1 P 2 P 3 P 1 P 2 P 3 Fissata la distanza d tra gli elettrodi della lampada, si osserva che la tensione d'innesco cresce sia per pressioni del gas molto basse che per tensioni molto elevate. P (Pa) andamento della tensione di innesco V in funzione della pressione del gas all'interno del bulbo P e della distanza tra gli elettrodi d; d1 <d2 <d3 e P1 <P2 <P3. P (Pa) Definendo il tempo libero medio come il tempo che intercorre tra due urti, questo fenomeno può essere spiegato nel seguente modo

26 LAMPADE A SCARICA Temperatura e posizione di funzionamento A) Alta pressione Il tempo libero medio delle particelle è breve, per cui esse non riescono ad acquistare una energia cinetica sufficiente alla ionizzazione degli atomi. Aumentando la tensione, le particelle subiscono una accelerazione tale che le collisioni portano alla ionizzazione del gas. B) Bassa pressione Il tempo libero medio delle particelle è molto elevato, ma il gas è così rarefatto che il numero delle collisioni è modesto; per questa ragione, aumentando la tensione, le particelle subiscono una accelerazione e quindi aumenta la frequenza delle collisioni

27 LAMPADE A SCARICA Temperatura e posizione di funzionamento V (V) V i,min Pd i,min Pd (N/m) P d Allo stesso modo si può dimostrare che, fissando la pressione del gas, la tensione d'innesco sale per elettrodi molto vicini, ma anche per elettrodi posti a distanza rilevante. Per elettrodi piani e paralleli, la tensione d'innesco dipende dal prodotto tra la pressione del gas nel bulbo e la distanza tra gli elettrodi, secondo la cosiddetta legge sperimentale di Paschen. È conveniente perciò realizzare lampade per le quali al prodotto Pd corrisponda la tensione di innesco minima. Questo si può ottenere ricorrendo a lampade con: bassa pressione del gas ed elevata distanza tra gli elettrodi; elevata pressione del gas e ridotta distanza tra gli elettrodi. Può accadere però che la tensione d'innesco continui ad essere troppo elevata. In questo caso si ricorre ad un gas ausiliario, ad elettrodi speciali o particolari accorgimenti tecnici, detti accenditori, che facilitano l'innesco della lampada.

28 LAMPADE A SCARICA Gas ausiliari In molte lampade inizialmente le sostanze che emettono luce si trovano allo stato liquido o solido e quindi la pressione del vapore è insufficiente per il funzionamento della lampada. Per questa ragione viene immesso nel bulbo un gas ausiliario, costituito da un gas raro o miscele di gas rari (argon, xenon, ecc.) che, possedendo una tensione di eccitazione prossima alla tensione di ionizzazione, facilitano l'instaurarsi della scarica. Una volta che si è instaurata la scarica nel gas ausiliario, il calore generato dalla scarica fa vaporizzare la sostanza solida o liquida, rendendo possibile il trasferimento della scarica al gas emittente Elettrodi speciali Il catodo, realizzato in genere in tungsteno, può essere ricoperto con ossidi dei metalli alcalino terrosi (BaO, SrO, CaO), che facilitano la ionizzazione del gas.

29 LAMPADE A SCARICA a b c starter reattore Starter Si tratta di un dispositivo usato principalmente nelle lampade fluorescenti, che inserisce e disinserisce il circuito di preriscaldamento degli elettrodi. Esistono vari tipi di starter: ad effluvio, per adescamento a caldo, termici, accomunati dalla presenza di un dispositivo mobile bimetallico. Lo starter ad effluvio è costituito da due elettrodi, uno fisso e l'altro dotato di una lamina bimetallica ripiegata, inseriti in un bulbo di vetro, all'interno del quale è immesso un gas nobile (neon o miscela di elio e idrogeno). All'atto della chiusura del circuito si produce una scarica tra gli elettrodi che, per effetto Joule, si riscaldano. A causa del diverso valore del coefficientedidilatazionedeiduemetalli,lalaminavienea contatto con l'elettrodo fisso: il circuito si chiude ed inizia il preriscaldamento degli elettrodi della lampada. L'inizio del processo di ionizzazione del gas nel tubo della lampada riduce la corrente che circola nello starter, con la conseguente diminuzione della temperatura della lamina bimetallica che in breve tempo ritorna nella posizione iniziale, aprendo il circuito di preriscaldamento. Il disinserimento di questo circuito genera una tensione induttiva che, sommata a quella di rete, consente l'innesco della lampada.

30 LAMPADE A SCARICA Si tratta di un dispositivo utilizzato nelle lampade ad alta pressione al mercurio e nelle lampade ad alogenuri. Ai due elettrodi principali ne è aggiunto un terzo, detto ausiliario, disposto come in fig. Questo elettrodo è collegato a quello principale più lontano per mezzo di un resistore che limita la corrente. Alla chiusura del circuito, si genera un campo elettrico tra l'elettrodo ausiliario e l'elettrodo principale adiacente. La scarica che si instaura tra questi due elettrodi comporta la ionizzazione del gas ausiliario e quindi l'instaurarsi della scarica tra i due elettrodi principali. Successivamente la scarica passa al gas emittente. reattore Elettrodi ausiliari elettrodo ausiliario resistore

31 LAMPADE A SCARICA Accenditori elettronici Per le lampade al sodio ad alta pressione si utilizza un accenditore elettronico (tiristore). Questo genera impulsi ad alto voltaggio (2,5-4,5 kv) e alta frequenza, per una durata superiore a 2 sec, che ionizzano il gas ausiliario. I tiristori di nuova generazione si disinseriscono automaticamente nel caso di mancato innesco della lampada Reattore Con l'instaurarsi della scarica, diminuisce la resistenza della colonna di gas frapposta tra i due elettrodi, con conseguente aumento della corrente che circola nel circuito. Per limitarla si inserisce un reattore in ferro, che crea una resistenza zavorra di tipo induttivo. In genere, per non dissipare troppa energia, si usano delle impedenze, che essendo dotate di una propria induttanza, operano uno sfasamento tra corrente e tensione, rendendo necessario l'inserimento di un condensatore che attui il rifasamento.

32 LAMPADE Lampade al sodio a bassa pressione 1 2 Nelle lampade al sodio a bassa pressione la scarica avviene in un tubo di vetro ripiegato ad U, ai cui estremi sono posti i due elettrodi gruppo di sostegno; 2. pellicola di ossido di indio; 3. rivestimento interno riflettente il calore; 4. tubo ad arco a due strati, lo strato interno è resistente al sodio ed ha uno spessore di 50 mm; 5. tubo di scarica con gas di innesco; 6. catodi speciali al tungsteno a triplice bobina; 7. perline di ceramica per protezione delle giunzioni dai vapori di sodio; 8. anello di bario per mantenimento del vuoto; 9. base a baionetta. 9

33 LAMPADE Lampade al sodio a bassa pressione La tensione di innesco è superiore alla tensione di rete, perciò inizialmente la scarica viene innescata nel gas ausiliario (neon o argon), grazie alla presenza di un elettrodo ausiliario oppure di un accenditore elettronico. Quando viene raggiunta la temperatura di 200 C, il sodio evapora e la scarica passa dal gas ausiliario al vapore emittente. Dopo 5-8 minuti si raggiungono le condizioni di regime, in cui temperatura e pressione sono tali da garantire il mantenimento della scarica. Per limitare la corrente che circola nel circuito è necessario l'inserimento di un reattore.

34 LAMPADE Lampade al sodio a bassa pressione La massima efficienza delle lampade si ottiene per temperature del vapore di sodio dell'ordine dei 270 C e per una pressione di 0,5 Pa. Per raggiungere questa temperatura si debbono limitare le dispersioni di calore per convezione verso l'ambiente, racchiudendo il tubo in un involucro di vetro e praticando nell'intercapedine il vuoto. Inoltre la superficie interna del secondo tubo è rivestita di uno strato di ossido di indio che, per quei valori di temperatura, lascia passare il 91% delle radiazioni luminose, e riflette verso il tubo interno il 90 % delle radiazioni infrarosse. Per evitare che il sodio attacchi i silicati del tubo di vetro interno, questo viene protetto da un sottile strato di vetro al borace. L'elevata efficienza delle lampade al sodio a bassa pressione è dovuta al fatto che l'emissione avviene quasi esclusivamente in corrispondenza dell'intervallo di lunghezze d'onda ,6 mm, in prossimità quindi del massimo della sensibilità dell'occhio umano. La luce prodotta ha un colore giallo-verde. La luce monocromatica emessa dalle lampade altera sensibilmente il colore degli oggetti che illumina; d'altro canto però, in ambienti con bassi valori di illuminamento, consente una percezione più nitida e rapida degli oggetti. Queste lampade sono applicate quindi nell'illuminazione stradale, di gallerie e piazzali.

35 LAMPADE Lampade al mercurio a bassa pressione. In queste lampade, comunemente chiamate fluorescenti, la scarica avviene in un tubo, ripiegato o lineare, contenente vapori di mercurio a bassa pressione e ai cui estremi sono posti gli elettrodi. Questi sono costituiti da un filamento in tungsteno avvolto in spirale multipla e rivestito di ossidi di metalli alcalino terrosi, in modo da facilitare la ionizzazione del gas ausiliario, che può essere neon, argon, Krypton o xenon. La superficie interna del tubo è rivestita con polveri fluorescenti che assorbono la radiazione ultravioletta e la riemettono in parte nel visibile. Perciò l'indice di resa cromatica dipende dalla composizione delle polveri del rivestimento. Inoltre, variando le percentuali dei fosfori, si ottengono temperature di colore superiori a 2500 K.

36 LAMPADE Lampade fluorescenti lineari Queste lampade sono costituite da un tubo rettilineo o forgiato ad U o a cerchio. La massima efficienza specifica viene raggiunta in corrispondenza di un indice di resa cromatica pari a 85. Il diagramma mostra come è convertita la potenza di alimentazione in una lampada fluorescente lineare da 40 W. POTENZA DI ALIMENTAZIONE 40 W FLUORESCENZA RADIAZIONE ULTRAVIOLETTA PERDITE NON RADIATIVE 24 W R ADIAZIONE VISIBILE RADIAZIONE VISIBILE RADIAZIONE TERMICA 1 W 9 W 15 W 15 W RADIAZIONE VISIBILE RADIAZIONE TERMICA CONDUZIONE E CONVEZIONE 10 W 12 W 18 W

37 LAMPADE Lampade fluorescenti compatte Si tratta delle lampade dell'ultima generazione. Il tubo è ripiegato su se stesso due o più volte e presenta diametri ridotti (10-15 mm), allo scopo di miniaturizzare la sorgente e renderla utilizzabile in tutti quegli apparecchi che utilizzano ancora lampade ad incandescenza. In alcuni formati le lampade fluorescenti compatte incorporano anche i dispositivi ausiliari e, in questo caso, le apparecchiature sono generalmente elettroniche, al fine di ridurre peso e ingombro. L'efficienza del sistema lampada-reattore è di circa 50 lm/w nel caso di reattore ferromagnetico e di 60 lm/w per un reattore elettronico. Rispetto alle migliori lampade ad incandescenza alogene, presentano una efficienza specifica doppia, una vita di 6000 ore (contro le 2000 ore delle alogene), un indice di resa cromatica leggermente più basso, ma il costo notevolmente superiore ne limita ancora la diffusione in ambito domestico.

38 LAMPADE FLUORESCENTI COMPATTE

39 LAMPADE Lampade al sodio ad alta pressione Nelle lampade al sodio ad alta pressione la scarica è innescata fra due elettrodi posti alle estremità di un tubo contenente una lega di sodio e mercurio e un gas ausiliario, xenon o argon. Il tubo è realizzato in allumina sinterizzata, un materiale ceramico che coniuga una elevata resistenza all'attacco del vapore di sodio ad alta temperatura con una buona trasparenza alla radiazione visibile. La distribuzione spettrale della radiazione luminosa emessa dipende dalla pressione del vapore di sodio

40 LAMPADE Lampade al mercurio ad alta pressione 1 Nelle lampade al mercurio ad alta pressione i due elettrodi sono posti alle estremità di un tubo in quarzo; inizialmente la scarica elettrica si instaura nel gas ausiliario (argon), per poi passare al vapore di mercurio. Il tubo di scarica è posto all'interno di un bulbo tubolare privo di aria, che limita le dispersioni di calore per convezione verso l'ambiente e assicura una protezione elettrica delle parti in tensione della lampada. La scarica inizialmente riempie tutto il bulbo e poi si contrae, fino a quando la pressione del vapore di mercurio non raggiunge il suo valore di funzionamento. A causa della sua elevata pressione (100 kpa - 2,5 MPa), il vapore di mercurio emette direttamente nel campo del visibile (per le lampade a bassa pressione si tratta di una frazione trascurabile) con due bande principali centrate nel blu-azzurro e nel giallo-verde, che conferiscono alla luce un colore bianco-azzurro. Difettando del rosso, l'indice di resa cromatica e la temperatura di colore sono molto bassi. Per sfruttare l'energia raggiante emessa nell'ultravioletto, la superficie interna del tubo viene rivestita con una miscela di polveri di fosforo, che assorbono la maggior parte delle radiazioni ultraviolette per poi riemetterle nel visibile. lampada a vapori di mercurio ad alta pressione. 1) molla di sostegno; 2) bulbo esterno in vetro; 3) rivestimento interno con polveri di fosforo; 4) filo conduttore/supporto; 5) tubo di scarica in quarzo; 6) elettrodo ausiliario 7) elettrodo principale; 8) resistore d'innesco; 9) attacco a vite

41 LAMPADE Lampade ad Alogenuri 1 Nel tubo di scarica in quarzo delle lampade ad alogenuri, oltre al mercurio e all'argon, si immettono ioduri di sodio, tallio e indio. Quando la lampada raggiunge le condizioni di regime, gli ioduri non sono completamente vaporizzati, ma nella zona centrale dell'arco le molecole cominciano a dissociarsi in alogeni e metalli che, eccitati dalla scarica, emettono radiazioni distribuite nel campo del visibile e vanno a coprire buona parte delle lacune dello spettro del mercurio, senza che la superficie interna del tubo debba essere rivestita con polveri fluorescenti. Sono disponibili lampade a resa cromatica migliorata nel cui tubo di scarica sono aggiunti anche ioduri di disprosio, olmio, tulio e cesio. lampade ad alogenuri con ampolla diffondente e tubolare trasparente. 1) anello per il mantenimento del vuoto; 2) bulbo esterno in vetro; 3) rivestimento con polveri di fosforo; 4) tubo di scarica in quarzo; 5) conduttore/supporto; 6) attacco a vite

42 LAMPADE Lampade a Luce Miscelata 1 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 ampada a luce miscelata. 1) bulbo esterno in vetro; 2) filamento incandescente; 3) tubo di scarica in quarzo; 4) supporto; 5) elettrodo principale; 6) rivestimento interno con polveri di fosforo; 7) filo conduttore, 8) attacco a vite.

43 LAMPADE Lampade ad Induzione La causa principale del deperimento delle lampade a scarica consiste nel consumo degli elettrodi. Nelle lampade ad induzione la scarica viene generata nel vapore di mercurio senza il ricorso agli elettrodi, grazie ad un circuito di eccitazione che crea un campo magnetico. Gli elementi che costituiscono una lampada ad induzione sono: - ampolla fluorescente; - antenna; - generatore elettronico ad alta frequenza. Ampolla fluorescente Bobina H E Antenna Linea di alimentazione Generatore ad alta frequenza

44 LAMPADE Lampade ad Induzione

45 Lampade a Scarica LAMPADE

46 LAMPADE Lampade a LED Il LED (Light Emitting Diode), sviluppato da Nick Holonyak nel 1962, è un dispositivo che sfrutta le proprietà ottiche di alcuni materiali semiconduttori per emettere energia luminosa a scapito della ricombinazione di coppie elettrone - lacuna. I LED sono costituiti da una giunzione P-n generalmente realizzata con arseniuro di gallio o fosfuro di gallio, entrambi materiali in grado di emettere radiazioni luminose quando attraversati da una corrente elettrica con valori compresi tra 10 e 30 ma. I LED più comuni emettono luce rossa, arancio, gialla o verde; in tempi relativamente recenti, utilizzando il Nitruro di Gallio, si è prodotto un LED caratterizzato dall emissione di luce blu chiara. Si può ottenere una luce bianca dalla combinazione di più LED colorati vicini.

47 LAMPADE Lampade a LED La disponibilità di un led a luce blu è molto importante poiché ha consentito di ricreare una radiazione spettralmente bianca a partire da dispositivi intrinsecamente monocromatici mediante le seguenti due distinte tecnologie: utilizzo della tricromia: ossia di tre singoli led caratterizzati da emissione ad appropriate lunghezze d onda (nel rosso, nel verde e nel blu) e fasci opportunamente collimati. Tale tecnica è utilizzata maggiormente nella riproduzione digitale del colore; utilizzo del principio della conversione: si utilizza un led a luce blu (generalmente in tecnologia InGaN) la cui radiazione (emissione primaria) stimola un opportuna polvere fluorescente (depositata su una superficie interna al componente) la quale emette nel campo del giallo (emissione secondaria). Dalla miscelazione dell emissione primaria con quella secondaria è possibile ottenere una radiazione spettralmente uniforme percepita, come luce bianca. Variando la quantità e la concentrazione della polvere fluorescente, è possibile ottenere tonalità variabili dal bianco freddo (simile a quello emesso dalle lampade a fluorescenza), ad un più caldo bianco-giallognolo (più vicino a quello che caratterizza l emissione di lampade ad incandescenza).

48 LAMPADE Lampade a LED In campo illuminotecnico, al fine di ottenere l intensità necessaria a garantire il giusto illuminamento su una assegnata superficie, si ricorre spesso a moduli preassemblati composti da più led. I LED hanno avuto maggiore diffusione nelle applicazioni in cui è necessario avere elevata affidabilità, lunga durata ed elevata efficienza: telecomandi a infrarossi, indicatori di stato (lampade spia), retroilluminazione di display LCD; semafori e stop delle automobili; cartelloni a messaggio variabile; illuminazione domestica; illuminazione di ambienti esterni di interesse storico artistico o paesaggistico. In generale l impiego dei LED è consigliabile quando l impianto di illuminazione deve essere dotato delle seguenti caratteristiche: lunga durata e robustezza; valorizzazione di forme e volumi; colori saturi ed effetti dinamici (variazione di colore RGB).

49 LAMPADE Lampade a LED Con l incremento delle prestazioni dei LED, il campo di impiego è in continua espansione; le problematiche più comuni da risolvere sono legate allo smaltimento del calore generato, alla fedeltà dei colori riprodotti, all assorbimento energetico complessivo. Ladurata è stimata in ore (dispositivi attuali certificati per durate oltre ore), soprattutto grazie all assenza di elementi deteriorabili L efficienza è attualmente mediamente dell ordine di lm/w, alcuni dispositivi dell ultima generazione sono dichiarati avere efficienze anche oltre 100 lm/w; alcune aziende dichiarano per alcuni prototipi efficienze intorno ai 150 lm/w. POSSIBILE SVANTAGGIO: elevata direzionalità del fascio luminoso (da risolvere, se è necessaria l omnidirezionalità, mediante un disegno opportuno del corpo illuminante e distribuendovi sopra più LED).

50 LAMPADE Lampade a LED Esempi di Applicazione