CORSO DI FISICA TECNICA Tecniche del COSTRUIRE AA 20010/11 ILLUMINOTECNICA Lezione n 3: Lampade a scarica nei gas e LED
Primi studi sulla scarica elettrica in tubi riempiti con gas a bassa pressione alla fine del XIX secolo (Sir William Crookes ed altri) Primo tubo pieno di neon con emissione di luce monocromatica rossa utilizzata per scopi decorativi e per insegne pubblicitarie (Georges Claude) Prime lampade al neon in commercio nel 1910 per insegne luminose (Georges Claude) In seguito intensa sperimentazione con vapori di mercurio (luce blu e radiazioni UV) e vapori di sodio (luce monocromatica giallognola) Verso il 1930 comparsa dei tubi fluorescenti (con vapori di mercurio e pareti interne ricoperte da depositi di polvere fluorescente) Fino ai primi anni 50: lampade ad incandescenza e fluorescenti per gli interni lampade a scarica al neon e simili per gli esterni e per le insegne luminose lampade a vapori di sodio per l illuminazione l stradale. Dagli anni 70 grande impulso delle lampade al sodio ad alta pressione buone sia per interni che per esterni. Più recentemente sono apparse in commercio le lampade allo xenon con luce simile a quella naturale del sole.
Cenni al fenomeno fisico della scarica Atomo in configurazione stabile o neutra: tutti gli elettroni occupano le loro orbite naturali caratterizzate ciascuna dal proprio livello energetico. Stato di eccitazione : uno o più elettroni acquistando quanti ben definiti di energia saltano su orbite stazionarie più distanti dal nucleo ( (atomo eccitato ) Stato di equilibrio instabile, dal quale l atomo tende spontaneamente a tornare alla configurazione iniziale,, a più basso contenuto di energia, di equilibrio stabile, riemettendo l energia immagazzinata. Ionizzazione: l'energia assorbita provoca l'uscita dell elettrone elettrone dall'ultima orbita (elettrone libero senza alcun legame con lo ione originario, l atomo è ionizzato,, l energia l è detta di ionizzazione). Per provocare eccitazione o ionizzazione occorrono: interazioni con fotoni aventi lunghezza d onda d nell ultravioletto e nel visibile urti con elettroni liberi dotati di sufficiente energia cinetica. Diseccitazione: Dalla condizione di eccitazione, l atomo torna nella configurazione stabile iniziale,, mediante dissipazione dell energia energia acquisita nella eccitazione attraverso emissione di quanti di energia. Se la lunghezza d onda d dell energia energia emessa è nello spettro del visibile si ha emissione di luce dovuta alla scarica
Nella massa gassosa possono essere già presenti elettroni liberi oppure essere emessi da un catodo metallico opportunamente riscaldato (effetto termoionico - Edison). Gli elettroni liberi scambiano energia con atomi e molecole della massa gassosa mediante urti elastici (senza alcuna dissipazione di energia meccanica) ed anelastici (parte dell energia energia meccanica dell elettrone elettrone viene dissipata sotto forma di energia di deformazione del corpo urtante o di quello urtato). Velocità dell'elettrone libero bassa: l'elettrone libero (massa << di quella della molecola) conserva l'energia cinetica precedente all'urto, ma varia la quantità di moto cambiando la direzione della velocità dopo l'urto Velocità dell'elettrone libero sufficientemente elevata: possibile scambio di energia sufficiente per la eccitazione: : salto ad un livello energetico più elevato e ritorno allo stato iniziale con emissione di fotoni. Velocità dell elettrone elettrone libero molto elevata: possibile scambio di energia sufficiente per la ionizzazione: : liberazione di un elettrone con formazione di uno ione positivo. In questa situazione aumento delle cariche (elettroni liberi) che contribuiscono alla corrente entro la massa del gas (SCARICA).
L elettrone libero responsabile dell'urto non deve avere esattamente la giusta quantità di energia di eccitazione o di ionizzazione,, ma soltanto non deve averne di meno. L'eventuale eccesso rimane dopo l'urto sotto forma di energia cinetica del solo elettrone libero, nel caso della eccitazione, o dei due elettroni liberi nel caso della ionizzazione. izzazione. Emissione spettrale a righe - presenti componenti relative solo ad alcune lunghezze d onda entro fasce più o meno strette tipiche dell elemento elemento chimico gassoso che riempie il bulbo Composizione spettrale della luce emessa da una lampada a scarica a (sodio alta pressione)
Lampade a vapori di sodio a bassa pressione (0.1 mm Hg a lampada spenta) Contengono xenon / elio / neon / argon che servono ad avviare la scarica che riscalda il tubo e permette la evaporazione del sodio metallico inizialmente raccolto in pozzetti in piccole quantità. 1. Attacco a baionetta; 2. Catodo di tungsteno; 3. Piccole cavità per la raccolta del sodio metallico; 4. Tubo di scarica La stabilità della scarica dipende fortemente dalla temperatura di funzionamento (circa 250 C) Per mantenere una temperatura di funzionamento costante: Alimentazione stabilizzata Isolamento termico mediante intercapedine vuota con un secondo tubo più esterno o rivestimento con ossidi di iridio e stagno o mediante doratura trasparente alla luce ma riflettente l infrarosso. l
Luce emessa monocromatica giallo-arancione arancione,, poco adatta all illuminazione degli interni. Luce emessa concentrata entro una banda di lunghezze d onda d molto stretta tra 589.0 e 589.6 nm ove il coefficiente di visibilità relativa v(λ) è molto elevato( 0,86) Elevatissima efficienza luminosa Resa dei colori nulla, anzi, priva di significato; Efficienza luminosa: 200 (lm( W -1 ). Decadimento del flusso luminoso: 87%. Tempo di riaccensione a caldo: quasi nullo. Tempo di riaccensione a freddo: 10 min. Temperatura di colore: 1700 K. Vita media: 10000 h. Utilizzate dove non è richiesta una buona resa dei colori: illuminazione stradale ed autostradale, gallerie,, incroci e grandi spazi esterni
Lampade a vapori di sodio ad alta pressione Apparse in commercio attorno al 1965. Formate da due tubi: Tubo interno in ceramica o quarzo resistente all aggressivit aggressività del vapore di sodio ed alle elevate temperature (circa 1500 K); Tubo esterno con funzione di protezione; tra i due tubi viene fatto il vuoto. Luce di colore giallo-bianco non adatta per l illuminazione degli interni. Sono prevalentemente usate per parcheggi ed impianti sportivi. Efficienza luminosa: 90 (lm( W -1 ) Vita media di 12000 h Decadimento del flusso luminoso: 90% Tempo di messa a regime: alcuni minuti Tempo di riaccensione a caldo: 1 2 minuti Tempo di riaccensione a freddo: 5 11 minuti Temperatura di colore di 2000 K.
L alta pressione (circa 10 35 kpa) ) fa allargare lo spettro di emissione che diventa quasi continuo con un miglioramento della resa dei colori. In commercio disponibili anche lampade ad alta pressione a luce corretta e più recentemente, nel 1986, sono apparse le lampade al sodio ad alta pressione a luce bianca,, che possono essere utilizzate anche negli ambienti interni.
Lampade a vapori di mercurio a bassa pressione (Fluorescenti) Impropriamente dette tubi al neon, realizzate in quarzo e riempite con argon a pressione molto bassa (circa 1 Pa) per innescare la scarica e qualche goccia di mercurio che riscaldandosi evapora. La scarica emette prevalentemente radiazioni UV ( λ 253,7 nm) riconvertite in radiazioni visibili dai fosfori depositati sulla parte interna del tubo per assorbire gli UV ed emettere radiazioni visibili (trasduttori di frequenza). Forma tubolare con alte rese cromatiche Anche in forma compatta apparse negli anni 80, resa cromatica intorno a 85, scarsa presenza estetica. Lampade miniaturizzate con tubi di diametro di 10 mm piegati ad U o affiancati Interessanti alternative alle lampade ad incandescenza: notevoli risparmi energetici (fino al 75%), costo leggermente maggiore, temperature notevolmente più basse.
La composizione dei fosfori influenza la temperatura di colore e la resa cromatica. Valori diversi della temperatura di colore: luce bianca fredda, calda o intermedia, Luminanze non elevate,, intorno a 7000 cd m -2, nessun rischio di abbagliamento. Contrassegnate da una lettera ed un numero Lettera: forma della lampada T: tubolare C: circolina (estremità adiacenti rivolte in senso opposto) H: (Helicoid)) di geometria elicoidale U: il tubo è ritorto su se stesso a forma di U Numero: diametro della sezione in 1/8 Esempi: T-2 2 = 6 mm, T-5 5 =16 mm; T-8 8 = 25 mm; T-12 = 38 mm.
Lampade a vapori di mercurio ad alta pressione Pressione fino a 8 atm per sostituire la funzione dei fosfori, riducendo la emissione UV a favore delle radiazioni visibili. Due bulbi: quello interno in quarzo,, di alcuni millimetri di diametro, contiene i vapori di mercurio ad alta pressione; quello esterno di vetro svolge le funzioni di protezione del tubo principale e di custodia dei contatti degli elettrodi principali e di quelli di innesco. Emettono luce verde-blu ed UV Quasi assente la luce rossa (gli oggetti rossi illuminati da queste lampade appaiono marrone) Usate dove il rosso ha poca importanza Di solito installate nei parcheggi,, lungo le autostrade etc. Lungo l asse l del tubo principale si hanno temperature a regime anche di 5000 K mentre sull involucro si raggiungono anche i 1000 K.
Inconveniente: lunghi tempi di messa a regime ( 3-7 minuti) necessari al riscaldamento ed all evaporazione delle gocce di mercurio; lunghi tempi di riaccensione necessari per consentire un adeguato raffreddamento del bulbo che riporti la pressione interna a valori compatibili con la tensione di avvio della scarica. E possibile abbinare vapori di mercurio ad alta pressione e fosfori depositati sulla superficie interna del tubo ottenendo luce più bianca (i i fosfori colmano la lacuna del rosso). Vita media: 12000 h Efficienza luminosa: 50 (lm( W -1 ). Decadimento del flusso luminoso: 78%. Tempo di riaccensione a caldo: è di 4 64 6 minuti Tempo di riaccensione a freddo è di 3 5 minuti
Lampade ad alogenuri metallici Apparse in commercio nel 1964 Particolare versione delle lampade a vapori di mercurio ad alta pressione con l aggiuntal di alogenuri metallici anche in miscela (ioduri di sodio, di cesio, di tallio e di indio, di disprosio, di torio). I vapori degli alogenuri arricchiscono lo spettro di emissione del mercurio aggiungendo energia emessa nelle bande assenti, rendendo superfluo il compito dei fosfori. L aggiunta degli alogenuri migliora le prestazioni della lampada: Efficienza luminosa: 60-80 (lm( W -1 ). Resa cromatica: 60-93 %. Vita media: 5000 h. Temperatura di colore: va da 3000 a 6000 K. Tempi di riaccensione: i più elevati tra tutte le lampade. Usate per l illuminazione di ampi spazi interni ed esterni dove è importante la resa dei colori come nelle manifestazioni notturne con riprese televisive.
LED: acronimo di Light Emitting Diode (diodo ad emissione luminosa ) Primo LED sviluppato da Nick Holonyak nel 1962 Diodo Il diodo è un componente elettronico a due poli,, che permette il passaggio di corrente elettrica in una direzione bloccandola contemporaneamente nell'altra. LED: Speciale diodo a giunzione p-np costituito da un sottile strato di materiale semiconduttore drogato Giunzione p-np Una giunzione p-n p è un cristallo semiconduttore composto da due zone,, una ad eccedenza di elettroni (strato n) ed una ad eccedenza di lacune (strato p). La giunzione è propriamente la sottile regione di incontro tra i due settori (p ed n) Le eccedenze di elettroni e lacune si ottengono mediante drogaggio. Drogaggio Aggiunta di piccole percentuali di atomi non facenti parte del semiconduttore stesso per modificare le proprietà elettriche del materiale. Elementi droganti utilizzati in piccolissime quantità (impurità elettroniche espresse in atomi/cm 3 ), che modificano le proprietà elettriche del semiconduttore ma non le sue proprietà chimiche.
Materiale conduttore Sovrapposizione parziale tra la banda di valenza e quella di conduzione: presenza di molti elettroni nella banda di conduzione (liberi) possibilità di muoversi da atomo ad atomo dando luogo a correnti elettriche Materiale isolante Distanza notevole (elevato gap di energia) tra banda di valenza e banda di conduzione: assenza di elettroni nella banda di conduzione impossibilità di muoversi da atomo ad atomo costituendo correnti elettriche Materiale semiconduttore Situazione intermedia tra le due: gap di energia non eccessivamente grande tra banda di valenza e banda di conduzione: possibilità per gli elettroni di passare dalla banda di valenza a quella di conduzione superando il gap energetico se viene fornita dall esterno una certa quantità di energia (esempio e.m.) Silicio tetravalente Cristallino stabile con legami covalenti tra cinque atomi di silicio icio Attraverso una operazione di drogaggio si dispongono alcuni elettroni troni nella banda di conduzione ottenendo un certo grado di conducibilità elettrica
Esempio: col silicio che ha atomi tetravalenti (quattro legami per formare un cristallino), lino), il drogaggio di tipo n può essere effettuato mediante atomi di fosforo o arsenico (5 el.), mentre il drogaggio di tipo p è effettuato mediante atomi di boro (3 el.). Drogaggio di tipo n: l'atomo drogante ha un elettrone in più di quelli necessari per soddisfare i legami del reticolo cristallino e tale elettrone diventa libero di muoversi all'interno del semiconduttore. Drogaggio di tipo p: l'atomo drogante ha un elettrone in meno di quelli necessari per soddisfare i legami del reticolo cristallino e tale mancanza (lacuna( lacuna), si comporta come una particella carica positivamente e si può muovere all interno del semiconduttore
La lacuna è,, insieme all'elettrone elettrone,, uno dei due portatori di carica che contribuiscono al passaggio di corrente elettrica nel semiconduttore. e. Pur non essendo una particella elementare (è piuttosto assenza di particella), ha in valore assoluto la stessa carica dell'elettrone elettrone,, ma di segno opposto (+). In un semiconduttore drogato elettroni della banda di conduzione possono cadere nella banda di valenza occupando le lacune: questo processo (ricombinazione) avviene con emissione di energia a (fotoni), cioè generazione di luce. In un semiconduttore si può avere una regione drogata di tipo N (aumento di elettroni nella banda di conduzione) ed una regione drogata di tipo P si (incremento di lacune) GIUNZIONE: zona di sovrapposizione della regione P con quella N Gli elettroni in eccesso della zona N approssimandosi alla giunzione ione possono occupare le lacune della zona P vicine alla giunzione, dando luogo a ioni positivi nella regione N e ioni negativi nella regione P - - - - - - + + + + + + Regione P Regione N Si genera una zona di svuotamento in cui si fronteggiano ioni positivi e negativi: barriera di potenziale superabile applicando una differenza di potenziale maggiore di quella esistente (polarizzazione( polarizzazione)
Nel semiconduttore polarizzato in modo diretto una corrente di elettroni va dalla regione N alla P ricombinandosi con le lacune ed emettendo luce (fotoni) - - - - - - + + + + + + Regione P Regione N + - Se si invertono le polarità (polarizzazione inversa) solo una debole corrente riesce ad attraversa la giunzione Il sistema costituisce così un DIODO (cioè un sistema che consente il passaggio di corrente solo in un verso e non nel senso opposto) ad EMISSIONE di LUCE cioè un LED Il dispositivo LED sfrutta le proprietà ottiche di alcuni semiconduttori drogati (arseniuro di gallio GaAs,, fosfuro di gallio GaP, fosfuro arseniuro di gallio GaSaP,, carburo di silicio SiC, nitruro di gallio e indio Ga In N), per produrre fotoni a partire dalla ricombinazione di coppie elettrone-lacuna. lacuna. Quando sottoposti ad una tensione diretta gli elettroni della banda di conduzione si ricombinano con le lacune della banda di valenza rilasciando energia sotto forma di fotoni.. A causa dello spessore ridotto del chip un ragionevole numero di questi fotoni può abbandonarlo ed essere emesso come luce.
Il colore della radiazione emessa è definito dalla distanza in energia tra i livelli energetici di elettroni e lacune,, quindi al salto di energia compiuto nella ricombinazione elettrone rone-lacuna. La scelta del semiconduttore determina pertanto la distribuzione spettrale dunque il colore della luce I LED emettono secondo uno spettro a banda stretta con una forte concentrazione di energia intorno alla lunghezza d onda d dominante Primi LED solo di colore rosso (indicatori nei circuiti elettronici, nei display) In seguito dispositivi con due LED integrati nello stesso contenitore (rosso e verde), permettendo di visualizzare quattro stati (spento, verde, rosso, verde+rosso=giallo) con lo stesso dispositivo. Successivamente LED a luce gialla e verde A partire dagli anni 90: LED in una gamma più ampia di colori Con la realizzazione di LED a luce blu possibilità di dispositivi in grado di emettere qualunque colore (rosso + verde + blu) La luce eterocromatica (es. bianca) può essere ottenuta anche convertendo mediante i fosfori posizionati nel rivestimento protettivo del chip c le radiazioni UV prodotte dal semiconduttore)
Il LED è alimentato da una corrente continua il cui valore assieme alla temperatura del dispositivo consente l emissione di un certo flusso luminoso. All aumentare della corrente aumenta il flusso ma valori troppo elevati possono far diminuire eccessivamente la durata del dispositivo per cui la corrente deve essere mantenuta costante al valore ottimale mediante un alimentatore convertitore (converte la tensione da alternata in continua e ne diminuisce il valore) Particolarmente interessanti: LED ad alta efficienza (Ing. Barbieri c/o laboratori dell'università di Cardiff- 1995) Ottime caratteristiche per dispositivi in AlGaInP/GaA GaAs (fosfuro di alluminio, gallio, indio e arseniuro di gallio) con contatto trasparente di Indio e stagno. Applicazioni principali: Telecomandi a infrarossi; Indicatori di stato (lampade spia); Retroilluminazione di display LCD; Semafori; Luci di "posizione" e "stop" delle automobili, etc. Telefoni cellulari: nel formato più piccolo per l'illuminazione dei tasti; In ambito illuminotecnico: LED di potenza ottenuti raggruppando più LED nello stesso sistema alternative a sorgenti tradizionali (ad incandescenza, alogene o fluorescenti compatte ) Emettono luce sufficiente per molte applicazioni di illuminazione generali e speciali: già ampiamente installati nei riflettori delle scenografie teatrali,, nelle lampade flash ad alta potenza e nei proiettori per auto, sostituzione di sorgenti tradizionali per interni.
Caratteristiche: Lunga durata (fino a 100000 h) e ridottissimi costi di manutenzione; Efficienza luminosa: fino a 40-60 lm/w risparmio energetico; Flusso luminoso non elevato (20 120 lm); (Lampada ad incandescenza (60 W): flusso luminoso 600 lumen) LED più luminosi a luce fredda con resa cromatica relativamente bassa Assenza totale di radiazioni IR (minimo riscaldamento degli oggetti illuminati) e UV Facilità di realizzazione di ottiche efficienti in plastica; Flessibilità di installazione del punto luce; Possibilità di un forte effetto spot (sorgente quasi puntiforme); Funzionamento in sicurezza perché a bassissima tensione (3 24 V corrente continua); Molto sensibili alle variazioni di tensione: : basta il 10% in meno perché non si illuminino e il 10% in più per bruciarli; Accensione istantanea anche a freddo (fino a -40 C); Insensibilità a umidità; Temperatura di colore: 3000 6000 K (da bianco caldo a bianco freddo) Ra 80-85. 85. Molto utilizzati con esigenze di: miniaturizzazione ; colori saturi; lunga durata; robustezza;
Gli apparecchi d'illuminazione a LED montano sorgenti da 1, 2 o 3 W. Possono essere costituiti da moduli con numero variabile di elementi Efficienza luminosa di una lampada alogena: η = 20 lm/w; Flusso emesso da una lampada alogena di 10 W = 200 lm; Efficienza luminosa di un LED di potenza: η = 40 lm/w; Flusso emesso da un modulo di 5 LED da 1 W = 200 lm; Applicabili sia per l illuminazione l di interni che di esterni
Grazie alla loro lunga durata particolarmente adatti in tutte quelle situazioni in cui la frequente sostituzione sarebbe problematica e richiederebbe alti costi di manutenzione: fondi di piscine alti soffitti facciate di palazzi angoli interni non facilmente raggiungibili.
Lampade LED con attacco G4 Applicazioni: hotel, supermarket, sale meeting, stand per fiere, vetrine, pubblicità arredamento in alternativa a sorgenti luminose tradizionali in ambito domestico, roulotte, barche, camper descrizione breve attacco colore luce numero di LED apertura fascio di luce flusso luminoso potenza forward voltage corrente tensione LEDLG409WH10 G4 9 10 20 14.5 lm±20% 0.6 W±20% W 2,8 3,6 V 86±10 ma 12V A.C. ±10% 50-60 Hz Lampade LED con attacco GX5.3 Utilizzabili con trasformatore elettromagnetico da 12 V descrizione breve attacco colore luce numero di LED apertura fascio di luce flusso luminoso potenza forward voltage corrente tensione LEDLGX5320BL15 GX5.3 20 15 25 8.2 lm ±20% 1.4 W ±20% 2,8 3,6 V 140 ma ±15% 12V A.C. ±10% 50-60 Hz LEDLGX5320GR15 GX5.3 20 15 25 18.5 lm ±20% 1.4 W ±20% 2,8 3,6 V 139 ma ±15% 12V A.C. ±10% 50-60 Hz LEDLGX5320WH10 GX5.3 20 10 20 30.3 lm ±20% 1.5 W ±20% 2,8 3,6 V 152 ma ±15% 12V A.C. ±10% 50-60 Hz LEDLGX5320YE15 GX5.3 20 10 25 10 lm ±20% 0.9 W ±20% 1,8 2,2 V 99 ma ±15% 12V A.C. ±10% 50-60 Hz LEDLGX5320RE15 GX5.3 20 15 25 9 lm ±20% 0.9 W ±20% 1,8 2,2 V 98 ma ±15% 12V A.C. ±10% 50-60 Hz
Lampade LED con attacco E27 descrizione breve attacco colore luce numero di LED apertura fascio di luce flusso luminoso potenza forward voltage corrente tensione LEDLE2712WH10 E27 12 10 20 18 lm ±20% 1.0 W ±20% 2,8 3,6 V 18 ma ±15% 220V 240 240 A.C. 50-60 Hz LEDLE2715WH10 E27 15 10 20 22.5 lm ±20% 1.1 W ±20% 2,8 3,6 V 19 ma ±15% 220V 240 240 A.C. 50-60 Hz LEDLE2718WH10 E27 18 10 20 26.8 lm ±20% 1.3 W ±20% 2,8 3,6 V 18 ma ±15% 220V 240 240 A.C. 50-60 Hz LEDLE2720WH10 E27 20 10 20 30.2 lm ±20% 1.3 W ±20% 2,8 3,6 V 18 ma ±15% 220V 240 240 A.C. 50-60 Hz descrizione breve attacco colore luce numero di LED flusso luminoso potenza corrente tensione LEDLE2736WH10 E27 36 49 lm ±20% 2.1 W ±20% 20 ma ±15% 220V 240 240 A.C. 50-60 Hz