CORSO DI FISICA TCNICA II AA 2009/10ILLUMINOTECNICALezione n 5: Lampade a scarica in gas

Primi studi sulla scarica elettrica in tubi riempiti con gas a bassa pressione alla fine del XIX secolo (Sir William Crookes ed altri)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 lilluminazione stradale. 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)Dagli anni 70 grande impulso delle lampade al sodio ad alta pressione buone sia per interni che per esterni. Pi recentemente sono apparse in commercio le lampade allo xenon con luce simile a quella naturale del sole.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)

Atomo in configurazione stabile o neutra: tutti gli elettroni occupano le loro orbite naturali caratterizzate ciascuna dal proprio livello energetico. Cenni al fenomeno fisico della scarica Per provocare eccitazione o ionizzazione occorrono: interazioni con fotoni aventi lunghezza donda nellultravioletto e nel visibile urti con elettroni liberi dotati di sufficiente energia cinetica. Diseccitazione: Dalla condizione di eccitazione, latomo torna nella configurazione stabile iniziale, mediante dissipazione dellenergia acquisita nella eccitazione attraverso emissione di quanti di energia.Se la lunghezza donda dellenergia emessa nello spettro del visibile si ha emissione di luce dovuta alla scarica Stato di eccitazione : uno o pi elettroni acquistando quanti ben definiti di energia saltano su orbite stazionarie pi distanti dal nucleo (atomo eccitato)Stato di equilibrio instabile, dal quale latomo tende spontaneamente a tornare alla configurazione iniziale, a pi basso contenuto di energia, di equilibrio stabile, riemettendo lenergia immagazzinata. Ionizzazione: l'energia assorbita provoca l'uscita dellelettrone dall'ultima orbita (elettrone libero senza alcun legame con lo ione originario, l atomo ionizzato, lenergia detta di ionizzazione).

Nella massa gassosa possono essere gi presenti elettroni liberi oppure essere emessi da un catodo metallico opportunamente riscaldato (effetto termoionico - Edison) oppure opportunamente illuminato (effetto fotoelettrico)Nelle lampade a scarica leffetto termoionico viene usato per la produzione di elettroni primari mentre quello fotoelettrico interviene allinterno della massa gassosa.Gli elettroni liberi scambiano energia con atomi e molecole della massa gassosa mediante urti elastici (senza alcuna dissipazione di energia meccanica) ed anelastici (parte dellenergia meccanica dellelettrone viene dissipata sotto forma di energia di deformazione del corpo urtante o di quello urtato). Velocit dell'elettrone libero bassa:l'elettrone libero (massa

Lelettrone libero responsabile dell'urto non deve avere esattamente la giusta quantit 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.Emissione spettrale a righe - presenti componenti relative solo ad alcune lunghezze donda entro fasce pi o meno strette tipiche dellelemento chimico gassoso che riempie il bulbo

Curva caratteristica della scarica nel gasLa produzione di ioni per urti determina una corrente elettrica tra i due elettrodi (scarica) rappresentabile come funzione della differenza di potenziale DV:DV = DV(I)

detta caratteristica del tubo a scaricaLa curva caratteristica pu essere ottenuta sperimentalmente con un voltmetro, in parallelo con il tubo alimentato da una data f.e.m. costante attraverso una resistenza modulabile (reostato) in serie

CURVA CARATTERISTICA DELLA SCARICA NEI GAS

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 quantit.

La stabilit 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 pi esterno o rivestimento con ossidi di iridio e stagno o mediante doratura trasparente alla luce ma riflettente linfrarosso.

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.Luce emessa concentrata entro una banda di lunghezze donda molto stretta tra 589.0 e 589.6 nm ove il coefficiente di visibilit relativa v(l) molto elevato( 0,86) Utilizzate dove non richiesta una buona resa dei colori:illuminazione stradale ed autostradale, gallerie, incroci e grandi spazi esterniElevatissima efficienza luminosa

Lampade a vapori di sodio ad alta pressioneApparse in commercio attorno al 1965.Luce di colore giallo-bianco non adatta per lilluminazione 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.

In commercio disponibili anche lampade ad alta pressione a luce corretta e pi 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) La scarica emette prevalentemente radiazioni UV ( 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 Interessanti alternative alle lampade ad incandescenza: notevoli risparmi energetici (fino al 75%), costo leggermente maggiore, temperature notevolmente pi 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.Lettera: forma della lampadaT: tubolareC: circolina (estremit adiacenti rivolte in senso opposto)H: (Helicoid) di geometria elicoidaleU: il tubo ritorto su se stesso a forma di UNumero: diametro della sezione in 1/8 Contrassegnate da una lettera ed un numero Esempi:T-2 = 6 mm,T-5 =16 mm;T-8 = 25 mm;T-12 = 38 mm.

Lampade a vapori di mercurio ad alta pressionePressione fino a 8 atm per sostituire la funzione dei fosfori, riducendo la emissione UV a favore delle radiazioni visibili. Emettono luce verde-blu ed UVQuasi assente la luce rossa (gli oggetti rossi illuminati da queste lampade appaiono marrone)Usate dove il rosso ha poca importanzaDi solito installate nei parcheggi, lungo le autostrade etc. Lungo lasse del tubo principale si hanno temperature a regime anche di 5000 K mentre sullinvolucro si raggiungono anche i 1000 K.

E possibile abbinarevapori di mercurio ad alta pressione e fosfori depositati sulla superficie interna del tubo ottenendo luce pi bianca (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: di 46 minuti Tempo di riaccensione a freddo di 3 5 minuti

Lampade ad alogenuri metalliciLaggiunta 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 pi elevati tra tutte le lampade.Apparse in commercio nel 1964Particolare versione delle lampade a vapori di mercurio ad alta pressione con laggiunta 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. Usate per lilluminazione di ampi spazi interni ed esterni dove importante la resa dei colori come nelle manifestazioni notturne con riprese televisive.

Lampade fluorescenti ad alta frequenza apparse nel 1991Scarica generata da campi elettromagnetici alternati indotti in una bobina alloggiata allinterno del bulbo da una corrente elettrica ad elevata frequenza ( 104 Hz)Lavvolgimento sostituisce gli elettrodi delle lampade fluorescenti tradizionali. UV convertiti in radiazioni visibili da uno strato di polveri fluorescenti sulla superficie interna del bulbo.Attualmente in commercio lampade di media potenza (55-85 W) con Tc= 2700 4000 K (luce bianca calda)Vita media elevata ( 6000 h)grazie allassenza di filamenti ed elettrodiTempi di accensione nulliOttima resa cromatica

Lampade fluorescenti a luce miscelataLampade per insegne luminose Riempite con neon a bassa pressione (luce di colore rosso vivo) oppure elio o argon o altri gas Il colore della luce dipende dal gas o dalla miscela di gas usati e dal colore del vetro. Felice connubio tra le due tipologie di funzionamento delle lampade elettriche:

come lampade a scarica funzionano con vapori di mercurio e con i fosfori sulle pareti interne;

come lampade ad incandescenza funzionano con un filamento di platino che, in quanto resistenza elettrica in serie con il tubo, assolve anche al ruolo di limitatore della corrente elettrica rendendo superfluo il reattore. Producono uno spettro luminoso continuo, tipico delle lampade ad incandescenza, con rinforzi in quelle bande dove ricorrono le righe di emissione della lampada a scarica.