SORGENTI DI LUCE ARTIFICIALE: LAMPADE - iuav.it · Se la conversione di energia elettrica in luce...

SORGENTI DI LUCE ARTIFICIALE: LAMPADETiziano Dalla Mora

2

Sorgenti artificiali di luceSi dà il nome di sorgenti luminose, o sorgenti di luce, a tutti i corpi cheemettono energia radiante caratterizzata da lunghezze d’onda comprese entro l’intervallo ~0,38~0,78m, con intensità sufficiente per impressionare l’occhio umano.

Le sorgenti artificiali servono a sopperire alla carenza di illuminamentonaturale, trasformano energia elettrica in luce e generalmente sono costituite da due parti le quali determinano le prestazioni della sorgente:

1) la lampada: preposta alla conversionedi energia elettrica in flusso luminoso;

2) l’apparecchio illuminante: ha la funzionedi distribuire tale flusso in maniera opportuna e di proteggere la lampada stessa.

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

Le lampade

Le lampade a incandescenza, ai vapori di mercurio, sodio, ioduri metallici sarannoprogressivamente bandite dal mercato:

5

Categorie di lampade

1. Lampade ad incadescenza

2. Lampade a scarica

3. Lampade a stato solido

Categorie di lampadeLe lampade possono essere ricondotte tre grandi categorie, le qualidifferiscono tra loro per il principio fisico su cui si basa la produzione diradiazioni luminose:

• lampade a incandescenza: il cui funzionamento sul riscaldamento diun corpo ad alta temperatura fino all’incandescenza in modo cheemette radiazioni anche nel campo visibile.

• lampade a scarica: nelle quali la produzione di luce è dovutaall’interazione degli elettroni di una scarica elettrica con gli ioni di ungas o di un vapore.

• Lampade LED – Light Emitting Diode: nelle quali la luce viene emessadall’interazione degli elettroni con un cristallo emettitore

Diverse famiglie di sorgenti luminose artificiali

Le lampade: quadro generale Caratteristiche delle sorgenti artificiali

• Flusso luminoso

• Efficienza luminosa

• Temperatura di colore e resa cromatica

• Tempo di accensione e riaccensione

• Tipo di alimentazione e controllo del flusso

• Forma e dimensioni

• Durata di vita

Caratteristiche delle sorgenti artificiali:flusso luminoso

Rappresenta la quantità di luce emessa per unità di tempo (lm) incondizioni nominali e a lampada nuva.

I flussi luminosi variano da 100 lm a 300.000 lumen.

Importante l’entità ma anche la distribuzione:

i diagrammi fotometrici (solidi o curve) riportano l’intensità (cd=lm/sr) ol’intensità specifica (cd/1000 lm)

Caratteristiche delle sorgenti artificiali:efficienza (efficacia) luminosa

Rapporta il flusso luminoso alla potenza assorbita (lm/W)• Dipende dalla tecnologia. Per la stessa classe di lampada, oltre che

dipendere dal tipo di lampada prodotta (normale, super, de luxe), inlinea di massima, è minore alle potenze ridotte (50 - 100 W) emaggiore alle potenze maggiori, in genere adoperate nei fari (400 -3500 W).

Tipo di lampada Efficienza luminosaIncandescenza 6-18 lm/WLampada al mercurio 40-60 lm/WLampada al sodio ad alta pressione 60-150 lm/WLampada al sodio a bassa pressione 100-190 lm/WLampada agli alogenuri 60-100 lm/WLED 40-150 lm/W

Rapporta il flusso luminoso alla potenza assorbita (lm/W)

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.

Se la conversione di energia elettrica in luce fosse totale (senza perdite) allora si avrebbe un’efficienza di 683 lm/W.Infatti 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.

Quindi una lampada da 100W produrrebbe 68.300 lumen.Una una lampada con efficienza luminosa pari a 68 lm/watt e di potenzapari a 100 W emette 6.800 lumen, contro i 68.300 lm/watt teorici Essaavrebbe quindi un’efficienza del 10% e perdite pari al 90%.Una lampada al sodio B.P. da 186 lm/watt e potenza pari a 100 W ha unrendimento del 30%.

Caratteristiche delle sorgenti artificiali:efficienza (efficacia) luminosa

Confronto tra sorgenti: caratteristiche di emissione

US DOE

Incandescente (60W)

Fluorescente Alogenuri LED

Visible Light 8% 21% 27% 15-25%

IR 73% 37% 17% ~0%

UV 0% 0% 19% 0%

Total Radiant Energy 81% 58% 63% 15-25%

Heat (Conduction + Convection)

19% 42% 37% 75-85%

Total 100% 100% 100% 100%

Parametri di una lampada

• potenza di alimentazione [W]: potenza elettrica che è necessario fornire per ilfunzionamento;

• tensione di alimentazione [V]: in genere intorno ai 220 V, o in alcuni case 6-12-24 Vossia bassa tensione;

• vita media [h]: indica il numero di ore di funzionamento dopo il quale, in un lotto dilampade ed in certe condizioni di prova, il 50% cessa di funzionare;

• curva di decadimento è la rappresentazione grafica dell’andamento del flusso alvariare delle ore di funzionamento;

• indice di resa cromatica, CRI, Ra: indica cioè la fedeltà con cui la luce fornita dauna sorgente artificiale riesce a riprodurre i colori reali, ossia la luce del sole

• temperatura di colore [K]: Rappresenta la temperatura del corpo nero conl’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 delsistema di emissione (lampade a scarica).

Caratteristiche delle sorgenti artificiali:temperatura correlata di colore

Rappresenta la temperatura del corpo nero con l’emissione più vicina a quella della sorgente considerata.Descrive la sensazione di luce “calda” o “fredda” prodotta dalla tonalità della luce.


Il colore associato ad una data radiazione può essere determinatoconfrontandolo con quello della radiazione emessa da un corpo nero.

La temperatura in gradi Kelvin a cui occorre portare il corpo neroaffinché emetta una radiazione di colore uguale a quella dellaradiazione emessa dalla sorgente in esame rappresenta la “misura” ditale colore, ed è detta temperatura di colore (CCT) “della sorgente”.

Il concetto di corpo nero, che in natura non esiste, descrive un corpoche assorbe completamente tutte le lunghezze d’onda della luceincidente ed irradia le stesse se adeguatamente riscaldato.

Sul diagramma cromatico CIE si può inserire la curva che rappresentale coordinate tricromatiche della radiazione emessa da un corpo nero a diverse temperature.


Vari esperimenti hanno dimostrato che l’apparato visivo dell’uomopercepisce come luce di tonalità bianca la luce che ha una temperatura di colore di circa 5.500 K, corrispondente alla luce del sole in pieno giorno. Al di sopra e al di sotto di questo valore, la tonalità è giudicatarispettivamente fredda o calda.La CIE (Pubblication n° 29.2 del 1986) classifica la tonalità della lucein tre gruppi:


Rappresenta la temperatura del corpo nero con l’emissione più vicina a quella della sorgente considerata.

CCT< 4000 K: Luce bianco calda: Luce ricca di radiazioni rosse adatta ad abitazioni, luoghi di soggiorno e svago…4000 < CCT< 5000K: Luce bianco neutra: Luce adatta nella maggior partedegli ambienti di lavoroCCT> 5000K: Luce bianco fredda: Luce ricca di radiazioni blu e adatta in ambienti con valori molto elevati dell’illuminamento richiesto

Caratteristiche delle sorgenti artificiali:temperatura correlata di colorecorrisponde al colore dell’emissione di un corpo nero portato a quella temperatura

Caratteristiche delle sorgenti artificiali: temperatura correlata di colore

tonalità calda tonalità neutra tonalità fredda

2.000 K

3.000 K

4.000 K

6.000 K

Caratteristiche delle sorgenti artificiali:temperatura correlata di coloreRappresenta la temperatura del corpo nero con l’emissione più vicina a quella della sorgente considerata.

Caratteristiche delle sorgenti artificiali:indice di resa cromatica (CRI/Ra)

Grado di fedeltà con cui è reso il colore di una superficie illuminata rispetto al suo colore vero.

Numero compreso tra 1 e 100(scala codificata dalla C.I.E. Comission International de l’Eclaraige)Colore vero: Ra=100 → superficie illuminata dall’Illuminante di riferimento C.I.E.(luce bianca)

La luce naturale del sole ha resa cromatica pari a 100 (colore vero).

• La scelta del valore più indicato per la resa cromatica dipende dalladestinazione d’uso.

Slide resa cromatica peron 13 grandezze luce 2017.pdfCaratteristiche delle sorgenti artificiali: tempo di accensione e riaccensioneLe lampade a scarica necessitano di un tempo di riscaldamento degli

elettrodi per l’innesco della scarica e/o per il raggiungimento delle condizioni operative: è detto tempo di accensione il tempo per il raggiungimento dell’80% del flusso nominale.

Può essere ridotto con il ricorso a sistemi di innesco elettronici o correttocon lampade combinate.

Caratteristiche delle sorgenti artificiali: tempo di accensione e riaccensioneNel caso delle lampade a scarica ad alta pressione può essere richiesto

il raffreddamento della lampada prima di poter procedere ad una nuova accensione. La resistenza del gas non ionizzato ad alta pressione è molto elevata.

E’ detto tempo di riaccensione il periodo minimo che deve trascorrereper il reinnesco. Si può intervenire con speciali accenditori.

Tipi di lampade Tempi di accensione a freddo

Tempi di riaccensione a caldo

Fluorescenti tubolari 1-3 secondi 1-2 secondi

A vapori di mercurio adalta pressione

3-5 minuti 4-6 minuti

Ad alogenuri metallici 3-4 minuti 4-6 minuti

A vapori di sodio a bassa pressione

10-14 minuti pressoché istantanea

A vapori di sodio ad altapressione

5-11 minuti 1-2 minuti

Caratteristiche delle sorgenti artificiali:tipo di alimentazione e regolazione

Si distinguono:

- Lampade alimentate alla tensione di rete

- Lampade in bassa tensione

- Lampade con dispositivi di alimentazione dedicati (lampade a scarica)

Intervenendo sulla tensione o sulla frequenza di alimentazione è possibilecontrollare il flusso luminoso. Effetti sull’efficienza luminosa (generalmentenegativi) e sulla vita utile (positivi).

Le Caratteristiche elettriche sono costituite dalla potenza dialimentazione:

P = V i cos

Dove:cos , fattore di potenza, è pari ad 1 per le lampade adincandescenza e pari a 0,3 - 0,5 per le lampade a scarica di gas,le quali perciò richiedono la presenza sul circuito di uncondensatore di rifasamento.

Inoltre, nella lampade a scarica, dato che la corrente i tende adaumentare dopo che si è innescato l'arco, è necessario inserireun limitatore di corrente (impedenza zavorra di tipo induttivo).

Caratteristiche elettriche

20

Caratteristiche delle sorgenti artificiali: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

Caratteristiche delle sorgenti artificiali:Forma e dimensioni Lettere identificative

1a tipo dilampada

2a tipo di vetroper incande-scenza, tipo divapori contenuti per scarica

3a forma

I Incandescent lamp

H High-pressure discharge

L Low-pressure discharge

G Glass

Q Quartz glass

M Mercury

I Metal halide

S Sodium vapour

A All purpose

E Ellipsoid

G Globe

PAR Parabolic reflector

R Reflector

T Tube

TC Compact tube

• La tipologia e la classificazione degliattacchi è il risultato di unaconvenzione internazionale chepermette un’informazione chiara edinequivocabile, mediante l’adozionedi sigle, riportate da tutti i cataloghi dilampade.

• Attacco Edison (a vite) E27, E14 o E 40• Attacco a baionetta B15 o B22• Attacco a bispina GY• Il numero indica l’attacco in mm

Esempi di tipi di attacchi

BA 9 sIEC 700514DIN 49715

BA 15 dIEC 700411 ADIN 49720 T1

BA 15 dIEC 700411DIN 49721

EP 10IEC 700430DIN 49701

E 14IEC 700423DIN 49615

E 27IEC 700421DIN 49620

Ad esempio, l’attacco B15dviene così decodificato: attacco a baionetta, diametro esterno 15 mm, contatto elettrico doppio.

Esempi di tipi di attacchi

Caratteristiche delle sorgenti artificiali: durata di vitaDurata di vita. È un termine specifico che viene utilizzato per quantificare ladurata delle lampade.

• durata di vita media: numero di ore di funzionamento dopo il quale metà dellelampade di un lotto smettono di funzionare;

• durata di vita economica: numero di ore dopo le quali il flusso luminoso siriduce del 30% (normalmente la maggior parte delle lampade è ancora in funzione dopo tale tempo);

• fattore di mantenimento del flusso luminoso della lampada (LLMF): il rapportofra il flusso luminoso emesso dalla lampada in un determinato momento dellasua vita e il flusso luminoso iniziale (100 ore);

Curva mediadi mortalità

Tipologie di sorgenti artificiali:

Principio di funzionamento:emissione elettromagnetica di un filamento portato ad elevata temperatura per effetto Joule (efficienza luminosa legata alla temperatura del filamento)

Origini:1802 Humphry Davy – Lampada con filamento in platino (bassa temperatura di fusione)1879 Thomas Edison – Lampada con filamento in fibra tessile carbonizzata invuoto: vita utile 40 ore, 1,4 lm/W1880-1886 Fibra in bambù Madake: vita utile 800 ore, 2,2 lm/W, 200 lm1888 Fibra in cellulosa estrusa: 2,7-4 lm/W1910 Tungsteno: 1000 ore, 10 lm/W1913 Gas di riempimento (azoto, argon):

efficienza13 lm/W

accorgimenti: - filamento a doppia elica- alogene

Tipologie di sorgenti artificiali: lampade ad incandescenza

Le lampade a incandescenza sono le più antiche (1841, T.A. Edison) e ancoramolto utilizzate per il buon compromesso tra costo, vita media e efficienza.

FUNZIONAMENTOEsse basano il loro funzionamento sul passaggio della corrente elettricaattraverso un filamento dotato di una certa resistenza elettrica. Per effettoJoule una parte dell’energia elettrica viene dissipata in calore e aumenta latemperatura del filamento fino a temperature compatibili con l’emissione nelvisibile (legge di Wien): 2500-2700 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 Ra 100), facili dainstallare e disponibili in varie forme.

Limiti: scarsa efficienza (max 20 lm/W), possibilità di abbagliamento, vitamedia non elevata (1000-1500 ore), elevato invecchiamento.


Le lampade ad incandescenza sono costituite da:• un filamento metallico

(generalmente di tungsteno3653K);

• un’ampolla (trasparente, opalina o smerigliata);

• un gas di riempimento (85% argon, 15% azoto);

• un attacco per il fissaggio e la trasmissione elettrica.


• Il filamento, principale elemento della lampada, è di tungsteno, perché la temperatura di fusione è molto elevata (3653 K), la temperatura di funzionamento è invece compresa tra 2300 e 2700 C, che rappresenta una soluzione di compromesso tra durata, efficienza e caratteristiche cromatiche.

• Il gas di riempimento (azoto, argon, 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.

• Con questi accorgimenti, le moderne lampade ad incandescenza raggiungono efficienze di 15-20 lm/W, con un’ottima resa cromatica (Ra = 100) ed una vita media di circa 1.000 ore.



Lampade fino a 25 W in bulbo vuoto (10 Pa) con deposito di composticlorati o fosfati per combinarsi con i gas residui e con il tungsteno edevitare il deposito.

Lampade di potenza superiore a 25 W inizialmente in azoto eattualmente con argon-azoto (85%-15%) o kripton (l’elevato peso molecolare riduce la sublimazione e la conducibilità termica) a 0,8 bar(1,5 bar a lampada accesa)


Efficienza luminosa:legata alla temperatura e alla potenza

Vita utile:legata alla temperatura e alla tensione di alimentazione

100 W 17,5 lm/W 750 h100 W 14,4 lm/W 2500 h100 W 10,8 lm/W 8000 h

10 W 8 lm/W100 W 17,5 lm/W


Limiti

• Dimensioni dell’ampolla e dell’attacco metallico

• Alti consumi energetici (bassa efficienza luminosa)

• Alte emissioni termiche possibili danni ai materiali sensibili al calore)

• Ridotta durata di vita (cambi frequenti)

• Tonalità calda della luce (ridotta temperatura di colore)


47

Lampade ad incandescenza: tipologie

• Le lampade a incandescenza GLS possono avere l’ampolla riempita con un gasinerte (azoto o argon) oppure in essa può essere praticato il vuoto(generalmente per potenze inferiori a 25 W). Il gas inerte esercita unapressione sul filamento, ostacolando il passaggio in fase vapore del metallo.

• Per effetto delle loro ridotte dimensioni, le lampade GLS possono costituire unafonte di abbagliamento: per ovviare a questo inconveniente, possono utilizzarsiapparecchi schermati o diffondenti; in alternativa, si può rendere scabra lasuperficie interna dell'ampolla, trattandola con acidi, oppure il vetro può essereopacizzato con una miscela di silice e biossido di titanio, oppure specchiato ocolorato.

• La vita media delle lampade GLS è breve, dell'ordine delle 1000 ore.• L'efficienza luminosa è funzione della potenza di alimentazione, comunque non

supera i 20 lumen/W.• I vantaggi di queste lampade sono l'elevato indice di resa cromatica, pari a

100, l'economicità, la facilità di installazione e sostituzione, la molteplicità di foggee potenze di alimentazione disponibili sul mercato.

LAMPADE AD INCANDESCENZA

GLSGeneral Lighting Service

REFLECTOR ALOGENE

48

Lampade ad incandescenza Reflector• Sono lampade ad incandescenza in cui parte dell'ampolla è trattata

con una finitura a specchio, che indirizza il flusso luminoso, assolvendoin parte alle funzioni dell'apparecchio illuminante.

• Nelle lampade Reflector con vetro pressato, la parte posteriore delbulbo ha la forma di un paraboloide. Intervenendosull'elemento frontale (o lente) si può variare l'ampiezza dell'angolo diapertura del fascio luminoso. Sono disponibili lampade con un angolodi apertura compreso tra 10° (spot) e 30° (wide-flood). La lente puòessere trasparente o colorata.

• Nelle lampade Reflector con vetro soffiato la riflessione può essereeffettuata in due modalità:

– dalla parte posteriore del bulbo, grazie ad una formapseudoparabolica e alla presenza di un sottile strato argentato,mentre la parte anteriore del bulbo (satinata od opacizzata)favorisce la diffusione del flusso luminoso;

– dalla parte emisferica anteriore del bulbo, mentre quellaposteriore è trasparente o satinata.

Tipologie di sorgenti artificiali: lampade ad incandescenza alogeneUn tipo particolare di lampade a incandescenza sono quelle ad alogeni.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 2000 a 4000 ore;Efficienza 18 - 25 lm/W;Temperatura del filamento intorno a 3500 K;Temperatura di colore più elevata, da 3000 a 3200 K;Elevatissima resa cromatica 80 - 100;Dimensioni estremamente ridotte del corpo luminoso.

Il bulbo delle alogene è realizzato in quarzo in grado di resistere a temperatureelevate.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.

Sorgenti a ciclo di alogeniQueste sorgenti sono fornite di un filamento doppiamente spiralizzato ditungsteno, ma hanno ampolle molto piccole, di forme e dimensioni calcolateper rendere stazionario un determinato regime termico interno.

Nello spazio delimitato dal bulbo, a temperature comprese tra 2000 e 500 K, lesostanze alogene si combinano con le particelle di tungsteno provenienti dalfilamento creando gli alogenuri di tungsteno che sono gas trasparentiincapaci di aderire alla parte interna dell’ampolla.Trasportati dai moti convettivi interni, gli alogenuri tendono a tornare nellaregione vicino al filamento ad una temperatura superiore ai 2000 K.Poiché gli alogenuri di tungsteno sono composti stabili solo entro l’intervallo ditemperature indicato, avviene la dissociazione:Il tungsteno ritorna libero e si deposita casualmente sul filamento, ma rimaneanche libero l’alogeno, così sono nuovamente liberi di ricomporsi e diricominciare il ciclo.

Il fatto che il tungsteno non ritorna nella posizione iniziali, ma si depositacasualmente sul filamento, porta a logoramenti localizzati là dove il tungstenonon torna mai a depositarsi.

Tipologie di sorgenti artificiali: lampade ad incandescenza alogene


Origine:

Inizio anni ’60 da E.G. Friedrich e E.H. Wiley

Miglioramento rispetto alle incandescenti:

-Migliora l’efficienza luminosa-Aumenta il tempo di mantenimento del

flusso luminoso

Tipologie di sorgenti artificiali: lampade ad incandescenza alogeneEvoluzioni:

B. Gass filling semplici o a doppio bulboWith xenon gas filling, the halogen lamp will useabout 25% less energy for the same light output compared to the best conventional incandescents, even at mains voltage. They canreach C-class efficiency.

C. IR coatingApplying an infrared coating tothe wall of halogen lamp capsules considerably improves their energy efficiency, the lamp will useabout 45% less energy for the same light output compared to the best conventional incandescents. However, for technical reasons, thisis only possible with low voltage lamps, so atransformer is needed


Confronto durata e efficienza di incandescenti, alogene tipo B e alogene tipo C

Alogena tipo BAlogena tipo C

Classificazione lampade ad incandescenza

Categorie Tipo Potenza assorbita

(W)

Tensione di funzionamento

(V)

Efficienza specifica (lm/W)

Durata (h)

Incandescenza

Gls 10 150150 500

220220

1418

1.0001.000

Reflector 7 8080 300

220220

1418

1.0002.000

Alogene 5 10015 150

500 2000

6 24220 250220 250

18 2618 2020 25

2.000

4.000

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

utilizzo di ottiche con riflettore dicroico che consentono di limitare l’emissione frontale di radiazioni infrarosse di sorgenti alogene

Lampade a scarica in gasIl funzionamento si basa sull’eccitazione ad opera di una scarica elettrica diun 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 sonoposizionati due elettrodi. Applicando ad essi una notevole tensione (da 100 Va 5 kV) viene prodotta una scarica ossia un flusso di elettroni cheinteragiscono con gli atomi del gas. Gli elettroni degli orbitali più esternivengono spostati dalla loro posizione di equilibrio con assorbimento di energiain maniera quantizzata.

In tale condizione gli ioni o gli atomi del gas sono instabili e gli elettronieccitati tendono a ritornare nei loro orbitali di equilibrio liberando l’energiacorrispondente al relativo salto energetico con emissione di radiazione.

Per innescare la scarica e regolarla durante il funzionamento sono necessariopportuni dispositivi: starter, reattore.

Lampade a scarica in gas Spettri di emissione delle lampade a scarica

Tipologie di sorgenti artificiali: lampade a scarica

Principio di funzionamentoL’emissione elettromagnetica è prodotta direttamente dall’energia elettrica assorbita e non come “sottoprodotto” di quella termica.

Origine1852 Sir George Stokes scopre che la radiazione UV può trasformarsi in

radiazione visibile1920 fu scoperto che una miscela di vapori di mercurio a bassa

pressione e un gas inerte ad alta pressione poteva convertire una potenza elettrica in una radiazione monocromatica di 253.7nm conefficienza del 60%.

1934 sviluppo delle prime lampade fluorescenti a mercurio

1935 primo prototipo di lampada fluorescente verde con efficienza di 60lm/W

36


Principio di funzionamento

L’emissione elettromagnetica è prodotta direttamente dall’energia elettrica assorbita e non come “sottoprodotto” di quella termica.

37


Conversione potenza elettrica –radiazione visibile


Pregi:

• efficienza specifica elevata (35 lm/W-200 lm/W),

• vita media elevata compresa tra 5.000 e 12.000 ore.

Limiti:

• spettro discontinuo,

• limitati valori di resa cromatica in molti casi; fluorescenti hanno unbuon indice di resa cromatica (85-90); quelle al sodio bassa pressione non hanno praticamente Ra.

Spettro di emissione di lampade a scarica in gas Tipologie di sorgenti artificiali: lampade a scarica

I gas utilizzati devono essere in grado di emettere nel campo del visibile.Si sono utilizzati per primi i gas nobili (neon), ma si utilizzano anche vaporidi 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.


1) Fase 11) Elettroni liberi sono inseriti nel tubo ionizzando il

gas2) Una scarica elettrica è innescata nel gas:

elettroni e ioni corrono da un’estremità all’altra3) L’energia della corrente elettrica trasforma il

mercurio liquido in gas2) Fase 2

1) Le collisioni tra le particelle (ioni e elettroni)2) eccitano il mecurio così gli elettroni salgono di

livello3) Quando l’elettrone scende di livello libera

energia in forma di fotoni UV3) Fase 3

1) I fotoni ultravioletti eccitano gli atomi di fosforoche rivestono il tubo

2) Gli elettroni del fosforo salgono a livelli più alti3) Quando gli elettroni scendono al livello inferiore

liberano energia in forma di luce

Tipologie di sorgenti artificiali: lampade a scarica a bassa pressione

Lampade al sodio a bassa pressioneSono state messe a punto nel 1932 in Olanda dai tecnici Philips perilluminazione stradale.

Elevata efficienza luminosa (fino ai 200 lm/W circa) Lunga durataLa luce prodotta è monocromatica gialla. Esse, perciò, trovanoapplicazione dove la resa dei colori è di minore importanza e doveconta di più la percezione dei contrasti, ad esempio sulle autostrade, nelle gallerie, nei porti e negli scali ferroviari.

Sono disponibili in una gamma di potenzecomprese tra i 18 W e i 180 W.


Lampade al sodio a bassa pressione

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.


Tipologie di sorgenti artificiali: lampade a scarica a bassa pressionePrincipio di funzionamento:

Il tubo di vetro è riempito con un gas nobile a bassa pressione e con una piccolaquantità di mercurio liquido. La parete di vetro è rivestita con un materialefluorescente. All'interno dell'alloggiamento si sviluppa un campo elettrico tradue elettrodi e avviene la scarica di gas. Il processo di scarica fa sì che i vaporidi mercurio emettano raggi UV. Non appena la radiazione UV entra in contattocon il materiale fluorescente, viene emessa luce visibile. La tonalità di lucegenerata può essere variata usando una miscela fluorescente appropriata.

28%visibile

2%60%


prestazioni 20-25°C


Durata

La durata di una lampada a scarica è basata su 3 ore di funzionamentoper ogni accensione. Ogni accensione ha effetti deleteri sugli elettrodi eil deterioramento degli elettrodi è la causa principale della durata della lampada.

Percentuale di durata di diverse ore di funzionamento per accensione


Lampade al sodio a bassa pressione

35%visibile

Tipologie di sorgenti artificiali: Lampade mercurio bassa pressione(fluorescenti)

Utilizzano una miscela di argone vapore di mercurio. Sonotipiche lampade fluorescenti.La superficie interna del tubo èricoperta da tre o cinquediversi ossidi. Si riesce aottenere un CRI tra 85 e 90. Latemperatura di colore va da4000K a 6000K.

L’efficienza luminosa risultacompresa tra 50 e 95 lm/Wmentre la vita media è intornoa 10.000 ore.


Fluorescenti compatte (mercurio a bassa pressione)


Lampade a «luce nera»

Emette radiazioni elettromagnetiche ultraviolette oltre ad una piccola quota di radiazioni di colore blu-violetto. L’unico risalto luminoso di contrasto èassunto dai materiali in grado di assorbire leradiazioni UV, di convertirle e di rifletterle sottoforma di radiazioni visibili.

Tipologie di sorgenti artificiali:lampade a scarica ad alta pressione

Sodio ad alta pressioneSono state messe a punto cercando di superare la principale limitazione dellelampade al sodio a bassa pressione, la bassa resa cromatica. La pressione del gas nelbulbo è di 40 kPa e si cerca di mantenere una temperatura intorno ai 270 °C.

Essendo il sodio molto aggressivo ad elevata temperatura i tubi di scarica sonorealizzati in ossidi di alluminio, più resistenti e comunque trasparenti.

Efficienza luminosa: intorno a 100-120 lm/WTemperatura di colore: ~ 2150 KResa cromatica: ~ 60Vita media: > 5000 oreTempo di accensione: 3-4 minutiApplicazioniSi ha una vasta gamma di potenze da 70 a 1000 W con diverse forme.Aumentando la pressione fino a 95 kPa Philips ha ottenuto una temperatura di coloredi 2500 K e un CRI di 80, tendendo alle prestazioni di una lampada ad incandescenza. L’efficienza però diminuisce fino a 43 lm/W. La tonalità è bianco-dorata.

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.



Vapori di mercurio ad alta pressione

15%visibile


Vapori di mercurio ad alta pressione

La pressione del gas nel bulbo va da 100 kPa a 2,5 Mpa. Il tubo di scarica è realizzato in quarzo (più resistente) ed è alloggiato in un bulboin vetro. Gli elettrodi sono spirali in tungsteno ricoperto di terre rare.

Efficienza luminosa : compresa tra 35 e 50 lm/WIndice di resa cromatica: relativamente bassoVita media: 5000 oreTempo di accensione: 3-5 minuti

Applicazioni: producono una luce azzurro-verde adatta all’impiego instrade, piazzali di parcheggio, nodi ferroviari, complessi industriali.


Alogenuri metalliciLa miscela gassosa utilizzata oltre a argon e vapore di mercurio presenta anchealogenuri di sodio, tallio.

Flusso luminoso: elevatoEfficienza luminosa : intorno a 80 lm/WVita media: > 6000 oreTempo di accensione: 2-3 minutiApplicazioni: producono luce fredda, adatta per l’illuminazione di impiantisportivi soprattutto dove sono richieste condizioni idonee alle riprese televisive.


Alogenuri metallici


Sodio ad altissima pressione

Vi sono modelli ad altissima pressione in grado di offrire una peculiare tonalitàdella luce bianco-calda proiettata in fasci concentrati. Le applicazioni piùconsone a questo tipo di luce sono l’illuminazione d’effetto, di improntascenografica, destinata ad oggetti in esposizione in ambienti con bassi livelli diilluminamento generale.

Negli esterni, nonostante la bassa efficienza, queste lampade sono usate per aree pedonali, complessi monumentali e spazi urbani di grande pregio.Sono altresì utilizzate per l’illuminazione delle piante verdi e della vegetazione.

Tipologie di sorgenti artificiali: lampade a scarica ad alta pressioneSodio ad altissima pressione

5630%

Lampade ad induzione

La scarica viene in questo caso prodottasenza elettrodi utilizzando un campomagnetico oscillante ad elevata frequenza(2,65 MHz) il quale induce un campoelettrico secondario. Il campo elettricoionizza il gas che emette radiazione UVcorretta con l’utilizzo di polveri fluorescenti.

Forniscono flussi luminosi elevati e hannouna buona efficienza intorno a 70 lm/W.

I tempi di accensione sono rapidi (0,5 s) e lavita media può superare le 100.000 ore,non avendo elettrodi soggetti a«consumo».


Un gas contenente vapori di mercurio è contenuto all'interno del bulbo di scarica, tale gasviene generato da una piccola quantità di amalgama di mercurio situato su un lato delbulbo stesso.Il ballast elettronico genera una corrente ad alta frequenza che alimenta gli induttori (da200 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 diavviare il processo di scarica del gas.



Tipologie di sorgenti artificiali: lampade a stato solido

Le tappe del LED- 1920: prima emissione luminosa da semiconduttori- 1962: primi LED ambra, arancio, rossi- 1971: primo LED a luce blu- 1993: primi LED ad alto flusso (Power LED)

Da tale data è iniziato un rapido progresso della tecnologia:• LED per segnalazione e telecomunicazioni• LED a luce bianca per illuminazione• Multi LED (RGB)• LED organici (OLED)

Tipologie di sorgenti artificiali: lampade a stato solido

LED è un acronimo che sta per Light Emitting Diodes, cioè “diodi che emettono luce”.Corrente continua e bassa tensione.Alimentatore = trasformatore e raddrizzatore

59

Tipologie di sorgenti artificiali: solid state lighting

Come ottenere una tonalità bianca da un LED


Efficienza luminosa: 40-150 lumen /wattVita media: 30.000-100.000 oreIndice di resa cromatica: 60-80 Temperatura di colore: 3.000-9.000 K

VantaggiElevatissima durata Assenza di manutenzioneAccensione a freddo immediataDimensioni ridottePossibilità di regolare la potenza

SvantaggiAlto costo iniziale (in via di diminuzione)Efficienza luminosa con margini di miglioramento


Unit 2009 2010 2012 2015

LED Efficacy (2800-3500K, >=85 CRI) lm/W 83 97 114 138

LED Price (2800-3500K; 350 mA) $/klm 46 25 11 4

LED Efficacy (4100-6500K, 70-80 CRI) lm/W 132 147 164 188

LED Price (4100-6500K; 350 mA) $/klm 25 13 6 2

Caratteristiche delle lampade

LED: distribuzione spettrale sorgenti

Incandescenza

Alogena

Fluorescente

Alogenuri metallici

LED

LED: distribuzione spettrale sorgenti

Temperatura di colore e resa del colore Regolamento (CE) n. 244/2009

Nel 2009 la Commissione Europea pubblicò sulla Gazzetta UfficialeEuropea il Regolamento (CE) n. 244/2009, che ha determinato la messa al bando graduale delle tradizionali lampadine a incandescenza eanche delle meno efficienti tra quelle a fluorescenza.

Le tradizionali lampadine a bulbo, che in quel momentorappresentavano la tipologia più diffusa in Europa, utilizzavano una tecnologia sviluppata nel 1800 ampiamente superata dal punto di vista del risparmio energetico. Esse, infatti, trasformavano in luce solo una quantità compresa tra il 5% ed il 10% dell’energia impiegata. La quota rimanente veniva, invece, dispersa sotto forma di calore.

Regolamento (CE) n. 244/2009

specifiche per la progettazione ecocompatibile delle lampade nondirezionali per uso domestico

Le lampade non direzionali per uso domestico devono soddisfare irequisiti di progettazione ecocompatibile definiti all'allegato II. Ogni requisito di progettazione ecocompatibile si applica inconformità delle fasi seguenti:• Fase 1: 1° settembre 2009• Fase 2: 1° settembre 2010• Fase 3: 1° settembre 2011• Fase 4: 1° settembre 2012• Fase 5: 1° settembre 2013• Fase 6: 1° settembre 2016 ora posticipata al 1° settembre 2018

Regolamento (CE) n. 244/2009

REQUISITI DI EFFICACIA PER LE LAMPADE

REQUISITI DI FUNZIONALITÀ DELLE LAMPADE

REQUISITI RIGUARDANTI LE INFORMAZIONI DI PRODOTTO PER LE LAMPADE

Tipologie di sorgenti artificiali: phase out Tipologie di sorgenti artificiali: phase out

Sono escluse da questa operazione:•le lampade alogene direzionali (i popolari “faretti”)•le lampade alogene con attacco G9 e R7S (spesso utilizzate per lelampade da tavolo e i proiettori)

Resteranno disponibili Fuori mercato dal 2018

Tipologie di sorgenti artificiali: confrontoTipologie di sorgenti artificiali: confronto

Lamp technology Energy savings

Energy class

Incandescent lamps - E, F, GConventional halogens (mains voltage 220 V) 0 – 15 % D, E, FConventional halogens (low voltage 12 V) 25% CHalogens with xenon gas filling (mains voltage 220 V) 25% CHalogens with infrared coating 45% B (lower end)CFLs with bulb-shaped cover and low light output, LEDs 65% B (higher end)CFLs with bare tubes or high light output, LEDs 80% A

I vantaggi delle lampade a basso consumo

Il passaggio a lampadine a basso consumo energetico dal 2018porterà un risparmio energetico annuale pari al consumo annuo dielettricità del Portogallo (48 TWh di energia elettrica) e consentiràemissioni di CO2 entro il 2025, pari alle emissioni generate da circadue milioni di persone all’anno.

SORGENTI DI LUCE ARTIFICIALE: LAMPADE - iuav.it · Se la conversione di energia elettrica in luce...

Documents

Transcript of SORGENTI DI LUCE ARTIFICIALE: LAMPADE - iuav.it · Se la conversione di energia elettrica in luce...