Lezioni di illuminotecnica

sorgenti di luce

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Illuminotecnica 1

Sorgenti artificiali di luce

Si dà il nome di sorgenti luminose, o sorgenti di luce, a tutti i corpi che

emettono energia radiante caratterizzata da lunghezze d’onda comprese

entro l’intervallo ~0,38~0,78, con intensità sufficiente per impressionare

l’occhio umano.

Le sorgenti artificiali servono a sopperire alla carenza di illuminamento

naturale trasformano energia (generalmente) elettrica in luce ed in genere

sono costituite da due parti le quali ne determinano le prestazioni:

• la lampada: preposta alla conversione di energia elettrica in flussoluminoso;

• l’apparecchio illuminante: ha la funzione di distribuire taleflusso in maniera opportuna e di proteggere la lampada stessa.

Le lampade

Le lampade possono essere ricondotte a due grandi categorie, le quali

differiscono tra loro per il principio fisico su cui si basa la produzione di

radiazioni luminose:

• lampade a incandescenza: il cui funzionamento si basa sul fatto

che un corpo riscaldato ad alta temperatura e portato

all’incandescenza emette radiazioni anche nel campo visibile.

• lampade a scarica: nelle quali la produzione di luce è dovuta

all’interazione degli elettroni di una scarica elettrica con gli ioni di

un gas o di un vapore.

Illuminotecnica 1

Acustica 1

Le lampade

GLS

AD INCANDESCENZA REFLECTOR

ALOGENE

LAMPADE VAPORI DI MERCURIO(IODURI METALLICI)

AD ALTA PRESSIONE

SODIO

A SCARICA DI GAS

VAPORI DI MERCURIO(FLUORESCENTI)

A BASSAPRESSIONE

SODIO

Acustica 1

Parametri di una lampada

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

funzionamento;

• tensione di alimentazione [V]: in genere intorno ai 220 V, o in alcuni case 6-

12-24 V ossia bassa tensione;

• flusso luminoso [lm]: quantità di luce erogata per unità di tempo;

• efficienza luminosa [lm/W]: esprime il rendimento energetico di una sorgente

luminosa. Essa corrisponde al rapporto tra flusso luminoso ottenuto e potenza

elettrica impiegata in alimentazione;

• vita media [h]: indica il numero di ore di funzionamento dopo il quale, in un

lotto di lampade ed in certe condizioni di prova, il 50% cessa di funzionare;

• curva di decadimento è la rappresentazione grafica dell’andamento del flusso al

variare delle ore di funzionamento;

• indice di resa cromatica, CRI, Ra: indica cioè la fedeltà con cui la luce fornita

da una sorgente artificiale riesce a riprodurre i colori reali, ossia la luce del sole

• temperatura di colore [K]: Rappresenta la temperatura del corpo nero con

l’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 del

sistema di emissione (lampade a scarica).

Acustica 1

Lampade a incandescenza

Filamento di tungsteno (p.f. 3770 K)

avvolto in doppia spirale

Ampolla riempita di gas inerte (azoto-argon)

per limitare la sublimazione del tungsteno

Bulbo di vetro chiaro sodico-calcico

Attacco

Conduttori in nichel

Supporti in molibdeno

Lampada GLS

Acustica 1

Il filamento di tungsteno

Acustica 1

Lampade a incandescenza

Acustica 1

Lampade a incandescenza

Le lampade a incandescenza sono le più antiche (1841, T.A. Edison) e

ancora molto utilizzate per il buon compromesso tra costo, vita media e

efficienza.

Esse basano il loro funzionamento sul passaggio della corrente elettrica

attraverso un filamento dotato di una certa resistenza elettrica. Per effetto

Joule gran parte dell’energia elettrica viene dissipata in calore e aumenta la

temperatura del filamento fino a temperature compatibili con l’emissione

nel visibile (legge di Wien): 2500-2700 K per le GLS e circa 3300 K per le

alogene.

Pregi: costo modesto, ottima resa cromatica (intorno a 100), facili da

installare e disponibili in varie forme.

Limiti: scarsa efficienza (max 20 lm/W), possibilità di abbagliamento, vita

media non elevata (1000-1500 ore), elevato invecchiamento.

Acustica 1

Lampade a incandescenza ad alogeni

Un tipo particolare di lampade a incandescenza sono quelle ad alogeni.

Nelle quali viene immesso un alogeno (iodio, cloro, bromo) in grado di

combinarsi con il tungsteno e ridepositarlo sul filamento.

Hanno migliori prestazioni rispetto alle lampade ad incandescenza:

• Durata da 1000 a 3000 ore;• Efficienza sino a 25 lm/W;• Temperatura del filamento intorno a 3500 K;• Temperatura di colore più elevata, da 2900 a 3100 K;• Elevatissima resa cromatica intorno a 100;• Dimensioni estremamente ridotte del corpo luminoso.

Il bulbo delle alogene è realizzato in quarzo in grado di resistere atemperature elevateIl riflettore può essere trattato con l’applicazione di strati di ossidiriflettenti alle radiazioni visibili, ma non a quelle infrarosse.Spesso sono alimentate in bassa tensione 6-24 V.

Acustica 1

Lampade a incandescenza ad alogeni

W

I

I

WI2

I2000 K

<1400 K

Acustica 1

Lampade a incandescenza ad alogeni

Acustica 1

Lampade a scarica in gas

Il funzionamento si basa sull’eccitazione ad opera di una scarica elettrica

di un gas (vapore metallico oppure miscuglio di vari gas a vapori).

Il gas è racchiuso in un contenitore di vetro o quarzo al cui interno sono

posizionati due elettrodi. Applicando ad essi una notevole tensione (da

100 V a 5 kV) viene prodotta una scarica ossia un flusso di elettroni che

interagiscono con gli atomi del gas. Gli elettroni degli orbitali più esterni

vengono spostati dalla loro posizione di equilibrio con assorbimento di

energia in maniera quantizzata.

In tale condizione gli ioni o gli atomi del gas sono instabili e gli elettroni

spostati tendono a ritornare nei loro orbitali di equilibrio liberando l’energia

corrispondente al relativo salto energetico con emissione di radiazione

anche luminosa.

Per innescare la scarica e regolarla durante il funzionamento sono

necessari opportuni dispositivi: starter, reattore.

Acustica 1

Lampade a scarica in gas

I gas utilizzati devono essere in grado di emettere nel campo del visibile.

Si sono utilizzati per primi i gas nobili (neon) si utilizzano anche vapori di

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 riveste con

queste sostanze il tubo in vetro e si ottengono le cosiddette lampade

fluorescenti.

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 CRI in molti casi, fluorescenti

hanno un buon indice di resa cromatica (85-90), quelle al sodio bassa

pressione non hanno praticamente CRI.

Acustica 1Lampade a scarica in gas

Acustica 1

Lampade al sodio bassa pressione

Sono state messe a punto nel 1932 in Olanda dai tecnici Philips per

illuminazione stradale.

La pressione del gas nel bulbo è di 0,5 Pa e si cerca di mantenere una

temperatura intorno ai 270 °C.

Il tubo di scarica è quindi isolato termicamente con un secondo involucro

sotto vuoto. La superficie interna del tubo è ricoperta di ossido di indio con

una trasmissione nel visibile del 91% e una riflessione nell’IR del 90%.

Con questi accorgimenti si arriva a un’efficienza luminosa di 200 lm/W.

Purtroppo la luce prodotta è monocromatica giallo-verde. Di conseguenza

possono essere utilizzate solo quando la resa cromatica non è importante

come nell’illuminazione stradale.

Acustica 1Lampade al sodio bassa pressione

Acustica 1

Lampade al sodio alta pressione

Sono state messe a punto cercando di superare la principale limitazione

delle lampade al sodio a bassa pressione, la bassa resa cromatica. La

pressione del gas nel bulbo 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

sono realizzati in ossidi di alluminio, più resistenti e comunque trasparenti.

L’efficienza luminosa diminuisce fino a 100-120 lm/W.

L’indice di resa cromatica è intorno a 60 e la temperatura di colore intorno

a 2150 K. Si ha una vasta gamma di potenze da 70 a 1000 W con diverse

fogge. Vita media 5000 ore. Tempo di accensione 3-4 minuti.

Aumentando la pressione fino a 95 kPa Philips ha ottenuto una

temperatura di colore di 2500 K e un CRI di 80, tendendo alle prestazioni

di una lampada ad incandescenza. L’efficienza diminuisce fino a 43 lm/W.

Acustica 1

Lampadeal sodio alta pressione

Acustica 1

Lampade mercurio bassa pressione

Utilizzano una miscela di

argon e vapore di mercurio.

Sono tipiche lampade

fluorescenti. La superficie

interna del tubo è ricoperta

da tre o cinque diversi ossidi.

Si riesce a ottenere un CRI

tra 85 e 90. La temperatura

di colore va da 4000K a

6000K.

L’efficienza luminosa risulta

compresa tra 50 e 95 lm/W

mentre la vita media è

intorno a 10000 ore.

Acustica 1

Lampade mercurio alta pressione

La pressione del gas nel bulbo va da 100 kPa

a 2,5 Mpa. Il bulbo è realizzato in quarzo ed

è alloggiato in un bulbo in vetro. Gli elettrodi

sono spirali in tungsteno ricoperto di terre

rare.

L’efficienza luminosa è compresa tra 35 e 50

lm/W, mentre l’indice di resa cromatica è

relativamente basso. Vita media 5000 ore.

Tempo di accensione 3-5 minuti.

Aumentando la pressione fino a 95 kPa

Philips ha ottenuto una temperatura di colore

di 2500 K e un CRI di 80, tendendo alle

prestazioni di una lampada ad

incandescenza. L’efficienza diminuisce fino a

43 lm/W.

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Acustica 1

Lampade ad alogenuri metallici

La miscela gassosa utilizzata oltre a

argon e vapore di mercurio presenta

anche alogenuri di sodio, tallio.

Forniscono flussi luminosi molto elevati

e hanno una buona efficienza intorno a

80 lm/W.

I tempi di accensione sono intorno a 2-

3 minuti e la vita media può superare le

6000 ore.

Possono sostituire le incandescenti ad

alogeni e le fluorescenti standard.

Acustica 1

Lampade ad induzione

La scarica viene in questo caso prodotta

senza elettrodi utilizzando un campo

magnetico oscillante ad elevata frequenza

(2,65 MHz) il quale induce un campo

elettrico secondario. Il campo elettrico

ionizza il gas che emette radiazione UV

corretta con l’utilizzo di polveri

fluorescenti.

Forniscono flussi luminosi elevati e hanno

una buona efficienza intorno a 70 lm/W.

I tempi di accensione sono rapidi (0,5 s)

e la vita media può superare le 60000

ore.

Acustica 1

Lampade a luce miscelata

Sono un prodotto ibrido costituito essenzialmente da una lampada a

vapori di mercurio ad alta pressione cui viene aggiunto un filamento ad

incandescenza il quale ha anche la funzione di stabilizzare la scarica.

Esse presentano una luce con una componente a spettro continuo tipica

dell’indandescenza.

Si ha una grande facilità d’uso dovuta alla mancanza di dispositivi ausiliari

elettrici (sostituiti dal filamento) e dalla possibilità di utilizzare un comune

attacco Edison.

La tonalità della luce è abbastanza fredda per la prevalenza dell’emissione

del mercurio, tuttavia la resa dei colori è migliore di una semplice

sorgente a scarica.

L’efficienza è poco superiore a quella a incandescenza. Accensione e

riaccensione sono instantanee.

Acustica 1

Efficienzalampade

Acustica 1

Apparecchi illuminanti

Gli apparecchi illuminanti costituiscono l’involucro che contiene la sorgente luminosa

hanno la funzione di distribuire il flusso luminoso in maniera opportuna e di

proteggere la sorgente stessa.

Per indirizzare la luce sfruttano i fenomeni della riflessione, rifrazione e diffusione e

sono rispettivamente indicati come:

• diffusori: hanno lo scopo di diffondere la luce emessa dalle lampadeuniformando la luminanza nelle varie direzioni e quindi riducendo anche lepossibilità di abbagliamento. Sono realizzati in genere in materialitranslucidi.

• riflettori: orientano secondo direzioni ben determinate la luce emessa dallesorgenti luminose. Si utilizzano materiali con riflessione di tipo speculare.

• rifrattori: costituiti da un involucro di materiale trasparente che perrifrazione diffonde la radiazione luminosa Esempio tipico sono le plafoniere inmateriale plastico con superficie composta da piccoli prismi piramidali.

Acustica 1

Apparecchi illuminanti

riflessionerifrazionediffusione

Acustica 1

Ottiche

Apparecchi illuminanti

Solido di emissione

Il modo di distribuire la luce nello

spazio viene descritto dal solido di

emissione. Esso indica l’intensità di

emissione nelle diverse direzioni.

E’ possibile utilizzare una

rappresentazione sul piano

dell’emissione.

A seconda della simmetria si

utilizzeranno uno o più piani.

Curve fotometriche

Acustica 1Curve fotometriche

Acustica 1Curve fotometriche

Acustica 1Apertura del fascio

Descrive quanto “concentrato” è il fascio di luce prodotto dall’apparecchio. E’ l’angolo

entro il quale l’intensità si riduce al 50% del suo massimo in genere rilevato lungo

l’asse. In alcuni casi si utilizza la riduzione fino al 10%.

Si parla di lampade spot con apertura fino a 20°, lampade flood con aperture

maggiore di 40°