Illuminotecnica, Fisica tecnica

WI​

(2800K)​ I

W+2​

↦

2​

Le particelle di tungsteno, sublimando, si legano al gas alogeno in

un composto pesante che, grazie al moto convettivo che si forma

nel bulbo, torna in prossimità del filamento scindendosi

nuovamente e ricostruendo il filamento. Affinchè vi sia una alta

probabilità di ricostruzione la lampada deve essere di dimensioni

piccole (che si traduce in alta luminanza, per questo vengono

anche utilizzate per illuminare in modo indiretto).

Vantaggi Miglior resa cromatica

● Ingombro minimo

● Possibilità di modulare l’intensità

●

Svantaggi Bassa efficienza specifica

● Bassa durata

●

Lampade a scarica​ ​

● emettono per​

luminescenza (energia elettrica convertita direttamente in energia

↦

​

luminosa). Ad oggi costituiscono il 70% delle lampade in uso.

Sono costituite da un bulbo (vetro o quarzo)

contenente un aeriforme (vapori di mercurio o

sodio, gas rari, etc) in pressione e da due

elettrodi (anodo +, catodo ­ ). Fornendo

un’adeguata tensione a quest’ultimi, gli elettroni

liberi del gas (normalmente presenti per effetto

fotoelettrico o irraggiamento cosmico) si

muoveranno secondo il campo elettrico generato

urtando gli atomi di gas. Se l’elettrone urta

l’atomo ad una velocità sufficiente a far innalzare

di livello energetico l’elettrone sull’ultimo orbitale,

l’atomo si dirà eccitato e tornando rapidamente al

­9​

suo stato iniziale (in un tempo t=10​

s) genererà

​

un quanto di energia. Se la velocità è altissima l’elettrone sull’orbitale verrà strappato e l’atomo, diventantdo

​

ione, andrà a combinarsi con un altro elettrone restituendo energia.

​

Si chiama tensione di innesco la tensione minima per generare il flusso di

​

elettroni verso l’anodo e di ioni verso il catodo. Successivamente

all’innesco gli elettrodi si scaldano, la ionizzazione e il numero di elettroni

disponibili aumentano e la scarica diventerà indipendente dagli elettroni

​

liberi iniziali, rendendo necessaria solo una tensione d’arco (più bassa).

​

La tensione di innesco dipende dal prodotto della pressione del vapore

nel bulbo e della distanza tra gli elettrodi, oltre che dal diametro del bulbo.

Questo perchè a pressioni elevate il tempo libero delle particelle è corto

ed esse non hanno energia cinetica necessaria per ionizzare gli atomi. A

pressioni basse invece il gas è così rarefatto che le particelle, con grande

accellerazione, hanno poca

possibilità di incontrare un

atomo. In entrambi i casi si risolve aumentando la tensione di

accensione. Il diametro del bulbo incide sulla d.d.p. iniziale perchè

un diametro piccolo permette agli ioni ed agli elettroni di legarsi

subito sulle superfici laterali, diminuendo il tempo libero delle

particelle.

Affinchè la scarica non si esaurisca è necessario che il gas

rimanga ionizzato, ma questo significa una corrente crescente. Per

​

questo vengono utilizzati dei limitatori di corrente, i​

reattori

,

resistenze zavorra di tipo induttivo che limitano le perdite di

potenza.

Alcuni gas o vapori utilizzati emettono radiazioni fuori dal campo

​

del visibile. In questo caso si sfrutta la fluorescenza , che consente, tramite aggiunta di sali fluorescenti sulla

​

superficie interna del bulbo, il recupero dell’energia emessa fuori dal visibile spostando lo spettro in zone a più

alta lunghezza d’onda e consentendo anche la correzione del colore per indici di resa maggiori.

Vantaggi ● Elevata efficienza specifica (fino a 200 lm/W)

● Alta durata (5000­12000 ore)

● Possibilità di regolazione di tonalità del colore variando la quantità dei sali

Svantaggi ● Minor resa cromatica rispetto alle lampade ad incandescenza, soprattutto per le

lampade al sodio a bassa pressione. Le lampade di nuova generazione riescono ad

arrivare al 98­99% di resa cromatica.

● Tempi di accensione non istantanei (da qualche secondo a diversi minuti)

● Necessità di organi ausiliari come starter (dispositivo per il preriscaldamento degli

elettrodi), reattori, condensatori, convertitori AC/DC, regolatori di flusso) e quindi

ingombri maggiori

Tipologia spettro di emissione descrizione P durata

η R T

a c

W h

lm/W K

Vapori di B Valori ottimali di 18­4 fino a quasi 2000­2 35000

sodio P temperatura e pressione 00 200 nulla 500

270°C e 0,5 Pa.

Necessaria una buona

tenuta. Due bulbi separati

dal vuoto per non

disperdere calore per

convezione e strato di

ossido di indio per riflettere

internamente gli infrarossi.

Bassissima resa ma

rendono buona qualità di

contrasto.

A Nate per superare il 50­1 fino a 60 1950­2 12000

P problema della bassa R​ 000 150 150

a

delle BP. Resa cromatica

molto più elevata, ma

efficienza e durata sono

diminuite. Utilizzate per

l’illuminazione di ambienti

esterni o interni che

necessitano di un

importante flusso

luminoso. Tempo di

accensione 5 minuti

Vapori di B Comunemente chiamate 6­ fino a 98 2700­ 6000­

​

mercurio P fluorescenti per il loro 80 104 6500 15000

rivestimento interno,

possono essere lineari o

compatte. Quest’ultime

sono state utilizzate per il

rimpiazzamento con le

classiche lampade ad

incandescenza. Risentono

del numero

accensioni­spegnimenti

A Presentano elevate 50­ 35/60 33­ 3000­ 10000

P pressioni al loro interno 1000 50 4200

(fino a 2,5 MPa). Efficienza

specifica e resa cromatica

particolarmente basse.

Utilizzate per l’alta

luminanza e le piccole

dimensioni. Poco utilizzate

perchè sostituite dai vapori

di sodio

Ad La scarica nel vapore di 55­ 65­ 80 ­­ 60000

Induzione mercurio viene generata 165 70

da un campo

elettromegnetico indotto da

un’antenna all’interno del

bulbo. L’assenza di

elettrodi quindi ne allunga

di molto la durata. Viene

utilizzata in zone dove è

difficile o molto

dispendiosa la sostituzione

del dispositivo

A luce Lampade al mercurio ad 100­ 15­ 48­ 3500­ 7500

miscelata alta pressione in cui il 500 28 72 4100

reattore di alimentazione è

sostituito da un filamento di

tungsteno,con la funzione

di limitatore di corrente,

posto in un tubo

secondario insieme alla

lampada. Le pareti interne

del bulbo sono coperte di

fosforo. Emettono luce

calda

Ioduri Nel tubo di scarica, oltre 35­ 80­ 90 3000­ 6000­

metallici mercurio e all’argon si 3500 95 6000 9000

immettono ioduri di sodio,

tallio e indio. Questi ioduri,

con la lampada a regime,

si dissociano grazie alla

scarica ed emettono nelle

zone non coperte dal

mercurio, senza che la

superficie interna debba

essere ricoperta di polveri.

Hanno tonalità di luce

diurna. Per le sue buone

qualità vengono itilizzate

per illuminamento di

strutture di grandi

dimensioni (stadi, campi

sportivi)

● Lampade a LED (Light

Emitting Diode)

Il LED è un dispositivo

optoelettronico​

che sfrutta le

proprietà ottiche di alcuni materiali

semiconduttori​

di produrre fotoni

​

attraverso un fenomeno di

emissione spontanea​

che avviene

attraverso la ricombinazione

elettrone­lacuna in una giunzione

p­n. I primi LED composti da Gallio,

Arsenio e Fosforo entrarono in

commercio negli anni 70 come

dispositivi indicatori, perchè in

grado di fornire soltanto luce rossa

ed a bassa intensità luminosa. Con

l’evoluzione tecnologica dei

materiali si riuscirono ad ottenere

diverse lunghezze d’onda emitenti e

valori di intensità maggiori, che li

fecero entrare nel mercato

dell’illuminazione. Con l’invenzione

del LED di colore blu nacquero i

primi dispositivi a luce bianca che

combinavano i tre colori ​

fondamentali (​

color mixing :rosso, verde, blu) per fornire luce di colore bianco.

Il principio fondamentale di un LED è basato sulla giunzione p­n, ossia l’unione di due materiali semiconduttori

drogati diversamente. Sostituendo, nell’operazione di drogaggio, all’atomo del semiconduttore un atomo

trivalente o pentavalente (3 e 5 elettroni nella banda di

valenza) si ottengono dei legami che lasciano libera una

lacuna nel primo caso (drogaggio di tipo P) o un elettrone

nel secondo (drogaggio di tipo N). All’atto della giunzione dei due materiali drogati si crea una zona di

svuotamento, dove le particelle superficiali si neutralizzano finchè non si crea una differenza di potenziale

(barriera di potenziale) che non permette più il passaggio di cariche. Applicando una tensione esterna maggiore

della tensione di barriera, le cariche cominciano a fluire (da ­ a+ ) e quando un elettrone attraversa la barriera ed

incontra una lacuna, decade a un livello di energia inferiore e rilascia tale differenza di energia sotto forma di

​

fotone. La luce emessa da questi dispositivi è detta Solid State Lighting , illuminazione allo stato solido, proprio

​

perchè si tratta di un corpo solido che emette luce. Poichè i fotoni sono emessi a frequenze specifiche, un alto

dislivello energetico produrrà un fotone

ad alta frequenza e cioè a lunghezza

d’onda corta. Il salto energetico e quindi

il colore finale del dispositivo led

dipende dai materiali utilizzati per la

giunzione. Tutti i tipi di giunzione

emettono fotoni, ma solo quelli emessi

nel campo del visibile possono essere

rilevati dall’occhio umano.

​

Spettro luminoso di vari LED, messi a

​

confronto con lo spettro visivo

​ ​ ​

dell' occhio umano e della lampada ad

incandescenza

I LED si dispongono su 3 categorie:

● THT (Through Hole Technology)​

: Sono i diodi più piccoli, protetti da capsule tonde

di 3 o 5 mm di diametro. Utilizzati come spie luminose nei dispositivi elettronici.

● SMD (Surface Mounted Device)​

: si contraddistinguono per la forma piatta e vengo

utilizzati per l’istallazione su circuiti montati su base isolante per minimizzare

l’ingombro

● Power LED​

: caratteristica principale di questo tipo di led sono le alte potenze di

funzionamento e l’elevata brillantezza. Esistono anche modelli che funzionano in

corrente alternata (Acriche). Possiedono un dissipatore di calore per contenere la

tempera