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Prof. Paolo Zazzini CORSO DI FISICA TCNICA II AA 2009/10 ILLUMINOTECNICA Lezione n° 4: Lampade ad indandescenza.

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1 Prof. Paolo Zazzini CORSO DI FISICA TCNICA II AA 2009/10 ILLUMINOTECNICA Lezione n° 4: Lampade ad indandescenza

2 Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10 PARAMETRI CARATTERISTICI DI UNA LAMPADA Efficienza luminosa Parametro utile nelle valutazioni di carattere economico; il suo inverso è un indice di consumo Temperatura di colore T c Temperatura superficiale di un radiatore ideale (corpo nero) che, nel settore del visibile, emette con una distribuzione spettrale uguale a quella della sorgente considerata A rigore parametro valido solo per sorgenti ad incandescenza (emissione spettrale continua); Per le sorgenti a scarica in gas che hanno spettro di emissione discontinuo: temperatura di colore approssimata o prossimale

3 Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10 Norma UNI 10380/94: Illuminotecnica, illuminazione di interni con luce artificiale Norma UNI 10380/94: Illuminotecnica, illuminazione di interni con luce artificiale T c < 3000 K: Luce bianco calda (W: warm): Luce ricca di radiazioni rosse adatta ad abitazioni, luoghi di soggiorno e svago… 3000 < T c < 5300K: Luce bianco neutra (I: intermediate): Luce adatta nella maggior parte degli ambienti di lavoro T c > 5300K: Luce bianco fredda (C: cold): Luce ricca di radiazioni blue adatta in ambienti con valori molto elevati dellilluminamento richiesto Sorgente Temperatura di colore (K) Fiamma di candela 1900 Sole a mezzogiorno 6500 Sole al tramonto Lampada ad incandescenza Lampada fluorescente di vecchia generazione Luce diurna cielo sereno Lampada fluorescente luce diurna luce diurna con cielo nuvoloso

4 Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10 Vita media (h) Relativamente ad un campione significativo ed omogeneo: Valore medio del tempo stimato (h) della durata prevista della lampada prima della rottura (burn out) Valore medio del tempo stimato (h) della durata prevista della lampada prima della rottura (burn out) Tempo di funzionamento (h) superato dal 50% delle lampade testate Tempo di funzionamento (h) superato dal 50% delle lampade testate Valore medio del tempo (h) che intercorre prima che il flusso luminoso diminuisca del 20% di quello iniziale Valore medio del tempo (h) che intercorre prima che il flusso luminoso diminuisca del 20% di quello iniziale Parametro importante per la valutazione dei costi di esercizio, è condizionato dal numero di accensioni e spegnimenti in un tempo di riferimento Resa dei colori o Resa cromatica R a 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 lEclaraige) Colore vero: R a =100 superficie illuminata dallIlluminante di riferimento C.I.E. (luce bianca) La luce naturale del sole ha resa cromatica pari a 100 (colore vero)

5 Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10 R a100 resa cromatica ottima R a100 resa cromatica ottima R a 50 resa cromatica scadente R a 50 resa cromatica scadente La scelta del valore più indicato per la resa cromatica dipende dalla destinazione duso Di solito sorgenti ad alta resa cromatica hanno bassa efficienza luminosa e viceversa UNI 10380: 5 gruppi di resa del colore e corrispondenti indici di resa cromatica UNI 10380: 5 gruppi di resa del colore e corrispondenti indici di resa cromatica Gruppo di resa del colore (GR a ) Resa del colore (R a ) 1 R a > 90 1B 80< R a < < R a < < R a < < R a < 40

6 Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10 Tempo di ritardo per la riaccensione Posizione di montaggio Tempo necessario per la riaccensione di una lampada spenta Può arrivare anche ad una decina di minuti o essere nullo. Assume valori diversi se la riaccensione è a caldo o dopo il raffreddamento della lampada Tempo di messa a regime Anchesso può arrivare fino ad una decina di minuti Tempo necessario perché il flusso luminoso emesso dalla lampada sia quello a regime stazionario (costante nel tempo) Per molte lampade nessun limite In alcuni casi richieste posizioni particolari, ad esempio con lasse principale di simmetria orizzontale

7 Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10 Prime lampade elettriche: AD ARCO Scarica atmosferica tra due elettrodi di carbone inizialmente in contatto collegati ad un generatore di corrente (passaggio di corrente elevato effetto Joule incandescenza delle punte) Prime dimostrazioni di principio allinizio del XIX secolo Utilizzate per lilluminazione pubblica stradale nella seconda metà dell800 nei potenti proiettori in uso fino alla II guerra mondiale nei potenti proiettori in uso fino alla II guerra mondiale Attualmente in disuso tranne qualche rara applicazione (proiezioni cinematografiche, per la saldatura dei metalli, nella fusione dei materiali refrattari e nei forni elettrici) Avviato il processo allontanamento delle punte il passaggio di corrente continua nello spazio tra le punte Per lalta temperatura si ha: ionizzazione dellaria tra le punte, emissione di elettroni e di ioni dagli elettrodi scarica Inconveniente: catodo ed anodo si consumano (T 4000 K) incavandosi (configurazione a cratere) Impiego di dispositivi automatici che mantengano costante la distanza tra i due carboncini

8 LAMPADE AD INCANDESCENZA Primi a lavorare ad una lampada ad incandescenza: Swan (inglese) ed Edison (americano) Edison pensò alla distribuzione capillare dellenergia elettrica sul territorio e al collegamento delle lampade alla rete (attacco a vite Edison) Fu il primo ad adottare il collegamento di più lampade in parallelo Progettò una centrale per la generazione e la distribuzione dellelettricità a New York City ( Pearl street) nel 1882 Prime lampade ad incandescenza: filamento di materiale trattato al carbonio in un bulbo sotto vuoto Lassenza di O 2 preservava il filamento dalla combustione ma non dalla sublimazione La ricerca fu volta allindividuazione del materiale più idoneo per il filamento 1898: AUER utilizzò lOsmio (elemento raro quindi costoso e difficile da lavorare) 1898: AUER utilizzò lOsmio (elemento raro quindi costoso e difficile da lavorare) 1904: Edison presentò una lampada con filamento di osmio e wolframio (osmium e wolfram OSRAM) con T = 2000°C 1904: Edison presentò una lampada con filamento di osmio e wolframio (osmium e wolfram OSRAM) con T = 2000°C Il tungsteno (wolframio) usato per primo da Edison è un materiale più robusto dei filamenti trattati al carbonio, con T fusione = 3650 K ottenuto dal 1910 per trafilatura Edison arrivò al tungsteno dopo circa 6000 tentativi con vari materiali Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

9 Bassa tensione di vapore Bassa tensione di vapore Elevata temperatura di fusione Elevata temperatura di fusione Elevata resistenza meccanica Elevata resistenza meccanica Adeguata duttilità Adeguata duttilità Adeguato spettro di emissione nel visibile Adeguato spettro di emissione nel visibile Caratteristiche peculiari di un filamento: Attualmente: leghe di tungsteno spiralato o doppiamente spiralato o di altri materiali come il renio caratterizzate da elevata efficienza luminosa rispetto ad altri materiali (anche se è bassa lefficienza rispetto alle lampade a scarica)

10 Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10 E n,l T1T1T1T1 T2T2T2T2 T 3 = 900 K T4T4T4T4 VIS IR FINESTRA OTTICA Radiazioni visibili nm ViolettoBlueVerde Giallo ArancioRosso T 5 = 2700 K Fenomeno dellINCANDESCENZA Allaumentare di T porzioni sempre maggiori di energia nel visibile Luce + BIANCA Lincandescenza è provocata nel filamento per effetto Joule: Dissipazione di energia elettrica in calore per lelevata resistenza elettrica del filamento (dir. prop. alla lunghezza e inv. prop. al diametro) Dissipazione di energia elettrica in calore per lelevata resistenza elettrica del filamento (dir. prop. alla lunghezza e inv. prop. al diametro) Surriscaldamento del filamento fino alle temperature tipiche di 2700 / 3000 K Surriscaldamento del filamento fino alle temperature tipiche di 2700 / 3000 K

11 Conseguenze della sublimazione aggravata dalle alte temperature: Assottigliamento del filamento fino alla rottura (Il filamento si spezza quando ha perso circa l1% della sua massa); Assottigliamento del filamento fino alla rottura (Il filamento si spezza quando ha perso circa l1% della sua massa); Annerimento del bulbo a causa della solidificazione del vapore di tungsteno (T del bulbo °C per lampade normali, fino a 470 °C per applicazioni speciali) ; Annerimento del bulbo a causa della solidificazione del vapore di tungsteno (T del bulbo °C per lampade normali, fino a 470 °C per applicazioni speciali) ; Diminuzione del flusso luminoso emesso e dellefficienza luminosa Diminuzione del flusso luminoso emesso e dellefficienza luminosa Immissione di un gas inerte(argon, azoto, miscele) aumento della pressione attenuazione del fenomeno temperature più elevate luce più bianca Altra soluzione possibile: immissione di gas (clorati) che si combinano col tungsteno producendo composti gassosi trasparenti. In alternativa i getters (strisce metalliche formate da un metallo volatile come magnesio, sodio, bario, calcio o fosforo solitamente usate per la produzione del vuoto spinto nelle pompe da vuoto per eliminare i gas residui) i cui vapori caldi si combinano con il tungsteno formando un minuscolo particolato solido Maggiore resistenza meccanica del filamento con spiralatura semplice o doppia: riduce lo scambio convettivo poiché ad esso partecipa solo la superficie esterna quindi minore dissipazione del calore prodotto per effetto Joule e migliore utilizzo della potenza elettrica impiegata) Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

12 Caratteristiche tecniche Efficienza luminosa ÷18 lm W -1 Temperatura di colore T c =2500÷3000 K Resa cromatica R a = 80÷100 Fattore di decadimento del flusso luminoso 85 % Tempi di accensione e riaccensione = 0 Potenze elettriche 15 ÷ 1000 W Costi contenuti Vita media 1000 h Sottotensione del 10% V = 0.9 V o = 198 V Sovratensione del 10% V = 1.1 V o = 242 V I/I o P/P o D/D o T c /T co Prestazioni ottenibili in funzione delle variazioni di tensione di alimentazione, possibili soprattutto in siti ad elevata concentrazione industriale o di centri commerciali per il notevole assorbimento di potenza elettrica con forti abbassamenti della tensione di rete Una diminuzione della tensione del 5 % raddoppia la vita media Un aumento del 5 % la diminuisce di circa il 30 %. Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

13 Classificazione GLS (General Lighting Service): le più comuni, con filamento spiralto in tungsteno e bulbo in vetro tenero al piombo di varie forme REFLECTOR: bulbo paraboidale o ellissoidale trattato internamente, per deposito o precipitazione, con argento, cromo o alluminio riflessioni speculari verso una porzione di spazio fascio convogliato stretto (spot) o largo (flood) PAR (Paraboiled Aluminized Reflector): parte lavorata a specchio a forma di coppa e chiusura superiore in vetro trasparente R: superficie a specchio sulla calotta superiore Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

14 LAMPADE ALOGENE Compaiono intorno agli anni 60 Atmosfera arricchita con alogeni in piccole quantità: iodio o bromo Dettre IODINE (BROMINE) o a Ciclo rigenerativo allo iodio (bromo) Ioduri e Bromuri di tungsteno sono trasparenti alla luce, stabili a temperature basse (bulbo a 200°C) instabili a T > 1400°C per cui si ridecompongono in tungsteno e iodio (bromo) nei pressi del filamento che si rigenera La rigenerazione aumenta la resistenza meccanica del filamento, la vita media della lampada e la temperatura di esercizio Luce più bianca (più uniforme distribuzione spettrale) e maggiore efficienza luminosa Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

15 Prodotte anche in geometrie di dimensioni contenute per lelevata pressione interna (adatte per sorgenti luminose che prevedono fasci concentrati come proiezioni cinematografiche, applicazioni automobilistiche, faretti per illuminazione di interni) Schermatura con un secondo involucro in vetro pyrex o metacrilato per la protezione da possibili esplosioni e per evitare di toccare la superficie esterna della lampada. Il grasso o il sudore depositato in piccole pellicole dalle mani può provocare la dequarzificazione del bulbo (non più idoneo alle elevate temperature). Inoltre si evita che insetti vadano a rosolarsi sulla superficie della lampada Vetro semplice sostituito con vetro boro-silicato (quarzo) più resistente allaggressione dellalogeno ed alle alte temperature (resiste fino 1300 K) Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

16 Lampade alogene DICROICHE (di due colori) anche dette lampade fredde Una porzione del bulbo è trattata in modo da presentare un coefficiente di riflessione selettivo che lascia passare il 70% dellIR e riflette il restante 30 % e tutte le lunghezze donda del visibile Si ottiene una emissione a basso contenuto termico poiché una gran parte è dispersa in zone dove non si svolge il compito visivo Si prestano ad illuminazione di merci, opere darte o particolari architettonici che si deteriorano con il calore Le lampade dicroiche possono emettere una luce colorata Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

17 Spesso corredate di un dimmer che regola il flusso luminoso mediante la regolazione della potenza elettrica dissipata e quindi della temperatura di funzionamento della lampada. Alle basse temperature la luce riacquista colore rossastro e può essere vanificata lefficacia dellalogeno Come le lampade ad incandescenza normali possono essere corredate da un riflettore a specchio intrerno (PAR o R) Caratteristiche tecniche Efficienza luminosa ÷27 lm W -1 Temperatura di colore T c =4500 K Resa cromatica R a = 80÷100 Fattore di decadimento del flusso luminoso: 94 % Tempi di accensione e riaccensione = 0 s Vita media 2000 h Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

18 Attacchi di lampade ad incandescenza e alogene Edison E27 Attacco bispina A baionetta doppia Attacco Edison ( a vite) E27, E14 o E 40 Attacco a baionetta B15 o B22 Il numero indica lattacco in mm Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

19 Lampade alogene a bassa tensione Lampade di dimensioni ridotte con tensioni di funzionamento 6 V, 12 V e 24 V alimentate da rete tramite trasformatore Lampada a bassa tensione temperatura del filamento T x area superficiale A x lampada a 220 V temperatura del filamento T 0 area superficiale A 0 Hp: Uguali potenze elettriche dissipate e stessa efficienza luminosa iniziale: Al diminuire della tensione di alimentazione V x la lunghezza del filo diminuisce ed il diametro aumenta lasciando inalterata la qualità della luce. Filamento dello stesso materiale, uguale flusso luminoso specifico (per unità di superficie) e medesimo spettro di emissione nel visibile: T x = T 0 Hp: Uguale flusso totale emesso: A x = A 0 Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10


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