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

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 Tc 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 Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

Norma UNI 10380/94: “Illuminotecnica, illuminazione di interni con luce artificiale” Tc< 3000 K: Luce bianco calda (W: warm): Luce ricca di radiazioni rosse adatta ad abitazioni, luoghi di soggiorno e svago… 3000 < Tc < 5300K: Luce bianco neutra (I: intermediate): Luce adatta nella maggior parte degli ambienti di lavoro Tc > 5300K: Luce bianco fredda (C: cold): Luce ricca di radiazioni blue adatta in ambienti con valori molto elevati dell’illuminamento richiesto Sorgente Temperatura di colore (K) Fiamma di candela 1900 Sole a mezzogiorno 6500 Sole al tramonto 2500-3000 Lampada ad incandescenza Lampada fluorescente di vecchia generazione 2700-3000 Luce diurna cielo sereno 4500-5500 Lampada fluorescente “luce diurna” 4000-6000 luce diurna con cielo nuvoloso 6000-8000 Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

Resa dei colori o Resa cromatica Ra 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) 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 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 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) Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

Gruppo di resa del colore Ra≈100 resa cromatica ottima Ra 50 resa cromatica scadente La scelta del valore più indicato per la resa cromatica dipende dalla destinazione d’uso 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 Gruppo di resa del colore (GRa) Resa del colore (Ra) 1 Ra > 90 1B 80< Ra <90 2 60< Ra < 80 3 40< Ra < 60 4 20< Ra< 40 Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

Tempo di ritardo per la riaccensione 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 Anch’esso 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) Posizione di montaggio Per molte lampade nessun limite In alcuni casi richieste posizioni particolari, ad esempio con l’asse principale di simmetria orizzontale Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

Prime lampade elettriche: AD ARCO Prime dimostrazioni di principio all’inizio del XIX secolo Utilizzate per l’illuminazione pubblica stradale nella seconda metà dell’800 “ 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) 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) Avviato il processo allontanamento delle punte il passaggio di corrente continua nello spazio tra le punte Per l’alta temperatura si ha: ionizzazione dell’aria 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 Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

LAMPADE AD INCANDESCENZA Prime lampade ad incandescenza: filamento di materiale trattato al carbonio in un bulbo sotto vuoto Primi a lavorare ad una lampada ad incandescenza: Swan (inglese) ed Edison (americano) Edison pensò alla distribuzione capillare dell’energia 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 dell’elettricità a New York City ( Pearl street) nel 1882 L’assenza di O2 preservava il filamento dalla combustione ma non dalla sublimazione La ricerca fu volta all’individuazione del materiale più idoneo per il filamento 1898: AUER utilizzò l’Osmio (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 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

Bassa tensione di vapore Elevata temperatura di fusione 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 l’efficienza rispetto alle lampade a scarica) Bassa tensione di vapore Elevata temperatura di fusione Elevata resistenza meccanica Adeguata duttilità Adeguato spettro di emissione nel visibile Caratteristiche peculiari di un filamento: Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

Fenomeno dell’INCANDESCENZA En,l l T1 T2 T3 = 900 K T4 VIS IR 380 780 FINESTRA OTTICA Radiazioni visibili nm Violetto Blue Verde Giallo Arancio Rosso T5= 2700 K Fenomeno dell’INCANDESCENZA All’aumentare di T porzioni sempre maggiori di energia nel visibile Luce + BIANCA L’incandescenza è provocata nel filamento per effetto Joule: Dissipazione di energia elettrica in calore per l’elevata resistenza elettrica del filamento (dir. prop. alla lunghezza e inv. prop. al diametro) Surriscaldamento del filamento fino alle temperature tipiche di 2700 / 3000 K Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

Conseguenze della sublimazione aggravata dalle alte temperature: Assottigliamento del filamento fino alla rottura (Il filamento si spezza quando ha perso circa l’1% della sua massa); Annerimento del bulbo a causa della solidificazione del vapore di tungsteno (T del bulbo 160-170 °C per lampade normali, fino a 470 °C per applicazioni speciali) ; Diminuzione del flusso luminoso emesso e dell’efficienza 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

Caratteristiche tecniche 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 %. Caratteristiche tecniche Sottotensione del 10% V = 0.9 Vo= 198 V Sovratensione del 10% V = 1.1 Vo = 242 V F/Fo 0.69 1.40 I/Io 0.95 1.05 P/Po 0.85 1.15 D/Do 4.15 0.28 h/ho 0.82 1.20 Tc/Tco 0.96 1.04 Efficienza luminosa h = 10÷18 lm W-1 Temperatura di colore Tc=2500÷3000 K Resa cromatica Ra = 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 Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

R: superficie a specchio sulla calotta superiore 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) R: superficie a specchio sulla calotta superiore PAR (Paraboiled Aluminized Reflector): parte lavorata a specchio a forma di coppa e chiusura superiore in vetro trasparente Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

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

Vetro semplice sostituito con vetro boro-silicato (quarzo) più resistente all’aggressione dell’alogeno ed alle alte temperature (resiste fino 1300 K) Prodotte anche in geometrie di dimensioni contenute per l’elevata 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 Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

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% dell’IR e riflette il restante 30 % e tutte le lunghezze d’onda 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 d’arte 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

Caratteristiche tecniche Efficienza luminosa h = 20÷27 lm W-1 Temperatura di colore Tc=4500 K Resa cromatica Ra = 80÷100 Fattore di decadimento del flusso luminoso: 94 % Tempi di accensione e riaccensione = 0 s Vita media ≈ 2000 h 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 l’efficacia dell’alogeno Come le lampade ad incandescenza normali possono essere corredate da un riflettore a specchio intrerno (PAR o R) Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10

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

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 Tx area superficiale Ax lampada a 220 V temperatura del filamento T0 area superficiale A0 Filamento dello stesso materiale, uguale flusso luminoso specifico (per unità di superficie) e medesimo spettro di emissione nel visibile: Tx = T0 Hp: Uguale flusso totale emesso: Ax= A0  Hp: Uguali potenze elettriche dissipate e stessa efficienza luminosa iniziale: Al diminuire della tensione di alimentazione Vx la lunghezza del filo diminuisce ed il diametro aumenta lasciando inalterata la qualità della luce. Corso di Fisica Tecnica II – Prof. Paolo ZAZZINI AA 2009/10