CORSO DI FISICA TECNICA 2
AA 2013/14
ILLUMINOTECNICA
Lezione n° 4: Lampade ad indandescenza
Ing. Oreste Boccia
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Fenomeno dell’INCANDESCENZA
Ogni corpo a temperatura superficiale superiore a 0 K (detto zero assoluto pari a -273,15 °C)
emette radiazioni elettromagnetiche la cui distribuzione spettrale dipende dal valore assunto
dalla suddetta temperatura.
Alle temperature ordinarie, l’emissione dei corpi interessa il campo dell’Infrarosso (IR con λ >
780 nm), cioè quel tipo di radiazioni la cui energia è esclusivamente termica ed il cui effetto
principale è quello di trasportare calore.
Per le leggi di Planck e di Wien la curva di emissione si sposta verso lunghezze d’onda più
piccole all’aumentare della temperatura della superficie emittente. A temperature di
emissione più elevate aumenta anche la percentuale di potenza emessa nel visibile e si
ottiene luce sempre più bianca.
Se la temperatura è tale da invadere l’intero campo del visibile (T>2700 K), tutte le
componenti cromatiche sono coinvolte nell’emissione e la luce prodotta è tanto più bianca
(acromatica) quanto più uniforme è la distribuzione spettrale.
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LAMPADE AD INCANDESCENZA
L’incandescenza è provocata in un
filamento
per
effetto
Joule:
dissipazione di energia elettrica in
calore direttamente proporzionale alla
resistenza elettrica del filamento.
T5= 2700 K
En,l
T4
T3 = 900 K
Il calore provoca il surriscaldamento
del filamento fino alle temperature
tipiche di 2700 / 3000 K.
Luce + BIANCA
T2
Si
verifica
il
fenomeno
della
incandescenza, cioè l’emissione di
radiazione elettromagnetica interna allo
spettro del visibile.
Il materiale di cui è fatto il filamento
deve avere T di fusione superiore ai
600 °C.
All’aumentare di
T porzioni sempre
maggiori di
energia nel visibile
T1
VIS
l
IR
FINESTRA OTTICA
Radiazioni visibili
380 Violetto
Blue
Verde
Giallo
Arancio
Rosso
780 nm
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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.
Attualmente in disuso tranne qualche rara applicazione (per la saldatura dei metalli, nella fusione
dei materiali refrattari e nei forni elettrici).
Elevata intensità luminosa, gradevole tonalità di colore (quasi come la luce naturale del sole)
ed una elevata resa cromatica.
Utilizzano la scarica in aria tra due elettrodi di carbone inizialmente a contatto tra loro e
collegati ad un generatore di corrente con elevata potenza (passaggio di corrente  elevato
effetto Joule  incandescenza delle punte (T≈ 4000 K) ).
Avviato il processo, si allontanano le punte (di qualche mm) mentre il
passaggio di corrente continua nello spazio tra le punte.
Per l’alta temperatura si ha:
ionizzazione dell’aria tra le punte, l’emissione di elettroni e di ioni
dagli elettrodi  scarica detta "ad arco".
Inconveniente: gli elettrodi (catodo ed anodo) si consumano.
Necessitano di continua manutenzione ed impiego di dispositivi
automatici che mantengano costante la distanza tra i due elettrodi di
carbone.
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LAMPADE AD INCANDESCENZA
Primi a lavorare ad una lampada ad incandescenza:
Swan (inglese) ed Edison (americano)
Prime lampade ad incandescenza: filamento di materiale trattato
al carbonio in un bulbo sotto vuoto.
L’assenza di O2 preservava il filamento dalla combustione ma non dalla
sublimazione (transizione di fase dallo stato solido allo stato gassoso,
senza passare per lo stato liquido).
La ricerca fu volta all’individuazione del materiale più idoneo per il filamento (il carbonio
garantiva una vita media di 45h ed un’efficienza stimata in poco più di 1 lm/W)
• 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→ lampada OSRAM) con temperatura di incandescenza 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.
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Caratteristiche peculiari di un filamento:
• Bassa tensione di vapore
• Elevata temperatura di fusione
• Elevata resistenza meccanica
•Adeguato spettro di emissione nel visibile
Attualmente: leghe di tungsteno spiralato o doppiamente spiralato.
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Il fenomeno della sublimazione è particolarmente evidente, aggravato dalle alte temperature
(2620 °C per una lampada da 200W) e dal vuoto:
• Assottigliamento del filamento fino alla rottura
(Il filamento si spezza quando ha perso circa l’1% della sua massa);
• Annerimento del bulbo di vetro 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.
Un rallentamento del fenomeno della sublimazione può essere ottenuto con l’immissione di un gas
inerte(argon, azoto, miscele)  aumento della pressione (da qualche decina di mmHg a
freddo fino alla pressione atmosferica a caldo, a seconda del gas impiegato)  rallenta il
fenomeno della sublimazione  temperature più elevate  luce più bianca.
Il gas inerte ha anche il compito di impedire la scarica ad arco tra gli elettrodi di alimentazione
del filo e ridurre la dispersione termica, per convezione, del calore prodotto per effetto Joule 
migliore utilizzo della potenza elettrica impiegata  maggiore efficienza luminosa.
Altra soluzione che attenua l’annerimento del bulbo: immissione di gas (clorati) che si
combinano col tungsteno producendo composti gassosi più stabili e trasparenti.
La spiralatura semplice o doppia  aumento della resistenza meccanica del filamento
(quella doppia riduce anche lo scambio convettivo poiché ad esso partecipa solo la superficie
esterna  migliore utilizzo della potenza elettrica impiegata).
Elevata spiralatura  vita media infinitamente grande ma una più bassa temperatura di colore.
Soluzione di compromesso: 1000 h di vita media ed una elevata resa cromatica anche se più
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giallastra rispetto alla luce naturale.
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Caratteristiche tecniche
Efficienza luminosa h = 10÷18 lm W-1
Vita media ≈ 1000 h
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
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LAMPADE ALOGENE
Compaiono intorno agli anni ’60. Evoluzione di quelle ad incandescenza tradizionali in cui
l’atmosfera interna è arricchita con alogeni in piccole quantità: iodio o bromo.
Chiamate anche IODINE (BROMINE) o a Ciclo rigenerativo allo iodio (bromo).
W  2 I  WI 2
W  2 Br  WBr2
Ioduri e Bromuri di tungsteno,
WI2 e WBr2 , 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) solo nei pressi del
filamento
che
quindi
si
rigenera.
La rigenerazione aumenta la resistenza meccanica del filamento, la vita media della lampada
e la temperatura di esercizio fino a 3000 K. A temperature più elevate:
Luce più bianca (più uniforme distribuzione spettrale) e maggiore efficienza luminosa
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Vetro semplice sostituito con vetro boro-silicato (quarzo) più resistente all’aggressione
dell’alogeno ed alle alte temperature (resiste fino 1300 K)
La maggiore pressione interna impone:
•
la produzione in geometrie di dimensioni contenute  adatte per sorgenti luminose che
prevedono fasci concentrati come proiezioni cinematografiche, applicazioni automobilistiche ,
faretti per illuminazione di interni);
•
l’utilizzo di una 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 a resistere alle elevate temperature di
esercizio  la rottura .
Un limite di queste lampade è riconducibile all'emissione di raggi ultravioletti, dannosi per
l'occhio umano, capaci di provocare cancro della pelle e sono causa di sbiadimento degli oggetti
illuminati. La schermatura di queste radiazioni avviene ponendo davanti alla lampada una lastra
di vetro, che ne riduce il passaggio del solo 15%. Recentemente nella composizione delle
ampolle sono state introdotte sostanze in grado di bloccare i raggi ultravioletti e dei pigmenti
fluorescenti che li convertono in luce visibile, aumentandone l'efficienza complessiva.
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Caratteristiche tecniche
Efficienza luminosa h = 20÷27 lm W-1
Vita media ≈ 2000 h
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
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Per ridurre il flusso di raggi infrarossi verso oggetti che possono subire danneggiamenti da
eccessivo riscaldamento, esistono speciali lampade alogene dicroiche.
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 di luce a basso contenuto termico (per questo sono dette anche
lampade alogene a luce fredda) 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 semplicemente con un vetro colorato
oppure selezionando opportunamente le bande di lunghezza d’onda che possono essere
trasmesse.
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Lampade alogene a bassa tensione
Lampade alogene di dimensioni molto ridotte con tensioni di funzionamento di 6 V,
12 V e 24 V alimentate da rete tramite trasformatore.
Confrontando una lampada alimentata a 220 V con una a bassa tensione, nelle
ipotesi di uguaglianza degli spettri di emissione, dei flussi luminosi e delle potenze
elettriche dissipate per la alimentazione, mano a mano che si diminuisce la tensione
di alimentazione la lunghezza del filamento diminuisce, mentre il diametro aumenta,
lasciando inalterata la qualità della luce.
Inoltre, fili più corti e di diametro più grosso consentono anche una
miniaturizzazione della lampada e di tutto il sistema ottico ottenendo fasci luminosi
più concentrati e più facilmente orientabili.
Una migliore efficienza luminosa e resa cromatica.
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