CORSO DI FISICA TCNICA II
AA 2009/10
ILLUMINOTECNICA
Lezione n° 5: Lampade a scarica in gas
Prof. Paolo Zazzini
[email protected]
Primi studi sulla scarica elettrica in tubi riempiti con gas a bassa pressione alla fine del XIX
secolo (Sir William Crookes ed altri)
Primo tubo pieno di neon con emissione di luce monocromatica rossa utilizzata per
scopi decorativi e per insegne pubblicitarie (Georges Claude)
Prime lampade al neon in commercio nel 1910 per insegne luminose (Georges Claude)
In seguito intensa sperimentazione con vapori di mercurio (luce blu e radiazioni UV) e
vapori di sodio (luce monocromatica giallognola)
Verso il 1930 comparsa dei tubi fluorescenti (con vapori di mercurio e pareti interne
ricoperte da depositi di polvere fluorescente)
Fino ai primi anni ’50:
lampade ad incandescenza e fluorescenti per gli interni
lampade a scarica al neon e simili per gli esterni e per le insegne luminose
lampade a vapori di sodio per l’illuminazione stradale.
Dagli anni ‘70 grande impulso delle lampade al sodio ad alta pressione buone sia per
interni che per esterni.
Più recentemente sono apparse in commercio le lampade allo xenon con luce simile a quella
naturale del sole.
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Cenni al fenomeno fisico della scarica
• Atomo in configurazione stabile o neutra:
tutti gli elettroni occupano le loro orbite naturali caratterizzate ciascuna dal proprio livello energetico.
• Stato di “eccitazione” :
uno o più elettroni acquistando quanti ben definiti di energia saltano su orbite stazionarie più
distanti dal nucleo (atomo “eccitato”)
Stato di equilibrio instabile, dal quale l’atomo tende spontaneamente a tornare alla
configurazione iniziale, a più basso contenuto di energia, di equilibrio stabile,
riemettendo l’energia immagazzinata.
• Ionizzazione:
l'energia assorbita provoca l'uscita dell’elettrone dall'ultima orbita (elettrone libero senza alcun
legame con lo ione originario, l’ atomo è “ionizzato”, l’energia è detta di ionizzazione).
Per provocare eccitazione o ionizzazione occorrono:
• interazioni con fotoni aventi lunghezza d’onda nell’ultravioletto e nel visibile
• urti con elettroni liberi dotati di sufficiente energia cinetica.
• Diseccitazione:
Dalla condizione di eccitazione, l’atomo torna nella configurazione stabile iniziale, mediante
dissipazione dell’energia acquisita nella eccitazione attraverso emissione di quanti di energia.
Se la lunghezza d’onda dell’energia emessa è nello spettro del visibile si ha emissione di luce dovuta alla
scarica
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Nella massa gassosa possono essere già presenti elettroni liberi oppure essere emessi da un
catodo metallico opportunamente riscaldato (effetto termoionico - Edison) oppure
opportunamente illuminato (effetto fotoelettrico)
Nelle lampade a scarica l’effetto termoionico viene usato per la produzione di elettroni
primari mentre quello fotoelettrico interviene all’interno della massa gassosa.
Gli elettroni liberi scambiano energia con atomi e molecole della massa gassosa
mediante urti elastici (senza alcuna dissipazione di energia meccanica) ed anelastici (parte
dell’energia meccanica dell’elettrone viene dissipata sotto forma di energia di deformazione del
corpo urtante o di quello urtato).
• Velocità dell'elettrone libero bassa:
l'elettrone libero (massa << di quella della molecola) conserva l'energia cinetica
precedente all'urto, ma varia la quantità di moto cambiando la direzione della velocità dopo l'urto
• Velocità dell'elettrone libero sufficientemente elevata:
possibile scambio di energia sufficiente per la eccitazione: salto ad un livello energetico
più elevato e ritorno allo stato iniziale con emissione di fotoni.
• Velocità dell’elettrone libero molto elevata:
possibile scambio di energia sufficiente per la ionizzazione: liberazione di un elettrone
con formazione di uno ione positivo.
In questa situazione aumento delle cariche (elettroni liberi) che contribuiscono alla
corrente entro la massa del gas (SCARICA).
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L’elettrone libero responsabile dell'urto non deve avere esattamente la giusta quantità di
energia di eccitazione o di ionizzazione, ma soltanto non deve averne di meno. L'eventuale
eccesso rimane dopo l'urto sotto forma di energia cinetica del solo elettrone libero, nel caso
della eccitazione, o dei due elettroni liberi nel caso della ionizzazione.
Emissione spettrale a righe - presenti componenti relative solo ad alcune lunghezze
d’onda entro fasce più o meno strette tipiche dell’elemento chimico gassoso che riempie il
bulbo
Composizione spettrale della luce emessa da una lampada a scarica (sodio alta pressione)
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Curva caratteristica della scarica nel gas
La produzione di ioni per urti determina una corrente elettrica tra i due elettrodi (scarica)
rappresentabile come funzione della differenza di potenziale DV:
DV = DV(I)
detta caratteristica del tubo a scarica
La curva caratteristica può essere ottenuta sperimentalmente con un voltmetro, in parallelo
con il tubo alimentato da una data f.e.m. costante attraverso una resistenza modulabile
(reostato) in serie
V
gas
R
f.e.m.
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CURVA CARATTERISTICA DELLA SCARICA NEI GAS
Quarto
tratto:
Secondo
tratto:
Terzo
tratto:
Ulteriore
aumento
della
corrente
-6-10-5 A)(>
la
corrente
elettrica
(10
è 1 A)
Primo
tratto:
Ionizzazione
con
processo
a
valanga
Scarica ad arco alla quale concorrono
aumentata
a talaumento
punto da
generare
ioni
Andamento
quasi
lineare
a comportamento
Ulteriore
della
corrente
(10-5-10-3 A)
glisecondari,
elettroni
emessi
per
effetto
alimentandosi
da sé,di corrente
econ
diminuzione
della differenza
di potenziale
ohmico,
piccole
variazioni
termoionico
dal
catodo
riscaldato
fino
a
diventando
(scarica
traimportanti
gliautonoma
elettrodi.variazioni
anche
per
di
potenziale.
900
°C per
l’impatto
gli ioni
positivi:
Accumulo
di con
cariche
di-8segno
in
-6opposto
Townsend)
Corrente
non
autonoma
(10
÷
10
A),
formata
Diminuzione
tensione.
prossimità
degli
elettrodi,
Aumento
di della
ionizzazione
ed che alterano
prevalentemente
dagli
ioni
primari
prodotti dagli
l'andamento del campo elettrico.
eccitatazione
con
conseguente
elettroni liberi.
Al centro concentrazione di cariche di
diseccitazione
emissione
di aluce
Energia
degli ioniied
non
ionizzare
entrambi
segnisufficiente
che si spostano
nei versi o
(regimealtri
di luminescenza).
eccitare
atomi.
opposti
contribuendo sia alla ionizzazione che
allanon
eccitazione.
La scarica
emette luce, per cui è detta
oscura. Scarica a bagliore in prossimità del catodo
dovuta ad ioni primari e secondari e ad elettroni
e ioni estratti direttamente dagli elettrodi per
l'impatto degli ioni primari e secondari.
Differenza di potenziale quasi costante (< di
quella d’innesco) non più tra gli elettrodi ma tra
il catodo e l'estremità della carica spaziale
positiva che ha coperto gran parte del volume
a disposizione.
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Lampade a vapori di sodio a bassa pressione (0.1 mm Hg a lampada spenta)
Contengono xenon / elio / neon / argon che servono ad avviare la scarica che riscalda il tubo e
permette la evaporazione del sodio metallico inizialmente raccolto in pozzetti in piccole
quantità.
1. Attacco a baionetta;
2. Catodo di tungsteno;
3. Piccole cavità
per la raccolta del
sodio metallico;
4. Tubo di scarica
La stabilità della scarica dipende fortemente dalla temperatura di funzionamento (circa 250 °C)
Per mantenere una temperatura di funzionamento costante:
Alimentazione stabilizzata
Isolamento termico mediante intercapedine vuota con un secondo tubo più esterno o
rivestimento con ossidi di iridio e stagno o mediante doratura trasparente alla luce ma
riflettente l’infrarosso.
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• Luce emessa monocromatica giallo-arancione, poco adatta all’illuminazione degli interni.
Luce emessa concentrata entro
una banda di lunghezze d’onda molto
stretta tra 589.0 e 589.6 nm ove il
coefficiente di visibilità relativa v(l)
è molto elevato(≈ 0,86)
Elevatissima efficienza luminosa
• Resa dei colori nulla, anzi, priva di significato;
• Efficienza luminosa: ≈ 200 (lm W-1).
• Decadimento del flusso luminoso: 87%.
• Tempo di riaccensione a caldo: quasi nullo.
• Tempo di riaccensione a freddo: ≈ 10 min.
• Utilizzate dove non è richiesta una
buona resa dei colori:
illuminazione stradale ed autostradale,
gallerie, incroci e grandi spazi esterni
• Temperatura di colore: ≈ 1700 K.
• Vita media: ≈ 10000 h.
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Lampade a vapori di sodio ad alta pressione
Apparse in commercio attorno al 1965.
Formate da due tubi:
Tubo interno in ceramica o quarzo resistente
all’aggressività del vapore di sodio ed alle elevate
temperature (circa 1500 K);
Tubo esterno con funzione di protezione;
tra i due tubi viene fatto il vuoto.
Luce di colore giallo-bianco non adatta per
l’illuminazione degli interni.
Sono prevalentemente usate per
parcheggi ed impianti sportivi.
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Efficienza luminosa: 90 (lm W-1)
Vita media di 12000 h
Decadimento del flusso luminoso: 90%
Tempo di messa a regime: alcuni minuti
Tempo di riaccensione a caldo: 1 ÷ 2 minuti
Tempo di riaccensione a freddo: 5 ÷ 11 minuti
Temperatura di colore di 2000 K.
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L’alta pressione (circa 10 ÷ 35
kPa) fa allargare lo spettro di
emissione che diventa quasi
continuo con un miglioramento
della resa dei colori.
In commercio disponibili anche lampade ad alta pressione a luce corretta e più
recentemente, nel 1986, sono apparse le lampade al sodio ad alta pressione a luce
bianca, che possono essere utilizzate anche negli ambienti interni.
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Lampade a vapori di mercurio a bassa pressione (Fluorescenti)
Impropriamente dette tubi al neon, realizzate in quarzo e riempite con argon a pressione
molto bassa (circa 1 Pa) per innescare la scarica e qualche goccia di mercurio che
riscaldandosi evapora.
La scarica emette prevalentemente radiazioni
UV ( l ≈ 253,7 nm) riconvertite in radiazioni
visibili dai fosfori depositati sulla parte
interna del tubo per assorbire gli UV ed
emettere radiazioni visibili (trasduttori di
frequenza).
Forma tubolare con alte rese cromatiche
Anche in forma compatta apparse negli anni ‘80, resa
cromatica intorno a 85, scarsa presenza estetica.
Lampade miniaturizzate con tubi di
diametro di 10 mm piegati ad U o
affiancati
Interessanti alternative alle lampade ad incandescenza:
notevoli risparmi energetici (fino al 75%), costo leggermente
maggiore, temperature notevolmente più basse.
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La composizione dei fosfori influenza la temperatura di colore e la resa cromatica.
Valori diversi della temperatura di colore: luce bianca fredda, calda o intermedia,
Luminanze non elevate, intorno a 7000 cd m-2, nessun rischio di abbagliamento.
Contrassegnate da una lettera ed un numero
Lettera: forma della lampada
T: tubolare
C: circolina (estremità adiacenti rivolte in senso opposto)
H: (Helicoid) di geometria elicoidale
U: il tubo è ritorto su se stesso a forma di U
Numero: diametro della
sezione in 1/8”
Esempi:
T-2 = 6 mm,
T-5 =16 mm;
T-8 = 25 mm;
T-12 = 38 mm.
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Lampade a vapori di mercurio ad alta pressione
Pressione fino a 8 atm per sostituire la funzione dei fosfori, riducendo la emissione
UV a favore delle radiazioni visibili.
Due bulbi:
quello interno in quarzo, di alcuni millimetri di
diametro, contiene i vapori di mercurio ad alta
pressione;
quello esterno di vetro svolge le funzioni di
protezione del tubo principale e di custodia
dei contatti degli elettrodi principali e di quelli
di innesco.
Emettono luce verde-blu ed UV
Quasi assente la luce rossa (gli oggetti rossi
illuminati da queste lampade appaiono marrone)
Usate dove il rosso ha poca importanza
Di solito installate nei parcheggi, lungo le
autostrade etc.
Lungo l’asse del tubo principale si hanno temperature a
regime anche di 5000 K mentre sull’involucro si
raggiungono anche i 1000 K.
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Inconveniente:
lunghi tempi di messa a regime ( 3-7 minuti)
necessari al riscaldamento ed all’evaporazione delle
gocce di mercurio;
lunghi tempi di riaccensione necessari per
consentire un adeguato raffreddamento del bulbo
che riporti la pressione interna a valori compatibili con
la tensione di avvio della scarica.
E’ possibile abbinare
vapori di mercurio ad alta pressione e fosfori
depositati sulla superficie interna del tubo ottenendo
luce più bianca (i fosfori colmano la lacuna del
rosso).
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Vita media: 12000 h
Efficienza luminosa: ≈ 50 (lm W-1).
Decadimento del flusso luminoso: 78%.
Tempo di riaccensione a caldo: è di 4÷6 minuti
Tempo di riaccensione a freddo è di 3 ÷ 5 minuti
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Lampade ad alogenuri metallici
Apparse in commercio nel 1964
Particolare versione delle lampade a vapori di
mercurio ad alta pressione con l’aggiunta di
alogenuri metallici anche in miscela (ioduri di
sodio, di cesio, di tallio e di indio, di disprosio, di
torio).
I vapori degli alogenuri arricchiscono lo
spettro di emissione del mercurio aggiungendo
energia emessa nelle bande assenti,
rendendo superfluo il compito dei fosfori.
L’aggiunta degli alogenuri migliora le prestazioni della lampada:
• Efficienza luminosa: 60 - 80 (lm W-1).
• Resa cromatica: 60-93 %.
• Vita media: 5000 h.
• Temperatura di colore: va da 3000 a 6000 K.
• Tempi di riaccensione: i più elevati tra tutte le lampade.
Usate per l’illuminazione di ampi spazi interni ed esterni dove è importante la resa dei
colori come nelle manifestazioni notturne con riprese televisive.
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Lampade fluorescenti ad alta frequenza apparse nel 1991
Scarica generata da campi elettromagnetici alternati
indotti in una bobina alloggiata all’interno del bulbo da una
corrente elettrica ad elevata frequenza (≈ 104 Hz)
L’avvolgimento sostituisce gli elettrodi delle lampade
fluorescenti tradizionali.
Il campo elettromagnetico genera all’interno del gas (vapori
di mercurio a bassa pressione e gas rari) fenomeni di
eccitazione e ionizzazione delle molecole e conseguente
scarica ed emissione di radiazioni UV.
UV convertiti in radiazioni visibili da uno strato di
polveri fluorescenti sulla superficie interna del bulbo.
Vita media elevata (≈ 6000 h)
grazie all’assenza di filamenti ed elettrodi
Tempi di accensione nulli
Attualmente in commercio lampade di media
potenza (55-85 W) con Tc= 2700 ÷ 4000 K
(luce bianca calda)
Ottima resa cromatica
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Lampade per insegne luminose
Riempite con neon a bassa pressione (luce di colore rosso vivo) oppure elio o
argon o altri gas
Il colore della luce dipende dal gas o dalla miscela di gas usati e dal colore del
vetro.
Lampade fluorescenti a luce miscelata
Felice connubio tra le due tipologie di funzionamento delle lampade elettriche:
• come lampade a scarica funzionano con vapori di mercurio e con i fosfori sulle
pareti interne;
• come lampade ad incandescenza funzionano con un filamento di platino che,
in quanto resistenza elettrica in serie con il tubo, assolve anche al ruolo di
limitatore della corrente elettrica rendendo superfluo il reattore.
Producono uno spettro luminoso continuo, tipico delle lampade ad incandescenza, con
rinforzi in quelle bande dove ricorrono le righe di emissione della lampada a
scarica.
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