CORSO DI FISICA TCNICA II
AA 2009/10
ILLUMINOTECNICA
Lezione n° 4: Lampade ad indandescenza
Prof. Paolo Zazzini
[email protected]
PARAMETRI CARATTERISTICI DI UNA LAMPADA
Efficienza luminosa


W
 lm 
 W 
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
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• 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
2500-3000
Lampada fluorescente
generazione
di
vecchia
2700-3000
Luce diurna cielo sereno
4500-5500
Lampada fluorescente “luce diurna”
4000-6000
luce diurna con cielo nuvoloso
6000-8000
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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.
bianca)
(luce
La luce naturale del sole ha resa cromatica pari a 100 (colore vero)
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La scelta del valore più indicato per la resa cromatica dipende dalla destinazione
d’uso
Ra≈100 resa cromatica ottima
Ra 50 resa cromatica scadente
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
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Tempo di ritardo per la riaccensione
Tempo necessario per la riaccensione di una lampada spenta
Assume valori diversi se la riaccensione è a caldo o dopo il raffreddamento della lampada
Può arrivare anche ad una decina di minuti o essere nullo.
Tempo di messa a regime
Tempo necessario perché il flusso luminoso emesso dalla lampada sia quello a regime stazionario
(costante nel tempo)
Anch’esso può arrivare fino ad una decina di minuti
Posizione di montaggio
In alcuni casi richieste posizioni particolari, ad esempio con l’asse principale di simmetria
orizzontale
Per molte lampade nessun limite
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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
“
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
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LAMPADE AD INCANDESCENZA
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
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
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
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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)
Caratteristiche peculiari di un
filamento:
• Bassa tensione di vapore
• Elevata temperatura di fusione
• Elevata resistenza meccanica
• Adeguata duttilità
• Adeguato spettro di emissione nel visibile
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T5= 2700 K
En,l
Fenomeno
dell’INCANDESCENZA
All’aumentare di T
porzioni sempre
maggiori di energia nel
visibile
T4
T3 = 900 K
L’incandescenza è provocata
nel filamento per effetto Joule:
T2
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
Luce + BIANCA
T1
l
VIS
IR
FINESTRA OTTICA
Radiazioni visibili
380 Violetto
Blue
Verde
Giallo
Arancio
Rosso
780 nm
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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)
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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

0
D
D0
3.5
V 


V 
I
I0
0


V
V
0



 13.5
V 

V 
 
0.5
0
1. 9
 V 



V 0 
0
P
P0
Tc
T co
1.5
V 

V 
 
0
V 

V 
 
0.42
0
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
/o
0.69
1.40
I/Io
0.95
1.05
P/Po
0.85
1.15
Resa cromatica Ra = 80÷100
D/Do
4.15
0.28
Fattore di decadimento del flusso luminoso 85 %
/o
0.82
1.20
Tc/Tco
0.96
1.04
Efficienza luminosa   10÷18 lm W-1
Vita media ≈ 1000 h
Temperatura di colore Tc=2500÷3000 K
Tempi di accensione e riaccensione = 0
Potenze elettriche 15 ÷ 1000 W
Costi contenuti
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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
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R: superficie a
specchio sulla
calotta superiore
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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)
W  2 I  WI 2
W  2 Br  WBr2
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
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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)
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
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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
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Caratteristiche tecniche
Efficienza luminosa   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
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)
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Attacchi di lampade ad incandescenza e alogene
Attacco Edison ( a vite) E27, E14 o E 40
A baionetta doppia
Attacco a baionetta B15 o B22
Il numero indica l’attacco in mm
Attacco bispina
Edison E27
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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 220 V
temperatura del filamento T0
area superficiale A0
Lampada a bassa tensione
temperatura del filamento Tx
area superficiale Ax
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

lx  d o
lo d x
Hp: Uguali potenze elettriche dissipate e stessa efficienza luminosa iniziale:
2
2
3
3
 V x  R x lx  d o   d o   l x 


     
V   R  l d  d  l 
o
o  x
 x  o
 o
 Vo 

lx  lo 

 Vx 

2
3
 Vo 

d x  do 

 Vx 
2
3
Al diminuire della tensione di alimentazione Vx la lunghezza del filo diminuisce ed il
diametro aumenta lasciando inalterata la qualità della luce.
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