Lampade a Ioduri Metallici o a scarica
La lampadina a scarica è un tipo di lampadina basata sull’emissione luminosa per luminescenza da parte di un gas ionizzato. La ionizzazione del gas è ottenuta per mezzo di una differenza di potenziale, che fa migrare gli elettroni liberi e ioni positivi ai diversi capi della lampada (dove sono presenti gli elettrodi).
È costituita da una ampolla e/o un tubo di vetro o quarzo contenente il gas e almeno due elettrodi tra cui avviene la ionizzazione del gas, il quale rilascia fotoni. Possono essere presenti elettrodi supplementari per l’innesco. Solitamente le lampade a bassa pressione sono a forma di tubo diritto o curvato a U, mentre le lampade ad alta pressione sono costituite da una piccola ampolla di quarzo (adatto a resistere a temperature più elevate). La lampada può essere contenuta in un involucro in vetro con la funzione di schermare i raggi ultravioletti, ospitare eventuali elementi accessori e proteggere il tubo.
L’emissione luminosa è monocromatica o limitata alle righe di emissione spettrale del gas contenuto, se questo è a bassa pressione. Il gas può anche essere il vapore di un elemento solido o liquido, per esempio mercurio o sodio. In questo caso però la lampada non è subito efficiente, poiché è necessario che il materiale evapori o sublimi per effetto del calore prodotto dalla scarica nel gas accessorio. Possono essere necessari diversi minuti perché la lampada inizi a produrre una luce accettabile, e in molti casi questo è un grave limite.
I tipi di alimentazione delle lampade a scarica
La caratteristica tensione/corrente di una lampada a scarica presenta una soglia a tensione costante in corrispondenza di una intensità di corrente caratteristica dipendente dal gas, dalla temperatura e dalle condizioni di funzionamento, ne consegue che l’alimentazione deve avvenire in corrente costante, per ottenere questo si pongono in serie al tubo degli induttori o meno frequentemente dei condensatori o resistenze.La tensione di rete non è sufficiente per innescare la scarica, per cui è necessario provvedere con opportuni circuiti a provocare una prima ionizzazione del gas. Questo può essere ottenuto provocando un momentaneo aumento della tensione di alimentazione per mezzo di trasformatori e starter, oppure applicando un impulso di alta tensione (migliaia di volt) a un elettrodo posto sulla superficie esterna del tubo: il campo elettrico generato è sufficiente ad avviare la ionizzazione. In altri tubi è presente un elettrodo di innesco posto a brevissima distanza da uno dei due elettrodi ordinari: questo elettrodo viene brevemente alimentato con la normale tensione di rete che, data la distanza ridotta, è ora sufficiente per innescare un piccolo arco; il riscaldamento e l’emissione di ioni e radiazioni provoca l’innesco del restante gas.
Un ulteriore metodo per accendere la lampada è quello di sottoporla a un campo elettromagnetico ad alta frequenza, da decine di kilohertz a molti megahertz. Esistono inoltre lampade a induzione in cui non si hanno connessioni elettriche tra l’interno e l’esterno del tubo e il gas viene ionizzato da una radiazione elettromagnetica indotta dall’esterno: questo fenomeno si può osservare anche con le normali lampade fluorescenti che, se accostate a forti sorgenti di campi elettromagnetici, come l’antenna di un potente trasmettitore radio, emettono luce.
Una volta innescata la scarica con uno dei metodi descritti, questa si propaga a valanga a tutto il gas, il quale si mantiene ionizzato indefinitamente. In condizioni di regime la tensione ai capi del tubo si mantiene a valori più bassi della tensione di rete e non è più necessario l’intervento dei circuiti accenditori.
Quali sono le lampade a scarica più comuni
Sodio a bassa pressione (SOX): Il principio di funzionamento si basa su una scarica elettrica in un ambiente gassoso composto da Ar+Ne+Na. Durante l’accensione a freddo, il sodio è depositato attorno al bulbo interno e la scarica avviene in una miscela Penning composta da Argon e Neon. La scarica in questa miscela provoca il repentino riscaldamento della lampada, fino a raggiungere la temperatura di fusione del sodio. A quel punto, il sodio vaporizza e viene ionizzato dalla scarica, facendo assumere così la caratteristica emissione monocromatica gialla del sodio.L’emissione è in luce monocromatica gialla alla lunghezza d’onda caratteristica di emissione del sodio, di 589 nanometri. È usata nell’illuminazione stradale in incroci soggetti a nebbia. Grazie all’emissione monocromatica in una lunghezza d’onda ottimale per l’occhio umano, presenta una efficienza luminosa molto elevata. Come una comune lampada a vapori di mercurio a bassa pressione, questa non ha bisogno di un ciclo di raffreddamento in caso di interruzione dell’alimentazione ma, a differenza di questa, richiede un tempo di riscaldamento molto lungo (circa 6-10 minuti), durante i quali emette la caratteristica luce rossa/rosata del neon presente al suo interno.
Sodio ad alta pressione (SON): Aumentando la pressione, il vapore di sodio si allontana dallo stato di gas ideale e il suo spettro di emissione si allarga rispetto alla riga spettrale monocromatica tipica. La luce prodotta da queste lampade è di colore tendente al giallo (2000-2500 K), caratteristica che le rende adatte per applicazioni in cui la resa dei colori è gradita, ma non fondamentale (es. illuminazione stradale). Il rendimento luminoso è elevato (fino a 150 lumen/watt nelle ultime esecuzioni Super a migliore rendimento) ed elevata è la durata di vita (oltre 16000 ore). Particolari accorgimenti costruttivi fanno fronte all’aggressività chimica del sodio. In caso di interruzione dell’alimentazione, salvo ballast particolari in grado di generare tensioni di 30-70Kv, la lampada necessita di un ciclo di raffreddamento di 3-5 minuti. A fine vita, a causa dell’esaurimento del sodio nel tubo, queste lampade diventano instabili durante il funzionamento, causando il fenomeno della repentina accensione e spegnimento, spesso osservabile nei lampioni stradali, fino a quando non sono più in grado di riaccendersi
Sodio ad altissima pressione (SDW): Il funzionamento di questo tipo di lampada è comparabile con quello delle lampade SON, ma differisce la pressione interna del gas: aumentando la pressione lo spettro di emissione si arricchisce di linee spettrali, rendendo questa lampada una valida alternativa alle comuni lampade a ioduri metallici in ambienti dove il rischio di contaminazione in seguito a esplosione deve essere evitato. La luce prodotta da queste lampade è di colore bianco tendente al giallo (2000-2500 K), caratteristica che le rende adatte per applicazioni in cui la resa dei colori è importante (es. l’illuminazione di banchi alimentari) La relativa alta pressione nei vapori di sodio è la causa principale della bassa efficienza di questo tipo di lampade (50 lm/w).
Ioduri metallici (HMI): L’introduzione nelle lampade ai vapori di mercurio o di sodio ad alta pressione di ioduri metallici (iodio, tallio, indio, disprosio, olmio, cesio, tulio) migliora la resa dei colori delle lampade al sodio e dà loro una temperatura di colore molto elevata (4000-5600 K).
La loro resa cromatica le rende particolarmente adatte all’illuminazione di impianti sportivi, o nei videoproiettori digitali, dov’è necessario avere un’alta resa dei colori.
Grazie alla loro compattezza, alle svariate forme e potenze e tonalità disponibili, all’elevata efficienza luminosa compresa tra 80 e 100 lumen/watt, all’elevata resa cromatica IRC 80-90 e fino a 95 nelle tonalità “D” (Daylight) con gradazione di 5600 kelvin, alla lunga durata (fino a 12000 ore), sono oggi divenute tra le lampade maggiormente diffuse. Sono adatte per illuminare aree commerciali o pedonali, zone residenziali, strade, monumenti, grandi superfici esterne. Grazie alla continua evoluzione gli ultimi modelli disponibili sono molto compatti e dalla luce molto simile a quella delle lampade ad alogeni (IRC 90 e 2500-3000 kelvin), trovano impiego anche in spazi interni come uffici, foyers di alberghi e ristoranti.
A livello di inquinamento luminoso sono peggiorative rispetto alle lampade al sodio alta pressione data la ricchezza dello spettro luminoso di emissione ma in termini di comfort visivo e gradevolezza della luce emessa sono preferibili in tutte quelle applicazioni ove sia necessario offrire un’illuminazione di alta qualità. Le lampade ai vapori di ioduri metallici e ai vapori di sodio necessitano, per essere accese a freddo, di appositi accenditori che producano impulsi di tensione di innesco compresi tra 0,75 e 5 kV.
Secondo il modello di lampada possono essere necessari dai 2 ai 10 minuti per il raggiungimento del pieno flusso luminoso e, in caso di spegnimento accidentale, spesso è necessario attendere il raffreddamento della lampada (2-15 minuti) per la riaccensione, a causa della elevata tensione di innesco che sarebbe necessaria per la riaccensione a caldo (25-60 kV) e alcune particolarità fisiche che, nel caso di lampade non progettate per la riaccensione a caldo, renderebbero il bulbo presto inutilizzabile.
La corrente di spunto della lampada può arrivare a essere superiore del 90% rispetto al valore di regime, inoltre se queste lampade vengono alimentate con ballast elettromagnetici, è necessario il rifasamento a causa del fattore di potenza piuttosto basso (da 0,3 a 0,7 secondo il modello).
Vapore di mercurio a bassa pressione: Emettono prevalentemente nello spettro ultravioletto. La luce emessa è ionizzante e dannosa per esposizione diretta. Vengono usate per sterilizzare ambienti e oggetti. Se l’interno del tubo viene rivestito con materiale fluorescente in grado di assorbire l’energia ultravioletta e riemettere nello spettro visibile, si ottiene la lampada fluorescente. In caso di interruzione dell’alimentazione, la lampada non necessita di un ciclo di raffreddamento.
Vapore di mercurio ad alta pressione: Con l’aumento della pressione l’emissione si sposta in luce bianca-azzurra, rendendo la lampada utilizzabile per l’illuminazione. La tipica luce bianco-azzurrina (3300 – 4200 K) viene prodotta dall’arco di scarica e corretta da fosfori (a base di vanadato d’ittrio) presenti nella finitura polverata del bulbo esterno che migliorano lo spettro soprattutto nella gamma del giallo e del rosso. Nelle lampade prive di rivestimento interno al vanadato d’ittrio la resa cromatica è infatti più bassa e dalla tonalità sensibilmente più fredda.
Questo tipo di lampada è sempre più in disuso a causa dei numerosi svantaggi rispetto ad altre tecnologie: bassa efficienza luminosa (
Proprio a causa della elevata presenza di mercurio il 13 febbraio 2003 è entrata in vigore la direttiva comunitaria 2002/95/CE sulla restrizione dell’uso di determinate sostanze pericolose nelle apparecchiature elettriche ed elettroniche (c.d. Direttiva “RoHS”). Essa ha come effetto la messa al bando delle lampade al mercurio ad alta pressione dal territorio europeo. La vendita e l’installazione di queste lampade (ai privati) è stata vietata a partire dal 1º luglio 2006. Vengono sostituite da lampade a vapori di sodio fatte per la sostituzione diretta (catalogo OSRAM).
Vapore di mercurio ad altissima pressione: Le lampade a scarica in mercurio ad altissima pressione UHP sono lampade a scarica di mercurio la cui pressione può superare le 200 atmosfere. Vengono usate principalmente per illuminare sistemi di proiezione a causa dell’alta efficienza e compattezza.
A luce miscelata: Si tratta di lampade al mercurio ad alta pressione in cui il reattore di alimentazione è sostituito da un filamento, che funge da limitatore di corrente, collocato assieme alla lampada in un tubo secondario. Durante il funzionamento, il filamento diventa incandescente ed emette luce come in una lampada a incandescenza, che miscelata con quella prodotta dal mercurio offre una tonalità più naturale. Per contro si ha un notevole abbassamento del rendimento energetico fino a eguagliare quello di una comune lampada a incandescenza. (18-25 lumen/watt) Inoltre hanno seri limiti sulle posizione di funzionamento (quelle sul catalogo osram NON possono essere messe orizzontali) perché il filamento invecchiando si allunga e può toccare parti interne in tensione. La durata di queste lampade è intorno a 5000 ore. La soluzione più economica e semplice per il loro rimpiazzo è l’uso di lampade alogene di pari potenza o maggiore e un variatore di luce per l’utilizzo a potenza ridotta (pratica comunemente utilizzata)
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