CORSO DI FISICA TECNICA 2
AA 2013/14
ILLUMINOTECNICA
Lezione n° 5:
Lampade a scarica in gas
Ing. Oreste Boccia
Cenni storici
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, l’orientamento è stato quello di utilizzare:
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 elettrica nei gas
• 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).
Gli elettroni che hanno probabilità più elevate di essere eccitati mediante l’intervento di forze
esterne sono quelli di valenza, quelli, cioè, che ruotano su orbite più esterne.
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
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L’energia in eccesso (ΔE=E2-E1) viene acquistata da un particolare elettrone che viene così
promosso ad un orbitale avente energia (E2) superiore rispetto a quella (E1) occupata quando
l’atomo è in uno stato di quiete.
Il sistema rimane in tale stato per un tempo Δt piuttosto breve poiché esso non è uno stato di
equilibrio per il sistema e risulta dunque essere instabile, dopo di che l’atomo torna nel suo stato
fondamentale emettendo sotto forma di fotone l’energia acquistata. Poiché questa è uguale alla
differenza fra i due valori di energia consentiti, il fotone emesso avrà energia:
ΔE = E2 – E1 = hν
Sapendo che la frequenza ν = c/λ, dove c è la velocità del fotone e λ la sua lunghezza d’onda,
possiamo ricavare la lunghezza d’onda corrispondente a ΔE che è pari a:
hc
E
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In una 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): il riscaldamento o l’irraggiamento forniscono
agli elettroni l’energia cinetica necessaria per superare la barriera di potenziale superficiale.
Effetto termoionico
L’effetto termoionico consiste nell'emissione indotta termicamente di elettroni da parte di un catodo
metallico (polo −) riscaldato ad alta temperatura a seguito del passaggio di una corrente elettrica.
L'emissione degli elettroni avviene come conseguenza dell'aumento della loro energia cinetica,
rivelato come aumento della temperatura, che permette loro di vincere la forza che li trattiene
vincolati agli atomi del materiale. L’elettrone emesso tenderà a rimanere in prossimità del catodo
emettitore, che si sarà caricato di una carica opposta nel segno. Tuttavia, il catodo tornerà nello
stesso stato precedente all'emissione se collegato ad un generatore di f.e.m., il cui flusso di
corrente neutralizzerà tale carica.
Il campo elettrico (generato all’interno del bulbo
tramite il collegamento degli elettrodi al generatore di
f.e.m.) fa si che gli elettroni liberi vengono attirati
dall’anodo (polo +), quindi accelerano ed urtano le
molecole del gas prima di giungere sull’anodo. In
questo modo si genera un flusso di elettroni nel gas
all’interno del bulbo che viene quindi attraversato da
una corrente elettrica.
Anodo (+)
Catodo (-)
e
e
Campo elettrico
f.e.m.
−
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+
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Gli elettroni liberi scambiano energia con atomi e molecole della massa gassosa
mediante urti elastici ed anelastici.
Durante l’urto si possono verificare una delle seguenti situazioni:
• se la velocità dell'elettrone libero è bassa:
l'elettrone libero (massa << di quella della molecola del gas) conserva
approssimativamente l'energia cinetica precedente all'urto cedendone poca alla
molecola di gas, ma varia la quantità di moto cambiando la direzione della velocità
dopo l'urto;
• se la velocità dell'elettrone libero è 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.
• se la velocità dell’elettrone libero è 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 elettrica entro la massa del gas.
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Il numero di ioni prodotti per urto nei tubi a scarica dipende in ragione diretta dal
campo elettrico ed in ragione inversa dalla pressione: è pertanto possibile variare la
produzione di ioni modulando opportunamente le due grandezze.
La dipendenza dalla pressione è giustificata dal fatto che maggiore è la pressione,
minore è il libero cammino medio, minore, quindi, è l’energia cinetica acquisita tra
due urti consecutivi, minore, infine, è la capacità di partecipare alla eccitazione ed alla
ionizzazione di altri atomi.
Per ragioni pratiche di contenimento dei consumi elettrici, di aumento della vita
media delle lampade a scarica è importante lavorare con basse tensioni di
accensione. Per questo si ricorre ad uno o più tra gli accorgimenti seguenti:
• Riempimento con gas rari (He, Ne, Ar, Kr, Xe) che si ionizzano facilmente;
• Riscaldamento del catodo per aumentare l'emissione degli elettroni liberi. Il catodo
di tungsteno è riscaldato sino a circa 2200 °C;
• Copertura del catodo con uno strato di materiale fotosensibile come, per esempio,
il cesio o con strati di ossidi di metalli alcalino-terrosi (ossido di bario , ossidi di
stronzio , ossido di calcio ). Queste sostanze richiedono una temperatura di
emissione di circa 700 °C.
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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 è necessaria una alimentazione
stabilizzata.
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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()
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 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 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 ( ≈ 253,7 nm) riconvertite in radiazioni
visibili dai fosfori che rivestono la parte
interna del tubo per assorbire gli UV ed
emettere radiazioni visibili (trasduttori di
frequenza).
Forma tubolare con alte rese cromatiche
intorno a 95
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
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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
Numero: diametro della
sezione in 1/8”
Lettera: forma della lampada
T: tubolare
C: circolina (estremità adiacenti e rivolte in senso opposto)
H: (Helicoid) di geometria elicoidale
U: il tubo è ritorto su se stesso a forma di U
Esempi:
T-2 = 6 mm,
T-5 =16 mm;
T-8 = 25 mm;
T-12 = 38 mm.
• Vita media: 5000 h (compatte); 15000 h(tubolari)
• Efficienza luminosa: 60-100 (lm W-1).
• Decadimento del flusso luminoso: 90%.
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Lampade a vapori di mercurio ad alta pressione
L’alta pressione (fino a 8 atm) sostituisce 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),
generata a sua volta da un generatore esterno alla lampada.
La bobina 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.
Le radiazioni UV vengono convertite in radiazioni visibili da uno strato di polveri
fluorescenti sulla superficie interna del bulbo.
Vita media elevata (≈ 60000 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
Alta efficienza luminosa (70 lm W-1) e, quindi, consumi energetici molto bassi, elevati flussi
luminosi molto stabili nel tempo.
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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.
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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