Tecnologia delle lampadine.

Le sorgenti
g
di radiazione ottica
artificiale incoerente:
l lampade
le
l
d e le
l norme
tecniche specifiche
Marco Knaflitz
Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni,
P lit
Politecnico
i di Torino,
T i
Italy
It l
Classificazione delle lampade
p
• Lampade incandescenti
Lampade incandescenti
o tradizionali, alogene
• Lampade a scarica di gas
o Neon, Xenon, Flash Xenon, Lampade UV, ...
• Lampade a scarica di gas ad alta intensità (HID)
o a vapori di mercurio, a vapori di sodio, ...
a apori di merc rio a apori di sodio
• Lampade luminescenti
o fluorescenti, elettroluminescenti
fluorescenti, elettroluminescenti
• Lampade ad arco
o in aria libera, in gas
• LED [email protected]
Lampade
p
incandescenti tradizionali
LLa luce è prodotta dall’incandescenza di un filamento l
è
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fil
t
conduttore percorso da corrente elettrica e contenuto all’interno di un bulbo in vetro sotto vuoto o che contiene un gas inerte (Ar 93%, N 7%) per evitare l’ossidazione del filamento stesso. T = 2000K – 3300K (max per tungsteno 3600K)
Luce prodotta proporzionale V3,4
Potenza assorbita proporzionale V1,6
‐16
Durata proporzionale V
p p
Temperatura di colore proporzionale V0,42
Ridurre la tensione del 5% consente di raddoppiare la vita della lampadina al Ridurre
la tensione del 5% consente di raddoppiare la vita della lampadina al
costo di una riduzione del 20% della luce prodotta
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Lampade
p
incandescenti tradizionali
Potenza (W)
Uscita (lm)
Rendimento (lm/W)
25
206
8,24
40
330
8,25
100
1160
11,6
200
2725
13,6
300
4430
14,7
500
7930
15 8
15,8
Dati relativi a lampade ad incandescenza da 230V
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Lampade incandescenti tradizionali
Dal punto di vista spettrale: spettro continuo simile a quello del corpo nero
Dal punto di vista elettrico: le lampade ad incandescenza sono un carico puramente resistivo, funzionano in continua ed in alternata, la luminosità può essere regolata da i i f i
i
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l
d
dimmer; la resistenza del filamento “freddo” è circa 1/15 di quella a filamento “caldo”
(filamenti in tungsteno); Dal punto di vista della durata: poche decine di ore per lampade ad alto rendimento (T=3645K), poche migliaia di ore in generale, anche centinaia di migliaia di ore se sottoalimentate (ma con rendimento molto basso)
sottoalimentate (ma con rendimento molto basso)
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Lampade
p
alogene
g
Il rendimento delle lampade incandescenti aumenta all’aumentare della temperatura del filamento, ma questa non può superare certi valori in quanto il filamento tende ad evaporare ed a depositarsi all’interno del bulbo.
Nelle lampade alogene il bulbo è realizzato in materiale molto resistente alla temperatura (quarzo) ed il filamento, in tungsteno, è immerso in una atmosfera di gas inerte contenente vapori di un alogeno (iodio – bromo).
gas inerte contenente vapori di un alogeno (iodio Il “ciclo alogeno”: nelle zone a temperatura minore l’alogeno reagisce con il tungsteno evaporato creando un alogenuro metallico che in prossimità delle zone
tungsteno evaporato creando un alogenuro metallico che, in prossimità delle zone più calde (filamento), si dissocia in metallo (tungsteno, che si deposita sul filamento) ed alogeno libero. Il ciclo si ripete costantemente nel tempo mantenendo l’interno del bulbo pulito e limitando il danneggiamento del t
d l’i t
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i
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filamento.
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Lampade
p
alogene
g
Dipendenza dalla tensione:
p
Luce prodotta proporzionale V3
Rendimento luminoso V1,4
Durata proporzionale V‐14
Durata proporzionale V
Temperatura di colore proporzionale V0,42
Aumentare la tensione del 5% consente di produrre il 15% di luce in più con un rendimento luminoso aumentato del 6,5% ma con una durata attesa dimezzata.
Le lampade alogene sono sensibili a piccole variazioni della tensione di alimentazione: se questa aumenta l’elemento alogeno potrebbe non essere più sufficiente a garantire il ciclo (il bulbo annerisce, il filamento degrada rapidamente), ma anche se la tensione diminuisce puà causare rottura.
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Lampade
p
alogene
g
Dal punto di vista spettrale: spettro continuo simile a quello del corpo nero che si estende dall’ultravioletto all’infrarosso. Temperatura di colore più alta delle lampade ad incandescenza.
Dal punto di vista elettrico: le lampade alogene sono un carico puramente resistivo, funzionano in continua ed in alternata, la luminosità può essere regolata da dimmer ma con effetti poco prevedibili sulla vita della lampada; Dal punto di vista della durata: se utilizzate correttamente alcune migliaia di ore
R di
Rendimento luminoso:
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fino a 24 lm/W
24 l /W
Efficienza luminosa: fino a 5%
Sicurezza: le lampade alogene sono oggetti di dimensioni contenute che diventano molto caldi con possibili rischi per l’utente e per l’ambiente.
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Lampade
p
a scarica di g
gas
Le lampade a scarica di gas possono essere distinte in “lampade a catodo freddo” o “lampade a catodo caldo” a seconda del fatto che il catodo sia o no origine di emissione termoionica.
Lampade al neon: lampade a catodo freddo tipicamente formate da un tubo di vetro trasparente o colorato, all’interno del quale sono presenti gas a bassa pressione ed agli estremi del quale sono posizionati due elettrodi metallici. Agli elettrodi è applicata una differenza di potenziale dell’ordine delle migliaia di volt c e c ea o
che crea ionizzazione del gas ed emissione luminosa.
a o e de gas ed e ss o e u
osa
Il diametro del tubo è dell’ordine di poche decine di millimetri, la lunghezza può raggiungere i 25 – 30 m. Il gas all’interno ha una bassa pressione (0,4 – 3kPa).
Lo spettro dipende dal gas utilizzato: neon componenti nel rosso anidride
Lo spettro dipende dal gas utilizzato: neon, componenti nel rosso, anidride carbonica, luce biancastra, ..., vapori di mercurio, luce biancastra ed ultravioletta ...
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Lampade
p
a scarica di g
gas HID
Lampada a vapori di sodio a bassa pressione
È costituita da un tubo in vetro, lineare o curvato ad U, che contiene sodio metallico ed
curvato ad U, che contiene sodio metallico ed una piccola quantità di neon ed argon.
La lampada LPS è sostanzialmente monocromatica (589nm). È la sorgente luminosa elettrica più efficiente potendo arrivare a valori di 200 lm/W. Molto utilizzata nell’illuminazione delle strade.
All’accensione la scarica avviene nel gas (luce rosata) e causa la progressiva g (
)
p g
evaporazione del sodio metallico. Quando il sodio è evaporato la luce raggiunge la massima intensità ed il tipico colore giallo.
Una proprietà importante è costituita dal fatto che con l’invecchiamento
Una proprietà importante è costituita dal fatto che con l
invecchiamento la la
luminosità resta pressoché costante; c’è un aumento della potenza assorbita.
Necessitano di un sistema di alimentazione specifico.
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Lampade
p
a scarica di g
gas HID
Lampada a vapori di sodio ad alta pressione
È costituita da un tubo in vetro, lineare, che contiene sodio metallico ed una piccola quantità di xenon e
ed una piccola quantità di xenon e mercurio. La lampada HPS ha radiazione a banda più larga delle LPS per: 1) la pressione elevata; 2) la presenza di mercurio. Può arrivare a valori di 150 lm/W. Vengono utilizzate quando è necessario un alto rendimento senza compromettere troppo la resa del colore.
compromettere troppo la resa del colore.
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Lampade
p
HPS
[email protected]
Lampade
p
a vapori
p
di mercurio
[email protected]
Lampade
p
a vapori
p
di mercurio
IlIl tubo più interno contiene argon alla pressione di circa 100kPa e mercurio liquido. t b iù i t
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Il mercurio deve vaporizzare: viene utilizzato un terzo elettrodo, starter, che consente di ottenere una prima scarica nell’argon che progressivamente scalda il mercurio sino a vaporizzarlo. Spettro di una lampada a vapori di mercurio: le righe prevalenti sono blu e i l i h
l i
bl
verde. Emette anche nell’ultravioletto.
Quando si desidera una luce con IRC maggiore si ricorre a lampade corrette con fosfori depositati nella parte interna del bulbo esterno.
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Lampade
p
a vapori
p
di mercurio
Lampade a vapori di mercurio possono essere anche a bassa o media pressione.
Quelle a bassa pressione emettono sostanzialmente due righe spettrali, a 184 nm e 253 nm e sono utilizzate prevalentemente per processi industriali o come germicide.
Quelle a media pressione emettono tra i 200 nm ed i 600 nm.
Quelle ad alta pressione hanno un
Quelle
ad alta pressione hanno un’emissione
emissione più adatta all
più adatta all’illuminazione
illuminazione generale.
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Lampade
p
fluorescenti
Le lampade florescenti sono lampade a scarica di gas (a bassa pressione, i di
( b
i
0,3kPa) a vapori di mercurio nelle quali la radiazione luminosa emessa nell’ultrvioletto eccita miscele di fosfori che rivestono la faccia interna del tubo. Questi fosfori assorbono energia UV e la restituiscono nel visibile. Agendo sulle miscele di fosfori è possibile ottenere spettri di
è possibile ottenere spettri di emissione abbastanza differenti.
Sono generalmente lampade a catodo caldo: il catodo è riscaldato in modo da Sono
generalmente lampade a catodo caldo: il catodo è riscaldato in modo da
ottenere emissione termoionica. Gli elettroni liberati ed accelerati collidono con il gas raro provocandone la ionizzazione. [email protected]
Lampade
p
fluorescenti
[email protected]
Lampade
p
fluorescenti
All accensione la lampada nello starter si accende e riscalda l
All’accensione
la lampada nello starter si accende e riscalda l’interruttore
interruttore bimetallico che si chiude: la corrente di rete percorre l’induttore ed i due filamenti, riscaldandoli e favorendo l’emissione termoionica.
La lampada nello starter si spegne e l’interruttore bimetallico si apre dopo 1 o 2
La lampada nello starter si spegne e l’interruttore bimetallico si apre dopo 1 o 2 secondi, interrompendo il passaggio di corrente nei filamenti.
L’induttore si oppone alla variazione di corrente e genera una sovratensione che causa l’inizio della scarica nel gas.
l’
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La temperatura di colore ottenibile da lampade fluorescenti varia da circa 2700K a oltre 6500K. L’indice di resa del colore può arrivare al 99%.
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Lampade
p
ad arco
Lampada ad arco allo Xenon da 15kW per cineproiezione (
(IMAX).
)
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Lampade
p
ad arco
Producono luce per mezzo di un arco elettrico che si stabilisce tra due elettrodi P
d
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relativamente vicini contenuti in un bulbo che contiene un gas ionizzabile (Xenon, Neon, Argon, Kripton, sodio, alogenuri metallici, mercurio ...).
La lampada è posta in serie ad un induttore ed in parallelo alla lampada si trova uno starter: all’accensione lo starter causa un passaggio di corrente nell’induttore per poi interromperlo: la sovratensione generata dall’induttore accende l’arco che poi si mantiene a tensioni minori. L’induttore inoltre limita la corrente nella lampada durante il funzionamento.
p
Lampade ad arco raggiungono temperature interne dell’ordine delle migliaia di kelvin e l’involucro
kelvin e l
involucro può raggiungere i 700 può raggiungere i 700 – 800 K. Talvolta sono necessari sistemi 800 K Talvolta sono necessari sistemi
di raffreddamento specifici.
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Lampade
p
LED
Lampade LED sono costituite da numerosi p
LED collegati in serie ed in parallelo. I led emettono radiazione quasi monocromatica che dipende dal
monocromatica che dipende dal semiconduttore utilizzato e dal drogaggio.
In illuminazione occorre luce bianca:
Due tecniche: miscelare colori diversi o ricorrere a fosfori.
[email protected]
Lampade
p
LED
LLa prima tecnica consiste nell’utilizzare tre giunzioni, molto vicine, che emettano i
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nel rosso, nel verde e nel blu, in modo che la luce prodotta sia data dalla miscelazione delle tre componenti base. Il vantaggio è che, se è possibile pilotare separatamente la singola giunzione, è possibile variare lo spettro della luce emessa variando la corrente assorbita dalla singola giunzione. Lo svantaggio è il costo. Esistono anche LED quadricromatici, che uniscono alle componenti RGB anche una componente ambra (RGBA).
In alternativa si può utilizzare una giunzione che emetta nel blu o p
g
nell’ultravioletto e ricorrere a miscele di fosfori per trasformare lo spettro come desiderato. Il vantaggio è il basso costo del singolo led, lo svantaggio è il non poter regolare lo spettro emesso
poter regolare lo spettro emesso.
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Lampade
p
LED
IlIl singolo LED deve essere alimentato a bassa tensione (1,4V singolo LED deve essere alimentato a bassa tensione (1 4V – 3V) e quindi, per 3V) e quindi per
connetterli alla rete elettrica occorre ricorrere a molti elementi in serie o a specifici regolatori.
Il rendimento delle lampade LED è alto, raggiungendo valori di circa 100 lm/W.
Occorre anche considerare che la radiazione luminosa emessa da un LED è h
d
h l
d
l
d
è
direzionale.
La ricerca è interessata allo sviluppo di LED organici (OLED) e LED polimerici (PLED) al fine di migliorare le prestazioni e soprattutto contenere i costi.
[email protected]
Sicurezza fotobiologica
g
- CEI EN 62471
Fornisce una guida per la valutazione della sicurezza fotobiologica delle lampade e Fornisce
una guida per la valutazione della sicurezza fotobiologica delle lampade e
dei sistemi di lampada.
Specifica le regole di classificazione delle lampade ad ampio spettro, incoerente, Specifica
le regole di classificazione delle lampade ad ampio spettro incoerente
compresi i LED nel campo delle lunghezze d’onda tra i 200nm ed i 3000nm.
Il primo passo nella valutazione di una sorgente è la determinazione della l
ll
l
d
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d ll
distribuzione spettrale emessa dalla sorgente nel punto o nei punti di accesso più vicini per le persone. Attenzione ad elementi filtranti che possono alterare la distribuzione spettrale della sorgente.
Il secondo passo è caratterizzare la dimensione effettiva della sorgente o la sua p
proiezione nella regione dello spettro del rischio retinico.
g
p
In terzo luogo può essere necessario valutare la variazione dell’irradianza o della radianza effettiva in funzione della distanza.
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Classificazione sorgenti
g
Lampade ad onda continua
Lampade ad onda continua
o Gruppo esente: la lampada non provoca nessuno dei rischi fotobiologici contemplati nella norma
contemplati nella norma
o Gruppo di rischio 1 (rischio basso): la lampada non provoca rischio dovuto a normali limitazioni di funzionamento sull’esposizione
l l
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o Gruppo di rischio 2 (rischio moderato): la lampada non provoca un rischio in seguito ad una reazione istintiva guardando sorgenti di luce molto luminose o in seguito ad una sensazione di disagio termico.
o Gruppo di rischio 3 (rischio elevato): la lampada può costituire un rischio anche in seguito ad esposizione momentanea o breve.
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Limiti espositivi per la superficie della
cute o della cornea
[email protected]
Limiti espositivi per la superficie della
cute o della cornea
[email protected]
Limiti espositivi
p
p
per la retina
[email protected]
Limiti espositivi
p
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per la retina
[email protected]
Classificazione delle sorgenti
g
[email protected]
Lampade
p
abbronzanti
La norma che regolamenta la costruzione e la classificazione degli
apparecchi per esposizione della cute a raggi UV ed eventualmente IR è la
CEI EN 60‐335‐2‐27. Si riporta la classificazione delle lampade UV.
Tipo UV
Irradianza effettiva (W/m2)
250 < l≤ 320 nm
320 < l≤ 400 nm
1
< 0,0005
 0,15
2
0,0005 a 0,15
0,15
3
< 0,15
< 0,15
4
 0,15
< 0,15
L’irradianza effettiva complessiva deve essere minore di 0,3 W/m2
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