Lampade al sodio e ioduri metallici
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SCHEDA IN MANUTENZIONE ! Principio generale di funzionamento SCHEDA IN MANUTENZIONE !
La lampada è costituita da un tubo di varie dimensioni e conformazioni, generalmente di vetro o di quarzo, al cui interno è presente una miscela di gas rarefatti. Alle estremità del tubo sono presenti due elettrodi, l'anodo (positivo) ed il catodo (negativo), che corrispondono ai due poli di alimentazione. In una massa di gas rarefatto sono sempre presenti elettroni liberi e ioni positivi. Quando si applica tra i due elettrodi una adeguata differenza di potenziale elettrico, gli ioni positivi migrano verso il catodo e gli elettroni verso l'anodo (cariche elettriche di segno opposto si attraggono, mentre cariche di segno uguale si respingono).
Durante l'alimentazione dei due poli si possono verificare all'interno del tubo di scarica una serie di urti tra particelle in movimento (ioni ed elettroni) e gli atomi del gas secondo le seguenti modalità:
- A bassa velocità urto elastico con deviazione della
particella d'urto che cede parte della sua energia cinetica all'atomo di gas che si riscalda.
- Ad alta velocità l'urto delle particelle provoca l'eccitazione degli atomi di
gas, conseguentemente la migrazione d'orbita di uno degli elettroni esterni da un livello energetico basso passa ad un livello energetico più elevato. Dopo un tempo molto breve di 8-10 secondi l'atomo ritorna nella sua configurazione stabile, emettendo energia sotto forma di fotone. Se i gas presenti nel tubo di scarica sono vapori di mercurio o di sodio, una parte della radiazione è emessa in corrispondenza di particolari lunghezze d'onda comprese nel campo del visibile.
- Ad altissima velocità: la velocità delle particelle d'urto è così
elevata da strappare un elettrone dal sistema atomico, si originano così uno ione positivo ed un elettrone libero che, urtandosi a loro volta con altri atomi del gas, mantengono
attivo il processo.
La luce emessa da una lampada a scarica di gas dipende sia dal tipo di vapore utilizzato, sia dalla pressione dello stesso all'interno del tubo di scarica.
Scarica di gas a bassa pressione dell'ordine di alcuni Pa (il PA è l'unità di misura della pressione è espresso in pascal):
- temperatura del gas all'interno del tubo di scarica relativamente bassa;
- radiazione luminosa quasi interamente nel campo del visibile e dell'ultravioletto con emissione nell'infrarosso molto bassa, efficienza luminosa molto elevata.
- diagramma spettrale a picchi con bassa quantità di fotoni al di fuori dei picchi spettrali, luce ristretta in poche lunghezze d'onda, resa cromatica molto bassa.
Scarica in gas ad alta pressione (104 ¸ 107 Pa):
- l'intensità e la frequenza degli urti nel tubo di scarica aumentano:
- la temperatura del gas nel tubo di scarica è più elevata rispetto alle lampade a bassa pressione;
- maggiore emissione di fotoni nel campo degli infrarossi minore efficienza luminosa;
- diagramma spettrale a bande che può divenire quasi continuo ad altissime pressioni
- miglioramento della resa cromatica;
- maggiore flusso luminoso emesso per unità di lunghezza del tubo di scarica
- possono assumere forme compatte.
Come funzionano:
Dal punto di vista elettrico i maggiori problemi delle lampade a scarica di gas consistono nell'innesco della scarica (accensione) e nella stabilizzazione del flusso di elettroni.
Per facilitare l'accensione viene inserito nel tubo di scarica insieme ai gas metallici un gas di riempimento, il gas d'innesco(xenon, neon, argon, elio, cripton), ha la proprietà di ionizzarsi facilmente.
Le fasi seguenti descrivono l' accensione di una lampada a scarica di gas:
- Quando la lampada è fredda il gas d'innesco è generalmente poco ionizzato (sono presenti pochi elettroni liberi e ioni positivi all'interno del tubo)e la pressione all'interno del tubo è bassa, quindi la probabilità che si verifichino degli urti è molto bassa, per innescare la scarica è necessario applicare ai due poli una tensione superiore a quella di rete (220 volt).
- Dopo l'innesco iniziale, nel gas raro la temperatura e la pressione all'interno del tubo tendono a salire fino a causare la scarica anche nel vapore metallico.
- A lampada innescata (calda) la scarica tenderebbe a crescere senza limiti a causa del moltiplicarsi delle collisioni, innalzando ulteriormente i valori della temperatura e della pressione fino al danneggiamento irreparabile della lampada.
Per questo motivo è necessario inserire nel circuito di alimentazione della lampada un dispositivo elettronico (reattore) che si occupa di limitare e stabilizzare la scarica.
N.B.
- 1 L'accensione delle lampade a scarica di gas non è immediata.
- 2 I dispositivi elettronici ausiliari (starter, reattore)assorbono potenza elettrica, quindi nel complesso, le lampade a scarica di gas sono caratterizzate, da una potenza assorbita superiore alla potenza nominale.
Lampade al sodio a bassa pressione (LPS) o (SOX)
Le lampade a vapori di sodio a bassa pressione emettono una luce di scarsa qualità, si presentano come dei bulbi di vetro, di forma tubolare, all'interno dell'involucro esterno è presente il tubo di scarica ripiegato ad U.
Inizialmente la scarica viene innescata in un gas ausiliario (neon o argon). Quando la temperatura raggiunge 200°C, il sodio evapora e la carica passa dal gas di innesco al vapore di sodio il quale emette la luce a noi visibile. La superficie interna del bulbo esterno è rivestita di uno strato di ossido di indio che lascia passare il 91% delle radiazioni luminose e riflette verso il tubo interno il 90% delle radiazioni infrarosse.
Queste lampade sono le più efficienti della loro categoria, in termini di efficienza arrivano fino a 200 lumen/watt ed emettono una luce monocromatica in corrispondenza dell'intervallo delle lunghezze d'onda di 589-589.6 nm , tonalità molto calda, tendente al giallo. Per la loro bassissima resa cromatica, sono utilizzate soltanto nei contesti in cui il risparmio energetico è di rigore e dove la qualità nella percezione dei colori non è fondamentale. Vengono installate sopratutto per illuminazione stradale, parcheggi, gallerie, depositi, magazzini ecc. Per funzionare devono essere dotate di un sistema di alimentazione, che può essere di diversi tipi, tra le ultime tecnologie troviamo gli alimentatori elettronici ad alta frequenza che offrono un ulteriore risparmio energetico (fino al 30%) rispetto all’utilizzo di reattori tradizionali.
Tipologie e attacchi:
Caratteristiche tecniche:
- Efficienza luminosa: 125-200 lumen/watt
- Indice di resa cromatica: 0
- Vita media: 10.000-12.000 ore
- Temperatura di colore: 1.800 K
- Potenze: da 18 W a 180 W
- Tipi di attacchi: BAY22D
Lampade ai vapori di mercurio ad alta pressione (HQL)
Nelle normali lampade a fluorescenti (che possono essere anche identificate come lampade al mercurio a bassa pressione) esistono le condizioni ideali perché una grande parte (60%) della potenza assorbita possa essere convertita in una singola lunghezza d'onda paria a 253,7 nm.
Questa è la transizione che richiede la minima quantità di energia per un elettrone che collide.
All’aumentare della pressione, la probabilità di urti multipli aumenta ed in particolare, aumenta la probabilità di collisioni tra elettroni.
La lampada consiste in un tubo di scarica in quarzo contenuto in un bulbo esterno di vetro borosilicato che funge da protezione.
Il tubo interno di quarzo sopporta una temperatura d’arco di 1.300 K, mentre il vetro esterno raggiunge una temperatura massima di 700 K. Il gas che viene utilizzato come camera d'aria tra il tubo interno e il bulbo esterno è azoto e viene utilizzato per isolare termicamente il tubo di scarica e per proteggere le giunzioni metalliche dall’ossidazione. Il tubo di scarica contiene mercurio e argon, alle sue estremità sono presenti due elettrodi principali e un elettrodo ausiliario per l’innesco. Ogni elettrodo principale è costituito da una asticella di tungsteno sulla quale è avvolto a spirale un doppio strato di filo di tungsteno appositamente trattato.
Quando alla lampada viene applicata una tensione adeguata, si stabilisce una corrente attraverso l’anodo di accensione e l’elettrodo principale ad esso adiacente (successivamente tra i due elettrodi principali): la corrente provoca un arco locale di argon in cui la corrente
viene limitata dalla resistenza di avviamento. Il calore generato dalla piccola scarica nell’argon vaporizza una parte del mercurio presente e dopo poco si innesca l’arco principale e conseguentemente l'arco di innesco cessa di esistere. In seguito all’inizio dell’arco principale, il mercurio continua la sua vaporizzazione e dopo 5 - 7 minuti, tutto il mercurio è trasformato in vapore e la lampada raggiunge lo stato di regime.
Le lampade al mercurio hanno un efficienza pressoché bassa, in comparazione con le altre sorgenti a scarica di gas, pertanto il loro utilizzo sta man mano diminuendo lasciando la strada alle nuove e più efficienti tecnologie. Anche la resa cromatica è insoddisfacente, circa 40-60 Ra per una temperatura di colore di 3300-4200K.
La forma è tipicamente quella a bulbo ellissoidale, con attacco E27 o E40. In commercio si trovano anche lampade con bulbo dotato di riflettore interno per indirizzare il flusso luminoso in un unica direzione. Per funzionare, le lampade a mercurio hanno bisogno dell’alimentatore e di un condensatore di rifasamento. L’impiego di questa tecnologia varia dall’illuminazione stradale a zone residenziali, spesso vengono impiegate anche per interni nel settore industriale.
Nella famiglia delle lampade a vapori di mercurio esistono anche tipologie con caratteristiche illuminotecniche migliorate (lampade a luce corretta o luce miscelata). Questa tipologia è ottenuta trattando il rivestimento interno con polveri fluorescenti in modo da emanare un colore più caldo, intorno ai 3500 K e migliorando anche l'efficienza di circa il 10% e la resa dei colori di circa 7 punti rispetto alle lampade a vapori di mercurio tradizionali.
Tipologie e attacchi:
Caratteristiche tecniche:
- Efficienza luminosa: 50 - 54 lumen/watt
- Indice di resa cromatica: 40-60 Ra
- Vita media: 20000 - 25000 ore
- Temperatura di colore: 3300 - 4500 K
- Potenze: da 80 W a 125 W
- Tipi di attacchi: E27 - E40
Sodio ad alta pressione (HPS)
Grazie alla alta pressione dei gas i vapori di sodio aumentano lo spettro di emissione, la luce prodotta è tendente al giallo (2500K circa) con una potente efficenza luminosa (115 lumen/W). La vita media della lampada è di circa 16000 ore, se dotata di alimentatore non necessita di ciclo di raffreddamento in caso di black-out, a fine vita queste lampade si destabilizzano, accendendosi e spegnendosi continuamente. Queste lampade necessitano di accenzione (a freddo) di ballast o reattori elettromagnetici.
Ioduri metallici (HM)
Trattasi di lampade ai vapori di mercurio (fluorescenti) o di sodio ad alta pressione, con aggiunta di ioduri metallici (iodio, tallio, indio, disprosio, olmio, cesio, tulio) che ne aumenta la resa cromatica (luce bianca) 5600K, necessitano di circa 5/10 minuti per raqggiungere il picco massimo di emissione e fino a 5 minuti per il raffreddamento in caso di black-out, la vita media è di circa 12000 ore, con una efficenza luminosa di circa 90 Lumen/Watt. Queste lampade necessitano di accenzione (a freddo) di ballast o reattori elettromagnetici. A fine vita, se utilizzate 24h su 24h, queste lampade rischiano l'esplosione.
Voci correlate
autore: Sonia Ibelli (Sonia-80-pi)
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