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)
ettuare delle sessione di mantenimento ogni mese o ogni due mesi. 
