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Luce e illuminazione

Luce e illuminazione


 

Radiatori termici

In seguito alla nascite delle prime officine, l’uomo prende coscienza che le sostanze producono bagliore e luce visibile se sono riscaldati e fusi a sufficienza. Nel caso dei materiali ferrosi, tale emissione luminosa può creare, a seconda della temperatura, colori che vanno dal rosso scuro al bianco giallastro chiaro, passando attraverso i toni del giallo. Un fabbro può valutare correttamente la temperatura di un pezzo ardente al primo sguardo. La teoria del corpo nero di Planck descrive questo fenomeno dal punto di vista fisico. In essa un corpo idealmente nero viene riscaldato lentamente. Con l’aumento della temperatura, esso comincia dapprima a emettere luce a onde lunghe (infrarossi) e la radiazione passa gradualmente nel settore rossastro visibile. Con un ulteriore aumento della temperatura, il colore tende verso il giallo e verso il bianco fino a che non corrisponde a un tono simile a quello della luce diurna. Questo principio è quello utilizzato per le lampade a incandescenza e quelle alogene. L’emissione luminosa che si origina da un tale stimolo termico diviene percepibile attraverso uno spettro continuo, di conseguenza la luce delle lampade a incandescenza e alogene è quella più simile alla luce solare.
 

In una lampada a incandescenza vi è un filo di tungsteno in un bulbo di vetro riempito di gas inerte. Il tungsteno presenta il vantaggio di un’elevata resistenza alle alte temperature e attraverso il gas di riempimento è protetto da un’ossidazione precoce.Gli svantaggi di una lampada a incandescenza sono la sua ridotta durata e la sua bassa efficienza, che peggiora continuamente a causa dell’annerimento del bulbo. Tuttavia anche i suoi vantaggi sono importanti: in quanto radiatore termico, essa genera una luce bianca con uno spettro continuo che consente un’ottima resa cromatica.

Spettro delle lampade a incandescenza e alogene - Lunghezza d’onda [ nm ]

 
Inoltre il suo processo di generazione della luce è relativamente lento, pertanto è possibile regolare le prestazioni di una lampada a incandescenza a seconda delle condizioni (dimmer). La regolazione può avvenire direttamente con la frequenza di rete, ad esempio attraverso dimmer di ingresso di fase/interruzione di fase. Grazie all’inerzia relativamente alta di queste lampade non si verificano tremolii o sfarfallii.

Una lampada alogena rappresenta il normale sviluppo di una lampada a incandescenza e si propone di ridurre alcuni svantaggi importanti della lampada a incandescenza. A causa delle elevatissime temperature del filamento di una lampada a incandescenza (3000°C), l’evaporazione può provocare un danneggiamento continuo del filo di tungsteno. In conseguenza delle enormi temperature, gli atomi di tungsteno possono abbandonare molto facilmente il legame metallico del filo e diffondersi nel gas di riempimento. Gli atomi di tungsteno, così distaccatisi, si depositano sul bulbo freddo della lampada rendendolo scuro. In questo modo l’efficienza luminosa si riduce continuamente. Con il tempo questo indebolimento del filo comporta un mancato funzionamento del filamento incandescente e la lampadina si brucia.

In una lampada alogena, al gas di riempimento inerte sono aggiunte piccole quantità di alogeni (cloro, bromo, iodio). Anche qui gli atomi di tungsteno del filamento incandescente entrano nel gas di riempimento attraverso l’evaporazione, tuttavia vengono "catturati" dagli alogeni; in una reazione chimica, ad esempio, da tungsteno e iodio si crea ioduro di tungsteno. Tale legame non può depositarsi sui bulbi della lampada che pertanto non possono annerirsi. Lo ioduro di tungsteno può tuttavia depositarsi in punti più freddi della spirale e qui scomporsi nuovamente in tungsteno e iodio. Il tungsteno si deposita sul metallo del filo, lo iodio rimane nell’atmosfera interna della lampada ed è disponibile per un ulteriore ciclo. Questo processo è denominato anche ciclo dell’alogeno e comporta un aumento della vita utile e dell’efficienza luminosa.

Una lampada fluorescente è una lampada a scarica a bassa pressione e si compone essenzialmente di un tubo di vetro riempito con vapore di mercurio. Alle estremità di questo tubo vi sono elettrodi tra i quali è applicata una tensione. Se questa tensione è superiore a quella necessaria per l’accensione, la colonna di gas all’interno del tubo in vetro è ionizzata e si crea plasma a bassa pressione. Le lampade fluorescenti di oggi possiedono elettrodi in forma di resistenze riscaldanti. Grazie al preriscaldamento di questi elettrodi, è possibile ridurre in modo sensibile la necessaria tensione di accensione. Dopo l’accensione, una corrente fluisce tra gli elettrodi attraverso il plasma mercurio, permettendo agli atomi di generare luce. Questa emissione luminosa si ha soprattutto in ambito ultravioletto. Sul lato interno del tubo in vetro è pertanto applicata una sostanza elettroluminescente che si illumina attraverso la luce ultravioletta del plasma nella gamma spettrale visibile. Il rivestimento applicato trasforma pertanto la luce UV emessa in luce visibile. Attraverso una selezione accurata e una miscela delle sostanze elettroluminescenti utilizzate, è possibile generare luce bianca. La radiazione UV non trasformata viene perlopiù assorbita attraverso il vetro del tubo.

Spettro delle lampade fluorescenti - Lunghezza d’onda [ nm ]

 
Il diagramma mostra il tipico spettro di una lampada fluorescente. Rispetto allo spettro della luce solare, si evidenzia la sua struttura molto discontinua; la luce di una lampada simile è costituito da molti picchi. peaks). Essi vengono provocati dalle diverse sostanze elettroluminescenti all’interno della lampada. I nostri occhi valutano la luce emessa da una tale lampada come bianca, perché non sono in grado di valutare adeguatamente la composizione spettrale della luce. Di conseguenza una simile lampada ha spesso una resa cromatica peggiore rispetto a una lampada a incandescenza o alogena.

Senza una limitazione, il flusso di corrente nella lampada aumenterebbe rapidamente, distruggendola. Come tutte le altre lampade a scarica, anche la lampada fluorescente deve pertanto essere utilizzata con un reattore.

 
Le lampade fluorescenti si caratterizzano per un’efficienza luminosa accettabile (fino a 100 lm/W), una durata relativamente lunga (fino a 45000 ore) e una resa cromatica da media a buona. Come per numerose fonti luminose, le caratteristiche di efficienza e qualità della luce sono in concorrenza tra loro. Se si desidera un’elevata qualità della luce, di norma ciò si ripercuote sull’efficienza energetica che diventa scarsa.

Le lampade a vapori di sodio utilizzano, per generare la luce, l’emissione di luce del plasma di sodio. Esse sono composte da un vaso di scarico che contiene sodio e almeno un gas ausiliario. Su entrambe le estremità del recipiente di scarico sono situati elettrodi che permettono di applicare una tensione di accensione.

Poiché a temperatura ambiente il sodio si trova in fase solida, l’atmosfera del recipiente di scarico contiene perlopiù il neon come gas ausiliario. Esso può essere ionizzato in modo molto semplice e come plasma inizia a convogliare la corrente attraverso la lampada. In questo modo la lampada si riscalda e il sodio comincia a evaporare. Con l’aumento del tenore di sodio, la luce, inizialmente rossastra, diventa sempre più gialla. Diversamente da quanto avviene per le lampade fluorescenti, una conversione attraverso un elemento elettroluminescente non è qui necessaria. Le lampade a vapori di sodio emettono una luce molto poco uniforme dal punto di vista dello spettro, ed hanno di norma una luce monocromatica. Le lampade ad alta pressione generano, oltre al picco sodico giallo dominante, anche radiazioni in altre gamme spettrali. Entrambi i tipi di lampada hanno una pessima resa cromatica, tuttavia si caratterizzano per l’elevata efficienza e la durata moderata.

Spettro delle lampade a vapori di sodio - Lunghezza d’onda [ nm ]

Le lampade alogene a vapori metallici si basano, dal punto di vista tecnologico, sulle lampade a vapori di mercurio e contengono, nei loro vasi di scarico, miscele di composti alogenati, terre rare e un gas ausiliario (perlopiù argo, xeno o neon). Come avviene per le lampade a vapori di sodio, i materiali utilizzati si trovano talvolta inizialmente nella fase solida e durante la fase di avvio, evaporano attraverso la crescente temperatura del vaso di combustione. La lampada viene accesa con l’aiuto di impulsi ad alta tensione (5 - 80 KV) attraverso il reattore ed inizialmente, attraverso il gas ausiliario ionizzato, fluisce solo corrente. Il gas riscalda tutti gli altri componenti e comporta infine un’evaporazione e una ionizzazione di tutti i materiali riempitivi. Solo dopo questa fase di avvio, la lampada raggiunge la piena luminosità. Tale processo dura normalmente 40-60 secondi. La composizione del suo riempimento comporta una generazione di luce con un elevato grado di efficienza (fino a 100 lm/W) e la luce emessa si caratterizza per un’elevata qualità. Una vita utile fino a 15000 ore di queste lampade alogene a vapori, è da valutarsi positivamente.

Spettro delle lampade alogene a vapori metallici - Lunghezza d’onda [ nm ]

 
 

Apparecchio solido

 
In un LED, si genera luce attraverso un semiconduttore inorganico. In termini più semplici, il semiconduttore è composto da due settori di diversa struttura (dotazione), direttamente confinanti. Gli elettroni possono muoversi in entrambi i settori, tuttavia si muovono su diversi livelli energetici meccanico-quantistici. Nel cosiddetto settore n vi è un eccesso di elettroni, nel settore p un eccesso di elettroni difettosi (i cosiddetti buchi). Nella zona di contatto tra i due strati, si verificano processi di diffusione per compensare i due tipi di carica. Tale processo si auto-inibisce a causa delle condizioni elettrostatiche che si creano e separa i due settori elettricamente; si potrebbe anche dire che blocca i diodi.

 
Se si applica al diodo una fonte di tensione tale che il suo polo negativo sia collegato con il settore n (catodo), la tensione esterna lavora in un certo qual modo con quella interna e lo strato di sbarramento può essere superato o rimosso, il diodo diventa conduttore. Se si inverte la polarità della fonte di tensione, la tensione esterna rinforza l’effetto di sbarramento e il diodo rimane sbarrato per un flusso di corrente. Un diodo può pertanto essere confrontato con una valvola di non ritorno del settore idraulico.Al passaggio dal settore n al settore p, gli elettroni passano da un livello energetico elevato a un livello energetico meccanico-quantistico basso. Poiché in natura l’energia non va mai persa, quella in eccesso deve essere ceduta. Ciò può avvenire, ad esempio, in forma di calore perduto.

I materiali dei diodi luminosi sono strutturati (dotati) in maniera tale che l’energia in eccesso venga irradiata come luce. Poiché l’energia differenziale al passaggio degli elettroni da n a p per ogni abbinamento di materiali è più o meno costante e l’energia è emessa sempre in forma di quanto luminoso, anche lo spettro della luce emessa è a banda stretta. In altre parole, un LED comune irradia sempre un colore fisso. La luce bianca può essere generata con LED monocromo, attraverso una sintesi cromatica additiva. Qui vengono ad esempio mescolate emissioni di LED rossi, verdi e blu. Se le intensità dei singoli colori sono armonizzate tra loro, l’occhio umano percepisce tale miscela come bianco.

La luce di una tale fonte luminosa tuttavia non è di ottima qualità. Il suo spettro è molto discontinuo a causa dei singoli picchi del LED. La resa cromatica di un tale sistema è pertanto relativamente cattiva. Per questo motivo tali sistemi sono oggi utilizzati perlopiù solo per generare luce colorata dinamica.

Una luce del LED bianca evidentemente migliore può essere ottenuta con l’aiuto di fosfori di conversione. Qui si utilizza la luce relativamente ricca di energia (a onde brevi) di un LED blu per fare in modo che il fosforo si accenda. In questo caso i fosfori sono applicati con ittrio, alluminio e gallio (fosfori YAG). Essi si illuminano di un colore verde-giallastro e le loro emissioni danno origine, insieme a percentuali di blu non convertite dei LED, a una luce bianca. A seconda della qualità del fosforo e dei LED è pertanto possibile generare ottimi spettri bianchi; attraverso la vasta emissione spettrale del fosforo, gli spettri sono relativamente omogenei. Tuttavia di norma si rileva sempre un picco blu evidente.

Spettro di un LED - Lunghezza d’onda [ nm ]

 
Gli attuali sviluppi nel settore dei fosfori mirano pertanto a migliorare la composizione spettrale e ad aumentare la qualità della luce così generata.

 
Per OLED (Organic Light Emitting Diode) si intendono dischi di vetro di spessore millimetrico nei quali sono introdotti materiali organici. Essi creano strati di circa 400 nm che si lasciano attraversare dalla corrente. Gli strati organici sono racchiusi da uno strato anodico e uno strato catodico che fungono da contatti elettrici di entrambi i lati. Nello strato organico vi sono molecole che si illuminano grazie all’energia elettrica che le attraversa. La struttura molecolare determina il colore della luce. Gli strati organici sono rivestiti per essere protetti da effetti esterni.

Un diodo luminoso organico si compone di diversi strati di semiconduttori organici situati tra due elettrodi dei quali almeno uno è trasparente. Nella produzione di un OLED, si applicano strati organici in successione su un substrato conduttore, seguiti da un ulteriore elettrodo conduttore. Per la produzione di componenti organici a emissione di luce, si utilizzano in generale due diverse classi di materiali: sostanze polimeriche e i cosiddetti materiali a molecole piccole, che non possiedono alcuna caratteristica di orientamento e pertanto creano strati amorfi.