Lampade a scarica: tipi, funzionamento, come scegliere le migliori

Desidera acquistare lampade a scarica per creare un'atmosfera particolare nella stanza? O sta cercando lampadine per stimolare la crescita delle piante in serra? Dotarsi di fonti luminose economiche non solo renderà l'interior più accattivante e aiuterà la coltivazione, ma consentirà anche di risparmiare energia elettrica. Non è vero?

La aiuteremo a districarsi nella gamma di apparecchi di illuminazione a scarica. Nell'articolo sono illustrate le loro caratteristiche, specifiche e campi di applicazione delle lampadine ad alta e bassa pressione. Sono state selezionate illustrazioni e video che aiuteranno a trovare l'opzione ottimale di lampade a risparmio energetico.

Struttura e caratteristiche delle lampade a scarica

Tutti i componenti principali della lampada sono racchiusi in un bulbo di vetro. Qui avviene la scarica delle particelle elettriche. All'interno possono trovarsi vapori di sodio o mercurio, oppure uno qualsiasi dei gas inerti.

Come riempimento gassoso vengono utilizzate varianti come argon, xeno, neon, kripton. I prodotti riempiti con vapori di mercurio sono più popolari.

I principali componenti della lampada a scarica sono: condensatore (1), stabilizzatore di corrente (2), transistor di commutazione (3), dispositivo di soppressione dei disturbi (4), transistor (5)

Il condensatore garantisce un funzionamento senza sfarfallio. Il transistor possiede un coefficiente di temperatura positivo, che assicura l'accensione istantanea della lampada a scarica senza sfarfallio. Il funzionamento della struttura interna inizia dopo che nel tubo a scarica è avvenuta la generazione del campo elettrico.

Nel processo, nel gas compaiono elettroni liberi. Urtando gli atomi di metallo, li ionizzano. Al passaggio di alcuni di essi, appare un'energia in eccesso che genera fonti di luce — i fotoni. L'elettrodo, che è la fonte di luce, si trova al centro della lampada a scarica. L'intero sistema è unificato dall'attacco.

La lampada può emettere diverse tonalità di luce visibili all'uomo — dall'ultravioletto all'infrarosso. Per rendere ciò possibile, la parte interna del bulbo viene rivestita con una soluzione luminescente.

Campi di applicazione delle lampade a scarica

Le lampade a scarica di gas sono richieste in vari ambiti. Le si trovano più spesso nelle strade cittadine, nei capannoni industriali, nei negozi, negli uffici, nelle stazioni, nei grandi centri commerciali. Vengono utilizzate anche per illuminare cartelloni pubblicitari e facciate di edifici.

Le lampade a scarica di gas vengono utilizzate anche nei fari delle automobili. Più spesso sono lampade che si distinguono per un'elevata resa luminosa — modelli al neon. Alcuni fari per auto vengono riempiti con sali metallo-alogenuri e xeno.

I primi dispositivi di illuminazione a scarica di gas per veicoli avevano la designazione D1R, D1S. I successivi — D2R e D2S, dove S indica lo schema ottico a proiettore, e R quello a riflettore. Le lampadine a scarica di gas vengono utilizzate anche nelle riprese fotografiche.

Nella foto, lampade a scarica di gas impulsive utilizzate nelle riprese fotografiche: IFK120 (a), IKS10 (b), IFK2000 (c), IFK500 (d), ISSh15 (e), IFP4000 (f).

Durante la fotografia, queste lampade consentono di controllare il flusso luminoso. Sono compatte, luminose ed economiche. L'aspetto negativo è l'incapacità di gestire visivamente le ombre create dalla stessa sorgente luminosa.

Nel settore agricolo, le lampade a scarica di gas vengono utilizzate per irradiare animali e piante, per la sterilizzazione e la disinfezione dei prodotti. A tal fine, le lampade devono avere una lunghezza d'onda nel range appropriato.

La concentrazione della potenza di radiazione in questo caso è anch'essa di grande importanza. Per questo motivo, i prodotti più adatti sono quelli potenti.

Tipi di lampade a scarica

Le lampade a scarica di gas sono suddivise in tipi in base al tipo di emissione, a parametri come la pressione, in relazione allo scopo d'uso. Tutte generano un flusso luminoso specifico. Sulla base di questa caratteristica, si suddividono in:

• lampade fluorescenti;
• varietà a luce di gas;
• versioni a induzione.

Nei primi, la sorgente luminosa è costituita da atomi, molecole o loro combinazioni, eccitati da una scarica in un ambiente gassoso.

Nei secondi – i fosfori, la scarica di gas attiva lo strato fotoluminescente che ricopre il bulbo, di conseguenza il dispositivo di illuminazione inizia a emettere luce. Le lampade del terzo tipo funzionano grazie all'emissione degli elettrodi, incandescenti a causa della scarica di gas.

Le lampade allo xeno, destinate ai fari delle auto, superano di oltre due volte le analoghe alogene in efficienza luminosa e luminosità.

In base al riempimento, i dispositivi a scarica ad arco si dividono in lampade a mercurio, a sodio, a xeno, lampade metallo-alogene e altre. In base alla pressione all'interno del bulbo si effettua un'ulteriore suddivisione.

A partire da un valore di pressione da 3x10⁴ fino a 10⁶ Pa, vengono classificate come lampade ad alta pressione. Nella categoria di bassa pressione rientrano quando il parametro è compreso tra 0,15 e 10⁴ Pa. Oltre 10⁶ Pa — altissima pressione.

Tipo #1 — lampade ad alta pressione

Le lampade RLVD si distinguono per il fatto che il contenuto del bulbo è sottoposto ad alta pressione. Sono caratterizzate da un significativo flusso luminoso combinato con un basso consumo energetico. Di solito sono campioni a mercurio, quindi vengono spesso utilizzate per l'illuminazione stradale.

Tali lampade a scarica hanno una solida efficienza luminosa e funzionano efficacemente in condizioni di maltempo, ma sopportano male le basse temperature.

Esistono diverse categorie base di lampade ad alta pressione: DRT e DRL (a vapori di mercurio ad arco), DRI — simili alle DRL, ma con ioduri e una serie di modifiche create sulla loro base. Nella stessa serie rientrano anche le lampade a vapori di sodio ad arco (DNaT) e le DKsT — a vapori di xeno ad arco.

La prima realizzazione è il modello DRT. Nella marcatura, D sta per ad arco, il simbolo R per a mercurio, mentre la lettera T indica che questo modello è tubolare. Visivamente è un tubo dritto, realizzato in vetro di quarzo. Ai suoi due lati ci sono elettrodi di tungsteno. Viene utilizzata nelle apparecchiature di irraggiamento. All'interno c'è un po' di mercurio e argon.

Ai bordi della lampada DRT ci sono fascette con supporti. Le unisce una striscia metallica progettata per facilitare l'accensione della lampada.

Il collegamento della lampada alla rete avviene in serie con un reattore utilizzando uno schema risonante. Il flusso luminoso della lampada DRT è composto per il 18% da radiazioni ultraviolette, per il 15% da radiazioni infrarosse e per un altro 15% da luce visibile. Il restante 52% sono perdite. L'applicazione principale è come fonte affidabile di radiazioni ultraviolette.

Per l'illuminazione di luoghi dove la qualità della resa cromatica non è molto importante, si utilizzano dispositivi di illuminazione DRL (a vapori di mercurio ad arco). Qui non c'è praticamente radiazione ultravioletta. L'infrarosso costituisce il 14%, il visibile il 17%. Le perdite termiche ammontano al 69%.

Le caratteristiche costruttive delle lampade DRL permettono di accenderle a 220 V senza l'uso di un dispositivo di accensione a impulsi ad alta tensione. Poiché nel circuito sono presenti un reattore e un condensatore, le oscillazioni del flusso luminoso si riducono e il fattore di potenza aumenta.

Quando la lampada è collegata in serie con il reattore, si verifica una scarica luminescente tra gli elettrodi aggiuntivi e quelli principali adiacenti. L'intervallo di scarica viene ionizzato e di conseguenza appare una scarica tra gli elettrodi principali di tungsteno. Il funzionamento degli elettrodi di accensione cessa.

La lampada DRL è composta da: bulbo (1), elettrodi principali (2), elettrodi ausiliari (3), resistori (4), bruciatore (tubo di quarzo) (5), attacco (6)

I bruciatori DRL hanno generalmente quattro elettrodi: due di lavoro e due di accensione. Il loro interno è riempito con gas inerti con aggiunta di una certa quantità di mercurio nella miscela.

Le lampade ad alogenuri metallici DRI appartengono anch'esse alla categoria dei dispositivi ad alta pressione. La loro efficienza cromatica e la qualità della resa cromatica sono superiori rispetto alle precedenti. La composizione degli additivi influenza lo spettro di emissione. La forma del bulbo, l'assenza di elettrodi aggiuntivi e di rivestimento di fosforo sono le principali differenze tra le lampade DRI e le DRL.

Lo schema di collegamento della lampada DRL alla rete include un IZU (dispositivo di accensione a impulsi). Nei tubi delle lampade sono presenti componenti appartenenti al gruppo degli alogeni. Essi migliorano la qualità dello spettro di radiazione visibile.

Il gas inerte nel bulbo della lampada MGL funge da tampone. Per questo motivo, la corrente elettrica passa attraverso il bruciatore anche quando quest'ultimo ha una temperatura bassa.

Man mano che si riscaldano, sia il mercurio che gli additivi evaporano, modificando così la resistenza della lampada, il flusso luminoso e lo spettro emesso. Su base di dispositivi di questo tipo sono stati creati i modelli DRIZ e DRISH. Il primo tipo di lampada viene utilizzato in ambienti polverosi e umidi, nonché in quelli asciutti. Il secondo viene impiegato per l'illuminazione di riprese televisive a colori.

Le lampade più efficienti sono quelle al sodio DNAT. Ciò è dovuto alla lunghezza d'onda emessa: 589 – 589,5 nm. I dispositivi al sodio ad alta pressione funzionano con un valore di questo parametro di circa 10 kPa.

Per i tubi a scarica di tali lampade viene utilizzato un materiale speciale: ceramica trasparente. Il vetro al silicato non è adatto a questo scopo perché i vapori di sodio sono molto pericolosi per esso. I vapori di sodio operativi introdotti nel bulbo hanno una pressione compresa tra 4 e 14 kPa. Sono caratterizzati da bassi potenziali di ionizzazione e di eccitazione.

Le caratteristiche elettriche delle lampade al sodio dipendono dalla tensione di rete e dalla durata di funzionamento. Per un funzionamento prolungato è necessario un apparecchio di regolazione e avviamento (ballast).

Per compensare le perdite di sodio che si verificano inevitabilmente durante la combustione, è necessario un certo eccesso di sodio. Ciò genera una relazione proporzionale tra i valori della pressione del mercurio, del sodio e la temperatura del punto freddo. In quest'ultimo avviene la condensazione dell'eccesso di amalgama.

Quando la lampada è accesa, sulle sue estremità si depositano prodotti di evaporazione, causando l'oscuramento delle estremità del bulbo. Il processo è accompagnato da un aumento della temperatura del catodo e da un incremento della pressione del sodio e del mercurio. Di conseguenza, il potenziale e la tensione della lampada aumentano. Nell'installazione di lampade al sodio, i ballast per DRL e DRI non sono adatti.

Tipo #2 — lampade a bassa pressione

Nella cavità interna di tali apparecchi si trova gas a pressione inferiore a quella esterna. Si dividono in LL e KLL e vengono utilizzati non solo per l'illuminazione di punti vendita, ma anche per l'arredamento domestico. Le lampade fluorescenti in questa serie sono le più popolari.

La conversione dell'energia elettrica in energia luminosa avviene in due fasi. La corrente tra gli elettrodi provoca l'emissione in vapori di mercurio. Il componente principale dell'energia radiante che si genera è la radiazione UV a onde corte. La luce visibile costituisce circa il 2%. Successivamente, l'emissione dell'arco nel fosforo si trasforma in luce.

La marcatura delle lampade fluorescenti contiene sia lettere che numeri. Il primo simbolo è la caratteristica dello spettro di emissione e le caratteristiche costruttive, il secondo è la potenza in watt.

Decodifica delle lettere:

• LD — fluorescente per luce diurna;
• LB — a luce bianca;
• LChB — anch'essa a luce bianca, ma fredda;
• LTBS — di luce bianca calda.

In alcuni apparecchi di illuminazione, la composizione spettrale dell'emissione è migliorata per ottenere una resa cromatica più perfetta. Nella loro marcatura è presente il simbolo «C». Le lampade fluorescenti forniscono agli ambienti una luce uniforme e morbida.

Il vantaggio delle lampade LL è che, per creare un flusso luminoso uguale a quello delle LN, richiedono una potenza diverse volte inferiore. Hanno anche una durata maggiore e lo spettro di emissione è molto più favorevole.

La superficie di emissione delle LL è piuttosto grande, quindi è difficile controllare la distribuzione spaziale della luce. In condizioni non standard, in particolare con forte polverosità, si utilizzano lampade riflettenti. In questo caso, l'area interna del bulbo non è completamente coperta dallo strato riflettente diffuso, ma solo per i suoi due terzi.

Il fosforo copre il 100% della superficie interna. La parte del bulbo priva di rivestimento riflettente lascia passare un flusso luminoso molto maggiore di un tubo della stessa dimensione di una lampada normale — circa il 75%. È possibile riconoscere tali lampade dalla marcatura: in essa è inclusa la lettera «R».

In alcuni casi, la caratteristica principale delle lampade fluorescenti è la temperatura di colore Tc. La si equipara alla temperatura del corpo nero che emette la stessa cromaticità. Per quanto riguarda la forma, le lampade fluorescenti possono essere lineari, a forma di U, a forma di W, circolari. Nella designazione di tali lampade è inclusa una lettera corrispondente.

Gli apparecchi più diffusi hanno una potenza di 15 – 80 W. Con una resa luminosa di 45 – 80 lm/W, la durata di funzionamento delle LL è di almeno 10 000 ore. La qualità del funzionamento delle LL è fortemente influenzata dall'ambiente circostante. La temperatura esterna di esercizio è considerata compresa tra 18 e 25⁰.

In caso di deviazioni, diminuiscono sia il flusso luminoso sia l'efficienza della resa luminosa e la tensione di accensione. A bassa temperatura, la probabilità di accensione si avvicina a zero.

Il reattore delle lampade fluorescenti compatte (CFL) è molto più compatto di quello delle lampade fluorescenti. Con l'uso del reattore elettronico, l'emissione luminosa è diventata più uniforme e il ronzio è scomparso.

Le lampade fluorescenti compatte (CFL) appartengono alla categoria delle lampade a bassa pressione.

Il loro funzionamento è simile a quello delle normali lampade fluorescenti:

1. Una tensione elevata passa tra gli elettrodi.
2. I vapori di mercurio si infiammano.
3. Si genera una radiazione ultravioletta.

Il fosforo all'interno del tubo rende i raggi ultravioletti invisibili all'occhio umano. Diventa visibile solo la luce visibile. Il design compatto dell'apparecchio è diventato possibile dopo la modifica della composizione del fosforo. Le CFL, come le normali lampadine a incandescenza, hanno potenze diverse, ma i valori delle prime sono significativamente inferiori.

I dati sulla potenza delle CFL sono indicati nell'etichettatura dell'apparecchio di illuminazione. Sono inoltre presenti informazioni sul tipo di attacco, sulla temperatura di colore, sul tipo di reattore elettronico (integrato o esterno) e sull'indice di resa cromatica.

La misurazione della temperatura di colore avviene in kelvin. Il valore 2700–3300 K indica un colore caldo con tonalità gialla. 4200–5400 è bianco normale, 6000–6500 è bianco freddo con sfumatura blu, 25000 è lilla. La regolazione della cromaticità viene effettuata modificando i componenti del fosforo.

L'indice di resa cromatica caratterizza il parametro della fedeltà del colore rispetto a uno standard il più possibile vicino alla luce solare. Il nero assoluto è 0 Ra, il valore massimo è 100 Ra. Le lampade CFL rientrano in un intervallo da 60 a 98 Ra.

Le lampade al sodio, appartenenti al gruppo a bassa pressione, hanno un'elevata temperatura del punto più freddo massimo: 470 K. Una temperatura più bassa non sarebbe in grado di mantenere il livello richiesto di concentrazione di vapori di sodio.

La radiazione di risonanza del sodio raggiunge il suo picco a una temperatura di 540–560 K. Questo valore è commisurato a una pressione di vapore di sodio di 0,5–1,2 Pa. L'efficienza luminosa delle lampade di questa categoria è la più alta rispetto ad altri apparecchi di illuminazione per uso generale.

Aspetti positivi e negativi delle lampade a scarica

Le lampade a scarica si trovano sia in apparecchiature professionali che in strumenti destinati alla ricerca scientifica.

I principali vantaggi degli apparecchi di illuminazione di questo tipo sono solitamente le seguenti caratteristiche:

• Elevato livello di efficienza luminosa. Questo parametro non viene significativamente ridotto nemmeno da un vetro spesso.
• Praticità, espressa dalla durata, che ne consente l'utilizzo per l'illuminazione stradale.
• Resistenza in condizioni climatiche difficili. Fino al primo abbassamento della temperatura, vengono utilizzati con normali paralumi, mentre in inverno con lanterne e fari speciali.
• Costo accessibile.

Gli svantaggi di queste lampade non sono molti. Una caratteristica sgradevole è il livello piuttosto elevato di pulsazione del flusso luminoso. Il secondo grave inconveniente è la difficoltà di accensione. Per una combustione stabile e un funzionamento normale, è necessario un reattore che limiti la tensione ai limiti richiesti per gli apparecchi.

Il terzo svantaggio consiste nella dipendenza dei parametri di combustione dalla temperatura raggiunta, che indirettamente influisce sulla pressione del vapore di lavoro all'interno del bulbo.

Pertanto, la maggior parte dei dispositivi a scarica di gas raggiunge le caratteristiche di combustione standard dopo un certo periodo di tempo dall'accensione. Il loro spettro di emissione è limitato, quindi la resa cromatica sia delle lampade ad alta tensione che di quelle a bassa tensione non è ideale.

Nella tabella sono presentati i principali dati sulle lampade DRL più popolari (a vapori di mercurio luminescenti ad arco) e sull'apparecchio di illuminazione al sodio. La DRL a quattro elettrodi ha una maggiore emissione luminosa rispetto a quella a due elettrodi.

Il funzionamento dei dispositivi è possibile solo in corrente alternata. Vengono attivati tramite un reattore a induttanza. Per il riscaldamento è necessario un certo tempo. A causa del contenuto di vapori di mercurio, non sono del tutto sicuri.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Video #1. Informazioni sulle lampade a scarica di gas. Cosa sono, principio di funzionamento, vantaggi e svantaggi nel seguente video:

Video #2. Popolarmente sulle lampade fluorescenti:

Nonostante l'emergere di apparecchi di illuminazione sempre più sofisticati, le lampade a scarica di gas non perdono la loro rilevanza. In alcuni settori sono semplicemente insostituibili. Col tempo, le lampade a scarica di gas troveranno sicuramente nuove aree di applicazione.

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