Lampade al sodio e ioduri metallici

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Indice

Principio generale di funzionamento

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 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).

Principio di funzionamento


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.

Spettro luminoso di una lampada a vapori di sodio a bassa pressione.

Spettro LPS

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.

Spettro luminoso di una lampada a vapori di sodio ad alta pressione.
Spettro HPS

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.

Lampada LPS o SOX

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:

Tipologie e attacchi LPS o SOX


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.

Lampada HQL

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:

Attacchi Lampada HQL

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



Lampade ai vapori di sodio ad alta pressione (HPS) o (SON)

Le lampade ai vapori di sodio ad alta pressione costituiscono l’evoluzione tecnologica delle lampade ai vapori di sodio a bassa pressione.
Rispetto a queste'ultime, le lampade ai vapori di sodio ad alta pressione consentono una migliore resa cromatica, mantenendo comunque elevata l' efficienza luminosa. Il bulbo esterno ha una forma tubolare o ellissoidale e la luce emessa ha un colore bianco caldo tendente al giallo.

Lampada HPS

Strutturalmente le lampade a vapore di sodio ad alta pressione di tipo tradizionale sono costituite da un tubo di scarica in ossido di alluminio sinterizzato entro il quale viene introdotta la necessaria quantità di amalgama di sodio ( cioè di una lega di sodio e di mercurio), unitamente ad un gas raro (xeno o neon più argon) e da un bulbo o da un tubo coassiale, entrambi in vetro duro, entro cui è presente il tubo di scarica. Nell'intercapedine tra il tubo di scarica ed il tubo esterno viene praticato il vuoto per ridurre al massimo ogni dispersione termica ed assicurare così condizioni di massima efficienza. Il calore generato dalla scarica, che inizialmente si innesca attraverso il gas raro, serve a far evaporare l'amalgama; ad evaporazione avvenuta la scarica si mantiene attraverso i vapori di sodio e di mercurio il cui potenziale di eccitazione è più basso rispetto a quello del gas raro. L'aggiunta del gas raro nel tubo di scarica ha lo scopo di favorire l'innesco della scarica stessa e di assicurare un'accensione sicura anche a basse temperature.

Il range spettrale della radiazione luminosa, dipende dalla pressione dei vapori di sodio, l'incremento della pressione permette una distribuzione spettrale della luce più lineare: l'indice di resa cromatica cresce (da 30 a 80), ma l'efficienza diminuisce da 65 – 125 lumen/W a 30 – 40 lumen/W. La vita media di questa tipologia di lampade varia da 5000 a 12000 h.

Tipologie ed attacchi:

Tipologie ed attacchi HPS

Caratteristiche tecniche generali:

  • Efficienza luminosa: 30-40 lumen/watt
  • Indice di resa cromatica: circa 80
  • Vita media: 5000 - 12.000 ore
  • Temperatura di colore: 1900 - 2500 k
  • Potenze: da 50 W a 1000 W
  • Tipi di attacchi: E27 - E40 - RX7s - RX7s-24 - Fc2



Alimentazione delle lampade : Le lampade al sodio ad alta pressione vengono collegate alla rete, attraverso un alimentatore ferro-rame che limita la corrente di assorbimento ed un accenditore elettronico che ha la funzione di fornire i picchi di tensione necessari per l'innesco della scarica.

Schema di alimentazione del sistema tradizionale:

Alimentatore tradizionale HPS

In commercio esistono anche alimentatori completamente elettronici che eliminano tutti i fenomeni di sfarfallio, migliorano la qualità del colore e del flusso luminoso.

Schema di alimentazione con sistema elettronico:

Alimentatore elettronico HPS



Lampade ad alogenuri (MH) o (HQI)

Queste lampade sono conosciute anche come "lampade ad alogenuri metallici" o "lampade a ioduri metallici".
Sono lampade di dimensioni ridotte, simili a quelle alogene e presentano un’efficienza e una durata di vita paragonabili alle lampade fluorescenti. Sono caratterizzate da un emissione di luce molto forte e da un’elevata resa cromatica.
All’interno del bulbo in vetro, dove è posto il tubo di scarica in quarzo, oltre al mercurio e all'argon, si immettono ioduri di sodio, tallio e indio (ioduri metallici). Sono disponibili anche lampade a resa cromatica migliorata nel cui tubo di scarica sono aggiunti anche ioduri di disprosio, olmio, tulio e cesio.

Lampada ioduri metallici

Quando la lampada raggiunge le condizioni di regime, gli ioduri non sono tutti vaporizzati, ma nella zona centrale dell'arco le molecole cominciano a dissociarsi in alogeni e metalli che, eccitati dalla scarica, emettono un range di radiazioni distribuite nel campo del visibile.

Le lampade a ioduri metallici classiche hanno un’efficienza compresa tra i 75 e gli 80 lm/W, a seconda della potenza, con una tonalità di luce diurna. Quelle a resa cromatica migliorata hanno un’efficienza specifica leggermente minore, ma sono dotate di un indice di resa cromatica che può arrivare fino a 90 con vita media di circa 6000 h. Le lampade ad alogenuri ad altissima pressione adottano un tubo di scarica in alluminio policristallino, che non può essere aggredito dal sodio consentendo di raggiungere temperature più elevate, con conseguente incremento dell'efficienza e dell'indice di resa cromatica.

Il flusso luminoso molto potente, consente di realizzare impianti d' illuminazione con potenze installate più basse rispetto ad altre tipologie di lampade. Il principale svantaggio è dato dalla lentezza in fase di accensione: impiegano circa 5 minuti per arrivare a pieno regime. In caso di spegnimento e di riaccensione a caldo, i tempi aumentano ulteriormente, fino 10 minuti per recuperare interamente il flusso luminoso. Questi aspetti problematici sono dovuti ai complessi dispositivi che ne regolano l’accensione e l’innesco.

Tipi ed attacchi per tecnologia ceramica
Tipi ed attacchi per tecnologia ceramica
Tipi ed attacchi per tecnologia al quarzo
Tipi ed attacchi per tecnologia al quarzo
Tipi ed attacchi per MH con riflettore
Tipi ed attacchi per lampade HQI a riflettore

Caratteristiche tecniche

  • Efficienza luminosa: 40-100 lumen/watt
  • Vita media: 6.000-20.000 ore
  • Indice di resa cromatica: 65-90
  • Temperatura di colore: 3.000-6.000 K
  • Potenza: fino oltre i 1.000 W
  • Attacco: E27 - E40 - G12 - G22- GU6.5 - G8.5 - RX7s-24


Alimentazione delle lampade : Le lampade ad alogenuri necessitano di un sistema di alimentazione per il controllo della corrente assorbita dalla lampada. I sistemi di alimentazione possono essere elettronici o tradizionali (costituiti da un reattore ferro rame per il controllo della corrente, da un accenditore elettronico per l'innesco della scarica e da un condensatore).

I sistemi di alimentazione elettronici presentano molti vantaggi rispetto alla tecnologia tradizionale:

  • dimensioni e peso ridottissimi;
  • eliminazione di tutti i fenomeni di sfarfallio visibili delle lampade e dell’effetto stroboscopico;
  • stabilizzazione della potenza assorbita;
  • maggior vita delle lampade (fino ad un 30% in più);
  • silenziosità di funzionamento;
  • stabilità del colore della luce.
Schema di alimentazione del sistema elettronico

Alimentatore elettronico HM

Schema di alimentazione del sistema tradizionale
Alimentatore tradizionale HM



Guida alla scelta delle lampade HPS e MH

Questa mini guida è stata realizzata per dare un indicazione di massima sull'acquisto delle lampade a scarica per coltivazione. Partiamo subito dalla scelta delle lampade prendendo come base di partenza il grafico delle tonalità dei colori. Il grafico deve essere letto in un certo modo, identificando i picchi di colore che sono utili alla piante, più il picco è elevato nelle vicinanze dei recettori della clorofilla e dei carotenoidi della pianta e più la lampada sarà efficace, tali picchi sono identificati dalla sigla P.A.R. (Photosynthetically Active Radiation).

Di seguito le lunghezze dei picchi che dobbiamo prendere come riferimento.

  • Clorofilla a 430nm 662nm doppio picco
  • Clorofilla b 453nm 642nm doppio picco
  • Carotenoidi 450nm 480-485nm doppio picco



Analizziamo alcune Lampade HPS e MH adatte alla floricultura ed orticoltura.

OSRAM PLANTASTAR Questa lampada al sodio ad alta pressione è progettata appositamente per impieghi vivaistici, si trova in commercio con potenze di 250 - 400 -600 Watt, rispettivamente 33.200 lm, 56.500 lm, 90.000 lm, la 250W è la più indicata per la coltivazione indoor.
Analizzando il grafico sottostante vediamo come la lampada è molto efficiente nella zona del rosso tra le lunghezze d'onda 600-650 nm e meno performante nella zona del blu. E' buona anche la zona di assorbimento da parte dei Carotenoidi 450nm 480/485nm.
Sicuramente è una lampada efficiente per la coltivazione tenendo in considerazione che tutte le lampade HPS per natura tecnologica non sono in grado di emettere grandi quantità di fotoni nella tonalità blu.

Grafico Osram Plantastar


PHILIPS MASTER SON-T PIA Agro 400W e MASTER SON-T PIA Green Power 400W-600W Le lampade Agro e Green Power della Philips sono realizzate per ottimizzare l'illuminazione indoor nel settore dell'orticoltura. Anche queste lampade utilizzano la tecnologia al sodio ad alta pressione, i grafici assomigliano molto a quello della Osram Plantastar e quindi valgono le stesse considerazioni fatte precedentemente.

PHILIPS MASTER SON-T PIA Agro

Grafico Osram Plantastar


PHILIPS MASTER SON-T PIA Green Power

PHILIPS MASTER SON-T PIA Green Power


PHILIPS MASTERColour CDM-Rm Mini 35W/942
Questa lampada con riflettore si basa sulla tecnologia MH e come le altre MH da 4000-4200K non sono specificatamente progettate per applicazioni vivaistiche ma si prestano ottimamente per il nostro scopo. Analizzando il grafico fotometrico vediamo come questa tecnologia copre un maggior numero di lunghezze d'onda nel range del P.A.R. rispetto a alle lampade HPS ed è quindi la tecnologia del futuro più accreditata per la crescita delle nostre piante.
Rispetto alle HPS per orticoltura le MH sono molto più efficenti sulle tonalità del blu, dove ricadono i picchi della clorofilla e quelli dei carotenoidi, nel complesso il grafico evidenzia un andamento piuttosto lineare ricoprendo la maggior parte delle lunghezze d'onda visibili. A mio parere queste lampade possono coprire da sole l'intero spettro necessario alla crescita delle piante.

PHILIPS MASTERColour CDM-Rm Mini 35W/942


OSRAM POWERSTAR HQI-TS 70W/D - HQI-TS 150W Excellenc
Questa è una delle lampade HM al quarzo che meglio si presta all'illuminazione indoor, ottima per piante e non solo. Il grafico fotometrico parla da solo, tutte le tonalità dei colori sono coperte da un elevata irradiazione, nelle zone di assorbimento della clorofilla (P.A.R.) la lampada emette un elevato flusso luminoso. La tonalità di colore equivale a 5600 gradi Kelvin, mentre la resa cromatica è di 80 RA.

OSRAM POWERSTAR HQI-TS 70W/D - HQI-TS 150W Excellenc


Le due potenze 70/150 Watt si prestano bene per ambienti medio piccoli, come potrebbero essere i nostri terrari o le nostre growroom. Anche il loro ingombro è limitato, per la 70 watt parliamo di 117 mm di lunghezza e 19 mm di diametro, mentre la 150 Watt è lunga 135 mm con diametro di 67.5 mm. E' una delle lampade che consiglio per le nostre amate piante.

Voci correlate

autore: Gianni Marcantoni (Prompt) - Sonia80pi

fonte img: http://www.philips.it/Lighting / http://catalogx.myosram.com

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