Visto che negli scorsi post si è parlato di lampade fluorescenti (a risparmio energetico) e di come queste contengono mercurio (sostanza che se assunta in quantità rilevanti può essere molto dannosa all’uomo), vorrei approfondire l’argomento e spiegare meglio il principio che sta alla base del funzionamentodi queste sorgenti. Per una trattazione ancora più approfondita vi rimando al sito di J.D. Hooker Lamptech, davvero ricco di risorse molto ma molto utili.

Per un confronto con i tubi LED rimando all’articolo scritto da Michele Baldassarri

Si è detto che le comuni lampadine ad incandescenza sono per tecnologia ormai vecchie ed obsolete, bhe…dovete sapere che le lampade fluorescenti, che erroneamente vengono chiamate neon,  si basano su tecnologie studiate e sviluppate a partire dagli anni ’20 del XX secolo.

Un po’ di storia sulle lampade fluorescenti

fu allora infatti che si eseguirono una serie di esperimenti che dimostrarono che i vapori mercurio in determinate condizioni ambientali, sottoposti a passaggio di elettroni, emettono una linea di spettro negli ultravioletti , pari circa 254nm (vedi esperienza di Frank-Hertz).
Esperienze simili culminarono nei primi anni ’30 nel primo prototipo di lampada fluorescente, che emetteva luce verde con efficienza luminosa pari a 60 lm/W, fino ad arrivare al 1939, quando venne introdotto il primo modello commerciale a luce bianca.
Da allora poco è cambiato, nulla o quasi del principio che sta alla base del funzionamento, qualcosa in più invece per quanto riguarda l’efficienza luminosa, la resa cromatica, la temperatura di colore e la vita media di queste lampade.
Oggi si possono trovare in commercio tubi fluorescenti di svariato tipo: conRa maggiore di 90, alta efficienza luminosa (90lm/W), bassissimo contenuto di mercurio (1mg-3mg, in linea con quanto stabilito dalla normativa europea descritta in precedenza), ecc.

Caratteristiche tecnologiche

Come dicevo però la costruzione ela tecnologia che sta alla base è più o meno la stessa dagli anni ’40: normalmente sono costituite da un tubo di vetro sigillato ermeticamente con all’interno, una piccola goccia di mercurio (Hg) e come gas di riempimento l’Argon (un gas nobile) ad una pressione di circa 2-3mm di Hg, alle estremità del tubo due elettrodi, che attraversati da energia elettrica, emettono un flusso di elettroni.

lampade fluorescenti dettaglio

Gli elettroni, così liberati, incontrano gli atomi di Argon (un gas nobile il cui atomo è caratterizzato da un primo livello metastabile) e ne causano l’eccitazione e quindi la ionizzazione. L’Argon ionizzato, miscelato al Mercurio (miscela di Penning) ,garantisce sicuramente l’eccitazione e ionizzazionedel mercurio, che passa istantaneamente dallo stato liquido (a temperatura ambiente) allo stato gassoso nel momento in cui avviene la ionizzaizione dell’Argon.

 lampade fluorescenti eletrodi

Ciò avviene poiché l’energia necessaria ad eccitare il primo livello dell’Argon (11,5eV) è di poco superiore all’energia necessaria a garantire la ionizzazione del Mercurio (10,39eV): statisticamente è molto facile in queste condizioni dare luogo alla ionizzazione del Mercurio.

lampade fluorescenti legge di pashen

Ovviamente affinchè tutto il processo avvenga è necessaria una certa tensione elettrica (circa 400V), superiore ai normali 230V normalmente forniti, per ottenete ciò è necessario l’utilizzo di uno starter e di un rattore in in grado di fornire la tensione necessaria nella giusta quantità. (vedi più sotto)

lampade fluorescenti schema elettrico tipico

S=starter, L=lampada, C=condensatore filtro, R=reattore.

Gli elettroni di mercurio, eccitati, emettono fotoni con una lunghezza d’onda pari a 253,7nm (ultravioletti), cioè al di fuori del campo del visibile (380nm-780nm).

spettro visibile

Ma gli UV come vengono convertiti in luce visibile? Semplice ilcontenitore di vetro è rivestito internamente da polveri fluorescenti grazie alle quali appunto gli ultravioletti vengono convertiti in fotoni visibili. Le sorgenti normalmente in commercio contengono miscele diverse di fosfori avente massima sensibilità intorno ai 253nm, in grado di riprodurre diversi tipi di luce bianca e una resa del colore più o meno elevata.

Nota importante è sul legame tra temperatura ambiente e efficienza delle sorgenti fluorescenti. Le lampade fluorescenti sono molto sensibili alle variazioni di temperatura dell’aria circostante. Il grafico più sotto mostra come la massima efficienza  è raggiunta con una temperatura ambiente di circa 25 ° C per i tradizionali tubi T8 e T12, mentre per le più  moderne  T5 il picco è a 35 ° C. Si noti che la temperatura superficiale effettiva è leggermente superiore a quelle ambientale, in  genere, 40 ° C per una lampada T8 in  ambiente  a 25 ° C

lampade fluorescenti decadimento del flusso nel tempo

Si possono trovare in commercio lampade fluorescenti lineari Trifosforo (introdotti negli anni 90) e Pentafosfori di più recente introduzione, quest’ultime in grado di dare migliori risultati in termini qualitativi grazie ad una distribuzione spettrale dellaluce più uniforme lungo lo spettro del visibile (380nm-780nm): ad esempio le Master TL5 TL5 90 DeLuxe della Philips sono caratterizzate da una resa cromatica Ra=91…molto elevata!

lampade fluorescenti spettro emissione
Distribuzione spettrale di una fluorescente trifosforo
lampade fluorescenti spettro emissione
Distribuzione spettrale di una fluorescente pentafosforo

Osservando queste due immagini si può notare come i picchi spettrali presenti nel primo sono ridotti sensibilmente nel secondo caso.

In generale rimando sul sito lamptech per una trattazione più specifica sui fosfori utilizzati nella produzione dei tubi fluorescenti

Come dicevo esistono molteplici modelli di Lampada fluorescente, per tutti i gusti direi: le più comuni sono le lineari fluorescenti (quelle che erroneamente vengono chiamate neon), poi le compatte con unità elettronica integrata e non integrata

lampade fluorescenti

Ogni modello ha caratteristiche differenti, come si diceva più sopra sono disponibili soluzioni con Indice di Resa Cromatica Ra più o meno elevato, o con Temperatura di Colore Correlata (in Kelvin) differente. Sul corpo della lampada è stampigliato un codice che descrive le caratteristiche di Temperatura di Colore e Resa Cromatica.

Temperatura di colore fluorescenti
Chema che riporta le dverse Temparature Correlate di Colore (CCT) disponibili per le sorgenti fluorescenti (Fonte LampTech).
Tabella codici fluorescente
Tabella che descrive la codifica per sorgenti fluorescenti (Fonte Lamptech)

Le lampade fluorescenti necessitano di apparecchiature ausiliarie per il loro funzionamento. Tali apparecchiature possono alimentare la lampada a frequenza di rete (50Hz) o ad alta frequenza (comunemente denominata con la sigla HF , e funzionanti con frequenze nell’ordine dei 30kHz).
Nel primo caso le apparecchiature ausiliarie sono costituite da: una reattanza induttiva (o ballast o reattore ferromagnetico, che ha la funzione di limitare il valore della corrente di lampada), di uno starter (componente  in grado di fornire una extratensione allo scopo di innescare la scarica) e di un condensatore di rifasamento della corrente assorbita vedi video per apprendere meglio il principio di funzionamento.

Nel secondo caso l’apparecchiatura è di tipo elettronico (ballast elettronico) e include tutte le funzioni appena citate. Con le fluorescenti è possibile garantire oggi un’illuminazione più efficiente, flessibile e qualitativamente migliore di prima: infatti la vita media lampada è migliore grazie ad una gestione più razionale dei cicli di accensione e spegnimento e funzionamento, si ha la possibilità di controllare il flusso luminoso, cioè di dimmerare la luce e quindi ridurre i consumi quando necessario, l’accensione è immediata e soprattutto per le zone di lavoro (uffici, scuole, ecc).

Il Flickering

Grazie all’introduzione degli ausiliari alta frequenza (HF) è stato possibile eliminare il fastidiosissimo effetto flikering che fino a poco fa caratterizzava (in negativo) queste sorgenti.

lampade fluorescenti flickering

Qua sotto l’effetto flikering a rallentatore

Spero sia tutto chiaro. Alla prossima!

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Giacomo
Giacomo Rossi, architetto e lighting designer free lance, fondatore di Luxemozione.com. Dopo anni di attività nella progettazione della luce, fonda assieme ad altri colleghi LDT-Lighting Design Team , studio multidisciplinare di progettazione della luce. Alla progettazione affianca l'attività come docente presso il Politecnico di Milano e altre importanti scuole di architettura e design. tra cui IED Istituto Europeo di Design. E' inoltre autore di articoli su riviste del settore illuminotecnico. Dal 2014 è membro del Consiglio Direttivo di Apil-associazione dei professionisti dell'illuminazione.

5 Commenti

  1. Post molto interessante, come tutti del resto, ma dato che odio particolarmente il mercurio, dato che ne sono stato intossicato, devo essere un pò pignolo, quando dici “(sostanza che se assunta in quantità rilevanti può essere molto dannosa all’uomo)” Si perchè, anche se il discorso è complesso e lungo, il mercurio è la sostanza più tossica per l’uomo, solo dopo le sostanze radioattive, quindi la sua ingestione, dovrebbe essere uguale allo zero! Sappiamo che purtroppo questo è pressochè impossibile dato che se ingerisce con l’alimentazione, attraverso però altri fenomeni di inquinamento. Naturalmente bisognerebbe stabilire cosa si intende per “quantità rilevante”, ma se è rilevante è sempre e senzaltro un elemento molto tossico.
    Cio.
    Bob

  2. Ciao Bob, mi spiace tu sia stato intossicato da mercurio, per quanto riguarda le concentrazioni letali per l’uomo non so…sinceramente, ho scritto rilevanti, perchè credo che le quantità contenute in una sorgente fluorescente (1-3mg) non sia dannosa…anche perchè si tratta di mercurio in forma elementare (metallica)…ciò non toglie che se impropriamente smaltito, accumulandosi …possa provocare gravi danni.
    non mi spingo oltre perchè non sono un esperto di metalli pesanti.
    Spero qualcuno possa dare maggiori approfondimenti
    Grazie

  3. No no il problema non è se contengano 1-3 mg +o- è che il mercurio dovrebbe essere bandito! Nessuno ti potrà mai dire quanto mercurio hai in corpo e quanto ne stai ingerendo, tra vapori, amalgame, vaccini ecc ecc.Riporto un es. eclatante, ma è solo per fare un es eh tratto dalla Leva di archimede:Mio nipote ha ricevuto vaccini per 9 differenti malattie in un solo giorno. E’ stato esposto a 62.5 microgrammi di mercurio in un giorno per colpa dei vaccini [approvati dall’FDA]. Tenendo presente il suo peso, il livello massimo di sicurezza al quale dovrebbe essere esposto in un giorno e’ 1,51 microgrammi [riferimento EPA – Environmental Protection Agency]. Quel valore e’ 41 volte superiore al quantitativo considerato dannoso,” ha scritto il parlamentare Dan Burton (R-IN) il 25 ottobre del 2000, in una lettera inviata al allora Ministro della Salute USA Donna Shalala.
    Ecco nessuno ti potrà mai certificare i danni che il mercurio ti stà provocando!Ripeto, il mercurio nei nostri cibi e nelle nostre case, dovrebbe essere zero!
    Bob

  4. post interessante, voglio segnalare il link al sito di un’azienda nel quale è possibile trovare un “corso interattivo” di illuminotecnica, anche se a dire il vero la tua spiegazione è più dettagliata di quella che danno li, comunque secondo me è da darci un’occhiata!
    Magari è pubblicità…ma secondo me è interessante!

    L’iscirzione al campus è gratuita e non manda spam (questo veramente strano!)

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