Svantaggi delle lampade a incandescenza come fonte di luce
Nonostante tutti i loro vantaggi, tutte le lampade a incandescenza, che iniziano con un vuoto con un filamento di carbonio e terminano con quelle riempite di gas di tungsteno, presentano due importanti svantaggi come sorgenti luminose:
- bassa efficienza, vale a dire bassa efficienza della radiazione visibile per unità a parità di potenza;
- una forte differenza nella distribuzione spettrale dell'energia proveniente dall'illuminazione naturale (luce solare e luce diurna diffusa), caratterizzata da una scarsa radiazione visibile a onde corte e una predominanza di onde lunghe.
La prima circostanza rende poco redditizio dal punto di vista economico l'uso delle lampade ad incandescenza, la seconda — ha come conseguenza la distorsione del colore degli oggetti. Entrambi gli svantaggi sono causati dalla stessa circostanza: ottenere l'irraggiamento riscaldando un solido a una temperatura di riscaldamento relativamente bassa.
Non è possibile correggere la distribuzione dell'energia nello spettro di una lampada ad incandescenza, nel senso della sua significativa convergenza con la distribuzione nello spettro solare, poiché il punto di fusione del tungsteno è di circa 3700 ° K.
Ma anche un leggero aumento della temperatura di lavoro del corpo del filamento, diciamo da una temperatura colore di 2800°K a 3000°K, porta ad una significativa riduzione della vita della lampada (da circa 1000 ore a 100 ore) dovuta ad una significativa accelerazione del processo di evaporazione del tungsteno.
Questa evaporazione porta principalmente all'annerimento del bulbo della lampada rivestito di tungsteno e, di conseguenza, alla perdita di luce emessa dalla lampada e infine alla combustione del filamento.
La bassa temperatura di esercizio dell'alloggiamento del filamento è anche la ragione della bassa emissione luminosa e della bassa efficienza delle lampade a incandescenza.
La presenza di un riempimento di gas, che riduce l'evaporazione del tungsteno, consente di aumentare leggermente la frazione di energia emessa nello spettro visibile a causa di un aumento della temperatura del colore. L'uso di filamenti a spirale e il riempimento con gas più pesanti (krypton, xenon) consente un ulteriore aumento della frazione di radiazione che cade sulla regione visibile, ma misurata solo in una piccola percentuale.
Il più economico, ad es. con la massima efficienza luminosa, sarà una sorgente che converte tutta la potenza in ingresso in radiazione di quella lunghezza d'onda. L'efficienza luminosa di tale sorgente, cioè il rapporto tra il flusso luminoso da essa creato e il flusso massimo possibile a parità di potenza in ingresso, è pari all'unità. Si scopre che l'emissione luminosa massima è di 621 lm / W.
Da ciò è chiaro che l'efficienza luminosa delle lampade a incandescenza sarà significativamente inferiore alle cifre che caratterizzano la radiazione visibile (7,7 - 15 lm / W).I valori corrispondenti si trovano dividendo la potenza luminosa della lampada per la potenza luminosa di una sorgente con efficienza luminosa pari all'unità. Di conseguenza, otteniamo un'efficienza luminosa dell'1,24% per una lampada a vuoto e del 2,5% per una a gas.
Un modo radicale per migliorare le lampade a incandescenza sarebbe trovare materiali per il corpo del filamento in grado di funzionare a temperature significativamente più elevate rispetto al tungsteno.
Ciò aumenterebbe l'efficienza e migliorerebbe il croma della loro emissione. Tuttavia, la ricerca di tali materiali non è stata coronata da successo, a seguito della quale sono state costruite sorgenti luminose più economiche con una migliore distribuzione spettrale sulla base di un meccanismo completamente diverso per convertire l'energia elettrica in luce.
Un altro svantaggio delle lampade a incandescenza:
Perché le lampade a incandescenza si bruciano più spesso al momento dell'accensione
Nonostante la superiorità economica, nessuno dei tipi di lampade a scarica di gas si è dimostrato in grado di sostituire le lampade a incandescenza per l'illuminazione, ad eccezione lampade fluorescenti… La ragione di ciò è l'insoddisfacente composizione spettrale della radiazione, che distorce completamente il colore degli oggetti.
Le lampade ad alta pressione con gas inerti hanno un'elevata efficienza luminosa, un esempio tipico è Lampada al sodio, che ha la più alta efficienza luminosa di tutte le lampade a scarica di gas, comprese quelle fluorescenti. La sua elevata efficienza è dovuta al fatto che quasi tutta la potenza in ingresso viene convertita in radiazione visibile.Una scarica in vapori di sodio emette solo un colore giallo nella parte visibile dello spettro; pertanto, se illuminati con una lampada al sodio, tutti gli oggetti assumono un aspetto del tutto innaturale.
Tutti i diversi colori vanno dal giallo (bianco) al nero (una superficie di qualsiasi colore che non riflette i raggi gialli). Questo tipo di illuminazione è estremamente sgradevole alla vista.
Pertanto, le sorgenti luminose a scarica di gas, attraverso il metodo stesso di creazione della radiazione (eccitazione dei singoli atomi), risultano essere, dal punto di vista delle proprietà dell'occhio umano, un difetto fondamentale costituito dalla struttura lineare del spettro.
Questo inconveniente non può essere completamente superato utilizzando direttamente la scarica come sorgente luminosa. Una soluzione soddisfacente è stata trovata quando al bit è stata assegnata solo la funzione eccitazione del bagliore dei fosfori (lampade fluorescenti).
Le lampade fluorescenti hanno una proprietà sfavorevole rispetto alle lampade a incandescenza, che consiste in forti fluttuazioni del flusso luminoso durante il funzionamento a corrente alternata.
La ragione di ciò è l'inerzia significativamente inferiore del bagliore dei fosfori rispetto all'inerzia dei filamenti delle lampade ad incandescenza, per cui a qualsiasi tensione che passa per lo zero, che porta alla cessazione della scarica, il fosforo riesce a perdere una parte significativa della sua luminosità prima che si verifichi la scarica nella direzione opposta. Si scopre che queste fluttuazioni nel flusso luminoso delle lampade fluorescenti superano le 10-20 volte.
Questo fenomeno indesiderato può essere notevolmente attenuato accendendo due lampade fluorescenti adiacenti in modo che la tensione di una di esse sia in ritardo rispetto alla tensione della seconda di un quarto di periodo.Ciò si ottiene includendo un condensatore nel circuito di una delle lampade, che crea lo sfasamento desiderato. L'utilizzo di un contenitore contemporaneamente migliora e Fattore di potenza l'intera installazione.
Risultati ancora migliori si ottengono commutando con sfasamento di tre e quattro lampade. Con tre lampade, puoi anche ridurre le fluttuazioni del flusso luminoso accendendole in tre fasi.
Nonostante una serie di difetti sopra menzionati, le lampade fluorescenti, a causa della loro elevata efficienza, si sono diffuse e un tempo, sotto forma di lampade fluorescenti compatte, le lampade a incandescenza sono state sostituite ovunque. Ma anche l'era di queste lampade è finita.
Attualmente, le sorgenti luminose a LED sono utilizzate principalmente nell'illuminazione elettrica:
Il dispositivo e il principio di funzionamento della lampada a LED