Lampade fluorescenti compatte (CFL) e tubolari

Le lampade fluorescenti (più precisamente: lampade a vapori di mercurio a bassa pressione con strato fluorescente) fanno parte, assieme ad altre che omettiamo in questa sede, della categoria più ampia delle lampade a scarica. Queste, come abbiamo detto, sono radiatori a luminescenza, in cui la radiazione luminosa è provocata dagli urti reciproci di particelle, cariche elettricamente, di un gas o un vapore.

Figura 5.156 – Schemi del circuito elettrico e del funzionamento di una lampada fluorescente a tubo.

L’energia raggiante emessa da un lampada a scarica è prodotta per emissione da parte del “plasma” (principalmente sotto forma di UV) generato dalla ionizzazione del gas contenuto nella lampada in seguito al passaggio di corrente elettrica. Poiché però la tensione di rete non è sufficiente per innescare la scarica elettrica, è necessario provvedere con opportuni circuiti a provocare una prima ionizzazione del gas; questo può essere ottenuto provocando un momentaneo aumento della tensione di alimentazione per mezzo di trasformatori e starter. Inoltre, a lampada accesa, per evitare l’aumento incontrollato delle collisioni, e quindi della temperatura e della pressione interna, è indispensabile un dispositivo elettronico, detto “reattore”, capace di limitare e stabilizzare la scarica.

Una lampada di questo tipo è costituita da un tubo di vetro e quarzo trasparente (rettilineo, circolare o ricurvo come nelle fluorescenti compatte), riempito con un determinata quantità di gas ed eventualmente un metallo del tipo e in quantità variabili a seconda della tipologia di lampada e della luce richiesta; all’estremità del tubo sono poi saldati due elettrodi collegati ai conduttori di alimentazione.

Le lampade fluorescenti, in particolare, hanno la superficie interna del tubo rivestita di uno strato di fosfori (diversi a seconda del tipo di luce desiderato), i quali, eccitati dall’emissione del plasma, emettono fotoni su varie lunghezze d’onda. Le tonalità di colore consentite da queste lampade sono fondamentalmente 4; mettendole in ordine dalla più fredda alla più calda (ovvero da quella a temperatura di colore maggiore a quella minore) si ha:

 daylight: luce simile a quella diurna con cielo nuvoloso, usata per campionare i colori e per creare un’atmosfera fredda, temperatura di colore di 6500 K;

 cool white: luce bianca fredda, temperatura di colore di 4500 K;

 white: luce bianca abbastanza simile a quella delle lampade ad incandescenza, usata per integrare la luce naturale con quella artificiale, temperatura di colore di 3500 K;

 warm white: luce bianca calda molto vicina a quella delle lampade ad incandescenza, per creare un’atmosfera calda, temperatura di colore di 3000 K;

Nonostante queste sorgenti siano tra le più efficienti (e anche di molto, se confrontate con quelle ad incandescenza), trasformano in energia nel campo del visibile solamente il 22% di quella totale, emettendo per la restante parte il 73% circa di IR e il 5% circa di UV.

In generale, quindi, le lampade a scarica hanno una durata e un’efficienza molto maggiore rispetto a quelle a filamento, accompagnate da una ridotta luminanza (fonte di abbagliamento) e da una buona resa cromatica; tuttavia presentano anche qualche svantaggio, come la necessità di apparecchiature ausiliarie (starter, reattori, trasformatori, ecc.) molto sensibili a piccole variazioni di tensione o ad armoniche di corrente presenti in rete, oltre all’elevato ingombro e ai costi maggiori.

Efficienza luminosa ≈ 35 Lumen/W

Indice di resa cromatica 80

Temperatura di colore 3000÷6500 K

Vita utile 2000÷4000 h

Tabella 5.31 – Caratteristiche principali delle lampade fluorescenti.

L’analisi condotta in merito alle lampade fluorescenti ha riguardato sia un proiettore portatile contenente una fluorescente compatta da 36 W (di quelle ad accensione istantanea) sia una fluorescente tubolare, sempre da 36 W, tipica degli ambienti di lavoro. La prima indagine ha avuto come oggetto la fluorescente compatta (vedi specifiche in Tabella 5.32).

Alimentazione 220-240 V ~ 50 Hz

Potenza nominale 36 W

Temperatura di colore 6400 K

Tonalità Daylight

Figura 5.157 – Immagine del proiettore monitorato e della lampada CFL inserita.

Come appare evidente dai due grafici che seguono, il profilo di assorbimento è nettamente diverso rispetto ad un lampada a filamento, sia per quanto riguarda i valori efficaci sia per l’andamento istantaneo.

Nel primo caso si può notare che la potenza dissipata, identicamente alla corrente, non è per niente costante bensì è fatta a gobbe asimmetriche con il punto di massimo spostato quasi alla fine; questa particolare conformazione è dovuta all’azione stabilizzante del reattore.

Figura 5.158 – Lampada fluorescente compatta: andamento di potenza media e corrente efficace all’accensione e a regime.

L’altro aspetto distintivo è senza dubbio la forma d’onda, caratterizzata da un andamento a picchi la cui forma rimanda ancora una volta ad un ponte a diodi. In Figura 5.159 è riportato l’andamento di una “gobba”, partendo dal primo picco (di ampiezza minore rispetto agli altri) fino a raggiungere l’ultimo picco in fase decrescente; il tratto specifico, inoltre è perfettamente corrispondente a 0,5 s, a conferma di quanto detto.

Figura 5.159 – Lampada fluorescente compatta: andamento di tensione e corrente istantanee.

Il secondo campionamento si è svolto sulla fluorescente tubolare (vedi specifiche in Tabella

5.33), la quale come si vedrà ha un assorbimento differente dalla CFL.

Alimentazione 220-240 V ~ 50 Hz

Potenza nominale 36 W

Temperatura di colore 4000 K

Tonalità Cool White

Tabella 5.33 – Caratteristiche tecniche della lampada fluorescente tubolare.

Figura 5.160 – Immagine di una lampada fluorescente tubolare comune.

Contrariamente alla fluorescente compatta, dalla Figura 5.161 si evidenziano le scariche iniziali prima dell’accensione completa: l’interruttore, e quindi il primo tentativo di scarica, è stato azionato a circa 500 ms, mentre il secondo tentativo si è verificato dopo circa 1,5 s, ottenendo la ionizzazione del gas e l’accensione della lampada. Le prove fatte sono state più di una, ma in tutti i casi la lampada si è accesa alla seconda scarica e con circa gli stessi tempi. Osservando le variazioni di potenza e di corrente, in valore efficace, ci si rende conto che seguono percorsi diversi: la potenza cresce ad ogni scarica, mentre la corrente è inizialmente ad un valore elevato per poi ridursi a regime.

Questo fenomeno si spiega osservando cosa succede alla forma d’onda della corrente, dalla

Figura 5.162 alla Figura 5.165: inizialmente la corrente elettrica serve ad alimentare lo starter

che, dopo circa 1 s, genera una sovratensione (non rilevata perché interna ai componenti della lampada) con conseguente picco di corrente, in modo da creare una prima scarica e riscaldare il gas; tuttavia le condizioni raggiunte non sono sufficienti per la conduzione (in questa fase viene assorbito meno di un terzo della potenza a regime), perciò l’operazione si ripete e dopo

poco tempo si effettua un’altra scarica che questa volta riesce a portare il gas alla temperatura di ionizzazione, chiudendo quindi il circuito e facendo fluire la corrente nella lampada.

Figura 5.161 – Lampada fluorescente tubolare: andamento di potenza media e corrente efficace.

Figura 5.162 – Lampada fluorescente tubolare: andamento di tensione e corrente istantanee all’avvio (prima scarica).

Figura 5.163 – Lampada fluorescente tubolare: andamento di tensione e corrente istantanee alla seconda scarica.

Figura 5.164 – Lampada fluorescente tubolare: andamento di tensione e corrente istantanee alla terza scarica (accensione).

Figura 5.165 – Lampada fluorescente tubolare: andamento di tensione e corrente istantanee a regime.