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Sorgenti luminose
Prof. Ing. Cesare Boffa
Caratteristiche
illuminotecniche
delle sorgenti
Prof. Ing. Cesare Boffa
Le sorgenti luminose
Naturali
Sole (luna)
Volta celeste
Artificiali
• Lampade a incandescenza
• Lampade a scarica nei gas
• Lampade a luce miscelata
• Lampade a LED
Prof. Ing. Cesare Boffa
Caratteristiche
delle lampade
Flusso luminoso ø[lum]
Quantità di luce emessa per unità di
tempo
Efficienza luminosa ηlum[lum/W]
Rapporto tra flusso luminoso
e potenza elettrica assorbita
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Caratteristiche
delle lampade
Temperatura di colore [K]
Temperatura del corpo nero
che emette luce dello stesso
colore emesso dalla lampada
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Caratteristiche
delle lampade
Resa cromatica
Indice della capacità della lampada di
riprodurre fedelmente i colori degli oggetti
illuminati in relazione alla luce naturale
(forma
dello spettro di emissione)
Durata media [h]
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Lampade
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(estratto)
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(estratto)
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(estratto)
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(estratto)
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(estratto)
Prof. Ing. Cesare Boffa
Lampade a incandescenza
Queste lampade sono le più
antiche
Un filamento di tungsteno (t. fusione
3643 K - corpo grigio) emette
radiazione visibile portato a
incandescenza per effetto Joule dal
passaggio di corrente elettrica
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Lampade a incandescenza
Più è alta la temperatura del
filamento, più è alta l’efficienza
luminosa e più è “bianca” la luce
emessa
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Lampade a incandescenza
Occorre rimanere a temperature ben
più basse di quella di fusione del
filamento per evitare consumi troppo
rapidi del filamento stesso
(sublimazione)
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Curve rappresentative del potere emissivo
monocromatico (potenza emessa per unità di
lunghezza d’onda e per unità di area entro un
angolo solido unitario) del corpo nero alle varie
temperature
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(estratto)
Temp. Fusione Tungsteno 3370 [° C]
TEMP
UV
VISIBILE
I.R.
°K
0,30÷0,38
[µm]
0,38÷0,78
[µm]
0,78÷1,40
[µm]
1,40÷103
[µm]
2200
0,01%
4%
26%
∼ 70%
2400
0,03%
6%
31%
∼ 63%
2600
0,05%
7%
35%
∼ 58%
2800
0,14%
11%
37%
∼ 52%
3000
0,24%
14%
39%
∼ 47%
3200
0,45%
17%
40%
∼ 42%
3500
0,84%
21%
41%
∼ 37%
Distribuzione energetica spettrale nei campi UV, Visibile ed InfraRosso, in funzione della
temperatura del corpo nero
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0,380
0,436
0,495
0,566 0,598 0,627
Infrarosso
Rosso
Arancione
Arancione
Giallo
Verde
Blu
Violetto
Ultra
violetto
0
0,780
λ
[µm]
Spettro del visibile
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Per evitare fenomeni di ossidazione
nell’ampolla originariamente veniva
fatto il vuoto
Per evitare fenomeni di evaporazione
superficiale e consentire il
raggiungimento di elevate temperature
del filamento si introduce oggi
un gas inerte (argon)
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Lampade a incandescenza
Potenza emessa nel visibile
≅ 0,02
Potenza emessa nel tutto lo spetro
Efficienza luminosa
10 ÷ 20 lumen/Watt
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Lampade a incandescenza con
alogeni
Lo iodio, posto all’interno delle
lampade, si associa
al tungsteno depositato
sul vetro, più freddo, e
per convezione termica
lo riporta sul filamento, più caldo,
dove si dissocia
e torna in ciclo
Prof. Ing. Cesare Boffa
Lampade a incandescenza con
alogeni
È possibile così aumentare la
temperatura del filamento di
tungsteno (a 2800 K) la cui
sublimazione è compensata dal
meccanismo sopra descritto
Prof. Ing. Cesare Boffa
Sorgenti a scarica nei gas
Utilizzano le radiazioni emesse nella
zona del visibile da gas eccitati
mediante scarica elettrica
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Sorgenti a scarica nei gas
Gli aeriformi (vapori di mercurio,
vapori di sodio, neon, ecc.), sono
contenuti normalmente in tubi cilindrici
di vetro alle cui estremità sono posti
due elettrodi responsabili della scarica
all’interno del gas che ne provoca
l’eccitazione
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Sorgenti a scarica nei gas
Lo spettro delle radiazioni emesse dal
gas eccitato è sostanzialmente a righe,
sovrapposto ad una parte continua più
o meno intensa
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Lampade a vapori di mercurio a
bassa pressione “fluorescenti”
Con le lampade a vapori di mercurio a
bassa pressione la parete interna del tubo
può essere ricoperta da una sostanza
bianca fluorescente
in grado di trasformare le radiazioni
ultraviolette di
cui sono ricche le radiazioni emesse in
radiazioni visibili
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Lampade a vapori di mercurio a
bassa pressione “fluorescenti”
Si hanno così i comuni tubi
fluorescenti
CLF (fluorescenti compatte)
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Lampada fluorescente
compatta
Lampada da tavolo a
LED
Lampione LED
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Lampade tradizionali e nuova generazione di
sorgenti luminose basate su tecnologia
OLED
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Lampade a luce miscelata
Sono sorgenti combinate, a vapori
di mercurio e ad incandescenza,
usate per illuminazione
commerciale grazie alla buona
resa cromatica
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Distruzione spettrale di alcune lampade a
luce miscelata
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Lampade a vapori di sodio
Utilizzano vapori di sodio in luogo
di quelli di mercurio
Non hanno sali fluorescenti
sull’involucro di vetro
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Lampade a vapori di sodio
Emettono una luce gialla con alta
efficienza luminosa e scarsa
resa cromatica
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Distribuzione spettrale di
lampade al sodio
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Lampade ad argon
Sono lampade a scarica nei gas
che raggiungono elevate efficienze
120 lumen/watt
Utilizzate per illuminazione di
grandi spazi pubblici
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Lampade a LED
LED Light Emitting Diode
Sfruttano le proprietà ottiche di
alcuni materiali semiconduttori che
producono fotoni a partire dalla
ricombinazione di coppie elettronelacuna
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Lampade a LED
I LED sono uno speciale tipo di diodi a
giunzione p-n formato da un sottile
strato di materiale semiconduttore
(Arseniuro di Gallio GaAs, Fosfuro di
Gallio GaP, fosfuro di Arseniuro di
Gallio GaAsP, Carburo di Silicio SiC,
Nitruro di Gallio e Indio GaInH)
Prof. Ing. Cesare Boffa
Lampade a LED
La scelta dei semiconduttori determina
la lunghezza d’onda dell’emissione di
picco dei fotoni, l’efficienza della
conversione elettro-ottica
e quindi il flusso
luminoso prodotto
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Distribuzione spettrale del flusso radiativo (luminoso) emesso da LED
monocromatici di vario colore e da LED a luce bianca.
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Lampade a LED
OLED /POLED
Organic Light Emitting Diode
Polymer Organic LED
Polimero conduttivo
elettroluminescente “organico”
contenente una struttura costituita
prevalentemente da Carbonio
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Lampade a LED
OLED /POLED
Emettono luce bianca
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Lampade a induzione
La scarica nei gas è indotta senza
elettrodi da un alimentatore elettronico
ad alta frequenza che produce
ionizzazione tramite un
accoppiamento induttivo all’interno
della lampada
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Lampade a induzione
Le radiazioni HF vengono convertite in
visibili con fosfori posti all’interno della
superficie esterna della lampada
Prof. Ing. Cesare Boffa
Lampade a induzione
La tipologia costruttiva, senza fili,
consente di avere una durata teorica
di 60.000 ore, la temperatura di colore
varia tra
3000 K e 4000 K
La resa cromatica è Ro=85
e l’efficienza luminosa raggiunge i 65
lum/W
Prof. Ing. Cesare Boffa
Caratteristiche delle
lampade
a scarica
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Rendimento delle lampade
in funzione degli anni
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Apparecchi
illuminanti
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Apparecchi illuminanti
Le lampade vengono inserite
in apparecchi illuminanti che hanno lo
scopo di proteggerle
e di modificare la distribuzione nello spazio
della intensità luminosa emessa
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Il solido fotometrico rappresenta la
distribuzione nello spazio della intensità
luminosa della sorgente.
L’indicatrice fotometrica rappresenta la
sezione del solido fotometrico con un
piano, in genere perpendicolare al piano
utile, passante per la sorgente
Prof. Ing. Cesare Boffa
Solido fotometrico e sua
sezione in piano
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Esempi di
apparecchi da
interni
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φapparecchi o
Rendimento luminoso =
φlampada
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Illuminazione
artificiale
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Illuminazione artificiale
Esterni
(strade, piazze, ecc)
Interni
(gallerie, abitazioni, uffici, ambienti
industriali)
Prof. Ing. Cesare Boffa
Calcoli di
illuminamento per
esterni
Prof. Ing. Cesare Boffa
Prof. Ing. Cesare Boffa
Illuminamento artificiale di
esterni
Illuminazione di strade,
piazze, ecc.
Illuminazione
“architettonica”
Metodo di calcolo
dell’illuminamento artificiale in
ambienti esterni
Prof. Ing. Cesare Boffa
Caso 1
Calcolo dell’illuminamento prodotto in un punto
generico P del piano utile da una sorgente
puntiforme S
Data una sorgente luminosa puntiforme S
avente indicatrice di emissione I=Io (1+cos ε),
con simmetria di rotazione attorno ad un asse
verticale, con Io=1000 cd, posta ad una altezza
h=3 m dal piano da illuminare calcolare:
Prof. Ing. Cesare Boffa
Continuazione
Calcolare: l’illuminamento su detto piano in un
punto P distante d=4 m dal piede della
perpendicolare condotta dalla sorgente al piano.
I ε
S
S
h=3 m
ε
I(ε)
P 4m
Indicatrice
fotometrica
Prof. Ing. Cesare Boffa
Continuazione
dφ
E=
dS
dφ = Id ω
I dω
dE =
dS
dS cos ε
dω =
ρ2
I cos ε
E=
2
ρ
S
ρ
dω
ε
3m
dS cosε
P
dS
4m
Prof. Ing. Cesare Boffa
Nel punto generico P
cos ε
E = 1000(1 + cos ε) 2
ρ
Nel nostro caso
h 3
cos ε = = = 0,6
ρ 5
0,6
E = 1000(1 + 0 ,6)
= 38,4 lux
25
Prof. Ing. Cesare Boffa
Caso 2
Calcolo del fattore di utilizzazione del flusso
prodotto da una sorgente che illumina una
piazza
Una sorgente luminosa puntiforme che assorbe
una potenza elettrica W el=200 W con una
efficienza luminosa ηlum=80 lumen/watt illumina
una piazza avente superficie S di 100 m2 e vi
produce un illuminamento medio pari a Em=100
lux.
Calcolare il fattore di utilizzazione del flusso.
Prof. Ing. Cesare Boffa
fattore di utilizzazione del flusso

flusso lu min oso utile



 flusso lu min oso emesso dalla sorgente 
flusso luminoso utile
φu = S Em = 100 x100 = 10000 lumen
flusso luminoso emesso dalla
sorgente
φtot = W ηlum = 200 x 80 = 16000 lumen
Fattore di utilizzazione del flusso
10000
= 0,625
16000
Prof. Ing. Cesare Boffa
Caso 3
Calcolo dell’illuminamento prodotto in un punto
generico P della superficie di una piazza da una
sorgente luminosa puntiforme e del coefficiente
di utilizzazione del flusso
Sia data una sorgente luminosa con solido
fotometrico sferico con intensità luminosa I=572
cd.
Questa sorgente è posta al centro di una piazza
circolare di diametro 30 m ad una altezza di 8,66
m.
Prof. Ing. Cesare Boffa
Calcolare in un punto P posto ad una distanza
d=5 m dal piede della lampada:
a) L’illuminamento sul piano orizzontale;
b) L’illuminamento su di un piano normale alla
congiungente il punto P con il centro della
lampada.
Calcolare inoltre il coefficiente di utilizzazione del
flusso.
Prof. Ing. Cesare Boffa
a) sul piano orizzontale
I cos ε
E=
ρ2
ρ = h 2 + d2 = 10m
h
cos ε = = 0,866
ρ
0,866
E = 572
= 4,95 lux
100
Prof. Ing. Cesare Boffa
b) illuminamento su di un piano normale alla congiungente
punto P con il centro della lampada
ds
dω
E=I
dω = 2
ds
ρ
poiché ds è perpendicolare alla congiungente il punto P con
il centro della lampada si ha:
I
572
E= 2 =
= 5,72 lux
ρ
100
Prof. Ing. Cesare Boffa
Calcolo del fattore di utilizzazione del flusso
φtotale
4π
emesso
= ∫ Idω = 572 ⋅ 4π = 7184 lumen
0
φutile = ΣEi ∆A i = 1796 lumen
Fattore di utilizzazione del flusso =
φutile
φtotale
emesso
1796
=
= 0,25
7184
Prof. Ing. Cesare Boffa
Inserto
Prof. Ing. Cesare Boffa
Inserto (continua)
Prof. Ing. Cesare Boffa
Inserto (continua)
Prof. Ing. Cesare Boffa
Inserto (continua)
Prof. Ing. Cesare Boffa
Inserto (continua)
Prof. Ing. Cesare Boffa
Inserto (continua)
Prof. Ing. Cesare Boffa
Caso 4
Scelta tra sorgenti luminose puntiformi aventi
diverso costo e diversa efficienza luminosa
Si considerino due tipi di sorgenti A e B aventi lo
stesso solido fotometrico, la stessa resa
cromatica e la stessa vita utile (5000 ore).
Prof. Ing. Cesare Boffa
La sorgente A ha efficienza luminosa
ηlum
lumen
= 75
W
assorbe una potenza
elettrica di 200 Wel e costa, installata, 50 €.
La sorgente B ha efficienza luminosa
ηlum
lumen
assorbe anch’essa una
= 15
W
potenza elettrica di 200 Wel e costa, installata, 5 €.
Prof. Ing. Cesare Boffa
Valutare quale sia la sorgente più
conveniente a pari illuminamento prodotto
sul piano utile.
Si supponga che il costo dell’energia elettrica sia
costante e pari a 0,10 €/kWh.
Si intende per “più conveniente” quella che
comporta minori costi “complessivi” di acquisto,
installazione, gestione
Prof. Ing. Cesare Boffa
Il costo complessivo di una sorgete è dato dalla
somma del costo della sorgente (installata) ci e
del costo ce dell’energia elettrica assorbita nella
sua vita (bilancio economico classico).
Nota: in realtà bisognerebbe anche aggiungere i costi di
smaltimento a fine vita ed i costi ambientali provocati dal
funzionamento della sorgente durante la vita della stessa in un
bilancio etico ed ambientale.
Affinché i due tipi di sorgenti producano lo
stesso illuminamento è necessario che
producano lo stesso flusso luminoso
Prof. Ing. Cesare Boffa
Flusso luminoso prodotto
φu = ηlum Wel
Sorgente A
φlum = 75 x 200 = 15000 lumen
Sorgente B
φlum = 15x 200 = 3000 lumen
Prof. Ing. Cesare Boffa
Per produrre lo stesso flusso luminoso sarà
necessario installare 5 lampade di tipo B anziché
1 di tipo A.
Il costo iniziale risulta quindi:
Sorgente A ci = 50 €
Sorgente B
ci = 5*5 = 25 €
Prof. Ing. Cesare Boffa
Sorgente di tipo A
Energia elettrica E.E. assorbita nella vita della
sorgente
EE = ore di vita ∗ potenza elettrica assorbita =
= 5000 ∗ 200 = 1∗ 10 6 Wh = 1000 kWh
Costo ce dell’energia elettrica assorbita durante
la vita della sorgente
€
c e = 1000 kWh ∗ 0,1
= 100 €
kWh
Prof. Ing. Cesare Boffa
Sorgente di tipo B
Ciascuna sorgente di tipo B assorbe la stessa
potenza elettrica della sorgente di tipo A e quindi
il costo dell’energia elettrica assorbita è uguale,
cioè 100 €.
Poiché occorrono 5 sorgenti di tipo B per
produrre lo stesso flusso luminoso, il costo
complessivo dell’energia elettrica consumata è
pari a
5 x100 = 500 €
Prof. Ing. Cesare Boffa
Quindi la somma dei costi delle sorgenti
(installate) e dell’energia elettrica consumata nel
corso della vita delle stesse risulta:
Tipo A
50+100 = 150 €
Tipo B
25+500 = 525 €
Ne consegue che la lampada di tipo A, pur
costando 10 volte di più di quella di tipo B, è
complessivamente molto più conveniente.
Prof. Ing. Cesare Boffa
Si fa infine notare che con la lampada di tipo A si
consuma 5 volte meno energia elettrica che con
la lampada di tipo B con conseguente
miglioramento della “sostenibilità ambientale”
(emissioni di CO2, consumi di fonti energetiche
non rinnovabili, inquinamento atmosferico).
Prof. Ing. Cesare Boffa