LUCE Radiazione elettromagnetica percepita dall’occhio ... · sensazione visiva a due diverse...

LUCE

Radiazione elettromagnetica percepita dall’occhio umano. Ècaratterizzata da una lunghezza d’onda λ, frequenza f e velocità di propagazione nel mezzo c.La lunghezza d’onda visibile è compresa tra

0,38µm ≤ λ ≤ 0,78µm. Oppure380nm ≤ λ ≤ 780nm

E campo elettricoB campo magnetico

Grandezze Fisiche caratteristiche

La velocità di propagazione c (m s-1) è la velocità con cui l'onda avanza nelmezzo.La lunghezza d'onda (µm o nm) è la distanza tra due punti che hanno lastessa ampiezza e la stessa fase.Il periodo T(s) è il tempo impiegato dall'onda a percorrere una distanza pariad una .La frequenza f (s-1, Hz) è il numero di oscillazioni che l’onda compienell’unità di tempo. È l’inverso del periodo T

La velocità di propagazione nel vuoto èc0 3 · 108 m/s.

fT

c

n

cc 0

n: indice di rifrazione del mezzoNel vuoto n = 1, in aria si assume normalmente =1, nel plexiglass1,33, nel vetro ottico 1,5

Secondo la teoria quantistica le radiazioni elettromagnetiche sono sempre emesse/assorbite informa di quantità discrete di energia (quanti di energia) proporzionale alla loro frequenzasecondo la relazione di Planck:E = h • f dove:h = costante di Planck (h = 6.63•10-34 [J•s]).f = frequenza (Hz)

Luce naturale

Il fenomeno della visione è legato all’effetto provocato sull’occhioumano dall’energia luminosa che nell’unità di tempo lo investe. Sitratta perciò di un fenomeno che presenta aspetti oggettivi, valutabiliquantitativamente con le grandezze energetiche relative, ed aspettisoggettivi, legati alle modalità ed alle capacità percettive dell’occhio.

Un fascio di radiazioni luminose composto da onde di tutte le lunghezze d'onda(policromatico) e con una stessa potenza spettrale Wλ appare al nostro occhio come lucebianca

Luce naturaleLa sensibilità dell’occhio umano alla luce è dipendente non dall’energia raggiante incidente ma dallapotenza

Dopo un breve tempo di adattamento, esso raggiunge un certo grado di sensibilizzazione e non modificanel tempo l’immagine ricevuta sebbene l’energia raggiante aumenti proporzionalmente al tempo diesposizione.La sensazione percepita dall’occhio investito da radiazioni luminose è influenzata sia qualitativamenteche quantitativamente dalle lunghezze d’onda che le caratterizzano. Infatti, a radiazioni di diversalunghezza d’onda corrispondono reazioni dell’occhio qualitativamente diverse, che danno luogo adifferenti sensazioni cromatiche.

All’interno dello spettro del visibile la sensazione non è quantitativamente la stessa nei vari settori cromatici. Inparticolare, l’occhio ha la massima sensibilità al centro dello spettro (circa 555 nm, giallo-verde) e minima agliestremi. Ciò significa che una radiazione di colore rosso, per produrre la stessa sensazione quantitativa deve avereun contenuto energetico molto più elevato di una radiazione emessa alla lunghezza d’onda del giallo-verde. Questoequivale a dire che la stessa potenza radiante appartenente al campo del visibile produce una sensazione più intensase caratterizzata dalla lunghezza d’onda del giallo-verde e meno intensa se invece appartiene al campo del rosso.

COEFFICIENTE DI VISIBILITA’

Campo del visibile 380 nm 780 nm

L’occhio percepisce meglio la gamma di lunghezze d’onda intermedie. Per ottenere la stessasensazione visiva a due diverse lunghezze d’onda, occorre inviare una maggiore energia nell’unità ditempo per la radiazione alla cui lunghezza d’onda l’occhio è meno sensibile.

Detto K() il fattore di visibilità e W() la potenza della radiazione, per avere la stessa sensazionevisiva a due diverse lunghezze d’onda 1 e 2 dovrà essere:

Il fattore K() risulta definito a meno di una costante arbitraria.

Il massimo di sensazione visiva si ha per una = 555 nm per questa lunghezza d’onda il fattore divisibilità assume il valore Kmax = 683 (lm W-1).

Il rapporto tra il fattore di visibilità relativo K(λ) ad una lunghezza d’onda λ ed il fattore di visibilitàmassimo Kmax, definisce il coefficiente di visibilità V() :

K W K W 1 1 2 2

VK

K

max

L’Illuminotecnica è la parte di Fisica Tecnica che studia i problemi diilluminazione, sia naturale che artificiale, al fine di assicurare le condizioni dibenessere ambientale e di comfort visivo

La Fotometria si occupa della misura della quantità di energia raggiante emessada una sorgente, o ricevuta da una superficie, in relazione alle sensazioni prodottenell’individuo attraverso l’occhio

Fotometria: Grandezze Illuminotecniche

Flusso LuminosoIl flusso luminoso è la grandezza fotometrica che misura l’intensitàdella sensazione luminosa in relazione alla potenza W() dello stimolo.

Ovvero la quantità di energia luminosa emessa nell’unità di tempo eponderata dal coefficiente di visibilità

L’unità di misura del flussoluminoso è il lumen (lm).

W K d 380

780

K W V dmax 380

780

DoveK(λ) fattore di visibilitàV(λ) coefficiente di visibilitàKmax fattore di visibilità massimo = 683 lm•W-1

Flusso Luminoso dVWKnm

nm

m 780

380

Intensità Luminosa

Simbolo IUnità di misura candela (cd)

Idd

Il flusso luminoso emesso da una sorgente si ripartisce in genere nelle varie direzionidello spazio in maniera non uniforme. È importante determinare la distribuzionespaziale del flusso luminoso ai fini della previsione degli effetti che tale ripartizioneavrà sulla maggiore o minore efficacia con cui le superfici verranno illuminate. Perfar questo si introduce una grandezza fotometrica, detta “Intensità luminosa”(grandezza fisica fondamentale) definita come:Flusso luminoso emesso da una sorgente puntiforme nella direzione all’internodell’angolo solido infinitesimo d.

lm/sr = candela (cd)

d

dI

2r

dSd

DovedS superficie disposta perpendicolarmente alla direzione Ωr raggioω angolo solido

Idd

683

11 max

sr

WKcd

40

I

W

lm

W

srcdK

683max

Per una sorgente che emette con la stessa intensità I0 in tuttele direzioni si ha:

La candela è l'intensità di una sorgente luminosa emessanell'angolo solido di 1 sr, con λ=555 nm [V(λ) = 1] e di potenzapari a 1/683 W

04 I

Conoscere la distribuzione spaziale dell’intensità luminosa ciconsente di costruire il cosiddetto solido fotometrico in cui,attraverso una rappresentazione vettoriale delle intensitàluminose, si descrive la ripartizione spaziale dell’intensitàattorno alla sorgente.

Solido fotometrico e curva fotometricaIntersecando il solido fotometrico con dei pianipassanti per l’asse ottico si ottengono le “curvefotometriche”. In queste curve, normalmente,l’intensità I è espressa in cd/klm

Illuminamento E (lux)

È la grandezza fotometricanormalmente presa a riferimento pervalutare l’entità dell’illuminazione in unambienteÈ definito dal rapporto tra il flussoluminoso incidente su di una superficie el’estensione della stessa:

Simbolo EUnità di misura lux (lx)

dS

dE

hr

I

dA

n

dA cos

EddA

I ddA

I dA

dA r

cos

2

EI

rI

h

cos cos2

3

2

ILLUMINAMENTO SUL PIANO ORIZZONTALE

h

r

I

CURVE ISOLUX

Corpo illuminante con curva simmetrica

CURVE ISOLUX

Corpo illuminante con curva asimmetrica

ILLUMINAMENTO VERTICALE

dA dA sen

hr

I

n

2rdA

sendAI

dA

dI

dA

dE

2

22cos

sen

h

I

r

senIE

La luminanza è la grandezza fotometrica certamente più importante nelladefinizione del comfort visivo in quanto fornisce una misura della luminosità diuna superficie che emette o riflette la luce.

La luminanza è definita come il rapporto tra l’intensità luminosa I emessa, riflessa otrasmessa dalla superficie nella direzione di propagazione e l’area apparente dellasuperficie stessa; ovvero la proiezione della superficie sul piano perpendicolare alladirezione di propagazione dell’intensità I

Simbolo LUnità di misura cd/m2

Luminanza

LI

dA

cos

Superfici LAMBERTIANE

In una superficie lambertiana l’intensità luminosa è emessa con lalegge:

cos nII

Dove In è l’intensità in direzione perpendicolarealla superficie.Ne consegue:

A

I

A

I

dA

dIL nn

cos

cos

cos

In una superficie lambertiana la Luminanza è indipendente dalladirezione

Emettenza Luminosa (M) o Radianza (R)

Si definisce emettenza luminosa M il flusso luminoso emesso in tutte le direzioni da unasorgente per unità di area della stessa

2m

lm

dA

dM

Il flusso Φ emesso dalla superficie dAnell’emisfero superiore (vedi irraggiamento) è:

cos dId n

dId

r

A2

ndd

ddsenrA 2n d

r

A2

ndd ddsen d

Per superfici lambertiane

Emettenza Luminosa (M) o Radianza (R)

dcos dsenId n

dcos2/

0

2

0

dsenIn

nI dA

IM n

Ma per superfici lambertiane

dA

IL n

quindi LM

Si consideri ora una superficie, caratterizzata da un fattore di riflessione medio pari a ρ sottoposta adun illuminamento E; un elemento di area dA rifletterà nel semispazio sovrastante un flusso luminosototale pari a

dAEd Per cui la sua superficie avrà un’emettenzaluminosa data da:

EdA

dM

Quindi per superfici lambertiane LE

EL

Valori indicativi di luminanze per sorgenti di luce naturale ed artificiale

Tipi di sorgente Luminanzacd m-2

Sole a mezzogiorno 1,6 109

Sole al tramonto 6 106

Cielo sereno 8000

Cielo nuvoloso 2000

Terreno a prato 800

Manto nevoso 3,2 104

Candela stearica 5000

lampada ad incandescenza da 60 W conbulbo chiaro 5 106

lampada ad incandescenza da 60 W conbulbo opalino 5 104

Lampada tubolare a fluorescenza da 18W

4000

Lampada ad alogenuri metallici 70 W 1,5 107

C = (L1 - L2) / L2

È importante sottolineare che la percezione dello spazio circostante avvieneapprezzando le differenze di luminanza;a tal proposito si definisce il contrasto come:

Dove dove L1 è la luminanza del dettaglio osservato L2 è la luminanza generale delcampo visivo (luminanza di fondo)

Abbagliamento

Cenni Colorimetria

La sensazione visiva di colore è caratterizzata essenzialmente da tre aspetti:

-Tono o Tinta è una caratteristica legata alla distribuzione spettrale dello stimolo luminoso che consente diclassificare il colore stesso come appartenente ad una delle categorie (blu, verde, giallo, rosso...) in cui èstato suddiviso lo spettro del visibile. Esiste una lunghezza d’onda, detta lunghezza d’onda dominante,intorno alla quale si distribuisce la maggior parte dell’energia luminosa che la caratterizza e quindi questalunghezza d’onda individua il colore con cui viene visto un oggetto.Una luce che sia caratterizzata da una distribuzione uniforme dell’energia a tutte le lunghezze d’ondarisulterà poco caratterizzata dal punto di vista cromatico e sarà definita di colore grigio.

-Purezza o Saturazione La saturazione o purezza di un colore è legata al rapporto tra il contenutoenergetico di una luce in corrispondenza della lunghezza d’onda dominante e quello relativo alle rimanentilunghezze d’onda dello spettro di emissione. Un colore caratterizzato da una debole saturazione, insaturo,tende al grigio e presenta una curva spettrale piuttosto uniforme; al contrario un colore saturo presenta unacurva spettrale molto concentrata intorno alla lunghezza d’onda dominante e risulta fortementecaratterizzato dalla tinta cui quella lunghezza d’onda corrisponde.

-Luminosità La luminosità di un colore è il parametro legato al contenuto energetico globale della luceconsiderata all’interno del suo spettro di emissione. Maggiore è l’energia emessa, maggiore è la luminositàdel colore considerato e maggiore risulterà la chiarezza con cui questo verrà percepito. Il bianco haluminosità massima, il nero ha luminosità nulla, il grigio ha una luminosità intermedia tra quelle delbianco e del nero.

Cenni Colorimetria

Il sistema CIE (Commission Internationale de Eclarage definisce univocamente ed in modomatematico (sistema CIE 1931) una radiazione luminosa, dal punto di vista cromatico,attraverso la quantificazione di tre coordinate numeriche X (rosso),Y (verde), Z (blu).Il sistema CIE nasce dalla constatazione sperimentale che dalla combinazione dei tre colorifondamentali è sempre possibile ottenere un fascio luminoso che dia la stessa sensazione dicolore di una luce qualsiasi.

La somma dei dati relativi al rosso, verde e blu si chiama “valore-tristimolo” di undeterminato colore

I valori tristimolo servono per calcolare le coordinate della cromaticità di un colore; talicoordinate rappresentano le percentuali relative di ciascun colore primario presente in un certocolore e il loro valore è indicato con lettere minuscole: x (rosso), y (verde) e z (blu).

In forma normalizzata sono rappresentati da.

ZYX

Xx

ZYX

Yy

ZYX

Zz

Vale sempre 1 zyx

Cenni Colorimetria

Lo spazio di colore CIE XYZ è stato volutamente definito in modo che il parametro Y fosseuna misura della luminanza di un colore. La cromaticità di un colore è quindi specificata dadue parametri x e y che sono funzioni dei tre valori di stimolo

ZYX

Xx

ZYX

Yy

La forma normalizzata consente di riferirsi solamente a due componenti, x e y, ottenendo la terza, z,per complemento ad 1, cioè

yxz 1

Diagramma CIE

Riportando in assi x e y i valori delle componenti cromatiche ottenute per i vari colori reali siottiene una curva a campana. All’interno si hanno tutti i colori combinazione di piùcomponenti cromatiche. Nel diagramma CIE le tre luci primarie sono poste ai vertici deltriangolo. Lungo i lati sono posti i colori ottenuti per miscela dei due colori situati alleestremità.I colori posti all’interno sono ottenuti invece per mescolanza. La quantità di rosso, verde e blu,presenti in un qualunque punto P sono espresse dal valore delle tre distanze di P daicorrispettivi lati del triangolo.Considerando un punto P interno al diagramma il suo colore può essere ottenuto da unamiscela di un colore monocromatico più il bianco di eguale energia (C; x = y = z = 0,333). Peridentificare tale colore basta unire P con C fino ad incontrare la linea dei colori puri.La lunghezza d’onda relativa a tale colore monocromatico è la lunghezza d’onda dominante

Diagramma CIE

Diagramma CIE

Curva di Plank

Rappresenta il luogo del corpo nero, ossia lacurva della radiazione emessa da un corponero a diverse temperature.

Temperatura di colore TC

È la temperatura alla quale bisogna portare un corponero affinché esso emetta una radiazione visibiledello stesso colore (stessa tonalità) dell’oggetto (olampada) considerato. Si misura in kelvin. TC (K)

Più la temperatura di colore è elevata più la luce saràbianca; più è bassa più la luce sarà rossa

Diagramma CIE

Sole TC ≈ 6000 KLampada ad incandescenza normale TC ≈ 2200 KLampada (incandescenza) alogena TC ≈ 2500 K.Luna 4100 KCielo coperto 6400 KCielo sereno 10 000 ÷ 25 000

In funzione della TC le sorgenti luminose si dividono(classificazione CIE) in:

Tonalità calda (TC < 3300 K)cl.1 (W) abitazioni e alberghi

Tonalità neutra (3300 <TC< 5300 K)cl.2 (I) ambienti comuni

Tonalità fredda (TC > 5300 K)cl.3 (C) uffici ed industria

Diagramma CIE

Retta Iprossimale

Ogni punto di una retta ha la stessa temperatura dicolore TC

Diagramma CIE

P

Supponiamo di avere determinato(attraverso un colorimetro) le coordinate delpunto Px = 0,4 y = 0,45

D

E

Prolungando la retta che unisce il punto Pcon il bianco di riferimento C fino adintersecare la curva dei colori puri, punto Enell’esempio, si ottiene la lunghezza d’ondadominate λ (nell’esempio) circa 570 nm.Il rapporto tra i segmenti CP e CD è lasaturazione

Se, per esempio, il rapporto è 0,8:Questo significa che per ottenere il colorescelto il dominante deve essere diluito conil 20% di bianco

Misura delle coordinate cromatiche e temperatura di coloreChroma Meter

IlluminamentoE = 664 (lux)

Coordinata cromaticax = 0,378

Coordinata cromaticay = 0,371


IlluminamentoE = 664 (lux)



P

Lunghezza d’ondadominanteλ = 580 nm circa




PTemperatura di ColoreTC = 4050 K circa

Emissione di un corpo nero

12

5

1,

T

cn

e

ce

Sorgenti Artificiali di Luce

Emissione di corpi solidi


Luce naturale ed artificiale

Temperatura di colore

È la temperatura alla quale bisogna portareun corpo nero per avere lo stesso coloredella luce emessa dalla lampada. TC (K)

L’effetto cromatico di una superficie dipendesia dal suo colore effettivo che dal tipo disorgente luminosa. L’indice di resa cromatica(CRI Colour Rendering Index) è la misura diquanto una sorgente luminosa è capace direndere i colori.

Indice di Resa Cromatica

CRI è un fattore numerico con valore massimo pari a 100.La resa cromatica è:Ottima con CRI tra 85 e 100Buona con CRI tra 70 e 85Discreta con CRI tra 50 e 70.


Relazione tra l’indice di resa cromatica e le classidi resa dei colori secondo UNI 10380

Sorgenti Artificiali di Luce: Lampade

Ci sono tre famiglie di lampade:Ad incandescenza, con filamento in tungstenoPossono essere:- a filamento sotto vuoto;- a filamento con gas inerti (argon);- a filamento a ciclo di alogeni (iodio, bromo):- a tensione di rete;- a bassa tensione (6, 12, 24 V);A scarica in gasPossono essere:- fluorescenti:- tubolari;- compatte;- a vapori di mercurio ad alta pressione;- a vapori di mercurio ad alta pressione con alogenuri (metal halide);- a vapori di sodio a bassa pressione;- a vapori di sodio ad alta pressione.LEDIl LED (Light Emitting Diode) è un dispositivo che sfrutta le proprietà ottiche di alcuni materialisemiconduttori per emettere energia luminosa a scapito della ricombinazione di coppie elettrone - lacuna.

Esempi di spettri di emissione

Lampade a scarica in gas

LED

Parametri di interesse

I principali parametri usati per caratterizzare una lampada sono:

Φ Flusso luminoso [lm]

ε Efficienza luminosa [lm/W]: rapporto tra flusso luminoso emesso e potenza elettrica assorbita.

Temperatura di colore TC [K]:Temperatura di un corpo nero che emette luce dello stesso colore della luce emessa dalla lampada.

Resa cromatica (CRI o IRC):Indice che indica quanto la lampada è capace di riprodurre fedelmente, in relazione alla luce naturale, icolori degli oggetti illuminati.

Durata media [h]:Numero di ore di funzionamento dopo il quale il 50% delle lampade di quel tipo ha smesso di funzionare.

W

Lampade ad incandescenza

Lampade ad incandescenza

La lampada ad incandescenza è una sorgente luminosa in cui la luceviene prodotta dal riscaldamento (fino a circa 2700 K÷ 3000 K) di unfilamento di tungsteno attraverso cui passa la corrente elettrica. Duranteil funzionamento il tungsteno sublima provocando la riduzione dellasezione del filamento stesso (determinando così la durata della lampada)e l’annerimento del bulbo dovuto al deposito del tungsteno.All’interno del bulbo può esserci il vuoto (generalmente per potenzeinferiori a 25 W) o un gas inerte (es. Azoto, Argon).La presenza del gas inerte aumenta l’efficienza della lampada, rallenta lasublimazione del tungsteno (aumentando così la vita media dellalampada) e riduce l’annerimento dell’ampolla.

Possono essere:GLS General Lighting Service (con bulbo trasparente o diffondente)REFLECTORALOGENE

GLS

Lampade ad incandescenza GLS

a) Temperatura di colore TC (2750 K ÷ 2850 K, luce bianca calda)

b) Resa cromatica Ra ottima ( 80 ÷ 100)

c) Efficienza luminosa ε bassa (dipende dalla potenza 10 lm/W ≤ ε ≤18 lm/W)

d) Durata bassa (in media 1000 h)

e) Direttamente collegabili alla rete elettrica

f) Il flusso luminoso può essere graduato tramite variatori

g) Forniscono istantaneamente il flusso

h) Ingombro ridotto

i) Basso costo della lampada

Principali caratteristiche

Lampade ad incandescenza GLS

L'Unione Europea ha sancito la graduale messa al bando delle lampadine adincandescenza:

Da settembre 2009 è vietata la produzione e la vendita di lampadine adincandescenza da 100 W o di più e di tutte quelle a bulbo smerigliato oopalino;

Da settembre 2010 di quelle da 75 W;

Da settembre 2011 di quelle da 60 W;

Da settembre 2012 di qualsiasi potenza.Fanno eccezione le lampadine ad incandescenza per usi specifici (es. frigo,forno, ecc...).

Sostituite internamente da unalampada alogena

Lampade ad incandescenza Reflector

Bulbo a forma di paraboloide o ellissoide trattato internamente,(con argento, cromo o alluminio) con una finitura a specchio,che indirizza il flusso luminoso, assolvendo in parte allefunzioni dell'apparecchio illuminante.Il fascio luminoso di emissione può essere stretto (spot) largo ((flood)

Lampade ad incandescenza Alogene

Possono essere:a bassissima tensione: 6 V, 12 V, 24 Va tensione di rete: 230 V

• Filamento molto più lungo, maggiore resistenza elettrica quindi maggiori perditeper effetto Joule. Si raggiungono temperature più elevate con i seguenti vantaggi:aumento del flusso luminoso, aumento della resa cromatica, aumento dell’efficienza

• Vetro (quarzo) molto più vicino al filamento. La temperatura più elevata e lapresenza di alogeni evitano la deposizione di tungsteno (in realtà ioduro ditungsteno, vedere in seguito ciclo di alogeni)

• Dimensioni che possono essere molto più piccole. Questo comporta un migliorecontrollo del flusso luminoso

Rispetto alla normale lampada ad incandescenza

Lampade ad incandescenza AlogeneNelle lampade alogene all’internodell’ampolla viene aggiunto, normalmente,lo iodio (Fig. 1). In questo modo iltungsteno che sublima si combina con loiodio formando l’alogenuro di tungsteno(Fig. 2). Il composto raggiunge l’ampolladi quarzo (Fig. 3) ma, la presenza dialogeni e la elevata temperaturadell’ampolla, perché molto vicina alfilamento, fanno si che il tungsteno non sidepositi sulla stessa evitandol’annerimento. Il gas così raffreddatoritorna verso il filamento della lampadadove a causa della elevata temperatura sidecompone e parte del tungsteno si va aridepositare sul filamento riducendo cosìla sublimazione e aumentando la vitamedia della lampada (Fig. 4).

Fig. 1

Fig. 2

Fig. 3

Fig. 4

Questo ciclo permette diaumentare la temperatura di funzionamento dellalampada con il vantaggio di aumentare il flussoluminoso emesso, la resa cromatica e l’efficienza.

Lampade ad incandescenza Alogene

a) Temperatura di colore TC (2900 K ÷ 3200 K,)

b) Resa cromatica CRI ottima (100)

c) Efficienza luminosa ε (fino a 28 lm/W)

d) Durata (fino a 3000 h)

e) Direttamente collegabili alla rete elettrica (per quelle a bassissima tensione

occorre un trasformatore)

f) Il flusso luminoso può essere graduato tramite variatori

g) Forniscono istantaneamente il flusso

h) Dimensioni estremamente ridotte

Lampade Alogene con riflettore Dicroicoriflettore comune

Il riflettore all’interno del quale è collocata la lampada, ne determina la distribuzionespaziale dell’intensità luminosa 8curva fotometrica) oltre ad avere una funzione disostegno e collegamento con la rete elettrica. Può essere in alluminio oppure in vetrocon trattamento della superficie riflettente (dicroico).

riflettore dicroicoSi tratta di una parabola in quarzo opportunamente trattata con l’applicazione di strati diossidi selettivi a determinate lunghezze d’onda: gli ossidi riflettono le radiazioni visibili,ma si lasciano attraversare dalla maggior parte della radiazione infrarossa.La luce emessa dalle lampade ad alogeni con riflettore dicroico è una luce priva del 60%circa della radiazione infrarossa emessa da una lampada ad alogeni con riflettore inalluminio di pari potenza.

IR

Riduzione dell’emissione nell’infrarosso in una lampada alogenocon riflettore dicroico


Una lampada a scarica in gas è costituita da un tubo di vetro o quarzo, in corrispondenza delle estremità sono posizionatidue elettrodi, l'anodo (positivo) ed il catodo (negativo). Il tubo contiene un gas rarefatto oppure una piccola quantità dimetallo che vaporizza quando fra gli elettrodi si innesca il passaggio di corrente (scarica). Applicando agli elettrodi unadifferenza di potenziale, gli elettroni liberi presenti nel gas migrano verso l'anodo instaurando una corrente elettrica. Duranteil loro movimento, gli elettroni urtano gli atomi del gas, cedendogli una parte dell'energia cinetica che possiedono. Gli urtipossono essere:A bassa velocità l'elettrone cede parte della sua energia cinetica all’atomo del gas che si riscalda.Ad alta velocità l’urto provoca l’eccitazione dell’atomo: l'energia che ha ricevuto viene utilizzata dagli elettroni più esterniper passare su orbitali a cui competono livelli energetici più elevati, E2 – E1 = h • f (dove h è la costante di Planck e f lafrequenza). Dopo un tempo molto breve (circa 10-8 s) l’atomo ritorna nella configurazione stabile cedendo l’energia ricevutasotto forma di fotone. L’emissione fotonica è di solito (almeno per lampade a bassa pressione) nel campo dell’ultravioletto.Si utilizzano, pertanto, dei fosfori, che assorbono un fotone molto energetico e ne riemettono due o tre di minore energia madi lunghezza d’onda maggiore (nel visibile)Ad altissima velocità l’atomo si ionizza e può legarsi ad un elettrone libero emettendo luce, oppure può urtare contro laparete del bulbo, producendo calore.Applicando una tensione opportuna, detta tensione d'innesco, la velocità degli elettroni è tale da dar luogo a urti ad altissimavelocità. Il fenomeno della ionizzazione del gas si accresce rapidamente (effetto valanga), e può portare alla distruzionedella lampada. Viene perciò inserito un reattore (R) di stabilizzazione e di uno starter (S) per l'avviamento ed uncondensatore (C) per il rifasamento.

Spettro di assorbimento ed emissione di un fosforo

Nello spettro di assorbimento e di emissione mostrato nell’esempio, la banda di emissione èpiuttosto ampia, rendendo questo particolare fosforo adatto all’emissione di luce bianca.


fhEEE 12

Lo spettro di emissione non sarà più continuo, come nelle lampade ad incandescenza, ma sarà a righe. Questo incidesulla reca cromatica

Trifosforo Pentafosforo


Possono essere:

a) lampade fluorescenti;b) lampade a vapori di mercurio;c) lampade a vapori di alogenuri;d) lampade a luce miscelata;e) lampade a vapori di sodio;f) lampade allo xenon;g) sistemi ad induzione.

Lampade Fluorescenti

Lampade Fluorescenti

a) Temperatura di colore TC (2700 K ÷ 6300 K)

b) Resa cromatica CRI (85÷ 90)

c) Efficienza luminosa ε (fino a 95 lm/W)

d) Durata (fino a 8000 h)

e) Collegabili alla rete elettrica attraverso start, reattore e condensatore

Lampade Fluorescenti Compatte (CFL)

L'efficienza del sistema lampada-reattore è di circa 50 lm/W nel caso direattore ferromagnetico e di 60 lm/W per un reattore elettronico.Rispetto alle migliori lampade ad incandescenza alogene, presentano unaefficienza specifica doppia, una vita di 6000 ore (contro le 2000 ore dellealogene) e un indice di resa cromatica leggermente più basso.

Lampade Fluorescenti Compatte (CFL)

• Radiazione contenuta per la maggior parte nel campo del visibile.• Scarica in un piccolo tubo di quarzo protetto da un bulbo di vetro.• Pieno flusso luminoso raggiunto dopo alcuni minuti di accensione.• Necessario periodo di raffreddamento di diversi minuti prima della riaccensione (ΔV=P • d dove P è la pressione

e d la distanza tra gli elettrodi).• Vasta gamma di potenze: da 50 a 400 W;• Flusso luminoso da 2000 a 22.000 lm.• Tempo di accensione: 5 minuti• Tempo di riaccensione: 10 minuti• Due grandi campi principali di applicazione:

Illuminazione industrialeIlluminazione stradale

Lampade a vapori di mercurio ad alta pressione ( 100 kPa÷2,5 MPa)

a) Resa cromatica CRI (39 ÷ 50)

b) Temperatura di colore TC (3800 K a 4200 K

c) Efficienza luminosa ε (35 ÷ 55 lm/W)

d) Durata (12 000 h)

e) Flusso luminoso Φ da 1 800 lm a 22 000 lm

Lampade a vapori di mercurio ad alta pressione

Lampade a vapori di sodio a bassa pressione

• Luce gialla e monocromatica.• Efficienza luminosa molto elevata• Necessario periodo di raffreddamento di diversi minuti prima della riaccensione• Tempo iniziale d’accensione di alcuni minuti.• Impiego consigliabile dove occorre un alto grado di visibilità purché non sia necessaria la

distinzione dei colori:-Illuminazione stradale;-Illuminazione di interni ed esterni industriali.

a) Resa cromatica CRI (20)

b) Efficienza luminosa ε (193 lm/W)

c) Durata (9 000 h)

d) Flusso luminoso Φ = 33 000 lm

Lampade a vapori di sodio a bassa pressione

Lampade a vapori di sodio ad alta pressione



c) Durata (10 000 h)

d) Flusso luminoso Φ = 48 000 lm

Lampade ad Alogenuri Si tratta di lampade a vapori di mercurio con additivicostituiti da alogenuri di sodio, tallio, indio, scandio, ealtri alogenuri che migliorano la resa cromatica.Un arco elettrico viene fatto scoccare in un ambiente adalta pressione contenente una miscela di atomi dialogenuri metallici e di mercurio. Da questi vieneemessa una radiazione ultravioletta e visibile. Unparticolare vetro filtra le radiazioni ultraviolettelasciando passare la luce visibile.Le caratteristiche variano secondo il tipo di alogenuroimpiegato.

a) Resa cromatica CRI (65 ÷ 90)


c) Durata (6 000 h ÷ 12 000 h )

d) Temperatura di colore TC ( 3000 K ÷ 4200 K)

Alta pressione e resa cromatica migliorata (tipo MasterColour)EFFICIENZA LUMINOSA: fino a 82-92 lm/WDURATA: 12.000 oreRESA DEI COLORI: Ra = 85 con TC = 3000 K e Ra = 95 con TC = 4000 KTEMPO DI ACCENSIONE: 3 minutiTEMPO DI RIACCENSIONE: 15 minuti

Lampade allo Xenon

Caratterizzate da una distribuzione dell’energia nello spettro praticamente identica a quella dellaluce diurna e non influenzata dalle oscillazioni della tensione di rete.Resa dei colori eccellente e corrispondente a quella della luce naturale.Si accendono istantaneamente e raggiungono immediatamente la piena emissione luminosa.Richiedono, per il loro funzionamento, un alimentatore e un accenditorePossono essere adArco cortoArco lungo

Arco cortoIl bulbo di vetro è piccolo e l’arco è lungo pochimillimetri, in modo da potere focalizzare conprecisione la luce.Utilizzata soprattutto per i fari delle automobili eper i proiettori cinematografici

Il flusso luminoso Φ va da 2700 a 3200 lm, conpotenza di 35 W e una durata media di circa 3000 orela temperatura TC da 4200 K 6000 K

Lampade a luce miscelataSono lampade a vapori di mercurio che per stabilizzare l’arcoutilizzano un filamento di tungsteno che contribuisce allaproduzione del flusso luminoso riscaldando i toni (come si vededallo spettro di emissione).Sono usate molto raramente, sostituite dalle lampade a vapori dimercurio o ad alogenuri.• Efficienza luminosa 20-30 Im/W• Temperatura di colore 3500 K

• Resa cromatica CRI 60• Vita media 9000 ore•Tempo di accensione 5 minuti•Tempo di riaccensione 10 minuti

Lampade ad Induzione Elettromagnetica

Viene sfruttato il principio di ionizzazione senza elettrodi perprodurre la scarica in gas. Si utilizza un alimentatore elettronicoad alta frequenza che produce la ionizzazione tramite unaccoppiamento induttivo all’interno della lampada.Le radiazioni di alta frequenza vengono convertite in radiazionivisibili mediante fosfori posti all’interno della superficieesterna della lampada.La tipologia costruttiva senza fili e l’assenza degli elettrodipermette una durata d’esercizio più lunga di qualunque sistemailluminante, consente di avere una durata teorica tra 70.000 ÷100 000 ore, la temperatura di colore varia da 3000 K a 4000 K,la resa cromatica Ra = 85 e l’efficienza luminosa raggiunge i 65lm/W. Tempi di accensione e riaccensione nulli.


b) Temperatura di colore 2700 K < TC < 4500 K

c) Efficienza luminosa ε (70 lm/W)

d) Durata (60 000 h ÷ 100 000 h)

e) Flusso luminoso Φ = 3 900 lm

f) Decadimento del flusso luminoso: 20% in 90.000 ore di funzionamento

Lampade ad Induzione Elettromagnetica

Temperatura di colore

Diagramma di Kruithof

Giunzione p - nPer formare una giunzione p-n, bisogna drogare un cristallo (es. silicio), da una parte conuna sostanza trivalente (ad es. il boro B; zona p) e dall’altra con una sostanza pentavalente(es: fosforo P; zona n).Nella zona n ci saranno cariche negative (elettroni) in eccesso (cariche maggioritarie) epoche lacune (cariche minoritarie), nella zona p ci saranno, invece, cariche positive(lacune) in eccesso (cariche maggioritarie) e pochi elettroni (cariche minoritarie). A causadi questa differenza di concentrazione nasce una corrente di diffusione ID costituita dalacune che si diffondono dalla regione p alla regione n ed elettroni che si diffondono dallaregione n alla regione pLe lacune transitate nella regione n si ricombinano con gli elettroni che in questa regionerappresentano le cariche maggioritarie, in modo analogo, gli elettroni che attraversano lagiunzione si ricombinano con le lacune della regione p. Queste ricombinazionideterminano una diminuzione delle cariche libere in una piccola regione in prossimità dellasuperficie di giunzione (regione svuotamento)

regione n

regione p regione n

regione p

Giunzione p - n

regione p regione n

Nella regione svuotata sono presenti cariche fisse non bilanciate, queste cariche danno origine ad un campo elettrico E chesi oppone alla corrente di diffusione. Tra le sezioni alle estremità della regione svuotata si ha una differenza di potenzialeV0 (barriera di potenziale) che ostacola il moto delle lacune verso la regione n e degli elettroni verso la regione p.Il verso del campo elettrico è tale da spingere le cariche minoritarie ad attraversare la giunzione dando origine ad unacorrente di deriva IS diretta in senso opposto alla corrente di diffusione. In condizioni di equilibrio le correnti ID e IS sibilanciano e quindi la corrente totale attraverso la giunzione è nulla.Per poter inserire la giunzione p-n in un circuito, le estremità del cristallo vengono connesse a conduttori metallici,formando due giunzioni metallo-semiconduttore. In corrispondenza di queste giunzioni nascono delle differenze dipotenziale (potenziali di contatto) tali da compensare la tensione V0. Quindi la differenza di potenziale a vuoto tra i dueterminali è nulla.

Giunzione p – n - Polarizzazione diretta

Applicando una differenza di potenziale ΔV, si determina una riduzione della barriera di potenziale. Lariduzione della barriera di potenziale consente ad un numero sempre maggiore di elettroni e di lacune diattraversare la giunzione. La corrente di diffusione ID diviene rapidamente maggiore di molti ordini digrandezza rispetto alla corrente di deriva IS.

Light Emitting Diode (diodo ad emissione luminosa)

I LED sono uno speciale tipo di diodi a giunzione p-n, formati da un sottile strato di materialesemiconduttore drogato con impurità di tipo diverso (di tipo n per gli elettroni e p per le lacune) in grado diemettere radiazioni luminose (fotoni) a partire dalla ricombinazione di coppie elettrone- lacuna.

LED

Quando sono sottoposti ad una tensione diretta per ridurrela barriera di potenziale della giunzione, gli elettroni dellabanda di conduzione si ricombinano con le lacune dellabanda di valenza rilasciando energia sufficiente daprodurre fotoni (ΔE = h • f ). A causa dello spessore ridottodel chip un ragionevole numero di questi fotoni puòabbandonarlo ed essere emesso come luce.Il colore della radiazione emessa è definito dalla distanzain energia tra i livelli energetici di elettroni e lacune ecorrisponde tipicamente al valore della banda proibita delsemiconduttore in questione.

Sono formati da:GaAs (arseniuro di gallio),GaP (fosfuro di gallio),GaAsP (fosfuro arseniuro di gallio),SiC (carburo di silicio) e GaInN (nitruro di gallio eindio).L'esatta scelta dei semiconduttori determina lalunghezza d'onda dell'emissione di picco dei fotoni,l'efficienza nella conversione elettro-ottica e quindil'intensità luminosa in uscita.

0c

hfhE

LED

Sono formati da:

GaAs (arseniuro di gallio), LED a luce rossa scuraGaP (fosfuro di gallio), LED a luce rossa, arancio, gialla e verdeGaAsP (fosfuro arseniuro di gallio), LED a luce rossa, arancio e giallaInGaAlP (fosfuro di Indio, Gallio e Alluminio), LED a luce rossa, arancio, gialla e verdeGaN (nitruro di Gallio), LED a luce verde, blu e biancaInGaN (nitruro di Gallio e Indio), LED a luce verde e bluSiC (carburo di Silicio), LED a luce verde, blu e bianca

La scelta dei semiconduttori determina la lunghezza d'onda dell'emissione di picco deifotoni, l'efficienza nella conversione elettro-ottica e quindi l'intensità luminosa in uscita.

Spettro luminoso di vari LED, messi a confronto con lo spettrovisivo dell'occhio umano e della lampada ad incandescenza

LED

SEMICONDUTTORE COLORE LUCE EMESSA LUNGHEZZA D’ONDA

(nm)

GaAs, GaAlAs, GaAsP,

InGaAlP, GaP

ROSSO 623-740

GaAsP, InGaAlP, GaP ARANCIO 612-623

GaAsP, InGaAlP, GaP GIALLO 574-612

InGaAlP, GaP, GaN, InGaN,

SiC

VERDE 505-574

GaN, InGaN, SiC BLU 430-505

Nella tabella sono riportati i semiconduttori tipici utilizzati per ottenere diversi colori a diverselunghezze d’onda

L'unico spettro che il chip non è in grado di produrre direttamente è lo spettro della lucebianca, poiché la luce bianca rappresenta una miscela di tutti i colori della luce. Tuttavia iLED bianchi sono molto importanti in quanto solo questi rendono possibile l’illuminazione diambienti.

LEDI Led non sono monocromatici, infatti nel diagramma cromatico non si trovano sul perimetro deldiagramma. Sia il rosso che il blu sono posizionati sul perimetro del diagramma: ciò significa chela loro purezza di colore è molto alta, vicino al 100%.

LED a luce bianca

La figura mostra come ottenere i colori complementarimescolando a due a due i colori primari (R G B).Mette in evidenza, inoltre, come il colore bianco sipossa ottenere oltre che dalla mescolanza dei coloriprimari anche dalla mescolanza di due coloricomplementari

La luce bianca può essere generata tramite la cosiddetta sintesi additiva dei colori la quale prevede l’uso diLED con approcci bicromatici, tricromatici, tetracromatici o con approcci a maggiore cromaticità.

Generazione di luce bianca per sintesi additiva

Mediante un controllo specifico di ciascuna lunghezza d’onda. Si può così produrre luce bianca di varietonalità e luce colorata secondo necessità.

Generazione di luce bianca per sintesi additiva

Mediante un controllo specifico di ciascuna lunghezza d’onda. Si può così produrre luce bianca di varietonalità e luce colorata secondo necessità.

Esempi di diversi corpi illuminanti

Faretto con 3 LED di potenza RGB full colourIntensità luminosa variabileDimmer elettronico 1-100%No UV / no infrarossiProduzione luminosa virtualmente istantanea (100 ns)

I LED utilizzati vantano una durata di 50.000 ore in condizioni normalidi utilizzo come da dichiarazione del produttore

La configurazione RGB full colour utilizzata in questo LED cambiacolori, consente di ottenere una varietà virtualmente infinita disfumature di colore brillanti e satureTemperatura di utilizzo: da -20°C a 40°C

Proiettore con 18 LED di potenza RGBIntensità luminosa variabileDimmer elettronico 1-100%No UV / no infrarossiProduzione luminosa virtualmente istantanea (100 ns)

I LED utilizzati hanno una durata di 50.000 ore in condizioni normalidi utilizzo come da dichiarazione del produttore

La configurazione RGB full colour utilizzata in questo LED cambiacolori, consente di ottenere una varietà virtualmente infinita disfumature di colore brillanti e satureTemperatura di utilizzo: da -20°C a 35°C

La seconda tecnica per generare luce bianca consiste nell’utilizzo di un LED la cui luce èparzialmente o completamente utilizzata per eccitare otticamente uno o più fosfori.

Generazione di luce bianca per fotoluminescenza

Generazione di luce bianca da un LED blu e fosforo

Gli emettitori a luce bianca utilizzano, quasi sempre, un LED di un colore che emette con unalunghezza d'onda corta, generalmente blu, e un fosforo, solitamente giallo. Parte della luce emessa dalLED blu viene assorbita dal fosforo e poi riemessa come luce con una lunghezza d'onda maggiore(nell’intervallo verde-rosso con un picco nel giallo)La maggior parte dei LED bianchi in produzione è costituita da varianti dei LED GaN─InGaN cheemettono luce blu nell’intervallo di 450÷470 nm. La struttura InGaN─GaN è ricoperta con fosforigiallognoli, costituiti solitamente da cristalli sintetici di ossidi di alluminio ed ittrio drogati con cerio(Ce3+ :YAG, cerium-doped yttrium aluminum garnet)

Spettro di emissione della luce bianca ottenuta da un LED blu e fosforo giallo, CRI < 80

LEDLUCE BIANCA

Led

I LED in questi anni si sono diffusi in tutte le applicazioniin cui serve:• elevata affidabilità• lunga durata• elevata efficienza• basso consumo.

Alcuni utilizzi principali sono: nei telecomandi a infrarossi Indicatori di stato (lampadine spia) retroilluminazione di display LCD nei semafori e negli "stop" delle automobili nei lampeggianti dei veicoli d'emergenza (ambulanze,

polizia, ecc.) cartelloni a messaggio variabile illuminazione

A seconda degli utilizzi le lampade a LED sono alimentate a 10 -24 - 230V (lampade perinterni) oppure direttamente a 230 V (lampade per segnaletica stradale e semaforica).

Impiego nell'illuminazione

I LED sono sempre più utilizzati in ambito illuminotecnico in sostituzione di alcunesorgenti di luce tradizionali. Il loro utilizzo nell'illuminazione domestica, quindi insostituzione di lampade ad incandescenza, alogene o fluorescenti compatte (CFL,comunemente chiamate a risparmio energetico), è oggi possibile con notevolirisultati raggiunti grazie alle tecniche innovative sviluppate nel campo.

Flusso

Luminoso

(lm)

Tecnologia LED Incandescenza Fluorescenti (CFL)

450 3-4W 40W 10-14W

800 6-9W 60W 14-16W

1100 8-13W 75W 20-24W

1600 13-15W 100W 24-32W

2600 21-25W 150W 30-55W

Tab. Flusso luminoso prodotto Φ, Potenza elettrica assorbita W

Limiti dei Led

Fondamentalmente il limite dei LED per questo tipo di applicazione è la quantità diluce emessa (flusso luminoso espresso in lumen) che nei modelli di ultima generazione peruso professionale si attesta intorno ai 150 lm ma che nei modelli più economici raggiungesolo i 20 lumen.Una lampadina ad incandescenza da 60 W emette un flusso luminoso di circa 550 lumen.Inoltre i LED più luminosi sono ancora quelli a luce fredda con resa cromatica relativamentebassa.Il loro utilizzo diventa invece molto più interessante in ambito professionale dovel’efficienza di 60-90 lm/W li rende una sorgente appetibile.

I vantaggi dei LED dal punto di vista illuminotecnico sono:

• durata di funzionamento (i LED ad alta emissione arrivano a circa 60.000ore)

• assenza di costi di manutenzione

• elevata efficienza ε = 60÷100 lm/W (se paragonato a lampade adincandescenza e alogene)

• luce pulita perché priva di componenti IR e UV• facilità di realizzazione di ottiche efficienti in plastica• flessibilità di installazione del punto luce• colori saturi• possibilità di un forte effetto spot (sorgente quasi puntiforme)• accensione a freddo (fino a -40 °C) senza problemi• insensibilità a umidità e vibrazioni• assenza di mercurio• durata non influenzata dal numero di accensioni/spegnimenti

( Organic Light Emitting Diode )

OLED

La struttura di una cella OLED consiste di una pila distrati di materiale organico compresi fra un anodo,trasparente, e un catodo metallico (oppure nellastruttura con emissione superiore, da un catodosemitrasparente e un anodo metallico). Gli stratiorganici sono uno strato per l’iniezione delle lacune,uno strato per il trasporto delle lacune, uno stratoemettitore e uno strato di trasporto degli elettroni.Quando è applicata una tensione (alcuni volt) allacella, le cariche iniettate, positive e negative, siricombinano e si produce luce (elettroluminescenza).La struttura degli strati organici e di anodo e catodo èprogettata per massimizzare il processoricombinazione nello strato di emissione e, quindi,del flusso luminoso in uscita. Con una opportunascelta dei materiali costituenti i vari strati, l’interastruttura può avere lo spessore di un decimo di mm.


OLED

Il grafico mostra gli spettri di emissione del rosso, del verde e del blu e la loro sovrapposizione cheproduce un’emissione bianca con un indice elevato di resa dei colori


OLED

Corpi IlluminantiLe lampade sono raramente utilizzate nude. Esse vengono inserite inopportuni apparecchi illuminanti che hanno lo scopo di modificare (anchesensibilmente) le caratteristiche illuminotecniche delle stesse lampade.

Le funzioni di un apparecchio di illuminazione sono:• contenimento e supporto.• sicurezza elettrica.• fotometriche.

Ogni lampada è caratterizzata dal solido fotometrico (cioè dalla distribuzionespaziale dei vettori dell’ intensità luminosa). I corpi illuminanti modificanoproprio il solido fotometrico delle lampade in modo da soddisfare le esigenzeprogettuali per l'impiantistica illuminotecnica.Possono:• Indirizzare il flusso luminoso solo in una direzione e con una modesta

dispersione angolare (fari, proiettori)• Indirizzare il flusso luminoso in più direzioni con limiti angolari precisi

(ad esempio i corpi illuminanti per illuminazione stradale hanno angoli diemissione limite fissati dalle norme, detti angoli di cut-off).

Corpi Illuminanti

Il flusso luminoso può essere orientato:

• prevalentemente verso il basso;• prevalentemente verso l’alto;• in entrambe le direzioni.

In corrispondenza del tipo di solido fotometrico si hanno tre tipologie di illuminazione:

1. illuminazione diretta. Più del 90% della luce è emessa verso il basso2. illuminazione indiretta o diffusa. Più del 90% del flusso luminoso è emesso verso l'alto3. illuminazione semidiretta o semi indiretta. Dal 60 al 90% della luce è orientata verso il basso

Illuminazione diretta

Illuminazione indirettao diffusa

Illuminazione semidirettao semi indiretta

Il progetto Illuminotecnico

Lo scopo di un progetto illuminotecnico è quello di riuscire ad illuminare un ambiente in modo dapoter svolgere il determinato compito visivo• Significa definire tutti i fattori che concorrono a fornire l’illuminazione artificiale ad un ambiente:– Tipo e potenza delle lampade;– Quantità;– Posizione degli apparecchi.• Fattori da controllare:- Flusso luminoso- Abbagliamento e fattore di contrasto- Resa cromatica- Ombre- Uniformità dell’illuminamento- Consumo energia elettrica- Sicurezza dell’impianto• Progetto illuminotecnico:– Ambienti chiusi;– Ambienti aperti.

Metodo del Flusso Totale

Metodo di calcolo semplificato, adatto a locali di forma regolare.Si basa sul calcolo del flusso luminoso medio da mantenere sul piano di lavoro a partire da unIlluminamento E definito dal compito visivo (vedi tabelle precedenti)

i

uuF

u: flusso utile mantenuto

i: flusso installato

Fu: fattore di utilizzazione

PL: Piano di lavoro

a

b

H

PL

Il fattore di utilizzazione Fu è dato dal costruttore, in apposite tabelle, per ciascunapparecchio di illuminazione, in funzione dei fattori di riflessione delle superfici del localee della sua geometria.


i

uuF

u: flusso utile mantenuto

i: flusso installato

Fu: fattore di utilizzazione

PL: Piano di lavoro

a

b

H

PL

Il flusso luminoso u sul piano dilavoro (PL) dipende dai parametri:


Geometria del localeViene definito un indice K, chiamato indice del locale, che tiene conto delle dimensioni dell’ambiente edel tipo di illuminazione: (diretta o indiretta)

a

b

H

PL

bah

baK

Illuminazione Diretta

Illuminazione Indiretta

baH

baK

2

3


a

b

H

PL

i

uuF

AEu

E: Illuminamento (lx) da mantenere sul piano dilavoro per il dato compito visivo

A: area del piano di lavoro (m2)

MNli l: flusso della lampada (lm)

N: numero delle lampade

M: fattore di manutenzione e deprezzamento

321 mmmM m1 = fattore di decadimento della lampadam2 = fattore di decadimento dell’apparecchiom3 = fattore di decadimento delle superfici del locale

Fattore di manutenzione e Deprezzamento

Fattore di decadimento m1 di alcune lampade


Fattore di decadimento m2 di alcuni corpi illuminanti


Fattore di decadimento m3 del locale

Fattore di Utilizzazione Fu

MN

AEF

l

u

MF

AEN

lu

FATTORE DI UTILIZZAZIONE Fu

Fattore di Utilizzazione Fu

MN

AEF

l

u

MF

AEN

lu

i

uuF

AEu MNli

321 mmmM

Raccomandazione C.I.E

Valori di Nt e Nl

K 0,6 0,8 1,0 1,25 1,50 2 2,5 3 4 5

Nl2 2 3 3 4 4 5 6 8 10

Nt1 2 2 3 3 4 4 4 5 6

Raccomandazione C.I.E tra l’indice del locale K ed il numero di lampadedisposte longitudinalmente Nl e trasversalmente Nt

EsempioUn locale ha una larghezza di 4,5 m (a), una lunghezza di 7,5 m (b) ed un’altezza di 3m. Lepareti ed il soffitto sono chiari con coefficiente di riflessione pari a 0,50 e 0,75 rispettivamente.Il corpo illuminante è un apparecchio con schermo quadrato con lampade tubolari fluorescentimontato a soffitto. Ogni corpo illuminante contiene due lampade da 40W che emettono unflusso luminoso = 2800 lm ciascuna.

Determiniamo M

Lampade fluorescenti m1 = 0,8

Corpo illuminante m2 = 0,9

Decadimento del locale m3 = 0,9

M= 0,65

Esempio

bah

baK

42,0uF

MF

AEN

lu

1425,1365,0280042,0

75,33300

N

Quindi 7 corpi illuminanti

Determiniamo K e quindi Fu

28,1

5,75,42,2

5,75,4

K

ILLUMINAZIONE NATURALE

Sorgenti di luce naturale

Sole Cielo

Illuminazione Globale Diurna oNaturale

dirette

indirette

Illuminotecnica prof. Massimo Paroncini


Il cambiamento della posizione di vista del soleprovoca cambiamenti nell’illuminazione diurnache riguardano il colore della luce (temperaturadi colore) e la quantità (luminanza)


LL sinz

( )1 2

3

Luminanza del cielo

Cielo a Luminanza Uniforne Sorgente estesa cheemette in modo diffuso

Cielo Coperto Internazionale

Cielo Sereno

E = 5000 lx

LE

z 9

70

Lz Luninanza allo zenith Angolo di elevazione sull’orizzontaleE0 Illuminamento orizzontale esterno


Per una corretta illuminazione diurna bisogna affrontare ilproblema nella fase iniziale del progetto con una opportunascelta dell’orientamento del fabbricato, delle dimensioni eforma delle superfici trasparenti e dei materiali impiegati.Ampie finestrature consentono un adeguato illuminamentodell’ambiente ma obbligano a proteggere gli abitanti dalcarico termico prodotto dalla radiazione solare.Evidentemente il flusso luminoso varia in funzione dellaposizione del sole e della luminanza del cielo (sereno,coperto)Consideriamo costante il flusso emesso dalla sorgente

Illuminazione Naturale

Il flusso luminoso che raggiunge un puntoall’interno dell’ambiente è la somma di trecontributi

1. Flusso luminoso che raggiunge il puntodirettamente dal cielo componente cielo

2. Flusso luminoso che raggiunge il punto pereffetto delle riflessioni esterne componenteriflessa esterna

3. Flusso luminoso che raggiunge il punto pereffetto delle riflessioni interne componenteriflessa interna

1.3 Coefficiente di illuminazione diurna(Daylight Factor D)

E’ il rapporto tra l’illuminamento che si ha in un puntodell’ambiente per effetto dell’illuminazione globalericevuta da un cielo di nota luminanza e l’illuminamentoche, nello stesso istante, si avrebbe in una superficieorizzontale esposta all’aperto e schermatadall’irraggiamento solare diretto.E’ composto dalla somma di tre fattori

Ambienti D (%) non minore di Raccomandazioni

cucine 2su almeno il 50% dell’area delpavimento (minimo 4.50 m2)

soggiorni 1 su almeno il 50% dell’area delpavimento (minimo 7 m2)

stanze da letto 0.5su almeno il 75% dell’area delpavimento (minimo 5.50 m2)

scuole 2 in tutte le aule e nelle cucine

ospedali 1 nelle camere di degenza

sale da disegno6

2

sui tavoli

sul resto dell’areacopisterie 4 su tutta l’area di lavoro

officine 3 6secondo se prevalel’illuminazione laterale o dall’alto

industrie 5

edifici pubblici 1

uffici

1

2

con illuminazione laterale a 3.6 mdalla finestracon illuminazione dall’alto sututta l’area

a) Componente del cielo(Sky Component) SC

Indica, in percentuale, la luceche dal cielo, considerato ditipo coperto internazionale,arriva direttamente nel puntopreso di riferimento

b) Componente di riflessioneesterna(Externally ReflectedComponent) CRE

Indica, in percentuale, la luceche arriva nel punto diriferimento dopo aver subitodelle riflessioni causate dasuperfici esterne (alberi,costruzioni, ecc...).

c) Componente di riflessioneinterna(Internally ReflectedComponent) CRI

Indica, in percentuale, la luceche arriva nel punto diriferimento dopo aver subitodelle riflessioni causate dasuperfici interne (pavimento,pareti soffitto, ecc...).

D = SC + CRE + CRI

SeD 4%

l’ambiente gode di illuminazione naturalesufficiente

Calcolo di SC

Illuminotecnica prof. Massimo Paroncini

Calcolo di CRI

Si utilizza la tabella di cui bisogna conoscere i fattori di riflessione delle pareti e del pavimento ed ilrapporto tra la superficie vetrata e quella del pavimento. Nel caso di lucernai si trascura CRE e sicalcola SC mediante la:

100 uA

ASC

pavimento

vetro

Calcolo di CRE

Nel caso di presenza di ostruzione esterna, si calcola SC sottraendo dal valore perla finestra interna quello relativo alla ostruzione. Si calcola poi, sempre con lastessa tabella, il valore di CRE utilizzando i rapporti B/d e l’angolo α con il qualeil punto di verifica P sottende l’ostruzione

Se non c’è ostruzione CRE = 0

SCALE MODEL IN DAYLIGHTING

Phisical model for lighting areindependent of scale

Possibility to exactly reproducethe geometry of the space

tests on scale model can providequantitative and qualitative dataof daylight distribution inside aroom

Possibility to reproduce the surfaceproperties of the materials

scale model allows quick changes ingeometry and surface characteristicin order to evaluate the performanceof a daylighting strategy

ARTIFICIAL SKY SIMULATOR IN DAYLIGHTING ANALISYS

it allows to obtain objective andreproducible measurements withoutinterference from meteorological conditions

OBJECTIVES

EFFECT OF THE GEOMETRY OF THEATRIUM

REFLECTANCE OF THE SURFACES

TYPE OF THE FACADE

CONTENTS

TEST OF AN ATRIUM BUILDINGSSCALE MODEL IN A SKY SIMULATOR

SCALE MODEL PLANT

The scale model simulate asquare atrium of 20 m side,without roof; the overalldimension of the buildings are50 x 50 x 18 m with atmaximum 6 floor.The space adjacent the atriumis built as an open space andthe wall, ceiling and floorsurface are simulated usingdifferent colours of the art crd

WELL INDEX

HEIGHT X (WIDTH + LENGHT)

= 1.05LENGHT X WIDTH

REFLECTANCE

FLOOR = 24.3 %

CEILING = 50 %

WALL = 43.7 %

ATRIUM FLOOR = 85 %

MODEL TECHNICAL DATA

The reflectance values of theseveral art card used in themodel were measured undercondition of diffuse light using areflectometer. The results areshowed in the following table

The geometry of the atrium canbe expressed using the WELLIN D EX tha t s how s therelationship between the lightadmitting area of the atrium andthe surface area of the atrium

Illuminazione naturale: edifici ad atrio

DF delterzo piano

90% trasmittanzafinestre

62% trasmittanzafinestre

Modello studiato a Losanna

21 giugno ore 10:00 – modello sperimentale 21 dicembre ore 10:00 – modello sperimentale

21 giugno ore 10:00 - simulazione Adeline 21 dicembre ore 10:00 – simulazione Adeline

Illuminazione naturale: edifici ad atrio

LUCE Radiazione elettromagnetica percepita dall’occhio ... · sensazione visiva a due diverse...

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