La lampada a scarica è un tipo di lampadina basata sull'emissione luminosa per luminescenza da parte di un gas ionizzato. La ionizzazione del gas è ottenuta per mezzo di una differenza di potenziale, che fa migrare gli elettroni liberi e ioni positivi ai diversi capi della lampada (dove sono presenti gli elettrodi). La lampada a scarica è un tipo di lampada ad arco.
Introduzione È costituita da una ampolla e/o un tubo di vetro o quarzo contenente un gas inerte, miscelato ad un sale, e almeno due elettrodi tra cui avviene la ionizzazione del componente del gas, il quale rilascia fotoni. Possono essere presenti elettrodi supplementari per l'innesco. Solitamente le lampade a bassa pressione sono a forma di tubo diritto o curvato a U, mentre le lampade ad alta pressione sono costituite da una piccola ampolla di quarzo (adatto a resistere a temperature più elevate). La lampada può essere contenuta in un involucro in vetro con la funzione di schermare i raggi ultravioletti, ospitare eventuali elementi accessori e proteggere il tubo. Bisogna prestare particolare attenzione al fatto che le impronte digitali possono danneggiare il bulbo di quarzo della lampada, specie quando è caldo, perché i depositi di grasso presenti sulle dita, rimasti sul bulbo dopo che questo è stato toccato a mani nude, possono carbonizzarsi una volta che la lampada è stata accesa, rendendo il bulbo più fragile nel punto in cui è stato toccato, il che può condurre alla sua rottura. Poiché il grasso cutaneo può attrarre calore e causare un punto debole sul bulbo, si raccomanda di non toccare a mani nude il rivestimento in quarzo della lampada, ma di usare un panno pulito oppure reggere la lampada per la base (di porcellana). Se il bulbo viene toccato con le dita, va pulito con un panno imbevuto d’alcol e asciugato.
L'emissione luminosa è monocromatica o limitata alle righe di emissione spettrale del gas contenuto, se questo è a bassa pressione. Il gas può anche essere il vapore di un elemento solido o liquido, per esempio mercurio o sodio. In questo caso però la lampada non è subito efficiente, poiché è necessario che il materiale evapori o sublimi per effetto del calore prodotto dalla scarica nel gas accessorio. Possono essere necessari diversi minuti perché la lampada inizi a produrre una luce accettabile e in molti casi questo è un limite.
Alimentazione e accensione
La caratteristica tensione/corrente di una lampada a scarica presenta una soglia a tensione costante in corrispondenza di una intensità di corrente caratteristica dipendente dal gas, dalla temperatura e dalle condizioni di funzionamento, ne consegue che l'alimentazione deve avvenire in corrente costante, per ottenere questo si pongono in serie al tubo degli induttori o meno frequentemente dei condensatori o resistenze.
La tensione di rete non è sufficiente per innescare la scarica, per cui 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, oppure applicando un impulso di alta tensione (migliaia di volt) a un elettrodo posto sulla superficie esterna del tubo: il campo elettrico generato è sufficiente ad avviare la ionizzazione. In altri tubi è presente un elettrodo di innesco posto a brevissima distanza da uno dei due elettrodi ordinari: questo elettrodo viene brevemente alimentato con la normale tensione di rete che, data la distanza ridotta, è ora sufficiente per innescare un piccolo arco; il riscaldamento e l'emissione di ioni e radiazioni provoca l'innesco del restante gas. Un ulteriore metodo per accendere la lampada è quello di sottoporla a un campo elettromagnetico ad alta frequenza, da decine di kilohertz a molti megahertz. Esistono inoltre lampade a induzione in cui non si hanno connessioni elettriche tra l'interno e l'esterno del tubo e il gas viene ionizzato da una radiazione elettromagnetica indotta dall'esterno: questo fenomeno si può osservare anche con le normali lampade fluorescenti che, se accostate a forti sorgenti di campi elettromagnetici, come l'antenna di un potente trasmettitore radio, emettono luce.
Una volta innescata la scarica con uno dei metodi descritti, questa si propaga a valanga a tutto il gas, il quale si mantiene ionizzato indefinitamente. In condizioni di regime la tensione ai capi del tubo si mantiene a valori più bassi della tensione di rete e non è più necessario l'intervento dei circuiti accenditori.
Alimentatore elettromagnetico L'alimentatore tradizionale è composto da un induttore (o reattore) e un dispositivo di innesco (starter). L'utilizzo di un induttore consente di implementare due importanti funzioni: durante la fase di accensione, in combinazione con lo starter, consente di ottenere una sovratensione che innesca la scarica nel gas; nel funzionamento a regime agisce come limitatore di corrente, in quanto a scarica innescata il tubo diviene un percorso a bassissima impedenza.
Poiché il reattore è avvolto su nucleo di materiale ferromagnetico (laminato per limitare la dispersione di energia per riscaldamento da correnti parassite), durante il funzionamento regolare si originano delle vibrazioni alla frequenza di rete (50 Hz in Italia) che causano il caratteristico ronzio delle lampade fluorescenti.
La tensione di rete a 230 volt non è sufficiente a innescare la scarica a freddo, per cui occorrono circuiti ausiliari che intervengano all'accensione. A questo scopo gli elettrodi dei tubi sono spesso costituiti da un filamento le cui estremità sono riportate su contatti elettrici esterni. Un dispositivo, lo starter, alimenta i filamenti con la tensione di rete per un breve tempo, provocandone il riscaldamento e quindi favorendo l'innesco della scarica. I filamenti incandescenti infatti emettono elettroni avviando la ionizzazione del gas. Lo starter è sostanzialmente un interruttore, racchiuso in una piccola ampolla contenente gas rarefatto, in cui il contatto mobile è costituito da una lamina bimetallica che si deforma riscaldandosi. La sequenza di accensione del tubo è la seguente:
inizialmente lo starter è freddo, il suo contatto interno è aperto e il potenziale di rete è applicato interamente ai suoi capi: ciò provoca la ionizzazione del gas in esso contenuto; la ionizzazione del gas all'interno dello starter consente la circolazione di una corrente che riscalda i filamenti della lampada, posti in serie, ma provoca anche il riscaldamento della lamina bimetallica che si flette e, dopo circa 1 secondo, chiude il contatto; la chiusura del contatto provoca la circolazione di una corrente maggiore nei filamenti, che si riscaldano ulteriormente ed emettono delle "nubi di elettroni" nel tubo; durante il tempo di chiusura del contatto il gas all'interno dello starter non è più ionizzato, la lamina bimetallica si raffredda e dopo circa 1 secondo il contatto si riapre; l'apertura del circuito causata dallo starter provoca, per effetto dell'autoinduzione sul reattore, una sovratensione ai capi della lampada che provoca l'innesco; una volta avvenuto l'innesco l'impedenza della lampada diminuisce drasticamente e la tensione ai capi dello starter, collegato in serie, diviene pari a circa la metà di quella di rete, valore non più sufficiente a ionizzare il gas al suo interno; in mancanza di ionizzazione non si ha corrente circolante nella lamina bimetallica, la quale resta fredda e il contatto dello starter rimane quindi aperto.
Nel caso l'accensione non andasse a buon fine, l'accenditore ripete la procedura appena descritta
Un approccio alternativo consiste nel fornire al tubo una tensione elevata di migliaia di volt da un trasformatore. Si elimina la necessità di riscaldare i filamenti e si possono alimentare tubi molto lunghi.
Ogni alimentatore produce una corrente di scarica, che viene dispersa attraverso il conduttore di terra. La norma limita questa corrente a un massimo di per apparecchio, ma in caso di comando di molte lampade fluorescenti bisogna tenerne conto nel dimensionamento della protezione differenziale.
Il funzionamento di tipo induttivo degli alimentatori elettromagnetici comporta un fattore di potenza basso, che raggiunge spesso valori tra 0,3 e 0,6. È necessario, quindi, installare un condensatore di rifasamento per riportare il fattore di potenza a 0,9.
Alimentatore elettronico autoscillante L'alimentatore elettronico autoscillante semplifica notevolmente la gestione delle lampade fluorescenti rispetto a un alimentatore elettromagnetico. Grazie a una tensione di innesco interna l'impiego dello starter diviene superfluo, inoltre non è necessario alcun rifasamento, poiché il fattore di potenza è già superiore a 0,95.
Gli apparecchi che montano un alimentatore elettronico consentono un funzionamento più economico, poiché necessitano di un assorbimento di potenza del sistema decisamente minore rispetto alle applicazioni tradizionali con alimentatori induttivi a parità di illuminazione. Ad esempio, una lampada da con alimentatore ferromagnetico in classe C richiede una potenza di circa 28 W, mentre con alimentatore elettronico 19-20 W: il risparmio è evidente. Bisogna tuttavia porre una certa attenzione nel dimensionamento dell'interruttore automatico di protezione: infatti, in un circuito composto da reattore induttivo/starter le lampade si accendono in tempi diversi; al contrario, in uno con alimentatore elettronico tutte le lampade fluorescenti si inseriscono contemporaneamente. I condensatori antidisturbo contenuti nell'alimentatore generano un impulso di corrente elevato che, anche se di durata estremamente breve, può far scattare l'interruttore automatico. Alcuni costruttori di alimentatori forniscono il numero massimo di alimentatori collegabili in funzione del tipo di interruttore di protezione utilizzato.
Molto diffuse sono anche le lampade dette fluorescenti compatte a risparmio energetico, costituite da un tubo fluorescente di piccolo diametro abbinato a un circuito elettronico di alimentazione. Il tutto è montato su uno zoccolo a vite simile a quello delle normali lampadine, al cui posto possono essere montate.
Alimentatore elettronico a componenti integrati Questo alimentatore utilizza circuiti integrati (compreso un oscillatore programmabile) per il controllo della lampada. Basandosi sul fatto che una lampada fluorescente richiede una tensione alternata con duty cycle 50% e il circuito di pilotaggio è un circuito risonante (L, C), è semplice generare una forma d'onda quadrata in ingresso a questo circuito. Il circuito risonante la trasforma in un'onda dall'andamento sinusoidale. Poiché un circuito costituito da una L e una C ha un picco di risonanza a una frequenza ben definita, risulta chiaro che variando la frequenza della forma d'onda quadra creata ci si può avvicinare al picco di risonanza e pilotare la lampada con una tensione sempre più alta. Inoltre lavorando ad alte frequenze è possibile far scorrere nei catodi di lampada una corrente abbastanza bassa da non far accendere la lampada ma sufficiente per riscaldare i filamenti ed evitare che si danneggino all'accensione, aumentando così il tempo di vita della lampada.
Ecco come funziona, in breve, una lampada con circuito di controllo elettronico.