Le lampade a risparmio energetico

• far si che il processo di accensione della lampada vada sempre a buon fine;
• mantenere tensione, corrente e fattore di potenza del sistema entro valori prestabiliti;
• migliorare il confort del compito visivo,
  

Le soluzioni tecnologiche adottate allo scopo, brevemente descritte nel seguito, consentono di aumentare il rendimento complessivo della sorgente fino al 20%, estendere la vita utile del bulbo fino al 25%, aumentare fino al 10% il flusso luminoso prodotto, migliorare il confort del compito visivo.

False partenze
Chi non ha mai visto i tradizionali tubi fluorescenti flickerare numerose volte prima di accendersi alzi la mano. Ai fini del risparmio energetico risulta fondamentale che il processo di accensione vada sempre a buon fine. Ma ciò non è sempre verificato: al momento dell’apertura dello starter la lampada potrebbe, infatti, non accendersi qualora gli elettrodi non siano abbastanza caldi oppure l’extratensione generata non risulti di ampiezza sufficiente.

In tal caso l’intero processo di accensione si ripete automaticamente con sollecitazione del bulbo e diminuzione della sua vita utile.

Se la lampada non si accende lo starter continuerà, infatti, a produrre picchi di tensione fintantoché:
a) non venga tolta l’alimentazione;
b) non si interrompa uno dei due filamenti del bulbo;
c) i due elettrodi dello starter stesso non rimangano saldati insieme.

Il ripetersi continuo di tentativi di accensione causa il tipico flickering delle lampade esauste. La corrente di corto circuito dello starter continua a fluire con inutile dispendio di energia. Questo problema viene evitato con l’ausilio dei ballast elettronici nei quali lo starter è sostituito da un circuito che effettua le aperture e le chiusure a mezzo di un triac comandato su un tempo di preriscaldamento ben definito (1,5-2 s).

Gli eventuali insuccessi di accensione vengono inoltre “contati” e dopo un certo numero il triac non riceve più alcun comando di chiusura evitando il fastidioso flikering tipico dei tubi giunti a fine vita (lampade “flicker-free”).

Alimentazione a frequenze elevate
Negli anni 70 del secolo scorso si osservò che alimentando il complesso reattore-bulbo con tensioni aventi frequenze sempre maggiori si ottengono una serie di effetti positivi che possono essere così riassunti:

• miglioramento del fattore di potenza: nella classica alimentazione a 50 Hz con ballast elettromagnetico, tensione e corrente ai capi del bulbo non sono sinusoidali (figura 3) con conseguente basso valore del fattore di potenza; alimentando il complesso reattore-bulbo con tensioni aventi frequenze sempre maggiori le forme d’onda tendono a diventare sinusoidali ed il fattore di potenza tende all’unità;
• compattezza
• valori più elevati di frequenza permettono di ottenere la medesima reattanza in Ohm del circuito esterno con induttanze più basse;
• diminuzione delle perdite
• minori valori di induttanza comportano minori ingombri e pesi e quindi minori perdite nell’induttore; inoltre con una frequenza di alimentazione elevata il gas non ha il tempo di deionizzarsi ad ogni passaggio per lo zero della corrente con aumento del rendimento elettrico e maggiore durata del bulbo;
• aumento dell’efficienza luminosa
• valori più elevati della frequenza di alimentazione causano, a parità di altri fattori, un aumento fino al 10% del flusso luminoso prodotto;
• stabilità visiva con riduzione dell’effetto stroboscopico: alla frequenza di 50 Hz la corrente nel tubo si annulla due volte ogni 20 ms causando la deionizzazione del gas e l’annullamento del flusso luminoso. Ciò produce un flicker a 50 Hz che da luogo ad un fastidioso effetto stroboscopico, allorchè ad essere illuminati sono oggetti in movimento (ad esempio parti di macchine utensili). Per questo motivo, negli impianti industriali, i tubi fluorescenti dotati ballast elettromagnetici vengono sempre utilizzati in coppie, ubicate dentro un unico diffusore, con i due tubi alimentati da fasi diverse (o dalla stessa fase con interposto un condensatore sfasatore). L’effetto stroboscopio è completamente eliminato alimentando il bulbo a frequenze elevate a mezzo di ballast elettronici.
  

Le frequenze più indicate per ottenere gli effetti descritti sono superiori a 8-10 kHz, ma l’utilizzo di tali valori, cadendo nella banda passante dell’apparato uditivo umano, produrrebbe un ronzio percepibile e fastidioso in ambienti particolarmente silenziosi. Un aumento eccessivo della frequenza di alimentazione conduce d’altro canto ad un aumento delle perdite per commutazione nel ballast nonché a problemi di interferenze. Le frequenze oggi più comunemente utilizzate dai costruttori sono comprese tra 24 kHz e 50 kHz.

Parametri di efficienza
In termini di risparmio energetico, la convenienza derivante dall’utilizzo di una assegnata utenza è dettata dall’insieme di molti fattori che, molto schematicamente, possono riassumersi in:
- energia spesa nei processi di produzione;
- rendimento energetico;
- vita utile;
- energia spesa nei processi di smaltimento.

Energia spesa nei processi di produzione
L’energia spesa nei processi produttivi di un prodotto (embodied energy) viene spesso sottovalutata: quasi sempre essa è direttamente proporzionale alla complessità dei processi stessi e pertanto è quella che maggiormente influenza il costo iniziale del prodotto. Il processo produttivo delle IL è abbastanza semplice mentre quello delle Cfl è molto più complesso e produce un più elevato numero di esemplari scartati.

Rendimento energetico
Per le Cfl il valore del rendimento energetico (lumen di flusso prodotto per ogni Watt di potenza assorbita) dipende da numerosi fattori primi tra i quali il tipo di fosfori impiegati, la geometria e le dimensioni del tubo, la miscela di gas impiegati e la loro pressione, la corrente mantenuta nel bulbo dal circuito di controllo. La figura 4 illustra la variazione del rendimento con alcuni dei parametri citati. Si noti come esso aumenti all’aumentare della lunghezza del tubo: ciò è dovuto al fatto che la potenza dissipata negli elettrodi è una parte sempre più piccola della potenza totale. L’efficienza diminuisce, invece, all’aumentare della corrente. Da considerare infine le inevitabili perdite nel dispositivo di controllo, più basse quando questo è di tipo elettronico ad alta frequenza.

Vita utile
La durata (vita utile) di una Cfl può consentire di ammortizzarne il maggior costo iniziale. Il termine di paragone sono le IL ma ciò richiede particolari cautele. Ad esempio:

• la vita di una Cfl è pesantemente influenzata dal numero di cicli di accensione/spegnimento e dalle singole durate (duty cicle): essa si riduce notevolmente in caso di on/off molto frequenti fino ad arrivare, in alcuni casi, ad essere paragonabile con quella di una IL;
• particolari eventi e condizioni di utilizzo (spike e buchi di tensione, basse temperature, shock meccanici) abbreviano la durata di una Cfl molto più che quella di una IL;
• eventuali difetti di produzione (pressoché assenti nelle IL) sono da tenere in considerazione in un confronto equo.

I dati inerenti le durate delle Cfl, in bella vista sulle confezioni delle stesse, sono ottenute dai costruttori attraverso test di laboratorio condotti in condizioni ben controllate secondo quanto descritto dalla norma EN 60969 (Cei 34-53). Tra queste si ricorda: qualità della tensione di alimentazione; posizione di funzionamento; ciclo di on/off; temperatura ambiente; metodo di accensione; circuito di controllo

Nelle migliori condizioni (lunghi cicli di on/off, alimentazione filtrata, temperatura controllata ecccetera) la durata di una Cfl di media qualità è compresa tra 5000 e 10000 ore mentre quella di una lampada ad incandescenza tra 750 e 1000 ore. In condizioni più realistiche (prossime a quelle di reale impiego) la IL guadagna un po’ di terreno essendo pressoché insensibile alla maggior parte dei fattori che riducono la vita delle Cfl. In figura 5 la durata di queste ultime è messa in relazione al decadimento del flusso luminoso prodotto: come può osservarsi il decadimento è esponenziale e quindi molto rapido verso la fine della vita (tuttavia ciò è in parte compensato dalla sensibilità logaritmica dell’occhio umano all’intensità luminosa).

Energia spesa nei processi di smaltimento
Ai fini ambientali smaltire una IL equivale a smaltire vetro e metallo con processi ormai consolidati. Smaltire una Cfl significa invece smaltire mercurio il che richiede particolari precauzioni onde evitare eccessiva contaminazione delle acque e dell’aria. Una volta emesso in atmosfera il mercurio è depositato sui recettori terrestri e acquatici determinando un notevole impatto sulla catena alimentare. L’assunzione da parte dell'uomo può avvenire tramite consumo di pesce per le acque, consumo di ortaggi e verdure per il terreno e la normale respirazione per l'aria.

Data la diffusione su larga scala delle Cfl sono state create apposite macchine per lo smaltimento che operano rompendo il bulbo in un ambiente a pressione negativa (per evitare contaminazione dell’ambiente circostante) ed assorbendo il mercurio tramite appositi filtri (è prevedibile che in futuro molte aziende municipali si attrezzino in tal senso). Le lampade fluorescenti provenienti da impieghi commerciali e industriali devono essere trattate da imprese di smaltimento specializzate, mentre gli utenti privati dovrebbero depositarle presso appositi punti di raccolta.

Influenza sulla durata del ciclo di on/off
Le lampade fluorescenti non dovrebbero essere utilizzate in situazioni dove è richiesto un numero elevato di accensioni e spegnimenti e/o accensioni di pochi minuti. Questa peculiarità rende le Cfl inadatte ad utilizzi automatizzati caratterizzati da tempi di accensione brevi (lampade comandate da sensori di presenza, di luci scale temporizzate, automatismi vari). In tal caso l’impiego appare antieconomico, poiché la notevole riduzione della durata potrebbe non consentire l’ammortamento del costo iniziale. L’uso è invece raccomandato in ambienti ove si prevedono impieghi continuativi (nel qual caso l’ammortamento può avvenire in un periodo più o meno lungo).

Il ciclo giorno/notte è particolarmente adatto all’impiego di Cfl per illuminazione notturna. Esistono allo scopo lampade (esempio Osram Dulux el sensor) dotate di sensore che le accende all'imbrunire e le spegne all’alba. Un problema che i progettisti di queste lampade hanno dovuto affrontare è stato quello di evitare influenze sul sensore da parte della radiazione emessa dalla lampada stessa: esso deve quindi essere in grado di riconoscere la composizione spettrale della luce naturale. L’influenza del cosiddetto switching-cicle sulla vita di una lampada dipende in larga misura dal circuito di controllo.

Nelle applicazioni ove sono previste più di un’accensione/spegnimento nell’arco di 3 ore è consigliabile adottare sistemi d’accensione a caldo. Se invece sono previste meno di un on/off su 3 ore allora anche le lampade con accensione a freddo possono essere utilizzate. Per l’attesa di vita dei propri prodotti i costruttori forniscono grafici simili a quello della figura 6.

Influenza sulla durata della temperatura
Discorso a parte meritano gli effetti della temperatura. Seppur in misura minore rispetto alle IL anche le Cfl sviluppano calore durante il proprio funzionamento e durano meno se si surriscaldano. Tale problema è particolarmente sentito per quelle unità caratterizzate da elevati flussi luminosi.
Per ogni Cfl esiste un valore ottimo dell’efficienza dipendente dalla pressione del mercurio la quale è a sua volta direttamente correlata con la temperatura del tubo ed in particolare con quella del suo punto più freddo (il cosiddetto “cold spot” assunto sempre come riferimento termico del bulbo) la cui posizione è a volte segnata dai costruttori mediante un punto rosso (figura 7).

Dopo l’accensione il bulbo inizia a scaldarsi e la temperatura del suo punto più freddo sale rapidamente causando un aumento della pressione dei vapori di mercurio dalla quale dipende la tensione di mantenimento dell’arco. Dopo un certo intervallo di tempo (run up time) dell’ordine dei 2-3 minuti, viene raggiunto un equilibrio termico in corrispondenza del quale temperatura del tubo e tensione d’arco raggiungono valori stabili e si ha un livello di circa il 90% di emissione luminosa. Dopo 5 minuti flusso e resa cromatica raggiungono i valori di regime ma occorre un tempo quasi doppio se è necessario riaccendere la luce subito dopo che è stata spenta. Tale tempo va comunque confrontato quelli dell’ordine di centinaia di millisecondi delle lampade ad incandescenza e dei microsecondi delle lampade led. La durata del run-up time dipende dal tipo di bulbo (geometria, costituzione interna, materiali utilizzati) e dalle condizioni di installazione (temperatura ambiente, diffusore aperto/chiuso).

Una stessa lampada raggiunge una temperatura di stabilizzazione maggiore in ambiente chiuso che in ambiente aperto cosicché anche il flusso prodotto (e la resa luminosa) può essere diverso. I costruttori rendono disponibili appositi grafici riportanti il flusso delle lampade nude in funzione della temperatura ambiente e della posizione di installazione (figura 8). Ai fini della resa ottimale la pressione dei vapori di mercurio all’interno del tubo dovrebbe essere dell’ordine di 0,5-1 Pascal ciò che richiede una temperatura delle pareti di circa 40°C. Tale valore non è molto distante dalle normali temperature ambientali (20-25°C) e può essere ottenuto senza precauzioni aggiuntive con il calore generato dalla stessa scarica. Per lampade utilizzate in ambienti a temperature inferiori (all’esterno nella stagione invernale) è consigliabile l’utilizzo di diffusori chiusi.