Una lampada è un convertitore di energia. Sebbene possa svolgere funzioni secondarie, il suo scopo principale è la trasformazione dell'energia elettrica in radiazione elettromagnetica visibile. Ci sono molti modi per creare luce. Il metodo standard per creare l'illuminazione generale è la conversione dell'energia elettrica in luce.

Tipi di luce

Incandescenza

Quando i solidi ei liquidi vengono riscaldati, emettono radiazioni visibili a temperature superiori a 1,000 K; questo è noto come incandescenza.

Tale riscaldamento è alla base della generazione della luce nelle lampade a incandescenza: una corrente elettrica passa attraverso un sottile filo di tungsteno, la cui temperatura sale da circa 2,500 a 3,200 K, a seconda del tipo di lampada e della sua applicazione.

C'è un limite a questo metodo, che è descritto dalla legge di Planck per le prestazioni di un radiatore a corpo nero, secondo cui la distribuzione spettrale dell'energia irradiata aumenta con la temperatura. A circa 3,600 K e oltre, c'è un marcato guadagno nell'emissione di radiazione visibile e la lunghezza d'onda della massima potenza si sposta nella banda visibile. Questa temperatura è vicina al punto di fusione del tungsteno, che viene utilizzato per il filamento, quindi il limite di temperatura pratica è di circa 2,700 K, oltre il quale l'evaporazione del filamento diventa eccessiva. Un risultato di questi spostamenti spettrali è che gran parte della radiazione emessa non viene emessa come luce ma come calore nella regione dell'infrarosso. Le lampade a incandescenza possono quindi essere efficaci dispositivi di riscaldamento e vengono utilizzate in lampade progettate per l'essiccazione della stampa, la preparazione del cibo e l'allevamento di animali.

Scarica elettrica

La scarica elettrica è una tecnica utilizzata nelle moderne sorgenti luminose per il commercio e l'industria a causa della produzione più efficiente di luce. Alcuni tipi di lampade combinano la scarica elettrica con la fotoluminescenza.

Una corrente elettrica fatta passare attraverso un gas ecciterà gli atomi e le molecole ad emettere radiazioni di uno spettro che è caratteristico degli elementi presenti. Sono comunemente usati due metalli, sodio e mercurio, perché le loro caratteristiche danno radiazioni utili all'interno dello spettro visibile. Nessuno dei due metalli emette uno spettro continuo e le lampade a scarica hanno spettri selettivi. La loro resa cromatica non sarà mai identica agli spettri continui. Le lampade a scarica sono spesso classificate come ad alta pressione oa bassa pressione, sebbene questi termini siano solo relativi e una lampada al sodio ad alta pressione funziona a meno di un'atmosfera.

Tipi di luminescenza

Fotoluminescenza si verifica quando la radiazione viene assorbita da un solido e viene poi riemessa a una diversa lunghezza d'onda. Quando la radiazione riemessa è all'interno dello spettro visibile viene chiamato il processo fluorescenza or fosforescenza.

elettroluminescenza si verifica quando la luce è generata da una corrente elettrica che passa attraverso alcuni solidi, come i materiali fosforici. Viene utilizzato per insegne e cruscotti autoilluminati ma non si è rivelato una sorgente luminosa pratica per l'illuminazione di edifici o esterni.

Evoluzione delle lampade elettriche

Sebbene il progresso tecnologico abbia consentito di produrre diverse lampade, i principali fattori che ne hanno influenzato lo sviluppo sono state le forze del mercato esterno. Ad esempio, la produzione delle lampade a incandescenza in uso all'inizio di questo secolo è stata possibile solo dopo la disponibilità di buone pompe da vuoto e la trafilatura del filo di tungsteno. Tuttavia, è stata la produzione e distribuzione su larga scala di energia elettrica per soddisfare la domanda di illuminazione elettrica a determinare la crescita del mercato. L'illuminazione elettrica offriva molti vantaggi rispetto alla luce generata a gas o petrolio, come la luce fissa che richiede una manutenzione poco frequente, nonché la maggiore sicurezza di non avere fiamme esposte e nessun sottoprodotto locale della combustione.

Durante il periodo di ripresa dopo la seconda guerra mondiale, l'accento era posto sulla produttività. La lampada tubolare fluorescente è diventata la fonte di luce dominante perché ha reso possibile l'illuminazione priva di ombre e relativamente priva di calore di fabbriche e uffici, consentendo il massimo utilizzo dello spazio. I requisiti di emissione luminosa e potenza per una tipica lampada tubolare fluorescente da 1,500 mm sono riportati nella tabella 1.

Tabella 1. Miglioramento dell'emissione luminosa e dei requisiti di potenza di alcune tipiche lampade a tubo fluorescente da 1,500 mm

Negli anni '1970 i prezzi del petrolio sono aumentati e i costi energetici sono diventati una parte significativa dei costi operativi. Il mercato richiedeva lampade fluorescenti che producessero la stessa quantità di luce con un minore consumo elettrico. Il design della lampada è stato perfezionato in diversi modi. Mentre il secolo si chiude c'è una crescente consapevolezza dei problemi ambientali globali. Un migliore utilizzo delle materie prime in declino, il riciclaggio o lo smaltimento sicuro dei prodotti e la continua preoccupazione per il consumo di energia (in particolare l'energia generata dai combustibili fossili) stanno avendo un impatto sugli attuali design delle lampade.

Criteri di rendimento

I criteri di prestazione variano a seconda dell'applicazione. In generale, non esiste una particolare gerarchia di importanza di questi criteri.

Uscita luminosa: Il flusso luminoso di una lampada determinerà la sua idoneità in relazione alla scala dell'installazione e alla quantità di illuminazione richiesta.

Aspetto del colore e resa cromatica: scale e valori numerici separati si applicano all'aspetto del colore e alla resa cromatica. È importante ricordare che le cifre forniscono solo indicazioni e alcune sono solo approssimazioni. Quando possibile, le valutazioni di idoneità dovrebbero essere effettuate con lampade reali e con i colori oi materiali che si applicano alla situazione.

Vita della lampada: La maggior parte delle lampade richiederà la sostituzione più volte durante la vita dell'impianto di illuminazione e i progettisti dovrebbero ridurre al minimo i disagi per gli occupanti causati da guasti occasionali e manutenzione. Le lampade sono utilizzate in un'ampia varietà di applicazioni. La vita media prevista è spesso un compromesso tra costo e prestazioni. Ad esempio, la lampada per un proiettore per diapositive avrà una durata di poche centinaia di ore perché la massima resa luminosa è importante per la qualità dell'immagine. Al contrario, alcune lampade per l'illuminazione stradale possono essere sostituite ogni due anni, il che corrisponde a circa 8,000 ore di funzionamento.

Inoltre, la durata della lampada è influenzata dalle condizioni operative e quindi non esiste un valore semplice che si applichi a tutte le condizioni. Inoltre, la durata effettiva della lampada può essere determinata da diverse modalità di guasto. Un guasto fisico come la rottura del filamento o della lampada può essere preceduto da una riduzione dell'emissione luminosa o da cambiamenti nell'aspetto del colore. La durata della lampada è influenzata dalle condizioni ambientali esterne quali temperatura, vibrazioni, frequenza di avviamento, fluttuazioni della tensione di alimentazione, orientamento e così via.

Va notato che la vita media citata per un tipo di lampada è il tempo per i guasti del 50% da un lotto di lampade di prova. È improbabile che questa definizione di vita sia applicabile a molte installazioni commerciali o industriali; quindi la durata pratica della lampada è generalmente inferiore ai valori pubblicati, che dovrebbero essere utilizzati solo a scopo di confronto.

EFFICIENZA: Come regola generale l'efficienza di un dato tipo di lampada migliora all'aumentare della potenza nominale, poiché la maggior parte delle lampade ha una perdita fissa. Tuttavia, diversi tipi di lampade hanno marcate variazioni di efficienza. Dovrebbero essere utilizzate lampade con la massima efficienza, a condizione che siano soddisfatti anche i criteri di dimensione, colore e durata. Il risparmio energetico non dovrebbe andare a scapito del comfort visivo o della capacità prestazionale degli occupanti. Alcune efficacie tipiche sono riportate nella tabella 2.

Tabella 2. Efficienze tipiche della lampada

Principali tipi di lampade

Nel corso degli anni, diversi sistemi di nomenclatura sono stati sviluppati da standard e registri nazionali e internazionali.

Nel 1993, la Commissione elettrotecnica internazionale (IEC) ha pubblicato un nuovo sistema internazionale di codifica delle lampade (ILCOS) destinato a sostituire i sistemi di codifica nazionali e regionali esistenti. Un elenco di alcuni codici ILCOS in forma abbreviata per varie lampade è riportato nella tabella 3.

Tabella 3. Sistema di codifica in forma abbreviata ILCOS (International Lamp Coding System) per alcuni tipi di lampade

Lampade ad incandescenza

Queste lampade utilizzano un filamento di tungsteno in un gas inerte o sottovuoto con un involucro di vetro. Il gas inerte sopprime l'evaporazione del tungsteno e riduce l'annerimento dell'involucro. Esiste una grande varietà di forme di lampade, che sono in gran parte decorative nell'aspetto. La costruzione di una tipica lampada GLS (General Lighting Service) è mostrata in figura 1.

Figura 1. Costruzione di una lampada GLS

Le lampade ad incandescenza sono disponibili anche con una vasta gamma di colori e finiture. I codici ILCOS e alcune forme tipiche comprendono quelli riportati nella tabella 4.

Tabella 4. Colori e forme comuni delle lampade a incandescenza, con i relativi codici ILCOS

Le lampade a incandescenza sono ancora popolari per l'illuminazione domestica a causa del loro basso costo e delle dimensioni compatte. Tuttavia, per l'illuminazione commerciale e industriale la scarsa efficacia genera costi operativi molto elevati, quindi le lampade a scarica sono la scelta normale. Una lampada da 100 W ha un'efficienza tipica di 14 lumen/watt rispetto ai 96 lumen/watt di una lampada fluorescente da 36 W.

Le lampade a incandescenza sono semplici da attenuare riducendo la tensione di alimentazione e sono ancora utilizzate dove l'oscuramento è una caratteristica di controllo desiderata.

Il filamento di tungsteno è una sorgente luminosa compatta, facilmente focalizzabile da riflettori o lenti. Le lampade a incandescenza sono utili per l'illuminazione di display dove è necessario il controllo direzionale.

Lampade alogene al tungsteno

Questi sono simili alle lampade a incandescenza e producono luce allo stesso modo da un filamento di tungsteno. Tuttavia il bulbo contiene gas alogeno (bromo o iodio) che è attivo nel controllare l'evaporazione del tungsteno. Vedi figura 2.

Figura 2. Il ciclo dell'alogeno

Fondamentale per il ciclo alogeno è una temperatura minima della parete del bulbo di 250 °C per garantire che l'alogenuro di tungsteno rimanga allo stato gassoso e non si condensi sulla parete del bulbo. Questa temperatura significa bulbi fatti di quarzo al posto del vetro. Con il quarzo è possibile ridurre le dimensioni del bulbo.

La maggior parte delle lampade alogene al tungsteno ha una durata maggiore rispetto alle equivalenti a incandescenza e il filamento è a una temperatura più elevata, creando più luce e colori più bianchi.

Le lampade alogene al tungsteno sono diventate popolari laddove le dimensioni ridotte e le prestazioni elevate sono il requisito principale. Esempi tipici sono l'illuminazione di palcoscenici, inclusi film e TV, dove il controllo direzionale e l'attenuazione sono requisiti comuni.

Lampade alogene al tungsteno a bassa tensione

Questi sono stati originariamente progettati per proiettori di diapositive e film. A 12 V il filamento per la stessa potenza di 230 V diventa più piccolo e più spesso. Questo può essere focalizzato in modo più efficiente e la massa del filamento più grande consente una temperatura operativa più elevata, aumentando l'emissione luminosa. Il filamento spesso è più robusto. Questi vantaggi sono stati realizzati come utili per il mercato dei display commerciali e, anche se è necessario disporre di un trasformatore step-down, queste lampade ora dominano l'illuminazione delle vetrine dei negozi. Vedi figura 3.

Figura 3. Lampada con riflettore dicroico a bassa tensione

Sebbene gli utenti di proiettori cinematografici desiderino quanta più luce possibile, troppo calore danneggia il mezzo trasparente. È stato sviluppato un tipo speciale di riflettore che riflette solo la radiazione visibile, consentendo alla radiazione infrarossa (calore) di passare attraverso la parte posteriore della lampada. Questa caratteristica fa ora parte di molte lampade con riflettore a bassa tensione per l'illuminazione di display e apparecchiature per proiettori.

Sensibilità alla tensione: Tutte le lampade a incandescenza sono sensibili alle variazioni di tensione e ne risentono l'emissione luminosa e la durata. La mossa per “armonizzare” la tensione di alimentazione in tutta Europa a 230 V si sta realizzando allargando le tolleranze alle quali possono operare le autorità di generazione. Lo spostamento è verso ±10%, che è un intervallo di tensione compreso tra 207 e 253 V. Le lampade alogene a incandescenza e al tungsteno non possono essere utilizzate in modo ragionevole in questo intervallo, quindi sarà necessario far corrispondere la tensione di alimentazione effettiva ai valori nominali della lampada. Vedi figura 4.

Figura 4. Lampade a incandescenza GLS e tensione di alimentazione

Anche le lampade a scarica saranno influenzate da questa ampia variazione di tensione, quindi la specifica corretta dell'alimentatore diventa importante.

Lampade fluorescenti tubolari

Si tratta di lampade al mercurio a bassa pressione e sono disponibili nelle versioni “hot cathode” e “cold cathode”. Il primo è il tradizionale tubo fluorescente per uffici e fabbriche; "catodo caldo" si riferisce all'accensione della lampada preriscaldando gli elettrodi per creare una sufficiente ionizzazione del gas e del vapore di mercurio per stabilire la scarica.

Le lampade a catodo freddo sono utilizzate principalmente per la segnaletica e la pubblicità. Vedi figura 5.

Figura 5. Principio della lampada fluorescente

Le lampade fluorescenti richiedono dispositivi di controllo esterni per l'avviamento e per controllare la corrente della lampada. Oltre alla piccola quantità di vapore di mercurio, c'è un gas di partenza (argon o krypton).

La bassa pressione del mercurio genera una scarica di luce azzurra. La maggior parte della radiazione si trova nella regione UV a 254 nm, una frequenza di radiazione caratteristica per il mercurio. All'interno della parete del tubo è presente un sottile rivestimento di fosforo, che assorbe i raggi UV e irradia l'energia sotto forma di luce visibile. La qualità del colore della luce è determinata dal rivestimento di fosforo. È disponibile una gamma di fosfori con diversi aspetti cromatici e resa cromatica.

Durante gli anni '1950 i fosfori disponibili offrivano una scelta di ragionevole efficacia (60 lumen/watt) con luce carente di rossi e blu, o resa cromatica migliorata da fosfori "deluxe" di efficienza inferiore (40 lumen/watt).

Negli anni '1970 erano stati sviluppati nuovi fosfori a banda stretta. Questi irradiavano separatamente luce rossa, blu e verde ma, combinati, producevano luce bianca. La regolazione delle proporzioni ha dato una gamma di diversi aspetti cromatici, tutti con un'eccellente resa cromatica simile. Questi tri-fosfori sono più efficienti dei tipi precedenti e rappresentano la migliore soluzione di illuminazione economica, anche se le lampade sono più costose. Una maggiore efficacia riduce i costi operativi e di installazione.

Il principio del trifosforo è stato esteso alle lampade multifosforo dove è necessaria una resa cromatica critica, come per le gallerie d'arte e la corrispondenza dei colori industriale.

I moderni fosfori a banda stretta sono più durevoli, hanno una migliore manutenzione del flusso luminoso e aumentano la durata della lampada.

Lampade fluorescenti compatte

Il tubo fluorescente non è un pratico sostituto della lampada ad incandescenza a causa della sua forma lineare. Tubi piccoli ea foro stretto possono essere configurati all'incirca delle stesse dimensioni della lampada a incandescenza, ma ciò impone un carico elettrico molto più elevato sul materiale fosforico. L'uso di trifosfori è essenziale per ottenere una durata accettabile della lampada. Vedi figura 6.

Figura 6. Fluorescenza compatta a quattro gambe

Tutte le lampade fluorescenti compatte utilizzano trifosforo, quindi, quando vengono utilizzate insieme a lampade fluorescenti lineari, anche queste ultime dovrebbero essere trifosforo per garantire l'uniformità del colore.

Alcune lampade compatte includono l'alimentatore di controllo operativo per formare dispositivi di retrofit per lampade a incandescenza. La gamma è in aumento e consente di aggiornare facilmente le installazioni esistenti a un'illuminazione più efficiente dal punto di vista energetico. Queste unità integrali non sono adatte per l'oscuramento dove questo faceva parte dei controlli originali.

Alimentatore elettronico ad alta frequenza: Se la normale frequenza di alimentazione di 50 o 60 Hz viene aumentata a 30 kHz, vi è un aumento del 10% dell'efficacia dei tubi fluorescenti. I circuiti elettronici possono far funzionare singole lampade a tali frequenze. Il circuito elettronico è progettato per fornire la stessa emissione luminosa dell'alimentatore a filo avvolto, a partire da una potenza della lampada ridotta. Ciò offre la compatibilità del pacchetto lumen con il vantaggio che il carico ridotto della lampada aumenterà notevolmente la durata della lampada. L'alimentatore elettronico è in grado di funzionare su una gamma di tensioni di alimentazione.

Non esiste uno standard comune per gli alimentatori elettronici e le prestazioni della lampada possono differire dalle informazioni pubblicate fornite dai produttori della lampada.

L'uso di apparecchiature elettroniche ad alta frequenza elimina il normale problema dello sfarfallio, a cui alcuni occupanti possono essere sensibili.

Lampade a induzione

Recentemente sono apparse sul mercato lampade che utilizzano il principio dell'induzione. Sono lampade al mercurio a bassa pressione con rivestimento trifosforo e come produttori di luce sono simili alle lampade fluorescenti. L'energia viene trasferita alla lampada mediante radiazione ad alta frequenza, a circa 2.5 MHz da un'antenna posizionata centralmente all'interno della lampada. Non esiste alcun collegamento fisico tra la lampadina e la bobina. Senza elettrodi o altri collegamenti a filo, la costruzione del recipiente di scarica è più semplice e duratura. La durata della lampada è determinata principalmente dall'affidabilità dei componenti elettronici e dal mantenimento del flusso luminoso del rivestimento al fosforo.

Lampade al mercurio ad alta pressione

Gli scarichi ad alta pressione sono più compatti e presentano carichi elettrici più elevati; pertanto, richiedono tubi ad arco di quarzo per resistere alla pressione e alla temperatura. Il tubo dell'arco è contenuto in un involucro di vetro esterno con un'atmosfera di azoto o argon-azoto per ridurre l'ossidazione e la formazione di archi. La lampadina filtra efficacemente la radiazione UV dal tubo ad arco. Vedere la figura 7.

Figura 7. Costruzione della lampada al mercurio

Ad alta pressione, la scarica di mercurio è principalmente una radiazione blu e verde. Per migliorare il colore un rivestimento di fosforo del bulbo esterno aggiunge luce rossa. Esistono versioni deluxe con un contenuto di rosso aumentato, che offrono una maggiore emissione luminosa e una migliore resa cromatica.

Tutte le lampade a scarica ad alta pressione impiegano del tempo per raggiungere la piena potenza. La scarica iniziale avviene tramite il riempimento di gas conduttore e il metallo evapora all'aumentare della temperatura della lampada.

Alla pressione stabile la lampada non si riavvierà immediatamente senza un apposito alimentatore. C'è un ritardo mentre la lampada si raffredda sufficientemente e la pressione si riduce, in modo che la normale tensione di alimentazione o il circuito dell'accenditore sia adeguato per ristabilire l'arco.

Le lampade a scarica hanno una caratteristica di resistenza negativa, quindi l'alimentatore esterno è necessario per controllare la corrente. Ci sono perdite dovute a questi componenti dell'alimentatore, quindi l'utente dovrebbe considerare i watt totali quando considera i costi operativi e l'installazione elettrica. C'è un'eccezione per le lampade al mercurio ad alta pressione, e un tipo contiene un filamento di tungsteno che funge sia da dispositivo di limitazione della corrente che aggiunge colori caldi alla scarica blu/verde. Ciò consente la sostituzione diretta delle lampade a incandescenza.

Sebbene le lampade al mercurio abbiano una lunga durata di circa 20,000 ore, l'emissione luminosa scenderà a circa il 55% dell'emissione iniziale alla fine di questo periodo, e quindi la vita economica può essere più breve.

Lampade ad alogenuri metallici

Il colore e l'emissione luminosa delle lampade a scarica di mercurio possono essere migliorati aggiungendo diversi metalli all'arco di mercurio. Per ogni lampada la dose è piccola e per un'applicazione accurata è più conveniente maneggiare i metalli in polvere come alogenuri. Questo si rompe quando la lampada si riscalda e rilascia il metallo.

Una lampada ad alogenuri metallici può utilizzare diversi metalli, ognuno dei quali emana un colore caratteristico specifico. Questi includono:

• disprosio: ampio blu-verde
• indio: blu stretto
• litio: rosso stretto
• scandio: ampio blu-verde
• sodio-stretto giallo
• tallio: verde stretto
• stagno: ampio rosso-arancio

Non esiste una miscela standard di metalli, quindi le lampade ad alogenuri metallici di diversi produttori potrebbero non essere compatibili nell'aspetto o nelle prestazioni operative. Per le lampade con potenza nominale inferiore, da 35 a 150 W, esiste una maggiore compatibilità fisica ed elettrica con uno standard comune.

Le lampade ad alogenuri metallici richiedono un alimentatore, ma la mancanza di compatibilità significa che è necessario abbinare ogni combinazione di lampada e alimentatore per garantire condizioni di avviamento e funzionamento corrette.

Lampade al sodio a bassa pressione

Il tubo ad arco è di dimensioni simili al tubo fluorescente ma è realizzato in vetro speciale a strati con un rivestimento interno resistente al sodio. Il tubo dell'arco ha una forma a "U" stretta ed è contenuto in una camicia sottovuoto esterna per garantire la stabilità termica. Durante l'avviamento, le lampade emettono un forte bagliore rosso dovuto al riempimento di gas al neon.

La radiazione caratteristica del vapore di sodio a bassa pressione è un giallo monocromatico. Questo è vicino al picco di sensibilità dell'occhio umano e le lampade al sodio a bassa pressione sono le lampade più efficienti disponibili a quasi 200 lumen/watt. Tuttavia le applicazioni sono limitate a dove la discriminazione dei colori non ha importanza visiva, come strade principali, sottopassaggi e strade residenziali.

In molte situazioni queste lampade vengono sostituite da lampade al sodio ad alta pressione. Le loro dimensioni ridotte offrono un migliore controllo ottico, in particolare per l'illuminazione stradale dove vi è una crescente preoccupazione per l'eccessivo bagliore del cielo.

Lampade al sodio ad alta pressione

Queste lampade sono simili alle lampade al mercurio ad alta pressione ma offrono una migliore efficacia (oltre 100 lumen/watt) e un eccellente mantenimento del flusso luminoso. La natura reattiva del sodio richiede che il tubo ad arco sia prodotto da allumina policristallina traslucida, poiché il vetro o il quarzo non sono adatti. Il bulbo di vetro esterno contiene un vuoto per prevenire la formazione di archi e l'ossidazione. Non c'è radiazione UV dalla scarica di sodio, quindi i rivestimenti di fosforo non hanno alcun valore. Alcune lampadine sono satinate o rivestite per diffondere la sorgente luminosa. Vedere la figura 8.

Figura 8. Costruzione della lampada al sodio ad alta pressione

All'aumentare della pressione del sodio, la radiazione diventa un'ampia banda attorno al picco giallo e l'aspetto è bianco dorato. Tuttavia, all'aumentare della pressione, l'efficienza diminuisce. Attualmente sono disponibili tre tipi distinti di lampade al sodio ad alta pressione, come mostrato nella tabella 5.

Tabella 5. Tipi di lampade al sodio ad alta pressione

Generalmente le lampade standard sono utilizzate per l'illuminazione di esterni, le lampade deluxe per interni industriali e White SON per applicazioni commerciali/display.

Dimmerazione delle lampade a scarica

Le lampade ad alta pressione non possono essere dimmerate in modo soddisfacente, poiché cambiando la potenza della lampada cambiano la pressione e quindi le caratteristiche fondamentali della lampada.

Le lampade fluorescenti possono essere regolate utilizzando alimentatori ad alta frequenza generati tipicamente all'interno dell'alimentatore elettronico. L'aspetto del colore rimane molto costante. Inoltre, l'emissione luminosa è approssimativamente proporzionale alla potenza della lampada, con conseguente risparmio di energia elettrica al diminuire dell'emissione luminosa. Integrando l'emissione luminosa della lampada con il livello prevalente di luce diurna naturale, è possibile fornire un livello di illuminazione quasi costante in un interno.

Di ritorno

Gli esseri umani possiedono una straordinaria capacità di adattamento al loro ambiente ea ciò che li circonda. Di tutti i tipi di energia che gli esseri umani possono utilizzare, la luce è la più importante. La luce è un elemento chiave della nostra capacità di vedere, ed è necessaria per apprezzare la forma, il colore e la prospettiva degli oggetti che ci circondano nella nostra vita quotidiana. La maggior parte delle informazioni che otteniamo attraverso i nostri sensi le otteniamo attraverso la vista, quasi l'80%. Molto spesso, e perché siamo così abituati ad averlo a disposizione, lo diamo per scontato. Non dobbiamo dimenticare, tuttavia, che aspetti del benessere umano, come il nostro stato d'animo o il nostro livello di stanchezza, sono influenzati dall'illuminazione e dal colore delle cose che ci circondano. Dal punto di vista della sicurezza sul lavoro, la capacità visiva e il comfort visivo sono straordinariamente importanti. Questo perché molti infortuni sono dovuti, tra l'altro, a carenze di illuminazione oa errori commessi dal lavoratore a causa della sua difficoltà nell'identificare gli oggetti oi rischi associati a macchinari, mezzi di trasporto, contenitori pericolosi e così via.

I disturbi visivi associati a carenze nel sistema di illuminazione sono comuni sul posto di lavoro. A causa della capacità della vista di adattarsi a situazioni di illuminazione carente, questi aspetti a volte non vengono presi seriamente in considerazione come dovrebbero.

La corretta progettazione di un sistema di illuminazione dovrebbe offrire le condizioni ottimali per il comfort visivo. Per il raggiungimento di questo obiettivo occorre stabilire una prima linea di collaborazione tra architetti, lighting designer e responsabili dell'igiene nei cantieri. Questa collaborazione dovrebbe precedere l'inizio del progetto, per evitare errori che sarebbero difficili da correggere una volta completato il progetto. Tra gli aspetti più importanti da tenere in considerazione ci sono il tipo di lampada che verrà utilizzata e il sistema di illuminazione che verrà installato, la distribuzione della luminanza, l'efficienza luminosa e la composizione spettrale della luce.

Il fatto che luce e colore influiscano sulla produttività e sul benessere psico-fisiologico del lavoratore dovrebbe incoraggiare l'iniziativa di illuminotecnici, fisiologi ed ergonomi, per studiare e determinare le condizioni di luce e colore più favorevoli in ogni postazione di lavoro. La combinazione dell'illuminazione, il contrasto delle luminanze, il colore della luce, la riproduzione del colore o la selezione dei colori sono gli elementi che determinano il clima cromatico e il comfort visivo.

Fattori che determinano il comfort visivo

I prerequisiti che un impianto di illuminazione deve soddisfare per fornire le condizioni necessarie al comfort visivo sono i seguenti:

• illuminazione uniforme
• luminanza ottimale
• nessun bagliore
• adeguate condizioni di contrasto
• colori corretti
• assenza di effetto stroboscopico o luce intermittente.

È importante considerare la luce negli ambienti di lavoro non solo secondo criteri quantitativi, ma anche qualitativi. Il primo passo è studiare la postazione di lavoro, la precisione richiesta dalle mansioni svolte, la mole di lavoro, la mobilità del lavoratore e così via. La luce dovrebbe includere componenti sia di radiazione diffusa che di radiazione diretta. Il risultato della combinazione produrrà ombre di maggiore o minore intensità che consentiranno al lavoratore di percepire la forma e la posizione degli oggetti nella postazione di lavoro. Dovrebbero essere eliminati i fastidiosi riflessi, che rendono più difficile la percezione dei dettagli, così come i riflessi eccessivi o le ombre profonde.

La manutenzione periodica dell'impianto di illuminazione è molto importante. L'obiettivo è prevenire l'invecchiamento delle lampade e l'accumulo di polvere sulle lampade che si tradurrà in una costante perdita di luce. Per questo è importante selezionare lampade e sistemi di facile manutenzione. Una lampadina a incandescenza mantiene la sua efficienza fino all'attimo prima del guasto, ma non è così per i tubi fluorescenti, che dopo mille ore di utilizzo possono abbassare il loro rendimento fino al 75%.

Livelli di illuminazione

Ogni attività richiede uno specifico livello di illuminazione nell'area in cui si svolge l'attività. In generale, maggiore è la difficoltà per la percezione visiva, maggiore dovrebbe essere anche il livello medio di illuminazione. In varie pubblicazioni esistono linee guida per i livelli minimi di illuminazione associati a diversi compiti. In concreto, quelli elencati in figura 1 sono stati desunti dalle norme europee CENTC 169, e si basano più sull'esperienza che sulla conoscenza scientifica.

Figura 1. Livelli di illuminazione in funzione delle attività svolte

Il livello di illuminamento viene misurato con un luxometro che converte l'energia luminosa in un segnale elettrico, che viene poi amplificato e offre una facile lettura su una scala calibrata di lux. Quando si seleziona un certo livello di illuminazione per una particolare postazione di lavoro, è necessario studiare i seguenti punti:

• la natura del lavoro
• riflettanza dell'oggetto e dell'ambiente circostante
• differenze con la luce naturale e la necessità di illuminazione diurna
• l'età del lavoratore.

Unità e grandezze di illuminazione

Diverse grandezze sono comunemente utilizzate nel campo dell'illuminazione. Quelli di base sono:

Flusso luminoso: Energia luminosa emessa per unità di tempo da una sorgente luminosa. Unità: lumen (lm).

Intensità luminosa: Flusso luminoso emesso in una data direzione da una luce non uniformemente distribuita. Unità: candela (cd).

Livello di illuminazione: Livello di illuminamento di una superficie di un metro quadrato quando riceve un flusso luminoso di un lumen. Unità: lux = lm/m².

Luminanza o brillantezza fotometrica: È definito per una superficie in una direzione particolare, ed è il rapporto tra l'intensità luminosa e la superficie vista da un osservatore situato nella stessa direzione (superficie apparente). Unità: cd/m².

Contrasto: Differenza di luminanza tra un oggetto e ciò che lo circonda o tra diverse parti di un oggetto.

riflettanza: Proporzione di luce riflessa da una superficie. È una quantità adimensionale. Il suo valore è compreso tra 0 e 1.

Fattori che influenzano la visibilità degli oggetti

Il grado di sicurezza con cui viene eseguito un compito dipende, in gran parte, dalla qualità dell'illuminazione e dalle capacità visive. La visibilità di un oggetto può essere modificata in molti modi. Uno dei più importanti è il contrasto delle luminanze dovute ai fattori di riflessione, alle ombre, o ai colori dell'oggetto stesso, e ai fattori di riflessione del colore. Ciò che realmente l'occhio percepisce sono le differenze di luminanza tra un oggetto e ciò che lo circonda, o tra diverse parti dello stesso oggetto. La tabella 1 elenca i contrasti tra i colori in ordine decrescente.

La luminanza di un oggetto, dei suoi dintorni e dell'area di lavoro influenzano la facilità con cui un oggetto viene visto. È quindi di fondamentale importanza che l'area in cui viene eseguito il compito visivo e i suoi dintorni siano attentamente analizzati.

Tabella 1. Contrasti di colore

La dimensione dell'oggetto che si deve osservare, che può essere adeguata o meno a seconda della distanza e dell'angolo di visione dell'osservatore, è un altro fattore. Questi ultimi due fattori determinano la disposizione della postazione di lavoro, classificando le diverse zone in base alla loro facilità di visione. Possiamo stabilire cinque zone nell'area di lavoro (vedi figura 2).

Figura 2. Distribuzione delle zone visive nella postazione di lavoro

Un altro fattore è il lasso di tempo durante il quale si verifica la visione. Il tempo di esposizione sarà maggiore o minore a seconda che l'oggetto e l'osservatore siano statici o che uno o entrambi siano in movimento. Anche la capacità adattativa dell'occhio di adattarsi automaticamente alle diverse illuminazioni degli oggetti può avere una notevole influenza sulla visibilità.

Distribuzione della luce; bagliore

Fattori chiave nelle condizioni che influenzano la visione sono la distribuzione della luce e il contrasto delle luminanze. Per quanto riguarda la distribuzione della luce, è preferibile avere una buona illuminazione generale piuttosto che un'illuminazione localizzata per evitare l'abbagliamento. Per questo motivo, gli accessori elettrici devono essere distribuiti il ​​più uniformemente possibile per evitare differenze di intensità luminosa. Il continuo spostamento attraverso zone non illuminate in modo uniforme provoca affaticamento degli occhi e, con il tempo, ciò può portare a una riduzione della resa visiva.

L'abbagliamento si produce quando una brillante fonte di luce è presente nel campo visivo; il risultato è una diminuzione della capacità di distinguere gli oggetti. I lavoratori che subiscono costantemente e successivamente gli effetti dell'abbagliamento possono soffrire di affaticamento della vista oltre che di disturbi funzionali, anche se in molti casi non ne sono consapevoli.

L'abbagliamento può essere diretto quando la sua origine è fonti luminose luminose direttamente nella linea di visione, o per riflessione quando la luce viene riflessa su superfici ad alta riflettanza. I fattori coinvolti nell'abbagliamento sono:

1. Luminanza della sorgente luminosa: La luminanza massima tollerabile per osservazione diretta è di 7,500 cd/m². La Figura 3 mostra alcuni dei valori approssimativi di luminanza per diverse fonti di luce.
2. Posizione della fonte di luce: Questo tipo di abbagliamento si verifica quando la sorgente di luce si trova entro un angolo di 45 gradi dalla linea di vista dell'osservatore e sarà ridotto al minimo nella misura in cui la sorgente di luce si trova oltre tale angolo. Modi e metodi per evitare l'abbagliamento diretto e riflesso possono essere visti nelle figure seguenti (vedi figura 4).

Figura 3. Valori approssimativi di luminanza

Figura 4. Fattori che influenzano l'abbagliamento

In generale, l'abbagliamento è maggiore quando le sorgenti luminose sono montate ad altezze inferiori o quando sono installate in ambienti ampi, perché le sorgenti luminose in ambienti ampi o le sorgenti luminose troppo basse possono facilmente rientrare nell'angolo di visione che produce abbagliamento.

3. Distribuzione della luminanza tra diversi oggetti e superfici: maggiori sono le differenze di luminanza tra gli oggetti all'interno del campo visivo, maggiore sarà l'abbagliamento creato e maggiore sarà il deterioramento della capacità visiva dovuto agli effetti sui processi adattativi della vista. Le disparità di luminanza massime consigliate sono:

• compito visivo - superficie di lavoro: 3:1
• compito visivo - dintorni: 10:1

4. Lasso di tempo dell'esposizione: Anche sorgenti luminose con una bassa luminanza possono causare abbagliamento se la durata dell'esposizione è troppo prolungata.

Evitare l'abbagliamento è una proposta relativamente semplice e può essere raggiunta in diversi modi. Un modo, ad esempio, è quello di disporre delle griglie sotto le fonti di illuminazione, oppure utilizzare diffusori avvolgenti o paraboliche che possano direzionare correttamente la luce, oppure ancora installando le fonti di luce in modo che non interferiscano con l'angolo di visione. Nella progettazione del luogo di lavoro, la corretta distribuzione della luminanza è importante quanto l'illuminazione stessa, ma è anche importante considerare che una distribuzione della luminanza troppo uniforme rende più difficile la percezione tridimensionale e spaziale degli oggetti.

Sistemi di illuminazione

L'interesse per l'illuminazione naturale è aumentato di recente. Ciò è dovuto non tanto alla qualità dell'illuminazione che offre quanto al benessere che procura. Ma poiché il livello di illuminazione da fonti naturali non è uniforme, è necessario un sistema di illuminazione artificiale.

I sistemi di illuminazione più comunemente utilizzati sono i seguenti:

Illuminazione generale uniforme

In questo sistema le sorgenti luminose sono distribuite uniformemente indipendentemente dalla posizione delle postazioni di lavoro. Il livello medio di illuminazione dovrebbe essere uguale al livello di illuminazione richiesto per il compito che verrà svolto. Questi sistemi sono utilizzati principalmente nei luoghi di lavoro in cui le postazioni di lavoro non sono fisse.

Deve rispondere a tre caratteristiche fondamentali: La prima è quella di essere dotata di dispositivi antiabbagliamento (griglie, diffusori, riflettori e così via). La seconda è che dovrebbe distribuire una frazione della luce verso il soffitto e la parte alta delle pareti. E il terzo è che le sorgenti luminose dovrebbero essere installate il più in alto possibile, per ridurre al minimo l'abbagliamento e ottenere un'illuminazione il più omogenea possibile. (Vedi figura 5)

Figura 5. Sistemi di illuminazione

Questo sistema cerca di rafforzare lo schema di illuminazione generale posizionando le lampade vicino alle superfici di lavoro. Questi tipi di lampade spesso producono abbagliamento e i riflettori devono essere posizionati in modo tale da bloccare la fonte di luce dalla vista diretta del lavoratore. L'uso dell'illuminazione localizzata è consigliato per quelle applicazioni in cui le esigenze visive sono molto critiche, come livelli di illuminazione di 1,000 lux o superiori. Generalmente la capacità visiva si deteriora con l'età del lavoratore, il che rende necessario aumentare il livello di illuminazione generale o assecondarlo con un'illuminazione localizzata. Questo fenomeno può essere chiaramente apprezzato nella figura 6.

Figura 6. Perdita dell'acuità visiva con l'età

Illuminazione generale localizzata

Questo tipo di illuminazione è costituito da sorgenti a soffitto distribuite tenendo conto di due cose: le caratteristiche di illuminazione dell'apparecchiatura e le esigenze di illuminazione di ciascuna postazione di lavoro. Questo tipo di illuminazione è indicato per quegli spazi o aree di lavoro che richiedono un alto livello di illuminazione, e richiede di conoscere la futura ubicazione di ogni postazione di lavoro in anticipo in fase di progettazione.

Colore: concetti di base

La scelta di un colore adeguato per un cantiere contribuisce notevolmente all'efficienza, alla sicurezza e al benessere generale dei dipendenti. Allo stesso modo, la finitura delle superfici e delle attrezzature presenti nell'ambiente di lavoro contribuisce a creare piacevoli condizioni visive e un piacevole ambiente di lavoro.

La luce ordinaria è costituita da radiazioni elettromagnetiche di diverse lunghezze d'onda che corrispondono a ciascuna delle bande dello spettro visibile. Mescolando la luce rossa, gialla e blu possiamo ottenere la maggior parte dei colori visibili, compreso il bianco. La nostra percezione del colore di un oggetto dipende dal colore della luce con cui viene illuminato e dal modo in cui l'oggetto stesso riflette la luce.

Le lampade possono essere classificate in tre categorie a seconda dell'aspetto della luce che emettono:

• colore dall'aspetto caldo: una luce bianca rossastra consigliata per uso residenziale
• colore con aspetto intermedio: una luce bianca consigliata per i cantieri
• colore dall'aspetto freddo: una luce bianca bluastra consigliata per attività che richiedono un elevato livello di illuminazione o per climi caldi.

I colori possono anche essere classificati come caldi o freddi in base alla loro tonalità (vedi figura 7).

Figura 7. Tonalità dei colori "caldi" e "freddi".

Contrasto e temperatura di diversi colori

I contrasti di colore sono influenzati dal colore della luce selezionata, e per questo motivo la qualità dell'illuminazione dipenderà dal colore della luce scelto per un'applicazione. La selezione del colore della luce da utilizzare dovrebbe essere effettuata in base all'attività che verrà svolta sotto di essa. Se il colore è vicino al bianco, la resa del colore e la diffusione della luce saranno migliori. Più la luce si avvicina all'estremità rossa dello spettro, peggiore sarà la riproduzione del colore, ma l'ambiente sarà più caldo e invitante.

L'aspetto cromatico dell'illuminazione dipende non solo dal colore della luce, ma anche dal livello di intensità luminosa. Una temperatura di colore è associata alle diverse forme di illuminazione. La sensazione di soddisfazione per l'illuminazione di un dato ambiente dipende da questa temperatura di colore. In questo modo, ad esempio, una lampadina a incandescenza da 100 W ha una temperatura di colore di 2,800 K, un tubo fluorescente ha una temperatura di colore di 4,000 K e un cielo coperto ha una temperatura di colore di 10,000 K.

Kruithof ha definito, attraverso osservazioni empiriche, un diagramma di benessere per diversi livelli di illuminazione e temperature di colore in un dato ambiente (vedi figura 8). In questo modo, ha dimostrato che è possibile sentirsi a proprio agio in determinati ambienti con bassi livelli di illuminazione se anche la temperatura del colore è bassa, se il livello di illuminazione è una candela, ad esempio, con una temperatura del colore di 1,750 K.

Figura 8. Diagramma di comfort in funzione dell'illuminazione e delle temperature di colore

I colori delle lampade elettriche possono essere suddivisi in tre gruppi in base alla loro temperatura di colore:

• bianco luce diurna: circa 6,000 K
• bianco neutro: circa 4,000 K
• bianco caldo: circa 3,000 K

Combinazione e selezione di colori

La selezione dei colori è molto rilevante se la consideriamo insieme a quelle funzioni in cui è importante identificare gli oggetti che devono essere manipolati. È anche rilevante quando si delimitano le vie di comunicazione e in quei compiti che richiedono un forte contrasto.

La selezione della tonalità non è una questione così importante quanto la selezione delle adeguate qualità riflettenti di una superficie. Ci sono diverse raccomandazioni che si applicano a questo aspetto delle superfici di lavoro:

soffitti: La superficie di un soffitto dovrebbe essere il più bianca possibile (con un fattore di riflessione del 75%), perché la luce si rifletterà da essa in modo diffuso, dissipando l'oscurità e riducendo l'abbagliamento delle altre superfici. Ciò comporterà anche un risparmio nell'illuminazione artificiale.

Pareti e pavimenti: Le superfici delle pareti all'altezza degli occhi possono produrre abbagliamento. I colori chiari con fattori riflettenti dal 50 al 75% tendono ad essere adeguati per le pareti. Mentre le vernici lucide tendono a durare più a lungo dei colori opachi, sono più riflettenti. Le pareti dovrebbero quindi avere una finitura opaca o semilucida.

I pavimenti dovrebbero essere rifiniti con colori leggermente più scuri rispetto a pareti e soffitti per evitare l'abbagliamento. Il fattore riflettente dei pavimenti dovrebbe essere compreso tra il 20 e il 25%.

Materiale: Piani di lavoro, macchinari e tavoli dovrebbero avere fattori riflettenti compresi tra il 20 e il 40%. L'attrezzatura dovrebbe avere una finitura duratura di colore puro, marrone chiaro o grigio, e il materiale non dovrebbe essere lucido.

L'uso corretto dei colori nell'ambiente di lavoro facilita il benessere, aumenta la produttività e può avere un impatto positivo sulla qualità. Può anche contribuire a una migliore organizzazione e alla prevenzione degli incidenti.

È opinione diffusa che imbiancare pareti e soffitti e fornire adeguati livelli di illuminazione sia tutto ciò che si può fare per quanto riguarda il comfort visivo dei dipendenti. Ma questi fattori di comfort possono essere migliorati abbinando il bianco ad altri colori, evitando così la fatica e la noia che caratterizzano gli ambienti monocromatici. I colori hanno anche un effetto sul livello di stimolazione di una persona; i colori caldi tendono ad attivare e rilassare, mentre i colori freddi sono usati per indurre l'individuo a rilasciare o liberare la sua energia.

Il colore della luce, la sua distribuzione ei colori utilizzati in un dato spazio sono, tra gli altri, fattori chiave che influenzano le sensazioni provate da una persona. Data la molteplicità di colori e fattori di comfort esistenti, è impossibile stabilire linee guida precise, soprattutto considerando che tutti questi fattori devono essere combinati in base alle caratteristiche e alle esigenze di una particolare postazione di lavoro. Si possono però elencare alcune regole pratiche di base e generali che possono aiutare a creare un ambiente vivibile:

• I colori vivaci producono sensazioni confortevoli, stimolanti e serene, mentre i colori scuri tendono ad avere un effetto deprimente.
• Le fonti di luce dai colori caldi aiutano a riprodurre bene i colori caldi. Gli oggetti dai colori caldi sono più gradevoli alla vista con luce calda che con luce fredda.
• I colori chiari e opachi (come i pastelli) sono molto appropriati come colori di sfondo, mentre gli oggetti dovrebbero avere colori ricchi e saturi.
• I colori caldi eccitano il sistema nervoso e danno la sensazione che la temperatura stia salendo.
• Per gli oggetti sono preferibili i colori freddi. Hanno un effetto calmante e possono essere usati per produrre l'effetto della curvatura. I colori freddi aiutano a creare la sensazione che la temperatura stia scendendo.
• La sensazione di colore di un oggetto dipende dal colore di sfondo e dall'effetto della sorgente luminosa sulla sua superficie.
• Gli ambienti che sono fisicamente freddi o caldi possono essere mitigati utilizzando rispettivamente luci calde o fredde.
• L'intensità di un colore sarà inversamente proporzionale alla parte del normale campo visivo che occupa.
• L'aspetto spaziale di una stanza può essere influenzato dal colore. Una stanza sembrerà avere un soffitto più basso se le sue pareti sono dipinte di un colore brillante e il pavimento e il soffitto sono più scuri, e sembrerà avere un soffitto più alto se le pareti sono più scure e il soffitto è luminoso.

Riconoscere gli oggetti attraverso il colore

La selezione dei colori può influenzare l'efficacia dei sistemi di illuminazione influenzando la frazione di luce che viene riflessa. Ma anche il colore gioca un ruolo fondamentale quando si tratta di identificare gli oggetti. Possiamo utilizzare colori brillanti e accattivanti o contrasti di colore per evidenziare situazioni o oggetti che richiedono un'attenzione particolare. La tabella 2 elenca alcuni dei fattori di riflessione per diversi colori e materiali.

Tabella 2. Fattori di riflessione di diversi colori e materiali illuminati con luce bianca

In ogni caso, l'identificazione per colore dovrebbe essere utilizzata solo quando è veramente necessaria, poiché l'identificazione per colore funzionerà correttamente solo se non ci sono troppi oggetti evidenziati dal colore. Di seguito sono riportate alcune raccomandazioni per identificare i diversi elementi in base al colore:

• Attrezzature antincendio e di sicurezza: Si consiglia di identificare questa apparecchiatura apponendo una grafica riconoscibile sulla parete più vicina in modo che possa essere trovata rapidamente.
• Macchinario: La colorazione dei dispositivi di arresto o di emergenza con colori vivaci su tutti i macchinari è fondamentale. Si consiglia inoltre di contrassegnare con il colore le aree che necessitano di lubrificazione o manutenzione periodica, che possono aggiungere facilità e funzionalità a queste procedure.
• Tubi e tubi: Se sono importanti o trasportano sostanze pericolose il miglior consiglio è quello di colorarle completamente. In alcuni casi può essere sufficiente colorare solo una linea lungo la loro lunghezza.
• Scale: Per facilitare la discesa è preferibile una fascia per ogni passo piuttosto che diverse.
• Rischi: Il colore deve essere utilizzato per identificare un rischio solo quando il rischio non può essere eliminato. L'identificazione sarà molto più efficace se effettuata secondo un codice colore prestabilito.

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