Lampada alogena

Funzionamento ed efficienza

Le lampade alogene sono da considerarsi una particolare lampada ad incandescenza. Il principio di funzionamento è lo stesso che si ha nelle comuni lampadine: racchiuso in un bulbo di vetro vi è un filamento di tungsteno attraverso il quale viene fatta circolare corrente elettrica.

Il tungsteno è un metallo che ha la caratteristica di aumentare la sua resistenza elettrica all’aumentare della temperatura. Al passaggio della corrente, il filamento si riscalda e, di conseguenza, irraggia fotoni, ossia “emette luce”.

Onde evitare che il filamento di tungsteno, surriscaldandosi, evapori troppo velocemente, nel bulbo di vetro viene immesso del gas inerte (solitamente argon) a bassa pressione, il cui scopo è anche quello di evitare che il tungsteno evaporato si depositi sul bulbo, annerendolo.

Nelle lampade alogene, al gas presente nel bulbo viene aggiunto del gas di un elemento alogeno, tipicamente lo iodio. In questo processo il filamento di tungsteno può raggiungere temperature più elevate (oltre i 3000 K, rispetto ai 2700 K delle lampade a incandescenza tradizionali – per il corrispettivo in gradi Celsius, è sufficiente aggiungere 273,15: ad esempio, 3000 K = 3273,15 °C).

L’utilizzo di gas alogeni ha un duplice risultato: da un lato si aumenta l’efficienza luminosa, e con ciò la durata della vita della lampadina alogena; dall’altro lato, si ha uno spostamento verso l’alto della temperatura di colore, con susseguente emissione di luce più bianca rispetto alle comuni lampadine di uso domestico.

Per quanto riguarda l’efficienza di una lampada alogena, bisogna ricordare che in tutte le lampade a incandescenza solo una piccola percentuale (attorno al 5-10%) dell’energia elettrica circolante nel filamento di tungsteno viene convertita in luce: il resto viene dissipato sotto forma di calore.

Una lampada alogena, però, grazie alla sua luce più bianca ha un rendimento luminoso superiore fino a due volte a quello delle comuni lampade a incandescenza; inoltre dura più a lungo, da 2000 a 6000 ore, rispetto alle circa 1000 di una normale lampadina.

Ciclo alogeno

La funzione del gas alogeno è, principalmente, quella di impedire il deposito del tungsteno sulle pareti del bulbo. Infatti, a temperature moderate, il gas alogeno reagisce chimicamente con il tungsteno che evapora dal filamento, formando un alogenuro di tungsteno che si diffonde nel gas inerte presente nel bulbo.

Quando l’alogenuro raggiunge zone a temperatura più elevata, si dissocia rilasciando nuovamente tungsteno che si va a depositare sul filamento originario, mentre il gas alogeno torna libero di ricominciare il ciclo.

Le temperature che vengono raggiunte all’interno di una lampada alogena sono necessariamente più elevate di quelle che sono sufficienti a una comune lampada ad incandescenza, e questo avviene per favorire la reazione chimica tra l’alogeno e il tungsteno.

Questo costringe il bulbo a sopportare temperature non inferiori ai 250 gradi centigradi e per questo è necessario che sia costruito con vetri particolari, che hanno una resistenza maggiore. Esempi di questi vetri possono essere i vetri al quarzo o i vetri alluminosilicati.

Vengono preferiti i vetri al quarzo poiché, data la loro grande resistenza, permettono di utilizzare gas a pressione maggiore: questo a sua volta consente di diminuire l’evaporazione del filamento di tungsteno e di aumentare, oltre alla temperature, anche l’efficacia della lampada stessa.

Diminuire l’evaporazione di tungsteno è importante perché quando l’alogenuro si dissocia nelle zone di temperatura maggiore, il tungsteno che ne viene rilasciato generalmente non si deposita sulla stessa parte del filamento da cui proviene: così, anche se mediamente il tungsteno tenderà a depositarsi su tutto il filamento, ci saranno parti più sottili e parti più spesse; le parti più sottili saranno a maggior rischio di rottura.

Il ciclo alogeno permette di allungare la vita di una lampada alogena di almeno due volte quella di una comune lampada ad incandescenza, e questo nonostante il filamento interno raggiunga temperature molto più elevate.

Pro e contro delle lampade alogene

I vantaggi derivanti dall’utilizzo di una lampada alogena, rispetto all’alternativa offerta da una lampada ad incandescenza che non utilizzi gas alogeni, sono molteplici. Innanzitutto c’è la questione della vita della lampadina alogena, che è molto più lunga; inoltre la luce è più bianca. Nell’uso domestico possono essere utilizzate con dei dimmer che ne regolino l’intensità.

La loro luce è più simile alla luce naturale di quanto non lo sia la luce di molte altre lampade, ivi incluse le lampade al sodio (che emettono luce gialla) e quelle al mercurio. Sono compatte e ad alta efficienza, poiché generano 65-115 lumen per watt.

Per fare un confronto, le comuni lampadine ad incandescenza hanno una resa di 15-35 lumen per watt, le lampade HPS (sodio) una resa di 40-47 lumen per watt, le lampade al mercurio una resa di 35-58 lumen per watt, le lampade a fluorescenza (i comuni tubi al neon) una resa di 30-98 lumen per watt.

Un’efficienza maggiore implica anche, di conseguenza, un minore impatto ambientale. Un altro punto di forza delle lampade alogene è la loro scarsa sensibilità alla temperatura esterna, il che le rende di agevole utilizzo sia all’interno che all’esterno.

La temperatura di colore può essere settata tra i 2700 e i 20000 K. Rispetto a lampade a scarica nel gas, che hanno uno spettro a bande, le lampade ad incandescenza (e tra queste le lampade alogene) emettono a spettro continuo: questo consente loro di avere un’ottimale indice di resa cromatica, ossia gli oggetti illuminati da lampade a incandescenza mantengono i loro colori naturali.

Svantaggi derivanti dall’uso di lampade alogene sono da ricercarsi principalmente nell’elevata temperatura del filamento che emette radiazioni nella zona ultravioletta dello spettro elettromagnetico (ossia emette raggi UV).

Per ovviare a questi problemi si può procedere in due modi: o drogando il quarzo del bulbo con piccole quantità di altri elementi che blocchino i raggi UV oppure montare la lampada in un ulteriore bulbo simile a quello delle normali lampadine. Il primo di questi metodi è utilizzato su ampia scala nelle lampade dei fanali delle automobili.

Utilizzo

Le lampade alogene sono utilizzate in vari settori della vita quotidiana e professionale:

• nelle automobili e negli altri veicoli stradali, generalmente con un voltaggio di 12 V, quantunque ve ne siano disponibili anche a 6 V e 24 V. Versioni a filamento singolo (55 W e 100 W) sono le categorie H1, H2 e H3; a filamento doppio le categorie H4, H5, H7 con potenza di 55 W / 100 W o 60 W / 130 W. Le potenze di 50 W e 60 W sono omologate per l’illuminazione stradale; potenze superiori, invece, non sono omologate e vengono utilizzate solo per illuminazione sui circuiti.
• sul palcoscenico durante gli spettacoli (luci PAR, ove PAR sta per Parabolic Aluminized Reflector);
• in architettura: in questo settore si segnalano la R7S, lampada alogena che misura 118 mm, a doppio terminale, e i faretti dicroici;
• come lampade da scrivania;
• come fari nelle imbarcazioni;
• come illuminazione per esterni;
• nella spettroscopia ad infrarossi, come sorgente di luce vicina all’infrarosso;
• in casa, spesso inserite in punti luce a intensità variabile.

L’utilizzo di lampade alogene in questi settori è favorito dal fatto che non contengono mercurio, utilizzano meno energia rispetto alle comuni lampadine ad incandescenza non alogene poiché possono essere collegate a regolatori di intensità e raggiungono immediatamente il picco massimo di luce (a differenza, per esempio, delle lampade al neon che abbisognano di un certo lasso di tempo prima di entrare pienamente a regime di funzionamento), durano a lungo e non sono influenzate dal numero di accensioni e spegnimenti.

Nell’ambito professionale e per quanto riguarda l’illuminazione di esterni, però, per questioni di rendimento, durata e assenza di costi di manutenzione l’uso di lampade alogene sta cedendo il passo a quello dell’illuminazione a LED (light emitting diode).

L’uso di lampade alogene è adatto alla visione umana dal momento che la sua temperatura di colore si aggira sui 6000 K, prossima quindi a quella naturale del sole.

Precauzioni d’uso

Dal momento che una lampada alogena è più calda di una comune lampada a incandescenza, la prima precauzione riguarda il contatto accidentale, che può provocare ustioni. E’ quindi importante evitare di toccare il bulbo anche quando si è da poco spenta la luce: attendere qualche minuto fino a quando il vetro non si è sufficientemente raffreddato.

Il tempo di raffreddamento, a causa delle temperature elevate, è più lungo rispetto a quello delle lampadine non alogene: in caso lo si debba fare (per esempio per sostituire una lampadina rotta) è opportuno aspettare anche un quarto d’ora prima di rimuovere il bulbo.

Toccare il bulbo direttamente con le dita, inoltre, può far sì che del grasso cutaneo vi si depositi sopra e il calore emanato dalla lampada lo faccia carbonizzare, con il conseguente annerimento del vetro al quarzo e la riduzione dell’aspettativa di vita della lampadina stessa.

L’elevata temperatura del bulbo, che può raggiungere i 1000 gradi, è motivo di attenzione e precauzione quando si deve scegliere il posizionamento della lampada in ambienti interni (casa, ufficio).

Deve essere accuratamente evitato il contatto con qualsiasi materiale facilmente infiammabile, in particolar modo la lampada alogena va tenuta lontana da tende, coperte, tappeti o moquette. Va anche tenuta lontana dai bambini.

La lampadina alogena non va mai urtata o agitata. In fase di montaggio della lampada alogena vanno osservate le normali attenzioni del caso, come con qualsiasi altra lampada: controllare prima il voltaggio della linea elettrica e assicurarsi che la lampadina sia correttamente innestata nel supporto prima di accendere la luce. Ancora una volta, si ricorda che è opportuno non toccare direttamente con le dita la superficie del bulbo: è preferibile fare uso di un panno.

Per quanto riguarda l’emissione di raggi UV, che sono nocivi per la pelle: il vetro al quarzo è trasparente alla radiazione ultravioletta e per questo viene schermato, in quasi tutte le lampade alogene, da un secondo rivestimento. Qualora non vi sia, è opportuno evitare l’esposizione prolungata.

Materiali

I materiali principali utilizzati nella costruzione delle lampade alogene sono:

• Tungsteno
  metallo di transizione (il suo numero atomico è 74) utilizzato nella produzione di filamenti per le lampadine a causa del fatto che è il metallo che presenta il punto di fusione più alto ed è duttile, ossia è semplice ricavarne dei filamenti molto sottili. Il 75% della produzione mondiale di questo metallo, chiamato anche con il nome di wolframio, è appannaggio della Cina; altri giacimenti di wolframite, il materiale da cui si estrae il tungsteno, si trovano in Russia, USA (negli stati di California e Colorado), Corea del Sud, Austria, Portogallo e Bolivia. Il tungsteno è un materiale tossico.
• Argon
  appartenente ai gas nobili (numero atomico 18), è un gas inerte, stabile come tutti i gas nobili. Viene usato nei bulbi delle lampadine perché non reagisce col filamento di tungsteno quando questo diventa incandescente. Non è un materiale tossico ma tende a ristagnare negli ambienti a causa del suo peso specifico e questo può portare a condizioni di asfissia in quanto il suo ristagno limita la presenza dell’ossigeno e, di conseguenza, la respirazione.
• Elementi alogeni
  sono così chiamati tutti gli elementi che costituiscono il gruppo 17 (nomenclatura IUPAC) della tavola periodica degli elementi, ossia sono gli elementi che precedono i gas nobili (nella tavola periodica, vi stanno all’immediata sinistra): alogeni sono, nell’ordine dal più leggero al più pesante, Fluoro, Cloro, Bromo, Iodio e Astato. Sono tutti elementi altamente reattivi. Data la loro struttura atomica, nella formazione dei legami tendono ad acquistare un elettrone in modo da raggiungere la configurazione del gas nobile che immediatamente li segue nella tavola.
• Vetro al quarzo
  più resistente del comune vetro alle temperature elevate.

Per quanto riguarda smaltimento dele lampadine alogene, così come tutte le lampadine, rappresentano una forma di rifiuto urbano secco non riciclabile e vanno quindi smaltite di conseguenza.