Nel post “RIPRENDIAMO DALL’EFFICIENZA NELL’ILLUMINAZIONE – PARTE I”

abbiamo iniziato ad affrontare il discorso dell’illuminazione negli ambienti domestici, cercando di acquisire familiarità con dei concetti che a prima vista possono sembrare difficili, ma che in realtà non sono tanto complicati.

Abbiamo parlato di emissione luminosa, di spettro di emissione e di sensibilità percettiva dell’occhio umano.

Abbiamo poi parlato di efficienza luminosa, di (indice di) resa cromatica e di temperatura di colore.

Approfondiremo questi aspetti con esempi pratici nei prossimi blog.

Oggi invece vogliamo parlare della tecnologia di illuminazione a LED, che, vuoi per i costi ancora apparentemente poco accessibili, vuoi per una scarsa conoscenza delle caratteristiche di tale fonte di illuminazione, vuoi per una combinazione delle due cose, non è ancora molto diffusa negli ambienti domestici.

Questo post prende spunto in particolare dallo Speciale Tecnico sull’illuminazione a LED pubblicato nell’aprile 2012 sul sito di QualEnergia.it e curato dall’arch. Gianni Forcolini, professore presso la Facoltà del Design del Politecnico di Milano:

http://qualenergia.it/speciali/20120416-nuovi-led-per-illuminare-ambienti-interni-ed-esterni

Per cui, se volete chiarimenti o se intende approfondire quanto qui viene trattato più sommariamente, vi suggeriamo di leggere quella piacevole guida!!

Oggi vedremo quindi:

– i vantaggi dell’illuminazione a LED;

– l’evoluzione in efficienza dei LED;

– come funzionano i LED;

– il sistema, i moduli e i prodotti integrati;

– le tecnologie a LED disponibili;

I VARI VANTAGGI DELL’ILLUMINAZIONE A LED

Saldatura di luci a LED per strisce di illuminazione (fonte flickr).

Saldatura di luci a LED per strisce di illuminazione (fonte flickr).

L’illuminazione a LED presenta diversi vantaggi rispetto alle altre fonti di illuminazione presenti attualmente o in passato sul mercato:

(1) Il processo produttivo è meno costoso, sia per il minor quantitativo di materiali e di energia (strettamente connessi all’impatto ambientale) consumati per realizzare il prodotto, sia per la possibilità di automatizzare la catena di costruzione ed assemblaggio. Anche il minor peso e ingombro spaziale giocano in favore del miglioramento della logistica e dei costi della filiera produttiva;

(2) lo spettro di emissione luminosa del LED può essere progettato ad hoc per emettere solo alle lunghezze d’onda desiderate. In altre parole, i LED non emettono radiazioni ultraviolette o infrarosse, ma solo radiazioni nel campo del visibile (380-780 nm);

(3) non è realizzato con sostanze tossiche come cadmio, piombo, mercurio o altre presenti invece nelle lampadine realizzate con altre tecnologie;

(4) elevata efficienza luminosa, come vedremo più sotto…

(5) tempo di vita dalle quattro alle cinque volte superiore a quello delle migliori lampadine presenti sul mercato;

 L’EVOLUZIONE IN EFFICIENZA DEI LED

Negli ultimi anni, l’efficienza luminosa dei LED è aumentata più che linearmente e le previsioni sono di un suo continuo miglioramento. Gli studiosi pensano che fra circa quattro anni si potranno raggiungere valori di efficienza luminosa pari a 150 lm/W. La seguente figura, tratta dallo Speciale di QualEnergia riportato nell’introduzione, chiarisce questo concetto:

 

Evoluzione temporale dell'efficenza luminosa dei LED di diverso colore (fonte QualEnergia).

Evoluzione temporale dell’efficienza luminosa dei LED di diverso colore (fonte QualEnergia).

A questo punto facciamo subito un’osservazione apparentemente scontata ma che potrebbe ingannarci nel momento in cui andiamo ad acquistare una lampadina e vogliamo scegliere fra le diverse opzioni di LED a disposizione: dato che non tutte le lampadine a LED hanno la stessa efficienza, si potranno trovare due lampadine con la stessa potenza di alimentazione ma che hanno intensità luminose differenti. Allo stesso tempo, una lampadina a LED potrà consumare meno W di un’altra lampadina a LED ma produrre più luce.

MA COME FUNZIONANO I LED?

La parola LED è acronimo per Light Emitting Diode, ovvero diodo a emissione luminosa. Ciò significa che l’unità fondamentale di funzionamento del LED è il diodo, un dispositivo, che, con caratteristiche di base comuni, viene impiegato anche nelle celle fotovoltaiche o nella realizzazione di transistori elettrici.

Il diodo è un dispositivo (un piccolo tassello) a semiconduttore, suddiviso in due regioni tramite l’introduzione di elementi “droganti”. Le due regioni sono una ricca di elettroni (e quindi carica negativamente) e una ricca di lacune (ovvero povera di elettroni e quindi carica positivamente).

Senza entrare nei dettagli del principio fisico, basti sapere che, applicando una piccola differenza di potenziale di alcuni volt, è possibile ottenere un flusso di elettroni, i quali, “cadendo nelle lacune” di cui abbiamo parlato sopra, cedono energia sotto forma di radiazione luminosa (elettroluminescenza). Il colore della radiazione e il suo spettro dipendono dal tipo di materiali impiegati per la realizzazione del diodo.

Tipici spettri di emissione delle lampade a LED. Si noti la differenza fra gli spettri monocromatici, centrati su un'unica lunghezza d'onda e lo spettro bianco, esteso su tutto lo spettro visibile.

Tipici spettri di emissione delle lampade a LED. Si noti la differenza fra gli spettri monocromatici, centrati su un’unica lunghezza d’onda e lo spettro bianco, esteso su tutto lo spettro del visibile (380 nm – 780 nm).

Visto che i LED in genere emettono una luce pressoché monocromatica (anche detta coerente, perché centrata su un’unica lunghezza d’onda), per ottenere la luce bianca si sono adottati due accorgimenti alternativi:

– utilizzare un LED a luce blu con il chip rivestito di fosfori che emettono radiazioni visibili a diverse lunghezze d’onda. Questo ha lo svantaggio di determinare un calo dell’efficienza luminosa;

– utilizzare una miscela opportuna di colori (led multi-chip, ad esempio rosso verde e blu RGB);

( vedi http://www.zumtobel.com/PDB/Ressource/teaser/it/LED_Guide.pdf pg. 4 e http://www.enea.it/it/Ricerca_sviluppo/documenti/ricerca-di-sistema-elettrico/illuminazione-pubblica/6-uniroma1-stato-arte-leddefinitivo-led.pdf pg. 16);

IL SISTEMA LED, I MODULI LED E I PRODOTTI INTEGRATI

Finora abbiamo parlato solo dell’unità fondamentale dei LED, ossia della sorgente luminosa. In realtà, il corpo illuminante, è composto da una serie di altri componenti indispensabili per il funzionamento dell’apparecchio di illuminazione, per cui si tende a parlare di sistema led:

– il circuito stampato che funge da supporto e ancoraggio meccanico, per la distribuzione di energia elettrica fornita dall’alimentatore e per la prima dissipazione del calore;

– uno o più alimentatori per la fornitura di corrente elettrica a un dato valore di tensione;

– uno o più dissipatori termici;

Particolare di lampadina a LED di ricambio (retrofit) con quelle tradizionali (fonte wikipedia)

Particolare di lampadina a LED  integrata (retrofit di quelle tradizionali ). Si noti la particolare conformazione del corpo illuminante, con la funzione di dissipazione del calore (fonte wikipedia).

– le ottiche per la formazione del “solido fotometrico”;

Sia la tensione applicata, sia la temperatura influiscono sull’emissione luminosa del LED. La temperatura inoltre incide sul tempo di vita della tecnologia. Per queste ragioni è opportuno mantenerle all’interno di range ben definiti.

In un recente post, abbiamo riportato indicazioni in merito alla durata delle lampadine a LED, mostrando come attualmente sia appropriato assumere non più di 50’000 ore di funzionamento:

http://www.grupposelene.net/quanto-durano-le-lampadine-a-led/

La parola modulo invece esprime un altro concetto. La singola sorgente luminosa a LED di fatto consuma pochissimi W e presenta una emissione luminosa limitata. Pertanto, tipicamente (fa eccezione la tecnologia degli High Flux LED), servono tanti piccoli LED riuniti insieme a formare un modulo per ottenere l’emissione luminosa desiderata. La base comune di fissaggio delle varie sorgenti luminose, disposte in modo regolare, assolve anche alle funzioni di distribuire l’energia elettrica e di fornire una prima via di dissipazione del calore.

Rosso Semaforico a LED. Si notino le numerose piccole lampadine a LED che definiscono il modulo nel suo complesso (fonte flickr).

Rosso Semaforico a LED. Si notino le numerose piccole lampadine a LED che definiscono il modulo nel suo complesso (fonte flickr).

Lampadina a LED costituita da numerosi LED assemblati in un modulo comune (fonte wikipedia).

Lampadina a LED costituita da numerosi LED assemblati in un modulo comune (fonte wikipedia).

Come detto, il modulo LED tiene conto dell’assemblaggio delle sorgenti di illuminazione in un supporto di base che assolve a diverse funzionalità. Restano ancora da considerare altri elementi essenziali al funzionamento della lampada nel suo insieme, ovvero del sistema LED.

Tali componenti , come abbiamo già visto, comprendono le ottiche, gli alimentatori e i dissipatori. Con specifico riferimento agli alimentatori, e, più in generale, ai dispositivi di gestione e controllo della luce (compresi quindi i dimmer e i driver – per informazioni sui driver si veda il nostro recente post di cui abbiamo già accennato http://www.grupposelene.net/quanto-durano-le-lampadine-a-led/ a cui si aggiunge il seguente articolo, un po’ tecnico ma molto interessante http://www.elettronicanews.it/articoli/0,1254,40_ART_8460,00.html), nel caso in cui essi siano compresi all’interno del corpo illuminante si parla di LED integrati.

 LE TECNOLOGIE A LED DISPONIBILI

 Tra le tecnologie a LED più diffuse sul mercato e destinate all’illuminazione domestica si distinguono:

– i LED Through Hole Technology (THT) o Duel In-Line Technology (DIP);

– i LED Surface Mounted Technology/Diode o SMT/SMD;

– i LED array;

I LED THT sono i più “antichi”, diffusi a partire dagli anni ’60, caratterizzati dalla tipica configurazione a capsula semisferica e da elettrodi filiformi impiegati per l’inserimento nei circuiti stampati. Hanno impiego più nella segnaletica che nell’illuminotecnica.

Rappresentazione della configurazione tipica di un LED THT (fonte wikipedia).

Rappresentazione della configurazione tipica di un LED THT (fonte wikipedia).

I LED SMD, si distinguono per la forma piatta, che consente loro di essere montati su circuiti stampati con base isolante di ridotto spessore, con il grande vantaggio della possibilità di automatizzare interamente il processo di fabbricazione, inclusa la saldatura. In questo caso, gli elettrodi di collegamento non sono filiformi e non raggiungono il diodo dalla base, ma sono laterali. Offrono ottime soluzioni di dispersione termica, nonché di prestazioni in termini di tempo di vita ed efficienza luminosa. Oltre che per la realizzazione di lampadine adatte al retrofit di quelle tradizionali, gli SMD si trovano impiegati anche in moduli lineari, strisce luminose o light strip.

Esempio di lampada a LED realizzata con modulo costituito da SMD (onte wikipedia).

Esempio di lampada a LED realizzata con modulo costituito da SMD (fonte wikipedia).

I LED array, disponibili nelle varianti Chip on Board (COB) e MCOB (Multi-Chip on Board), sono una tecnologia più giovane con ampie potenzialità di sviluppo. Detta in parole povere, consistono nell’integrazione di più piccoli chip in un unico grande chip. Tale soluzione offre la possibilità di ottenere una bassa resistenza termica complessiva.

Per chi volesse chiarire o approfondire gli aspetti legati agli SMD LED e alle configurazione Chip On Board, si consiglia di visitare questi link:

http://www.ledaladdin.com/light_guides/LED_Lighting_Evolution.html

http://www.mikewoodconsulting.com/articles/Protocol%20Winter%202013%20-%20Chip%20on%20Board.pdf

Per concludere questa rapida panoramica sull’illuminazione a LED, un’ultima osservazione sul tipo di alimentazione delle lampadine a LED adatte a sostituire le nostre lampadine di casa tradizionali. Tipicamente la tecnologia a LED richiede bassissime tensioni di alimentazione e in corrente continua che possono essere fornite solo grazie alla presenza di un sistema di conversione dell’alimentazione di rete, inteso come unità a se stante. Esistono però anche diodi “alimentati a tensione di rete”, in cui la parte di conversione è effettuata da micro-componenti elettroniche inserite in parte nel packaging dello stesso LED, in parte nel circuito stampato. Tale soluzione si prospetta come più efficiente rispetto a quella con presenza di alimentatore, per i minori consumi della componentistica associata alla sorgente luminosa.