Illuminazione a Led – l’ arte del risparmio

LED sono un particolare tipo lampade a diodi a giunzione p-n , formati da un sottile strato di materiale semiconduttore. Gli elettroni  e le lacune vengono iniettati in una zona di ricombinazione attraverso due regioni del diodo ricoperto con impurità di tipo diverso, e cioè di tipo n per gli elettroni e p per le lacune. Quando sono sottoposti ad una tensione  diretta per ridurre la barriera di potenziale  della giunzione, gli elettroni della bannda di conduzione  del semiconduttore si ricombinano con le lacune della banda di valenza rilasciando energia sufficiente sotto forma di fotoni. A causa dello spessore ridotto del chip un ragionevole numero di questi fotoni può abbandonarlo ed essere emesso come  luce ovvero fotoni ottici. Può essere visto quindi anche come un trasduttore elettro-ottico.

Il LED  ha una durata molto variabile a seconda del flusso luminoso (corrente di lavoro) e temperatura d’esercizio. Il led può avere un’emissione:

  • Continua, il led emette costantemente luce.
  • Intermittente, il led emette luce a intervalli di tempo regolari, cosa ottenibile con circuiti astabili o con led intermittenti.

Spettro luminoso . Spettro luminoso di vari LED, messi a confronto con lo spettro visivo  dell’ occhio  umano e della lampada ad incandescenza . Lo spettro luminoso dei led varia molto a seconda del led stesso, se il led viene usato per motivi d’illuminazione, si ha generalmente una buona copertura del suo spettro, che può essere sfruttato anche del 100%, mentre se usato in altre applicazioni si possono avere tranquillamente led che emettono luce non visibile.

Colore della luce emessa. A seconda del materiale utilizzato, i LED producono i seguenti colori:

  • AlGaAs – rosso ed infrarosso
  • GaAlP – verde
  • GaAsP – rosso, rosso-arancione, arancione, e giallo
  • GaN – verde e blu
  • GaP – rosso, giallo e verde
  • ZnSe – blu
  • InGaN – blu-verde, blu
  • InGaAlP – rosso-arancione, arancione, giallo e verde
  • SiC come substrato – blu
  • Diamante (C) – ultravioletto
  • Silicio (Si) come substrato – blu (in sviluppo)
  • Zaffiro (Al2O3) come substrato – blu

La tensione applicata alla giunzione dei LED dipende dalla banda  del materiale, la quale determina il colore della luce emessa, come riportato nella seguente tabella:

Tipologia LED

tensione di giunzione Vf (volt)

Colore infrarosso

1,3

Colore rosso

1,8

Colore giallo

1,9

Colore verde

2,0

Colore arancio

2,0

Flash blu/bianco

3,0

Colore Blu

3,5 V

Colore Ultravioletto

4 ÷ 4,5 V

L’esigenza di disporre di una discreta varietà di tonalità di colore in luce bianca, necessità prevalente nell’illuminazione all’interno degli edifici, ha indotto i costruttori a differenziare sensibilmente questi dispositivi in base alla temperatura di colore, così che sul mercato sono presenti dispositivi selezionati e suddivisi fino in 6 fasce di temperatura, i quali spaziano da 2700 K a oltre 8000 K.

Efficienza ed affidabilità .Grafico di durata in ore di un LED in base alla temperatura di giunzione (J.T.) e il relativo flusso luminoso I LED sono particolarmente interessanti per le loro caratteristiche di elevata efficienza luminosa A.U./A e di affidabilità. L’incremento di efficienza è in continuo aumento, il raggiungimento in luce bianca di 200 lumen per watt con il dispositivo Xlamp MK-R, matrice di 4 die, in un package quadrato di 7 mm di lato, alimentato con 700 mA a 12 volt, disponibile in 6 tonalità di bianco.

Alimentazione. Il modo corretto di alimentare un LED è quello di fornire al dispositivo una corrente costante polarizzata, il cui valore è dato del costruttore nel relativo datasheet. Ciò si può ottenere utilizzando un genetatore di corrente  o, più semplicemente, ponendo in serie al LED un resistore  di valore appropriato, col compito di limitare la corrente che vi scorre, la  potenza  in eccesso viene dissipata in calore nel resistore di limitazione collegato in serie al led. Questa soluzione, tecnicamente corretta dal punto di vista elettrico, penalizza l’efficienza del sistema e, dato la variazione resistiva del sistema in base alla temperatura nel quale lavora, non garantisce il fluire nel LED del preciso valore di corrente dato in specifica dal costruttore. Il valore di tensione presente ai capi del dispositivo è diretta conseguenza del valore di corrente fornito. Allo stato attuale, torce portatili per uso professionale, speleologia, uso subacqueo, militare, o sport agonistico notturno usano LED montati meccanicamente anche a gruppi, con conseguenti correnti di alimentazione anche di decine di ampere. Basti considerare a titolo d’esempio, il dispositivo singolo monochip con sigla SST-90, la corrente assorbita può arrivare a 9 ampere. L’informazione più appropriata per l’utilizzo dei LED di potenza si può ottiene dai datasheet del costruttore. In particolare, il grafico che correla la corrente assorbita con la quantità di luce emessa  è il migliore aiuto per conoscere le caratteristiche del dispositivo.

La massima quantità di luce che può essere emessa da un LED è limitata essenzialmente dalla massima corrente media sopportabile, che è determinata dalla massima potenza dissipabile dal chip. I recenti dispositivi progettati per impieghi professionali hanno una forma adatta ad accogliere un dissipatore termico, assolutamente necessario per smaltire il calore prodotto: sono ormai in commercio LED a luce bianca con potenza di 500 watt e oltre e corrente assorbita di 20 ampere.

Polarizzazione di un LED indicatore. Solitamente il terminale più lungo di un led indicatore (diametro package 3 mm, 5 mm o superiori) è l’ anodo (+) e quello più corto è il catodo  (-).

Assorbimento . L’assorbimento di corrente  di alimentazione entrante nel dispositivo varia molto in funzione della tipologia di LED: sono minori nei LED normali usati come indicatori rispetto a quelli ad alta luminosità (led flash e di potenza), secondo la seguente tabella:

Tipologia LED

Assorbimento (mA)

LED basso consumo

3 – 10

LED normali

10 – 15

LED flash

20 – 40

LED di potenza

100 – 20000

 

Impiego nell’illuminazione .

I LED sono sempre più utilizzati in ambito illuminotecico in sostituzione di alcune sorgenti di luce tradizionali. Il loro utilizzo nell’illuminazione domestica, quindi in sostituzione di lampade ad incandescenza, alogene o fluorescenti compatte (comunemente chiamate a risparmio energetico), è oggi possibile con notevoli risultati, raggiunti grazie alle tecniche innovative sviluppate nel campo. All’inizio della ricerca, infatti, l’efficienza luminosa quantità di luce/consumo (lm/W), era stato calcolato nel rapporto minimo di 3 a 1, successivamente, nel tempo è migliorato moltissimo. Il limite dei primi dispositivi adatti ad essere impiegati in questo tipo di applicazione era l’insufficiente quantità di luce emessa (flusso luminoso espresso in lumen), questo problema è stato superato con i modelli di ultima generazione, abbinando l’incremento di efficienza, alla tecnica di disporre matrici di die nello stesso package. L’efficienza dei dispositivi attuali, per uso professionale e civile, si attesta oltre i 180lm/W, arrivando, con il più recente dispositivo Cree in luce bianca, a 200lm per watt consumato. Una lampada ad incandescenza da 60 W alimentata a 220V, emette un flusso luminoso di circa 550 lumen; in merito a questa tipologia di lampada, una normativa della Comunità Europea prevede nell’arco di 7 anni, a partire dal 1. settembre 2009, il divieto di vendita in tutti i paesi della Comunità, graduandone annualmente il divieto in base alla potenza in watt. Come termine di paragone basti pensare che una lampada ad incandescenza ha un’efficienza luminosa di circa 10 lm/W, mentre una lampada ad alogeni circa 12 lm/W ed una fluorescente lineare circa 50 lm/W. Una minore facilità d’impiego nell’illuminazione funzionale rispetto alle lampade tradizionali, è costituita dalle caratteristiche di alimentazione e dissipazione, le quali influiscono fortemente su emissione luminosa e durata nel tempo. Diventa comunque difficile individuare rapporti diretti tra le varie grandezze, tra le quali entra in gioco anche un ulteriore parametro, ovvero l’angolo di emissione del fascio di luce, che può variare in un intervallo compreso tra circa 4 gradi e oltre 120, modificabile comunque tramite appropriate lenti poste frontalmente, occorre dire che i produttori di LED sono equiparabili ai produttori di semiconduttori, sono fabbriche di silicio, le lampade vengono prevalentemente prodotte da altri fabbricanti.

 

Led ad alta luminosità in tecnologia SMT.

Dal punto di vista applicativo i LED sono ad oggi molto utilizzati quando l’impianto di illuminazione deve avere le seguenti caratteristiche:

  • miniaturizzazione;
  • colori saturi;
  • effetti dinamici (variazione di colore RGB);
  • lunga durata e robustezza;
  • valorizzazione di forme e volumi.

Concludendo, i vantaggi dei LED dal punto di vista illuminotecnico sono:

  • durata di funzionamento (i LED ad alta emissione arrivano a circa 50.000 ore);
  • assenza di costi di manutenzione;
  • elevato rendimento (se paragonato a lampade ad incandescenza e alogene);
  • luce pulita perché priva di componenti IR e UV;
  • assenza di sfarfallio;
  • facilità di realizzazione di ottiche efficienti di plastica;
  • flessibilità di installazione del punto luce;
  • possibilità di un forte effetto spot (sorgente quasi puntiforme);
  • funzionamento in sicurezza perché a bassissima tensione (normalmente tra i 3 e i 24 Vdc);
  • accensione a freddo (fino a -40 °C) senza problemi;
  • colori saturi;
  • insensibilità a umidità e vibrazioni;
  • assenza di mercurio
  • durata non influenzata dal numero di accensioni/spegnimenti.

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