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I LED

TECNICA

LED - LA TECNOLOGIA

I LED, la luce a stato solido

Il LED (Light Emitting Diode) è un dispositivo semiconduttore che genera luce al passaggio di cariche elettriche attraverso una giunzione in silicio opportunamente drogata. Si tratta di un diodo che al raggiungimento della tensione di soglia (generalmente da 3 a 5 V) diventa una sorgente luminosa di luce; la luce emessa dalla giunzione è monocromatica e il colore dipende dal tipo di drogaggio volutamente introdotto nel silicio. Quando si parla di sorgenti luminose, per quantificare la luce emessa comunemente si ricorre ai watt; in realtà la potenza elettrica, appunto espressa come wattaggio (W), indica la quantità di energia assorbita dalla sorgente luminosa e non la luce resa. Il parametro che indica la quantità di luce emessa da una sorgente è il flusso luminoso, misurato in lumen (Lm). La relazione che lega la potenza assorbita dalla sorgente con la luce emessa è il rendimento luminoso che viene espresso in lumen per Watt: questo valore indica l'efficienza luminosa cioè quanta luce viene emessa per unità di potenza dalla sorgente luminosa. Il flusso luminoso non offre però un'indicazione corretta della luce percepita dalla vista: per questo si deve utilizzare l'illuminamento cioè la concentrazione della luce emessa, misurata in lux, su una determinata superficie: il valore di illuminamento oltre che dalla sorgente luminosa dipende da come la luce viene diffusa e quindi nel caso del LED dalla lente.


Colore della luce e resa cromatica dei LED di potenza a luce bianca

Il colore della luce dei LED é classificato in warm white (temperatura di colore da 3.000 a 4.000 K) e cool white (temperatura di colore da 5.000 a 8000 K). La maggior parte dei LED bianchi emette una luce con una temperatura di colore di 5500 K, più "fredda" di quella delle lampade a incandescenza ed ha un CRI (Colour Rendering Index) cioè indice di resa del colore di 60-70, sia a 3200 K che a 5500 K. I LED XR-E "cool white" emettono una luce con temperatura di colore tipica di 5500 K ed hanno un CRI pari ad 80, valore molto vicino a quello delle sorgenti luminose ad incandescenza, offrendo quindi un rendering colorimetrico eccellente. I nuovi LED XR-E "warm white" emettono una luce molto brillante, con una temperatura di colore di 3250 K e sono quindi una valida alternativa alle lampadine a incandescenza, mantenendo sempre un CRI di 80.


TEMPERATURE DI COLORE:

- Cielo blu 12-20.000 K
- Luce estiva (sole e cielo) 6500 K
- Lampada allo Xenon 6400 K
- Tubo fluorescente "daylight" 6300 K
- Lampada al mercurio 5900 K
- LED Cree XR-E "cool white" LED 5500 K
- Luce del sole (mezzogiorno, estate, media latitudine) 5400 K
- Lampada fluorescente per design 5200 K
- Lampada fluorescente per analisi del colore Special 5000 K
- Luce del sole (mattino e tardo pomeriggio) 4300 K
- Lampada al mercurio 4000 K
- Luce del sole (1 ora dopo l'alba) 3500 K
- Tubo fluorescente "cool white" 3400 K
- LED "warm white" XR-E LED 3250 K
- Lampada alogena 100W 100-watt 3000 K
- Tubo fluorescente "warm white" 2950 K
- Lampada incandescenza 100W 100-watt 2870 K
- Lampada incandescenza 40W 40-watt 2500 K
- Lampada al sodio 2100 K
- Luce del sole (alba, tramonto) 2000 K
- Fiamma della candela 1850-1900 K
- Fiamma del fiammifero 1700 K

Efficienza Luminosa (lumen/watt)

- Lampada incandescenza 13.8 Lm/W
- Lampada alogena a bassa tensione 23.0 Lm/W
- LED CREE XR-E (produzione 2006) da 67 Lm/W a 104 Lm/W
- Lampada a fluorescenza compatta 60.0 Lm/W
- Lampada a fluorescenza T8 93.0 Lm/W
- Lampada a luminescenza ad alta intensità (HID) 107 Lm/W

Ad esempio, il rendimento luminoso di una lampadina alogena è di 14 lumen per ogni watt, quindi una lampadina alogena da 25 W produrrà un flusso luminoso di 14 x 25 = 350 lumen; i LED di potenza Xr-E attualmente in produzione hanno un rendimento luminoso di circa 74 lumen per ogni W, quindi un modulo da 3 LED da 1 W produrrà un flusso luminoso di 74 x 3 = 222 lumen a 350mA se li alimentiamo a 700mA il flusso luminoso complessivo sarà di 355 Lumen. Il Lumen indica la quantità di luce emessa ma è il lux ad indicare la quantità di luce percepita. Si tratta dell’unità di misura che indica la quantità di luce per unità di superficie.

EFFICIENZA ENERGETICA:
Molti pensano che una lampada di potenza più elevata produrrà sempre una quantità di luce maggiore di quella prodotta da una di potenza inferiore. In questo modo si confonde il flusso luminoso, che si misura in Lumen, con la potenza assorbita, che si misura in Watt. In effetti, una lampada fluorescente da 20 W può produrre la stessa quantità di luce utile di una lampada ad incandescenza da 100 Watt. L'unico modo preciso di esprimere l'efficienza energetica di una sorgente luminosa è il rapporto tra il numero di lumen prodotti per ciascun watt consumato. Nel mondo moderno, sempre più attento ai consumi energetici, la caratteristica Lm/W (lumen per watt) è tra le più critiche. I LED di ultima generazione come il Cree 7090 XRE-Q5 sono in grado di produrre un flusso luminoso di 70 Lumen per un Watt di potenza assorbita.

FLUSSO LUMINOSO
Il flusso luminoso esprime la quantità totale di energia luminosa emessa da una sorgente in un intervallo di tempo. Il flusso non dà alcuna informazione sulla qualità della luce, né sulla sua distribuzione nello spazio.Se immaginiamo di fare un paragone fra la luce e l'acqua, una sorgente luminosa può essere paragonata ad un rubinetto aperto, e il flusso luminoso esprime la quantità di litri che fuoriescono dal rubinetto in un secondo. Il flusso viene indicato con la lettera greca (Phi) e si misura in lumen (abbreviazione: lm). Il flusso è una grandezza molto utile per descrivere e confrontare le lampade tradizionali ed i nuovi sistemi di illuminazione a stato solido LED.

Fascio Luminoso

La luce del LED, per come é strutturato il LED-Chip di potenza, è omnidirezionale: la geometria del package del LED è studiata in modo che il fascio luminoso uscente abbia un angolo di 75° - 100° ed è in preparazione il 140°. All’interno della proiezione la luminosità sarà pari almeno alla metà del massimo. Sono state realizzate anche lenti supplementari per meglio concentrare il fascio luminoso e cioè fascio stretto (8÷12°), fascio medio (25÷30°), fascio largo (40÷45°) e larghissimo (45÷60°). I dati di luminosità sono espressi in Lux alla distanza di 1 metro (che corrisponde al valore di luminosità espresso in candele e ciò significa che ad 1 metro i valori espressi in lux e in candele coincidono). Se per motivi di progetto si vuole sapere il valore di luminosità in lux a distanze diverse da 1 metro bisognerà ricordare che diminuisce con il quadrato della distanza. Pertanto 1.000 Lux ad un metro corrispondono a 1000/(2x2) = 250 Lux a due metri e a 1000/(3x3) = 111,11 a tre metri.

Regolazione dell'intensità luminosa dei LED

I LED sono dimmerabili senza alterazione del colore. I LED di potenza hanno, per costruzione, una soglia di intervento fissa (tensione di giunzione) e non modulabile. Gli alimentatori dei LED di potenza, dovendo alimentare a corrente costante, dispongono di una uscita stabilizzata che assicura la lunga durata di vita al LED.
Per questi due motivi, per poter intervenire sull'intensità di luce dei LED è necessario ricorrere a speciali alimentatori che prevedano il pilotaggio mediante circuiti realizzati normalmente in
PWM (Pulse With Modulation) ovvero con modulazione della larghezza dell'impulso.

L'alimentazione dei LED di potenza

I LED di potenza devono essere alimentati a corrente costante. La tensione su LED è in stretta relazione con il colore della luce emessa, con la temperatura e la tolleranza di costruzione del LED stesso. L'alimentatore per LED ha il compito di mantenere e controllare con precisione la corrente che circola nel circuito; una corrente troppo elevata distrugge i LED in pochi secondi, mentre una corrente troppo debole ne limita la resa luminosa. Per garantire una corrente costante, tutti i LED di un circuito devono essere collegati in serie; un eventuale collegamento in parallelo (quello comunemente usato per le lampadine alogene) può distruggere i LED in breve tempo. Gli alimentatori hanno l'uscita isolata e la tensione massima non è mai pericolosa sempre entro il regime SELV. Inoltre, gli alimentatori devono essere conformi alla nuova norma europea EN60347.

Durata di vita dei LED di potenza

E' opinione comune che tutti i LED abbiano una durata di 100.000 ore. Considerando che 100.000 ore corrispondono a più di 11 anni (24 ore su 24, sette giorni su sette, si intuisce che è molto difficile fare dei test di vita reali per questi prodotti. I ricercatori hanno quindi definito dei test convenzionali per stimare la vita dei LED, basandoli su cicli relativamente brevi. Diversamente dalle sorgenti di luce tradizionali il LED non "brucia" ma nel tempo riduce l'intensità della luce emessa. Sebbene non esista ancora uno standard industriale che definisca la vita del LED, i produttori più importanti fissano il termine della vita quando il LED raggiunge l'80% della emissione di luce iniziale. Nei test condotti dal produttore, i LED Cree XR-E hanno pressoché mantenuto il valore di lumen iniziale dopo 13.000 ore di funzionamento con Ta= 25°C e I=700 mA: dall'analisi di questi dati si determina il raggiungimento dell'80% del flusso iniziale dopo 50.000 ore di funzionamento. La durata di vita dei LED è assicurata da un'attenta progettazione termica dell'apparecchio illuminante. Il calore generato dal LED deve essere controllato e smaltito in modo tale da garantire il mantenimento del flusso di luce.

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