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Note tecniche sui led per illuminazione. Illuminazione con lampade a Led.

Argomenti correlati : CalcLux3, calcolo illuminazione locali.

L'illuminazione a led, per definizione é ritenuta la più economica in termini energetici e duratura rispetto a tutti gli altri mezzi di illuminazione standard (incandescenza, neon o altri gas e vapori di metalli).

Quanto sopra é vero ma solo in determinate condizioni di lavoro che per quanto riguarda i led sono molto critiche e difficili da ottenere, con risultati energetici variabili fra molto peggiori a migliori rispetto le fonti luminose tradizionali caratterizzate dal più alto rendimento, lampade al Sodio (maggior rendimento) e Neon (minor rendimento del Sodio).

Per rendimento si intende la quantità di energia trasformata in luce misurabile rispetto all'energia assorbita.
In alcuni casi nelle caratteristiche dichiarate delle lampade a led commerciali l'energia totale assorbita viene chiamata "energia dissipata" ma é un'errore, l'energia dissipata é quella che non viene trasformata in luce (normalmente in calore) e deve essere più piccola possibile per avere un buon rendimento.

Per lampada a led si intende il gruppo di alimentazione + i led stessi, non é possibile fare confronti prendendo in considerazione i soli led come non é possibile considerare il solo tubo al neon senza il circuito di accensione.

Componenti principali di una lampada a led.

Circuito lampade a LED per illuminazione Una lampada a led é composta da un circuito di regolazione-alimentazione e da uno o più led collegati in parallelo (oppure in serie) fino a raggiungere la potenza luminosa richiesta.

Il collegamento in serie dei componenti é il più costoso e complesso da implementare ed é una delle maggiori cause di guasto precoce degli apparecchi illuminanti a led se non ben realizzati, vedere note successive.

Circuito per LED di segnalazione (spie) Il circuito di regolazione più semplice e da tutti conosciuto é una semplice resistenza di caduta, usato per tutti quei led di segnalazione visibili accesi su ogni tipo di apparecchio, per i quali vengono usati led standard, quelli per illuminazione sono led speciali ad alta intensità luminosa.

Questo tipo di regolazione trasforma in calore tutta l'energia in eccesso che normalmente é anche la maggior parte dell'energia consumata, per questo motivo é TOTALMENTE DA ESCLUDERE per serie applicazioni nel campo dell'illuminazione, il risultato migliore ottenibile sarebbe una lampada che consuma molto di più di un semplice neon (a parità di illuminazione) e come se non bastasse una durata dei led sconosciuta.

Se al posto della resistenza viene usato un semiconduttore o un regolatore lineare (circuito a corrente costante o altro) l'energia dissipata é uguale a quella della resistenza; per ottenere rendimenti elevati necessario adottare alimentatori a commutazione.

Esempi di LED driver ad elevato rendimento: paologentili.it

Collegamento di più led in serie.

Il collegamento in serie di led non é così banale come sembra, proprio questo tipo di circuito é una delle maggiori fonti di problemi perchè le curve caratteristiche dei semiconduttori (led) che compongono il circuito sono diverse fra di loro anche se si tratta di componenti ricavati dallo stesso wafer.

Collegamento in serie di LED Non che non sia possibile usare questo tipo di collegamento ma devono essere adottate opportune precauzioni, ricordiamo che i led usati per l'illuminazione NON SONO LED COMUNI ma componenti sofisticati frutto di continua ricerca.

Le migliori aziende che producono apparecchi illuminanti a led collaborano con i produttori dei componenti stessi e devono selezionare i vari led per fare in modo che le curve dei componenti di ciascun ramo siano il più possibile uguali, altrimenti uno di essi in certe condizioni può interrompersi (fondere la giunzione) causando nella migliore ipotesi lo spegnimento di tutti i led collegati al ramo stesso.

Sopra abbiamo scritto "in certe condizioni" perché le curve stesse variano anche in base alla temperatura di giunzione e due curve identiche a 25°C possono essere diverse a 80°C, questa é un'ulteriore difficoltà tecnica da superare per ottenere durate vicine al led singolo ben alimentato.

In alcuni casi i produttori di led propongono a catalogo elementi composti da componenti già collegati in serie e fra di loro ottimizzati con procedimenti di taratura particolari che rendono il prodotto finale quasi paragonabile al led singolo, molti led di potenza sono in realtà più elementi in parallelo.
Bisogna anche ricordare che qualsiasi metodo usato per stabilizzare le caratteristiche dei componenti in serie riduce anche il rendimento globale.

Emissione di luce.

Come tutti sanno, le fonti luminose sfruttano solo una parte dell'energia assorbita per generare fotoni all'interno dello spettro luminoso visibile dall'occhio umano.
Una parte dell'energia viene dispersa in:

Rendimenti tipici delle fonti illuminanti.

Spettro frequenze visibili, spettro frequenze luce emessa La stessa emissione in gamma visibile non é detto che venga totalmente sfruttata dall'occhio umano, se lo spettro luminoso emesso non coincide con lo spettro visibile, solo una parte dell'energia luminosa é per così dire usata per far luce.

Se le differenze sono sempre nel campo della visibilià si notano a occhio nudo come alterazioni del bianco, attenzione però, solo i luxmetri professionali più sofisticati sono in grado di fornire valori attendibili, può tranquillamente succedere che alti valori di luminosità siano in realtà inconsistenti per l'occhio umano.

Spettro luminoso di una lampada. Anche in questo caso é la qualità che conta, esistono in commercio led ad alta efficienza costosi ed economici, inutile dire che quelli più costosi sono frutto di ricerche durate molti anni e continuano ad essere migliorati, i materiali stessi usati per la produzione sono nobili, in alcuni casi anche rari e il loro costo incide molto sul prodotto finale.

Led economici presi quà e là sono totalmente diversi da quelli usati in campo professionale, tanto per fare un'esempio un data-book di componentistica optoelettronica della nota Hewlett Packard (uno dei maggiori produttori) é un libro di oltre 1000 pagine e alcuni tipi di led costano ben più cari di quanto si possa immaginare.

Influenza della temperatura di giunzione.

Anche i led come buona parte dei semiconduttori sono soggetti all'effetto valanga, oltre una certa combinazione fra corrente e temperatura di giunzione inizia un ciclo senza fine che in un'attimo porta immancabilmente all'autodistruzione (fusione della giunzione stessa).

Tutte le applicazioni che devono lavorare a temperature elevate come ad esempio al sole sono maggiormente soggette a guasti precoci, solo soffisticate tecniche di compensazione e regolazione della corrente risolvono il problema.
Stesso problema per le applicazioni per così dire "tirate per il collo" (minor numero di led per uguale intensità luminosa), dopo un certo numero di ore di lavoro anche a temperatura ambiente aumentano le probabilità di guasto (fusione della giunzione).

Durata dei led.

I led, come quasi tutti i semiconduttori hanno possibilità teoriche di durare all'infinito, la realtà é però diversa a causa dei seguenti principali fattori:

Alterazioni causate dalla temperatura.

Più la temperatura di lavoro della giunzione é vicina a quella di fusione e minore sarà la durata del componente.
Temperature molto basse causano la rottura del case.

Ossidazione causata da stress termico del case (contenitore).

La giunzione deve lavorare in un'ambiente senza ossigeno, la tenuta fra i piedini e il contenitore plastico peggiora nel tempo con conseguente ingresso di molecole di ossigeno che ossidano la giunzione alterandone la struttura cristallina.

Vibrazioni, accelerazioni o decelerazioni.

Applicazioni soggette a sollecitazioni esterne causano effetti più o meno simili allo stress termico.

Depolimerizzazione del case (contenitore) che é un materiale plastico.

Le radiazioni solari causano alterazioni alla struttura polimerica del case riducendone la resistenza.

Sollecitazioni termiche o meccaniche esterne.

Una buona ingegnerizzazione del processo di saldatura, delle piste di collegamento e della posizione dei componenti riduce i problemi di trasmissione di calore, aiuta a ridurre la temperatura di giunzione e limita i problemi di stress meccanico.

La durata viene indicata dai produttori di semiconduttori come:

Probabilità di quasto riferita alle ore di funzionamento in funzione della temperatura di giunzione con un certo numero di cicli di lavoro alla corrente massima.

La durata del prodotto finito (lampada) é diversa, la decide il produttore della lampada stessa.
Dipende dalla corrente applicata, dal tipo di alimentazione, dal tipo di dissipatore adottato, dalla costruzione.
Si basa su parametri di funzionamento ben definiti che possono essere diversi fra un produttore e l'altro.

Alimentazione.

Una lampada a led é composta anche dall'alimentatore che si occupa del difficile compito di ridurre la tensione di rete al valore richiesto con una corrente ben precisa (i led sono componenti estremamente delicati su questo parametro).
I migliori alimentatori per queste applicazioni sono swiching (a commutazione) ma il rendimento e l'affidabilità degli stessi é molto influenzato dal costo dei componenti e del progetto.

L'alimentatore si deve occupare della compensazione di temperatura, di proteggere i led dagli sbalzi di tensione e da quasti dell'alimentatore stesso.

Principio di funzionamento di un'alimentatore a commutazione. Tanto per fare un'esempio ci possono essere anche differenze del 30% di rendimento fra una tecnologia e l'altra sempre riguardante il sistema swiching, un'alimentatore di qualità può arrivare anche al 92-93 % di efficienza, chiaramente la lampada completa di alimentatore + LED avrà un rendimento globale sicuramente inferiore, valori strabilianti sono da scartare a priori.

La tecnica degli swiching anche se non nuova é in costante evoluzione, i rendimenti aumentano, le dimensioni diminuiscono e l'affidabilità é sempre più elevata.

Anche in questo caso le maggiori aziende lavorano costantemente per migliorare l'alimentazione e i costi per forza di cose si riperquotono sul prodotto finale.
Si vedono in commercio prodotti assurdi, che sfruttano la nomina dei led per far credere che si risparmia energia, in realtà durano poco, consumano di più di una lampada al neon e la qualità della luce é scadente se non dannosa.
Allo stesso tempo ci sono aziende che producono prodotti altamente tecnologici, affidabili che consentono un reale risparmio energetico, normalmente sono le aziende che forniscono chiare caratteristiche dei loro prodotti.

Come districarsi.

Marchio CE Innanzitutto deve esserci il marchio CE, poi l'emissione luminosa, il consumo e la temperatura del colore devono essere dichiarati chiaramente.

Per esempio ci é successo di vedere prodotti con sopra scritto 5W ma nessun accenno sull'emissione luminosa, chi lo compra crede che sia una lampada che consuma 5W e chissà quanta luce fà, in realtà era dotata di un'alimentatore scadentissimo (lineare) a caduta di tensione e l'insieme consumava 20W con un'emissione luminosa bluastra di intensità paragonabile ad una lampada da 5W, e non parliamo nemmeno di uniformità del fascio luminoso.

I produttori seri ci sono eccome, non hanno paura di fornire i dati tecnici, hanno laboratori che lavorano costantemente per migliorare le caratteristiche dei loro prodotti e mettere a punto i metodi di test e misurazione, ovviamente tutto ciò si riperquote anche sul costo, ma non poi così tanto.

Altre notizie dal web:
Scelta delle lampade per l'illuminazione : lampadine-efficienti.it

Le lampade a led su CalcLux 3.

Calcolo illuminazione locali. Nell'archivio in dotazione a CalcLux 3 sono state inserite lampade a led di alcuni produttori (Osram-Sylvania e Philips) perché i dati tecnici forniti sono veramente completi, consentono di confrontare le caratteristiche dei vari prodotti in base alle esigenze impiantistiche.

Ovviamente quelle inserite sono solo parte dei prodotti disponibili, il nostro scopo non é di fornire un catalogo ma i mezzi per poter gestire le lampade in commercio, sarà l'utente a crearsi i propri archivi con la logica che più preferisce.
CalcLux 3 gestisce i parametri necessari per la scelta delle lampade comprese quelle a led.