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Efficienza energetica ed energia termica: arrivano gli incentivi!
11 agosto 2016
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LED: storia di una scoperta luminosa

led

In elettronica il LED o diodo a emissione luminosa è un dispositivo optoelettronico che sfrutta le proprietà ottiche di alcuni materiali semiconduttori di produrre fotoni attraverso un fenomeno di emissione spontanea. Nel 1907 Henry Joseph Round pubblicò una breve descrizione dell’effetto luminoso del diodo. Venti anni dopo Oleg Losev indagò il fenomeno e formulò una teoria in una pubblicazione russa.

I LED sono un particolare tipo di 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 drogate 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 banda 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.

I LED sono sempre più utilizzati in ambito illuminotecnico 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 in quanto hanno una resa superiore), è oggi possibile con notevoli risultati, raggiunti grazie alle tecniche innovative sviluppate nel campo.

All’inizio della ricerca l’efficienza luminosa quantità di luce/consumo (lm/W), era stato calcolato nel rapporto minimo di 3 a 1, successivamente 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 LED nello stesso package collegati tra loro in serie e parallelo o realizzando la matrice direttamente nel substrato del dispositivo. L’efficienza dei dispositivi attuali per uso professionale e civile si attesta oltre i 120 lm/W che però scendono attorno ai 80 lm/W in dispositivi a luce più calda.

Come termine di paragone basti pensare che una lampada ad incandescenza ha un’efficienza luminosa di circa 10-19 lm/W, mentre una lampada ad alogeni circa 12-20 lm/W ed una fluorescente lineare circa 50-110 lm/W. Una minore facilità d’impiego nell’illuminazione funzionale rispetto alle lampade tradizionali è costituita dalle caratteristiche di alimentazione e dissipazione, che 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 lampadine vengono prevalentemente prodotte da altri fabbricanti, pertanto vi è un certo ritardo tra la data di immissione sul mercato di un nuovo dispositivo LED e la disponibilità sul mercato di una lampadina che lo utilizzi.

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

  • durata di funzionamento (i LED ad alta emissione arrivano a circa 50.000 ore con una perdita del flusso luminoso del 10% max);
  • costi di manutenzione-sostituzione ridotti;
  • elevato rendimento (se paragonato a lampade ad incandescenza e alogene);
  • luce pulita perché priva di componenti IR e UV;
  • facilità di realizzazione di ottiche efficienti di plastica/vetro;
  • 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 V dc);
  • accensione a freddo (fino a -40 °C) senza problemi;
  • insensibilità a umidità;
  • assenza di mercurio;
  • possibilità di creare apparecchi illuminanti dal design più svariato per via dell’impatto dimensionale ridotto rispetto al tradizionale;
  • possibilità di regolare l’intensità luminosa (dimmerabilità);
  • minor calore generato nell’ambiente rispetto ad altre tecnologie per l’illuminazione tradizionali.

Il LED ha una durata molto variabile a seconda del flusso luminoso (corrente di lavoro) e temperatura d’esercizio.

Andando a ritroso nella storia dell’elettronica, i primi diodi ad emissione luminosa erano disponibili solo nel colore rosso (e furono introdotti dalla Monsanto cfr.) . Venivano utilizzati come indicatori nei circuiti elettronici, nei display a sette segmenti e negli opto isolatori (isolatore elettrico che sfrutta la luce per passare un segnale da un trasmettitore ad un ricevitore) :

Successivamente ne vennero sviluppati alcuni che emettevano luce gialla e verde e vennero realizzati dispositivi che integravano due LED, generalmente uno rosso e uno verde, nello stesso contenitore permettendo di visualizzare quattro stati (spento, verde, rosso, verde + rosso = giallo) con lo stesso dispositivo.

Negli anni novanta vennero realizzati LED con efficienza sempre più alta e in una gamma di colori sempre maggiore fino a quando con la realizzazione di LED a luce blu fu possibile realizzare dispositivi che potevano generare qualsiasi colore integrando tre diodi (uno rosso, uno verde e uno blu). Parallelamente è aumentata la quantità di luce emessa a livelli competitivi con quelli delle comuni lampadine. Nella illuminotecnica il LED si configura come una tecnologia ad alta efficienza, che garantisce un ottimo risparmio energetico:

Qualità della luce:

La luce emessa dalle lampade usuali (fluorescenti, alogene, ioduri, …) non è corrispondente al picco della sensibilità dell’ occhio umano: i colori non sono riprodotti fedelmente ed e’ quindi necessaria più luce per garantire una visione sicura. L’indice di resa cromatica (CRI) indica la fedeltà di riproduzione dei colori: vale  circa 20 per le lampade al sodio e > 80 per le lampade LED.

L’idea di legare la tecnologia LED all’illuminazione deriva anche dalle ultime scoperte scientifiche in campo percettivo: gli studi sulla visibilità con luce bianca si basano sul fatto che a seconda della luminanza utilizziamo o meno tutti gli apparati percettivi del nostro occhio (coni e bastoncelli). I risultati indicano che sono da preferire le sorgenti luminose con spettro prevalente nella banda del blu , come i LED, senza richiedere elevati valori di luminanza. Le lampade tradizionali  presentano uno spettro centrato nella banda del rosso, molto al di fuori del picco di sensibilità dell’occhio umano.

Inquinamento luminoso:

Il LED e’ direzionale per costruzione ed emette un fascio luminoso definito, prevedibile a tempo di costruzione del semiconduttore e delle sue “ottiche” e quindi riduce al minimo l’inquinamento luminoso omnidirezionale e la necessità di dover captare luce dalle direzioni non volute  e  doverla riflettere per beneficiarne. Il LED può essere interfacciato con delle ottiche secondarie per restringere, aumentare o collimare  il fascio luminoso. Il led contribuisce anche alla salute in quanto la luce emessa è priva del componente IR(infrarossi) ed ha un valore estremamente basso di UV (ultravioletti) che possono nuocere.

Durata:

La vita utile dei sistemi a LED e’ stimata in 50.000-100.000 ore (10-20 anni, 12 ore al giorno) contro le 4000-5000 ore (11-14 mesi) delle lampade stradali  tradizionali. Il ciclo di vita è riferito a singole accensioni, mentre, per usi quotidiani ( lavoro, abitazione, aziende, edifici generici), si attesta a minimo 20000 ore, che, con un uso quotidiano di circa 12 ore permette l’uso normale del LED per oltre  5 anni circa. Secondo stime, dopo 50.000-100.000 ore la luminosità dei sistemi a LED scende al 70% rispetto al valore iniziale e questo può essere considerato il termine della vita utile del LED.

Manutenzione:

I costi di manutenzione degli apparati di illuminazione a LED sono stimati nell’ordine di un decimo rispetto agli impianti tradizionali attualmente in uso, a patto che la qualità del LED scelta per l’installazione sia ottimale e che l’installazione e la stessa manutenzione sia affidata a professionisti del settore, e che non vi siano fluttuazioni nell’alimentazione o correnti spurie che danneggino l’apparato.

Costi:

I sistemi a LED hanno un costo iniziale apparentemente maggiore rispetto alle soluzioni tradizionali. Considerando però la maggiore durata, il risparmio energetico derivante e la manutenzione quasi assente, si ha un risparmio netto dal 50% al 80% ed un tempo di rientro stimato in pochi mesi, al massimo dell’ordine di un anno.

“Altri” Vantaggi:

Alla lista dei vantaggi nell’utilizzare la tecnologia LED si somma una considerevole % di riduzione dei costi dovuti alla climatizzazione. E’ noto come una sorgente tradizionale alogena sia termicamente assimilabile ad una sorgente di calore, per tecnologia di funzionamento  a temperatura più o meno elevata. Questa sorgente termica contribuisce a penalizzare l’equilibrio termico a cui l’impianto di climatizzazione deve far fronte. E’ assolutamente percettibile come un ambiente climatizzato ove vi è illuminazione tradizionale, sia penalizzato da questa “fonte” di calore indesiderata, che allunga il tempo di raggiungimento della soglia di temperatura ambiente impostata (il tutto riferito alla climatizzazione estiva).

Un ulteriore e sensibile risparmio, aggiuntivo a quanto espresso precedentemente, è ottenibile dall’illuminazione a LED di ultima generazione, considerando la possibilità di “dimmerare” la luce emessa dall’armatura LED, ossia di variare il flusso luminoso su fasce orarie o al rilevamento di movimento o in base  a fasce orarie. Stabilendo dei criteri, la circuiteria driver del corpo luminoso farà in modo che lo stesso emetta il flusso luminoso massimo in un range temporale  prestabilito ( a partire dall’accensione, per esempio crepuscolare) per poi ridurla di un fattore  percentuale  prestabilito, nel corso della notte, oppure ridurlo e ristabilirlo al passaggio di persone e/o veicoli.

Così facendo, i risparmi “di base” ottenuti dalla scelta di illuminazione LED sono maggiorati dall’uso efficiente dei corpi luminoso, con conseguente aumento del risparmio sia in termini di energia prelevata dalla ret,  di manutenzione e quindi di vita utile del corpo luminoso.

 

[Fonte: Rete Internet – Considerazioni Tecniche Personali]

Michele DONATO

 

 


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