Tecnologia LED: che cos’è e come funziona?

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Tecnologia LED: che cos’è e come funziona?

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E’ ormai alla portata di tutti la grande padronanza di questo termine in tutti i motori di ricerca e nella vita di ogni giorno. Dalle spie luminose del nostro smartphone ai fari delle ammiraglie delle case automobilistiche, passando per il semaforo sotto casa che tanto ci fa dannare quando siamo in ritardo a lavoro. Cosa potrebbe accomunare questi tre semplici esempi? La tecnologia LED ad esempio. Sempre più ne sentiamo parlare,  ed altrettanto siamo incuriositi da questa tecnologia che tanto promette in termini di efficienza e risparmio energetico.

Ma è veramente così?

Analizziamo qualitativamente e quantitativamente questa tecnologia (seppur in maniera sintetica) per capire come questo termine di tre sole lettere (in realtà acronimo di Light Emitting Diode) sia parte essenziale della rivoluzione elettronica di questo inizio di terzo millennio che l’umanità si appresta a scalare.

Il LED è conosciuto come componente elettronico dagli anni 70, quando pian piano ha iniziato a soppiantare le spie luminose ad incandescenza ed a scarica nelle apparecchiature elettroniche a causa del costo relativamente piccolo, delle dimensioni contenute e della facilità di produzione in linea nelle industrie elettroniche. Con il passare degli anni particolari progressi sono stati compiuti nella ricerca e sviluppo di questo componente, piccolo e potente, il che ha portato a rendimenti sempre più alti, tanto da farlo  entrare nel panorama delle sorgenti di illuminazione artificiale delle vita di ogni giorno. Non più quindi come elemento di segnalazione su dashboard, cruscotti e chassis delle apparecchiature, ma come prodigio dell’elettronica in grado di creare radiazione luminosa – artificiale –  in grado di soddisfare ( in maniera egregia)  le richieste illuminotecniche di una società senza limiti di immaginazione.

Ciò che ha portato questo componente a vincere questa sfida  è in primis lo spettacolare progresso fatto in merito alla sua resa lumen/watt.

In illuminotecnica il “lumen” (spesso abbreviato “Lm” è la quantificazione del flusso luminoso emesso da una sorgente ( nel nostro caso a semiconduttore) . Senza voler annoiare con lunghissime teorie – dall’ indiscusso piacere – sulla natura dell’unità di misura, sulla sua determinazione e sulle equivalenze, accettiamo la sinteticità di considerare il lumen (più precisamente il rapporto “lumen/watt” un  valido criterio di merito della tecnologia LED.

Ogni sorgente LED è caratterizzata da alcuni fattori elettronici , ottici ed illuminotecnici ( che poi in realtà è un po’ l’anello di congiunzione dei primi due) che ne differenziano usi, pregi e difetti.

Quando si è apprezzato il LED a  tal punto da inserirlo nelle  sorgenti  luminose per l’illuminazione di edifici, strade, abitazioni ed altro? Quali sono i pregi  di questa promettente tecnologia? Ci sono aspetti critici da tenere in considerazione?

Per rispondere a queste domande bisogna addentrarsi ( sinteticamente a rigor di sana lettura) nella materia. Per farlo analizziamo alcuni aspetti …

Nel corso degli anni, a seguito di numerosi esperimenti,  la “resa” (il rapporto lumen/watt, ma non solo ) ha iniziato ad eguagliare, pareggiare e poi superare vertiginosamente le concorrenti, tra cui annoveriamo ( e sempre per rigor di sintesi citiamo le caratteristiche salienti) :

  • Tecnologia “ad incandescenza”
  • Tecnologia “Alogena”
  • Tecnologia al “Neon”
  • Tecnologia “Fluorescente CFL”

Prima di passare in sintetica rassegna queste tecnologie precorritrici del LED è doveroso affrontare in maniera altrettanto sintetica quali sono i dati che caratterizzano una sorgente luminosa ( che sia una lampada commerciale, un tubo luminoso o un diodo led componente elettronico). Dati che ne permettono una primaria ed egregiamente chiara suddivisione di utilizzo:

Tipologia: lampada ad incandescenza, alogena, al neon, LED, …

Tensione di alimentazione: è la tensione commerciale ( e non ) per cui la lampada è stata dimensionata a svolgere il suo compito di emettere radiazione luminosa. Esistono lampade/sorgenti a bassa tensione, a bassissima tensione e ad alta tensione (spesso chiamata innesco) …

Temperatura di Colore: è uno dei dati tecnici più importanti di un corpo (qualsiasi) che emette radiazione luminosa. Spiegare in poche parole il significato di questo importantissimo concetto non è semplice. Proviamo a farlo descrivendone la sua importanza nel mondo reale.

La percezione ( ed anche la sensazione di piacere) che si ha nell’osservare un cesto di frutta di stagione, una passeggiata sulla spiaggia in una giornata di cielo sereno, un romantico tramonto sul mare ed un metallo che viene colato in una fonderia, sono tutti esempi accomunati  dalla reazione del nostro sistema visivo  alla variazione di colori che caratterizzano queste situazioni. Per descrivere diverse tonalità di colori ( e quindi di luce) si fa riferimento alla cosi detta “temperatura di colore”, ossia una quantificazione (in “Kelvin” [K]) numerica della stessa che colloca i nostri esempi e tutto ciò che osserviamo in una ben precisa posizione di un diagramma spesso chiamato “spettro elettromagnetico” o semplicemente “spettro”:

spettro elettromagnetico

Che in maniera più  comprensibile può essere esplicitato dalla  seguente  figura :

(Fonte Immagine: Wikipedia ™)

Descrivere lo spettro elettromagnetico  in così poche parole non è semplice. Immaginiamo una retta su cui sono posizionati diversi valori che vanno dai raggi cosmici alle trasmissioni radio passando per ultravioletto, infrarosso e visibile.

(Fonte Immagine: rete internet)

Trattandosi di onde elettromagnetiche ( la luce è un’onda elettromagnetica a tutti gli effetti), possiamo caratterizzarle ad esempio secondo la loro frequenza (misurata in “Hertz” o la loro lunghezza d’onda (misurata in “metri”). Su questa retta sono posizionati tutti i valori  che caratterizzano lo spettro elettromagnetico da un valore estremo sinistro ad un valore estremo destro. Il nostro occhio è capace di rilevare solo una porzione ( per nostra fortuna) di queste frequenze e renderle fruibili al nostro cervello secondo una percezione visiva sensoriale molto complessa ed affascinante.

E’ giusto dire che l’occhio umano si limita a filtrare solo una porzione dello spettro elettromagnetico, che va dall’ultravioletto all’infrarosso ( a rigor di precisione  estremi esclusi). Il range utile ivi compreso è detto “spettro della luce visibile” ed è quello che il nostro occhio riesce ad apprezzare nella molteplicità di situazioni che viviamo ogni giorno, miliardi di fotogrammi dopo fotogrammi che caratterizzano la  nostra visuale quotidiana.

Ogni componente di questa porzione di spettro corrisponde ad una ben precisa tonalità di temperatura di colore. La fiamma  di una candela, ad esempio, si colloca intorno ai 2000 K, mentre il sole al mezzogiorno di una giornata di sereno si attesta intorno ai 5500 K. Potremmo fare numerosi e divertenti esempi percorrendo avanti ed indietro lo spettro visibile. Ci basta asserire per il momento che il nostro occhio riesce a percepire solo una porzione di tutto lo spettro. Ciò che non riesce ad “osservare” non significa che non venga assorbito dai nostri sensori ( la retina), queste situazioni portano a spiacevoli conseguenze patologiche in quanto si tratta di radiazioni a cui i nostri occhi non sono preparati ad interagire.

(Fonte Immagine: rete internet)

Resa “Lumen / Watt”: è un fattore di merito del corpo luminoso che indica la resa luminosa in lumen per watt (potenza elettrica) prelevata dalla  fonte di alimentazione. In circa un decennio si è passati da circa 30 – 40 lumen/watt  agli  attuali 140 – 150 con ottime prospettive non poi così futuristiche di 200 lumen/watt. Questo significa che una lampada LED da 10 Watt nel 2005 aveva una resa luminosa di 300 lumen mentre, oggi, a parità di potenza elettrica ( sempre 10 watt) abbiamo una resa di ben 1300 lumen !

Indice di resa cromatica “CRI” (Color Rendering Index): se la resa lumen/watt ci ha fatto capire quale sia uno dei criteri  di scelta di una sorgente LED ( ma può essere esteso al caso generale), altrettanto importante è la resa cromatica della sorgente, che indica la fedeltà di riproduzione dello spettro luminoso  della sorgente artificiale. Maggiore è questo valore, maggiore sarà la fedeltà e la qualità della luce emessa dalla  sorgente LED. Lampade ad incandescenza hanno elevato valore di CRI in quanto basano il funzionamento sull’emissione luminosa di un corpo portato all’incandescenza. Lampade LED di ottima qualità offrono  un CRI > 80. Specifiche normative impongono valori di CRI per diverse soluzioni di illuminazione, differenziando per destinazione d’uso del locale, per tipologia di installazione e per attività che vi si svolgeranno.

Lifetime o Vita Utile:  è la quantificazione in “ore” del funzionamento stimato della lampada. Sicuramente un buon indice di qualità vede rispecchiare un lifetime di diverse migliaia di ore. Attualmente lampade LED di buona qualità hanno valori di vita media utile stimati da 20000 a 50000 ore. A fine articolo è riportato uno schema riassuntivo delle diverse tecnologie a confronto.

Fattore di potenza : in ultimo ( e non per grado di importanza) bisogna spendere due parole in merito alla  economicità  ( in termini di potenza spillata dalla rete elettrica) nell’analizzare una sorgente luminosa. Non è cosa semplice vista la vastità di tecnologie oggi disponibili, ci limitiamo a spiegare come a parità di potenza elettrica assorbita, sia preferibile una tecnologia che “converta” quasi tutta questa potenza in energia luminosa e quindi destini agli sprechi ( non eliminabili intrinsecamente) la percentuale più bassa possibile. Mentre una lampada ad incandescenza ( meglio descritta in seguito) può essere rappresentata elettricamente come un resistore ( un componente che si oppone al passaggio della corrente elettrica), il cui rendimento è alquanto basso poiché una grande percentuale di potenza elettrica viene dissipata in calore e la restante in luce, una lampada a LED è da considerare come un componente a semiconduttore (CHIP LED) collegato ad un alimentatore ( meglio conosciuto come DRIVER) in quale ha il compito di abbassare la tensione di rete, renderla compatibile con la tecnologia del chip ( in termini di tensione e corrente)  e quanto più possibile pura ( esente da disturbi elettrici indesiderati).

In questo caso la fedeltà di conversione della tensione di rete in energia utile al chip LED è tanto più apprezzata quanto lo è il rendimento di conversione e la qualità della alimentazione resa al componente elettronico. Mentre le lampade tradizionali ad incandescenza sono più resistenti a fluttuazioni della tensione di alimentazione, il LED trascina con se la sua natura di componente elettronico, pertanto richiede alimentazione quanto più stabilizzata e pura possibile, pena il decadimento delle prestazioni e/o la rottura del componente.

Come tutti i componenti elettronici, vi è un importante aspetto da considerare, che spesso viene trascurato, ossia la dissipazione del calore. Un circuito elettronico, soggetto a passaggio di corrente elettrica, nella sua forma più semplice può essere descritto con un comportamento resistivo. Comportamento che si ripercuote in una emissione di calore per “effetto Joule” ( dal nome dello scienziato  che fece i primi esperimenti nel 1848). Se questo calore viene opportunamente dissipato, allora la temperatura media di lavoro del CHIP LED e del suo driver resta confinata ad un livello accettabile.

Qualora questo non accada, l’aumento di temperatura porta l’apparecchiatura ( vista nella forma di sistema di componenti elettronici interconnessi) ad una situazione non ottimale, con dipendenza delle tensioni e delle correnti dalla variazione della temperatura, oltre ad un decadimento della luce emessa, delle prestazioni, del lifetime e quindi una condanna alla rottura del dispositivo. Lampade di buona qualità hanno elementi passivi dissipanti e sono costruite principalmente in materiale metallico o termoplastica di buona qualità.

(Fonte Immagine: www.percorsielettrici.it)

Tornando al nostro obbiettivo, ossia quello di descrivere la tecnologia LED per l’illuminazione, è doveroso dopo  il breve excursus opto-fisico, passare in rassegna le diverse tecnologie di lampade, citando le più salienti e sorvolando sulle varianti.

La tecnologia “ad incandescenza”, la più antica, basa il suo principio di funzionamento negli esperimenti condotti da T. A. Edison su un filamento di tungsteno (racchiuso in un bulbo da cui viene dapprima creato il vuoto e poi immesso  gas inerte che impedisce al filamento di fondere “definitivamente”) portato a temperatura elevata mediante lo scorrimento di una corrente elettrica, il che permette al filamento stesso di emettere radiazione luminosa.

Una variante della tecnologia ad incandescenza è la tecnologia alogena. In quest’ultima, la presenza di un gas alogeno all’interno del bulbo porta all’emissione di luce in uno spettro diverso rispetto alle semplici lampade ad incandescenza, in quanto la temperatura che raggiunge lo stesso è nettamente superiore. Per quanto uno spettro allargato sia un fattore di merito per questa tecnologia, la loro decadenza dal mercato è dovuta all’emissione di raggi ultravioletti (dannosi), alle temperature elevate di lavoro ed alla bassa resa in termini di luce emessa / potenza chiesta alla rete elettrica.

Nel linguaggio comune vengono chiamate erroneamente lampade al neon le lampade fluorescenti usate per l’illuminazione di uffici ed abitazioni, le quali sfruttano un meccanismo leggermente differente per produrre luce. A differenza di queste le lampade al neon – propriamente dette – emettono una luce arancione di debole intensità e sono impiegate più per funzioni di segnalazione che di illuminazione (ad esempio in alcune tipologie di elettrodomestici, di vecchia generazione).  Nelle lampade fluorescenti ( spesso confuse/scambiate/vendute per “lampade al neon”) avviene un interessante effetto scoperto e pluri sperimentato da Nikola Tesla nel 1890. Queste sorgenti luminose contengono gas nobili ( non necessariamente neon ma anche vapori di sodio, mercurio ed altre miscele) unitamente a materiale fluorescente, che se opportunamente eccitato da forti scariche elettriche emette radiazione luminosa.

Trattasi per tutte di tecnologia ampiamente superata dai progressi tecnologici ( cui trova posto la tecnologia LED) anche se, nel 2016, non è difficile imbattersi nella vendita di queste tipologie di corpi illuminanti, principalmente per basso costo di produzione .

Se ci fermassimo a questo punto del discorso potremmo illuderci di aver detto molto (ma in realtà solo l’1%)  sulle motivazioni per cui la scelta della tecnologia LED sia veramente allettante. Nello schema seguente è riportata un sintetico quadro tabellare delle più importanti tecnologie di illuminazione del palinsesto dei nostri giorni  ( 1950- 2010 circa). Lo schema è alquanto chiaro poiché analizza i punti più salienti mettendoli a confronto tra loro:

Volendo riassumere in pochissime parole quanto tecnicamente esplicitato ( si spera) precedentemente,  possiamo consigliare l’utilizzo della tecnologia LED, purchè di buona qualità, in alternativa all’illuminazione tradizionale. Il passaggio dall’una all’altra deve evvenire garantendo il mantenimento del rispetto delle normative elettriche, di sicurezza e di ergonomicità che non possono essere sottovalutate in sede di consulenza, progettazione ed installazione.

La nostra azienda si colloca in questo vasto panorama per guidare privati ed aziende nella scelta  ottimale della tecnologia LED che fa al proprio caso, garantendo qualità, durata nel tempo ed assenza di elementi dannosi per la salute e per l’ambiente. Siamo in grado di effettuare progettazione personalizzata, avvalendoci  di strumenti hardware e software di ultima generazione, unitamente a competenze tecnico- ingegneristiche che fanno di GREEN POWER IT una figura aziendale autonoma nel settore illuminotecnico ed energetico.

Contattaci senza impegno per informazioni, saremo in grado di studiare la soluzione migliore per la tua azienda o per la tua casa. Risparmiare è un diritto  ed un dovere verso l’ambiente e le future generazioni!

 

Michele Donato

Titolare Green Power IT


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