Illuminare con i Led

ILLUMINAZIONE –

Riduzione dei consumi e maggiore durata sono i due principali vantaggi offerti dalle lampade basate su Led bianchi ad alta luminosità, che si apprestano a conquistare il mercato dell’illuminazione. I dispositivi miglioreranno ulteriormente nei prossimi anni.

Grazie al continuo aumento dell'efficacia luminosa e alla progressiva riduzione dei prezzi, i Led bianchi ad alta luminosità (high brightness) sono ormai pronti per competere con le sorgenti luminose tradizionali nel mercato dell'illuminazione generale, cioè nella produzione della luce bianca che è indispensabile per vivere all'interno delle abitazioni, per lavorare nelle fabbriche e negli uffici, per rendere sicure le strade e i parcheggi. In termini di prestazioni, attualmente i Led bianchi non possono ancora vantare una superiorità schiacciante rispetto a tutte le altre tecnologie di illuminazione, ma bisogna considerare che questi dispositivi condividono con gli altri semiconduttori l'enorme vantaggio di un miglioramento tecnologico continuo. Esistono quindi pochi dubbi sulla possibilità dei Led bianchi di imporsi, nel giro di qualche anno, come sorgente di luce standard per l'illuminazione generale. Ci troviamo alla vigilia di una trasformazione tecnologica epocale, che ovviamente avrà riflessi importanti anche sull'industria elettronica. (Nota: in questo articolo il parametro lm/W (lumen per watt) è indicato con l'espressione “efficacia luminosa” anziché “efficienza luminosa” poiché il termine efficienza viene utilizzato normalmente per i rapporti tra grandezze che hanno la stessa unità di misura).

I Led bianchi ad alta luminosità
Ricordiamo, prima di procedere oltre, che non esistono Led intrinsecamente capaci di emettere luce bianca, cioè di produrre radiazioni nell'intero spettro del visibile. Normalmente i dispositivi bianchi ad alta luminosità sono in realtà Led blu (o viola) ricoperti di particolari fosfori; la luce blu serve ad eccitare la sostanza fosforescente, la quale a sua volta emette la luce bianca. Questa tecnologia è detta “phosphor conversion”. In alternativa, il bianco può essere ottenuto anche installando in unico dispositivo chip che emettono luce rossa, verde e blu. Tra i principali produttori di Led bianchi phosphor conversion per applicazioni di illuminazione generale sono compresi Avago, Cree, la divisione Lumination di General Electric, Nichia, Osram, la divisione Lumileds di Philips, Seoul Semiconductor.

I vantaggi dei Led
Com'è noto, il mercato offre una molteplicità di sorgenti luminose basate su tecnologie molto diverse tra loro: lampade a incandescenza, fluorescenti, alogene, Hid (High Intensity Discharge) ecc. Questa grande varietà si deve al fatto che ogni singola tecnologia è affetta da una propria particolare limitazione. I Led bianchi sono esenti da tutte queste limitazioni - almeno in prospettiva - e quindi offrono vantaggi rispetto a tutte le tecnologie di illuminazione tradizionali.

• Maggiore efficacia luminosa - I Led bianchi con tonalità calda raggiungono oggi un'efficacia luminosa di circa 70 lumen per watt (lm/W), contro i 12-15 lm/W delle lampadine a incandescenza e i 50 lm/W delle lampade fluorescenti compatte (le lampadine a basso consumo con attacco a vite). L'efficacia è ancora maggiore per i Led bianchi con tonalità fredda, inoltre - come si è detto - l'evoluzione tecnologica rende possibile un aumento continuo di questa prestazione: sono ormai pronti per la commercializzazione dispositivi da 100 lm/W, mentre la ricerca guarda già a obiettivi molto più ambiziosi. Ovviamente la maggiore efficacia luminosa dei Led è la chiave per una sensibile riduzione dell'energia consumata dagli impianti di illuminazione. Occorre ricordare però che questi dispositivi funzionano a tensioni comprese tra due e quattro volt; nel calcolo della reale efficacia luminosa dell'intero apparecchio illuminante va quindi considerato anche il rendimento dell'alimentatore, che non è mai il 100%. Un'innovazione interessante da questo punto di vista è costituita dai Led Acriche di Seoul Semiconductor, che - grazie al collegamento in serie di numerosi dispositivi nello stesso chip - possono essere alimentati direttamente a 220 volt.

• Maggiore durata - Una lampada Led correttamente utilizzata può raggiungere una vita utile di 50.000 ore, contro le 1000 ore della lampadina a incandescenza, le 8.000-10.000 ore della lampada fluorescente compatta e le 30.000 ore del tubo fluorescente. Di solito i Led non si “fulminano”, ma riducono gradualmente la quantità di luce emessa; la loro vita utile termina quando la luminosità scende a livelli non più accettabili. È praticamente impossibile effettuare test di durata reale sui Led, perché l'operazione richiederebbe almeno cinque anni; la vita utile viene quindi calcolata tramite estrapolazioni matematiche. In prospettiva l'adozione di questi dispositivi potrà mettere fine alla necessità di sostituire periodicamente le lampadine, ma va ricordato che attualmente l'elettronica di pilotaggio ha una durata inferiore rispetto a quella del Led in quanto tale.

• Nessuna emissione di raggi infrarossi e ultravioletti - I Led emettono solo luce visibile. Generano anche molto calore, ma non sotto forma di radiazioni IR. Inoltre non emettono ultravioletti, radiazioni potenzialmente dannose per l'uomo e per gli oggetti illuminati (ad esempio nel caso delle opere d'arte).

• Buon funzionamento anche alle basse temperature ambientali - Il flusso luminoso prodotto dalle lampade fluorescenti compatte diminuisce alle basse temperature; i Led, al contrario, funzionano benissimo al freddo e sono quindi ideali per illuminare (ad esempio) i congelatori dei supermercati.

Maggiore resistenza agli urti e alle vibrazioni - I Led non hanno parti in vetro e non contengono sottili filamenti o elettrodi, a differenza di tutte le sorgenti luminose tradizionali.

• Piccole dimensioni - Le sorgenti luminose Led sono molto più piccole rispetto alle lampade tradizionali; ciò consente di ridurre gli ingombri degli apparecchi illuminanti e di aumentare la flessibilità applicativa.

• Direzionalità - I Led emettono luce soltanto in una direzione. Le sorgenti di luce tradizionali, invece, sono omnidirezionali. Questo aspetto contribuisce ad aumentare l'efficacia luminosa complessiva dell'apparecchio illuminante, perché tutta la luce prodotta può essere proiettata direttamente nella direzione voluta - anziché disperdersi all'interno dell'apparecchio stesso. Assemblando più Led in una stessa lampada, inoltre, la direzionalità può essere sfruttata anche per rendere più uniforme la diffusione della luce sulle grandi superfici, ad esempio nel caso dell'illuminazione dei parcheggi.

• Nessun problema con i cicli di accensione-spegnimento - I Led sopportano benissimo accensioni e spegnimenti molto frequenti, senza alcuna riduzione della loro vita utile e senza alcun ritardo alla riaccensione. Al contrario, la vita utile delle lampade a incandescenza sottoposte a frequenti cicli di accensione-spegnimento si riduce notevolmente, mentre le lampade Hid devono raffreddarsi per dieci o venti minuti prima di poter essere riaccese (2-8 minuti con i nuovi ballast).

• Facile regolazione dell'intensità luminosa - A differenza delle lampade fluorescenti compatte, i Led bianchi si prestano facilmente all'impiego di dimmer. La riduzione dell'intensità luminosa, inoltre, non provoca alcuna variazione della tonalità del bianco, mentre nel caso delle lampadine a incandescenza la luce emessa diviene rossastra.

• Assenza di sostanze pericolose
- A differenza di alti tipi di lampade, i Led non contengono mercurio né piombo.

Limiti e criticità dell'illuminazione a Led
Naturalmente anche i Led bianchi ad alta luminosità presentano limiti e criticità, sebbene sia lecito prevedere che molti di questi problemi saranno risolti almeno in parte grazie al continuo miglioramento tecnologico.

• Sensibilità alla temperatura di funzionamento - L'effettiva durata dei Led è strettamente legata alla temperatura di giunzione raggiunta nel corso del funzionamento; l'aumento di questo valore comporta una precoce riduzione del flusso luminoso prodotto e quindi abbrevia la vita utile del dispositivo. Come molti altri semiconduttori (e a differenza delle sorgenti luminose tradizionali), i Led devono quindi essere dotati di dissipatori termici. Questo è uno dei motivi per cui la progettazione dell'apparecchio illuminante ha una grande importanza nel determinare la durata effettiva del Led.

• Qualità della luce - L'illuminazione degli interni richiede una luce bianca di tonalità “calda” (cioè più giallastra che azzurrognola) e che consenta alle persone di distinguere in modo corretto le diversi tinte degli oggetti illuminati (qualità misurata tramite l'indice di resa dei colori, Cri). I primi Led bianchi avevano prestazioni poco soddisfacenti sotto questi due aspetti, ma i dispositivi più recenti producono una gradevole luce calda e offrono un Cri di 80, ritenuto buono. La lampadina a incandescenza ha un Cri vicino a 100 (ottimo). Le ricerche, comunque, hanno dimostrato che il Cri è un parametro difficilmente applicabile ai Led.

• Mancanza di standard - La diffusione della tecnologia Led comporterà un adeguamento dell'intera “filiera illuminotecnica”, dalla progettazione dell'apparecchio illuminante fino a quella degli impianti. Questo cambiamento richiede standard tecnici consolidati. Le differenze esistenti tra i Led e tutte le altre sorgenti luminose rendono però difficilmente utilizzabili gli standard preesistenti, ad esempio per quanto riguarda la vita utile della lampada e la resa dei colori (Color Rendering Index, CRI). Inoltre mancano standard sulle condizioni di test per determinare il flusso luminoso emesso dai Led.

Le applicazioni dei Led bianchi ad alta luminosità
I Led bianchi ad alta luminosità sono già applicati da tempo per la retroilluminazione dei display Lcd, prima nei telefoni cellulari e ora anche nei Pc portatili e nei televisori. Tra le applicazioni più recenti di questi dispositivi è compresa la realizzazione dei fari anteriori delle automobili. Per quanto riguarda l'illuminazione generale, finora la diffusione dell'illuminazione a Led è stata legata alla sostituzione dell'intero apparecchio illuminante, più che al rimpiazzo della sola lampadina. Il mercato offre già numerosi apparecchi illuminanti a Led, in particolare torce, lampade da tavolo, faretti da incasso per controsoffitti, lampade stradali e luci da applicare sotto i pensili della cucina. Entro pochi anni, però, è attesa anche la diffusione di lampadine Led con attacco a vite per la sostituzione diretta di quelle attualmente in uso, siano esse a incandescenza o a basso consumo. In tutto il mondo esistono già numerosi esempi di illuminazione a Led per interni ed esterni.

Il mercato
Secondo la società di ricerche Strategies Unlimited, nel 2008 l'intero mercato dei Led ad alta luminosità (non solo per illuminazione generale) è cresciuto dell'11% raggiungendo quota 5,1 miliardi di dollari. La recessione ha comportato un calo del 3,7% nel 2009, anno in cui il fatturato del settore si è attestato sui 4,9 miliardi di dollari. Negli ultimi anni la crescita è stata trainata soprattutto dai Led utilizzati per la retroilluminazione dei display Lcd dei Pc, mentre nel prossimo quadriennio anche l'illuminazione generale giocherà un ruolo importante. Le previsioni parlano di un tasso annuo composto del 24% e di un mercato che nel 2013 dovrebbe arrivare a 14,9 miliardi di dollari. Per quanto riguarda gli apparecchi illuminanti basati su Led bianchi, Strategies Unlimited prevede per i prossimi anni un tasso di crescita del 28%, che porterà nel 2012 a un fatturato di oltre 5 miliardi di dollari. Volumi interessanti pure per le lampadine a Led con attacco a vite, anche per effetto della graduale messa al bando delle lampadine a incandescenza: secondo la società di ricerche di mercato, da oggi al 2013 il tasso composto di crescita annua sarà del 107%.

Le tecnologie di illuminazione tradizionali

Lampada a incandescenza - Brevettata da Thomas Alva Edison nel 1878 (ma inventata precedentemente da altri), si basa su un filamento che diviene incandescente per il riscaldamento provocato dalla corrente elettrica che lo attraversa. Le odierne lampade a incandescenza utilizzano un filamento di tungsteno in un bulbo riempito di argon. Nel tempo il filamento si consuma per evaporazione.

Lampada alogena - È una lampada a incandescenza nel cui bulbo sono presenti speciali gas che consentono di prolungare la vita del filamento di tungsteno, tramite un processo ciclico di evaporazione-deposizione.

Lampada a scarica - È basata sull'emissione di luce da parte di un plasma di gas ionizzato, per effetto di una scarica che scocca tra due elettrodi. I vari tipi di lampada a scarica si differenziano per il tipo di gas impiegato, che può essere anche il vapore di un elemento liquido o solido, come il mercurio o il cloro.

Lampada fluorescente - È un particolare tipo di lampada a scarica in cui la radiazione emessa dal gas viene utilizzata per eccitare appositi fosfori che rivestono la parete interna dell'ampolla o del tubo, i quali a loro volta emettono luce visibile. Rientrano in questa categoria le sorgenti luminose chiamate impropriamente “tubi al neon” e le lampadine a risparmio energetico.

Pubblica i tuoi commenti