Per un’illuminazione uniforme

ILLUMINAZIONE –

Come ottenere un’uscita luminosa più uniforme e accattivante dalle lampade a Led utilizzando la tecnologia remote phosphor.

Una volta che i Led ad alta potenza hanno dimostrato la loro capacità di fornire il flusso luminoso e l'efficacia necessaria per soddisfare una sempre crescente varietà di applicazioni, i produttori di componenti hanno rivolto la loro attenzione a migliorare la qualità della luce prodotta. I miglioramenti tecnici della qualità della luce sosterranno gli sforzi dei produttori di illuminazione a Led per la produzione di sostituti per le lampade ad incandescenza o per quelle fluorescenti compatte con fattori di forma standard, o per gli apparecchi che tradizionalmente utilizzano normali tubi fluorescenti come plafoniere e altre luci da incasso a soffitto. Per soddisfare i fattori di forma stabiliti per le plafoniere, per esempio, i Led equivalenti devono avere un'ampia superficie illuminante. Questa sfida porta i progettisti a cercare di ottenere un’illuminazione soffusa e uniforme su tutta la superficie. In realtà, una superficie luminosa uniforme e coerente, non segnata da fonti puntiformi identificabili ed esente da variazioni cromatiche evidenti, è auspicabile per molte applicazioni che vanno dalle grandi luci industriali alle piccole lampadine per uso domestico, come faretti e applique. Inoltre, le caratteristiche della luce emessa da ciascun Led in una lampadina o in un impianto contenente più Led, devono essere strettamente allineate. Le variazioni nei processi di produzione però possono generare chip Led con flussi, colore, tensione diretta che sono differenti da unità a unità, che non possono essere accettabili per il prodotto finale se non trattati efficacemente. I produttori di Led hanno sviluppato diversi sistemi per superare questi problemi. Il più comune di questi è il Led binning: i Led sono testati e quindi classificati in uno dei vari gruppi, o bin, a seconda delle caratteristiche della luce prodotta. Evadere gli ordini di singoli clienti da un piccolo numero di questi bin o anche da un unico bin garantisce che ogni cliente riceverà device che sono stati selezionati dal punto di vista delle prestazioni, con la vicinanza dei requisiti richiesti a seconda dell'applicazione.

Libertà dal binning
Il sistema della classificazione, anche se efficace, ha alcuni svantaggi: può essere difficile per i clienti da capire, e possono sorgere problemi di lead time se il numero di unità Led disponibili in ogni bin è insufficiente a soddisfare immediatamente un ordine completo. Vale la pena notare, tuttavia, che i processi di produzione Led sono stati notevolmente migliorati, permettendo ai limiti del binning di essere rivisti. Sono stati definiti bin più piccoli, come specificato dall'Ansi, e sono emerse recentemente anche strategie di categorizzazione sub-Ansi. Un approccio alternativo è regolare le caratteristiche della luce di ciascun Led usando tecniche ottiche per normalizzare le lunghezze d'onda entro un certo intervallo. Ciò può ridurre o eliminare la necessità di binning, e ha permesso a Philips Lumileds, per esempio, di presentare le sue nuove gamme di prodotti “Freedom from Binning” come la famiglia Luxeon A. Combinando esattamente il rivestimento di fosfori con la lunghezza d'onda della luce emessa da ciascun die dei Led royal blu, una tecnica che l'azienda chiama Lumiramic phosphor technology, Philips Lumileds può ottenere un output notevolmente uniforme in termini di temperatura di colore della luce bianca.

Tecnologia remote phosphor
I Led bianchi convenzionali mentre offrono il vantaggio di fornire un dispositivo integrato con una luce bianca in uscita conosciuta, operano però come sorgenti luminose puntiformi, il che provoca i problemi di uniformità accennati precedentemente per le applicazioni caratterizzate da una ampia superficie illuminante. Attualmente la tecnologia remote phosphor sta guadagnando popolarità per applicazioni che richiedono un'illuminazione uniforme e ad alta efficienza, come le luci da incasso, l'illuminazione high-bay, la sostituzione di lampade e altre. Un sistema di illuminazione che utilizza la tecnologia remote phosphor tipicamente è costituito da una scheda Led contenente Led royal blu, una camera di miscelazione (mixing chamber), e un elemento remote phosphor. L'utilizzo di una struttura di questo tipo, permette ai lighting designer di ottenere una vasta gamma di valori di Cri (Colour rendering index) e Cct (Correlated colour temperature) per la luce bianca attraverso l'utilizzo di diversi elementi remote phosphor con la stessa scheda Led. Inoltre, si possono utilizzare i Led da uno oppure dalla combinazione di due bin di colori royal blu, il che semplifica la gestione del magazzino. L'elemento remote phosphor ha anche un significativo effetto di diffusione che può aiutare a ottenere una illuminazione uniforme priva di fonti puntiformi visibili e variazioni cromatiche. Inoltre, poiché l'elemento è posizionato a una certa distanza dalla sorgente Led, viene ridotto anche il riscaldamento del fosforo da parte del Led, garantendo un'ottima stabilità spettrale nel tempo. La gamma di ChromaLit di un elemento remote phosphor, prodotto da Intematix e disponibile da Future Lighting Solutions, offre una vasta scelta di forme e dimensioni per i progettisti di sistemi che desiderano implementare una lampada remote phosphor. Gli elementi ChromaLit sono disponibili in sette categorie, compresi quelli rotondi, quadrati, formati lineari e pannelli in policarbonato. Gli elementi remote phosphor ChromaLit XT in vetro permettono di ottenere una densità di flusso luminoso almeno tre volte maggiore, e appaiono di colore neutro quando la lampada è spenta. Mentre una luce a incasso che utilizza un elemento ChromaLit del diametro di 61,5 millimetri può comodamente raggiungere 1.000 lm, con l'uso di un ChromaLit XT dello stesso diametro, il flusso luminoso può essere aumentato a 3.000 lm usando lo stesso contenitore. Le piastre sono elementi bidimensionali utilizzabili per applicazioni come luci a incasso con una superficie illuminante piatta. Sono disponibili anche forme tridimensionali come quella Ellipse, Candle oppure Dome, per applicazioni come lampade retrofit e lampade pendenti.

Completamento del progetto
La tecnologia remote phosphor utilizzata all'interno di una lampada retrofit permette di ottenere un output di elevata densità dal momento che la luce riflessa si sviluppa su una vasta area del fosforo e viene effettivamente riciclata per uscire dal dispositivo. Sia i Led, che l'elemento in fosforo, la camera di miscelazione e il materiale riflettente giocano un ruolo fondamentale nel determinare l'efficienza complessiva del dispositivo. L'efficacia della conversione dipende dalla combinazione di Cct e Cri. Sia l'efficacia della conversione che la coerenza dei colori sono strettamente legate alle caratteristiche dei Led royal blu. Mentre la lunghezza d'onda di picco del Led è importante per le esigenze radiometriche, la lunghezza d'onda dominante è quella pura (monocromatica) che ha lo stesso colore percepito come sorgente. Per questo motivo, lunghezza d'onda dominante è il parametro che definisce l'elemento di fosforo. La lunghezza d'onda dominante, deve essere compresa tra 450 e i 460 nm per ottenere prestazioni ottimali. Il Luxeon Lumileds Rebel ES Royal Blue di Philips offre due bin (ossia il 4 e il 5) che forniscono la lunghezza d'onda necessaria per questi elementi di fosforo. Questo Led fornisce un flusso tipico di 1030 mW a 700 mA ed ha un fattore superiore hot/cold che consente di mantenere una efficienza di conversione record del 50% anche a temperature elevate. La camera di miscelazione è molto importante quando si progetta con la tecnologia remote phosphor. Nelle applicazioni retrofit, per esempio, quando si usa tipicamente un elemento ChromaLit 3D, questo consiste di un copertura Pcb altamente riflettente con fori per i Led. Le superfici riflettenti sono necessarie per dirigere flusso il più possibile dalla sorgente Led all'elemento al fosforo. Un design ottimale potenzialmente è in grado di aumentare l'efficacia della lampada di circa il 6%. Si possono utilizzare diversi tipi di materiali. Per fare un esempio, Furukawa Electric Co. produce un materiale a base di Pet che offre 99% di riflettività e può gestire temperature fino a 177 °C, e può essere punzonato sul die con qualsiasi forma a seconda delle dimensioni della camera. Occorre prestare particolare attenzione per il design termico, come per tutte le soluzioni di illuminazione a Led. Le prove devono essere effettuate utilizzando prototipi il più vicino possibile alla soluzione finale. Il principale aspetto da considerare è la temperatura di giunzione del Led e la temperatura massima all'interno del materiale ChromaLit, che, per gli elementi ChromaLit 3D, va mantenuta sotto 110 °C dopo la stabilizzazione. Nel fare un confronto tra la tecnologia remote phosphor e una soluzione a Led bianco, si può dimostrare che, oltre al miglioramento delle prestazioni termiche del Led blu e del fosforo, e il miglioramento dell'estrazione della luce attraverso una camera di miscelazione efficiente, il design può anche eliminare la necessità per una ottica secondaria per ottenere la distribuzione luminosa desiderata. Per questo motivo, il requisito Energy Star per lampade integrate omnidirezionali è molto più facilmente realizzabile con una soluzione remote phosphor 3D che non usando un Led bianco. Per questi ultimi, sono necessari sistemi ottici secondari oppure il Led deve essere collocato in una configurazione tridimensionale. In entrambi i casi, il risultato è una maggiore complessità del sistema e dei costi. Per produrre un flusso luminoso di circa 850 lm a 3000 K e Cri di 80, è possibile utilizzare sei Led bianchi con una efficienza (a caldo) di 78 lm/W e con una potenza di ingresso di 12,6 W. Se si presume l'impiego di un diffusore in vetro con efficienza del 95% e ottiche secondarie con efficienza del 90%, la produzione totale sarà di 844lm a 67 lm/W. Con una soluzione remote phosphor, per contro, è possibile utilizzare cinque Led blu con una efficienza di conversione ChromaLit a caldo di 177.6 lm/W e potenza di ingresso di 10,5 W. Assumendo un valore per la Wall Plug Efficiency (una misura della proporzione della potenza elettrica in ingresso convertita in potenza irradiata o spettrale) del 49% e un diffusore in vetro con efficienza del 95%, senza il ricorso a ottiche secondarie, l'output totale è di 868 lm a 82,7 lm/W. Questo costituisce un aumento netto dell'efficienza del 24%. Con la riduzione del numero di Led e l'eliminazione delle ottiche secondarie, il costo totale della soluzione remote phosphor è anche competitivo.

Applicazioni ideali
La distribuzione lambertiana dell'illuminazione di elementi rotondi, quadrati, lineari e pannelli rendono queste dispositivi ideali per le applicazioni da incasso ed altre applicazioni direzionali. ChromaLit Ellipse, Candle e Dome, invece, sono destinati a applicazioni più specifiche. ChromaLit Ellipse, con il suo fascio di 280°, è l'ideale per A-Lamp e altre fonti di luce omnidirezionali, illuminazione panoramica e stradale. ChromaLit Candle, che ha un angolo di 255 ° del fascio che produce una distribuzione laterale dell'intensità, si adatta all'estetica e al fattore di forma di lampadine Led decorative, lampadari e lanterne. ChromaLit Dome ha un angolo direzionale del fascio di 215 ° ed è ideale per lampadine, plafoniere, pendenti, lampade a muro, faretti e proiettori, dove i riflettori possono anche essere usati come un ulteriore metodo di formazione del fascio.

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