È ormai accertato che i LED superano di quasi cinque volte l’efficienza di una lampadina, ma soltanto circa il 50% dell’energia elettrica utilizzata viene convertita in luce; i LED ultra luminosi, in particolare, generano una significativa quantità di calore.
Le elevate temperature prodotte dai LED causano una riduzione dell’emissione luminosa, con una modifica della temperatura colore e una diminuzione della vita stessa del dispositivo.
Una buona gestione delle temperature richiede di fatto che i progettisti tengano presenti tre tipi di interventi. Il primo intervento consiste nell’utilizzo di tecniche di gestione termica per disperdere il calore nell’ambiente; il secondo è rappresentato da un controllo efficace, che riduce la generazione di calore con effetti minimi sulle prestazioni. Come terzo intervento è necessaria una buona progettazione ottica che minimizzi la quantità di luce dispersa. La combinazione di questi tre accorgimenti, così come l’ottimizzazione dei dissipatori, permette di ridurre il consumo di energia di un sistema di illuminazione a LED.
Gestione termica
Una gestione termica efficace inizia a livello del chip LED. Il continuo sviluppo del mercato dell’illuminazione a LED ha portato allo sviluppo di contenitori plastici di tipo PLCC2 e PLCC4 per montaggio superficiale senza piombo. La crescente domanda di prestazioni ancora più elevate sta portando i produttori a sviluppare soluzioni che permettono di migliorare le caratteristiche termiche, di modo da poter utilizzare livelli di corrente sempre più elevati in ingresso al dispositivo. LED a elevata potenza come la serie Golden Dragon di Osram e i LED Z-Power di Seoul Semiconductor, progettati per poter offrire più di 1 watt negli accessori luminosi di uso domestico e industriale, si caratterizzano per un assemblaggio che inserisce il LED die su una prima interfaccia termica metallica integrata nella parte inferiore del contenitore. Questa piazzola a vista è saldata direttamente a una piazzola in rame sul pcb e consente una rapida dissipazione del calore. Sempre di Seoul, il dispositivo LCW100Z utilizza un contenitore di costruzione simile a quello dei dispositivi della serie Z-Power, nei quali il die è montato direttamente su un’interfaccia termica metallica, anziché su una convenzionale cornice di piombo PLCC2. Il dissipatore di calore si trova sulla parte inferiore del contenitore, permettendo così la saldatura sul pcb. Per aumentare le performance termiche vengono adottati anche i rivestimenti in ceramica, utilizzati in dispositivi come le gamme Ceramos e Oslon di Osram e le serie Z5, Acriche A4 e P5-II di Seoul Semiconductor. L’alto livello di conduttività termica della ceramica permette di utilizzare rivestimenti, esterni così come strutture metalliche interne per la rimozione del calore.
Adottare tecniche come quelle sopra descritte per ridurre il calore non basta: è compito del progettista che si occupa dell’illuminazione fare in modo che il calore possa disperdersi nell’ambiente circostante.
Dispositivi di trasferimento termico
Per i dispositivi che trasferiscono il calore al pcb, i fattori da tenere in considerazione per raggiungere questo obiettivo sono: la progettazione della piazzola, la posizione del LED sulla scheda, il materiale e la struttura del pcb. Per ottenere le migliori prestazioni possibili dai LED, è molto utile tenere in evidenza anche le osservazioni che le aziende produttrici riportano sulle schede tecniche dei loro dispositivi circa le proprietà dei pcb, le configurazioni delle piazzole e le note applicative. I pcb termicamente potenziati contengono un substrato di metallo isolato a elevata capacità termica e sono spesso utilizzati con LED a elevata potenza. Questi forniscono un’alternativa termicamente più efficace al substrato standard FR4 e sono spesso disponibili in formati standard o nelle dimensioni comunemente utilizzate nell’industria dell’illuminazione allo stato solido, come gli star LED, ottimizzati per alloggiare gruppi più compatti di emettitori LED singoli. L’ultimo elemento da tenere in considerazione nel sistema termico è il dissipatore. Oggi sul mercato sono disponibili molte opzioni, incluse le unità ottimizzate per un utilizzo con i LED standard.
Il controllo della temperatura
Il controllo della temperatura del LED può ridurre la necessità di una gestione termica e di un voluminoso dissipatore. Il totale del calore generato nella giunzione del LED è dovuto direttamente all’immissione della corrente. Ne consegue che riducendo la potenza fornita si ridurrà allo stesso tempo la temperatura. Questo effetto può essere usato per ottenere un controllo a ciclo chiuso della temperatura di esercizio del dispositivo. Posizionare un termistore NTC (Negative Temperature Coefficient) all’interno del sistema termico permette il controllo della temperatura del LED e del valore della corrente nel caso questa dovesse eccedere il livello massimo fissato. Questa tecnica, conosciuta come “LED throttling”, può essere utilizzata all’interno dei circuiti di pilotaggio per ritornare a livelli di temperature compresi entro i normali limiti di esercizio. È un meccanismo utile questo, che aiuta a ottimizzare la corrente nominale e la temperatura di esercizio per raggiungere prestazioni specifiche e durata nel tempo. Nella maggior parte delle applicazioni di illuminazione ambientale questa tecnica può essere utilizzata senza apparenti conseguenze sulla produzione di luce del sistema.
Il LEDcode
Il “LED throttling” è utilizzato in driver come i moduli ECOdriver e POWERdrive di Eldoled, che supportano caratteristiche come il LEDcode. Il LEDcode è uno standard industriale che aiuta i progettisti di illuminazione a determinare e ad applicare configurazioni ottimali del driver introducendo un codice programmabile a sette cifre. I driver compatibili con il LEDcode consentono di aumentare lo sviluppo e la produzione di illuminazione allo stato solido. Un facile strumento consente inoltre ai progettisti di generare un codice per driver specifici e diagrammi di impianti elettrici completi per una determinata applicazione.
Il progetto ottico
Il modo più veloce per ridurre il consumo di energia elettrica di un sistema di illuminazione è tagliare la quantità di illuminazione prodotta; anche l’efficienza del sistema ottico, che forma e concentra l’emissione della luce, può quindi fare la differenza.
È consigliabile utilizzare materiali di alta qualità come il policarbonato per impieghi ottici o l’acrilico per massimizzare la trasmissione della luce. Le alternative più economiche, come il polistirolo, hanno solitamente rendimenti ottici scadenti e si deteriorano inoltre molto velocemente. Accanto all’efficienza ottica, l’angolo di copertura FWHD (Full-Widht Half Maximum) è un importante parametro per descrivere le prestazioni ottiche di una lente. Basato sul sistema simmetrico, l’FWHM è l’angolo nel quale l’intensità dell’illuminazione cala del 50% rispetto al valore massimo. Per scegliere correttamente la lente, comunque, i progettisti devono tenere in considerazione anche gli effetti della lente nel picco di intensità, che si calcola in termini di candele per lumen (cd/lm) e di valore al 10%. Il valore al 10% è l’angolo nel quale l’intensità dell’illuminazione cala del 10% dal valore di picco.
Insieme, questi parametri definiscono la curva di distribuzione della luce per una data lente. Ognuno di questi fattori può essere ottimizzato individualmente, a spese degli altri e dell’efficienza ottica in generale. In generale però, quando si sceglie una lente, tutti e tre questi parametri devono essere presi in considerazione.
Per valutare le prestazioni di una lente, l’industria dell’illuminazione ha sviluppato buone tecniche, come l’uso di schede IES o EULUMDAT. Si tratta di schede per lenti specifiche, che consentono di ottenere una rappresentazione digitalizzata completa della curva di distribuzione della luce attraverso la registrazione delle informazioni di efficienza, del FWHM, del valore al 10% e del rapporto cd/lm, così come di altri parametri. Le schede IES o EULUMDAT possono essere oggi richieste per la maggior parte delle ottiche per LED. Poiché esistono molte differenze tra i LED delle diverse aziende produttrici e tra le differenti gamme di uno stesso produttore, per qualsiasi tipo di dispositivo la migliore prestazione ottica viene raggiunta usando lenti ottimizzate. La compagnia finlandese Ledil offre lenti di dimensioni ottimizzate per far fronte a una vasta gamma di richieste di applicazione, come punti luce o riflettori, usate su gamme di dispositivi delle maggiori aziende produttrici di LED.
