Led e driver alla prova della standardizzazione

LED & DRIVER –

Per sfruttare al meglio quello che la tecnologia della luce allo stato solido può offrire, sono necessarie soluzioni ottimizzate in termini di driver, di ottica e di progettazione termica.

L'uso dei Led nell'illuminazione è maturato al punto che il design degli apparecchi, siano questi lampioni, faretti da incasso o lampadine destinate a sostituire integralmente le tecnologie precedenti, deve riunire soluzioni ottimizzate in termini di driver, ottica e progettazione termica, per sfruttare al meglio tutto ciò che la tecnologia Led ha da offrire. Questo è l'assunto comune emerso chiaramente dalla recente Strategies in Light Europe tenutasi a Milano nell'ottobre scorso, che è stata anche l'occasione per fare il punto sulla situazione del mercato e sulle iniziative globali, di standardizzazione e di sostegno politico economico all'innovazione, che si stanno adottando a livello europeo per questo settore.

Il mercato e gli standard
Il mercato dell'illuminazione Led in Europa è destinato a crescere a un tasso composto di crescita annuale del 41% tra il 2010 e il 2015, secondo Vrinda Bhandarkar di Led Lighting Research; la sostituzione delle lampadine tradizionali sarà il settore che crescerà più rapidamente, a causa dell'impatto della legislazione che impone l'eliminazione dal mercato delle lampadine a bassa efficienza. Il mercato globale dell'illuminazione a Led ha registrato un fatturato di 5 miliardi di dollari nel 2010, in generale con prezzi medi in discesa a fronte di prestazioni in rapido miglioramento, ma ancora alle prese con problemi notevoli dovuti alla presenza di prodotti Led di bassa qualità. Anche per questo, la necessità di definire degli standard si fa sempre più pressante, così come il tentativo di mantenere un minimo di coerenza di requisiti tra i diversi Paesi europei ed extraeuropei. La standardizzazione è un argomento di discussione di estrema attualità, in particolare per poter confrontare in modo omogeneo le caratteristiche dei diversi prodotti. Celma, l'organizzazione che rappresenta l'industria europea per gli apparecchi di illuminazione e i componenti, ha recentemente realizzato un documento guida sui criteri di qualità per l'illuminazione Led che si basa sulle specifiche recentemente rilasciate da IEC, PAS 62717 (requisiti di prestazione per moduli Led) e PAS 62722 (apparecchi a Led per illuminazione generale). Lo scopo è di avere un set si criteri qualitativi misurati in conformità con gli standard adeguati. Questi criteri comprendono una vasta selezione di parametri, tra cui tensione di alimentazione, flusso luminoso ed efficacia, distribuzione di intensità luminosa, Cri e valori delle coordinate cromatiche, sia iniziale sia a regime, la vita nominale (in ore) e il relativo valore di mantenimento dei lumen (in lux) e la percentuale di guasto (Fy).

L'Unione Europea e l'illuminazione
Per l'Unione Europea, l'efficienza energetica è uno dei punti cardinali per raggiungere gli obiettivi di interventi sul cambiamento climatico globale in atto e l'illuminazione è ovviamente una componente chiave; le nuove strategie per gli apparecchi di illuminazione a stato solido sono incluse nella “Digital agenda for Europe”, nella Direttiva EcoDesign, e nei programmi FP7 e FP8 (futuro) per quanto riguarda le attività di ricerca. L'obiettivo è lo sviluppo di tecnologie più efficienti e la creazione di piani industriali che permettano di superare la barriera degli alti costi iniziali di questo tipo di prodotti. La Direttiva EcoDesign ha comunque già avuto un notevole effetto, imponendo la messa fuorilegge delle lampade a incandescenza da 60 W entro la fine del 2012, mentre in tema di ricerca e sviluppo, la UE sta attualmente finanziando vari programmi dedicati a Led e Oled per un importo di circa 90 milioni di euro.

Approcci innovativi
Dal punto di vista prettamente tecnologico, le aziende si orientano non solo al miglioramento dei chip in termini di prestazioni, ma anche al raggiungimento dei requisiti qualitativi di emissività, colore. Osram, ad esempio, sta valutando alcuni approcci molto diversi per ottenere un'emissione di luce omnidirezionale; una ipotesi riguarda l'uso di guide ottiche, un'altra quello di riflettori, ma sono allo studio anche realizzazioni con una configurazione tridimensionale dei Led oppure che prevedono l'uso di fosfori posti a distanza dalla sorgente luminosa specifica. Le guide luminose permettono di replicare efficacemente l'aspetto della classica lampadina, ma hanno un'efficienza ridotta (perdite elevate), mentre la soluzione con riflettori è molto più indicata per raggiungere gli obiettivi Energy Star. Ma quando si tratta di raggiungere un valore elevato di lumen entrano in gioco le ultime due ipotesi, che però sono penalizzate rispettivamente dall'alto costo del fosforo combinato con terre rare e dalla complessità della realizzazione del prodotto. Comunque Osram ha già prototipi di realizzazioni Led 3d che hanno prestazioni equivalenti alle lampadine da 60 e da 75 W con eccellente Cct e lunga durata. Tra tutte le soluzioni retrofit, le lampadine alogene, in particolare quelle di piccole dimensioni, come i formati tipo MR16 o tipo G9, sono le più complesse da sostituire con realizzazioni a Led, se si vuole offrire le stesse prestazioni, soprattutto a causa delle dimensioni e della direzionalità del fascio luminoso. Ecco quindi entrare in gioco i nuovi tipi di ottiche Tir (Total Internal Reflection) che, combinate con l'uso di Led multichip, consentono di ridurre l'angolo del fascio luminoso da 40 a 27°, pur offrendo 2.250 cd a 27°. L'approccio multi-chip Led offre anche il vantaggio di essere compatibile con più driver, anche con funzionamento seriale o parallelo. Una proposta presentata dall'inglese Carclo, che utilizza un driver Diodes da 1,5 A, un Led Cree MT-G e un'ottica TIR Carclo compatibile con il formato MR16, è in grado di fornire 611 lumen a 10,1W (61 lm /> W).

Lo studio di nuovi materiali
Bayer Material Science sta a sua volta lavorando su nuovi materiali in grado di resistere alle temperature di esercizio dei Led continuando ad offrire la necessaria trasparenza. Molto promettente in questo senso sembra il policarbonato (Makrolon Bayer) che nelle nuove versioni avanzate può offrire un minore indice di ingiallimento e stabilità fino a 90 °C, ma di cui sono già allo studio nuove versioni con capacità conduttive (fino a 40W/m°K), che sfrutteranno la grande lavorabilità del materiale (policarbonato può essere stampato a iniezione in una grande varietà di forme e dimensioni) per ottenere delle strutture adatte a dissipare il calore più leggere e performanti delle attuali opzioni in alluminio.

L'efficienza energetica
Per le fonti luminose allo stato solido, un notevole contributo alla loro efficienza energetica viene dalla possibilità di variare la luminosità con soluzioni (dimmer) relativamente semplici, che possono essere anche integrate nell'elettronica di pilotaggio. Un recente studio ha dimostrato la maggiore efficacia della regolazione dei Led rispetto alle sorgenti luminose Cfl e al sodio ad alta pressione (HPS). La luminosità delle fonti HPS può essere ridotta per circa il 40%, ma l'efficacia del sistema è bassa a qualsiasi livello di regolazione, perché la potenza in ingresso è comunque elevata per produrre la stessa uscita in lumen. Leggermente meglio nel caso delle lampade fluorescenti compatte, almeno fino a livelli di flusso luminoso del 40% di uscita. Per un tipico apparecchio, lumen 30% circa richiede potenza di ingresso 35% ma al di sotto di un livello del 40% di oscuramento, le lampade fluorescenti compatte soffrono di inefficienze dei driver. I Led sono regolabili facilmente fino al livello dell'1% e l'efficacia del sistema è eccellente dal 100% al circa il 20% della luce emessa. I semplici dimmer analogici (0-10V) funzionano benissimo anche se sono allo studio soluzioni più adatte per installazioni su larga scala, ad esempio per minimizzare i cablaggi, e sono allo studio anche realizzazioni di controllo wireless.

Il pilotaggio dei Led
Interessanti anche i risultati di una valutazione condotta da iSotera sul tema del pilotaggio dei Led e sui benefici del passaggio a una eventuale distribuzione locale in CC per le esigenze di illuminazione a stato solido. Sono stati confrontati diversi scenari: architetture classiche, architettura a stella con distribuzione centralizzata in cui un unico trasformatore alimenta i driver CC/CC, rete a bassa tensione CC oppure una architettura centralizzata CA ad alta frequenza (HFAC). Il risultato del confronto ha evidenziato che non vi è alcun beneficio concreto nel realizzare una distribuzione a bassa tensione per l'illuminazione a Led. Anche l'ipotesi di conversione centralizzata, potrebbe essere vantaggiosa a patto di avere stadi di conversione abbastanza efficienti, ma il risparmio energetico complessivo (2-5%) non è tale da dare impulso allo sviluppo di nuovi standard.

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