I Led sono dispositivi costituiti da diversi strati di materiale semiconduttore. Uno strato ha un eccesso di elettroni (strato n), uno strato ha un eccesso di lacune (strato p). Il confine fra gli strati di materiali semiconduttori di tipo p e di tipo n è chiamato giunzione p-n. Applicando una tensione, attraverso il dispositivo a semiconduttore scorre una corrente elettrica e gli elettroni migrano dallo strato n allo strato p. In corrispondenza della giunzione p-n gli elettroni in eccesso cadono nelle lacune cedendo una parte della loro energia sotto forma di luce. Il colore della luce emessa – cioè la sua lunghezza d’onda – dipende dal materiale semiconduttore utilizzato. In questo modo si possono generare direttamente quasi tutti i colori. Solo la luce bianca non può essere prodotta direttamente: la si ottiene da una combinazione di luce blu e di una sostanza fluorescente che di norma è applicata sul chip blu o annegata nella resina epossidica che lo avvolge. A seconda della sostanza fluorescente impiegata si possono ottenere tonalità del bianco molto differenti tra loro. Lo spettro spazia dalla luce bianca fredda alla luce bianca calda. Quest’ultima è molto simile a quella delle tradizionali lampade a incandescenza. Un’altra possibilità consiste nel generare luce bianca da Led di colore verde e ambra.
I vantaggi dei Led:
piccoli, efficienti e parchi nei consumi
Essendo decisamente più piccoli delle sorgenti luminose convenzionali, i Led offrono non solo una grande libertà nel design, ma si distinguono anche per una lunga durata e un contenuto consumo di energia. Giunti alla fine della loro vita utile, i Led non si bruciano come succede con le lampade convenzionali. I diodi a emissione luminosa raggiungono la fine della loro vita utile quando il flusso luminoso è sceso al 70% del suo valore iniziale. E ciò succede solo dopo oltre 50.000 ore, in funzione delle condizioni operative. Quindi i Led hanno una durata di vita molto più lunga rispetto ad altre sorgenti luminose: circa 3-7 volte più lunga di quella delle lampade fluorescenti e fluorescenti compatte e 20-50 volte più lunga di quella delle lampade a incandescenza. Il fattore che influisce maggiormente sulla durata è la temperatura operativa, che non va pertanto trascurata in sede di dimensionamento termico degli apparecchi di illuminazione a Led. Un funzionamento economico e duraturo dei Led è garantito se si rispettano determinati valori limite di temperatura. I limiti superiori sono generalmente compresi tra i 125 °C e i 150 °C. Essendo sorgenti luminose puntiformi, i Led emettono una luce direzionale e spesso non richiedono ulteriori ottimizzazioni per inviare la luce esattamente dove serve. Se ciò nonostante è richiesto uno specifico orientamento della luce, esso è realizzabile in modo semplice e con poche perdite, dal momento che, grazie alla loro caratteristica di distribuzione della luce, le sorgenti luminose puntiformi si prestano bene a essere abbinate a ottiche esterne. Tutte queste proprietà rendono i Led adatti a un vasto impiego nel campo dell’illuminazione generale. Per raggiungere l’efficienza luminosa e la durata ottimali, i Led devono funzionare in condizioni operative favorevoli e con amperaggi e voltaggi esattamente definiti per mezzo di un apposito ballast elettronico. Ciò non solo assicura il funzionamento in un range operativo definito, ma consente anche il dimmeraggio in continuo degli apparecchi di illuminazione a Led. Il metodo più semplice ed efficiente è la modulazione di larghezza degli impulsi. Dato che i Led sopportano tempi di commutazione molto brevi senza ritardi, è possibile regolare il livello di dimmeraggio attraverso i tempi di accensione e spegnimento senza che sia percettibile uno sfarfallio. Il range operativo rimane invariato in termini di flusso di corrente, per cui il dimmeraggio non determina variazioni cromatiche della luce emessa.
Elevata qualità della luce
Oltre all’intensità luminosa, sono due i parametri importanti per valutare la qualità della luce emessa da una sorgente luminosa: la temperatura di colore e l’indice di resa cromatica. Entrambi i parametri sono influenzati dal tipo e dalla quantità di fosforo usato per generare la luce bianca mediante conversione. I Led a luce bianca coprono oggi un range di temperature di colore da 2700 a 6500 K. Questi valori corrispondono a uno spettro che spazia dalla luce bianca fredda alla luce bianca calda, passando per quella bianca neutra. La resa cromatica deve essere adeguata all’applicazione specifica. Un alto indice di resa cromatica da solo non è sufficiente, bisogna anche considerare la resa cromatica dei singoli colori campione standard, ad esempio il parametro R9 per il rosso. All’occorrenza si può anche influenzare l’aspetto degli oggetti illuminati dalla luce dei Led. A tale scopo si aggiungono tonalità rosse, verdi o blu, o attraverso il fosforo convertitore oppure aggiungendo dei Led colorati in un apparecchio di illuminazione a Led.
I Led sono molto più efficienti delle tradizionali sorgenti luminose, come le lampade alogene o a incandescenza. I Led a luce bianca, ad esempio, hanno un’efficienza luminosa compresa tra i 50 e i 100 lm/W, a fronte di un assorbimento di potenza da 0,1 a 15 W. Quella delle lampade a incandescenza si aggira invece intorno ai 10 lm/W, quella delle lampade alogene intorno ai 20 lm/W, e quella delle lampade fluorescenti è compresa tra i 70 e i 90 lm/W. Si possono pertanto fare confronti di efficienza significativi soltanto per sistemi funzionali completi. Meritano particolare attenzione i requisiti di gestione termica dei diodi a emissione luminosa. Mentre le sorgenti luminose convenzionali convertono una parte dell’energia consumata in luce non visibile emessa sotto forma di calore come parte del loro spettro, i Led sono considerati sorgenti luminose fredde il cui spettro non comprende né luce infrarossa né luce ultravioletta. Il calore è prodotto nel materiale semiconduttore, in corrispondenza della giunzione p-n, e non fa parte dello spettro emesso. Il calore deve essere dissipato in modo efficiente e ciò richiede un’intelligente gestione termica. Sono richiesti corpi e sistemi illuminanti studiati appositamente per i Led, in grado di contenere le perdite di potenza dell’intero sistema e sfruttare i vantaggi di questa innovativa sorgente luminosa.
Un’opzione per risparmiare energia
Gli apparecchi di illuminazione a Led sono per ora più costosi nell’acquisto rispetto alle sorgenti luminose convenzionali, ma considerati la loro lunga durata utile e i contenuti costi d’esercizio possono ripagarsi già dopo pochi anni. A ciò si aggiunge il fatto che i Led non contengono sostanze tossiche come piombo o mercurio, e che grazie al loro basso consumo energetico non sprecano le scarse risorse. L’ampia gamma di Led bianchi e colorati e la possibilità di accenderli, spegnerli e dimmerarli in continuo e senza ritardi offrono ai progettisti illuminotecnici una grande libertà nel design e numerose opportunità di risparmio energetico.
