Variazione di luminosità: nessuna differenza tra Led e alogene

LED & DRIVER –

Sfruttando un approccio semplice ed economico è possibile consentire ai Led di seguire la curva di radiazione di corpo nero

Quando la luminosità di una lampada a incandescenza o alogena viene attenuata, attraverso il filamento fluisce una quantità di corrente inferiore. Il filamento si raffredda e la luce emessa ha una tonalità più calda e la maggior parte della radiazione si trova all'estremità rossa dello spettro delle radiazioni visibili. Quindi l'utente si aspetta che l'attenuazione della luminosità della lampada produca un ambiente con una luce più calda e rilassante. I Led, dal canto loro, producono luce sfruttando un meccanismo fisico differente - l'elettroluminescenza piuttosto che l'incandescenza. In questo caso non si assiste a una variazione significativa della temperatura di colore quando la corrente che fluisce attraverso il chip del Led viene ridotta al fine di diminuire il flusso luminoso (espresso in lumen) in uscita.
Anche se le lampade alogene direzionali sono molto diffuse nel settore dell'ospitalità, in applicazioni di questo tipo sarebbe auspicabile poter sfruttare i vantaggi propri dell'illuminazione a Led. In particolare, le sorgenti luminose a Led sono caratterizzate da una maggior efficienza nel processo di conversione dell'elettricità in luce, con conseguente risparmio di energia e possibilità di funzionamento a temperature inferiori. Riuscire a riprodurre, per una sorgente a Led, il medesimo meccanismo di attenuazione dell'intensità luminosa proprio di una sorgente alogena, preservando nel contempo la qualità del colore, ha posto non pochi problemi di natura tecnica ai progettisti di installazioni ed emettitori Led.
L'obbiettivo è trovare un emettitore Led che segua fedelmente la curva di "corpo nero" ideale nel momento in cui viene variata la luminosità. Ancora meglio, un emettitore che la segua con un'approssimazione migliore rispetto alle sorgenti alogene. Per comprendere come sia possibile conseguire questo risultato, è importante prendere in considerazione i requisiti specifici relativi al chip Led, ai substrati, all'ottica e all'elettronica di controllo che rendono possibile, dal punto di vista tecnico e commerciale, realizzare installazioni a Led caratterizzate da una variazione dell'intensità luminosa simile a quella delle installazioni con lampade alogene.

Lampade alogene…

È un fatto noto che, scaldandosi, un pezzo di metallo diventa incandescente. Questa incandescenza è una radiazione termica, un tipo di radiazione elettromagnetica provocata dal movimento termico delle particelle cariche presenti nel metallo. Il colore del metallo incandescente passa dal rosso all'arancione, al giallo, al bianco fino ad arrivare al blu. Mentre la luminosità provocata dall'incandescenza varia con il materiale in questione, la distribuzione spettrale non varia: essa infatti dipende solo dalla temperatura. Con il termine "corpo nero" si fa riferimento a un corpo ideale che assorbe tutta la radiazione elettromagnetica che lo colpisce, quindi non trasmette o riflette alcuna energia. Quando un corpo nero viene scaldato, la frequenza, o temperatura di colore, della radiazione che emette può essere tracciata graficamente in accordo con una formula nota come legge di Planck della radiazione di corpo nero. Il principio di funzionamento delle lampade alogene prevede il passaggio di una corrente elettrica attraverso un filamento di tungsteno sospeso in un involucro di vetro. Una piccola quantità di iodio o di bromo (l'alogeno) è contenuto all'interno dell'involucro, assicurando che il tungsteno evaporato si depositi nuovamente sul filamento piuttosto che all'interno dell'involucro di vetro. La luce emessa dal filamento di tungsteno segue abbastanza fedelmente la curva ideale del corpo nero ma a volte si discosta da quest'ultima producendo, in corrispondenza di determinate temperatura, riflessi di colore verdognolo. La qualità del colore, definita in termini di Cri (Color Rendering Index), è preservata in maniera abbastanza accurata dalle lampade alogene nel momento in cui viene variata l'intensità luminosa.

… e sorgenti Led

Nel caso dei Led, la luce non è generata dalla radiazione termica. I Led generano la luce sfruttando il fenomeno dell'elettroluminescenza. La luce viene emessa nel momento in cui elettroni e lacune si ricombinano in un materiale, tipicamente un semiconduttore. Lo spettro, o colore, della luce emessa e determinate principalmente dai materiali che formano il semiconduttore e dai fosfori - componenti chimici usati per rivestire il chip Led (dal punto di vista fisico il Led è un chip di materiale semiconduttore). Quando la luce emessa dal Led diminuisce a causa del passaggio di una minore quantità di corrente, la variazione della temperature di colore è molto ridotta poiché la radiazione termica rappresenta una porzione trascurabile della luce totale emessa. La variazione della tonalità in corrispondenza di un'attenuazione della luminosità del Led è difficilmente distinguibile dall'occhio umano. Gli utenti sono abituati alla variazione della luminosità delle lampade alogene e all'elevata resa cromatica che queste ultime garantiscono durante questa variazione. L'indice di resa cromatica è più evidente nel caso delle tonalità della pelle. Nel caso di indice di resa cromatica uniforme, le tonalità della pelle rimangono naturali quando il livello luminoso è ridotto. L'occhio umano è estremamente sensibile ai cambiamenti di colore, in misura molto maggiore rispetto a piccole variazioni di luminosità. Durante il giorno le persone sono molto più sensibili alla luce blu e da ciò deriva gran parte della sensibilità umana alle variazioni di colore. Le persone identificano i dettagli attraverso le regioni verde e rossa dello spettro e percepiscono i cambiamenti di luminanza principalmente all'interno della parte verde (il bianco puro è per definizione una combinazione composta da luce verde - 76% - rossa - 22% - e blu -12%).
Gli utenti sono abituati alla variazione di luminosità delle lampade alogene che crea un bianco più caldo e nel caso questo fenomeno non si manifesti possono avvertire un senso di disagio, un effetto sicuramente indesiderato nel settore dell'ospitalità (come ad esempio ristoranti, bar oppure hotel).

Le caratteristiche da tenere sott'occhio

Se si desidera mutare il colore di una sorgente luminosa a Led lungo la curva di corpo nero o altri profili quando varia la luminosità, è necessario miscelare la luce di almeno tre tipi di chip per produrre un range di toni bianchi, o temperature di colore. Per realizzare un emettitore Led bianco è necessario rivestire un chip Led blu con una combinazione di fosfori rossi e gialli. Più comunemente viene impiegato un chip che produce luce a una lunghezza d'onda di 445-455 nm, anche se si potrebbero adottare chip che producono lunghezze d'onda più lunghe. La combinazione tra un chip che emette radiazioni luminose con una certa lunghezza d'onda e fosfori gialli/rossi viene utilizzata per ottenere i punti di colore desiderati. I fosfori possono essere spruzzati sul wafer prima che questo venga suddiviso per ottenere i singoli chip Led, oppure stampato direttamente sul chip. Quest'ultimo metodo, che permette di creare un percorso termico diretto per lo strato di fosforo, consente al fosforo di operare a una temperatura inferiore e di garantire una maggiore uniformità delle caratteristiche del fosforo stesso. In situazioni di questo tipo, la luce proveniente dal chip può essere adattata all'interno di 3 ellissi di MacAdam. Combinando differenti configurazioni di chip/fosforo è possibile produrre temperature di colore comprese nell'intervallo tra 1800 e 5500 K quando miscelate all'interno di un singolo package a elevate densità. Per miscelare in maniera efficace la luce, il chip Led deve essere strettamente collegato al substrato. Il passaggio della corrente attraverso il Led genera calore, con implicazioni negative sulla stabilità nel corso della sua vita operativa: limitare la corrente, d'altra parte, riduce il flusso luminoso in uscita. Per superare questo contrasto è possibile adottare la soluzione descritta qui di seguito. Invece di utilizzate un adesivo per incollare il chip al substrato - che rappresenta una barriera termica che ostacola la dissipazione del calore in uscita dal chip Led - è preferibile adottare una tecnologia proprietaria che prevede l'assemblaggio diretto sul substrato (die-attach) mediante leghe eutettiche di oro al fine di garantire una migliore conduttività termica. L'utilizzo di un substrato ceramico multistrato con un coefficiente di espansione termica adattato in maniera molto accurata con quello del chip Led permette di minimizzare le sollecitazioni nel momento in cui il chip si riscalda. Una combinazione di tecnologie di questo tipo consente di pilotare il chip con correnti di valore più elevato: in questo modo è possibile produrre più luce sfruttando package di dimensioni inferiori, senza raggiungere temperature di giunzione che possano risultare dannose. Se si utilizza una lente primaria di vetro sulla parte superiore del chip non si verificano fenomeni di danneggiamento della stessa - come accade invece nel caso di lenti di silicone - a garanzia della stabilità del colore nel corso della vita operativa dell'emettitore. Il fenomeno di miscelamento del colore inizia in prossimità del chip e può essere completato utilizzando un'ottica secondaria adattata in modo molto preciso che consenta anche una focalizzazione precisa del fascio sfruttando la riflessione totale interna o Tir (Total Internal Reflection). Lungo tutto il fascio è dunque possibile ottenere una qualità della luce uniforme.

Focalizzazione sulle ottiche secondarie

È stato dimostrato che emettitori compatti utilizzati con ottiche secondarie adattate in maniera accurata sono in grado di fornire un flusso luminoso sul target (lumens-on-target) doppio rispetto a quello ottenibile con una combinazione tradizionale emettitore/riflettore. Oltre a ciò, una combinazione emettitore/lente produce bordi del fascio più uniformi e minimizza la quantità di luce emessa al di fuori dell'area del target, riducendo in tal modo il bagliore indesiderato. Si tratta di un requisito molto importante per il settore dell'ospitalità e più in generale per applicazioni di illuminazione professionale.

Controllo proprietario del driver

L'emettitore e la combinazione tra emettitore e lenti poco sopra descritti possono essere abbinati per dar vita a una piattaforma a Led bianchi regolabile. La soluzione LuxiTune sviluppata da Led Engin, per esempio, è disponibile sotto forma di emettitore abbinato a un'ottica Tir secondaria con circuito di pilotaggio integrato. Un modulo di questo tipo permette di ridurre considerevolmente il time-to-market per i produttori di apparecchi di illuminazione. In questo esempio, l'emettitore risulta composto da 12 chip pilotati attraverso 3 canali (3 gruppi di quattro chip). Il progetto del substrato permette il pilotaggio indipendente di ciascun chip Led. L'ottica secondaria genera fasci di ampiezza pari a 24°, 32° o 45°, con luce dispersa o bagliore minimo. La scheda a circuito stampato sopra la quale è montato l'emettitore al fine di completare il modulo ospita l'elettronica di controllo che determina il pilotaggio relativo per ciascun gruppo di chip. Mediante la triangolazione della luce proveniente da ciascun gruppo è possibile variare la temperatura di colore nell'intervallo compreso tra 3000K, che corrisponde alla massima uscita luminosa, a 1800 K, che corrisponde a un'attenuazione completa (2% dell'uscita massima). La scheda di controllo prevede un circuito di interfaccia con dimmer standard e a basso costo da 0-10V o controlli mediante pulsanti. In opzione sono previste interfacce Dmx. Questa piattaforma deriva la propria alimentazione da un terminale a 24 V non regolata. Gli alimentatori Ac-Dc che forniscono questo valore di tensione sono disponibile a costi decisamente contenuti.
Per il controllo vengono sfruttati algoritmi di tipo proprietario che girano su un microcontrollore. La programmazione assicura un flusso e una temperatura di colore uniformi in tutto l'intervallo di temperatura di funzionamento e non è richiesto nessun tipo di ri-calibrazione. I processi e le tecnologie descritte assicurano che gli emettitori siano caratterizzati da una temperatura di colore uniforme entro 3 Sdcm (Standard Deviation Color Matching), in modo da garantire le medesime prestazioni da parte di tutte le apparecchiature di un'installazione. A 3000 K, è possibile ottenere un Cri di 90 e un R9 di 80, mentre nell'intero intervallo di variazione della luminosità il Cri medio è pari a 85 e il valore medio di R9 (componente rossa) è pari a 70. L'uscita è pari a 1100 lumen (valore tipico) misurato dall'ottica secondaria. Il consumo di potenza è di 17,3W a fronte di un'efficienza luminosa di 63 lumens/Watt. In corrispondenza dell'uscita di valore massimo, emettitori di questo tipo sono equivalenti a sorgenti alogene di 60 W, rispetto alle quali garantiscono un risparmio energetico che si aggira intorno al 70%. Un ulteriore beneficio è rappresentato dal fatto che questi emettitori che possono operare a temperature più basse rispetto alle sorgenti alogene, eliminando i rischi legati alle alte temperature che queste ultime possono raggiungere
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