Evoluzione dei LED ed efficientamento energetico

      Evoluzione dei LED ed efficientamento energetico    L’impiego dei LED negli impianti di illuminazione permette oggi di contenere in misura  significativa i consumi di energia elettrica, ma anche di ridurre le spese di manutenzione,  pur garantendo la tonalità bianca della luce e la resa dei colori per la migliore qualità della  luce    L’ampia  diffusione  dei  LED  (Light  Emmitting  Diode)  nel  settore  illuminotecnico  si  spiega  con  il  rilevante  livello  raggiunto  dalle  loro  prestazioni.  Nell’arco  degli  ultimi  dieci  anni,  i  principali  parametri  di  valutazione  hanno  registrato  continui  miglioramenti.  Le  funzioni  riguardanti  l’efficienza  energetica  sicuramente  spiccano  in  questo  trend  positivo,  ma  bisogna  dire  che  è  stato  tutto  il  complesso  delle  prestazioni  di  prodotto  ad  attestarsi  su  valori  tali  da  differenziare  nettamente  i  LED  dalle  sorgenti  luminose  tradizionali,  cui  tutti  erano  abituati.  In  sintesi:  dimensioni;  ingombri;  pesi  di  ridotta  entità;  spettro  di  emissione  fotometrica ben bilanciato, ma privo di radiazioni infrarosse e ultraviolette; buona resa dei  colori;  agevole  regolazione  del  flusso  luminoso  senza  alterazione  della  temperatura  di  colore; funzionamento in bassissima tensione di sicurezza. Queste sono solo alcune delle  peculiarità più interessanti.        Efficienza e durata Tornando  alla  questione  dell’efficientamento  energetico  degli  impianti  di  illuminazione  e  sempre considerando il forte apporto innovativo dei LED, è bene chiarire che, ai fini di una 

corretta  valutazione  economica,  bisogna  considerare  almeno  due  dati:  l’efficienza  luminosa,  intesa  come  rapporto  tra  il  flusso  emesso  e  la  potenza  elettrica  consumata  (unità  di  misura  lumen  su  watt,  lm/W),  e  la  durata  media  di  vita,  ossia  il  tempo  in  ore  di  regolare  funzionamento  della  sorgente  luminosa  durante  il  quale  si  riscontra  il  graduale  decadimento del flusso luminoso.  Il  primo  dato  ha  un’incidenza  diretta  sulla  gestione  corrente  degli  impianti,  ossia  sulla spesa energetica; il secondo, invece, influisce sulla spesa per le periodiche operazioni di  manutenzione.  A  queste  due  caratteristiche  tecnico/funzionali  dovremmo  aggiungere  la  resa  energetica  degli  alimentatori  elettronici,  necessari  per  ridurre  la  tensione  di  rete  e  fornire  corrente  continua,  e  il  rendimento  luminoso  delle  ottiche,  dato  dal  rapporto  tra  il  flusso emesso dalla stessa ottica e il flusso generato dal LED.       Ma  i  vantaggi  che  ne  derivano  dipendono  dalle  componenti  ottiche  degli  apparecchi  equipaggiati  con  le  sorgenti  optoelettroniche  e,  quindi,  sono  da  attribuire  allo  stesso  apparecchio.  I  benefici  che  si  ottengono  discendono  dall’accoppiamento  tra  una  fonte  di  luce  che  si  avvicina  al  modello  della  sorgente  puntiforme  e  le  prestazioni  ottiche  del  riflettore ad esso aggregato.  Il  dato  dell’efficienza  segna  ormai  definitivamente  un  netto  confine  tra  le  sorgenti  in  commercio. Si può dire che oltre la soglia dei 120 lm/W il LED è l’unica sorgente in grado  di emettere luce di tonalità bianca.      

Tra  i  prodotti  tradizionali,  solo  le  lampade  a  vapori  di  sodio  (bassa  e  alta  pressione)  superano quel limite, ma, come è ben noto a progettisti e installatori, la luce non è bianca  e  la  resa  dei  colori  è  molto  modesta,  tanto  da  riservarne  l’utilizzo,  in  gran  parte,  all’illuminazione stradale. Oggi è possibile trovare in commercio LED con efficienze intorno  ai 140 lm/W e temperature di colore superiori a 4.000 K.  La  curva  di  crescita  del  valore  dell’efficienza  mostra  che  dai  30÷40  lm/W  dei  primi  diodi luminosi,  nell’arco  di  una  dozzina  d’anni,  si  è  arrivati  ai  valori  attuali  e  alcuni  fabbricanti  dichiarano  che,  nei  prototipi  allo  studio  nei  laboratori  di  ricerca,  si  registrano  già  ora  ulteriori  e  significativi  incrementi.  Questo  giustifica  la  previsione  di  un  nuovo  affinamento  energetico nei prodotti che saranno commercializzati nei prossimi anni.        Ridotto sviluppo di calore e assenza di radiazioni IR  È  interessante  notare  che  la  quota  di  energia  elettrica  che  non  si  trasforma  in  energia  luminosa  diventa,  in  sostanza,  energia  termica  che  innalza  la  temperatura  del  corpo  del  LED, il cosiddetto packaging. Ma non si tratta di radiazioni infrarosse (IR), miscelate nello  spettro alle radiazioni visibili, che si propagano nell’ambiente riscaldandolo, bensì di calore  che  si  trasmette  per  conduzione  dal  packaging  al  dissipatore  termico,  unito  al  primo  da uno speciale mastice. LED e dissipatore sono uniti in un solo corpo.  La componente dissipatore termico ha proprio la funzione di mantenere la temperatura del 

nucleo  del  LED  (la  zona  di  giunzione  tra  le  due  regioni  del  chip)  al  livello  indicato  dal  fabbricante, cioè il livello che garantisce massima efficienza, lunga durata e costanza nella  tonalità.  Siamo  comunque  ben  lontani  dalla  quantità  di  energia  termica  generata  dal  filamento  incandescente  o  dal  piccolo  tubo  di  scarica  delle  lampade,  rispettivamente,  a  ciclo di alogeni e a vapori di alogenuri metallici. Il diodo luminoso può essere maneggiato e  messo a contatto con materiali a basso punto di fusione, come i materiali plastici. Non a caso le ottiche dei LED a contatto col packaging sono costruite in materiale acrilico.    La luce a basso contenuto termico è indispensabile in tutte le situazioni in cui l’oggetto da  illuminare non può tollerare alcun tipo di riscaldamento: pensiamo agli alimenti, a tutto ciò  che  è  fatto  con  materiali  di  origine  organica  (vegetazione,  animali),  ma  anche  ai  beni  culturali in esposizione che si deteriorano a causa dell’innalzamento di temperatura.  La  luce  optoelettronica  potrebbe  essere  definita  luce  pura  perché  priva  di  IR  e  UV  in  quanto  è  composta  solo  da  radiazioni  contenute  nell’intervallo  di  lunghezze  d’onda  compreso tra 380 e 780 nm.    La durata media di vita  Il  secondo  parametro  che  incide  sull’efficientamento  degli  impianti  è  la  durata  media  di  vita,  un  dato  che  ha  una  forte  incidenza  sulla  spesa  manutentiva,  in  particolare  quando  l’impianto  è  integrato  negli  elementi  costruttivi  (per  esempio,  nicchie,  gole,  insenature,  controsoffittature,  strutture  architettoniche  di  complesso  smontaggio)  e  quando  gli  apparecchi di illuminazione sono installati ad altezze elevate dal piano di calpestio, ovvero  nei  casi  in  cui  l’uso  dei  mezzi  per  operare  su  di  essi  presenta  difficoltà,  oneri  o  disagi  rispetto alle attività che si svolgono nell’ambiente.   

Stando alle dichiarazioni dei costruttori, la durata del LED è molto lunga, ben oltre quella  delle  migliori  lampade  a  scarica:  100.000  ore  con  un  decurtamento  a  fine  vita  del  50%  delle  prestazioni  (flusso  reso,  qualità  cromatica  della  luce).  Questo  dato  è  frutto  di  estrapolazioni  ed  è  comunque  riferito  a  condizioni  ideali  di  funzionamento,  che  ben  difficilmente si verificano nelle comuni installazioni. Inoltre, la riduzione alla metà del flusso  luminoso non è accettabile in illuminotecnica. Valori di durata media più realistici si attestano attualmente intorno alle 50.000÷60.000 ore  con  la  sorgente  in  condizioni  di  lavoro  ottimali  e  decadimenti  del  flusso  al  30%  circa.  Si  tratta,  comunque,  di  durate  che  superano  di  circa  5  volte  quelle  delle  lampade  che  è  consuetudine denominare “a risparmio energetico”, vale a dire i tipi a fluorescenza lineare  e  compatte,  nonché  la  famiglia  delle  lampade  a  scarica  ad  alta  pressione.  È,  tuttavia,  giusto  segnalare  l’esistenza  di  modelli  speciali  a  fluorescenza,  costruiti  con  componenti  rinforzate, che hanno tempi di funzionamento simili a quelli dei LED.    È  altresì  doveroso  avvertire,  in  conclusione,  che  tali  durate  si  ottengono  valutando  attentamente  tutte  le  variabili  che  esercitano  una  loro  influenza  sul  puro  dato  temporale  dichiarato dal fabbricante. Il mancato smaltimento del calore, a causa di un dissipatore non  idoneo, provoca surriscaldamenti che penalizzano pesantemente la durata di vita. Inoltre, un  cambiamento  dei  valori  della  corrente  di  alimentazione  può  ridurre  notevolmente  lo  stesso  dato.  Forti  variazioni  di  corrente  possono  causare  lo  spegnimento  dei  LED  nel  volgere  di  poche  ore.  Pertanto  è  assolutamente  necessario  stabilizzare  i  parametri  dell’alimentazione  elettrica,  insieme  a  quelli  termici,  utilizzando  alimentatori  e  dissipatori  ben dimensionati e fabbricati a regola d’arte.      Gianni Forcolini  Didascalie:   Figura 1: Modulo di tre LED su circuito stampato per apparecchio proiettore 

  Figura 2: Power LED a tecnologia “chip on board”    Figure 3 e 4: Array LED (molti chip aggregati a matrice) per vari valori di potenza e flusso  luminosi   Figura 5: LED ad alto flusso, potenza 32 W, dimensioni del chip 3 mm x 3 mm    Figura  6:  Apparecchio  a  tecnologia  LED  a  sviluppo  lineare  integrato  in  scaffalature  per  spazi espositivi    Figura 7: Apparecchio su palo per illuminazione stradale e urbana a tecnologia LED    Figura 8: Apparecchio su palo per illuminazione urbana a tecnologia LED