Nuove opportunità
A partire da dieci anni fa l’industria optoelettronica ha cominciato a produrre Led di potenza per illuminazione funzionale. I media hanno propagandato l’uso dei Led come una soluzione per consumare meno energia, ma tra i vantaggi offerti dalla tecnologia dello stato solido quello dell’alta efficienza non è certamente il più interessante. Inizialmente impiegati per la segnalazione nelle apparecchiature elettroniche civili e industriali, oggi è possibile guardare ai Led come soluzione ideale per una vasta gamma di applicazioni.Ma cos’è realmente cambiato da quando c’è il Led? Tralasciando per un momento i benefici che possono derivare da una lunga durata, il Led è innanzitutto un’opportunità che va considerata all’interno di un sistema. Con il suo impiego è possibile realizzare scenari dinamici, in quanto il Led si riaccende a caldo ed è facilmente regolabile. Non occorre necessariamente pensare ai cambi di colore, tecnica che risulta talvolta inopportuna o mal gestita: illuminazione dinamica significa poter disporre di un sistema con cui realizzare configurazioni differenti, che gestite da una centralina possono declinare molteplici scenari di luce in funzione di una specifica programmazione. I campi d’applicazione vanno dall’illuminazione monumentale in esterno a quella di ambienti interni che richiedono una certa flessibilità delle scene luminose.
Con i Led si possono costruire apparecchi piccoli, facilmente occultabili, con fasci luminosi puntuali e precisi come colpi di pennello. Questa è certamente una rivoluzione nel lighting design. Configurazioni diverse e scenografie dinamiche si possono ottenere pilotando gli apparecchi con protocolli di comunicazione (es. DMX512) ovvero con trasmissione d’informazioni digitali dalla centralina a ogni singolo apparecchio o a gruppi di essi.
Si pensi ad esempio ad una chiesa o ad un museo. Supponiamo di installare 400 apparecchi e di suddividerli, per semplicità, in 80 gruppi di 5 apparecchi ciascuno. Agli 80 driver che alimentano i singoli gruppi viene assegnato uno specifico indirizzo e li si collega tutti alla centralina. Ciascun driver, ovvero ciascun gruppo di 5 apparecchi, può essere acceso, spento, regolato nel tempo. Questo significa che a partire da un istante iniziale posso comunicare a ciascun gruppo l’informazione di quando e come esso si deve accendere, spegnere o regolare. In pratica è possibile combinare gli 80 gruppi come si vuole, scrivendo così infinite configuazioni, memorizzandole e richiamandole all’occorrenza con altrettanti tasti “preset”. In altre parole, un solo impianto hardware che consente di beneficiare di molteplici scene luminose. Questo è senza dubbio uno degli utilizzi più consoni per le sorgenti Led.
Miscelando i flussi generati da Led aventi diversa composizione spettrale si possono inoltre facilmente ottenere temperature di colore finali differenti. Ciò era fino a ieri parzialmente ottenibile con l’uso di fluorescenti ma prevalentemente per applicazioni d’illuminazione diffusa. Il Led, in quanto sorgente di dimensioni ridotte, consente – con l’ausilio di opportuni riflettori o lenti secondarie – di proiettare luce bianca miscelata anche a distanze considerevoli.
Lo stato dell’arte
Attualmente le efficienze dei LED possono raggiungere i 130 lm/W e la vita media può anche superare le 100.000 ore.
La costruzione di LED di potenza con emissione nel blu o nell’ultravioletto (poi convertite dai fosfori) ha consentito di ottenere prodotti – led singoli o array – idonei per l’illuminazione d’interni. Il colore della luce emessa dai led bianchi è simile a quella emessa dalle lampade fluorescenti: tecnologie a fosfori remoti o a combinazione di led bianchi e rossi (es. tecnologie true white, prevaled, etc.) hanno consentito di raggiungere indici di resa cromatica elevati (CRI fino a 96). L’adozione di convogliatori ottici e di microriflettori permette di costruire apparecchi con un controllo ottico eccellente: i LED sono oggigiorno largamente impiegati per l’illuminazione d’accento e generale, sia in interni che in esterni. Sono inseriti come componenti singoli o moduli all’interno di apparecchi e disponibili anche in versioni “led lamp” con attachi E14 e E27 o altro per la sostituzione di lampade a incandescenza o fluorescenti compatte.
I vantaggi e svantaggi della luce allo stato solido (SSL, solid state lighting) possono essere così riassunti:
il LED ha un’efficienza luminosa molto più elevata delle lampade fluorescenti compatte e di quelle a filamento;
il calore prodotto dal LED è inferiore a quello delle sorgenti a filamento e a scarica ed è trasmesso per conduzione e non per irraggiamento. Ciò significa che la luce emessa non contiene radiazione infrarossa e che il calore si trasmette attraverso la base del dispositivo. L’aspetto negativo risiede nel fatto che è indispensabile l’adozione di un dissipatore posizionato alla base del LED;
l’emissione avviene solo da un lato. Per ottenere un’emissione globale nello spazio è necessario mettere insieme più dispositivi. Diversamente dalle lampade a incandescenza o fluorescenti compatte, infatti, per realizzare una lampada “general service” è necessario mettere insieme un certo numero di Led e un diffusore che modifichi il solido fotometrico generato dai LED nudi o un’ottica secondaria per proiettarne il flusso in una direzione con un determinato angolo di apertura. L’utilizzo dei LED richiede comunque quasi sempre l’impiego di un’ottica secondaria.
al contrario delle lampade tradizionali, i LED funzionano a bassissima tensione e possono pertanto essere alimentati con batterie o energie rinnovabili (fotovoltaico, microeolico). Rispetto alle lampade normali, che lavorano a tensione di rete, i LED sono elettricamente più sicuri. Nel caso di sistemi Power Led si può arrivare a tensioni nell’ordine dei 100V e più (più LED connessi in serie). Per contro, necessitano di un alimentatore per renderli compatibili con la tensione di rete.
se inseriti in sistemi ben progettati i LED possono arrivare a funzionare anche centinaia di migliaia di ore prima che il flusso emesso scenda al di sotto di una soglia stabilita (solitamente si ci riferisce al 70% del flusso iniziale, L70). I LED non soffrono di rotture improvvise, nel senso che esiste un tasso di guasto ma è molto basso: ecco perché per definirne la durata – in determinate condizioni di funzionamento – si fa riferimento al deprezzamento e non al guasto. Si tratta ovviamente di dati misurati su un congruo lotto di dispositivi, analogamente a quanto viene fatto per le lampade tradizionali. Dal punto di vista dei costi di manutenzione può essere quindi considerata una sorgente molto conveniente. Molta attenzione deve però essere posta ai sistemi di alimentazione: diversamente dalle lampade a scarica, i LED non tollerano i picchi di tensione (spikes), anche di brevissima durata.
i LED non soffrono shock meccanici (es. urti, vibrazioni). Sono pertanto particolarmente indicati per quelle applicazioni dove sono presenti sollecitazioni meccaniche continue o occasionali (es. outdoor, trasporti).
le dimensioni contenute permettono di progettare apparecchi compatti e di disporli in spazi ridottissimi (es. scaffalature, integrazione all’interno di elementi). In aggiunta, dato che i LED sono sorgenti con un’area emittente piccola, sono particolarmente adatti per pilotare lenti e riflettori. Essi realizzano infatti rendimenti ottici eccellenti e ottimi fattori di utilizzazione in quanto la ripartizione del flusso avviene in modo molto preciso.
al contrario di tutte le lampade a scarica, i LED si riaccendono a caldo e raggiungono il flusso nominale in pochissimo tempo. Non risentono delle basse temperature. Per quanto concerne la regolazione del flusso è sufficiente ridurre la corrente di pilotaggio per diminuire il flusso emesso. Per i LED a luce bianca si registra uno spostamento del punto di colore, anche se minimo. La gestione può essere operata con consolle centralizzata e driver indirizzabili (es, DMX), esattamente come avviene per le lampade a filamento ma con efficienze e affidabilità ben più elevate. La riaccensione immediata a caldo e la regolazione fino a valori bassissimi del flusso emesso ne consentono l’impiego per regìe luminose, anche dinamiche. La facilità di regolazione consente infine di costruire sistemi con più LED a luce bianca e miscelarli tra di loro per ottenere temperature di colore diverse. Queste prerogative aprono scenari completamente nuovi per il lighting design.
non risentono in alcun modo della posizione di funzionamento, al contrario di molte lampade a scarica e delle stesse fluorescenti lineari.
l’emissione spettrale monocromatica propria dei LED consente l’eliminazione dei filtri colorati che solitamente si applicano alle lampade tradizionali per produrre luce colorata. La miscelazione di più LED monocromatici consente di ottenere spettri di emissione e quindi colori tra i più disparati. Ciò apre nuove frontiere nel lighting design. Per contro, allo stato attuale la produzione di luce bianca con i LED consente di ottenere prestazioni colorimetriche simili a quelle delle lampade fluorescenti e non superiori (ciò è dovuto impiego dei fosfori).
l’assenza totale di emissione UV fa sì che i LED risultano particolarmente idonei per l’illuminazione di tutti quegli oggetti sensibili al degrado fotobiologico (opere d’arte, sostanze organiche in genere, alimenti).
queste sorgenti consentono forti risparmi energetici e quindi una minore produzione di anidride carbonica. Diversamente dalle tradizionali lampade a scarica – fluorescenti incluse – i LED se dispersi nell’ambiente provocano un danno minimo perché non contengono mercurio, elemento altamente tossico e in grado di provocare gravi forme di inquinamento del suolo e delle acque.
Gli apparecchi a Led
La sorgente Led ha un comportamento termico diverso dalle lampade convenzionali. Ciò si traduce in un differente approccio nel design del prodotto finale, fortemente condizionato da problemi di gestione del calore. In altri termini, disponiamo di sorgenti di piccole dimensioni che consentono forme e volumi innovativi, ma il tutto deve essere concepito in modo che il componente funzioni in condizioni di stress minimo. Allo stato attuale, non esistendo protocolli confermati e condivisi sulle misure e sulle verifiche, si progettano e realizzano apparecchi che con buona probabilità non forniranno le prestazioni attese. Questa problematica esiste anche per le sorgenti convenzionali, ma presenta una criticità inferiore e soprattutto non tocca il costruttore direttamente in quanto l’apparecchio viene nella maggioranza dei casi venduto senza sorgente.
Senza dubbio uno dei vantaggi maggiori derivanti dall’uso del Led è il fatto di poter disporre di una sorgente modulare. Ciò si traduce in un dimensionamento più razionale di un impianto d’illuminazione, in quanto consente di lasciare alle spalle il vecchio concetto di “potenza di lampada” disponibile esclusivamente in taglie prefissate. Naturalmente il concetto di modularità è fortemente legato alla facilità con la quale è possibile regolare il flusso dei Led, diversamente da quanto avveniva per le sorgenti a scarica. La possibilità di usare il numero necessario di diodi fa sentire i suoi benefici nella produzione di apparecchi “custom”, ovvero per tutti quei prodotti creati su misura che richiedono un “pacchetto lumen” calibrato. I campi di applicazione che potranno beneficiare del concetto di modularità sono praticamente tutti, in considerazione anche del fatto che il Led può essere pilotato in corrente e quindi gli si può “chiedere” di emettere più luce per periodi di tempo limitati – naturalmente senza danneggiarlo irreversibilmente – evitando di impiegarne un numero maggiore.
