Date post: | 13-Jun-2015 |
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Illuminazione LED: teoria ed esempi di applicazione
Illuminazione a LED: teoria ed esempi di applicazione 2
LED (light emitting diode) è un diodo a semiconduttore emettitore di radiazioni luminose se
attraversato da corrente elettrica (diodo a emissione di luce)
Radiazioni percepibili dal sistema occhio-cervello: tra 400nm (viola) e 700nm (rosso)
LED non utilizza combustione, incandescenza di un filamento, scarica di un gas (o vapori). Utilizza le
caratteristiche di una giunzione a semiconduttore PN per generare fotoni (foto)
Che cosa significa LED?
Giunzione P-N
Cree XlampLuxeon Rebel
Illuminazione a LED: teoria ed esempi di applicazioni 3
LED ha lo spettro a banda stretta ed è una sorgente monocromatica. Il colore e la specifica
lunghezza d’onda dipendono dal materiale usato nella realizzazione:
LED rosso 770nm è realizzato con AlGaAs
LED verde 560nm è realizzato con AlGaP
LED rosso, arancio, ambra, gialloverde sono realizzati con AlGaInP
LED blu, verde sono realizzati con InGaN
LED blu 460nm è realizzato con carburo di silicio
La luce bianca, utilizzando sorgenti monocromatiche, si ottiene in 2 modi:
Per sintesi additiva di 3 colori primari RGB
Rivestendo un LED blu con uno strato di fosforo (monocromatica/eterocromatica)
Lunghezza d’onda
4
Evoluzione del mercato
Illuminazione a LED
Illuminazione convenzionaleRe
venu
e (B
illio
ns)
** Fonte: Philips Lighting
Illuminazione a LED: teoria ed esempi di applicazione
Illuminazione a LED: teoria ed esempi di applicazione 5
LED
Dissipatore
Ottica secondaria (se necessaria)
Alimentatore (LED driver)
Prodotti di illuminazione a LED
La realizzazione di un prodotto di illuminazione a LED di ottima qualità richiede un’accurata progettazione del sistema costituito da:
È necessario effettuare rilievi fotometrici per la verifica del risultato ottenuto e corredare il prodotto di dati indispensabili a valutarne l’effettivo valore.
Goniofotometro
Diagrammi fotometrici
Richiedono conoscenze di ottica,
termodinamica ed elettronica
Illuminazione a LED: teoria ed esempi di applicazione 6
Le principali ragioni per cui il LED ha un ruolo sempre più importante nel settore dell’illuminazione sono:
Basso consumo (risparmio energetico)
Notevole durata (riduzione costi manutenzione)
Robustezza meccanica
Piccole dimensioni
Buona qualità della luce (Ra > 70 ma anche Ra > 90)
Tonalità della luce disponibile (bianco caldo, neutro, freddo)
RGB senza l’uso di filtri colorati
Radiazioni infrarosse e ultraviolette nulle (non scalda l’oggetto illuminato non danneggiandolo)
Assenza di sostanze tossiche, rispetto dell’ambiente (es. mercurio)
Sistemi a LED facilmente dimmerabili
Sicurezza elettrica intrinseca dovuta al basso voltaggio di funzionamento (1,8V-4V)
Riaccensione immediata
Punti fondamentali
Illuminazione a LED: teoria ed esempi di applicazione 7
Un parametro molto importante è l’efficienza energetica della sorgente luminosa misurata in
lumen/Watt inteso come il flusso luminoso emesso per ogni Watt consumato
Risparmio energetico ed efficienza
Sorgente Efficienza luminosa [lm/W]
Incandescente 10-18
Alogena 15-20
Fluorescente compatta 35-60
Fluorescente lineare / SAP 50-100
Alogenuri metallici 50-90
LED colore bianco 5000K Ca. 100
LED colore bianco 3300K Ca 70
Fonte: DOE dipartimento dell’energia americano
Nel caso della sorgente LED l’efficienza energetica diminuisce con l’aumentare della corrente di pilotaggio e
conseguente aumento della temperatura di giunzione TJ
Illuminazione a LED: teoria ed esempi di applicazione 8
Tj risulta essere il parametro fondamentale per valutare le prestazioni energetiche del LED
Solitamente i produttori forniscono le prestazioni con Tj = 25°C
Temperatura di giunzione
Estratto da un data sheet di un produttore di LED
LED, PCB e dissipatore
La temperatura di giunzione TJ è un parametro fondamentale per valutare le prestazioni in termini di flusso luminoso e durata del LED.Solitamente vengono forniti valori del flusso con TJ = 25°C ma nella pratica la temperatura di funzionamento è sempre > 25°C (45°C – 100°C).
Illuminazione a LED: teoria ed esempi di applicazione 9
Il grafico di figura 11 riporta la variazione del flusso luminoso al variare della temperatura di
giunzione TJ di un LED tipico pilotato a 350mA
Temperatura di giunzione
TJ = 100°C flusso luminoso al 93% rispetto a quello con valore TJ = 25°C
Le specifiche tecniche dei prodotti a LED devono riportare i valori di flusso luminoso alla temperatura TJ di
funzionamento
Illuminazione a LED: teoria ed esempi di applicazione 10
L’efficienza energetica è un indicatore importante ma NON è l’unico
Altro fattore importante è l’ottica secondaria: essa ottimizza al massimo la luce generata dal LED
Esistono diverse ottiche: importante è scegliere o progettare il prodotto più efficiente
A seconda del tipo di ottica e di applicazione si può ottenere un risparmio energetico che va dal 20
al 60% (confronto con lampade ad incandescenza)
Risparmio energetico: conclusioni
Illuminazione a LED: teoria ed esempi di applicazione 11
La sorgente LED nasce come una sorgente monocromatica
Utilizzo di semiconduttori InGaN a cui sono applicati una combinazione di fosfori tricromatici
consente di ottenere la luce bianca (spettro ampio)
Range tipici di temperatura di colore:
2700-3200° K bianco caldo
4000-4500° K bianco neutro
5000-6000° K bianco freddo
La qualità della luce è proporzionale all’indice di resa cromatica Ra
Consente di ottenere valori di Ra > 70 (ultimamente anche > 90)
Norma UNI 11248 (illuminazione stradale) afferma che sorgenti con Ra >60 possono usufruire di una
riduzione di categoria illuminotecnica in fase di progettazione
Riepilogo
Illuminazione a LED: teoria ed esempi di applicazione 12
La vita di una sorgente LED è stimata oltre le 50000 ore
Il ciclo di vita si considera concluso al raggiungimento del 70% del flusso iniziale
A differenza di altre sorgenti, l’accensione è immediata
Durata
Sorgente Durata[ore]
Incandescente 750-2000
Alogena 3000-4000
Fluorescente compatta 8000-1000
Fluorescente lineare 7500-20000
Alogenuri metallici 20000-30000
Lampade a LED 35000-50000
Fonte: DOE dipartimento dell’energia americano
Illuminazione a LED: teoria ed esempi di applicazione 13
Non contengono mercurio o altri componenti inquinanti
Secondo uno studio dell’università di Stanford, il mercurio contenuto in una piccola lampada
fluorescente può inquinare 4000 litri di acqua
Non emettono raggi UV e IR
Consente di ottenere facilmente lampade in conformità alle Leggi Regionali in termini di
inquinamento luminoso
Rispetto per l’ambiente
Un cucchiaino di mercurio può contaminare un lago di 8
ettari.
Illuminazione a LED: teoria ed esempi di applicazione 14
Per interni Funzionale (sostituzione di tradizionali lampade, faretti da incasso a soffitto o pavimento
etc) Decorativa (punti luce, strisce, wallwasher etc)
Per esterni Decorativa (proiettori per accentuare oggetti, giardini, ingressi, aree comuni etc) Funzionale (segna passo, luci di segnalazione ed emergenza, insegne luminose, etc) Architettonica (palazzi, monumenti , chiese, etc)
Stradale Arredo urbano Gallerie Pensiline Ciclopedonali Attraversamenti pedonali
OEM Applicazioni industriali (banchi frigorifero, ascensori , arredamenti etc)
Applicazioni
Illuminazione a LED: teoria ed esempi di applicazione 15
Applicazioni
Plafoniera da incasso 25W2 Barre LED 3.6W
Armatura stradale LED 48W
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Esempi di applicazione
DESCRIZIONE T8 LEDT8
FLUORESCENTE
Potenza lampada [W] 18 36
Numero lampade 100 100
CRI >75 85
CCT [°K] 6000-6500 6500
Durata [h] 50000 15000
Giorni 365 365Ore funzionamento
giornaliero [h]12 12
Consumo annuale [kWh]
7884 15770
Costo kWh 0,15 0,15Costo annuale
energia [€]1182 2365
Emissioni CO2 [kg/KWh]
0,405 0,405
Emissione annualeCO2 [kg]
3193 6787
Risparmio energetico 50%
Illuminazione a LED: teoria ed esempi di applicazione
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Esempi di applicazione
DESCRIZIONE CITY 24 LEDVapori di sodio Alta pressione
Potenza lampada [W] 33 70
Numero 400 400
CRI >75 24
CCT [°K] 5500 2100Durata [h] 50000 8000
Consumo annuale [kWh]
48180 102200
Costo kWh 0,15 0,15Costo annuale
energia [€]7227 15330
Emissioni CO2 [kg/KWh]
0,405 0,405
Emissione annualeCO2 [kg]
19513 41391Fig. 1: Corpo illuminante a 24 LED
Fig. 2:Corpo illuminante tradizionale a vapori di sodio
Risparmio energetico stimato 52%
Illuminazione a LED: teoria ed esempi di applicazione
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Esempi di applicazione
DESCRIZIONE DOWLIGHT LED
10W75W
incandescenza
Potenza lampada [W] 10 75
Numero lampade 20 20
Angolo di emissione 40° 40°
CRI >75 100
CCT [° K] 2800-3200 2900
Durata [h] 50000 2500
Giorni 213 213Ore funzionamento
giornaliero [h]8 8
Consumo [kWh] 341 2556
Costo kWh 0,15 0,15Costo annuale
energia [€]51 383
Emissioni CO2 [kg/KWh]
0,405 0,405
Emissione annualeCO2 [kg]
21 155
Risparmio energetico stimato 86%
Illuminazione a LED: teoria ed esempi di applicazione
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Evoluzione efficienza dei LED
0
50
100
150
200
2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020
Year
Eff
ica
cy (
lm/W
)
Laboratory Projection - Cool White
Commercial Product Projection - Cool White
Commercial Product Projection - Warm White
Laboratory - Cool White
Commercial Product - Cool White
Commercial Product - Warm White
Maximum Efficacy - Warm White
Maximum Efficacy - Cool White
Illuminazione a LED: teoria ed esempi di applicazione
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Grazie per l’attenzione…
Seeing is believing
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