LED semplicemente semplice. Know-how per la tecnologia-led in Teoria e Pratica

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1 LED semplicemente semplice Know-how per la tecnologia-led in Teoria e Pratica

2 Indice Capitoli pagina 1.0 Introduzione Cos è un LED? Perché i LED? Tecnologia LED Produzione Funzionamento del LED Tipi di LED Tipi di struttura di LED Vantaggi della tecnologia LED Caratteristiche di qualità Tecnica convenzionale o LED? Applicazione LED Dove è opportuno utilizzare i LED? Calcolo del potenziale di risparmio 17 energetico dell illuminazione 3.3 Lampadine LED Lampade LED Lampade comandate da tensione / Lampadine Lampade comandate da corrente / Lampadine Lampade da 230 V AC / Lampadine Esempio di progetto relativo al tema Progettazione LED e installazione Dal convenzionale al LED, domande sul cambio di lampadine Progettazione di un impianto LED Regolazione di LED Installazione e montaggio di lampade LED Elettro-Materiale SA ed Elevite Nuove tecnologie Panoramica sugli OLED Tecnologia LCC FAQ Glossario 38 2

3 1.0 Introduzione Le persone hanno bisogno della luce per vivere. La luce scandisce il nostro tempo e controlla il nostro ritmo sonno-veglia. Accanto alla luce solare, anche la luce artificiale ha un ruolo fondamentale poiché trascorriamo gran parte del nostro tempo in ambienti chiusi. La notte, in particolare, abbiamo bisogno di luce per sicurezza e orientamento, lavoro e piacere. La luce artificiale ci affianca al chiuso e all aperto, nella sfera privata e professionale. La luce crea atmosfere e influisce sulla nostra sensazione di benessere. Di giorno e di notte. Questo opuscolo vi offre un ampia competenza specifica per quanto riguarda tecnica, applicazione e possibilità d impiego di lampade e lampadine LED. Per essere preparati al futuro! 1.1 Cos è un LED? LED, diodo a emissione luminosa, indica un semiconduttore elettronico. Il diodo emette luce quando è percorso da corrente nel senso di conduzione. Al contrario delle lampadine convenzionali, i LED sono componenti elettronici, minuscoli chip elettronici composti da cristalli semiconduttori. I LED non hanno bisogno di alcun filtro di colore, la loro luce viene creata direttamente da diversi colori mediante materiali semiconduttori differenti. L illuminazione con sostanze inorganiche è stata scoperta già nel 1907, l anno di nascita del LED prodotto a livello industriale è il I LED bianchi arrivano a metà degli anni 90. Negli ultimi anni il grado di efficacia dei LED è raddoppiato ogni due anni. Oggi i LED vengono impiegati in svariate applicazioni. Si sono affermati come sorgente luminosa economica che si distingue per numerosi vantaggi. Alla base vi sono buona qualità, installazione e messa in funzione corrette e la vostra competenza tecnica per stabilire in quali casi è opportuno utilizzare i LED. Q 1.2 Perché i LED? Oggi i LED sono sorgenti luminose economiche per l illuminazione di rilievo e generale. Ove opportuno possono sostituire le lampadine convenzionali consentendo maggiore flessibilità e minor consumo di corrente. L energia richiede risorse. L impiego di lampadine e lampade LED è indicato in numerose applicazioni al fine di ridurre i costi dovuti ai prezzi dell elettricità in aumento e di impiegare l energia a disposizione in modo oculato. I LED sono piccoli, flessibili e regolabili. Hanno una durata notevole e si distinguono per un elevata qualità della luce. I LED possono essere utilizzati all interno e all esterno, emettono luce bianca e colorata e preservano gli oggetti sensibili. Con un impiego sistematico della tecnologia LED e l utilizzo di sistemi intelligenti di controllo della luce si può risparmiare circa il 70 % dell energia per l illuminazione. La svolta verso la tecnica LED rappresenta il maggior cambiamento nell illuminotecnica da decenni. 3

4 2.0 Tecnologia LED 2.1 Produzione I LED sono costituiti da cristalli semiconduttori. Mentre nelle lampadine convenzionali la luce è prodotta da un filamento incandescente o un gas, i LED sono minuscoli chip elettronici composti da speciali cristalli semiconduttori. Con la tecnologia LED siamo entrati nell era dell optoelettronica. Produzione Tempi di lavorazione brevi e quantitativi elevati contraddistinguono gli impianti di produzione moderni per materiali di giunzione dei semiconduttori. Da un wafer si ricavano centinaia di chip per LED. La materia prima per i LED sono i cristalli semiconduttori che vengono assemblati in un foglio, il cosiddetto wafer, e successivamente tagliati in chip. I diodi luminosi sono costituiti da un semiconduttore substrato a polarità negativa con un surplus di elettroni. Su tale substrato si applica un sottilissimo strato semiconduttore a polarità positiva con elettroni mancanti, ovvero «lacune». In presenza di tensione gli elettroni in eccesso e le «lacune» si avvicinano tra loro e si ricombinano nella cosiddetta zona di svuotamento. L energia rilasciata viene convertita in luce e calore nel cristallo semiconduttore. Malgrado gli impianti di ultima generazione, non tutte le zone del wafer presentano le stesse caratteristiche illuminotecniche di flusso luminoso e punto di colore. Pertanto la selezione, il cosiddetto binning, in seguito al taglio del wafer nei singoli chip LED è particolarmente importante. Per poter garantire una qualità della luce costante con lo stesso livello di luminosità e colore unitario della luce occorre fare la cernita dei LED di un lotto, che vengono suddivisi in cosiddetti bin (inglese per contenitore). Questo processo di binning è particolarmente importante per i LED bianchi. Maggiori informazioni al riguardo sono contenute nel capitolo «Caratteristiche di qualità» a pagina 8. Per semplificare la realizzazione del contatto elettrico e proteggere il LED dagli influssi ambientali, il diodo viene colato in una lente in silicone che, allo stesso tempo, migliora l irradiazione della luce. Struttura di un modulo LED Modulo Lente ponte di collegamento Chip Supporto / involucro Colla conduttiva o saldatura Piastra conduttrice Giunto saldato (ad es. alla piastra conduttrice) Il piccolo chip per LED che emette luce è collocato su un grande elemento termoconduttore per la gestione termica ottimale. La lente effettua la deviazione primaria della luce. 4

5 Strato precaricato positivamente Area di passaggio Strato precaricato negativamente 2.2 Funzionamento del LED Quando il semiconduttore è attraversato da corrente, inizia a illuminarsi, «emette» luce. Nell illuminotecnica questo processo viene chiamato «elettroluminescenza». Poca energia è già suffi ciente per attivare l illuminazione. L energia rilasciata viene convertita in radiazione nel cristallo semiconduttore. Rifl ettori e lenti deviano la luce. I LED funzionano con tensione continua, hanno bisogno di un convertitore come trasformatore di tensione. Al contrario delle lampadine a incandescenza, che emettono uno spettro luminoso continuo, un LED emette luce di un colore specifi co. Il colore della luce dipende dal materiale semiconduttore utilizzato. Si utilizzano prevalentemente due sistemi di materiali (AllnGaP e InGaN) per produrre LED a elevata luminosità di tutti i colori dal blu al rosso e anche in bianco mediante conversione di luminescenza (vedi a pagina 8). Per far funzionare il diodo nel senso di conduzione sono necessarie tensioni diverse. 2.3 Tipi di LED I LED high-power, chiamati anche LED ad alto rendimento, forniscono la massima luminosità. Il LED high-power più piccolo è poco più grande della testa di un fi ammifero, pur fornendo un effi cienza di 100 lumen per Watt (lm/w). I LED low-power, risalgono all era iniziale della tecnologia LED. Sono grandi da tre a cinque millimetri e hanno un angolo di irradiazione che va da 15 a 30 gradi. La marcia trionfale dei LED è iniziata con il LED cablato da 5 mm; oggi i LED low-power vengono impiegati soprattutto nell illuminazione segnaletica. Funzionano con correnti che vanno da 20 fi no a un massimo di 100 milliampere (ma). I modelli Superflux, chiamati anche Spider o Piranha, offrono un fl usso luminoso utile più intenso. In genere funzionano con 70 ma e hanno 4 pin. Questi LED possono accogliere nell involucro anche più chip comandabili separatamente. L angolo di irradiazione va da 90 a 130 gradi. I LED Superfl ux vengono spesso impiegati nell industria automobilistica. 5

6 2.4 Tipi di struttura di LED I LED cablati (LED radiali) risalgono ancora agli albori della tecnologia LED. Il chip LED che si trova all interno è incapsulato da un cappuccio di plastica che lo protegge da eventuali danni. A causa del loro fl usso luminoso utile generalmente ridotto, questi LED low-power vengono utilizzati prevalentemente per segnali semplici. LED cablati I LED COB (= Chip on Board) vengono impiegati per moduli LED particolarmente potenti e compatti. In questa struttura i chip LED «nudi», non incapsulati, vengono incollati direttamente sulla piastra conduttrice e i contatti vengono realizzati tramite i cosiddetti «fi li bond». Una lente epossidica incollata, chiamata «bolla», defi nisce il fascio luminoso che può essere stretto o ampio. I LED SMD (= Surface Mounted Devices) sono prodotti standard estremamente piccoli per la produzione industriale. Vengono incollati direttamente sulla piastra conduttrice e i contatti vengono realizzati nel bagno di saldatura. Anch essi sono già incapsulati come i LED cablati. I LED SMD sono la struttura maggiormente impiegata in moduli o lampade. Le strutture SMD vengono dotate sia di LED low-power, sia di LED high-power. Consentono la produzione industriale di moduli potenti, piatti e sottili. LED COB LED ad alto rendimento Involucro Collegamento Chip Involucro Chip LED + Strato cristallo Strato drogato di tipo P Strato attivo (produzione luce) LED SMD Piastrina con anima metallica Dissipatore di calore Piazzola di saldatura Strato drogato di tipo N Sezione Sezione I diodi luminosi sono utilizzabili per l illuminazione solo quando formano un modulo sulle piastre conduttrici. Il modulo può essere costituito da LED singoli o da più diodi. La piastra conduttrice, chiamata anche piastrina, garantisce alimentazione elettrica, dispersione del calore e comando. I moduli vengono prodotti in modo standardizzato o adeguati alle diverse esigenze dei clienti. Esistono moduli LED lineari, fl essibili e piatti. 6

7 Moduli LED lineari I moduli LED lineari sono particolarmente indicati per gli effetti a illuminazione radente «wall washing» e l illuminazione architettonica. Sottolineano il profilo di facciate e volte e si inseriscono nei canali d uscita più sottili. Consentono di realizzare anche lunghe linee luminose in modo semplice e perfetto. I moduli LED flessibili percorrono curve e bordi con particolare semplicità. Vengono utilizzati per illuminare, o retroilluminare, superfici curve, ad esempio scritte o corrimani. I moduli LED piatti sono generalmente disponibili sotto forma di pannelli LED pronti all uso con superfici diffuse in vetro o plastica. Vengono impiegati ad esempio come piastrelle luminose o soffitti luminosi completi. Con il comando corrispondente si possono realizzare lampade o display di grandi dimensioni. 2.5 Vantaggi della tecnologia LED Moduli LED flessibili Oggi i LED rendono possibili soluzioni inimmaginabili fino a ieri, per l interno o l esterno, per l illuminazione decorativa o funzionale. Il principio di creazione della luce completamente nuovo fa sì che il LED si differenzi dalle altre sorgenti luminose in numerosi punti. I vantaggi in sintesi. Durata estremamente lunga e manutenzione pressoché nulla: i LED contenuti in lampade e moduli hanno una durata di circa ore e oltre. I LED emettono una luce orientata pressoché puntiforme. Come ottica primaria, le lenti consentono una deviazione della luce pressoché senza perdite. I LED producono naturalmente luce colorata che può essere convertita in luce bianca. La resa del colore è di Ra > 80 fino a Ra > 90. I LED hanno un efficienza elevata: l efficienza luminosa delle lampade LED può già essere superiore a 100 lm/w. I LED sono piccoli e consentono di realizzare lampade dalla struttura compatta con profondità d installazione minima. La luce LED è priva di radiazione IR e UV diretta e preserva gli oggetti delicati. I LED sono resistenti a urti e vibrazioni. Ciò rappresenta un vantaggio in particolare nelle applicazioni industriali, nell illuminazione stradale e negli apparecchi mobili. LED forniscono subito una luce senza sfarfallio, sono regolabili in continuo e attivabili a piacimento. La temperatura di colore delle lampade LED può essere modificata con speciali centraline. Ciò fornisce un notevole margine di libertà creativa. I LED sono privi di mercurio e vanno smaltiti come rifiuti elettrici. I LED funzionano perfettamente in presenza di basse temperature ambiente. Moduli LED piatti Quelle: Osram 7

8 2.6 Caratteristiche di qualità I LED non sono tutti uguali, per confrontare la qualità delle lampade e lampadine LED ci si avvale delle indicazioni in materia di gestione termica, condizioni di esercizio, binning e resa del colore. Temperatura di colore e resa del colore La luce dei LED è naturalmente colorata, essi producono una radiazione a banda stretta (monocromatica). Il materiale semiconduttore utilizzato determina la lunghezza d onda e quindi il colore della luce: rossa, verde, gialla o blu. Per produrre la luce bianca, la radiazione monocromatica viene convertita con una sostanza luminescente (fosforizzazione) oppure mediante miscelazione additiva dei tre colori primari secondo il principio RGB. Luce LED bianca mediante conversione di luminescenza Il procedimento attualmente migliore utilizza il principio della conversione di luminescenza e viene impiegato anche per le lampade fluorescenti. Con questo metodo, sopra un chip LED blu viene vaporizzato un sottilissimo strato luminescente di fosforo che converte una parte della luce blu in luce bianca grazie al fosforo giallo. La luce led bianca viene generalmente prodotta in base al principio della conversione di luminescenza: Luce bianca Strato luminescente Chip LED Strato di conversione Luce blu Sopra un chip LED blu viene applicato uno strato sottilissimo di fosforo giallo che trasforma la luce blu in bianca. Concentrazione e composizione chimica della sostanza luminescente devono essere calibrate con la massima precisione per ottenere il colore della luce desiderata. La temperatura di colore fornisce l indicazione se un LED emette una luce calda o fredda. In generale vige la regola: maggiore è la temperatura di colore, tanto più fredda è la luce. Una temperatura di colore da a Kelvin (K) contraddistingue una luce bianca calda, oltre K il colore della luce è bianco neutro, a partire da K la luce è bianca diurna K corrisponde alla consueta luce della lampadina a incandescenza. 8

9 Spettro del LED 1 0,8 Watt 0,6 0,4 0, Nanometro Con il procedimento di luminescenza si può determinare il colore della luce con precisione, la sua omogeneità è assicurata mediante binning. Ulteriori vantaggi di questo metodo sono i flussi luminosi relativamente elevati e la buona resa del colore fino a Ra 90. La resa del colore della luce bianca calda (da a K) è spesso migliore di quella dei LED bianco neutro o diurno, ma in genere l efficienza dei chip LED bianco caldo è purtroppo minore. Al contrario, i LED con colori della luce più freddi sono in genere più efficienti, ma hanno anche una resa del colore un po inferiore. Una buona soluzione è data dalla miscelazione di luce LED bianca di colori della luce diversi, che garantisce un eccellente resa del colore con efficienza elevata. Luce LED bianca mediante miscelazione dei colori RGB (miscelazione additiva dei colori) Un altra possibilità di produrre luce LED bianca è la miscelazione di luce colorata di diversa lunghezza d onda. Questa miscelazione additiva dei colori rosso, verde e blu (RGB) può produrre milioni di tonalità e anche la luce bianca. Le soluzioni RGB sono particolarmente indicate per le applicazioni con illuminazione cromodinamica, ad es. per l allestimento di facciate. Per ottenere la luce bianca con la miscelazione dei colori RGB occorre controllare esattamente i LED colorati. In tal caso la resa del colore della luce bianca da Ra 70 fino a 80 è inferiore rispetto a quella ottenuta con il procedimento di luminescenza. I sistemi di illuminazione dinamici, in cui la luce cambia intensità e temperatura di colore, supportano il nostro ritmo biologico. Lampade e sistemi di controllo intelligenti consentono di cambiare il colore da bianco caldo a bianco freddo seguendo il modello della luce diurna. Questa tecnologia è utile ad esempio nell illuminazione dell ufficio o nelle scuole perché atmosfere luminose alternanti influiscono in modo positivo sul benessere e sull efficienza delle persone. Per queste applicazioni le nuove tecnologie combinano chip colorati e LED bianchi, creando così una luce bianca dinamica variabile con una buona resa del colore. Il controllo è affidato a una gestione elettronica della luce. 9

10 Binning La qualità dei LED viene definita, tra l altro, mediante il cosiddetto Binning. Nella produzione industriale di chip LED si verificano continuamente scostamenti all interno di diversi lotti di produzione. Le caratteristiche illuminotecniche possono variare in colore e luminosità. Per poter garantire una qualità della luce costante con lo stesso livello di luminosità e colore unitario della luce, occorre fare la cernita dei LED di un lotto. Questi vengono suddivisi in cosiddetti bin (inglese per contenitore). Il processo di binning è particolarmente importante per i LED bianchi. Criteri di selezione importanti in fase di Binning: flusso luminoso (lm) temperatura di colore (Kelvin) punto di colore tensione diretta (Volt) Classificazione secondo ANSI e MacAdams Oggi i LED vengono classificati in base allo standard ANSI (ANSI = American National Standards Institute) che definisce gli scostamenti di crominanza con l ausilio delle ellissi di Mac- Adams. Le indicazioni dell ellisse di MacAdams forniscono un punto di riferimento all utente in merito all entità della diversificazione dei singoli moduli LED ad es. per quanto riguarda la percezione del colore. Ciò è molto importante per un aspetto uniforme. Fonte: Foto von Tyler Nienhouse Nella teoria si parla di un MacAdams non appena è riconoscibile una differenza visiva per quanto riguarda la percezione del colore. Poiché questa condizione di laboratorio non si verifica in normali applicazioni di illuminazione, ad es. tramite riflessioni di superfici colorate, già 3 ellissi di MacAdams sono considerate molto pregiate K 3000 K 3500 K 4000 K Ellissi di MacAdams 10

11 La corrente costante protegge i LED Condizioni di esercizio ottimali sono importanti per la lunga durata dei LED. Tra queste rientra la regolazione precisa della corrente costante. I diodi hanno una curva caratteristica correntetensione con crescita esponenziale. Già piccole variazioni di tensione possono distruggere il chip LED, pertanto i LED non dovrebbero essere mai collegati direttamente a una sorgente di tensione, bensì tramite il cosiddetto convertitore. Efficienza L efficienza viene indicata in lumen per Watt (lm/w) e indica il rapporto tra il flusso luminoso della lampada e la potenza alimentata. La quantità di energia effettivamente risparmiata da un impianto di illuminazione a LED, tuttavia, non dipende solo dall efficienza luminosa dei diodi utilizzati, bensì sono determinanti i seguenti fattori: l interazione con le ottiche e gli apparecchi di esercizio, la deviazione della luce nella lampada, le condizioni ambientali. Durata Le lampade LED e i moduli LED hanno in genere una durata di ore e oltre. Nel raffronto, una lampadina alogena a incandescenza funziona in media ore, una lampada fluorescente sul reattore elettronico circa ore. In pratica ciò significa che una lampada LED in funzione 250 giorni lavorativi all anno per undici ore al giorno dura circa 18 anni. Ciò consente di risparmiare sui costi per la manutenzione e la sostituzione di lampadine. Le lampadine LED, i cosiddetti retrofit, hanno una durata minore a causa della loro struttura piuttosto sfavorevole per i diodi. Ciononostante sono anch esse un ottima scelta con una durata media di circa ore. Diversamente dalle lampadine convenzionali, i LED hanno raramente un avaria, invece la loro luminosità diminuisce lentamente, tra l altro perché il cristallo semiconduttore presenta un numero sempre maggiore di impurità. Questo deterioramento, chiamato anche degradazione, è influenzato dai seguenti fattori: temperatura di esercizio temperatura ambiente alimentazione a corrente costante tipo di semiconduttore opacamento delle ottiche Temperatura e gestione termica La temperatura influisce sull efficienza delle lampade e lampadine LED. Come tutte le sorgenti luminose, anche i LED producono calore. A differenza delle sorgenti luminose convenzionali, il calore viene rilasciato verso il retro. Una sottrazione di calore ottimale, la cosiddetta gestione termica, costituisce il fondamento per indicazioni affidabili relative a durata ed efficienza luminosa. Il calore viene evacuato attraverso la piastrina e l involucro della lampada (raffreddamento passivo). Un collegamento fisso di ampie dimensioni tra piastra conduttrice e involucro favorisce la dispersione del calore. In alcuni modelli di lampada le alette di raffreddamento ingrandiscono la superficie abbassando così la temperatura, in altri tipi di strutture si utilizzano aria o acqua per il raffreddamento attivo. Il collegamento termico tra la piastrina e il dissipatore di calore è determinante per una gestione termica funzionante. Su tale base si possono distinguere le lampade di qualità dai prodotti economici. Tener conto anche delle indicazioni del produttore in merito ai valori soglia di temperatura consentiti per il funzionamento del convertitore, al fine di garantire un funzionamento ottimale. 11

12 Comportamento termico dei LED La qualità di un modulo LED è determinata anche dalla frequenza d incidenza dei guasti e dalla riduzione del flusso luminoso nell arco della sua durata. Un LED è costituito da due componenti di base, il LED «Dice» (chip) e lo strato di fosforo. Entrambi sono molto sensibili alla temperatura. Quanto più elevata, è la temperatura, minore è l efficienza e di conseguenza aumentano le variazioni di colore. Nell arco della propria durata i moduli LED perdono luminosità a causa di alterazioni chimiche e fisiche. Questo processo (degradazione) è indicato con L ed è generalmente pari al 30 %. Dopo ore resta pertanto il 70 % del flusso luminoso iniziale (L70). Alla grandezza L è direttamente correlata la grandezza B, che indica la percentuale dei moduli che può risultare inferiore al valore L. L indicazione comune è B50. Pertanto, dopo ore il 50 % dei moduli può risultare inferiore al valore L70. Dal termine della durata L70 fino all effettiva inutilizzabilità del LED possono trascorrere ancora diverse decine di migliaia di ore di funzionamento. L incidenza dei guasti consueta per i moduli LED è pari allo 0,2 % per ogni ore, ciò significa che dopo ore può smettere di funzionare fino al 10 % dei moduli. L incidenza dei guasti è indicata con C. Mettendo in relazione le grandezze C e B si ottiene F, che tiene conto degli effetti del deterioramento e dell avaria totale di un modulo LED. L esempio che segue illustra gli effetti della temperatura sulla durata e sul flusso luminoso di un LED (faretto da 2000 lm): SLE G4 15 mm 2000 lm 8x0 ADVANCED Modalità operativa Temperatura tp L90 / F10 L90 / F50 L80 / F10 L80 / F50 L70 / F10 L70 / F50 HE NM HO 65 ºC h > h > h > h > h > h 75 ºC h > h > h > h > h > h 85 ºC h h > h > h > h > h 65 ºC h > h > h > h > h > h 75 ºC h h > h > h > h > h 85 ºC h h h > h > h > h 65 ºC h h > h > h > h > h 75 ºC h h > h > h > h > h 85 ºC h h h > h > h > h HE = High Efficiency; NM = Nominal; HO = High Output, analogamente alle denominazioni dei tubi fluorescenti; Modalità operativa = alimentazione del LED (influisce su flusso luminoso e degradazione; Temperatura Tp = punto di temperatura sulla piastrina In sintesi ciò significa L70 / B50: 30 % di riduzione del flusso luminoso / 50 % dei LED possono risultare inferiori a L70 L70 / C10: 30 % di riduzione del flusso luminoso / 10 % d incidenza dei guasti L70 / F10: 30 % di riduzione del flusso luminoso / 10 % dei LED inferiori a L70 o in avaria Nell impiego di lampade LED occorre fare attenzione alle indicazioni del produttore in merito a riduzione del flusso luminoso e incidenza dei guasti, perché un LED di qualità migliore consente di ridurre al minimo reclami ed effetti di luce sgradevoli. 12

13 Il flusso luminoso espresso in lumen (lm) dipende dall intensità della corrente nell apparecchio di esercizio (driver). Le correnti comuni dei driver sono 350 / 500 / 700 / 1050 ma. Maggiore è la corrente del driver, più intenso è il flusso luminoso. Il flusso luminoso dipende anche dal colore della luce. Più «fredda» è la luce (alta temperatura di colore ad es K), maggiore è il flusso luminoso. La chiave per la qualità della luce Il codice fotometrico definisce la qualità della luce delle lampade LED. Le sei cifre definiscono resa del colore, temperatura di colore, ellissi di MacAdams all inizio e trascorso il 25 % della durata di funzionamento e flusso luminoso trascorso il 25 % della durata di funzionamento. Le ellissi di MacAdams servono a determinare le variazioni cromatiche visive. Fino a tre MacAdams le tolleranze di colore sono in pratica impercettibili. Alla presenza di variazioni maggiori, le differenze di colore diventano visibili e possono accentuarsi ulteriormente nell arco della durata. Chiavi del codice fotometrico, ad es. 830 / 349 Code 1a cifra 2a + 3a cifra 4a cifra 5a cifra 6a cifra CRI Temperatura di colore in Kelvin x 100 MacAdams all inizio MacAdams trascorso il 25% della durata di funzionamento (max h) Flusso luminoso trascorso il 25 % della durata di funzionamento (max h) Code Flusso luminoso % % % Flusso luminoso relativo in % L 80 a h L 70 a h L 90 a h Rappresentazione semplificata Durata di funzionamento in ore Rappresentazione schematica dell andamento del flusso luminoso nella durata di funzionamento Fonte: Guida ZVEI «Planungssicherheit in der LED-Beleuchtung» (Sicurezza di progettazione nell illuminazione LED) 13

14 Lista di controllo per la scelta delle lampade Per la scelta di lampade e lampadine fare attenzione ai parametri riportati di seguito: Potenza nominale delle lampade P in Watt Questo valore è utilizzato per la progettazione dell assorbimento di energia e comprende l assorbimento di corrente di tutti i componenti incorporati nella lampada e necessari per il suo funzionamento (incluso l apparecchio di esercizio). Flusso luminoso nominale delle lampade v (in lm) Il flusso luminoso nominale di una lampada indica tutta la potenza di radiazione che emette in tutte le direzioni nel campo visibile. Si riferisce sempre al valore del flusso luminoso indicato per la lampada nuova, che viene emesso dalle sorgenti luminose a semiconduttori presenti nella lampada in determinate condizioni d esercizio. Per il valore del flusso luminoso indicato per l intera lampada, viene presupposta una temperatura ambiente di 25 C, laddove non vengano fornite informazioni diverse. Efficienza luminosa delle lampade v (in lm/w) L efficienza luminosa delle lampade è descritta come il quoziente tra il flusso luminoso emanato e la potenza elettrica assorbita. Distribuzione dell intensità luminosa delle lampade La distribuzione spaziale dell intensità luminosa di una sorgente luminosa è descritta per mezzo di curve di distribuzione dell intensità luminosa. Le sezioni create dall asse verticale rappresentano le curve di distribuzione dell intensità luminosa (LVK) nei piani C e sono documentate in coordinate polari, dove i valori dell intensità luminosa della lampada sono rappresentati in condizioni d esercizio standardizzate. Tali valori sono indicati con l unità candela (cd). Qualità del colore La qualità del colore della luce bianca è contrassegnata con le seguenti caratteristiche: colore della luce, descritto con la temperatura di colore più simile T in Kelvin (K), resa del colore, descritta con l indice di resa del colore Ra, tolleranza del punto di colore, descritta con le ellissi di MacAdams e il binning. Temperatura ambiente nominale La temperatura ambiente influisce sul funzionamento di una lampada e lampadina. Tale valore fissa la massima temperatura ambiente nominale in cui la lampada può funzionare nel rispetto di tutti i parametri rilevanti ai fini della sicurezza. Alla presenza di un valore ta = 25 C non occorre alcuna indicazione sulla lampada, i valori che si discostanovanno contrassegnati. Lampade LED Criteri di durata per lampade/lampadine LED Durata nominale Lx in cui il flusso luminoso si riduce a una percentuale x del flusso luminoso originario nell arco di un periodo di tempo definito in precedenza. Degradazione del flusso luminoso (L x B y ) Avaria totale (L 0 B z ) Riduzione del flusso luminoso By Indicazione della percentuale delle lampade/lampadine LED che al termine della durata definita scendono al di sotto del flusso luminoso auspicato (vedi x di Lx); criterio secondo ZVEI (Federazione Centrale dell Industria Elettrotecnica ed Elettronica): B50 Criteri di durata delle lampade LED. Fonte: Guida ZVEI «Planungssicherheit in der LED-Beleuchtung» (Sicurezza di progettazione nell illuminazione LED) Avarie totali Cz Percentuale di lampade/lampadine LED che hanno smesso completamente di funzionare prima di raggiungere il termine della durata nominale Lx. 14

15 Nuova Graduale L x B y Improvvisa L 0 C z oppure Lampada LED 100 % Degradazione del flusso luminoso lampada LED Avaria totale lampada LED Rappresentazione della situazione di errore di una lampada (nuova, degradazione e avaria totale), fonte: Guida ZVEI «Planungssicherheit in der LED-Beleuchtung» (Sicurezza di progettazione nell illuminazione LED) 2.7 Tecnica convenzionale o LED? L efficienza luminosa in lumen/watt serve da parametro per raffrontare l efficienza di lampadine e lampade. In tal senso occorre distinguere tra valori puri della lampada e valori finali della luce. Ottiche, filtri, riflettori ecc. influiscono sull efficienza luminosa, pertanto è importante confrontare tra loro i dati corretti. Nell illuminazione professionale si raffrontano i gradi di efficacia delle luci (prestazione del sistema). Grazie alla loro diffusione puntiforme della luce, le lampade LED raggiungono in genere gradi di efficacia più elevati rispetto alle lampade convenzionali. Raffronto dell efficienza delle lampadine Lampada alogena a basso voltaggio, QT 12, 75 W Lampada fluorescente compatta TC-D, 18 W, 840 Lampada fluorescente compatta TC-L, 55 W, 840 Lampada fluorescente T16 35 W, 840 (a 35 C) Lampada alogena a vapore metallico HIT 35 W, 930 LED Retrofit 5 W Modulo LED 20 lm/w 67 lm/w 87 lm/w 103 lm/w 104 lm/w circa 50 lm/w circa 99 lm/w Raffronto dell efficienza delle lampade (funzionamento con reattore elettronico) Downlight con TC-DEL 18 W, lm/w grado di efficacia 66 % Lampada da incasso a soffitto TC-L, 55 W, lm/w grado di efficacia 79 % Lampada da incasso a soffitto con T16, 35 W, lm/w grado di efficacia 72 % Downlight con LED 25 W, lm/w grado di efficacia 97 % Lampada da incasso a soffitto con LED 44 W, lm/w grado di efficacia 100 % Il raffronto mostra che l efficienza delle lampade LED è maggiore di quella delle lampade convenzionali, in virtù del loro grado di efficacia superiore. Le lampadine LED presentano in genere luminanze maggiori rispetto alle lampade fluorescenti. Alla sostituzione di una lampadina occorre verificare abbagliamento ed effetto luce. 15

16 3.0 Applicazione LED 3.1 Dove è opportuno utilizzare i LED? Oggi l impiego di lampadine e lampade LED è utile in numerose applicazioni. Nonostante l euforia per i LED spesso predominante, la tecnica convenzionale ha ancora la sua ragion d esistere in tanti casi. Non solo, in alcune applicazioni l impiego di LED è antieconomico perché determina costi troppo elevati. Le lampade fluorescenti e le lampade alogene a vapore metallico rientrano tra le lampade più efficienti oltre ai LED. In virtù della sua forma tubolare, la lampada fluorescente è predestinata all illuminazione generale diffusa e uniforme. La lampada alogena a vapore metallico continua a essere molto richiesta come sorgente luminosa diretta perché la sua luce è molto brillante. D altra parte non è regolabile e impiega un po di tempo a sviluppare il suo flusso luminoso utile pieno. Verificate esattamente le esigenze dei vostri clienti per trovare il sistema di luci giusto per qualità ed efficienza ottimali. L impiego di LED è indicato nelle applicazioni più disparate. Nell illuminazione di negozi: in questi casi i LED convincono per la loro ottima resa del colore, i colori dei materiali sono inalterati. Poiché nelle lampade LED il calore viene rilasciato verso il retro, diminuisce la temperatura sulla merce, con un conseguente influsso positivo sulla climatizzazione e sul benessere dei clienti. La luce dei LED non ha alcuna percentuale di UV, pertanto la merce non sbiadisce. Nell illuminazione di musei: Le potenze ridotte delle lampade LED e la percentuale a infrarossi minima consentono di ridurre i danni alle opere d arte. In ufficio e a scuola: grazie a ottiche adeguate, la sorgente luminosa puntiforme può produrre una luce estesa senza riflesso. Anche in questo caso efficienza elevata, lunga durata e ottima resa del colore rappresentano un vantaggio. Nell illuminazione all aperto le luci LED sono indicate per risaltare le facciate e per l illuminazione pubblicitaria. Nei luoghi difficilmente accessibili si distinguono per un onere di manutenzione minimo. Inoltre, le temperature fredde influiscono in modo positivo sulla loro durata. Per l illuminazione colorata: ovunque la luce colorata deve essere prodotta in modo efficiente, il LED è in netto vantaggio. Non richiede infatti alcun filtro di colore che diminuisce il flusso luminoso e compromette l efficienza. L illuminazione di emergenza è un settore di utilizzo classico per le luci LED. Grazie all avvio immediato e alla luce senza sfarfallio con consumo energetico minimo sono predestinate a questo impiego. Lo stesso vale per il funzionamento sui rilevatori di movimento. L impiego di Luci LED nell industria, per l illuminazione stradale e di centri sportivi, deve essere verificata di caso in caso. Per i punti luce ad altezze elevate, costi ed efficienza delle soluzioni LED devono essere confrontati con le tecniche convenzionali. Per fornire un argomentazione competente consigliamo di effettuare i calcoli di redditività che vengono offerti da numerosi produttori e progettisti dell illuminazione. Solo dopo una verifica precisa di tutti i fattori d influenza si può esprimere un affermazione affidabile. Oltre ai costi d investimento per un impianto di illuminazione, andrebbero valutati anche il consumo energetico nell arco della durata, nonché i costi per la manutenzione e il personale. 16

17 3.2 Calcolo del potenziale di risparmio energetico dell illuminazione Immobile / cliente: Elettro-Materiale SA Data: Espositore: M. Muster Costi di corrente kwh 0.15 CHF / kwh Durata di funzionamento al giorno/in h 10 ore Giorni alla settimana 5 giorni Giorni al mese 22 giorni Ore di esercizio all anno ore / anno Costi di manutenzione / sostituzione 90. CHF / ora Tempi di manutenzione / sostituzione 5 minuti / lampadina Lampadine esistenti; Tipo: alogene Lampadine nuove; Tipo: LED Assorbimento di corrente delle lampadine 60 Watt 5.5 Watt Numero delle lampadine 20 lampadine 20 lampadine Costi unitari per le lampadine 8. CHF CHF Intervallo di manutenzione per le lampadine (durata delle lampadine) ore ore Costi di corrente all anno (CHF / anno) CHF CHF Calcolo Return On Invest Lampadine esistenti; Tipo: alogene Lampadine nuove; Tipo: LED Totale Totale Costi di corrente all anno CHF CHF CHF CHF Costi per le lampade 160. CHF 790. CHF Ore / anno Costi unitari 8. CHF CHF Quantità Nuovi raccordi 0 0 Costi di ristrutturazione 0. CHF 0. CHF Manutenzione 132. CHF 7.92 CHF Lampade di ricambio circa 18 lampadine CHF circa 1 lampadina CHF Totale 908. CHF CHF Risparmi Costi di corrente Risparmio sui costi di manutenzione Totale Investimenti Lampade a risparmio energetico Costi di ristrutturazione Totale ROI mesi CHF CHF CHF 790. CHF 0. CHF 790. CHF Utilizzando le nuove lampadine: «LED» 17

18 3.3 Lampadine LED Le lampadine LED retrofit sostituiscono le lampadine convenzionali senza dover sostituire la lampada. Sono dotate di portalampada a vite o a innesto. L apparecchio di esercizio e il dissipatore di calore sono integrati nella lampadina.le lampadine LED sono disponibili in numerose varianti e colori della luce, si contraddistinguono per efficienza energetica elevata e una buona resa del colore. A seconda del sistema possono essere anche regolate. Nella classica «forma a pera» e con portalampada a vite E14 o E27 le lampade LED sostituiscono le tradizionali lampadine a incandescenza. Con diversi portalampada a innesto sono un ricambio efficiente per lampadine a incandescenza e lampadine alogene a incandescenza. La sostituzione di lampade fluorescenti con LED retrofit va verificata in modo accurato. Illuminamento e uniformità cambiano a causa del flusso luminoso e della geometria di irradiazione modificati. Un tecnico specializzato dovrebbe verificare se è opportuno sostituire i reattori. Le lampadine LED non ottengono la performance di sistemi LED completi, perché le lampade esistenti non sono ottimizzate per il funzionamento con i LED e la gestione termica necessaria per i retrofit deve essere garantita in uno spazio esiguo all interno della lampada. Come alternativa a risparmio energetico sono comunque una buona scelta per la sfera privata o nei piccoli uffici: una lampadina LED a luce bianca calda da 8 Watt arriva infatti a circa ore di esercizio, tre ore di funzionamento al giorno per quasi 25 anni. In tal modo le lampadine LED surclassano anche la lampada a risparmio energetico. Le lampadine LED sono disponibili in diverse tonalità di bianco e anche nella variante colorata. 3.4 Lampade LED Il LED è una sorgente luminosa efficiente sia per l illuminazione di risalto, sia per l illuminazione generale. Nell illuminazione professionale i LED vengono provvisti di ottiche corrispondenti per le varie applicazioni. In tal modo la luce puntiforme può essere diffusa senza riflesso. Le lampadine LED retrofit intercambiabili vengono utilizzate principalmente nell illuminazione decorativa, quindi per l impiego domestico. Risparmiare fino all 80 % di energia Sostituendo una lampadina a incandescenza da 60 Watt inefficiente, che ormai non può più essere immessa nel mercato, con una lampada LED da 11 o 12 Watt si risparmia l 80 % di energia e i costi della corrente corrispondenti. I produttori di lampade differenziano i prodotti per l illuminazione di risalto, quali fari, downlight da incasso, e i sistemi di luci modulari ad es. per l illuminazione di scaffalature. Le lampade per l illuminazione generale comprendono downlight, faretti da incasso, lampade applicate e a sospensione, piantane e lampade a parete, sistemi a banda luminosa e lampade da esterno. Un settore di utilizzo importante per le lampade LED è l illuminazione di sicurezza. Le lampade LED si differenziano in base al loro comando. Si può scegliere tra i seguenti sistemi: lampade comandate da tensione / Lampadine lampade comandate da corrente / Lampadine lampade / lampadine ad alto voltaggio 18

19 3.5 Lampade comandate da tensione / Lampadine Il numero delle lampade per ogni apparecchio di esercizio varia in funzione della loro potenza complessiva. In genere sono comandate a 10, 12 o 24 V. Le lampade comandate da tensione vengono collegate tra loro in parallelo. Queste lampade vengono impiegate prevalentemente nell ambito decorativo. Si prega di osservare le indicazioni dei rispettivi produttori in merito alle lunghezze massime di linea in relazione al diametro del conduttore V AC L N U costante + U in TALEXX converter U in LCU - - P = U x I (potenza = tensione x corrente) U = P/ I I = P/ U I variabile Lampade comandate da corrente / Lampadine Il numero dei LED comandati da corrente per ogni apparecchio di esercizio varia in funzione della potenza elettrica e della tensione messe a disposizione dall alimentatore. L efficienza è maggiore rispetto ai LED comandati da tensione. In genere funzionano con un alimentatore di rete a corrente costante da 350 ma, 500 ma o 700 ma ecc. Queste lampade vengono collegate tra loro in serie. Si prega di osservare le indicazioni dei produttori per quanto riguarda la tensione in uscita onde garantire la protezione delle persone. A seconda del convertitore possono fuoriuscire tensioni oltre il limite SELV di 60 V V AC L N U variabile + U in - U in TALEXX converter LCI + - I costante P = U x I (potenza = tensione x corrente) U = P/ I I = P/ U 19

20 3.7 Lampade/lampadine ad alto voltaggio Queste lampade sono facili da installare e in genere sono regolabili. SELV La denominazione SELV significa Safety Extra Low Voltage. Le lampade LED funzionanti a tensione costante sono solitamente nell intervallo SELV (fanno eccezione le Lampade AC collegate direttamente alla rete). Presupposto fondamentale per la SELV è, oltre al rispetto delle soglie massime di tensione previste dalla legge, anche un convertitore dotato di separazione galvanica sul lato in ingresso. Il lato del carico deve essere protetto dalla rete mediante isolamento doppio o rinforzato. Per SELV vale : fino a AC 50 V RMS e DC 120 V (nessun contatto) > limite massimo di SELV P N fino a AC 25 V RMS e DC 60 V (contatto possibile) > ambiente asciutto, senza isolamento o protezione da contatto fino a AC 12 V RMS e DC 30 V (contatto possibile) > ambiente umido, al di sotto di questi valori non è necessaria alcuna protezione ma (2-74 V) SELV 15 x 3.5 V = 52.5 V 33.7 V V V V 350 ma Non-SELV 135 V ma (2-74 V) SELV 20 x 3.5 V = 70 V Isolamento / protezione da contatto 1400 ma 4 x 350 ma SELV 33.7 V Oltre l intervallo SELV o in presenza di > 60 V DC SELV, il LED deve essere protetto da qualsiasi contatto. Funzionamento di più moduli con un apparecchio di esercizio (SELV) 20

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