L illuminazione del futuro: i LED e il loro controllo. 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 1

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1 L illuminazione del futuro: i e il loro controllo 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 1

2 Classificazione delle sorgenti luminose 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 2

3 Rendimento delle lampade Ogni tipo lampada ha un suo rendimento Lampade a incandecenza: SCARSO Lampade ALOGENE: MEDIO Lampade al NEON o risparmio energetico: ALTO 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 3

4 Rendimento delle lampade Rendimento nei OTTIMO 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 4

5 Luce e Sorgenti luminose Il flusso luminoso rappresenta l'energia totale irradiata in ogni secondo dalla sorgente di luce,riferita alla sensibilità spettrale relativa dell'occhio umano. Il simbolo del flusso luminoso è Φ. L'unità di misura è il lumen (simbolo lm). Flusso luminoso tipico di alcuni tipi di lampade: incandescenza 100W/220V 1250 lm fluorescente 40W/220V 3200 lm alogena 300W 6600 lm al sodio ad alta pressione 100W lm ad alta pressione a ioduri metallici 2000W lm 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 5

6 Luce e Sorgenti luminose Relazione tra watt e lumen Per convenzione si assume che ad una radiazione monocromatica alla lunghezza d onda λmax=555 nm corrispondano 683 lm per ogni watt Efficienza luminosa Si definisce: efficienza luminosa di una lampada il rapporto tra la il flusso luminoso da essa emesso (espresso in lumen) ed il valore della potenza elettrica (espresso in watt) da essa assorbita. L unita di misura è [lm/w] Essa varia da 14 lm/w per le lampade ad incandescenza tradizionali da 100 W A circa 100lm/W per più efficienti, fino a 200 lm/w per quelle a vapore di sodio a bassa pressione di colore giallo. 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 6

7 Lampade a incandescenza OSRAM CLAS A CL 100W 1330/100 = 13,3 Lumen/W 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 7

8 Lampade fluorescenti Tubo OSRAM 58 W 4900/58 =84 Lumen/W 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 8

9 ad alta efficienza Power FLux 22 lumen a 250mW 88 Lumen/W 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 9

10 ad alta efficienza,altri vantaggi Power FLux 22 lumen a 250mW 88 Lumen/W Disponibilità di diversi colori (anche nello stesso contenitore!) Funzionamento a bassa tensione Durata elevatissima tipica ore= 136 anni se tenuti accesi 24h/24 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 10

11 Luce e Sorgenti luminose Il nostro occhio è sensibile solo ad alcune lunghezza d'onda consentendoci di percepire un colore diverso per ogni diversa lunghezza d'onda. 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 11

12 Luce e Sorgenti luminose La sensibilità dell occhio umano dipende anche dalla intensità globale della luce percepita. (condizioni giorno/notte) Occhio in luce diurna Visione fotopica (coni) Occhio adattato all oscurita` visione scotopica (bastoncelli) 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 12

13 Luce e Sorgenti luminose Il intensità luminosa I è il flusso irradiato in una determinata direzione, per unità di angolo solido. L'unità di misura è la candela (cd) C Si ricorda che la superficie della sfera è pari a 4 π r 2, con r=raggio della sfera 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 13

14 Luce e Sorgenti luminose Considerando una sorgente luminosa ideale che distribuisca in modo uniforme il proprio flusso luminoso, l'intensità luminosa è: I tot = Φ 4π con 4 π steradianti angolo solido della sfera 1 steradiante (sr) corrisponde ad un area delimitata dal cono di centro C, pari a r 2 L unità di misura dell intensità luminosa è la candela (cd) 1 cd =lm / sr Esempio: una lampada 100W ad incandescenza con flusso uniforme di 1250 lm presenta in tutte le direzioni una intensità luminosa di I = = 100cd 4π N.B. Da qui si deduce come in passato si indicasse (erroneamente) una lampada da 100W come lampada da 100 candele 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 14

15 Luce e Sorgenti luminose ogni lampada reale distribuisce il proprio flusso luminoso in modo non uniforme, la distribuzione della luce di una lampada è indicata dalla cosiddetta: curva fotometrica: N.B. La lampada ideale con distribuzione uniforme della luce, avrebbe come curva fotometrica una sfera che, vista in pianta o prospetto, sarebbe una circonferenza 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 15

16 Luce e Sorgenti luminose L illuminamento è il valore del flusso luminoso che incide sull'unità di area. Il simbolo è E; l'unità di misura è il lux. Il valore dell'illuminamento medio (Em) in corrispondenza di un piano di area A su cui incida, distribuendosi in modo uniforme, un flusso luminoso F è dato Em = Flussoincidente Area Se il flusso è espresso in lumen e l'area in m 2, Em risulta espresso in lux. Aree sup. sferiche: 3.14 m 2 100lux m 2 100/4 = 25 lux m 2 100/9 = 11.1 lux 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 16

17 Diodo al silicio Curve caratteristica Complessiva I(mA) Vbr = tensione di Breakdown (50V) Vbr Io V V(V) ( µ A) 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 17

18 Illuminazione a Caratteristiche dei Ogni colore ha la sua tensione I.R. = 1,5 V Red, Green, Yellow 2 V Blue, White = 3,5 V 12Vdc V1 R 500 ohm DL1 Max tensione inversa 6V GND 0 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 18

19 Illuminazione a Calcolo della resistenza serie del : Supponendo la caduta sul di 2 V circa, e volendo dimensionare la resistenza per Iled=25mA: R = Vr / ILed = (V1-Vled)/Iled = (12-2 ) /0,025 = 500 ohm 12Vdc V1 R 500 ohm DL1 GND 0 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 19

20 Illuminazione a Calcolo delle potenze: Supponendo la caduta sul di 2 V circa, e volendo dimensionare la resistenza per Iled=25mA: P R = V R I = (12-2)0,025 =0,25 W P Batt = V I = 12 0,025 = 0,30 W 12Vdc V1 R 500 ohm DL1 P = V I = 2 0,025 = 0,05 W GND RENDIMENTO : = Passorbita Putile η = 0,05 0,3 = 16,6% 0 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 20

21 Illuminazione a 4 Led rossi in serie Calcolo della resistenza serie del : R 160 ohm DL1 Supponendo la caduta sui sia di 2 V per ciascuno, e volendo dimensionare la resistenza per Iled=25mA: 12Vdc V1 DL2 R = Vr / ILed = (V1-Vled)/Iled = ( ) /0,025 = 4/0,025= 160ohm DL3 = Passorbita Putile η = 0,2 0,3 = 66,6% 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 21 GND 0 DL4

22 Illuminazione a È necessaria la resistenza? Putile η = Passorbita 0,2 = = 66,6% 0,3 Regolatore R I= ma ohm DL1 Si, in questo tipo di circuito con tensione costante serve a limitare la corrente sui led. 12Vdc V1 DL2 Per aumentare l efficienza, del sistema complessivo è possibile sostituirla con un regolatore a corrente costante DL3 DL4 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 22 GND 0

23 Illuminazione a Quale funzione svolge il regolatore? Mantiene la corrente fissata i=25 ma per qualsiasi valore di tensione di alimentazione entro ampi limiti. Regolatore R I= ma ohm DL1 V1 >(N V ) + 2 V Se utilizzo 22 Led e V1= 48 V 12Vdc V1 DL2 P R = V REg I = (4)0,025 =0,1 W DL3 P Batt = V I = 48 0,025 = 1,20 W DL4 P = V I = 44 0,025 = 1,1 W Putile = Passorbita 1,1 = 1,2 Rendimento : η = 91,6% 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 23 GND 0

24 Illuminazione a Quale funzione svolge il regolatore? Protegge i diodi da eventuali sbalzi di tensione Se V1 cresce di 10 V, cresce la d.d.p. ai capi del regolatore ma NON la corrente su tutti i diodi (Ovviamente il regolatore deve essere predisposto per sopportare l eccesso di potenza) 12Vdc V1 Regolatore R I= ma ohm DL1 DL2 DL3 Se V1 scende al di sotto della tensione minima la corrente fornita dal regolatore non sarà adeguata, ed i diodi si accenderanno con minor luminosità DL4 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 24 GND 0

25 Illuminazione a Diodi in parallelo Regolatore 100mA R Per evitare disparità di illuminazione tra le varie file di occorre che D1 160 ohm DL1 D1 D1 D2 D2 D2 D1 D2 siano selezionati in numero abbastanza elevato 12Vdc V1 D3 D4 DL2 D3 D4 D3 D4 D3 D4 È possibile inserire un piccola resistenza serie in coda ad ogni fila di led D5 D6 D7 DL3 DL4 D5 D6 D7 D5 D5 D6 D6 D7 D7 GND 0 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 25

26 Variazione di luce nei Tecnica PWM = Pulse Width Modulation 20 % dell energia sul 20% della luce 50% dell energia sul 50% della luce 80% dell energia sul 80% della luce 100% dell energia sul 100% della luce: luce Max Corrente continua T Quanto deve valere T? Oppure F=1/T? 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 26

27 Variazione di luce nei Tecnica PWM = Pulse Width Modulation Quanto deve valere T? Oppure f=1/t? Per evitare fastidiosi sfarfallii f>25 Meglio se, almeno 100Hz come nei nuovi TV LCD!! T 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 27

28 Variazione di luce nei Durano meno i se accesi e spenti così spesso? NO! Non avendo un filamento come nelle lampade a incandescenza, la loro durata rimane invariata purchè si rispettino i valori massimi di Corrente, Tensione, Dissipazione termica Nei più potenti (da 1W in su) è infatti necessario aggiungere un dissipatore di calore 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 28

29 Illuminazione a Regolatore elettronico PWM In alternata Regolatore corrente oppure R D1 D1 D1 D1 D2 D2 D2 D2 J1 D3 D3 D3 D3 1 2 AC VAC DC D4 D4 D4 D4 Convertitore AC/DC stabilizzato D5 D5 D5 D5 Vin Vac Vout 15V +/- 0,2V D6 D6 D6 D6 Putile Putile η = η( Convertitore) = 0,92 = 85 90% Passorbita Passrobita D7 D7 D7 D7 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 29

30 Fine. Per restare aggiornati sulle prossime conferenze consultare il sito 11/04/2010 x I.T.I.S. F.Corni - Modena - ing.g.vicenzi 30