LED Lighting Funzioni e specifiche tecniche. prof. arch. Gianni Forcolini Facoltà del Design - Dipartimento INDACO Politecnico di Milano

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1 LED Lighting Funzioni e specifiche tecniche prof. arch. Gianni Forcolini Facoltà del Design - Dipartimento INDACO Politecnico di Milano

2 Profilo storico 1920 costruzione del primo LED (Oleg Losev, URSS) 1962 LED a radiazioni visibili (Nick Holonyak, USA) 1971 LED a radiazioni blu (Jacques Pankov, USA) 1993 LED a radiazioni blu (Shuji Nakamura, Giappone) 2001 Power LED

3 Vantaggi e prestazioni offerte dai nuovi LED rispetto ai prodotti tradizionali (lampade a incandescenza, alogene, fluorescenti e a scarica), assai minore è la quantità di materiali utilizzati nella fabbricazione; la drastica riduzione degli ingombri e dei pesi agevola e semplifica l approvvigionamento di materiali, la produzione industriale, la movimentazione, l imballaggio, il trasporto, la distribuzione commerciale, l immagazzinaggio, la logistica, la dismissione; il LED non contiene sostanze tossiche o nocive; il LED emette quantità trascurabili di radiazioni UV e IR; le parti componenti del LED sono facilmente disaggregabili, smaltibili e riciclabili;

4 Vantaggi e prestazioni offerte dai nuovi LED ampiamente praticabile e conveniente, in termini economici e funzionali, è l integrazione, in completa autonomia di esercizio, con tecnologie di sfruttamento delle energie rinnovabili; efficienze e rendimenti sono elevati; molto lunga è la durata media di vita; il ciclo di vita di un prodotto LED è circa quattro volte superiore a quello delle migliori lampade attualmente sul mercato; le basse potenze e i minimi ingombri aprono il campo all uso modulare della fonte luminosa con positive ripercussioni sulla flessibilità d uso dell impianto di illuminazione (facilità di parzializzazione, customizzazione, regolazione del flusso luminoso, gestione del colore).

5 La giunzione P-N Con i trattamenti di drogaggio si ottengono materiali semiconduttori di tipo N e di tipo P. Nel primo caso l inserimento della sostanza drogante serve ad aumentare il numero di elettroni nella banda di conduzione. Se si opera con droganti che incrementano il numero delle lacune, si ottiene un seminconduttore di tipo P. Nel primo caso il drogante fornisce elettroni, nel secondo delle lacune. In uno stesso materiale è possibile ottenere drogaggi differenti, di tipo N e P, in due regioni ben distinte, in modo da ricavare una sottozona di confine, discriminante, che assume l appellativo di giunzione P-N: come si è detto la regione P dispone di molte lacune, mentre la regione N è ricca di elettroni.

6 Dalla regione N gli elettroni in eccesso sono dotati di una loro mobilità. Approssimandosi alla giunzione, questi elettroni vanno ad occupare le lacune della zona P prossima al confine. Ogni volta che un elettrone lascia il proprio atomo attraversando la giuntura si crea uno ione positivo. D altro canto, l occupazione di una lacuna crea simmetricamente uno ione negativo nella regione N. A causa di questi transiti, si forma un ulteriore sottozona, tra le due regioni, chiamata zona di svuotamento in cui si fronteggiano gli ioni positivi con quelli negativi, sui due lati opposti. Agli estremi di questa sottozona si genera una barriera di potenziale che varia in ragione della temperatura in cui si trova la giunzione. Il potenziale diminuisce quando aumenta la temperatura. In questa condizione, a svuotamento completato, la zona di giunzione si pone come un ostacolo a ulteriori transiti di elettroni. Per superare tale barriera è necessario applicare tra le due regioni una differenza di potenziale maggiore di quella già presente. In questo stadio il materiale è polarizzato cioè una corrente elettrica è in grado di attraversare la giunzione P-N.

7 Struttura del LED a tecnologia THT

8 La giunzione P-N

9 La giunzione P-N

10 La giunzione P-N

11 Temperatura di giunzione e flusso luminoso

12 Temperatura di giunzione e flusso luminoso

13 Corrente di pilotaggio e flusso luminoso (temperatura di giunzione costante) 350 ma lm 600 ma lm

14 Corrente di pilotaggio e caduta di tensione 350 ma V W lm lm/w 600 ma V W lm lm/w

15 Decremento della resistenza termica del packaging

16 Dissipazione termica nella base del packaging

17 Dissipatori termici in alluminio per Power LED

18 Dissipatori termici in materiale ceramico per Power LED

19 Dissipatori termici in materiale ceramico con integrazione del circuito stampato

20 La dissipazione termica

21 La dissipazione termica

22 Resistenze termiche di dissipatori piani in lastra di alluminio con spessore di 2.3 mm (A, B) e di dissipatori ad alette (C) A: dissipatori piani in posizione orizzontale B: dissipatori piani in posizione verticale C: dissipatori ad alette in posizione orizzontale D: dissipatori ad alette con area di ingombro costante (13 cm 2 )

23 L efficienza luminosa

27 Efficienza luminosa e flusso luminoso

28 Efficienza luminosa e flusso luminoso

29 Temperatura di giunzione e durata di vita

30 Il decadimento del flusso luminoso

33 Dimensioni e pesi Power LED Potenza: 1.1 W Flusso luminoso: 110 lm Corrente di pilotaggio: 350 ma Efficienza luminosa: 100 lm/w Dimensioni: 8 mm (diametro della base)

34 Lampada alogena a bassissima tensione (12 V) Capusline PHILIPS Potenza: 5 W Flusso luminoso: 60 lm Efficienza luminosa: 12 lm/w Dimensioni: D = 32 mm C = 9 mm L = 22 mm

35 Lampada a vapori di alogenuri metallici (230 V) Mini MASTER Colour PHILIPS Potenza: 22 W Flusso luminoso: 1500 lm Efficienza luminosa: 68 lm/w Dimensioni: D = 17.3 mm C = 52 mm O = 3 mm

36 Fattori costitutivi nella percezione cromatica - Radiazioni emesse - Oggetto illuminato - Contesto - Osservatore

37 La percezione del colore dipende dai quattro fattori: - radiazioni emesse - oggetto illuminato - contesto - osservatore

38 Diagrammi energetici a spettro stretto

39 Indicazione dei composti chimici impiegati nel drogaggio del materiali semiconduttore per differenti emissioni spettrali.

42 Luce bianca (eterocromatica) - RGB (Red Green Blue) - B + fosfori - UV + fosfori

43 Correzione della luce bianca - regolazione della temperatura di colore - White + Amber + Blue - White + Red + Blue - White + Red

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46 Diagrammi energetici a spettro stretto

47 Diagramma energetici dei LED a luce eterocromatica alta temperatura di colore bassa temperatura di colore

48 Diagrammi energetici di LED a luce bianca

49 Classificazione per bin (binning) di LED con differenti temperature correlate di colore

52 Variazioni dei valori delle coordinate cromatiche in funzione della corrente di pilotaggio e della temperatura di giunzione

53 Campioni cromatici per il calcolo del CRI (8 campioni standard e 6 campioni aggiunti)

54 I 14 punti indicati nel diagramma cromatico CIE indicano i campioni cromatici proposti per il calcolo dell indice di resa dei colori CRI

55 Codificazione con sistema cromatico Munsell dei campioni cromatici per il calcolo del CRI

56 Valutazione degli indici di resa cromatica CRI per ogni campione cromatico relativa a tre LED

57 Valutazione degli indici di resa cromatica CRI per ogni campione cromatico relativa a tre sorgenti fluorescenti

58 Pala d altare, chiesa di San Tomaso Becket, Verona 3600 K 4500 K

59 LED Lighting Componenti ottiche prof. arch. Gianni Forcolini Facoltà del Design - Dipartimento INDACO Politecnico di Milano

60 Solido fotometrico della lampada a incandescenza

61 Diagramma fotometrico polare del Power LED

62 Le ottiche primarie

63 Il rendimento luminoso

66 Tipologia delle ottiche secondarie Sono disponibili attualmente tre tipi di ottiche secondarie: ottiche piene in materiale plastico funzionanti principalmente in riflessione totale interna (da cui l acronimo TIR, per ottiche Total Internal Reflection); ottiche vuote in materiale plastico funzionanti in riflessione speculare (ottiche Reflector); ottiche ibride costituite da un riflettore cavo e da un elemento trasparente integrato.

67 Le ottiche secondarie