LED: Istruzioni per l’uso

Array di LED Rebel Warm White

Array di LED Rebel Warm White

Ma questi LED convengono? Quando è il caso di utilizzarli? Quanto fanno risparmiare veramente?

La luce a LED si caratterizza per avere un costo elevato, durata elevata e buona efficienza, che si traduce in una spesa d’acquisto importante che viene recuperata nel tempo grazie ai bassi costi d’esercizio e di manutenzione, inoltre i LED non emettono UV, non scaldano l’ambiente di lavoro, si accendo istantaneamente e non contengono sostanze pericolose. Ma esistono LED e LED. 

In questo articolo vorrei spiegare quali sono le caratteristiche principali di un LED per permettere agli utenti di potersi orientare tra i fari prodotti in circolazione e saper distinguere quali convengono, quali no e soprattutto quando è il caso di affrontare una spesa per sostituire delle lampade tradizionali con dei LED.

L’illuminazione a LED è chiamata in inglese Solid State Lighting (SSL), ovvero illuminazione a stato solido, questo perchè emette luce senza l’utilizzo di gas come nelle lampade a scarica tipo le fluorescenti compatte (CFL) o le lampade a mercurio e ioduri. L’emissione di luce nei LED avviene attraverso il passaggio di corrente tra due tipi differenti di metalli messi a contatto (la famosa giunzione P-N), a seconda degli elementi utilizzati la luce emessa ha una lunghezza d’onda, e quindi un colore, diverso.

Le caratteristiche principali di una lampada o modulo a LED sono le seguenti:

  1. Flusso luminoso.
  2. Consumo ed efficienza.
  3. Durata.
  4. Temperatura di colore e indice di resa cromatica.
  5. Corrente di alimentazione e temperatura di giunzione.
  6. Spettro e distribuzione angolare della luce.

1 Flusso luminoso

Il flusso luminoso indica quanta luce emette la lampada o modulo LED ed è espresso in Lumen. E’ un’unità di misura non molto usata e spesso si fa fatica a capire a quanta luce corrisponda. A volte nelle confezioni delle lampade LED affianco ai lumen viene indicato il wattaggio corrispondente di una lampada ad incandescenza di pari luminostà. Bene o male sappiamo tutti quanta luce fa una lampadina a incandescenza da 60 W ma pochi sanno che corrisponde a circa 700 – 900 lumen. La luce emessa da un LED dipende dipende prima di tutto dalla corrente di alimentazione, più corrente, più lumen, e poi dalla temperatura interna (temperatura di giunzione), maggiore è la temperatura, inferiore è il flusso luminoso. Nella galleria immagini alla fine di questo articolo sono riportati alcuni grafici che mostrano come varia  il flusso luminoso in funzione della corrente e temperatura. Per un approfondimento sui lumen vi rimando all’articolo: Unità fotometriche: lumen, lux, candela.

2 Consumo ed efficienza

In realtà non è corretto riferirsi ai Watt di una lampada ad incandescenza per dare l’idea della luce emessa, o quatomeno l’informazione non è completa. Lampade di una stessa categoria o tecnologia possono avere un diverso flusso luminoso a parità di Watt. Il dato necessario e che è indice delle prestazioni di una lampada è l’efficienza luminosa, quanti lumen sono emessi per Watt (lm/W). Una lampada ad incandescenza da 60 W con efficienza luminosa di 12 lm/W emette 720 lumen, una lampada alogena da 60 W con efficienza di 20 lm/W ne emette il doppio (1200 lumen). Vediamo l’efficienza luminosa di alcune categorie di lampade.

Caratteristiche:

Tipologia Efficienza Min [lm/W] Efficienza Max [lm/W]
Incandescenza 5 15
Alogena 16 25
Fluorescente tubo T8 80 100
Ioduri/Alogenuri 60 110
Vapori di sodio alta press. 75 110
Vapori di sodio bassa press. 100 200
LED bianco caldo 30 90
LED bianco freddo 50 140

L’efficienza dei LED dipende da molti fattori, uno di questi è il colore della luce emessa. In particolare i LED a luce bianca fredda sono più efficienti di quelli a luce bianca calda. Negli ultimi anni i LED hanno superato in efficienza le altre tipologie di lampade ma non tutti i LED sono così efficienti, solo quelli di qualità superiore e quindi di costo maggiore. Per questo motivo c’è molta differenza tra valore massimo e minimo di efficienza. L’efficienza del LED poi dipende dal circuito di alimentazione, da come è dissipato il calore e dalla tecnologia di costruzione del chip. approfondirò il discorso dell’efficienza in un altro articolo.

3 Durata

La durata di una lampada o modulo luminoso dipende dall’utilizzo. Questo valore viene indicato come numero di ore medie di accensione prima che la lampada si bruci o scarichi. Questo è un punto forte dei LED i quali hanno una durata superiore delle altre tipologie di lampade. I LED non si bruciano, semplicemente, col passare del tempo, emettono via via sempre meno luce. Per la durata delle lampade LED viene indicato il numero medio di ore di accensione prima che la lampada emetta una percentuale della luce massima, di solito l’80% o 70%, indicati come L80 ed L70, ma alcuni per dare un dato molto elevato si riferiscono anche al 50%. Se ad esempio una lampada a LED ha queste indicazioni: flusso: 1000 lumen, durata (L80): 30000 ore, significa che nuova emette 1000 lumen e dopo 30000 ore di utilizzo emetterà l’80% del flusso iniziale, ovvero 800 lumen. Spesso non viene indicato a quale percentuale di luce si riferisce la durata, in questo caso non c’è modo di saperlo se non contattando il costruttore.

La durata di un LED dipende prima di tutto dalla qualità del LED e per avere le prestazioni migliori basta acquistare LED di marca Cree, Osram, Luxeon, Nichia, solo per citarne alcuni, poi dipende dalla temperatura interna del LED durante il funzionamento. Maggiore è la temperatura ed inferiore sarà la vita. Attualmente i LED delle marche sopra citate hanno durate (L70), in condizioni ottimali di funzionamento, di 50000 ore. Alcuni prodotti Cree riportano durate medie addirittura di 100000 ore ma devo ancora verificare il dato, sicuramente paragonate alle 2000 ore delle lampade alogene o 7-8000 delle lampada a ioduri e CFC comportano un bel risparmio in termini di manutenzione. 50000 ore corrispondono a 5,7 anni, come fanno a fornire questi dati se questi LED sono stati sviluppati solo pochi anni fa? Attualmente hanno test di vita di 10000 ore, i dati misurati vengono analizzati con software matematici/statistici ed astrapolano i dati a 50000/100000 ore, dando risultati molto vicini alla realtà, poi si parla sempre di media. approfondirò l’argomento in un altro articolo.

4 Temperatura di colore e indice di resa cromatica

 Il colore della luce emessa da un LED dipende dal tipo di LED utilizzato e dai materiali che costituiscono la giunzione di quel LED. I LED bianchi hanno diverse tonalità di luce, queste vengono definite dalla temperatura di colore espressa in gradi Kelvin. La temperatura di colore è la temperatura della sorgente luminosa ideale (corpo nero) che emette con la stessa tonalità di luce, in inglese si chiama Correlated Colour temperature (CCT). Il Sole emette una luce bianca con temperatura di colore di 5800 K. Le tonalità dei LED bianchi vengono divise in tre categorie: Bianco caldo (2600 K – 3700 K), neutro (3700 K – 5000 K) e freddo (5000 K – 8300 K). Per approfondimenti vi mando all’articolo: Diagramma CIE e temperatura di colore.

Un’altro parametro importante collegato alla tonalità della luce è l’Indice di Resa Cromatica, in inglese Colour rendering Index, indicato dalle sigle CRI, IRC o Ra. Il CRI indica quanto i colori degli oggetti illuminati dalla sorgente luminosa appaiono naturali. Questo valore va da 0 a 100, se >50 si ha una buona resa cromatica, se >80 si ha un’ottima resa cromatica. Le lampade a vapori di sodio hanno un’elevata efficienza luminosa come abbiamo gia visto e per questo sono utilizzate nella viabilità in punti in cui è richiesta molta luce come gli incroci delle strade o le gallerie, hanno però la caratteristica di emettere una luce arancione che non permette di distinguere bene i colori. Queste lampade hanno un CRI tra 5 e 20. Le lampade a incandescenza invece permettono di distinguere perfettamente i colori ed hanno una resa vicina a 100. I LED hanno un CRI che può variare fortemente a seconda della tonalità, le tonalità del bianco caldo vanno da CRI 80 a 95, il bianco freddo è attorno a CRI 70. Attenzione che per certi utilizzi, come illuminazione di uffici la normativa vigente richiede un CRI  superiore ad 80.

5. Corrente di alimentazione e temperatura di giunzione.

Il flusso luminoso dei LED dipende dalla corrente di alimentazione, come gia accennato, maggiore è la corrente e maggiore è la luce che emettono. L’aumento di corrente porta alcuni effetti da considerare. Prima di tutto l’efficienza cala. Consideriamo un LED Luxeon Rebel bianco neutro, se alimentato a 350 mA assorbe 1 W ed emette 100 lumen (il flusso dipende molto dalla selezione del LED), se raddoppiamo la corrente portandola a 700 mA il consumo raddoppia diventando di 2 W (in realtà la tensione sale leggermente e quindi la potenza è più che raddoppiata, ma al momento non trattiamo questo effetto), mentre il flusso luminoso aumenta solo del 60% andando a 160 lumen. Recenti studi hano attribuito il calo di efficienza all’aumento della corrente all’effetto di ricombinazione Auger come riportato in questo articolo.

Un altro parametro importante dei LED, che influenza la durata e l’efficienza luminosa è la temperatura di giunzione, la temperatura nel punto di contatto dei due metalli che formano il LED. Come gia detto maggiore è la temperatura e minore è la sua vita e la sua efficienza. Spesso questo aspetto viene sottovalutato favorendo l’aspetto economico di un modulo LED. E’ vero che il cliente prima di tutto guarda al portafoglio, soprattutto in tempo di crisi, e così per ridurre il numero di LED necessari in un modulo LED (e ridurne il costo di produzione) si aumenta la corrente di alimentazione. Ma questo comporta ad una maggiore potenza da dissipare per superficie e quindi parte del risparmio va perduto nei costi maggiori di dissipazione o si paga con prestazioni inferiori del LED. Meglio avere LED alimentati a bassa corrente, per i LED da illuminazione parliamo di 350 mA, gia a 700 mA si possono avere problemi di dissipazione e riduzione della vita e dell’efficienza, per non parlare di 1 Ampere e oltre. Nella galleria immagini alla fine di questo articolo sono riportati alcuni grafici che mostrano il flusso luminoso in funzione della temperatura di giunzione (Junction o Thermal Pad).

6. Spettro e distribuzione angolare della luce

I chip LED hanno sorgenti luminose molto piccole, per questo motivo molti ritengono che siano dannose per la vista. Beh, è vero, ma sono dannosi come qualsiasi altra sorgente luminosa intensa che viene guardata direttamente. In realtà è grazie alla loro dimensione ridotta che si possono utilizzare delle ottiche molto efficenti per distribuire la luce secondo le nostre esigenze. I LED emettono la luce a 120° circa in maniera molto uniforme, il termine corretto è emissione Lambertiana. Lo spettro dei LED colorati presenta un picco molto stretto centrato sulla lunghezza d’onda del colore, lo spettro dei LED bianchi presenta un picco stretto nel blu ed un picco molto largo centrato nel giallo. I LED bianchi sono ottenuti ricoprendo LED blu con uno strato di fosforo. Maggiore è lo strato di fosforo e più calda è la tonalità di bianco. Nella galleria immagini in fondo a questo articolo potete trovare un esempio di distribuzione angolare e lo spettro tipico di un LED bianco caldo e bianco freddo.

In conclusione i LED presentano sicuramente dei vantaggi ma non tutti i LED sono così convenienti e non tutte le applicazioni vanno bene per loro. Negli utilizzi particolari i LED possono risultare vincenti grazie alla loro emissione puntiforme o al loro spettro d’emissione, nell’illuminazione il motivo principale per sceglierli è il risparmio, e questo è dovuto alla durata ed all’efficienza, quindi il mio consiglio è di scegliere sempre LED di qualità, costeranno di più ma nel tempo si ripagheranno da soli. Inoltre investite in un impianto LED se rientrate dalle spese in 3-4 anni massimo, di più non conviene, anche perchè tra 4 anni i LED di adesso saranno obsoleti. Metterò a disposizione una tabella per calcolare il tempo di rientro dalle spese per un impianto LED.

Maggiori dettagli ed approfondimenti verranno inseriti negli articoli futuri. Contattatemi per qualsiasi commento o richiesta di informazione.

  • Articolo molto ben scritto e chiaro.
    Complimenti dottore.

  • Luca

    le migliori pubblicazioni inerenti ai led presenti in rete.

  • Giuseppe

    Anche se ho ancora le idee confuse, l’articolo mi e’ stato utile. Grazie

  • aldo

    Finalmente chiarezza!E’ l’unica recensione chiarissima. Complimenti

  • Enrico

    Ottima spiegazione. Sarebbe molto interessante e utile a molti se tu riuscissi a fare un confronto di efficienza rispetto alle lampade fluorescenti.
    La dimensione del led può essere infinita (come viene misurata?) o ci sono degli standard previsti di serie per la sua produzione?
    Per far funzionare una striscia di Led direttamente collegata a 220v quanti led ci vogliono? Di che dimensione o potenza ciascuno?
    Cosa succede se una striscia di led alimentabile a 220v viene tagliata a metà o addirittura ridotta a un decimo della sua lunghezza?

    • Dario Roncati

      L’efficienza delle lampade fluorescenti va dai 50 ai 100 lumen/watt dei tubi T8 ad esempio, quella delle lampadine LED dai 60 ai 100 lumen/watt, al momento hanno efficienze simili anche se l’efficienza dei LED continua a crescere ed in commercio potremo trovare presto lampada a LED anche da 120 lumen/watt.
      La dimensione minima di un singolo LED di potenza (1-3 W)è di pochi millimetri, con l’area di emissione della luce di 1 mm2. Si ci sono standard di produzione.
      I LED di potenza (come Cree XPE, Luxeon Rebel o OSRAM SSL80) sono comandati in corrente continua, la tensione tipica è di 3 V per 1-2 W di potenza ma da LED a LED, anche dello stesso modello, può variare dai 2,7 V ai 3,5 V. Per collegare i LED alla tensione di rete serve un alimentatore con uscita a corrente costante, tra i 350 ed i 700 mA tipicamente ma meglio leggere il datasheet del LED scelto.