L’impulso all’innovazione tecnologica ha sempre contraddistinto il settore dei prodotti destinati all’illuminazione di ambienti interni ed esterni. Le lampade tradizionali, sia a filamento sia a scarica, sono state ampiamente perfezionate nell’arco di molti anni e talvolta hanno dato origine a nuovi tipi e modelli che hanno sostituito quelli originari in molti impianti di illuminazione. Lo stesso processo ha interessato gli apparecchi, gli oggetti luminosi, i sistemi e in questi casi si è aggiunto il valore estetico quale potente elemento di riproposizione e rilancio dei prodotti sui mercati.
Tornando alle lampade intese come sorgenti luminose, bisogna dire che spesso il fattore di novità ha riguardato solo alcune caratteristiche o specifiche tecniche, ma non il cuore, il nucleo funzionale del prodotto. Soltanto con l’avvento dei Power led (diodi luminosi con potenza sufficiente per illuminare degli spazi) si è compiuta un vera e propria evoluzione radicale del prodotto: una sorta di salto tecnologico dal valore sia conoscitivo, sia pratico e progettuale. Il diodo luminoso, infatti, non ha nulla in comune con le lampade che tutti ben conoscono. Indubbiamente il primo segno di differenza è dato dalle dimensione del prodotto (figura 1), ma un aspetto altrettanto importante è dato dall’assenza di involucri o corpi in vetro. Per la verità alcuni Power led sono dotati di una piccola lente in vetro che protegge il chip (la minuscola piastrina di materiale semiconduttore con i relativi micro-cablaggi) ma si tratta di una componente che ha uno spessore ben maggiore delle fragili ampolle tipiche delle lampade a incandescenza o alogene, oppure dei tubi delle sorgenti a scarica, fluorescenti o ad alta pressione. In questi casi lo spessore del vetro deve essere minimo per ridurre al massimo l’assorbimento di flusso luminoso. Ma al di là della prima impressione il discrimine tecnologico è costituito dal modo di generare luce. Come è noto, la luce non proviene da fili resi incandescenti dal transito di corrente elettrica o da micro-folgorazioni in un tubo riempito di gas, bensì da una minuscola pastiglia di materiale semiconduttore attraversata da corrente di valore normalmente inferiore a un ampere. Siamo di fronte, dunque, a una tecnica completamente diversa. E questa terza modalità di generare luce offre notevoli vantaggi, ma pone altresì particolari vincoli e specifiche condizioni di funzionamento. Non è possibile utilizzare il led al pari di una qualsiasi lampada tradizionale. Occorre, innanzitutto, comprenderne i principi di funzionamento e fare proprie fondamentali regole pratiche per ottenere, nella concreta installazione all’interno del corpo di un apparecchio, le prestazioni dichiarate dal fabbricante. Si consideri, infatti, che i dati presenti in una scheda tecnica o in un catalogo si riferiscono sempre a condizioni ottimali di funzionamento.
L’operazione non è semplice perché richiede la comprensione di fenomeni e processi tipici di una componente elettronica che genera luce e che deve fornire il flusso utile per illuminare ambienti. Si tratta, in sostanza, di incorporare nella cultura illuminotecnica un sapere teorico-pratico che è sorto ed è stato coltivato in un ambito disciplinare diverso: quello elettronico e optoelettronico.
Norme tecniche dedicate ai led
Nel corso del 2009 sono state pubblicate dal Cei (Comitato elettrotecnico italiano) due norme europee espressamente dedicate ai led. La prima è la Cei EN 62031 “Moduli led per illuminazione generale – Specifiche di sicurezza” e la seconda è la Cei EN 62471 “Sicurezza fotobiologica delle lampade e sistemi di lampade”. La prima riguarda la sicurezza elettrica di tutti gli apparecchi e i sistemi in cui sono presenti led aggregati, ossia moduli led. La seconda riguarda la sicurezza ottica e si applica anche agli apparecchi equipaggiati con lampade tradizionali.
Un particolare impegno è rivolto, nell’edizione di quest’anno, alla comprensione delle problematiche di ordine termico e cromatico. Per quanto attiene alla questione termica, è ormai ampiamente riconosciuto che il parametro della temperatura svolge un ruolo di forte rilevanza nel funzionamento del Power led. Piccole variazioni nella temperatura che è presente nella zona della giunzione P-N, all’interno della piastrina di materiale semiconduttore da cui si genera luce, influenzano positivamente o negativamente l’output, cioè la quantità di luce emessa, ma anche l’efficienza luminosa, la durata di vita, la tonalità della luce. Generalmente ad un decremento della temperatura della giunzione si ha un aumento del flusso reso. Viceversa, un incremento della temperatura determina una caduta del flusso. E questo è il caso più frequente.
Allo scopo di mantenere costante la temperatura nella zona di giunzione del semiconduttore bisogna aggregare al led delle componenti capaci di svolgere la funzione di dissipatori termici, in modo da raccogliere e trasferire all’esterno del sistema l’energia termica in eccesso.
La prima componente che può svolgere tale ruolo è il circuito stampato fornito di anima metallica (denominato con la sigla Mppcb, acronimo di Metal core printed circuit board) (figura 2). Si tratta di lastre composte da uno strato di materiale metallico ad alta conducibilità elettrica (si usa generalmente il rame) opportunamente sagomato in piste per il collegamento elettrico tramite micro-saldatura dei terminali del led al sistema di alimentazione elettrica, da un secondo strato sottostante in materiali dielettrico per assicurare l’isolamento elettrico e da un terzo e ultimo strato di base, il più rigido, realizzato in lega di alluminio. Le piste in rame hanno uno piccolo spessore, di solito tra i 35 ?m e i 50 ?m, lo strato isolante circa 75 ?m e lo strato di base circa 1.6 mm. Il dielettrico (su questo strato è ancorato il led con un apposito mastice anch’esso ad alta condicibilità termica) e la parte in lega di alluminio devono avere un valore elevato di conducibilità termica (ovvero bassa resistenza termica) per fungere da dissipatori di primo livello. Solo per i led di potenza unitaria inferiore all’unità del Watt può essere sufficiente la dissipazione data dalla lastra di alluminio con integrato il circuito stampato. Il Power led, avendo potenze superiori, necessita di una componente destinata a queste sola funzione: disperdere il calore in eccesso, ossia raffreddare la lastra. Con speciali collanti ad alta aderenza si applica alla sua superficie il corpo alettato del dissipatore (figure 3, 4, 5, 6 e 7) la cui resistenza termica si riduce con l’incremento della superficie libera, a contatto con l’aria. Per il progettista si pone a questo punto il problema di dimensionare il dissipatore (scelta del materiale e della forma) in modo da mantenere costante la temperatura di giunzione del led.
Controllo e gestione del colore
Il materiale semiconduttore (opportunamente trattato con drogaggio chimico) che costituisce il chip del led, determina il colore della luce emessa. Il led, infatti, è una sorgente di luce monocromatica, o meglio il suo spettro di emissione raccoglie radiazioni di lunghezze d’onda simili, da qui la denominazione di luce monocromatica. Quando chip di diversi colori sono congiunti in un solo led (led multichip) le radiazioni monocromatiche si fondono. Se le bande sono molto strette lo spettro complessivo diventa simile a quello delle lampade a scarica. Nel caso, invece, in cui le bande sono più larghe lo spettro finale si approssima a quelli tipici della luce naturale.
La luce eterocromatica, cioè quell’insieme di radiazioni che l’occhio percepisce come luce di tonalità bianca si opera una sintesi additiva tra radiazioni di colore giallo e di colore blu.
Si utilizza un led con emissione nella regione del blu costruito in silicio drogato con carburo di silicio (SiC) o altri composti. Intorno al semiconduttore si realizza un rivestimento semitrasparente in cui sono depositati dei cristalli fosforescenti (composti chimici a base di fosfori) che assorbono una parte della radiazione blu generata da chip e la trasformano in radiazioni con frequenze più basse, appartenenti alla regione spettrale del giallo. Dal rivestimento filtrano radiazioni sia blu, sia gialle. La sintesi additiva che ne deriva è rappresentata da una curva nel diagramma spettroradiometrico che presenta un picco nel blu e un’ampia distribuzione di potenze tra i verde e l’arancio, i due colori ai confini del giallo. Graduando opportunamente le gamme cromatiche (i blu e i gialli) si definiscono le emissioni eterocromatiche di differenti temperature di colore. Si può operare dunque in due direzioni: sul chip oppure sulle sostanze fosforescenti.
Per la produzione industriale dei led si impiegano macchinari altamente automatizzati e robotizzati, in cui l’intervento umano è estremamente ridotto in termini di manualità, mentre acquistano importanza le operazioni di gestione, governo e controllo condotte da personale specializzato. La serialità del ciclo di fabbricazione, unita alla miniaturizzazione delle componenti, pongono problemi di tolleranza delle prestazioni. In pratica, in un lotto di led, non è possibile attualmente avere prestazioni identiche. Ogni esemplare prodotto presenta delle variazioni intorno a valori medi.
Questo margine di aleatorietà è presente in tutti i tipi di lampade, in quanto artefatti industriali, ma nel caso dei led assume rilevanza perché, come sorgente cellulare, di minimo formato, viene utilizzato in serie, aggregato in moduli, e non si può accettare che all’interno di un gruppo ci siano sorgenti con differenti prestazioni elettriche, fotometriche e colorimetriche, oltre determinati limiti (limiti di tolleranza). In particolare, le grandezze da uniformare in prima istanza sono: la caduta di tensione, il flusso luminoso, le coordinate cromatiche. Queste ultime definiscono la tonalità della luce emessa attraverso il valore della temperatura di colore, nel diagramma cromatico Cie.
Nell’impossibilità di garantire eguaglianze di valori relativi alle prestazioni citate, i produttori adottano sistemi di classificazione – o binning – per intervalli di tolleranza. Così per la caduta di tensione si indicano due limiti, che determinano un bin, ossia una classe data da un intervallo di volt. Allo stesso modo per i flussi luminosi.
Per le coordinate cromatiche il bin è definito da un’area a quattro lati nel diagramma cromatico Cie. Ogni area ha quattro vertici di cui sono specificate le coordinate cromatiche. È importante valutare le distanze tra l’area del bin e la linea del corpo nero: più è lontana e più risulta approssimato il dato della temperatura di colore (si parla infatti di temperature di colore correlate) rispetto a quello attribuito al corpo nero, e di riflesso si riduce l’indice di resa dei colori Cri (da Color rendering index). Alcuni produttori, adottando la tecnologia dei led multichip con un’accurata selezione dei singoli chip, ottengono la riduzione delle aree di binning.
Le coordinate raccolte in un’area corrispondono a temperature di colore difficilmente distinguibili per l’occhio umano, in modo da garantire l’uniformità delle tonalità delle emissioni da parte di led aggregati.
Il led e l’indice di resa dei colori
Appare chiaro che, da quanto è stato esposto finora, che i led offrono la possibilità di moltiplicare all’infinito le variazioni delle composizioni cromatiche. Nello specifico, dove si opera con le regolazioni separate dei colori primari (rosso, verde (in inglese green) e blu, da cui la sigla rgb) è possibile avere cambiamenti anche minimi, comunque di differenti ampiezze. Si lavora nel progetto con sorgenti che, nell’ambito colorimetrico, hanno prestazioni che nessun’altra lampada è in grado di fornire. Per un multiled rgb, non esiste un dato fisso di temperatura di colore, né dell’indice di resa cromatica (Cri). Ed è appunto intorno a questo parametro di valutazione che si profila un problema di affidabilità.
Iniziamo col dire che l’indice Cri (publication Cie n.13 del 1965) è stato formulato con l’intento di confrontare dati colorimetrici forniti da una serie di campioni cromatici illuminati da sorgenti anch’esse campione (con definite temperature di colore e distribuzione spettroradiometrica) e da sorgenti di cui si vuole conoscere la prestazione colorimetrica.
Se, ad esempio, la lampada da esaminare ha temperatura di colore di 2700 K, la lampada campione di confronto dovrà avere la stessa temperatura con una distribuzione identica a quella del corpo nero.
Ogni calcolo del Cri, dunque, presuppone il riferimento alla lampada campione che ha un ben definito valore di Kelvin. Variando la temperatura (come nel caso dei tipi citati di led) cambiano anche i valori dell’indice. Ma l’aspetto ancora più problematico riguarda i campioni cromatici. Nella pratica, seguendo anche i dettami di molte norme illuminotecniche vigenti, si impiega un indice ridotto, il cosiddetto Ra, che si ricava dalla media matematica dei valori di variazione geometrica ricavati dai punti (contenuti del diagramma cromatico Cie) che definiscono otto colori misurati con la lampada campione e con la lampada in esame. Questi otto colori hanno una saturazione media, che viene resa in modo ottimale dalle sorgenti a spettro continuo, simile a quello teorico del corpo nero. Estendendo il numero dei campioni al totale di 14, si scopre che i valori relativi ai primi quattro colori successivi agli otto principali, rispettivamente rosso, giallo, verde e blu, può essere modesto per quelle sorgenti quando esse non presentano picchi di potenza in corrispondenza di quei colori. Ma eseguendo l’esame con i multiled è facile scoprire che rispetto a questi campioni più saturi rispetto agli otto canonici il valore dell’indice può essere elevato.
Per esempio, usando sorgenti a bassa temperatura, le gamme dei blu risultano poco luminose, poco brillanti. Ma in alcune applicazioni può essere interessante mantenere una buona restituzione per i colori caldi e, allo stesso tempo, avere un rinforzo sulle gamme dei blu con una sorgente che, oltre il modello teorico del corpo nero, abbia un incremento di potenza nelle frequenze corrispondenti ai colori freddi.
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