Tecnologia LED

LED: funzionamento

Colore dei LED

• La scelta del semiconduttore determina la lunghezza d’onda dell’emissione di picco dei fotoni

Colore dei LED

• GaAsP – Fosforo Arseniuro di Gallio ROSSO – ARANCIONE

• SiC – Carburo si Silicio BLU

• GaN – Nitruro di Gallio VERDE - BLU

Led bianco – metodo 1

Led bianco –metodo 2

Parametri di scelta dei LED

Scheda tecnica – dati essenziali

Scheda tecnica – dati prestazionali

Codice fotometrico

• Il codice fotometrico è composto da sei digits e indica i parametri fondamentali della qualità della luce come da esempio:

Codice fotometrico – resa cromatica

• I - Indice di resa cromatica (CRI): La resa cromatica di un modulo LED a luce bianca è l’effetto dell’apparenza dei colori degli oggetti derivante dal confronto conscio o inconscio con il loro colore sotto una fonte luminosa di riferimento.

• La classificazione del valore CRI iniziale per il codice fotometrico può essere ottenuto utilizzando i seguenti intervalli:

Codice fotometrico

• l flusso luminoso iniziale misurato (valore iniziale) è normalizzato al 100% e utilizzato come punto di partenza per la determinazione della vita del modulo LED. Il flusso luminoso mantenuto è misurato al 25% della vita nominale fino ad un massimo di 6.000 ore ed è espresso come percentuale del valore iniziale.

Sicurezza fotobiologica

• Con l’obbligo di valutazione del rischio da Radiazioni Ottiche Artificiali (ROA) introdotta dal capo V del Titolo VIII del DECRETO LEGISLATIVO 9 aprile 2008 N. 81 è emersa l’esigenza di ottenere dai produttori di illuminazione dati di emissione idonei ai fini della valutazione del rischio per i lavoratori.

• Questa esigenza ha indotto a modificare ed integrare le differenti norme di prodotto al fine di garantire un adeguato livello di sicurezza ottica e di normalizzare le informazioni da fornire all’utente.

Sicurezza fotobiologica

• Le lampade e i sistemi di lampade sono classificati in 4 gruppi (classi di rischio) secondo lo standard CEI EN 62471:2010.

• Questa norma prevede metodi di misura e classificazione: i Gruppi di rischio sono descritti in base ai tempi di esposizione e su questi sono determinati i limiti di esposizione.

Sicurezza fotobiologica

• RG 0 (Gruppo di rischio esente) – Assenza di pericolo

• I limiti sono calcolati con tempi di esposizione molto lunghi e ne deriva che i livelli prescritti per questo gruppo non sono mai in grado di causare un pericolo anche in seguito a esposizioni prolungate nel tempo.

• RG 1 (Gruppo di rischio basso) – Assenza di pericolo derivante da una limitata emissione di radiazione intrinsecamente propria del prodotto.

• I limiti sono calcolati con tempi di esposizione inferiori, che garantiscono un’esposizione sicura in seguito alla naturale limitazione dell’esposizione dovuta al normale utilizzo delle apparecchiature.

Sicurezza fotobiologica

• RG 2 (Gruppo di rischio medio) – Pericolo dovuto principalmente a effetti fotochimici e termici.

• La sorgente non provoca un rischio grazie ad una reazione istintiva, spontanea in chi guarda sorgenti di Luce molto luminose o in seguito ad una sensazione di disagio termico.

• RG 3 (Gruppo di rischio elevato) – Pericolo presente anche in caso di esposizione breve e limitata.

• La sorgente può costituire un rischio anche in seguito a un’esposizione momentanea o breve.

Sicurezza fotobiologica

• La norma tecnica di riferimento (IEC/EN 62471:2010) non definisce una soglia tra sicurezza e non sicurezza, ma definisce soltanto una classificazione delle sorgenti in Gruppi di rischio.

• Prodotti che hanno un gruppo di rischio superiore a 1 riportano limitazioni di impiego o avvertenze. La normativa imporrà simboli per non fissare direttamente la sorgente o distanze di installazione.

Sicurezza fotobiologica

• Da tempo agli esperti è noto che i raggi UV sono potenzialmente in grado di causare danni ai tessuti organici quali la nostra pelle e gli occhi. Tuttavia, anche la luce blu-violetta può causare lesioni, soprattutto ai nostri occhi.

• La luce blu-violetta può avere minore energia di quella ultravioletta ma, al contrario della luce UV – la maggior parte della quale viene assorbita dalla parte frontale dell’occhio – la luce blu raggiunge la retina.

Sicurezza fotobiologica

• Nelle interazioni fotochimiche la luce eccita gli elettroni delle molecole cellulari rompendo o ri-organizzando i legami chimici.

• Questo può avere conseguenze dirette sul DNA ed indirettamente portare alla formazione di radicali liberi i quali possono a loro volta interagire col DNA o con altre cellule come i fotoricettoridella retina dell’occhio causandone il deterioramento e la morte cellulare.

Sicurezza fotobiologica

Sicurezza fotobiologica

Sicurezza fotobiologica

Sicurezza fotobiologica

Sicurezza fotobiologica

Temperatura di colore

• La temperatura di colore è un parametro fisico corrispondente alla tonalità dominante. Si misura in Kelvin (k)

Temperatura di colore

• Nell’industria e nel terziario si utilizza generalmente una temperatura di colore pari a 4000 K, nell’uso domestico pari a 3000 K

Resa cromatica

• L’indice di resa cromatica generale Ra o Color Rendering Index (CRI) ci dice in che modo una sorgente è in grado di riprodurre il colore di un oggetto da essa illuminato. Illuminando un oggetto colorato (rosso per esempio) con due sorgenti diverse, caratterizzate da un CRI differente, si può notare come il colore apparirà differente a seconda della sorgente che lo illumina.

• Il colore con cui ci appare un oggetto, che non emette luce propria, dipende sia dal suo modo di riflettere la luce (cioè da quali lunghezze d’onda riflette maggiormente), sia dalla luce che lo illumina (cioè dalla composizione spettrale di quest’ultima). In generale, un indice pari all’85-100% indica un’ottima resa cromatica. Essa è considerata buona per valori del 70-85% e discreta per valori del 50-70%.

Calcolo della resa cromatica

• L’illuminante standard deve essere selezionato in base alla temperatura di colore della sorgente da misurare:

• Quando il valore è >5000K:• Selezionare l’illuminante CIE daylight con la stessa temperatura di colore.• Quando il valore è <5000K:• Selezionare il radiatore Perfetto (corpo nero) con la stessa temperatura di colore.

Resa cromatica

1A CRI ≥ 90% Abitazioni, musei, studi grafici, ospedali, studi medici, ecc.

1B 80% ≤ CRI < 90% Uffici, scuole, negozi, palestre, teatri, industrie tessili e dei colori, ecc.

2 60% ≤ CRI < 80% Locali di passaggio, corridoi, scale ascensori, palestre, aree servizio, ecc.

3 40% ≤ CRI < 60% Interni industriali, officine, magazzini depositi, ecc.

4 20% ≤ CRI < 40% Parcheggi, banchine, cantieri, scavi, aree di carico e scarico, ecc.

La norma UNI 10380 suddivide l’insieme dei possibili valori dell’indice di resa cromatica in cinque gruppi e fornisce anche indicazioni su quale CRI utilizzare a seconda degli ambienti da illuminare:

Resa cromatica

• Resa cromatica per tipo di sorgente

Misura della resa cromatica

Indice di MacAdam

• Un parametro fondamentale per valutare la qualità dei LED è l’indice MacAdam che è utile per individuare la costanza cromatica.

• Nei primi anni del 1940, David L. MacAdam eseguì un esperimento empirico per definire la sensibilità del colore all’occhio umano.

• Il risultato fu la definizione di ellissi per descrivere le distanze di colore sulle coordinate XY della scala cromatica. L’area racchiusa in ciascuna ellisse raggruppa tutti i colori identici al colore standard di riferimento; la dimensione dell’ellisse è data in SDCM (Standard Deviation of Color Matching) e viene valutata su una scala di 7 punti.

Indice di MacAdam

• Le ellissi di MacAdam sono descritte come “step”, ovvero “deviazioni standard”. Ad esempio, qualsiasi punto sul contorno di “1-step” o ellisse – intorno a un punto assunto come riferimento (target) – ha una (1) deviazione standard dal punto di riferimento.

Indice di MacAdam

Efficienza luminosa

• L'efficienza luminosa di una sorgente di luce e il rapporto tra il flusso luminoso e la potenza in ingresso. Viene espressa in lumen/watt.

• L’efficienza luminosa dell’apparecchio è un parametro utile per determinare il giusto apparecchio illuminante perche’ fornisce il dato pratico tra l’emissione luminosa e l’assorbimento complessivo dell’apparecchio illuminante.

• Attenzione alle pubblicazioni in cui sono riportate efficienze luminose superiori legate solo all’efficienza teorica del puro componente led (temperatura di riferimento a 25°c) e non alla prestazione dello stesso all’interno del corpo illuminante.

Efficienza luminosa

• LAMPADE ALOGENE 25 lm/W

• LAMPADE A SCARICA AI VAPORI DI MERCURIO 46 lm/W

• LAMPADA A SCARICA AI VAPORI DI SODIO 110 lm/W

• LAMPADE A SCARICA AD ALOGENURI METALLICI 90 lm/W

• LAMPADE FLUORESCENTI COMPATTE 75 lm/W

• LAMPADE FLUORESCENTI LINEARI 115 lm/W

• LED 150 lm/W

Curve fotometriche

• Le curve fotometriche rappresentano l’insieme delle Informazioni sulla luce emessa nelle varie direzioni dalla Sorgente o apparecchio luminoso raccolte in un file e Visualizzate come immagine in due o tre dimensioni.

• I formati piu’ diffusi sono eulumdat (.ldt) e iesna (.ies)

• Il file fotometrico, viene utilizzato in programmi Illuminotecnici come dialuxper simulare l’illuminazione di un ambiente. Sapendo qual e la direzione che ci interessa, possiamo Leggere sul grafico il valore di intensita: un semplice disegno sostituisce dunque una intera tabella.

• Le curve fotometriche hanno una loro immediatezza visiva Che le rende facilmente comprensibili ed esprime subito il Comportamento di un apparecchio.

Curve fotometriche

Unified Glare Rating - UGR

• UGR (Unified Glare Rating) è una scala di valore che valuta l’abbagliamento diretto per ogni specifica applicazione. In pratica questo indice prende in considerazione l’abbagliamento in un ambiente.

• L’UGR ha una sua norma di riferimento che è la EN12464-1 per l’illuminazione di interni.

• Il valore UGR dipende dalla disposizione delle lampade, l’ambiente con le sue dimensioni e le possibili riflessioni ed infine il nostro punto di osservazione.

• I valori vanno da 10 (nessun abbagliamento) a 30 (abbagliamento eccessivo), secondo una scala di 3 unità (10, 13, 16, 19, 22, 25 e 28): più basso è il valore, minore è l’abbagliamento.

Unified Glare Rating – UGR da garantire in funzione del compito visivo

• 16 = compito visivo molto difficoltoso

• 19 = compito visivo che richiede prestazioni visive elevate

• 22 = compito visivo che richiede prestazioni visive normali

• 25 = compito visivo che richiede prestazioni visive modeste

• 28 = per interni in cui le persone non sono ubicate in una Posizione di lavoro precisa ma si spostano da un posto all’altro esplicando compiti che richiedono prestazioni visive modeste.

Unified Glare Rating - UGR

• Le lampade di solito sono installate tenendo come criterio di installazione due punti di vista ortogonali.

• L’UGR tiene in considerazione la luce di sfondo (soffitto, pareti e oggetti) che sono in una posizione standard.

• Riepilogando il valore UGR tiene conto della:• Posizione dell’osservatore

• Luminanza della lampada

• Dimensione dell’ambiente

• Sfondo dove sono collocate le lampade

Unified Glare Rating - UGR

• Quando si indica per esempio UGR19 questo serve per dare un’indicazione agli operatori a come la lampada si comporta in rapporto all’abbagliamento. Ovviamente sono dati approssimativi che sono tratti da tabelle generali. Per effettuare un reale calcolo dell’abbagliamento bisogna considerare tutte le variabili sopra elencate.

Metodo sorpassato - Curve limite di luminanza di Söllner

UGR – calcolo secondo CIE 117

• Lb è la luminanza di sfondo (cd/m2) calcolata come Eind/π, dove Eind è l’illuminamento verticale indiretto al livello dell’occhio dell’osservatore;

• L è la luminanza (cd/m2) delle parti luminose di ogni singolo apparecchio di illuminazione nella direzione dell’occhio dell’osservatore;

• ω è l’angolo solido (sr – steradianti) delle parti luminose di ogni singolo apparecchio di illuminazione nella direzione dell’occhio dell’osservatore;

• p è l’indice di posizione di Guth di ogni singolo apparecchio;• Σ indica la sommatoria di tutti gli apparecchi di illuminazione;

Indice di durata

• I led diminuiscono gradualmente il loro flusso luminoso Iniziale fino ad esaurirsi completamente in un periodo molto lungo.

• Si determina quindi con il parametro “l” la percentuale di Decadimento del flusso luminoso riferito alle ore di funzionamento utili.

• Con l85:50000h viene definito che raggiunto 50.000 h di funzionamento il modulo led fornisce ancora l’85% del Flusso luminoso iniziale.

• Questo parametro e’ fortemente influenzato dalle condizioni di lavoro del led all’interno dell’apparecchio e quindi il risultato ottenuto e’ il binomio tra qualita’ del componente e dimensionamento termico dell’apparecchio.

Indice di durata

Aspettativa di vita del LED

• Indica la qualita’ del componente utilizzato in quanto definisce la percentuale di componenti che allo scadere delle ore dichiarate non mantengono le caratteristiche di flusso luminoso.

• Un led dichiarato l85/b10=50.000 indica che al raggiungimento delle 50.000 ore il 90% (b10) dei componenti presenta un flusso luminoso residuo pari o superiore all’85% del flusso iniziale (l85).

• Se nelle caratteristiche dell’apparecchio a led non viene indicato il valore b, questo e da considerarsi b50.

Tasso di guasto

• Questo valore indica la percentuale di led che alla fine della durata utile non sono più funzionanti.

• Tale valore può essere indicato con due combinazioni:• L85/b10/c0: 50.000 - indica che dopo 50.000 ore, la percentuale di led spenti

e lo 0%.

• L85/b10: 50.000 ore - l0/c5: 150.000 ore - indica che dopo 150.000 ore la percentuale di led non piu’ funzionanti e’ pari al 5%.

Livello di isolamento

• La norma iec 61547 stabilisce che tutti gli apparecchi devono essere protetti da sovratensioni fino a 1 kv in modo differenziale e 2 kv in modo comune.

• Tipicamente il livello di protezione sul quadro con spd di tipo ii che hanno una ur pari a 2,5 kv e livello di protezione piu’fine con spd di tipo iii presso i led.

• Le case costruttrici hanno elevato il livello di isolamento garantito fino a 10 kv se utilizzati in classe di isolamento 1 e fino a 6 kv se utilizzati in classe di isolamento ii.

Caratteristiche meccaniche – grado di protezione

Resistenza agli urti

• Il codice IK è il grado di protezione contro gli impatti e determina la resistenza meccanica agli urti degli involucri. La norma CEI EN 50102 (CEI 70-3) introduce i gradi di protezione contro gli impatti meccanici, e si applica quando la potenza nominale dell' apparecchiatura non supera i 72,5 kW.

Resistenza agli urti

Resistenza alla nebbia salina

• Resistenza al test in nebbia salina superiore a 1.500 ore, secondo il test UNI ISO 9227. Valore attestato con certificato rilasciato da ente terzo.

• Classe di corrosività C3H - resistenza 480 h

• Classe di corrosività C4H - resistenza 720 h

• Classe di corrosività C5H - resistenza 1440 h

Resistenza alla nebbia salina