Fisica Tecnica Ambientale

Lezione del 28 maggio 2015

Ing. Francesco D’Alessandro

dalessandro.unipg@ciriaf.it

Università degli Studi di Perugia

Sezione di Fisica Tecnica

Corso di Laurea in Ingegneria Edile e Architettura A.A. 2014/2015

LED – LIGHT EMITTING DIODE

Introduzione: le lampade

Le sorgenti primarie di luce artificiale, dette lampade, sono alimentate da energia elettrica e generalmente inserite in dispositivi realizzati con materiali riflettenti e/o rifrangenti atti ad effettuare il controllo in intensità (attenuazione) e direzionalità del flusso luminoso da esse emessa.

L’insieme della lampada e del dispositivo di controllo è detto apparecchio illuminante.

Introduzione: le lampade

Introduzione: le lampade

Parametri caratteristici Tensione di alimentazione: indica la tensione, in Volt, di alimentazione elettrica.

Potenza elettrica: rappresenta, in Watt, la potenza necessaria al funzionamento della lampada.

Flusso luminoso: rappresenta la quantità di luce emessa dalla lampada ed è espressa in lumen.

Efficienza luminosa η: è espressa dal rapporto tra il flusso luminoso emesso dalla lampada e la potenza elettrica necessaria al funzionamento della stessa [lm/W].

Introduzione: le lampade

Efficienza luminosa di alcuni tipi di lampade

Introduzione: le lampade Tonalità di luce

Rappresenta il «colore» della luce e si esprime come «temperatura di colore», cioè la temperatura di un corpo nero che emette una radiazione di uguale colore rispetto a quello emesso dalla sorgente stessa.

Introduzione: le lampade Tonalità di luce

Introduzione: le lampade Tonalità di luce: diagramma di Kruithof

Introduzione: le lampade Indice di resa cromatica

I colori degli oggetti non dipendono unicamente da come essi interagiscono con la luce ma anche dalla composizione spettrale della luce. L’indice di resa cromatica Ra esprime la capacità di una lampada a rendere i colori.

Le lampade con spettro di emissione continuo sono quelle con la migliore resa cromatica.

Introduzione: le lampade

Introduzione: le lampade

Introduzione: le lampade Confronto tra sorgenti per uso residenziale (fonte ENEA)

Introduzione: le lampade Risparmio conseguibile con utilizzo di 2000 h/anno per un

periodo di 5 anni (fonte ENEA)

Introduzione: le lampade Lampade per uso terziario e commerciale (fonte ENEA)

Il diodo è un componente elettronico a due poli, che permette il passaggio di corrente elettrica in una direzione bloccandola contemporaneamente nell'altra.

LED (Light Emitting Diode): Speciale diodo a giunzione p-n costituito da un sottile strato di materiale semiconduttore drogato.

Drogaggio: Aggiunta di piccole percentuali di atomi non facenti parte del semiconduttore stesso per modificare le proprietà elettriche del materiale.

• Drogaggio di tipo n: l'atomo drogante ha un elettrone in più di quelli necessari per soddisfare i legami del reticolo cristallino e tale elettrone diventa libero di muoversi all'interno del semiconduttore.

• Drogaggio di tipo p: l'atomo drogante ha un elettrone in meno di quelli necessari per soddisfare i legami del reticolo cristallino e tale mancanza (lacuna), si comporta come una particella carica positivamente e si può muovere all’interno del semiconduttore

Esempio: col silicio che ha atomi tetravalenti (quattro legami per formare un cristallino), il drogaggio di tipo n può essere effettuato mediante atomi di fosforo o arsenico (5 el.), mentre il drogaggio di tipo p è effettuato mediante atomi di boro (3 el.).

In assenza di polarizzazione si crea una regione di svuotamento (barriera di potenziale).

Con polarizzazione inversa la regione di svuotamento si allarga (elettroni e lacune più confinate) e non si ha passaggio di corrente.

Questo passaggio avviene con emissione di radiazione luminosa.

Il colore della radiazione emessa dipende dalla distanza in energia tra i livelli energetici di elettroni e lacune, quindi dal salto di energia compiuto nella ricombinazione elettrone-lacuna: -> dipende dai materiali utilizzati

Primi LED solo di colore rosso negli anni ’70 (indicatori nei circuiti elettronici, nei display)

Successivamente LED a luce gialla e verde

In seguito dispositivi con due LED integrati nello stesso contenitore (rosso e verde), permettendo di visualizzare quattro stati (spento, verde, rosso, verde+rosso=giallo) con lo stesso dispositivo.

A partire dagli anni ’90: LED in una gamma più ampia di colori. Con la realizzazione di LED a luce blu possibilità di dispositivi in grado di emettere qualunque colore (rosso + verde + blu)

Primo LED sviluppato da Nick Holonyak nel 1962

Produttori principali

Caratteristiche:

• Lunga durata (fino a 100000 h) e ridottissimi costi di manutenzione;

• Efficienza luminosa: 100-150 lm/W in crescita risparmio energetico;

• Flusso luminoso non elevato (20÷ 120 lm); (Lampada ad incandescenza (60 W): flusso

luminoso ≈ 600 lumen);

• Assenza totale di radiazioni IR (minimo riscaldamento degli oggetti illuminati) e UV;

• Facilità di realizzazione di ottiche efficienti in plastica;

• Dimensioni ridotte;

• Elevata robustezza (resistente agli urti);

• Possibilità di un forte effetto spot (sorgente quasi puntiforme, necessità di progettazione

adeguata delle ottiche secondarie:);

• Funzionamento in sicurezza perché a bassissima tensione (3 ÷ 24 V corrente continua);

• Molto sensibili alle variazioni di tensione: basta il 10% in meno perché non si illuminino e

il 10% in più per bruciarli;

• Accensione istantanea anche a freddo (fino a -40°C);

• Insensibilità a umidità;

• Temperatura di colore: 30006000 K (da bianco caldo a bianco freddo);

• Ra 80-85.

Problematiche relative all’adozione della tecnologia LED • LED di bassa qualità presenti sul mercato (durata di vita ?)

• Elevato costo iniziale (prezzo di una lampadina a incandescenza da 60W è inferiore a 1 euro, quello di una

lampadina CFL equivalente è di circa 5 euro mentre quello di un prodotto LED equivalente supera i 30 euro)

• Scarsa consapevolezza • Informazioni insufficienti • Sicurezza fotobiologica (sono state espresse preoccupazioni riguardo agli effetti dannosi prodotti sulla retina

dalla luce dei LED)

• Rapida obsolescenza della tecnologia

Potenzialità di diffusione: • oltre il 75% degli impianti di illuminazione hanno più di 25 anni • sostituzione di 90 milioni di luci stradali in Europa

FONTE: Libro Verde della Commissione Europea - Illuminare il futuro - Accelerare la diffusione di tecnologie di illuminazione innovative (2011)

Quota di mercato: attuale (in valore) pari a 6,2% al 2020 stimato pari al 70%

Riduzione costi: tra -14 e -24% nel quinquennio 2010-2015.

Campi di applicazione

Campi di applicazione

Campi di applicazione

Campi di applicazione

Campi di applicazione

Sviluppi futuri: OLED

Un display OLED è composto da vari strati sovrapposti. A causa della natura monopolare degli strati di materiale organico, i display OLED conducono corrente solo in una direzione, comportandosi in modo analogo a un diodo: di qui il nome di O-LED. Le applicazioni nel settore dell’illuminazione sono promettenti, ma non ancora competitive. Gli strati sono flessibili e la tensione di alimentazione è bassa.

Sviluppi futuri: OLED

• Spessore totale comprensivo degli incapsulanti ca. 2 mm

• OLED produce luce con minore intensità ma emettendola da una superficie più ampia

• Thermal management meno complesso: area di scambio termico sufficientemente elevata (ΔT = 5 – 10 °C rispetto Tamb)

• Possono essere integrati in elementi di arredo

• Dimensioni, forme e flessibilità lo rendono fortemente attrattivo per applicazioni in cui è richiesta una forte integrazione (Architettura, Design)

• Emissione di luce morbida, priva di abbagliamento

Sviluppi futuri: OLED