LED

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Risale al 1920 la prima intuizione da parte di uno scienziato russo in merito a questa nuova sorgente luminosa. Ma la nascita del LED può essere attribu-ita a tutti gli effetti a Mr. Nick Holonyak Jr. che nel 1962 ne mise a punto il primo esemplare funzio-nante. Gli studi in materia proseguirono fino agli anni Novanta, quando il ricercatore giapponese Shuji Nakamura riuscì ad aumentare considere-volmente il flusso luminoso dei LED a luce blu e verde, dando un nuovo impulso all’intero mercato dell’illuminazione.

Grazie all’avvento di questa nuova tecnologia com-binata con l’esperienza decennale maturata nel settore dell’illuminazione, il dipartimento di Ricerca e Sviluppo di Fael ha saputo sviluppare un’ampia gamma di apparecchiature a LED dalle elevate caratteristiche tecniche e qualitative.L’affidabilità e l’efficienza di queste apparecchia-ture, progettate e testate meticolosamente inter-namente, ne consentono l’utilizzo in diversi ambi-ti applicativi. Vie di comunicazione, centri storici,monumenti e particolari architettonici verranno messi in risalto grazie a questa nuova ed affascinan-te tecnologia unita all’impeccabile progettazione messa a punto da Fael LUCE.

It was back in 1920 that a Russian scientist first glimpsed at the possibilities of this new source of light. But the invention of LEDs can be attributed almost entirely to Mr. Nick Holonyak Jr., who built the first functioning prototype in 1962. The technology continued to be studied until the nineties, when the Japanese researcher Shuji Nakamura succeeded in considerably increasing of luminescence of blue and green LEDs, giving new impetus to the entire lighting industry.

Thanks to expanding of this new technology, com-bined with decades of experience in the lighting sector in general, FAEL’s R&D department has been able to develop a broad range of LED equipment with elevated technical and qualitative character-istics. The energy efficiency and reliability of these devices, meticulously produced and tested in-house, make them suitable for a wide range of applications. Transport links, historic town centers, monuments and architectural details can be highlighted with this new and fascinating technology, combined with impeccable planning and design executed by FAEL LUCE.

LED: la sorgente luminosa del futuro, che proviene dal passato

LED: illumination source of tomorrow, that comes from yesterday

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p-type

hole electron

elettrone

Fotoni

Junction p-n SILICIO

n-type

lacona

Zona P Zona N

380 400 500 600 700 780

(nm)10 -14 10 -12 10 -10 10 -8 10 -6 10 -4 10 -2 1 10 2 10 4

Light Emitting Diode (LED)

In questo processo il led emette fotoni sotto forma di radiazione luminosa anche nel visibile (tra 380nm e 780nm) (elettroluminescenza).

During this process, LED emits photons in the form of radiant energy, including some in the visible spec-trum (between 380nm and 780nm) (electrolumines-cence).

Fig. 1 Spettro elettromagneticoElectromagnetic spectrum

Lunghezza d’onda (nm) Wavelength (nm)

Onda radioRadio Wave

InfrarossoInfrared

UltraviolettoUltraviolet

Raggi/Raysc

Raggi/Rays g

Radiazione visibileVisible radiation

Il LED è un componente elettronico con una giun-zione PN a semiconduttore.Quando esso viene alimentato, gli elettroni liberi presenti nello strato N del semiconduttore migrano verso le lacune presenti nello strato P passando attraverso la giunzione PN.

LED is an electronic component with a semiconduc-tor PN junction.When the diode is switched on, free electrons in the N layer of the semiconductor migrate towards the holes present in the P layer, passing through the PN junction.

LED

19

0

20

40

60

80

100

380 430 480 530 580 630 680 730 780

5000K CCT 4000K - 5000K CCT3000K CCT

LUCE COLORaTa E DINaMICa: vERsIONE RGBI LED sono in grado di riprodurre la luce in diversi colori. I diodi colorati possono essere combinati in un cluster e comandati per generare arcobaleni dinamici mediante la tecnica RGB.

COLORED AND DYNAMIC LIGHT: THE RGB VERSIONLEDs can produce light of various colors. Colored diodes can be combined in clusters and controlled to generate dynamic rainbows of light by using the RGB system.

Fig. 2

Lunghezza d’ondaWavelenght(nm)

La luce bianca è generata da un LED a luce blu e una successiva copertura di fosfori gialli permette di trasferire parte della luce blu in radiazione con lunghezza d’onda più lunga. In questo modo si ottiene un fascio luminoso a luce bianca a seconda di come sono composti i materiali di conversione la temperatura di colore può variare generando una luce calda oppure fredda.

The white light is generated by a blue LED covered by yellow phosphor that transform part of the blue light into longer wavelengths. This yields a white beam of light, and according to the composition of the conversion materials, the generated light can be warmer or colder.

20

y

x

540

0,2 0,4 0,6 0,8

480

460440 380

560

580

600620

640750

0,8

0,6

0,4

0,2

500

520

Caratteristiche del LEDLED characteristics

Fig. 3 Diagramma cromatico

Chromaticity Diagram

Per ottenere apparecchi di illuminazione che siano performanti si utilizzano Power LED di ultima gene-razione. Questi led hanno un’elevata efficienza in termini di flusso luminoso in uscita.Tuttavia questo non basta, occorre tener presente anche la qualità della luce, misurata dall’indice di resa cromatica (CRI) e della temperatura di colore, misurata in gradi Kelvin.

INDICE DI REsa CROMaTICa (CRI)Tale indice misura l’attitudine dei LED a riprodurre fedelmente i colori degli oggetti o delle persone illuminate: questi colori infatti non dipendono solo dagli oggetti stessi, ma anche dalla composizione spettrale della luce che li investe. Il valore di indice di resa cromatica, che va da 0 a 100, indicato anche con Ra oppure CRI, è ottenuto comparando il led con un’opportuna sorgente stan-dard campione; si registrano le differenze cromati-che su un diagramma di riferimento allorquando vengono illuminate un certo numero di piastrine di vari colori.Minori sono tali differenze, migliore è l’indice gene-rale di resa cromatica (CRI) della sorgente e, quindi, maggiore il valore dell’indice.L’indice di resa cromatica delle sorgenti a led uti-lizzate negli apparecchi Fael è sempre maggiore di 70. Considerando che l’indice di resa cromatica è inversamente proporzionale al flusso in uscita, è possibile richiedere valori Ra superiori, a scapito del flusso in uscita.Il diagramma rappresentato nella figura sottostan-te, mostra lo spazio colore CIE creato per definire tramite le coordinate x, y ogni colore visibile all’oc-chio umano.

In order to produce high-performance lighting equip-ment, next generation Power LEDs are utilized. These LEDs provide highly efficient luminous flux at output.However, this is not enough: the quality of the light produced must also be taken into consideration, as measured by the color rendering index (CRI) and the warmth of the color, measured in Kelvins.

COLOR RENDERING INDEX (CRI)This index measures the degree to which the LEDs accurately reproduce the colors of the objects or people they illuminate: these colors, in fact, do not depend only on the objects, but on the wavelengths of light that strike them.The value of the chromatic rendering index, which ranges from 0 to 100 and is also abbreviated as Ra or CRI, is obtained by comparing the LED with a standard light source; the chromatic variationsare recorded when a reference diagram in which a certain number of colored patches are illuminated.The slighter the differences, the higher the value of the source’s index of chromatic rendering (CRI). The chromatic rendering index of the LEDs used in FAEL equipment is always over 70. If we consider that the chromatic rendering index is inversely propor-tional to the output, it is possible to achieve higher index values, but at the cost of diminished output (in lumens).The diagram in the figure below shows the CIE color curve, created to plot every color visible to the human eye by assigning each two coordinates: x and y.

LED

21

1600K 4000K 8000K 12000K 16000K

7 Step

4 Step

2 Step

3200K 2700K

TEMPERaTURa DI COLORE In illuminotecnica la temperatura di colore è un valore espresso in gradi Kelvin, utilizzato per indica-re la tonalità della luce. La scala dei valori è compre-sa in un range fra 1600K e 16000K .Un valore basso di temperatura di colore indica una tonalitàcalda(tendentealgiallo-rosso).Valoriele-vati denotano invece una tonalità fredda (tendente al blu).Ad esempio nell’illuminazione pubblica vengono scelte temperature di colore dei led da 4000K a 6000K.La temperatura di colore delle sorgenti a led utiliz-zate negli apparecchi Fael è sempre tra i 4000 e i 5000K, a seconda del tipo di apparecchio. Su richie-sta altre temperature di colore.

COLOR TEMPERATUREIn illumination engineering, the temperature of a color is expressed in Kelvin degrees, and describes the tonality of the light. The scale ranges from 1600K to 16000K. A low temperature value indicates a warm hue (tend-ing towards yellow-red), while higher values are associated with colder tonalities (tending towards blue).For example, for public street lighting the color tem-perature of the LEDs chosen ranges from 4000K to 6000K.The color temperature of the LED sources used in FAEL equipment is always between 4000 and 5000K, depending on the type of device. On request, other color temperatures can be arranged.

ELLIssI DI Macadam Per definire la tolleranza accettabile in termini di deviazione del colore, tutti i produttori di LED hanno adottato le ellissi di MacAdam e la misura SDCM (Standard Deviation of Colour Matching - deviazione standard della corrispondenza colore) della consistenza cromatica, suddivisa in 7 steps. Per l’occhio umano, le variazioni di colore entro il 3° step dell’ellisse MacAdam sono impercettibili.

LUCE DELICaTa La luce emessa dai LED non contiene infrarossi né ultravioletti. La loro superficie sviluppa poco calore e quindi si presta all’illuminazione di oggetti delicati.

MacAdam ELLIPSETo define an acceptable tolerance in terms of color deviation, all LED producers have adopted the MacAdam Ellipse and the SDCM (Standard Deviation of Color Matching), which measures chromatic con-sistency, subdivided in 7 steps.The color variations comprised within the 3rd step of the MacAdam ellipse cannot be perceived by the human eye.

DELICATE LIGHTThe light emitted by LEDs contains no infrared or ultraviolet wavelengths. Their surface develops lit-tle heat and is thus ideal for illuminating delicate objects.

Fig. 4

ELLISSI DI MacAdamMacAdam ELLIPSE

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Il led è un componente ottimo se utilizzato e fatto funzionare nel migliore dei modi.In fase di progettazione dei corpi illuminanti è neces-sario tenere in considerazione che il led ha un proprio riscaldamento interno e, per garantirne un corretto funzionamento, è necessario dissipare verso l’ester-no tale calore. Un’elevata temperatura di giunzione dei led all’interno dell’apparecchio, infatti, può pre-giudicare sia il mantenimento del flusso che la vita stessa dei led.I corpi illuminanti Fael sono studiati per garantire l’ottimale dissipamento del calore prodotto dai led, prolungando conseguentemente la vita dell’appa-recchio. Tale dissipazione viene assicurata sia grazie a sistemi di dissipazione progettati internamen-te con interfacce termiche e materiali ad elevata conducibilità termica, sia grazie all’utilizzo di led di ultima generazione che presentano una bassa resistenza termica e quindi un contenuto auto riscaldamento. I led sono montati con il sistema “pick and place” su un circuito stampato in alluminio con dielettrico ceramico brevettato, altamente dissipante termica-mente MCPCB (Metal Core Printed Circuit Board), progettato internamente.Il materiale dielettrico mantiene nel tempo sia le proprietà isolanti elettriche sia le caratteristiche termoconduttive.Le interfacce termiche tra le piastre led e i corpi sono selezionate con resistenze termiche ridotte.Lo studio dei materiali ed i continui test in fase di progettazione hanno permesso di ottenere elevate efficienze degli apparecchi, minimizzando la tem-perature di funzionamento dei led.Il dipartimento di progettazione Fael si avvale inol-tre di avanzati software di simulazione termica, che ottimizzano la progettazione trovando le migliori soluzioni allo scopo prefissato.

LED can be an excellent component if used prop-erly. In the lighting design stage, one must take into consideration that LEDs produce heat and, in order to ensure their proper functioning, this heat must be dissipated. In fact, if the junction temperature becomes too high inside the device, the output may be affected, and the LEDs themselves may be perma-nently damaged.FAEL floodlights are designed to provide excellent heat dissipation, prolonging the life of the LED devices.Dissipation of the heat produced is accomplished thanks to systems designed in-house, utilizing ther-mal interfaces and superconductors, as well as next-generation LEDs with low heat resistance, which thus generate less heat.The LEDs are mounted on a patented aluminum printed circuit with a dielectric ceramic, guaran-teeing excellent heat dissipation and known as an MCPCB (Metal Core Printed Circuit Board), developed in-house, using the “pick and place” system. The dielectric material retains both its electrical insulat-ing capacity and its thermal conductivity unaltered over time.The thermal interfaces between the LED layers and the bodies are selected with low thermal resistance. Studies of the materials and constant testing during the design stage resulted in highly efficient devices that minimize the temperatures at which the LEDs function. The FAEL Design department also utilizes advanced thermal simulation software, which con-tributes to optimizing performance by identifying the best solutions for achieving the desired objective.

Dissipazione termica Thermal dissipation

Fig. 6Immagine ad infrarossi con termocameraInfrared image with thermo camera

Fig. 7Simulazione termicaThermal simulation