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Ecco come si progetta con i LED

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Ormai è ufficiale siamo in piena guerra dei LED, per il predominio dei mercati. Le aziende produttrici sono pronte a tutto, a raccontarci qualsiasi cosa per piazzare il proprio prodotto: “il mio led ha un efficienza di 150lm/w”, “il mio ha una resa cromatica Ra=99” , “ah invece il mio led dura 51mila ore”. Le notizie sono molteplici, spesso false, o meglio vere, ma fino ad un certo punto.

Non dimentichiamoci una cosa però, che ad avere l’ultima parola sui led è, ancora una volta, il costruttore di corpi illuminanti: è lui che ha il potere di scegliere, ovviamente a discapito del prezzo, la qualità del chip che viene montato e soprattutto in che modo viene assemblato.

Un assemblaggio errato può vanificare tutti i parametri qualitativi e quantitativi che i vari produttori di LED cercano con tanto affanno di pubblicizzare, in particolare il calore prodotto durante il funzionamento del chip, se dissipato in maniera non corretta, comporta uno stravolgimento completo di tutti questi bei parametri (Efficienza, vita media, emissione spettrale, ecc).

Per capire meglio in che modo la temperatura di funzionamento va ad inficiare sul corretto funzionamento del chip vi riporterò qua sotto alcuni grafici esplicativi che si riferiscono nella fattispecie al LED della Philips Luxeon Rebel InGaN (Indium Gallium Nitride) normalmente utilizzato per la produzione dei led Blu, Verdi, Ciano  e Bianchi. Nel caso di altre aziende produttrici, anche se i parametri presi in esame portano alla medesima  dimostrazione, consiglio di consultare i relativi datasheet.

Giusto per conoscenza qua sotto è rappresentato un Rebel preposto alla produzione di luce bianca: un catodo e un anodo alla quale è poi connessa l’alimentazione principale, un substrato ceramico-metallico necessario all’estrazione del calore dalla zona attiva del LED (il chip), nella parte superiore trovate il Chip vero e proprio, affiancato da un chip secondario che protegge il chip primario dalle cariche elettrostatiche, il tutto coperto dal uno strato di materiale fosforescente in grado di convertire le radiazioni emesse dal chip in luce bianca, della qualità che più ci aggrada (bianco caldo, neutro o freddo). Tutto questo sistema è poi coperto da una lente di materiale siliconico.

Philips Rebelrebel draw

Molti di voi già sanno che più aumento la corrente di funzionamento (espressa in Ampere) del led, più ottengo un aumento del flusso emesso dal LED.

Ne deriva un aumento della potenza assorbita (W) e quindi maggior calore prodotto durante il funzionamento (temperatura di giunzione), che incide in maniera diretta sia sul flusso emesso, sia sulla vita media garantita dal costruttore.
Qua sotto a sinistra il grafico che mette in relazione la corrente (A) con la tensione (V) di funzionamento, come potrete notare ad un aumento di corrente corrisponde un aumento non lineare di tensione.
A destra il grafico invece  che ci dice come il flusso luminoso emesso sia estremamente influenzato dalla temperatura di funzionamento (°C).

Rebel a_vRebel temp-flux

Osserviamo grazie al grafico qua sotto come si comporta il nostro LED in termini di vita media garantita al variare della temperatura e ovviamente della corrente di funzionamento.
Il grafico qua sotto definisce le aspettative di vita del nostro Rebel, con un intervallo di confidenza di 90%, ovvero esistono il 90% percento di probabilità che il campione preso in esame rappresenti la globalità del parco led e che quindi  la curva ne rappresenti il reale comportamento.
Le curve di mortalità del LED non indicano la rottura “catastrofica” (cioè fisica) del chip, ma definiscono la percentuale di flusso rimanente (Lyy) di una data percentuale di elementi presi come campione (Bxx).
In particolare il grafico qua sotto è espresso secondo un’aspettativa di vita (B50,L70) ovvero il 50% dei campioni ha un flusso emesso del 70% rispetto a quello emesso inizialmente. Se fosse (B10, L70) verrebbe considerata un’aspettativa di diminuzione del 30% di flusso su il 10% della popolazione di LED.

reliability

Comunque per chiarire meglio le cose consiglio di dare un’occhiata al sito di Future Electronic, che mette a disposizione alcune Tools interessanti: LED Reliability tool e Usable Light Tool che si possono utilizzare in modo gratuito previa registrazione.

Quindi mi raccomando, se disegnate prodotti, o se semplicemente state comperando un bello ed innovativo stradale LED  tenete ben presente quanto detto sopra, cioè che la temperatura di funzionamento del Chip, se mal dissipata,  può inficiare in modo molto significativo sia sul flusso emesso, sia sul colore della luce, sia sulla vita media del LED.

A presto!

Giacomo
Giacomohttp://www.rossilighting.it
Giacomo Rossi, architetto e lighting designer free lance, fondatore di Luxemozione.com. Dopo anni di attività nella progettazione della luce, fonda assieme ad altri colleghi LDT-Lighting Design Team , studio multidisciplinare di progettazione della luce. Alla progettazione affianca l'attività come docente presso il Politecnico di Milano e altre importanti scuole di architettura e design. tra cui IED Istituto Europeo di Design. E' inoltre autore di articoli su riviste del settore illuminotecnico. Dal 2014 è membro del Consiglio Direttivo di Apil-associazione dei professionisti dell'illuminazione.

47 Commenti

  1. Finita la questione alimentazione e dissipazione, brevemente illustrata sopra, arriviamo alla distribuzione…
    Illuminare una facciata, una strada, un parcheggio, una rotatoria, le norme, le luminanze, la natura delle superfici ecc ecc…

    Secondo voi, l’assessore del comune di “roccofrittole” a che punto della presentazione si è addormentato?
    Il vero problema non è tanto la furbizia di chi vende oggetti “improvvisati” ma l’ignoranza di chi li acquista!! peggio se con soldi pubblici!
    Acceso l’impianto, fatto l’articolo sul gazzettino locale chissenefrega se il risultato e adeguato alle esigenze ed energeticamente efficace!!

    • Ah bhe secondo me il tuo assessore si è addormentato dopo la prima frase, ma credo che si inizino ad intravedere prodotti a led che fanno la differenza, mi è capitato di avere sottomano un prodotto della RUUD che credo tu conosca, e devo dire l’impressione è stata ottima, ovvero la sensazione è stata quella di un prodotto dietro il quale esiste una ricerca molto forte (l’estetica vabbeh…). I ciarlatani esistevano anche prima dell’avvento del LED, anche se poi sono prolificati a dismisura con l’apertura del mercato a questa nuova tecnologia, ma oggi si devono confrontare sempre più con un mercato che propone anche soluzioni molto buone e quindi competitive dal punto di vista prestazionale, credo (o meglio spero) che questo confronto porti una maggiore conoscenza di questa tecnologia anche chi in realtà nulla ha che vedere con il mondo dell’illuminazione (come ad esempio il tuo assessore annoiato). Bho speriamo almeno che le cose che scrivo servano a trasmettere un po’ di cultura della luce 😉
      ciao ciao

    • Guarda, non li conosco, difficile dare un giudizio dalle immagini sul sito, sul quale mi pare non è pubblicata nemmeno una fotometria…mi spiace
      ma magari qualcun’altro li conosce.
      A presto

  2. caro Stefano
    Ho dato uno squardo al sito litek da te segnalato: http://www.litek.it

    credo che i commenti si possano ben immaginare …
    Tanto per cominciare, un prodotto LED senza dissipatore !! direi che se la cosa funziona sono ricchi.

    Per la parte illuminotecnica quanto scritto in questo documento è la chiara evidenza della competenza illuminotecnica:

    Io sono scioccato

  3. Complimenti, l’articolo è molto bello e completo.
    Vorrei inoltre aggiungere che uno dei maggiori problemi che si riscontrano in una apparecchiatura a LED è dovuto al malfunzionamento del driver (da prove su campo ho potuto constatare che la mortalità media è sul 30% alle supposte 50.000h; Philips garantisce una mortalità del 5% sulle 50.000h, comunque alta).
    Quindi è inutile sbandierare la pretesa durata del LED senza un driver che ne garantisca la resa: c’è ancora molto da fare; se muore un apparecchio su 20 prima della fine della sua vita utile va attentamente valutato il suo utilizzo.
    A presto.

    Matteo

  4. Bhe in effetti molti costruttori dimenticano di segnalare dopo la dicitura “vita media 50mila ore” …”si ma gli ausiliari dovete cambiarli molto prima”. Purtroppo non tutti investono denaro nella ricerca. RUUD in questo caso fa storia a sè 😉
    Ho avuto tra le mani i moduli RUUD…già a colpo d’occhio ti rendi conto della differenza!
    Ciao

  5. In realta la durata dell’alimentatore dipende dalla qualità stessa del prodotto. Se un produttore di apparecchi a LED acquista componenti di media o bassa qualità è vero tutto ciò che dice Matteo. Contrariamente alcuni produttori, più attenti alle performance, installano sui loro apparecchi Driver con vita attesa oltre le 100.000 ore ovvero simile a quella dei LED. (Vedi Driver elettronico che installa Ruud Lighting).
    Naturalmente questi componenti hanno un costo molto maggiore.
    Lucia

  6. Assolutamente no anche perchè sarebbe un controsenso con la politica di Philips “led a tutti i costi”, quello che volevo dire è che molte aziende non stanno certo a guardare la qualità dei componenti montati.
    Per quanto riguarda i driver RUUD a quanto dichiara l’azienda 100 mila ore

  7. Quindi Philips monterebbe driver di media e bassa qualità?
    Non è che vado matto per Philips, ma credo che rispecchi bene o male le prestazioni migliori che si possono ottenere in ambito di illuminazione…
    Qual’è la mortalità del driver di RUUD?

    Matteo

  8. Scusa Giacomo, non mi riferivo al tuo post… 😛
    Io non volevo la durata, ma la mortalità (insomma, cosa me ne faccio poi di un driver da 100000 ore se il LED ne dura solo 50000?): in questo modo so quanti driver dovrò sostituire nella vita di una serie di apparecchi.

    Matteo

    • ciao Matteo
      Mi è venuto in mente che RUUD si avvale di tecnologia Philips, comunque per quanto riguarda l’affidabilità dei driver LED alcuni dati interessanti li ho trovati sul sito di ROAL
      http://www.roallivingenergy.com/design_guides.asp
      Che però non mi pare dicano nulla sulla mortalità…magari qualcuno tra i lettori sa dare maggiori info 🙂
      A presto
      mi correggo l’azienda per la precisione è Advance che credo Philips controlli in qualche maniera

  9. Ciao
    I Driver che utilizza Ruud sono Advance (azienda del gruppo Philips) modificati su specifiche di Ruud stessa.
    I test di Advance danno 0.5% di mortalita a 150.000 ore di funzionamento.
    Per i LED 30% di decadiemnto del flusso a 168.000 ore (Temperatura media ambiente = 15°C amperaggio 350mA), 20% di decadimento a 110.000 ore (Temperatura media ambiente = 15°C amperaggio 350mA).
    Per quanto riguarada Philips per l’illuminazione hanno prodotti eccezionali, ma sui LED ad oggi non ho visto un prodotto per illuminazione stradale valido. Credo che ci stiano lavorando adesso.
    Ciao

  10. In line di massima i costruttori di apparecchi di illuminazione seri ( non certo i “cantinari” ) stanno tutti o quasi tutti mettendo sul mercato prodotti che presntano medesima vita dei led e del griver.
    Un buon e semplice metodo per dedurre quale filosofia il costruttore adotti è osservare se l’apparecchio è apribile.
    Se è tutto sigillato ci possiamo aspettare che il costruttore si sia ben tutelato sulla durata dei vari componenti, se l’apparecchio è apribile bene farsi venire qualche dubbio…

    Tra gli oggetti usciti in questi giorni vi segnalo il materiale della AEC ILLUMINAZIONE http://www.aecilluminazione.it , sono stati pubblicizzati anche su un paio di quotidiani nazionali.
    saluti

  11. In effetti è curioso che i dati relativi al flusso siano considerati relativi alla curva di visibilità scotopica, visto soprattutto il diverso spettro di emissione delle due sorgenti e considerando che fine fanno le emissioni nel rosso in visione scotopica… Non capisco però cosa intendi con la domada sull’efficienza 🙂

  12. Se leggi in alto c’è scritto:

    LED: 85% NanoOpticTM efficiency*, 93% driver efficiency, 100,000 hour life.

    Cosa significa? Che il driver ha una mortalità del 7% sulle 100.000 ore? (Probabilmente sì, visto che si riforniscono da Philips e quelli di Philips mi hanno comunicato personalmente che la loro mortalità è sul 3%-5% alle 50.000 ore).

  13. L’ efficenza del Driver non centra niente con la mortalità dell’alimentatore.
    Comunque questi dati li ho letti sul catalogo di Ruud e chiamando in azienda mi hanno confermato i dati.
    La tabella a cui ti riferisci è quella americana forse i parametri li sono diversi comunque ci sono due pagine di confronto Scotopica la prima e Fotopica la seconda.

    Ci sono dati sul prodotto di AEC percheè io sono riuscita ad avere sono una brochure senza dati tecnici
    Ciao

    • ciao Leonardo il LEDITB sembra interessante, che tipo di led avete usato? Unica nota che mi viene adesso:
      1)Dissipa abbastanza?
      2)Spinge un po’ poco in avanti (vista la curva fotometrica)
      Il corpo è in pressofusione?
      Dal punto di vista design non mi dispiace, l’unica pecca (come al solito) l’attacco al palo (che notoriamente è il punto più difficile da risolvere)
      Se hai altre info….
      Ciao ciao

  14. Innanzi tutto e corretto che mi presenti, per chi non mi conosce sono Leonardo Dei responsabile dell’area illuminotecnica di AEC ILLUMINAZIONE, detto questo fornisco un po di risposte…

    1_ La dissipazione è ben più che sufficente, senza entrare nei dettagli ci sono strumenti , di una certa complessità e costo, che permettono di progettare questi elementi con assoluta precisione.
    Su LEDil-B la parte superiore è una copertura estetica, sotto c’è il dissipatore vero e proprio.

    2_ Attualmente ci sono due ottiche una per percorsi ciclopedonali, dunque con un trow limitato, l’altra per applicazioni stradali.
    L’emissione frontale è più che adeguata, teniamo presente che sui cataloghi vedi solo due o tre piani C, poco utili oggi a descrivere un solido fotometrico “moderno”.
    La cosa è ancora più complessa con la tecnologia led che rivoluziona anche la filosifa delle emissioni …
    Ammetto che nei primi momenti di sviluppo anche io ho avuto difficoltà nell’interpretare e nel decidere …

    3_ Su ILO il corpo principale è una trafila di alluminio, su LEDit-B una pressofusione.

    4_ I file fotometrici saranno messi a disposizione appena finita la campagna pubblicitaria di lancio… decisione di marketing.

  15. Aspetto ansioso gli eulumdat.. 🙂
    Potresti comunicarci allora (per avere un termine di riferimento) le temperature di giunzione che registrate sui vostri prodotti (come il LEDil-B)?
    Grazie

    Matteo

  16. Ciao,
    l’articolo mi sembra molto ben scritto.
    Vorrei solo fare un’osservazione: come mai nel calcolo della potenza di sistema hai considerato per i LED l’assorbimento comprensivo del fattore di potenza (e quindi l’assorbimento in VA che per 100 LEd @ 350mA equivale a 127) mentre per le lampade a scarica non lo hai considerato?
    Dai miei calcoli i Lumen/W della 100W sodio dovrebbero essere circa 72 lum/W.
    Ciao

  17. Per le lampade al sodio ho considerato un alimentatore elettronico (non ferro-magnetico) ed i Watt assorbiti sono medie valutate direttamente “sul campo” delle potenze assorbite per diversi tipi di accoppiamento alimentatore/lampada. Per i LED purtroppo ci sono range ancora molto elevati per diversi tipi di produttori e alimentatori.
    Ciao

    Matteo

  18. @ lucia
    solo una noticina…a me fa piacere che voi commentiate su Luxemozione ci mancherebbe altro, ma magari Matteo avrebbe piacere che qualcuno lasciasse un bel commento anche in fondo all’articolo estremamente chiaro e dettagliato che ha scritto, considerando che, e qua ci scommetto, per scriverlo ci ha messo ben più di qualche ora… 😉
    ciao ciao

  19. No.

    – Una lampada SAP da 100W “consuma” 100W.
    – Un led a 350mA e tensione di circa 3,3V consuma circa 1,12W.100 led “consumano” 112W.

    – Una lampada al sap più alimentatore “consuma” 107W
    – 100 led più alimentatore “consumano” 127W

    • Appunto il consumo del LED dipende dalla tenzione, che a 350mA non è uguale per tutti i tipi di LED, se consideri la migoliore lampada a scarica che esiste sul mercato con la migliiore ottica (efficenza intorno all’80% quindi ovviamente Iridum Philips)dovresti per correttezza usare anche il miglior LED che esiste sul mercato che a una tenzione di circa 3.10V quindi 1.08W per LED, perdite alimentatore elettronico circa 7%. Consumo totale 115W per 100 LED.

      • 1.08W per LED ci può stare, ma un 7% per l’alimentatore elettronico assolutamente no (visto che il LED va a corrente pilotata).
        Dai nostri test i RUUD montano un alimentatore che prende circa il 13%, mentre i Philips si attestano al 15%.
        100 LED che consumano “realmente” 115W mi sembra poco poco: hai dei rilievi sul campo che possono attestare queste misure (mi interessano poco i conti teorici)?
        Matteo

  20. Chiedo scusa se non sono stata chiara nei miei interventi,
    non voglio difendere a spada tratta i LED (che secondo me non sono ancora al massimo) ma volevo solo che i confronti fossero corretti. Nel caso si utilizzi apparecchi a scarica con efficenza ottica pari all’80% (esiste solo un apparecchio sul mercato come già citato) concordo pienamente con te.
    Ma non viene venduto solo quel tipo di apparecchio, la maggior parte degli apparecchi a scarica hanno rendimenti intorno al 65/70%, ed ancora oggi si vedono sul mercato prodotti con il 40/50%.
    Possiamo dire che ad oggi alcuni prodotti a LED hanno un’efficenza inferiore dello 0.06% rispetto al miglior opparecchio a scarica equipaggiato con la migliore lampada che esiste sul mercato.
    A breve avremo la nuova generazione di LED (a quanto dicono + 15%/20% di flusso luminoso) e quidi verrà superato anche questo scoglio.

    Lucia

  21. Giustissimo…… Ho visto apparecchi a LED venduti come altamente innovativi scandalosi. Molte volte mi accorgo che la maggior parte dei produttori non sa niente di illuminazione…. Ottica questa sconosciuta!!!!! Fotometria cos’è qualcosa che si mangia!!!!!! Per non parlare di aspetti più complessi.

  22. Sono contento che dici questo: infatti ho scritto gli articoli sul mio blog proprio per cercare di fare capire come un apparecchio di illuminazione e quindi l’illuminazione stradale dovrebbe essere, indipendentemente dal fatto che la lampada sia LED o a scarica.
    E’ proprio quello che dico io.
    Credo bisogna aiutare in un certo modo chi compra a “capire” cosa sia buono e cosa no.

  23. Vero…. purtroppo molto spesso chi compra (nel mio settore soprattutto pubbliche amministrazioni o grandi aziende) non sempre ascoltano…. magari alla fine dopo aver spiegato che non tutti i prodotti sono uguali (non faccio distinzione tra LED o scarica), aver elencato quali sono le caratteristiche importanti di un apparecchio etc….. vanno a comprare quello che costa meno o che ha un design accattivante, ma magari tecnicamente deludente.
    Poi i risultati si vedono in ogni città italiana!
    Mi chiedo se debbano essere i progettisti a dover instruire le pubbliche amministrazioni oppure se nei dipartimenti tecnici non debbano assumere gente con un minimo di competenza (soprattutto nelle grandi città).

    PS: una volta un cliente mi ha detto “la realizzazione non è venuta come lei aveva detto e come era scritto nel suo progetto”, vado a vedere l’impianto e i corpi illuminanti non erano quelli che avevo previsto…. chiedo spiegazioni e quello mi dice “Lei aveva messo un 150W con luce gialla, io ne ho messo un altro che costa meno… non è uguale? La lampada è la stessa” Questo la dice lunga sul grado di competenza di alcuni tecnici comunali…

  24. Certo che però il design…diciamo che anche l’occhio vuole la sua parte, non guarderei solo alla tecnica pura e semplice anche perchè non dimentichiamo che un corpo illuminante di giorno è un oggetto che non serve a nulla e se fa schifo…beh…
    Poi diciamo che le aziende, anche quelle più quotate in termini LED-tecnica si stanno muovendo molto per rinnovare il design degli apparecchi stradali LED (non per ultima la RUUD 😉 )
    ciao ciao

  25. E’ vero che il design è importante, però dipende in che contesto. Nel caso di una’installazione stradale in una strada normale (non centro storico) prediligo sempre la tecnologia, chiaramente senza installare un’apparecchio orribile. Ritengo che di armature stradali tecnicamente valide e con un’estetica adatta ne esistamo molte.
    Il gusto estetico è molto personale e quello che a me piace non è detto che piaccia anche agli altri. Ho visto delle mostruosità fatte passare per alto design, in realtà per me sono accrocchi senza senso.

    Se perliamo di una piazza, di un centro storico che si vuole caratterizzare in un certo modo l’apparecchio di illuminazione diventa elemento di arredo e quindi le cose cambiano.
    Comunque a mio parere gli apparecchi di illuminazione devo in primo luogo fare luce e farla bene…..

  26. E’ vero che l’estetica è soggettiva, ma credo che esitano dei parametri che comunque abbiano una valenza oggettiva…posso fare decine di esempi di prodotti che non fanno schifo solo al venditore che te li propone….poi ciò non toglie la valenza tecnica, infatti compito del lighting designer ( a mio parere) è proprio quello di saper scegliere adeguatamente il prodotto sia dal punto di vista estetico che tecnico.
    Poi ovvio se il progetto lo fa l’azienda e i prodotti che sono a catalogo sono 4 …bhe qui c’è poco da discutere 🙂
    ciao

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