Sistemi ottici per LED: Lenti vs Riflettori quale il migliore?

Oggi, vista l’ormai totale diffusione della tecnologia allo stato solido, è sempre più necessario comprendere a fondo le caratteristiche dei componenti che costituiscono un apparecchio d’illuminazione LED, tra questi, di primaria importanza è il sistema ottico utilizzato, da cui dipende la distribuzione fotometrica e l’efficacia del sistema. In questo articolo (il primo di una serie) vi parlerò dei sistemi ottici  per LED comunemente utilizzati in ambito illuminotecnico, descrivendo caratteristiche, proprietà e criticità principali.

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Per cominciare va fatta una premessa: il LED, inteso come singolo componente, quasi mai emette luce nella direzione e nella forma desiderata: in generale la distribuzione fotometrica di un LED privo di ottica secondaria è data da una cupoletta protettiva che funge da lente primaria e come protezione dei materiali che compongono la giunzione dagli agenti atmosferici, che ne provocherebbero l’ossidazione.

La distribuzione fotometrica data dall’ottica “primaria” o dal LED nudo può essere considerata, con buona approssimazione, di tipo “lambertiano”.

Per modificare la forma del solido fotmetrico è necessario utilizzare, in generale, un’ottica secondaria.

Per definizione le ottiche secondarie per l’illuminazione a LED servono a concentrare e convogliare la luce. In questo ambito tutta la parte di ingegnerizzazione e trasformazione ha avuto un rapidissimo sviluppo, anche per quanto riguarda i materiali per costruirle, ma  le macro-famiglie in cui si dividono sono sostanzialmente due:

• LENTI  soggette alla legge della rifrazione e di riflessione totale interna (TIR)

• RIFLETTORI soggetti alla legge della riflessione
  

Esistono anche sistemi ibridi che usano lenti e riflettori  assieme e sistemi che utilizzano diaframmi apposti all’ottica secondaria,  in grado di sagomare la luce.

Oggi però approfondiremo i sistemi più diffusi, utilizzati per modificare la distribuzione fotometrica di uno o più LED nudi. Le varianti sul tema saranno trattate in uno dei prossimi articoli.

La riflessione e rifrazione della luce

I sistemi secondari comunemente usati per modificare la forma della fotometria si basano su principi semplici di ottica: La riflessione e la rifrazione

La riflessione: è il fenomeno ottico per cui un raggio incidente su una superficie viene riflesso e l’angolo di riflessione è uguale a quello di incidenza, se la superficie è perfettamente speculare.

Il modo con cui la luce viene riflessa da una superficie dipende dalla finitura stessa della superficie, nell’immagine qua sotto sono sintetizzate alcuni comportamenti intermedi oltre quelli teorici (riflessione speculare e lambertiana)

Per ulteriori approfondimenti sulla riflessione rimando a:

• I materiali: riflessione speculare e diffusa
• Superfici lambertiane: riflessione diffusa uniforme

La rifrazione: è il fenomeno ottico per cui un raggio di luce incidente su una superficie di un materiale trasparente, attraversa il mezzo deviando il suo percorso. La legge che regola la rifrazione attraverso un mezzo trasparente (vetro, acqua, ecc) è la legge di Snell.

Quando  un raggio di luce  passa dalla lente all’aria, finchè il raggio è perpendicolare alla superficie di uscita della lente, abbiamo una totale trasmissione: il raggio rimane invariato.

Un caso particolare  si ha all’aumentare dell’angolo di incidenza (§i), l’angolo di rifrazione aumenta di conseguenza (§cr), fino ad arrivare al così detto angolo critico, condizione per cui il raggio viene riflesso all’interno del mezzo (nel nostro caso una lente) (§tr).  L’angolo di rifrazione è strettamente legato all’indice di rifrazione (n) tipico del materiale (vedi tabella con il confronto tra i diversi materiali, allegata più sotto).

Un esempio di applicazione di questa proprietà si ha, ad esempio, con le fibre ottiche, in grado di condurre luce sfruttando l’angolo critico del materiale (ovvero la riflessione interna totale della luce nel materiale), che viene utilizzato per realizzare i condotti.

Questa è anche la base su cui si fonda il funzionamento delle lenti per LED più comuni in commercio denominate TIR (Total Internal Reflection)

Le Lenti

Come si diceva le lenti utilizzano principi di rifrazione e di riflessione totale interna TIR – Total Internal Reflection. Uno dei benefici che si hanno utilizzando una lente è la precisione con cui si riesce a controllare il fascio luminoso emesso.

Nella Figura “parti di lente” si può comprendere come la distribuzione del solido fotometrico e il rendimento del sistema può differire a seconda dei materiali e del trattamento superficiale della lente stessa.

Le lenti per LED sono realizzate con differenti materiali, i più comuni sono i seguenti:

• PMMA (polimetilmetacrilato) materiale molto malleabile nella trasformazione, si raggiungono trasmittanze fino al 92% il processo di ingiallimento nel tempo è molto lento. Si ha deterioramento dato dalle alte temperature.

• PC/APEC (policarbonato) è  più resistente del PMMA agli urti ,ma si graffia più facilmente, è un  materiale indicato per prodotti con indici di resistenza (IK) elevata. Il PC in generale è caratterizzato da  una trasmissione della luce meno elevata, fino circa l’ 87%, dipendente comunque dallo spessore del materiale. Il processo di ingiallimento nel tempo è molto più veloce, dato sia dalla radiazione UV, che dall’ incremento di temperatura. Il costo del materiale è leggermente più elevato del PPMA.

• Il Silicone è  resistente alle alte temperature, presenta una quasi totale assenza di ingiallimento nel tempo e non necessita di aiuti supplementari per applicazioni esterne (la lente può aumentare il Grado di Protezione ).

Per maggiori info sul Grado di Protezione ti consiglio:Grado di protezione per l’illuminazione…questo sconosciuto

Il tempo di trasformazione è dimezzato al confronto del PC e del PMMA, la trasmittanza è superiore al 90%. Può resistere a temperature oltre i 130°C. Il costo della materia prima è sensibilmente più elevato di PPMA e PC.

Nell’immagine qua sotto un test di resistenza UV e termico di lenti in diversi materiali Fonte Dow Corning

Ed infine una tabella riassuntiva con i diversi materiali a confronto (clicca sull’immagine per ingrandire)

I riflettori

I riflettori utilizzano il principio di riflessione, è importante notare che ad ogni rimbalzo del fascio di luce sulla superficie del riflettore si ha una perdita, perché il materiale su cui si riflette il fascio stesso ne assorbirà una parte. La distribuzione fotometrica risultante è data principalmente dalla geometria del riflettore e dal trattamento superficiale e dalla caratteristiche fisiche del materiale depositato  all’interno del riflettore.

I riflettori per LED sono costruiti perlopiù in materiali termoplastici quali il PC (Policarbonato) o PCHT (Policarbonato High Temperature), che hanno bisogno di un passaggio di trasformazione in più chiamato metallizazione, in gradi di depositare lo strato riflettente sulla superficie di cui il riflettore stesso è costituito.

Le efficienze espresse da queste tipo di ottiche sono in partenza più basse rispetto a quelle offerte da una lente ed uno dei “problemi” che si possono riscontrare è il fatto che tutto il fascio emesso dal led che non riesce ad essere riflesso non è controllato.

temperatura di rammollimento Vicat.

Una nota importante sui materiali termoplastici è la temperatura di rammollimento Vicat. I materiali termoplastici, tra cui PMMA e PC, non hanno un punto di fusione preciso che definisce esattamente il passaggio dallo stato solido a quello liquido, si tratta piuttosto di un rammollimento graduale al crescere della temperatura, per questo motivo è stato introdotto al posto della temperatura di fusione un valore di temperatura di rammollimento dei materiali denominato Vicat che consiste nel provare un campione del materiale termoplastico sollecitandolo a carichi di flessione.

Ne deriva che, in fase di ingegnerizzazione, bisogna sempre partire dalla scelta del led, e di conseguenza della temperatura di funzionamento del componente: la temperatura di giunzione/lavoro del led è un elemento importantissimo, non solo perché strettamente legato all’emissione della luce, ma perché da questa deriva anche la scelta dell’ottica e della sua costruzione.

Perchè usare dunque una lente anzichè un riflettore?

Non è possibile affermare a priori quale tipologia sia migliore rispetto alle altre in quanto la valutazione deve essere fatta in base all’applicazione e in base alla sorgente utilizzata.

Le lenti ed i riflettori vengono prodotti, oggi, sia per il power e mid power LED, che per i COB LED, dunque la scelta dell’ottica  è determinata solo in parte dalla tipologia del LED.

Una lente per COB presenta delle complicazioni a livello progettuale, che invece sono facilmente risolte con un riflettore, più economico e leggero di una lente. Quest’ultimo problema è facilmente risolvibile utilizzando materiali diversi dai comuni PC e PMMA, tra cui il silicone, materiale ancora giovane in questa tipologia di applicazione, ma che ha un discreto successo grazie alla semplicità di trasformazione con spessori e diametri elevati.

La parte emissiva uscente da un riflettore, come già accennavo più sopra, è composto da due flussi, il così detto flusso diretto emesso direttamente dal led e che non viene controllato dalle pareti del riflettore, generando un alone e una parte limitata del flusso luminoso che incide sulle pareti del riflettore che assume la forma desiderata.

A parità di dimensioni con una lente si riesce a controllare quasi l’intero flusso e quindi, in generale i sistemi dotati di ottica con lente TIR sono più precisi rispetto ad analoghi con riflettore, soprattutto in presenza di emissioni fotometriche con angoli molto stretti (narrow beam).

In conclusione, dunque, quando si sceglie un’ottica bisogna sempre comprendere quali sono le esigenze di progetto, così da poter effettuare la scelta più congrua in grado di mediare tutte le problematiche che un progetto propone nella sua totalità.