Stiamo vivendo un momento molto particolare nel mondo del lighting; una sorta di rivoluzione che in breve tempo potrebbe portare a rivedere completamente il modo di concepire e progettare gli apparecchi di illuminazione in quasi tutti gli ambiti applicativi. I LED stanno velocemente prendendo il posto delle sorgenti di luce tradizionali grazie a due fattori determinanti: da una parte la direttiva europea per la progettazione ecocompatibile di prodotti che consumano energia (Eco-design Directive for Energy-using Products, 2005/32/EC) bandirà in maniera graduale dal mercato le lampade ad elevato consumo; dall’altra i continui progressi dell’illuminazione allo stato solido stanno rendendo disponibili dispositivi sempre più performanti in termini di efficienza e flussi luminosi emessi. In questo contesto estremamente dinamico e in continua evoluzione, le aziende produttrici di apparecchi di illuminazione si trovano di fronte ad una fase estremamente importante per il loro successo nel futuro; occorrerà nel breve periodo valutare con attenzione le nuove tecnologie e focalizzare le proprie strategie. In questa fase di transizione tecnologica, infatti, nuovi competitors si stanno affacciando sul mercato, nuove scelte dovranno essere effettuate in tempi brevi negli uffici di progettazione e nuove figure professionali dovranno necessariamente entrare nelle aziende di lighting. Le competenze non sono ancora ben delineate e la tecnologia non è ancora del tutto compresa; siamo in un momento di transizione che vedrà sempre più l’elettronica protagonista dell’illuminazione del futuro.
IL PROBLEMA DELLA SCELTA
Uno dei primi problemi da affrontare sarà legato alla scelta del tipo di componente da utilizzare. I primi LED di potenza disponibili per il settore del lighting erano caratterizzati da un unico chip (o “die”) in grado di emettere luce. Dopo circa una decina d’anni dalla loro nascita, i LED monochip hanno raggiunto ormai elevate efficienze (attorno ai 150 lm/watt), con valori di emissione luminosa nell’ordine di poche centinaia di lumen (in condizioni tipiche di funzionamento). Flussi luminosi estremamente elevati, considerando il fatto che la potenza elettrica utilizzata da questi componenti è estremamente bassa, ma ancora non confrontabili con flussi luminosi delle sorgenti a scarica o alogene. Questo ha comportato per i produttori la necessità di assemblare su un circuito stampato più LED di potenza al fine di ottenere livelli di flusso luminoso paragonabili a quelli delle sorgenti di illuminazione tradizionali; la scheda elettronica ha di fatto iniziato a sostituire il bulbo di vetro che da oltre 100 anni rappresentava il punto centrale dell’apparecchio di illuminazione. Un cambiamento che ha portato con se non poche criticità legate soprattutto alla necessità da parte dei produttori di Lighting di affrontare problematiche di natura elettronica fino ad ora considerate solo marginalmente nella maggior parte dei casi. Oltre alla progettazione del circuito stampato e allo studio del corretto accoppiamento termico con il dissipatore è nata inoltre l’esigenza di indirizzare in modo opportuno le intensità luminose emesse dai LED attraverso ottiche secondarie opportunamente progettate (con la nascita nel giro di pochissimi anni di aziende specializzate nella produzione di lenti per LED).
I LED MULTICHIP
La necessità di offrire prodotti con prestazioni luminose paragonabili alle sorgenti tradizionali ha spinto nel corso degli anni alcuni produttori di LED ad integrare all’interno di un unico dispositivo più diodi; i LED multichip hanno iniziato ad essere prodotti e offerti accanto ai LED a chip singolo. A seconda del tipo di componente elettronico utilizzato si parla di multichip di potenza oppure di LED array . Nel primo caso all’interno dello stesso package vengono inseriti più diodi luminosi ad alta potenza (attualmente esistono LED multi chip contenenti fino a 24 diodi); nel caso dei LED array vengono invece assemblati un maggior numero di diodi ma con potenza inferiore. I LED multichip hanno dimensioni estremamente ridotte ma a differenza degli array necessitano, nella maggior parte dei casi, di un circuito stampato per il loro assemblaggio; i LED array invece possono essere fissati direttamente a contatto con il dissipatore tramite viti o appositi supporti in materiale plastico. Questa è una delle motivazioni che sta orientando molti produttori verso il loro utilizzo; si tratta di una semplificazione in termini di progetto e di processo produttivo non di poco conto. Le problematiche di gestione termica rimangono di primaria importanza, ma le competenze elettroniche non sono in questo caso più vincolanti. Si torna a progettare l’apparecchio di illuminazione focalizzando l’attenzione sugli aspetti illuminotecnici; una sorta di ritorno alle origini ma con l’utilizzo di una sorgente di luce a stato solido.
Questa nuova tendenza è stata resa possibile solo recentemente grazie all’introduzione sul mercato di LED array con flussi luminosi che iniziano ad essere considerevoli; un singolo array di piccole dimensioni è in grado ormai di generare qualche migliaio di lumen con efficienze vicine ai 100 lm/watt. Anche dal punto di vista ottico l’impossibilità di utilizzare lenti secondarie con i LED array a causa dell’area di emissione luminosa non puntuale ha riproposto l’utilizzo di riflettori come unica possibilità di convogliare il flusso per definire la fotometria dell’apparecchio; ciò ha reso le soluzioni progettuali con le nuove sorgenti molto simili agli apparecchi con sorgenti tradizionali dal punto di vista del design. Un’altra semplificazione offerta dai LED array è legata alla standardizzazione della temperatura di colore; a differenza dei power LED che sono disponibili in innumerevoli selezioni di colore (binning), gli array sono caratterizzati da una precisa temperatura colore che segue le indicazioni definite nello standard ANSI C78.377-2008 (le più utilizzate sono 2700, 3000, 4000 e 5000 K); questo implica dal punto di vista del mercato la possibilità di offrire soluzioni in linea con le sorgenti tradizionali e una semplificazione dal punto di vista della gestione produttiva con la possibilità di gestire minori tipologie di componenti.
COSA DOBBIAMO ASPETTARCI NEL PROSSIMO FUTURO?
Le attuali tendenze stanno andando verso una ricerca di semplificazione. L’idea dell’unica sorgente da utilizzare con un’ottica che lavora in riflessione è la strada che molti produttori tradizionali, e non, stanno intraprendendo; una scelta legata probabilmente alla necessità di gestire la transizione verso la solid state lighting nel modo più semplice possibile. Da una parte infatti c’è l’esigenza di offrire al mercato prodotti a LED le cui prestazioni siano facilmente confrontabili con quelli tradizionali e da questo punto di vista anche l’aspetto della “forma” ha la sua valenza. Dall’altra c’è il problema della formazione del personale negli uffici tecnici; affrontare l’innovazione in modo graduale è una condizione auspicabile per garantire una progettazione di qualità. Occorre in questo momento di transizione dare sicurezza a tutti gli operatori del settore; in quest’ottica le aziende sempre più si indirizzeranno verso soluzioni il più possibile pronte, attraverso l’utilizzo dei LED array o di moduli che incorporano addirittura la parte di dissipazione. Soluzioni tecniche che garantiranno una maggior flessibilità in fase progettuale, una riduzione del time to market e una più facile “comprensione” da parte degli utilizzatori finali.
È difficile in questa fase prefigurare il futuro del Lighting; sicuramente alcune caratteristiche tipiche delle nuove sorgenti a stato solido modificheranno in modo sostanziale il modo di progettare gli apparecchi di illuminazione. I Led array rappresentano un ottimo strumento per attuare in modo graduale questa fase di transizione.
GLOSSARIO
ILLUMINAZIONE ALLO STATO SOLIDO
Sistema di illuminazione in cui l’emissione luminosa non deriva dall’effetto di riscaldamento di un filamento metallico o dalla scarica all’interno di un gas, ma da un elemento solido che, nel caso dei LED, è un semiconduttore che emette luce quando è percorso da una corrente elettrica.
CHIP
Sottile piastrina di materiale semiconduttore su cui è presente un circuito elettronico e che costituisce il cuore di un componente elettronico.
LAMPADA A SCARICA
La luce di queste sorgenti è emessa attraverso una scarica innescata in un gas (argon, vapori di mercurio, sodio) posto tra due elettrodi all’interno di un tubo di quarzo trasparente. Il passaggio di corrente elettrica provoca l’emissione di radiazioni dovute agli urti fra le particelle cariche elettricamente. Le radiazioni, in gran parte ultraviolette, vengono trasformate in visibili mediante la polveratura che ricopre internamente l’ampolla in cui è contenuto il tubo.
LAMPADA FLUORESCENTE
E’ un particolare tipo di sorgente a scarica. La scarica avviene tra due elettrodi posti all’estremità di un tubo di vetro all’interno del quale è posto un gas (prevalentemente argon e vapori di mercurio a bassa pressione) con la funzione di facilitare l’innesco. Le radiazioni emesse, in gran parte nella regione ultravioletta, sono trasformate in radiazioni visibili per mezzo di polveri fluorescenti di cui è rivestito internamente il tubo.
LAMPADE ALOGENE
Producono luce per incandescenza di un filamento metallico in tungsteno posto in un’ampolla che, a differenza delle sorgenti ad incandescenza tradizionali, contiene oltre al gas di riempimento (argon) dei gas alogeni (iodio, bromo) che hanno la funzione di combinarsi con il tungsteno nelle parti più fredde della lampada per poi dissociarsi nuovamente e ridepositare il tungsteno sul filamento stesso.
a cura di Danilo Paleari, Daria Casciani, Maurizio Rossi
Dipartimento In.D.A.Co. – Politecnico di Milano
[Fonte: Lighting Magazine]
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