Guida all’illuminotecnica con i LED: dalle basi agli schemi applicativi

Impariamo a guardare il LED dal punto di vista dellโ€™illuminotecnica, partendo dalle basi e arrivando a qualche schema applicativo.

Un componente elettronico che ha conosciuto notevole diffusione ed evoluzione negli ultimi anni รจ il diodo luminoso, che, nato come lampadina spia ed elemento base dei display, oggi รจ diventato la principale fonte di illuminazione artificiale.

Questo trae origine da quando รจ stato possibile realizzare i LED a luce bianca, allorchรฉ il mondo dellโ€™elettronica ha focalizzato i propri sforzi con lโ€™intento di elevare lโ€™efficienza luminosa e creare componenti di potenza idonea a sostituire i corpi illuminanti tradizionali.

Oggi i LED hanno unโ€™efficienza energetica (ossia luce emessa a paritร  di consumo) 10 volte superiore rispetto alle lampadine a filamento.

La riduzione dei costi, lโ€™aumento dellโ€™affidabilitร , la versatilitร  dโ€™uso e la facilitร  di installazione, hanno quindi decretato il successo dei LED nellโ€™illuminazione, cui vogliamo dedicare questo articolo, partendo da qualche accenno alla fisica del componente e dalle origini della tecnologia dei diodi luminosi.

Come funziona il LED

LED significa Light Emitting Diode, ossia diodo emettitore di luce; un diodo a giunzione di semiconduttore che in polarizzazione diretta, alimentato con una tensione che superi quella di soglia, produce ed emette luce.

La giunzione PN รจ fatta con un semiconduttore non naturale, come silicio e germanio, ma di sintesi, perchรฉ altrimenti la radiazione luminosa emessa non รจ visibile ad occhio.

Il tipo e il drogaggio del semiconduttore determinano la lunghezza dโ€™onda e quindi il colore della luce emessa; non solo, ma influenza anche la tensione diretta richiesta per ottenere la luce.

La tensione di funzionamento di un LED puรฒ variare dagli 1,8 ai 3,6 V circa in base al colore della luce emessa: รจ piรน bassa in quelli rossi e arancioni, un poโ€™ piรน alta in quelli gialli e verdi e supera i 3 volt nei LED blu e bianchi (che di norma sono LED blu o ultravioletti internamente rivestiti di fosfori che convertono tale luce in bianca).

Di media i LED comuni vanno alimentati a tensione continua, con una corrente compresa tra i 5 e i 20 mA; la corrente non si limita da sรฉ ma occorre limitarla o (meglio) stabilizzarla.

Nella situazione piรน semplice, per far accendere un LED rosso con i 5V di un microcontrollore o altro dispositivo che fornisce livelli TTL, abbiamo bisogno di porre in serie allโ€™anodo un resistore di circa (5-3) / 0,02=100 ohm.

Sebbene nasca per funzionare in continua, il LED puรฒ lavorare in alternata, fermo restando che si illumina solo quando la tensione รจ positiva sullโ€™anodo e negativa sul catodo; tuttavia se lโ€™ampiezza tensione supera il valore della tensione inversa in interdizione, รจ necessario tagliare la semionda negativa mediante un diodo collegato in antiparallelo (ossia con il catodo sullโ€™anodo del LED e il catodo di questโ€™ultimo sullโ€™anodo del diodo).

I LED da illuminazione

Quando la tecnologia ha consentito di realizzare LED a luce bianca, lโ€™industria ha iniziato a creare diodi specifici per illuminotecnica, basati su giunzioni emittenti luce blu o ultravioletta (i primi risalgono alle ricerche fatte nei laboratori della giapponese Nichia tra il 1991 e il 1995) convertita, come avviene nei tubi fluorescenti, da fosfori di cui รจ rivestito lโ€™interno dellโ€™involucro.

Cosรฌ da una luce ultravioletta se ne ricava una bianca a diverse gradazioni (quelle comuni sono calda, naturale e fredda) o usando una luce blu ed un fosforo che emette luce gialla se ne ottiene una che dร  la sensazione di una luce bianca. Come semiconduttore viene usato il nitruro di Gallio (GaN).

Normalmente la giunzione ha una potenza simile a quella dei LED ad alta efficienza utilizzati come spie, ma per lโ€™illuminazione, a meno di non voler combinare piรน LED tradizionali, si impiegano giunzioni piรน potenti, che arrivano anche a superare il watt.

LED monolitico e COB

Tipicamente i LED sono composti da una singola giunzione (monolitici) ma quando si debbono realizzare corpi illuminanti ad elevata potenza e grande flusso luminoso, si ricorre a una tecnica che permette di unire piรน LED elementari: una tecnica che permette di porre in serie sulla stessa barretta piรน diodi luminosi รจ la COB (chip on board), che si presentano generalmente sotto forma di barre o comunque di corpi uniti ma segmentati (Fig. 1).

Ognuno di quei segmenti รจ un LED e tutti sono interconnessi per formare unโ€™unica sorgente di luce piรน potente e a tensione di lavoro maggiore.

Fig. 1 LED monogiunzione (a destra) e COB (a sinistra).

 

La temperatura di colore dei LED

Tutte le sorgenti illuminanti hanno una cosiddetta โ€œTemperatura di coloreโ€ misurata in K.

Ma cosa sono questi valori e che cosa รจ K? Ebbene sono temperature misurate nella scala assoluta che viene espressa in Kelvin. Di fatto la scala Kelvin trasla di 273,16 gradi la scala Celsius.

Per capire cosโ€™รจ la temperatura di colore, prendiamo ad esempio quello che vediamo quando scaldiamo un pezzo di acciaio: ad un certo punto diventa molle ed emana una luce gialla la cui intensitร  aumenta allโ€™aumentare della temperatura.

Lo studio fisico di tale proprietร  di luminescenza, che ha condotto ad esempio a costruire il filamento delle lampadine a incandescenza, si chiama studio della โ€œradiazione del corpo neroโ€.

Questo รจ, in Fisica, un corpo che a temperatura di 0 Kelvin non emette alcuna radiazione elettromagnetica (la luce รจ una radiazione elettromagnetica) ma assorbe tutte le radiazioni.

Riscaldandolo, man-mano che la sua temperatura aumenta, il corpo nero emette una radiazione luminosa che dal rossiccio va verso il giallo, poi al bianco, fino allโ€™azzurro-violetto.

Correlando il colore alla temperatura si ha la temperatura di colore.

Lโ€™importante da sapere รจ che la tonalitร  piรน calda รจ quella da 2.700K con molte componenti sul rosso, fino ai 6.500K che รจ quella piรน fredda con molte componenti sul blu.

La luce cosiddetta โ€œsolareโ€ viene tarata ai 4.000K. Di solito le lampade a LED si trovano a luce calda (warm), solare (solar o bright) e fredda (cool).

La temperatura di colore si sceglie in base allโ€™umore degli occupanti lโ€™ambiente da illuminare, ma anche per la destinazione; ad esempio se si vuole molto contrasto e grande resa luminosa, si deve scegliere una luce bianca fredda. Di solito il migliore compromesso รจ quella solare.

I lumen

Con i lumen (lm) si misura il flusso luminoso, nel visibile, prodotto da una sorgente luminosa e corrisponde allโ€™intensitร  luminosa (espressa in candele) rapportata allโ€™angolo solido di emissione.

A noi serve come termine di paragone con la cara, vecchia lampadina a incandescenza, che allโ€™incirca emette 10 lumen per ogni watt di potenza assorbita.

Dei buoni LED emettono 100 lumen/watt, quindi a paritร  di potenza una sorgente a LED moderna emette una luce 10 volte superiore a quella della lampada ad incandescenza e quindi ne decuplica la resa.

In realtร  il rapporto differisce, perchรฉ mentre la lampadina si collega direttamente alla rete elettrica e limita da sรฉ la potenza assorbita, il LED richiede un sistema di controllo della corrente che dissipa una parte della potenza assorbita, riducendo lโ€™effettiva efficienza.

Inoltre tale sistema รจ piรน soggetto a guasti del singolo LED, il che riduce la durata reale. Considerato tutto, per ottenere da una lampada a LED i canonici 750 lm prodotti da una lampadina a incandescenza da 60W bastano 9W a LED.

Oggi esistono lampade da 14W che fanno circa 1.500 lm ben di piรน di una vecchia ad incandescenza che con 100W faceva circa 1.100 lm.

Flusso e durata dipendono anche da quanto si sfrutta il LED: se voglio aumentare la durata ed andare ad oltre 25.000 ore devo limitare il flusso luminoso ad efficienze minori ma se mi โ€œaccontentoโ€ di 15.000 ore il valore del flusso รจ quello detto precedentemente. Piรน si aumenta il flusso piรน il LED scalda e quindi piรน si riduce la sua vita.

Calore e costruzione

Siccome lโ€™intensitร  e il flusso luminoso del LED sono funzione della corrente diretta, nellโ€™utilizzo dei LED come fonte dโ€™illuminazione le correnti in gioco sono consistenti e determinano dissipazioni di potenza tali da richiedere lโ€™adeguato raffreddamento della giunzione (o delle giunzioni) che altrimenti si guasterebbe.

Come tutte le giunzioni a semiconduttore, anche quella del LED รจ sensibile alla temperatura, tanto che maggiore diventa, meno dura il semiconduttore; inoltre va considerato che la tensione di soglia diminuisce man mano che la giunzione si riscalda, portando anche a fenomeni di deriva termica che non sono salutari perchรฉ la curva che descrive la relazione tensione/corrente del diodo รจ esponenziale, il che, tradotto in parole povere, significa che per piccole variazioni di tensione si arrivano a registrare forti escursioni della corrente.

Ciรฒ comporta ulteriori rischi per lโ€™integritร  della giunzione, anche e soprattutto perchรฉ per ottenere la massima luminositร  (e conseguente flusso luminoso) dai diodi, soprattutto da quelli che hanno minore efficienza (tipicamente i piรน economici) occorre lavorare nella zona della caratteristica in prossimitร  della corrente limite.

Per consentire lo smaltimento del calore, i costruttori hanno adottato tecniche simili a quelle che si usano per la produzione dei semiconduttori di potenza, usando sistemi passivati e collegati ad una base metallica, di solito alluminio, che permetta di veicolare verso lโ€™esterno il calore.

Quando il solo contenitore non consente un adeguato raffreddamento si aggiunge un dissipatore (Fig. 2). Allo scopo si รจ evoluta la tecnica dei PCB, che vengono costruiti direttamente su lamina di alluminio in modo da raffreddare โ€œon-boardโ€ il componente.

Fig. 2 Corpo illuminante a LED con dissipatore radiale.

 

Alimentazione dei LED

Passiamo allโ€™alimentazione dei LED, che quando sono piรน dโ€™uno possono essere collegati in serie: in questo caso vanno in fila nello stesso verso cioรจ il catodo del primo LED deve essere collegato con lโ€™anodo del secondo e cosรฌ via (Fig. 3).

Per i LED alimentati a una corrente continua costante intorno ai 20mA, il circuito di alimentazione si basa su una resistenza in serie alla tensione di alimentazione in corrente continua calcolata in questo modo:

RL = 50ยท (Vcc โ€“VD)

dove Vcc รจ la tensione di alimentazione e VD รจ la tensione media del LED che si presume intorno ai 3V, tenuto conto poi che i resistori sono di serie unificata E12 eventuali inesattezze non sono critiche, vediamo ora invece i LED per illuminazione che invece la cui alimentazione deve essere molto piรน curata.

Una cosa importante da sapere รจ che per accendere i LED per illuminazione si devono usare alimentatori appositamente costruiti per questo tipo dโ€™uso. Tante volte infatti si usano degli alimentatori di tipo industriale con cassa aperta o ricoperti con lamina forata, normalmente con le connessioni a vite o morsetto.

Questi alimentatori vanno bene per sistemi di controllo di tipo industriale dove le accensioni non sono frequenti e dove non prendono immediatamente tutto il carico.

Gli alimentatori per LED invece sono studiati innanzitutto per accensioni frequenti e hanno sempre un tempo di alcuni decimi di secondo, fino ad 1s, di presa del carico. Infatti questโ€™ultima caratteristica permette di evitare che lato rete si abbia un brusco picco di corrente che potrebbe far intervenire le protezioni magnetotermiche e differenziali presenti sulle linee di illuminazione specie in quelle delle abitazioni dove sono piรน sensibili.

Fig. 3 Collegamenti dei LED.

 

Alimentazione in serie a corrente costante

I LED da illuminazione di solito vengono forniti anche singoli e ne viene specificata la loro corrente di lavoro nominale. Di solito i costruttori forniscono anche la caratteristica voltamperometrica del componente, รจ comunque importante consultare sempre il datasheet (un esempio in Fig. 4).

Fig. 4 Caratteristiche di un tipico diodo da illuminazione.

 

Normalmente i LED da illuminazione si trovano con correnti nominali di 350, 700 e 1.050 mA; la loro tensione รจ allโ€™incirca intorno ai 3V se guardiamo un datasheet di un diodo da 700mA vediamo che va dai 3 ai 4,5V e dipende dalla corrente.

Questo vuol dire che il costruttore indica una tolleranza abbastanza ampia della tensione di funzionamento. Notate che un diodo da 700mA produce quasi 200lm di flusso, pari ad una vecchia lampadina da 25W, quindi ne bastano 2 in serie per fare una lampada da 40W.

Quindi se vogliamo ottenere lโ€™illuminazione richiesta, dobbiamo fornire la corrente necessaria ma non sappiamo esattamente qual รจ la tensione corretta, ecco quindi che unโ€™alimentazione a corrente costante puรฒ agevolmente risolvere il problema. Infatti il costruttore del LED si raccomanda di non superare una certa corrente piรน che una certa tensione.

Lโ€™alimentatore a corrente costante, infatti, regola la tensione ai capi del carico affinchรฉ sia costante la corrente che vi scorre ai suoi capi.

Ecco perรฒ un problema lโ€™alimentatore รจ un circuito reale che ha dei limiti di potenza e quindi di tensione non solo massima, ma anche minima. In commercio infatti si trovano degli alimentatori che indicano la corrente nominale che fanno circolare nel circuito, tuttavia รจ importante tra le caratteristiche trovare la tensione massima alla quale possono funzionare garantendo la corrente nominale.

Se non viene specificata la tensione minima vuol dire che lโ€™alimentatore puรฒ alimentare anche un singolo LED e quindi la sua tensione minima sarร  di circa 2,5V.

La tensione massima invece รจ un parametro fondamentale perchรฉ dice quanti LED possiamo mettere in serie; infatti nel collegamento serie le cadute di tensione si sommano e se la tensione di ogni elemento รจ almeno 3V significa che per accendere una serie di 10 LED dobbiamo usare un alimentatore che possa arrivare oltre i 30V (3×10); ma tenendo conto che il costruttore indica che possono arrivare anche a 4,5V, occorre considerare che lโ€™alimentatore deve avere una tensione massima di almeno 50V.

Alimentazione in parallelo a tensione costante

Per ovviare al problema di avere un alimentatore per corrente costante (piรน costoso), fare il conto di LED, della tensione necessaria e non avere problemi di tensione eccessiva per evitare folgorazioni sono disponibili sul mercato molte soluzioni giร  composte con LED e resistore, ad esempio le strisce che si tagliano a metratura, che vanno normalmente a due tensioni molto ben standardizzate nel mondo dellโ€™installazione civile, industriale ed automobilistico cioรจ i 12 ed i 24 V corrente continua.

Qui la facilitร  di installazione si contrappone al rendimento; il fatto di avere una resistenza per limitare la corrente per ogni gruppo di LED in base alla tensione di alimentazione fa dissipare dellโ€™energia sulla resistenza che unโ€™alimentazione in corrente costante non sprecherebbe.

Tuttavia qui basta collegare tutti i corpi alla stessa sorgente di tensione rispettando le dovute polaritร .

Questo significa che se abbiamo una sorgente di alimentazione a 12 o 24 VCC dobbiamo prestare attenzione a segnare e collegare tutti i positivi tra di loro compresa la sorgente di alimentazione e lo stesso con tutti i negativi come si vede in Fig. 3.

Per lโ€™alimentazione dobbiamo solo prestare attenzione a non superare la potenza massima erogata dallโ€™alimentatore, perchรฉ potremmo mandarlo in protezione o avere unโ€™illuminazione minore perchรฉ lโ€™alimentatore โ€œsi siedeโ€.

Il LED in corrente alternata

Se si utilizza il LED in corrente alternata, laddove la tensione superi quella massima inversa che il componente tollera occorre una protezione, realizzata con un diodo in antiparallelo (si parla di diodo di circolazione) avente corrente di lavoro superiore a quella del LED, come mostrato nella Fig. 5.

Si puรฒ anche collegare un diodo in serie al LED, purchรฉ abbia tensione inversa superiore a quella di lavoro del LED e con tensione inversa maggiore di quella di picco dellโ€™alimentazione.

Non solo: se si usa un circuito in antiparallelo con alimentazione capacitiva รจ bene aggiungere un resistore ed un diodo TVS (soppressore di transitori) come indicato in Fig. 5.

Questo vale soprattutto se si vuole anche fare un detector di rete con un optoaccoppiatore.

Fig. 5 LED protetto da un diodo in antiparallelo (D1).

 

Soluzioni a tensione di rete 230Vac

Vi sono per ultimo delle soluzioni con dei veri e propri corpi illuminanti che funzionano direttamente a tensione di rete 230 Vca e che vanno installati come tutti i corpi illuminanti tradizionali; alcuni permettono di fare il cosiddetto โ€œRetrofitโ€ cioรจ la sostituzione uno a uno delle vecchie lampade a incandescenza.

รˆ il caso delle lampadine che oggi vengono vendute con gli stessi formati di quelle ad incandescenza di un tempo ma hanno giร  integrato al loro interno LED ed alimentatore dedicato.

Non solo ma vi sono anche formati compatibili con i tubi fluorescenti o le lampade alogene che non abbisognano di componentistica aggiuntiva e si sostituiscono direttamente alle vecchie lampade.

Regolazione della luminositร 

Spendiamo una parola su un tema che a molti utenti dellโ€™illuminazione a LED sta a cuore, ossia poter regolare con una manopola (o telecomando) la luminositร  dei LED.

Nel caso dei LED alimentati in corrente continua vanno acquistati appositi alimentatori che hanno questa funzione. La tecnica รจ quella nota del PWM con cui viene regolata la luminositร .

Altra cosa, invece, รจ per le lampade da retrofit, che sostituiscono quelle in alternata. Qui dovete controllare se riportano (per esempio sulla confezione) il simbolo in Fig. 6 che vi dice se la lampada รจ dimmerabile o no (croce sulla figura della regolazione).

Normalmente le lampade prodotte per la tensione di rete, per ragioni di costo, non sono dimmerabili, vi sono perรฒ alcune versioni che invece sono proposte per tale uso. Le lampade regolabili a 230Vac con un apparecchio detto appunto DIMMER, hanno bisogno di un circuito di alimentazione piรน complesso che rende la lampadina piรน costosa. Di solito costa 2 o 3 volte una non regolabile.

Queste lampade perรฒ possono essere usate come le vecchie lampadine a incandescenza e funzionano anche con i regolatori dimmer di vecchio tipo giร  presenti nellโ€™impianto elettrico o nel corpo illuminante.

Di solito perรฒ essendo degli adattamenti per mantenere i vecchi dispositivi di regolazione, hanno il problema che non hanno una regolazione molto fine come avevano quelle ad incandescenza di una volta, di solito si vede che โ€œnon tengonoโ€ il minimo e arrivate verso la fine o tremano (effetto flicker) o si spengono definitivamente, riducendo il campo di regolazione rispetto a quelle a filamento.

Se possiamo consigliare un tipo presente in Italia buoni risultati si sono ottenuti con la serie โ€œParathomโ€ della Osram che รจ una serie professionale pensata per questo tipo dโ€™uso.

Fig. 6 Simboli utilizzati per indicare se una lampada รจ dimmerabile o meno.

 

Serie, parallelo, combo come collegare i LED tra loro

Una delle domande piรน frequenti sullโ€™illuminazione a LED รจ se i diodi si possono mettere in serie o in parallelo. Il sistema piรน semplice รจ quello, come spiegato prima, di mettere i diodi in serie, cosรฌ da mettersi al riparo dalle differenze nella tensione diretta (due diodi in parallelo avranno correnti diverse, pur sottoposti alla stessa tensione anodo-catodo); in questa maniera, imponendo una tensione superiore a quella della somma delle tensioni di conduzione minima (detta tensione di gap) si riesce ad accendere tutti i LED in un colpo solo.

Questo naturalmente funziona se si usa un alimentatore a corrente costante, se si usa invece una tensione costante il sistema รจ quello che in teoria si dice polarizzazione cioรจ usare un generatore di tensione costante con una resistenza in serie tra diodo e alimentazione.

Per conoscere il loro punto di lavoro di solito si usa una tecnica definita โ€œretta di caricoโ€ che qui non approfondiremo.

Vediamo i due casi principali:
โ€ข Serie; collegando tra di loro catodo e anodo (catodo del primo con lโ€™anodo del secondo e cosรฌ via) ed usando o un alimentatore a corrente costante o uno a tensione costante con in serie una resistenza per compensare le differenze di tensione tra alimentazione e serie dei diodi;
โ€ข Parallelo; รจ sconsigliato, a meno che non si usi un alimentatore a tensione costante e si metta in serie ad ogni LED una resistenza di polarizzazione opportunamente calcolata.

Esempio pratico

Dobbiamo collegare 3 diodi LED da 700mA in serie, sappiamo dalle caratteristiche che con quella corrente i diodi hanno una caduta diretta di 4,5V quindi 4,5 x 3 = 13,5V le scelte sono due: un alimentatore in corrente continua costante da 700 mA che eroghi una tensione massima di almeno 15V, oppure un alimentatore a tensione fissa continua da 15V con una resistenza in serie cosรฌ calcolata:

R = (VA-VS)/IL quindi R = (15-13,5) : 0,7 = 2,2 ฮฉ

La potenza della si calcola come Pr = (VA-VS)2/R facendo i conti รจ di 1W.
Prendiamo ora gli stessi LED e mettiamoli in parallelo, sempre con una corrente di 700mA.
Se usiamo unโ€™alimentazione da 5Vcc la resistenza R da collegare in serie a ogni LED sarร :

R=(5-4,5) : 0,7 = 0,7 ohm

Siccome possiamo arrivare anche 800mA possiamo scegliere un resistore da 0,68 ฮฉ; la sua potenza sarร  di 0,37W e quindi possiamo usare 3 resistori da 0,68 ฮฉ 1/2W collegati in serie ai LED e ogni gruppo LED/resistore collegato in parallelo ai 5V, lโ€™importante รจ che lโ€™alimentatore eroghi una corrente di almeno 2,2A.

3 Commenti

  1. Mi potete fornire uno schemino semplicisso che con 2 sensori a infrarossi si puรฒ accendere un led grosso e farlo stare acceso per alcuni secondi? Grazie

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