LE NUOVE SORGENTI A LED
Illuminazione eco-compatibile e eco-sostenibile
Ing. Diego Bonata – [email protected]
La prima associazione europea di progettisti
dell’illuminazione eco-sostenibile
www.lightis.eu
LED
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
+
window layer
Il LED, Light Emitting Device
(dispositivo che emette luce)
- è un componente
elettronico - diodo - costruito
da diversi strati (layer)
layer) di
materiale semiconduttore
semiconduttore;;
sollecitato da corrente
elettrica, il LED emette luce.
p-layer
strato attivo
(generazione luce)
Substrat
(absorbierend
n-layer
oder
transparent)
-
LED
CARATTERISTICHE GENERALI
verde
giallo
rosso
blu
Un LED emette luce monocromatica; il colore
dipende dal tipo di materiale del diodo.
Oggi si realizzano led “a luce bianca”, per esempio
“mescolando” tre fosfori (rosso, verde e blu, RGB)
che vengono “eccitati” da un led ultravioletto ...
si sono diffusi i LED a «di potenza» a luce «bianca»
LED
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
Funziona a bassissima
tensione (tra 11-4 volt) in
corrente continua con
alimentatore elettronico che
svolge anche la funzione di
trasformatore.
Dati gli ingombri quasi microscopici,
generalmente i LED sono forniti in
aggregazioni complete di tutti i
collegamenti elettrici.
LED
PERDITE
Il flusso (lm) viene calcolato con prove flash a
temperature di giunzione (Tj
(Tj=25
=25°
°C)
C)
• Perdite Termiche effetto Joule:: I LED nel funzionamento
ordinario raggiunge una sua temperatura di giunzione (Tj).
Mantenere bassa la Tj, gestendo il calore (minimiz. della
resistenza termica, uso di dissipatori), si riducono le
perdite.
• Perdite del driver: l’efficienza del driver, o dell’unità di
alimentazione, gioca un ruolo importante nell’efficacia
complessiva del sistema.
• Perdite ottiche: le ottiche secondarie, che siano lenti,
diffusori o riflettori hanno un valore di efficienza. Ottiche
secondarie ben progettate e applicate correttamente,
minimizzano le perdite e incrementano la performance
dell’apparecchio per l’applicazione specifica.
LED
CORRENTE DI ALIMENTAZIONE
La corrente fornita dal driver, o unità di alimentazione, e
fondamentale: all’aumentare della corrente, aumenta
l’emissione luminosa del LED ma di contro aumenta
anche la temperatura di giunzione, con la conseguente
diminuzione dell’efficacia luminosa (lm/W)
(lm/W) e la durata.
E’ importante valutazione in funzione dell’applicazione:
• Se l’efficienza è il principale requisito, un maggior
numero di LED, alimentato a una corrente ottimale
(Es. ~350mA), garantisce un’alta efficienza, ma
comporta un maggior costo di produzione
dell’apparecchio.
• Un minor numero di LED, alimentati con una corrente
maggiore (Es. ~700mA), può ridurre il costo ma sarà
sicuramente meno efficiente e dura anche la metà.
LED
TEMPERATURA DI COLORE - CCT
i LED a luce bianca calda (~2700K) hanno generalmente
efficacia luminosa ridotta, emettendo meno lumen rispetto ai
LED a luce fredda..
•
•
•
La CCT :
È influenzata dall’angolo di visione ed è un valore medio
È influenzata dalla presenza di filtri e ottiche secondarie
Influenza il CRI (Resa cromatica) più caldo è il bianco
maggiore il CRI
LED
EFFICIENZA LUMINOSA
Le tecnologie LED, in particolare i LED bianchi a fosfori,
hanno avuto alto sviluppo in termini di emissioni di luce ed
efficacia luminosa (lm/W) e sono ogni giorno in evoluzione.
Parametri che influenzano l’efficacia
dei LED:
- Il design degli apparecchi ha un
impatto sulla dissipazione del calore,
dunque sulla temperatura di giunzione,
al cui aumentare diminuisce l’efficacia
luminosa;
- L’ottica secondaria;
- Le caratteristiche dell’alimentatore e
le sue perdite;
- La corrente di alimentazione che
influisce sulla temperatura di
giunzione;
LED
ALIMENTATORI ELETTRONICI
L’alimentatore elettronico è il principale punto debole degli
apparecchi a LED
•
•
•
Deve essere correttamente dimensionato per il numero di LED
Devono diminuire la corrente di alimentazione all’aumentare della
temperatura, diminuendo così il rischio di danneggiare i LED.
Devono permettere che i LED siano dimmerati
PROBLEMI DA RISOLVERE:
• Durata minima garantita di 100.000 ore (oggi garantita < 16.000 ore),
• Eliminazione dei condensatori elettrolitici,
• Sovradimensionamento per le temperature di esercizio minime (-40°C) e
massime (+110°C),
• Sovradimensionamento per la compatibilità elettromagnetica (+ 30-35%).
LED
OTTICHE
I LED preso a se stante ha una emissione luminosa di «nessun» interesse
illuminotecnico. L’uso di ottiche secondarie permette una ri-distribuzione
della luce emessa dal LED nella direzione voluta (ottica concentrante) o di
distribuire la luce con un angolo di emissione superiore (ottiche diffondenti).
•
•
•
L’ottica secondaria, per quanto
trasparente, produce sempre delle
perdite che vanno ad inficiare
l’efficienza del sistema.
L’ottica secondaria può essere
progettata dal costruttore
dell’apparecchio o resa disponibile
dal fornitore del LED .
Il fornitore di LED, generalmente,
fornisce anche i dati caratteristici
delle ottiche secondarie, così che
sia possibile progettare il sistema
ottico.
LED
SICUREZZA FOTOBIOLOGICA
La EN 62471: 2008 sulla sicurezza fotobiologica delle sorgenti
LED è recepita dalla CEI EN 62471 2009 (CEI 76-6).
I LED più performanti non raggiungono mai un livello di rischio > 2:
Gruppo di Rischio 1: Gli apparecchi non presentano alcun rischio dovuto
alla normale limitazione comportamentale all’esposizione.
• Gruppo di Rischio 2: Gli apparecchi non presentano nessun rischio
dovuto alla risposta istintiva a distogliere lo sguardo da una luce molto brillante
o dovuta a sofferenza termica.
• Gruppo di Rischio 3: Gli apparecchi presentano un rischio anche per un’
esposizione breve o istantanea. L’utilizzo per l’illuminazione generale non è
permesso.
LED
APPARECCHI A LED FUNZIONALI
LE TIPOLOGIE DI APPARECCHI A LED.
Ottiche singole o microlenti
Sistemi a riflessione
LED
RENDIMENTO GLOBALE
Apparecchio tradizionale: SAP 100W (10.700lm) alimentatore di rendimento
0.93% e DLOR 80% (Rendimento di flusso verso il basso)
Apparecchio LED 1: 100 LED, 350mA, flusso 10.000lm, consumo 127W,
Dlor 85.7%
Apparecchio LED 2: 84 LED, 350mA, flusso 9.417lm, consumo 110W,
Dlor 100%
Un apparecchio illuminante a LED è meno performante già in partenza di un
apparecchio con lampade a scarica e questa differenza cresce al crescere
della potenza (150-250W).
LED
Applicazione nell’illuminazione per esterni
VANTAGGI
SVANTAGGI
Accensione e riaccensione
immediata, e dimmerazione totale
La tecnologia per ottenere il colore
“bianco caldo” è tuttora piuttosto
dispendiosa
Lunghissima durata (>60.000 ore)
indice di resa cromatica (Ra)
limitato ma in evoluzione
possibilità di ottenere molti colori,
anche in sequenza dinamica
Dimensioni contenute
costi di esercizio molto ridotti
SORGENTI LUMINOSE A LED
L.R. 17/00 e s.m.i.
4°CONCETTO FONDAMENTALE
Utilizzare sorgenti luminose efficienti
L.R. 17/00. Art.6, comma 2: “[…] gli stessi devono essere equipaggiati di
lampade con la più alta efficienza possibile in relazione allo stato tecnologico […].”
D.G.R. 7/6162, Art.5 “criteri comuni” comma 2:
“[…] lampade ad avanzata tecnologia ed elevata efficienza luminosa, quali al sodio
a bassa pressione o al sodio ad alta pressione, in luogo di quelle con efficienza
luminosa inferiore. Nei soli casi ove risulti indispensabile un’elevata resa cromatica
è consentito l’impiego di lampade a largo spettro, agli alogenuri metallici, a
fluorescenza compatte e al sodio a luce bianca, purché funzionali in termini di
massima efficienza e minor potenza installata.”
SORGENTI LUMINOSE A LED
SORGENTI EFFICIENTI
4°CONCETTO FONDAMENTALE
Utilizzare sorgenti luminose efficienti
D.D.G. della Regione Lombardia n. 8950 del 3 Agosto 2007Allegato 3
“[…] L’utilizzo di sorgenti e degli apparecchi a LED non deroga
comunque dalla prescrizione della L.R. 17/00 e s.m.i. di
emissione massima di 0.49 cd/klm a 90°ed oltre.
Non è sufficiente considerare la distribuzione
dell’inquinamento luminoso in 3D (lung., larg., alt.)
La quarta dimensione è l’energia dei fotoni o lunghezza
d’onda della luce
Inquinamento luminoso = f (x, y, z, λ)
-Visione scotopica (stelle): bastoncelli
(luminanze <0.01 cd/m2)
- Visione fotopica (diurna): coni
(luminanze > 3cd/m2)
-Visione Mesopica Illuminazione
stradale notturna:0.5cd/m2<Lm<2cd/m2
E’ necessario usare sorgenti che emettono luce a cui
l’occhio è maggiormente sensibile ai livelli tipici
d’illuminazione “stradale” altrimenti si inquina lo spettro
elettromagnetico e si spreca gran parte dell’energia
luminosa senza utilizzarla per vedere.
Inquinamento spettrale
Sorgenti più inquinanti:
Quelle a largo spettro come gli ioduri Metallici
Le migliori sorgenti astronomicamente parlando sono:
- Sodio Bassa pressione (una sola riga spettrale vicino alla sensibilità
fotopica e quindi utile per la visione notturna stradale)
- I vapori di mercurio (purtroppo assolutamente inefficienti)
- Il Sodio Alta Pressione che è la MENO peggio
EcoEco
-sostenibilità delle leggi Anti IL
1
COME
ILLUMINARE
2
QUANTO
ILLUMINARE
3
OTTIMIZZAZIONE
IMPIANTO
4
SORGENTI
EFFICIENTI
5
GESTIONE
DELLA LUCE
Per questo motivo il 4° pilastro delle
leggi anti IL vuole limitare le
emissioni su tutto lo spettro
luminoso con maggiore attenzione
alle esigenze estetiche.
Ma questo è sufficiente?
Oggi con l’avvento dei led non lo è più.
Le migliori leggi per il contenimento
dell’IL, per questo parametro sono
diventate obsolete e
POCO eco-compatibili.
Bisognerebbe introdurre un limite sulla
temperatura di colore a 3500K
infatti…
I LED
Sorgenti ecoeco-compatibili?
Sorgenti del presenti o del futuro?
Oggi i LED per quanto riguarda l’illuminazione di
esterni (pur se nel rispetto dei precedenti CRITERI)
NON sono ancora sorgenti luminose
eco-compatibili e eco-sostenibili in quanto hanno
temperature di colore >3500K
1- I Led – Bio sensibilità
Il picco di emissione nel blu dei LED usati oggi per
l’illuminazione esterna dai 4000-5000-6000K coincide con la
sensibilità max del nostro corpo (‘circadian sensitivity’)
Questo comporta
numerosi effetti
negativi, sulla salute
umana e flora e fauna,
in termini di alterazione
metabolica e
produzione di
melatonina, disturbi e
riduzione della
sensibilità visuale.
Lo stesso ministro
della Sanita ha posto
l’attenzione sui rischi
sulla salute dei LED
2- I Led – Inquinamento luminoso
Il cielo diurno è blu perché la luce blu viene diffusa 34 volte di più rispetto a quella gialla.
Grafico di B. Clark
Nell'osservazione astronomica visuale scotopica i LED:
- Da 6000-7000 K incrementano l'inquinamento luminoso
(asse delle ordinate) di ben 3-3.5 volte rispetto a sorgenti al
sodio alta pressione
- 3000-4000 K incrementano l'inquinamento luminoso (asse
delle ordinate) di ben 1.5-2 volte rispetto a sorgenti al sodio
alta pressione
3- I Led – Piacevolezza della luce
Curva di Kruithof: correla
l’illuminamento con la
temperatura di colore e
definisce la zona di visione
piacevole e confortevole.
Si nota come ai bassi livelli
di luce (15-25lx) della
illuminazione notturna, la
sorgente più adeguata sia
proprio quella tipica del sodio
alta pressione (2000-2500K).
Più aumenta la temperatura
di colore e meno
confortevole diventa la luce
per la visione e per l’uomo.
Ioduri metallici
Bruciatore ceramico
Sodio alta pressione
Led NON
eco-compatibiili
4- I Led – Gruppo di Rischio 2
<Non guardate la lampada se funzionante.
Può essere dannosa per gli occhi>
Risk Group 2: include le lampade che
possono costituire rischio fotobiologico
per l'occhio o la pelle, anche per una
esposizione di moderata durata.
COME PROGETTISTI: Vi assumereste la
RESPONSABILITA' , in COSCIENZA, di
declassare una strada usando i LED
sapendo che sono estremamente abbaglianti
(nonostante l'abbagliamento debilitante Li
non sia lo strumento più adeguato in grado
di rilevare i rischi dei LED)?
5-I Led – UNI11248
Della UNI si è già parlato.
Nota 2: Con apparecchi che emettono luce con indice di resa dei colori
maggiore o uguale a 60, previa verifica, nell’analisi dei rischi delle
condizioni di visione, il progettista può apportare la riduzione massima di
una categoria illuminotecnica.
MA ha senso declassare per apparecchi dotati di sorgenti a LED?
Nelle prossime slide vedremo che questo è un azzardo ed un “rischio”
difficilmente ignorabile nell’analisi dei rischi
5-I Led – Visibilità del Cristallino
Purtroppo l’età non ci aiuta:
invecchiando, la trasmittanza del
cristallino dell’occhio umano
diminuisce e proprio nella zona di
massima emissione LED a
elevata temperatura di colore.
Ciò significa che la componente
blu della bianchissima luce dei
LED viene diffusa maggiormen-te
all'interno dell'occhio umano
senza essere sfruttata nella
visione.
Perciò sorgenti con temperature
di colore superiore a 3500K
(quelle che si vedono in giro
oggi) sono estremamente
Encyclopaedia of Neuroscience (2009),
inquinanti e pericolose per
vol. 2, pp. 971-988,
l’uomo e l’ambiente
6-I Led – Asfalto
Nella zona di massima emissione del
sodio alta pressione (linea verticale
rossa), la riflettanza è del 9%
sull'asfalto, mentre al picco di
emissione dei led (linea verticale
azzurra) la riflettanza scende al 4%
per asfalti.
Con sorgenti a forte componente blu
(LED), rispetto a sorgenti al sodio alta
pressione si ha MENO luce riflessa,
MENO luminanza e quindi con i LED
vedo MENO la strada.
IL SUPPOSTO (DA TALUNI)
VANTAGGIO DELLA LUCE BLU CADE
ANCORA PRIMA DI ARRIVARE AGLI
OCCHI DELL'OSSERVATORE:
L'ASFALTO RIFLETTE LA LUCE BLU
2-3 VOLTE MENO DI QUELLA DEL
SODIO.
PCA R&D Serial No. 2458 Influence of Pavement
Reflectance on Lighting for Parking Lots
by W. Adrian and R. Jobanputra
©Portland Cement Association 2005
7-I Led – Luminanza
E’ vero che la luminanza di
sorgenti a forte componente
bianco-blu tipo LED è percepita
meglio di quella di sorgenti al
sodio?
SI, PECCATO che questo avviene solo
per luminanze inferiori a 0.1 cd/m2 che
sono ben 5 volte inferiori al valore
minimo di luminanza previsto per strade
locali (ME5) (la maggior parte) e 10
volte inferiori al valore minimo per
strade provinciali e statali (ME3), che
LIGHTING CONDITIONS AND
complessivamente comprendono il 90% MESOPIC
PEDESTRIAN VISIBILITY
Jaakko KETOMÄKI, Marjukka ELOHOLMA,
delle tipologie di strade.
Pasi
ORREVETELÄINEN, Liisa HALONEN - Helsinki
University of Technology, Lighting Laboratory,
Finland (2003-11)
8-I Led – Tempi di reazione
Gli studi indipendenti qui
riportati evidenziano che non ci
sono sostanziali differenze nei
tempi di reazione se non al di
sotto di 0,1cd/m2 (da 5 a 10
volte meno della luce richiesta
alle tipologie di strade più
comuni ed a luminanze non
utilizzabili nell'illuminazione
notturna).
La differenza è oltretutto bassissima
(inferiore a 1/10 sec) e vicina
all’incertezza di misura, che rispetto ai
normali tempi di reazione umana nella
guida soprattutto in caso di alterazione
dello stato psicofisico (4-5 sec.) non può
essere neppure considerata.
Analysis of the Existing visual performance
based mesopic models and a proposal for a model
for the basic of mesopic photometry
Meri Viikari - Helsinki University of Technology
- Espoo 2007
9-I Led – Risparmio energetico
VALUTAZIONE ECONOMICA ILLUMINAZIONE STRADALE A LED:
1- REALIZZAZIONE: OGGI un apparecchio a LED costa SEMPRE almeno
2 volte di più rispetto ad apparecchi tradizionali
2- COSTI ENERGETICI: OGGI impianti con apparecchi a led (a parità di
condizioni e rispetto delle norme) raramente hanno consumi paragonabili a
quelli di impianti al sodio a parità di rispetto delle leggi e norme di settore
3- COSTI MANUTENTIVI: OGGI impianti con apparecchi a led hanno costi
manutentivi SEMPRE superiori a quelli di impianti al sodio infatti i costi
sono:
-Sodio AP: cambio lampada / pulizia vetro almeno ogni 4 anni (costi da
15-20 € / anno)
- Led: Pulizia vetro almeno ogni 4 anni (10-20€ / punto luce)
Durata 60.000 ore = 12.5 anni (ottimistico) contro la durata di un
apparecchio al sodio 25 anni. Quindi prevedere la sostituzione
dell’apparecchio a metà vita (200-600 €)
Durata alimentatore elettronico ... 4-6 anni (100€)
Concludendo
Risparmio energetico e eco-sostenibilità della
luce sono oggi una realtà conciliabile se si fa
attenzione ai miraggi «luminosi» e se si
utilizzano le nuove tecnologie in modo oculato.
Grazie per l’attenzione
Ing. Diego Bonata