Perché il LED conviene?

Piccola guida introduttiva al LED e ai suoi principali utilizzi:
I LED, acronimo di Light Emitting Diode (diodo ad emissione luminosa), hanno le caratteristiche di un diodo, ovvero è costituito essenzialmente da una giunzione P-N che, se polarizzata direttamente, emette una radiazione luminosa dovuta all’effetto di elettroluminescenza della giunzione, ovvero quel fenomeno, scoperto nel 1923 da Lossew, per cui, a seguito di una ricombinazione tra una lacuna ed un elettrone si ha la formazione di una radiazione elettromagnetica, dovuta all’energia liberata durante tale fenomeno.
Tale fenomeno venne poi perfezionato ed applicato alla tecnologia LED nel 1962, mediante l’utilizzo di particolari semiconduttori, come l’arsenurio di Gallio (GaAs), da Nick Holonyak Jr.
I primi LED erano disponibili solo nel colore rosso.
Venivano utilizzati come indicatori nei circuiti elettronici e nei display a sette segmenti,
successivamente vennero sviluppati LED che emettevano luce gialla e verde e vennero realizzati dispositivi che integravano due LED, generalmente uno rosso e uno verde, nello stesso contenitore permettendo di visualizzare quattro stati (spento, verde, rosso, verde+rosso=giallo) con lo stesso dispositivo.
Negli anni novanta vennero realizzati LED con efficienza sempre più alta e in una gamma di colori sempre maggiore fino a quando con la realizzazione di LED a luce blu fu possibile realizzare dispositivi che, integrando tre LED (uno rosso, uno verde e uno blu), potevano generare qualsiasi colore.

I principali vantaggi di questa tecnologia attualmente sono:

Elevata affidabilità ed efficienza
Lunga durata di vita
Basso consumo.

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I LED stanno gradualmente entrando a far parte dei componenti per l’illuminazione e, come visto prima, sono ottenuti sfruttando le caratteristiche dei semiconduttori come visto prima.
Abbiamo detto che essi hanno la possibilità di generare luce di vari colori in base alla loro costruzione ed ai valori di tensione e corrente di alimentazione.
Il colore del LED per illuminazione è classificato in Warm White, Natural White e Cold White.
I LED “Cold White” emettono una luce con temperatura di colore tipica di 5600 K molto indicata per applicazioni esterne.
I LED “Warm White” emettono una luce molto più calda, con una temperatura di colore media di 3250 K con un CRI 80. Tale valore li porta ad essere molto indicati per applicazioni d’interno e dovunque ci sia la necessità di evidenziare i colori in maniera viva e brillante.
I LED “Natural White”, compromesso tra luminosità, temperatura di colore e fattore di resa cromatica, rappresentano la nuova frontiera ed sono la scelta più indicata per abbinamenti a sorgenti luminose già presenti nel paesaggio.
Dalla miscelazione di tali tecnologie nasce il Dynamic White, che permette di ottenere range di bianchi da una temperatura di colore di 3100 K fino ad una di 6500 K, tale strumento è l’ideale per ambienti commerciali che ricercano la valorizzazione della merce esposta.
L’efficienza luminosa di tale tecnologia è molto elevata e si aggira tra i 50/100 lm/W con una durata di vita che si aggira attorno alle 50000 ore.

Vantaggi e Svantaggi

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Da quanto scritto qui sopra si può dedurre che i LED rappresentano un’ottima sorgente luminosa e da qui nasce l’idea di utilizzare tale tecnologia per l’illuminazione privata e pubblica.
Dato il ridotto consumo (spiegato meglio in seguito), si ha, durante l’utilizzo, un risparmio di energia rispetto alle altre sorgenti luminose, inoltre, vista l’elevata durata la vita, necessitano di una minor manutenzione, riducendo così ancora i costi.
Altro vantaggio, oltre alle ridotte dimensioni che permettono di indirizzare il flusso luminoso direttamente dove desiderato senza l’utilizzo di particolari parabole o ottiche, è il fatto che risultano essere una tecnologia con ridotte emissioni di calore e possono quindi essere utilizzati anche in luoghi che con altre tecnologie potrebbero risultare problematici.
Il piccolo angolo di illuminazione può risultare un vantaggio ma al tempo stesso anche uno svantaggio in quanto vi è bisogno di più corpi illuminanti per ottenere una illuminazione efficace ed inoltre la luce emessa non risulta distribuita in modo uniforme ma concentrata in una determinata zona.
Tali lampade risultano avere un costo di acquisto superiore rispetto a quelle ad incandescenza o fluorescenti e, dato che la maggior parte di esse funzionano a bassa tensione, accorgimento ottimale per un abbinamento con impianti di produzione di energia fotovoltaici, presentano la necessità di essere alimentati mediante l’utilizzo di alimentatori che ne alzano ulteriormente il costo e l’ingombro.
Altro vantaggio dell’illuminazione a LED sono le infinite variazioni cromatiche che permettono le lampade RGB, ottimali per creazione di particolari atmosfere utili per l’illuminazione decorativa in determinati luoghi pubblici.
Valutati quindi vantaggi e svantaggi di tale tecnologia, non possiamo dire con certezza se le lampade a LED risultano essere più convenienti rispetto a quelle tradizionalmente utilizzate fino ad ora, ma ogni determinato caso deve essere preso in considerazione facendo una attenta analisi delle condizioni e di installazione e di funzionamento dell’impianto interessato. Di seguito viene riportata una tabella riassuntiva di tutte le caratteristiche elettriche ed illuminotecniche delle lampade solitamente utilizzate nell’uso domestico (lampade a bulbo).
Le lampade prese in considerazione sono tali da essere messe in paragone, ovvero presentano più o meno le stesso flusso luminoso.
Bisogna fare delle particolari considerazioni sulle lampade fluorescenti:
la durata di vita è calcolata fino alla rottura, ma il flusso luminoso si riduce notevolmente con il passare delle ore:
vita media al 50% del flusso luminoso: 12000 h
flusso luminoso dopo 2000 h: 85%
flusso luminoso dopo 5000 h: 80%
Dalla tabella si possono fare le seguenti considerazioni:
1. Le lampade a LED risultano avere una minor potenza nominale e quindi un risparmio in termini di assorbimento di energia;
2. La durata di vita delle lampade presentano un grande salto di durata se si paragona incandescenza ed alogene a quelle fluorescenti e LED;
3. Nonostante il flusso luminoso maggiore risulti essere quello delle lampade fluorescenti compatte, le lampade a LED risultano avere la maggior efficienza luminosa.
4. L’accensione dei LED è immediata come quella delle lampade ad incandescenza ed alogene, mentre per le lampade fluorescenti bisogna attendere qualche minuto per avere il 100% del flusso luminoso.
Confronto economico
Il confronto economico tra le varie tipologie di lampade viene effettuato tenendo conto della durata di vita delle lampade stesse, di un tasso di interesse pari al 5% annuo ed ad un costo dell’energia costante in tutte le fasce orarie.
Partendo inoltre dalle ipotesi di utilizzare una lampada in un ambiente commerciale, ipotizziamo un utilizzo di 8 ore giornaliere.
Il confronto viene fatto riferendo i costi ad un anno “tipo” e quindi il costo di acquisto delle varie lampade viene attualizzato ad “oggi” mediante l’utilizzo del fattore di attualizzazione, che tiene conto del tasso di interesse annuo e della durata di vita della lampada, riferita alle ore di utilizzo annue.
Il risultato è:
Si ha quindi che, nonostante una prima impressione secondo cui la tecnologia a LED sembra essere la più costosa, come si può facilmente dedurre dal grafico dei costi per Watt, si ha che ad una più attenta analisi dei costi essa risulta essere tra le più economiche, posizionandosi subito dopo le lampade fluorescenti.
Dall’analisi dei costi e dei consumi orari, grafico sopra riportato, si può facilmente notare che le lampade ad incandescenza ed alogene, risultano essere molto più costose rispetto a lampade a LED o alle più comuni fluorescenti compatte.
Ad una prima analisi si può arrivare alla conclusione che le lampade fluorescenti risultano essere le più convenienti in termini di costi, ma bisogna ricordare che esse presentano un notevole decadimento del flusso luminoso con il passare delle ore di funzionamento.
Possiamo quindi concludere che le lampade ad incandescenza e le lampade alogene sono sicuramente le più costose a livello di consumi ed allo stesso tempo le meno convenienti anche in termini di illuminazione. Si ha infatti che i costi per lumen di queste due tecnologie sono di gran lunga superiori alle rimanenti due prese in considerazione.
E’ interessante notare il fatto che, per le lampade fluorescenti compatte ad inizio vita, il rapporto costi/lumen è sicuramente il più conveniente, tenendo conto però della diminuzione dell’efficienza luminosa, si ha che con il passare delle ore, tale rapporto risulta essere superiore rispetto a quello dei LED.
Dai calcoli si nota che il punto di incontro tra le due tecnologia si ha che dopo circa 3 anni e mezzo un tempo abbastanza lungo nelle applicazioni domestiche, ma paragonandolo alla durata di vita, i LED risulta essere i più convenienti per il mantenimento del flusso luminoso.

APPLICAZIONE PRATICA DELLA TECNOLOGIA A LED

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Nonostante la tecnologia a LED non sia ancora all’avanguardia, vi sono comuni italiani che iniziano a considerarla come una valida alternativa alle consuete lampade.
Viene riportato di seguito l’esempio della prima “LED city” al mondo che, nonostante il nostro paese sia tra i più indietro a livello europeo rispetto alla diffusione per lampade a basso consumo ed a basso impatto ambientale, si trova proprio in Italia.
Torraca infatti è un piccolo comune nella provincia di Salerno, un paese di circa 1.300 abitanti dove, nel 2007, la giunta comunale ha deciso di passare alla tecnologia a LED per l’illuminazione pubblica, installando circa 700 punti luce per tutta la cittadina, con un investimento di circa 280 mila euro che prevedono di recuperare in circa 6 anni.
L’impianto è stato realizzato dalla Elettronica Gelbison, ditta locale, con la supervisione dell’ingegner Luciano Di Fraia, docente all’università di Napoli Federico II.
Dato che Torraca possiede anche 3 centrali fotovoltaiche ha ricevuto diversi riconoscimenti, tra i quali anche il “premio enti locali per Kyoto 2007″.
Sulla effettiva efficienza dell’ impianto vi sono però pareri contrastanti. L’impianto ha effettivamente portato un netto risparmio energetico a detta del sindaco di circa il 60 % ed inoltre, dato che i lampioni installati funzionano a 48V la sicurezza ha ricevuto un elevato beneficio, d’altro canto però vi sono cittadini che si lamentano della non del tutto efficiente resa illuminotecnica delle lanterne installate.
I LED rappresentano sicuramente il futuro dell’illuminazione, sia essa pubblica o privata. L’attenzione verso il rispetto dell’ambiente e la continua ricerca del risparmio energetico li rendono attualmente la miglior sorgente luminosa in questi campi, inoltre, risultando ancora una tecnologia molto giovane rispetto alle altre, presentano enormi margini di crescita e di sviluppo.
Vi è oltre all’efficienza luminosa della sorgente, anche altri aspetti che risultano importantissimi nella progettazione e nella scelta di una sorgente piuttosto che di un’altra. Temperatura di colore, indice di resa cromatica, durata di vita e conseguenti costi di manutenzione, sicurezza, risultano quindi essere termini fondamentali per la scelta.
Da quanto analizzato fino ad ora i LED risultano essere la migliore tecnologia considerando tutte le sue caratteristiche tecniche ed illuminotecniche, oltre alle valutazioni utili alla progettazione, valutando soprattutto i costi è proprio in questo campo che i LED considerando le nuove possibilità scalano i posti in classifica ,perché sempre in continuo aggiornamento.
Quindi possiamo sostenere che le lampade a LED risultano essere convenienti se paragonate alle ormai obsolete lampade ad incandescenza o alle lampade alogene che hanno una efficienza luminosa molto scarsa a causa della tipologia di generazione della luce, esse presentano infatti una forte produzione di calore vincolata al loro funzionamento, al contrario delle altre tipologie di lampade.
A fronte di un costo di investimento relativamente più elevato rispetto alle altre tecnologie, le lampade a LED presentano però una durata di vita ed un mantenimento del flusso luminoso migliori rispetto alle dirette avversarie, e ciò le rende una competitiva alternativa alle lampade fluorescenti, in impianti in cui il tempo di utilizzo risulti abbastanza elevato. Se inoltre si considera la possibilità di modificarne il colore e di direzionarne facilmente il flusso luminoso, tale tipologia di lampade risulta migliore in caso si voglia utilizzarle per un illuminazione di arredamento e per la creazione di determinate atmosfere.
Quanto appena detto, rende i LED già una ottima tecnologia per l’illuminazione privata, specialmente per l’uso in attività commerciali dove le ore di utilizzo risultano più elevate, e se si pensa che i margini di miglioramento di tale sorgente sono molto ampi, si può concludere che essi rappresentano sicuramente il futuro dell’illuminazione privata.

ILLUMINAZIONE PUBBLICAEsempio

Anche in questo caso, se si pensa alle caratteristiche elettriche delle varie tipologie di lampade, i LED risultano essere sicuramente tra le migliori. Esse infatti non presentano sostanze pericolose per l’ambiente, hanno una elevata durata di vita, un buon indice di resa cromatica ed inoltre la possibilità di essere alimentati a bassa tensione, che li rende ottimali per l’accoppiamento con panelli fotovoltaici, riducendo quindi i costi di utilizzo e l’impatto ambientale.
La luce prodotta dalle lampade agli ioduri metallici risulta essere bianca e quindi di ottima qualità e il consumo orario risulta essere uguale rispetto a tutte le altre, a fronte però di una durata di vita minore, e quindi di costi di manutenzione più elevati.
Se si volesse, pensare principalmente a quello ambientale, la tecnologia a LED risulterebbe comunque la migliore