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Illuminazione LED, Funzionamento - Caratteristiche - Prestazioni - Applicazioni
Gianni Forcolini - Hoepli, Milano 2008
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Intervista di Mauro Bozzola
Il primo libro che tratta da un punto di vista illuminotecnico la nuova sorgente luminosa a Led, rivoluzionaria e strettamente legata al mondo dell'ottica e dell'elettronica, che potrà aprire anche nuovi scenari nell'illuminazione urbana
Da poche settimane è uscito in libreria, edito da Hoepli, "Illuminazione LED" la prima pubblicazione che affronta, in modo semplice ma al tempo stesso esaustivo, l'argomento da un punto di vista illuminotecnico. Abbiamo incontrato l'Autore, Gianni Forcolini, professore alla Facoltà del Design del Politecnico di Milano, non solo per parlare del suo libro ma anche per capire meglio il perché del successo di questa nuova sorgente luminosa.
Oggi si parla molto di Led e senza dubbio si tratta di una fonte di illuminazione importante e innovativa; secondo lei, Prof. Forcolini, potrebbe rivoluzionare il modo di illuminare i nostri ambienti interni ed esterni?
Va detto subito che il Led (Light Emitting Diode) esiste sul mercato da molti anni, in realtà la vera novità è il Power Led, cioè il Led di potenza applicato all'illuminazione di ambienti interni o esterni. Un ambito potenzialmente enorme. Dalla metà degli anni novanta, grazie alla ricerca sui semiconduttori fatta dapprima in Giappone, poi in America e successivamente in Estremo Oriente, quindi Corea e Cina, è stato possibile costruire un Led ad alto flusso. Con riferimento ai Led parlare di alto flusso riferito ai Led significa parlare di alcune centinaia di lumen, dunque rispetto alla quantità di luce prodotta dalle lampade tradizionali, fluorescenti o a scarica, si tratta ancora flussi modesti sia pur considerevoli rispetto ai Led precedenti.
Per realizzare i Led i ricercatori negli anni Novanta sono partiti da una base di Led di segnalazione, usati per strumenti e mezzi di comunicazione visiva (le insegne e i pannelli luminosi, i display, i cruscotti per automobili, fanalerie di piccolo formato e di basso flusso per autoveicoli, motociclette, ecc). Una nicchia importante, dunque, nella quale il Led a basso flusso era caratterizzato da una forma particolare e da sigle particolari. Poi, grazie alle scoperte sui semiconduttori, da parte di un ricercatore giapponese, Shuji Nakamura, presso un'azienda giapponese molto nota allora e ancora oggi, la Nichia, è stato possibile fabbricare Led ad alto flusso per radiazioni che i nostri occhi percepiscono di colore blu.
I Led sono tutte lampade con emissione di radiazioni in spettri stretti e vengono chiamate in modo non appropriato "monocromatiche", ma in realtà emettono radiazioni in un piccolo intervallo dello spettro, quindi in un intervallo dello spettro in cui prevale una lunghezza d'onda. In pratica esiste il Led rosso, il Led ambra, i Led verde e il Led blu. Come detto, fino agli anni Novanta, questi Led davano poco flusso in particolare quello blu. Con la scoperta di Nakamura, il mondo dei Led è cambiato, perché con il Led blu ad alto flusso è stato possibile produrre il modello a luce bianca. Grazie ad una tecnologia (che nel libro cerco di spiegare in modo quanto più chiaro) che è quella dei fosfori applicati al rivestimento del Led a luce blu: immaginiamo un piccolo chip, quindi una pastiglia piccolissima di semiconduttori, che attraversato la corrente elettrica emette questa radiazione blu. Il rivestimento di materiale plastico speciale caricato a fosfori in parte lascia passare questa radiazione blu e in parte la trasforma in radiazione gialla. Il nostro occhio, sollecitato da queste due radiazioni cromaticamente complementari, vede un certo punto di bianco. Regolando sia il blu che i fosfori gialli, è possibile avere una gamma molto ampia di temperature di colore. I Led a luce bianca esistono di diverse tonalità, da 2.700 K fino a 6.500 K.
Quest'ultima è dunque una delle caratteristiche che ne stanno favorendo il trend di crescita nell'utilizzo, rendendoli oggi tra le sorgenti più utili anche dal punto di vista progettuale?
Questa caratteristica dei Led è importantissima per il progettista perché con un tipo di lampada può scegliere anche una determinata temperatura di colore. Ciò è possibile solo con le lampade fluorescenti, ma non con quelle a incandescenza, ne con quelle a filamento (le alogene hanno una temperatura che oscilla di qualche decina di kelvin) e neppure con quelle a vapori di alogenuri (le lampade a ioduri sono disponibili oggi in piccolo formato o a 3.000 K o a 4.200 K).
Altra caratteristica che sta favorendo l'utilizzo dei Led è quella dell'efficienza. Negli anni novanta avevamo efficienze modeste e quindi gli esperti erano del parere che i Led avrebbero avuto scarso successo, oggi invece le efficienze sono piuttosto elevate raggiungendo quelle delle migliori lampade e scarica. Siamo intorno ai 90, 100 lumen su watt, qualche casa produttrice riesce a superare anche i 100 lumen su watt. Una buona fluorescente arriva a 100 lumen su watt. Una lampada a ioduri riesce ad arrivare a 90 lumen su watt. In ogni caso il limite di 100 lumen su watt stabilisce una buona efficienza, un buon rapporto tra luce prodotta ed energia elettrica spesa.
Altro notevole, e ormai ben noto, vantaggio offerto dai Led è quello legato alla durata. Si tratta di lampade estremamente robuste, se opportunamente protette (normalmente da materiali plastici) non temono vibrazioni ne urti, non contenendo filamenti, né elementi in vetro, quindi né gas né vapori. Io le chiamo lampade allo stato solido, dove la luce è generata appunto da un materiale solido.
Che implicazioni determina il fatto che il Led provenga dal mondo dell'elettronica?
Intanto significa che accanto alle grandi case che hanno sempre fabbricato lampade e che recentemente hanno inserito nei loro cataloghi già piuttosto ricchi anche i Led, vi sono delle "nuove" realtà produttive che prevengono dal quel mondo. Si tratta di aziende che producono normalmente semiconduttori e tutti i derivati dei semiconduttori, quindi dai transistor a tutti i tipi di diodi. Dunque abbiamo il mondo industriale dell'elettronica che gradualmente entra nel mondo dell'illuminotecnica. Questo spiega anche una certa difficoltà che a volte cogliamo nella comunicazione del prodotto, perché un conto è vendere un transistor, un conto è vendere a chi fa impianti di illuminazione un diodo luminoso, che va inserito in un circuito con funzione non tipicamente elettronica ma per fare luce, che necessita di un'ottica, e che deve funzionare all'interno di un apparecchio diverso da un televisore, da una radio o da un cellulare. Ma le aziende che producono soltanto Led si muovono con molta agilità sul mercato e ora si stanno gradualmente adeguando all'utilizzo di un linguaggio illuminotecnico per poter offrire un prodotto che in fondo per chi fa impianti di illuminazione non è altro che una fonte di luce; una fonte di luce elettronica, che va alimentata in corrente costante - aspetto assai raro nel mondo dell'illuminotecnica - che funziona a bassissima tensione, con collegamenti in serie e non in parallelo come le lampade tradizionali, ma pur sempre una fonte di luce.
Una fonte di luce, peraltro, di dimensione assai ridotta.
Sono piccoli i Led e questo rappresenta allo stesso tempo un vantaggio e uno svantaggio in quanto di dimensioni così ridotte il flusso del singolo Led è modesto e diventa difficile creare corpi illuminanti che diffondano la luce. Si supera l'ostacolo aggregando i Led e quindi mettendo sul mercato i cosiddetti moduli Led che poi sono i prodotti effettivamente commercializzati e di cui nel libro si parla ampiamente.
Anche da un punto di vista "tattile" si può parlare di un rapporto nuovo.
Infatti nel libro si parla proprio di un rapporto tattile con il Led che le lampade tradizionali non permettono di avere. Con la lampada tradizionale, siamo abituati a tenerci a debita distanza, invece il Led è una lampada che si può toccare tranquillamente in quanto a pieno regime raggiunge al massimo la temperatura di 40 °C, lampade alogene o a incandescenza arrivano a temperature di 200-300 °C.
Dopo questa interessante premessa, che fa capire l'importanza di una pubblicazione dedicata ai Led dal punto di vista illuminotecnico, parliamo più specificatamente della struttura del libro?
Con il primo capitolo, si è voluto spiegare in termini molto semplici il funzionamento dei Led. Credo che sia importante, infatti, cogliere la differenza tra il modo di generare luce del Led e quello delle lampade tradizionali. Brevemente, le lampade a filamento sono dotate di un corpo molto caldo al loro interno, il loro cuore è dato da un filo di tungsteno molto sottile che raggiunge notevoli temperature per poter generare luce. Le lampade a scarica che funzionano grazie ad una rapidissima sequenza di micro-fulmini che si sviluppano all'interno di un tubo di scarica che può essere sottile e piccolissimo, di forma allungata lineare (il classico tubo dritto delle fluorescenti) o ripiegata (i tubi ricurvi delle fluorescenti compatte). Nelle lampade a ioduri raggiungiamo un notevole livello di miniaturizzazione, il tubo è piccolissimo con la luce generata dai gas. Il Led non funziona con i fulmini, né con il grande calore generato dal tungsteno, ma funziona grazie al fatto che si riesce a estrarre un po' di energia ad alcuni elettroni. Il semiconduttore, normalmente in silicio, è diviso in due zone, in una zona ci sono elettroni in eccesso nell'altra in difetto e in quest'ultima ci sono dei vuoti (o lacune). Dando potenziale elettrico e quindi spingendo gli elettroni della prima zona nella seconda, si fa in modo che gli stessi cadano nelle lacune (gli spazi vuoti) all'interno degli atomi. Questo depotenziamento, questo decadimento dell'elettrone libera radiazioni. Quindi abbiamo imparato a depotenziare gli elettroni per generare luce, abbiamo tolto loro energia facendoli "muovere" all'interno di un materiale (il semiconduttore) che consente il loro depotenziamento. Alla base di questo fenomeno naturale c'è tutta la teorizzazione della fisica quantistica, quindi è grazie a questo avanzamento della scienza, verificatosi nei primi decenni del Novecento, che noi oggi possiamo avvalerci di questa tecnologia.
Nel secondo capitolo - sempre rilevando ciò che distingue il Led dalle fonti luminose tradizionali - vengono invece esaminate le loro caratteristiche e le prestazioni, vengono cioè analizzate, funzione per funzione, le loro virtù, i motivi della loro lunga durata, le modalità con cui devono essere utilizzati per sfruttare al massimo tali caratteristiche. Vengono poi analizzati gli aspetti legati all'efficienza del Led mettendo in evidenza anche le efficienze documentate dai produttori. Vengono affrontati anche gli aspetti legati al colore per spiegare perché il Led può, meglio di altre lampade, essere utile per la gestione del colore per creare le giuste atmosfere, i giusti effetti.
Se le prime due parti del volume sono perlopiù dedicate ai tratti più innovativi dal punto di vista funzionale e tecnico della sorgente luminosa Led, l'ultima parte è focalizzata su tutte le sue applicazioni ed è divisa in due sezioni, la prima dedicata agli interni. Si riferisce in particolare dei numerosi oggetti wireless oggi proposti dalle grandi aziende che permettono di personalizzare in modo significativo l'illuminazione, un po' come tornare al passato quando si utilizzavano liberamente lucerne e candele per illuminare gli ambienti. Si procede poi con la disamina delle applicazioni in ambito residenziale, commerciale, lavorativo, espositivo e in quello dei beni culturali (quest'ultimo frutto di una significativa esperienza progettuale personale). La seconda della terza parte è interamente dedicata agli esterni, urbani, a verde, all'illuminazione stradale, e a quella di luoghi particolari come le gallerie autostradali. In queste ultime il vantaggio che si trae utilizzando una fonte di illuminazione come il Led è indubbiamente quello della lunghissima durata e dell'alta efficienza. Istallare una lampada a lunghissima durata in una galleria vuol dire effettuare manutenzioni assai dilatate nel tempo, con il vantaggio di interrompere il traffico molto raramente. Oltre al fatto, naturalmente, di risparmiare energia e avere flussi idonei in quanto in una galleria le lampade rimangono accese per molte ore, anche durante il giorno.
Per il suo taglio divulgativo il volume è arricchito da numerose illustrazioni a colori, in particolare nell'ultima parte, quella applicativa. C'è anche una piccola sezione dedicata all'abbinamento LED-celle fotovoltaiche. Ormai esistono prodotti che si basano proprio su questo abbinamento che permette di avere dei lampioni stradali o altri oggetti luminosi per l'esterno, che non necessitano la presenza di allacciamento alla rete elettrica, quindi particolarmente adatti in località dove appunto sarebbe molto costoso far arrivare l'energia elettrica tramite i soliti sistemi, canali, condotti interrati o condotti aerei, e poi anche in luoghi urbani dove sì è vero c'è la rete elettrica però a volte estenderla fino ad arrivare magari al piccolo centro luminoso può rappresentare un costo notevole.
Prospettive aperte dunque per produttori e progettisti.
Certamente, ma a condizione di rispettarlo, di usarlo in modo corretto, anche perché il Led è di dimensioni molto ridotte e va protetto. Insomma, occorre trovargli il "giusto abito" e saperlo usare anche per non "bruciarlo" perché a volte una novità, se inizialmente male utilizzata viene immediatamente classificata all'interno del mercato come di difficile utilizzo. Se invece impariamo a utilizzarlo in modo appropriato allora ne possono derivano solamente vantaggi, per tutti. In Italia, negli ultimi anni, si sono formati molti professionisti e tecnici capaci di coglierne tutte le potenzialità.
Fatte salve le numerose caratteristiche positive fino qui evidenziate, nel suo libro si mettono in luce anche elementi di criticità?
Si, un primo elemento di criticità che peraltro ha destato non poche preoccupazioni è quello legato alla temperatura di colore. In pratica quando un produttore di apparecchi decide di utilizzare i Led, ne compra un certo quantitativo, e chiede al fabbricante dei Led una fornitura di Led, supponiamo a 3.000 K. Tuttavia rispetto a tale fornitura non tutti i Led garantiscono la stessa temperatura di colore con un'oscillazione a volte piuttosto marcata. Ciò è dovuto probabilmente alla difficoltà di controllo del ciclo produttivo su tali dimensioni, tuttavia ci sono ora produttori che garantiscono la stabilità del dato cromatico e della temperatura di colore.
Altro problema è quello relativo alla dispersione termica. Il Led produce calore, è un calore che tende ad accumularsi alla sua base. Se questo calore non viene smaltito, il Led si surriscalda, produce meno luce e la sua durata si riduce. Occorre dunque che il fabbricante dell'apparecchio si attrezzi molto bene sul piano termotecnico, progettando efficaci dissipatori di calore secondo criteri termici integrati. Esisto peraltro già alcuni interessanti prodotti sul mercato in cui il dissipatore è diventato vero proprio elemento a vista di connotazione estetica che dà la forma dell'apparecchio. È necessario insomma che i produttori si rimbocchino le maniche di fronte a una lampada così rivoluzionaria e così strettamente collegata al mondo dell'ottica e dell'elettronica.
Per concludere, quali sono i potenziali interessati alla lettura del suo libro?
Il taglio del libro (corredato peraltro da numerose immagini) è indubbiamente divulgativo e discorsivo, quindi non destinato ad un lettore di nicchia.
Ho cercato di rivolgermi ad un pubblico ampio, nel senso che ho pensato innanzitutto a quei professionisti che progettano impianti di illuminazione in ambienti interni ed esterni (che quindi di fronte alla novità si chiedono se valga effettivamente la pena di lasciare le soluzioni tradizionali) ma anche a quei professionisti che realizzano apparecchi di illuminazione, facendo capire appunto, attraverso queste ampie descrizioni delle prestazioni e delle caratteristiche, quale valore aggiunto possa offrire il Led in un prodotto e non solo in un impianto. |
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SOCI NAZIONALI:
SOCI SOSTENITORI E BENEMERITI:
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