Fisica Tecnica Ambientale - Ing. Francesco D'Alessandro Corso di Laurea in Ingegneria Edile e Architettura A.A. 2014/2015 - CIRIAF
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Università degli Studi di Perugia
Sezione di Fisica Tecnica
Fisica Tecnica Ambientale
Lezione del 28 maggio 2015
Ing. Francesco D’Alessandro
dalessandro.unipg@ciriaf.it
Corso di Laurea in Ingegneria Edile e Architettura A.A. 2014/2015
LED – LIGHT EMITTING DIODE
Introduzione: le lampade Le sorgenti primarie di luce artificiale, dette lampade, sono alimentate da energia elettrica e generalmente inserite in dispositivi realizzati con materiali riflettenti e/o rifrangenti atti ad effettuare il controllo in intensità (attenuazione) e direzionalità del flusso luminoso da esse emessa. L’insieme della lampada e del dispositivo di controllo è detto apparecchio illuminante.
Introduzione: le lampade
Introduzione: le lampade
Parametri caratteristici
Tensione di alimentazione: indica la tensione, in Volt, di alimentazione
elettrica.
Potenza elettrica: rappresenta, in Watt, la potenza necessaria al
funzionamento della lampada.
Flusso luminoso: rappresenta la quantità di luce emessa dalla lampada ed è
espressa in lumen.
Efficienza luminosa η: è espressa dal rapporto tra il flusso luminoso emesso
dalla lampada e la potenza elettrica necessaria al funzionamento della stessa
[lm/W].
Introduzione: le lampade Efficienza luminosa di alcuni tipi di lampade
Introduzione: le lampade
Tonalità di luce
Rappresenta il «colore» della luce e si esprime come «temperatura di colore»,
cioè la temperatura di un corpo nero che emette una radiazione di uguale
colore rispetto a quello emesso dalla sorgente stessa.
Introduzione: le lampade
Tonalità di luce
Introduzione: le lampade Tonalità di luce: diagramma di Kruithof
Introduzione: le lampade
Indice di resa cromatica
I colori degli oggetti non dipendono unicamente da come essi interagiscono
con la luce ma anche dalla composizione spettrale della luce. L’indice di resa
cromatica Ra esprime la capacità di una lampada a rendere i colori.
Le lampade con spettro di
emissione continuo sono
quelle con la migliore resa
cromatica.Introduzione: le lampade
Introduzione: le lampade
Introduzione: le lampade Confronto tra sorgenti per uso residenziale (fonte ENEA)
Introduzione: le lampade
Risparmio conseguibile con utilizzo di 2000 h/anno per un
periodo di 5 anni (fonte ENEA)Introduzione: le lampade Lampade per uso terziario e commerciale (fonte ENEA)
Il diodo è un componente elettronico a due poli, che permette il passaggio di corrente elettrica in una direzione bloccandola contemporaneamente nell'altra. LED (Light Emitting Diode): Speciale diodo a giunzione p-n costituito da un sottile strato di materiale semiconduttore drogato.
Drogaggio: Aggiunta di piccole percentuali di atomi non facenti parte del
semiconduttore stesso per modificare le proprietà elettriche del materiale.
• Drogaggio di tipo n: l'atomo drogante ha un elettrone in più di quelli necessari per
soddisfare i legami del reticolo cristallino e tale elettrone diventa libero di
muoversi all'interno del semiconduttore.
• Drogaggio di tipo p: l'atomo drogante ha un elettrone in meno di quelli necessari
per soddisfare i legami del reticolo cristallino e tale mancanza (lacuna), si
comporta come una particella carica positivamente e si può muovere all’interno
del semiconduttore
Esempio: col silicio che ha atomi
tetravalenti (quattro legami per
formare un cristallino), il
drogaggio di tipo n può essere
effettuato mediante atomi di
fosforo o arsenico (5 el.), mentre
il drogaggio di tipo p è effettuato
mediante atomi di boro (3 el.).In assenza di Con polarizzazione
polarizzazione si crea inversa la regione di
una regione di svuotamento si allarga
svuotamento (barriera (elettroni e lacune più
di potenziale). confinate) e non si ha
passaggio di corrente.
Questo passaggio avviene con
emissione di radiazione luminosa.Il colore della radiazione emessa dipende dalla distanza in energia tra i livelli energetici di elettroni e lacune, quindi dal salto di energia compiuto nella ricombinazione elettrone-lacuna: -> dipende dai materiali utilizzati
Primo LED sviluppato da Nick Holonyak nel 1962
Primi LED solo di colore rosso negli anni ’70 (indicatori nei
circuiti elettronici, nei display)
In seguito dispositivi con due LED integrati nello stesso contenitore (rosso e
verde), permettendo di visualizzare quattro stati (spento, verde, rosso,
verde+rosso=giallo) con lo stesso dispositivo.
Successivamente LED
a luce gialla e verde
A partire dagli anni ’90: LED in una gamma più ampia di
colori. Con la realizzazione di LED a luce blu possibilità
di dispositivi in grado di emettere qualunque colore
(rosso + verde + blu)Produttori principali
Caratteristiche:
• Lunga durata (fino a 100000 h) e ridottissimi costi di manutenzione;
• Efficienza luminosa: 100-150 lm/W in crescita risparmio energetico;
• Flusso luminoso non elevato (20÷ 120 lm); (Lampada ad incandescenza (60 W): flusso
luminoso ≈ 600 lumen);
• Assenza totale di radiazioni IR (minimo riscaldamento degli oggetti illuminati) e UV;
• Facilità di realizzazione di ottiche efficienti in plastica;
• Dimensioni ridotte;
• Elevata robustezza (resistente agli urti);
• Possibilità di un forte effetto spot (sorgente quasi puntiforme, necessità di progettazione
adeguata delle ottiche secondarie:);
• Funzionamento in sicurezza perché a bassissima tensione (3 ÷ 24 V corrente continua);
• Molto sensibili alle variazioni di tensione: basta il 10% in meno perché non si illuminino e
il 10% in più per bruciarli;
• Accensione istantanea anche a freddo (fino a -40°C);
• Insensibilità a umidità;
• Temperatura di colore: 30006000 K (da bianco caldo a bianco freddo);
• Ra 80-85.Potenzialità di diffusione: • oltre il 75% degli impianti di illuminazione hanno più di 25 anni • sostituzione di 90 milioni di luci stradali in Europa Quota di mercato: attuale (in valore) pari a 6,2% al 2020 stimato pari al 70% Riduzione costi: tra -14 e -24% nel quinquennio 2010-2015. Problematiche relative all’adozione della tecnologia LED • LED di bassa qualità presenti sul mercato (durata di vita ?) • Elevato costo iniziale (prezzo di una lampadina a incandescenza da 60W è inferiore a 1 euro, quello di una lampadina CFL equivalente è di circa 5 euro mentre quello di un prodotto LED equivalente supera i 30 euro) • Scarsa consapevolezza • Informazioni insufficienti • Sicurezza fotobiologica (sono state espresse preoccupazioni riguardo agli effetti dannosi prodotti sulla retina dalla luce dei LED) • Rapida obsolescenza della tecnologia FONTE: Libro Verde della Commissione Europea - Illuminare il futuro - Accelerare la diffusione di tecnologie di illuminazione innovative (2011)
Campi di applicazione
Campi di applicazione
Campi di applicazione
Campi di applicazione
Campi di applicazione
Sviluppi futuri: OLED
Sviluppi futuri: OLED Un display OLED è composto da vari strati sovrapposti. A causa della natura monopolare degli strati di materiale organico, i display OLED conducono corrente solo in una direzione, comportandosi in modo analogo a un diodo: di qui il nome di O-LED. Le applicazioni nel settore dell’illuminazione sono promettenti, ma non ancora competitive. Gli strati sono flessibili e la tensione di alimentazione è bassa.
Sviluppi futuri: OLED • Spessore totale comprensivo degli incapsulanti ca. 2 mm • OLED produce luce con minore intensità ma emettendola da una superficie più ampia • Thermal management meno complesso: area di scambio termico sufficientemente elevata (ΔT = 5 – 10 °C rispetto Tamb) • Possono essere integrati in elementi di arredo • Dimensioni, forme e flessibilità lo rendono fortemente attrattivo per applicazioni in cui è richiesta una forte integrazione (Architettura, Design) • Emissione di luce morbida, priva di abbagliamento
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