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Tecnologia LED

Smart Lighting

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La rivoluzione nelle sorgenti luminose

I LED (diodi a emissione di luce) rappresentano la sorgente luminosa del presente e del futuro: sono caratterizzati da dimensioni molto ridotte, elevata efficienza, lunga vita utile e grande facilità di controllo in termini di intensità, tonalità e colore.

Offrono inoltre potenza, bassi consumi, flessibilità di utilizzo; a differenza della lampade a scarica, possono essere riaccesi a caldo e sono in grado di emettere piena luminosità immediatamente dopo l’accensione; tutte caratteristiche che li rendono idonei a un numero molto ampio di applicazioni in campo illuminotecnico.

Tecnologia innovativa

Anche se emettono luce come le sorgenti luminose convenzionali, i LED hanno poco in comune con le lampade più conosciute, come quelle a incandescenza o a scarica di gas.

Costruttivamente, infatti, si tratta di chip elettronici costituiti da strati adiacenti di speciali componenti a semiconduttore. Quando sono attraversati dalla corrente elettrica, i LED emettono radiazione luminosa con un processo noto come “elettroluminescenza”.

L’efficienza luminosa trae vantaggio dal fatto che l’emissione avviene nel campo di 180 gradi; nei moduli a LED, inoltre, la radiazione luminosa è emessa in una direzione, mentre quella termica è dissipata in direzione opposta.

Affermazione globale

A livello mondiale l’impiego dei LED è aumentato considerevolmente negli ultimi anni, passando da una quota di mercato del 5% nel 2013 a quasi la metà delle vendite nel 2019, con una quota crescente di apparecchi a LED integrati.

Molto rapidamente i LED sono diventati la prima sorgente luminosa, una dinamica accelerata nei paesi dell’Unione Europea dal bando progressivo di altre sorgenti a bassa efficienza come le lampade a incandescenza e alogene.

L’affermazione dei LED è stata agevolata anche dalla continua discesa dei prezzi, grazie alle economie di scala generate da volumi di vendita decisamente elevati: si stima infatti che, in soli cinque anni, siano stati venduti 38 miliardi di prodotti basati su LED. Nel 2019, a livello internazionale le vendite di LED hanno raggiunto un traguardo storico superando le 10 miliardi di unità tra sorgenti luminose (lampade, tubi, moduli) e apparecchi di illuminazione.

All’orizzonte compaiono gli OLED

Mentre i LED sono sorgenti luminose puntiformi, la tecnologia OLED (diodi organici a emissione di luce) offre un’ulteriore innovazione mediante sorgenti luminose di tipo planare. Questo consente - analogamente a quanto si fa con un materiale da costruzione - di incorporare strati OLED estremamente sottili in altri componenti, aprendo strade completamente nuove per lo sviluppo di display e di apparecchi d’illuminazione.

Già impiegati negli apparecchi di design, si stima che nei prossimi anni gli OLED saranno sempre più utilizzati anche per l’illuminazione di grandi superfici, grazie alle loro caratteristiche distintive: forniscono una luce uniforme, con un’elevata resa cromatica e pressoché priva di abbagliamento; l’erogazione della piena potenza luminosa è immediata; la dimmerazione è agevole variando la corrente di esercizio e c’è massima flessibilità nel controllo del colore. Non da ultimo, gli OLED sono ecologici perché non contengono mercurio o altre sostanze nocive e sono pienamente riciclabili.

Efficienza, fattore decisivo

Partendo da dati già migliori di altre tecnologie, negli ultimi anni si è assistito a un ulteriore miglioramento dell’efficienza dei LED.

A seconda del modello, i LED disponibili sul mercato residenziale hanno un’efficacia di oltre 100 lumen per watt e dal 2010 l’efficacia media dei LED è migliorata ogni anno di 6-8 lm/W.

Vi sono paesi nei quali l’efficacia dei LED disponibili per impiego residenziale varia già da 110 lm/W a 130 lm/W; per soddisfare gli ambiziosi obiettivi dello scenario di sviluppo sostenibile (SDS), i costruttori sono già impegnati a raggiungere valori di 160 lm/W entro il 2030.

Per comprendere i progressi che si stanno compiendo, basti pensare che l’efficacia delle lampade fluorescenti compatte si aggira intorno a 60 lm/W e delle alogene non raggiunge 20 lm/W; dissipando la maggior parte dell’energia in calore, le lampade a incandescenza , fatto che spiega perché siano state le prime a essere messe al bando dal mercato UE (fonte: IEA).

Variazione di colore e tonalità della luce

Una caratteristica rivoluzionaria è che, per mezzo dei LED, si può produrre qualsiasi colore di luce, diversamente dalle sorgenti luminose tradizionali.

I LED sono disponibili in vari colori a seconda del tipo di semiconduttore utilizzato che determina la lunghezza d’onda dominante e, quindi, il colore della luce emessa.

Inoltre, a seconda della composizione e della lunghezza d’onda del colore dominante, la luce bianca emessa da un LED può assumere diverse tonalità.

Se nello spettro c’è un’alta proporzione di toni blu, la luce viene percepita come “bianco freddo”; più alta è la proporzione di colori a onde lunghe, più “calda” appare la luce.

La norma CEI EN 12464-1 attribuisce un riferimento numerico alla diverse tonalità di luce che sono classificate in base alla “temperatura di colore”, espressa in gradi Kelvin (K). Come regola generale vale: più alta è la temperatura di colore, più fredda risulta la luce. In particolare si distingue fra:

  • bianco caldo: temperatura inferiore a 3.300 Kelvin;
  • bianco neutro: temperatura compresa fra 3.300 a 5.300 Kelvin;
  • bianco luce diurna/bianco freddo: temperatura superiore a 5.300 Kelvin.
Vantaggi nel controllo

Gli apparecchi a LED offrono anche caratteristiche che modificano i processi tradizionali di comando e controllo.

Nel caso di controllo automatico in funzione della presenza in ambienti uffici, ad esempio, il ritardo di spegnimento delle plafoniere a tubi fluorescenti non può essere troppo breve: un valore di almeno 15-20 minuti evita una commutazione troppo frequente che danneggerebbe i tubi.

L’avvento delle plafoniere a LED permette di accorciare sensibilmente il ritardo di spegnimento, senza effetti negativi sulla durata di vita delle sorgenti luminose.

Apparecchi a LED dimmerabili

Affinché la regolazione della luminosità sia possibile, gli apparecchi a LED devono essere opportunamente predisposti: a questo scopo, driver e sorgenti LED dimmerabili sono identificabili mediante gli appositi simboli.

Resa cromatica

Il valore di resa cromatica (indicato generalmente come Ra) dipende principalmente dalla composizione spettrale della luce artificiale e valuta la rispondenza nella riproduzione dei colori naturali da parte dell’illuminazione rispetto a una sorgente luminosa presa come riferimento.

Valori di Ra = 100 denotano un’ottima resa cromatica: le moderne sorgenti LED sono caratterizzate da valori molto buoni.

Single Lighting Regulation

Nel dicembre 2019 è entrato in vigore il Regolamento UE 2019/2020 che ha provveduto a integrare in un unico testo - il Single Lighting Regulation - tutti gli elementi della legislazione Ecodesign che riguardano i prodotti del settore illuminazione che fino a quel momento erano stati oggetto di diversi Regolamenti (CE 244/2009, CE 245/2009 e UE 1194/2012).

I nuovi criteri entrano in vigore dal 1° settembre 2021 con la contestuale abrogazione dei precedenti Regolamenti. Il Regolamento ha come obiettivo principale la semplificazione per rendere la legislazione più semplice da applicare e da verificare da parte delle autorità nazionali.

Preso atto della transizione in corso verso la tecnologia LED, si punta ad avere in Europa prodotti durevoli e innovativi che possano essere sottoposti a interventi di riparazione e di sostituzione della sorgente luminosa.

L’Art. 4 esamina il tema della rimozione delle sorgenti luminose e delle unità di alimentazione separate definendo caratteristiche come:

  • la sostituibilità senza danni permanenti al contenitore;
  • l’accessibilità a fini di verifica;
  • la rimovibilità a fine vita utile.

Proprio l’evoluzione verso la tecnologia a LED ha richiesto di precisare meglio alcune definizioni:

  • la «sorgente luminosa» (light source) è il componente elettrico che emette luce o, per le sorgenti luminose non a incandescenza, è regolato in modo da emettere luce (o entrambe le cose). Non sono da considerare come sorgenti luminose chip LED, die LED o LED package; prodotti che contengono una o più sorgenti luminose che possono essere rimosse a fini di verifica; parti che emettono luce contenute in una sorgente luminosa dalla quale non possono essere rimosse a fini di verifica come sorgente luminosa;
  • il «prodotto contenitore» (containing product) comprende una o più sorgenti luminose o unità di alimentazione separate, o entrambe. Si tratta ad esempio di quegli apparecchi di illuminazione che possono essere smontati per verificare separatamente la sorgente luminosa o di quegli apparecchi domestici contenenti una sorgente luminosa. Se però un prodotto contenitore non può essere smontato per verificare la sorgente luminosa e l’unità di alimentazione separata, è considerato una sorgente luminosa;
  • la «unità di alimentazione» (control gear) è un dispositivo, fisicamente integrato nella sorgente luminosa o meno, che converte l’alimentazione di rete nel formato elettrico richiesto dalla sorgente luminosa. Ciò può includere la trasformazione della tensione di alimentazione e di innesco, la limitazione della corrente di esercizio e di preriscaldamento, l’impedimento dell’innesco a freddo, la correzione del fattore di potenza e/o la riduzione dell’interferenza radio.

Con l’entrata in vigore del Single Light Regulation, altre sorgenti luminose sono gradualmente dismesse e in particolare:

  • dal 1° settembre 2021 le lampade alogene con attacco R7s con emissione maggiore di 2.700 lm;
  • dal 1 settembre 2023 i tubi fluorescenti da 18, 36 e 58W, con attacco lampada G13 e le lampade alogene con attacchi G9, G4 e GY6,35.

Nel provvedimento non mancano infine soglie di efficienza più elevate per le sorgenti LED e l’Introduzione di requisiti per limitare lo sfarfallìo (flickering) delle sorgenti luminose.

Durata di vita

Per le sorgenti luminose di tipo LED (e OLED), il Regolamento UE 2019/2020 definisce la “durata di vita” con il parametro L70B50 ossia il numero di ore che trascorrono fra l’inizio dell’uso e il momento nel quale per il 50 % della popolazione di sorgenti luminose l’emissione è diminuita gradualmente fino a un valore inferiore al 70 % del flusso luminoso iniziale. Dal 1° settembre 2021 la durata di vita deve essere riportata obbligatoriamente sulla sorgente stessa.

Situazione e prospettive

Gli ultimi anni hanno visto una grande evoluzione nel campo delle sorgenti luminose.

La Direttiva europea 2005/32/CE e il successivo Regolamento CE n. 244 della Commissione hanno determinato la graduale uscita dal mercato delle lampade a bassa efficienza; dopo oltre 100 anni di presenza sul mercato, questo ha significato il pensionamento della tecnologia a incandescenza e in buona parte anche di quella alogena; un’iniziativa necessaria per sorgenti che dissipavano in calore la maggior parte dell’energia impiegata e ne convertivano solo una piccola quota in radiazione luminosa.

Vendite per tipo di sorgente nello scenario di sviluppo sostenibile 2010-2030 (fonte: IEA)

Questa decisione ha comportato per i paesi UE una riduzione stimata di emissioni di CO2 pari a 32 milioni di tonnellate e un risparmio sulla bolletta energetica di circa 11 miliardi di euro; si è calcolato anche che, entro il 2020, la riduzione del consumo di elettricità sarebbe stata di 80 miliardi di KWh, pari al fabbisogno totale di 23 milioni di famiglie europee, e alla produzione annuale di venti centrali elettriche da 500 MW. Anche nel campo dell’illuminazione tecnica per i grandi edifici, la transizione è in atto; nel suo scenario di sviluppo sostenibile, l’IEA stima che entro il 2030 la tecnologia a LED conterà per circa l’80% del mercato con le sorgenti fluorescenti attestate intorno al 20% del totale.

Riferimenti

Regolamento (UE) 2019/2020 della Commissione del 1° ottobre 2019 che stabilisce specifiche per la progettazione ecocompatibile delle sorgenti luminose e delle unità di alimentazione separate a norma della direttiva 2009/125/CE del Parlamento europeo e del Consiglio e abroga i regolamenti (CE) n. 244/2009, (CE) n. 245/2009 e (UE) n. 1194/2012 della Commissione.