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L' illuminazione è il risultato dell'illuminare mediante l'utilizzo di flussi luminosi , naturali (mediati da elementi architettonici) o emessi da sorgenti artificiali (apparecchiature generalmente elettriche) allo scopo di ottenere determinati livelli di luce (illuminamenti) sull'oggetto (in senso lato) da illuminare. La relativa tecnica si chiama illuminotecnica .

Ulteriori scopi dell'illuminazione sono anche creare effetti scenografici, di accento e con le sue apparecchiature generatrici ( lampade ) di fare arredo.

Il termine illuminazione è anche usato come semplificazione e con significato di "impianto di illuminazione".

Tipi di illuminazione

diretta : è un sistema nel quale il flusso luminoso incide direttamente sugli oggetti illuminati senza riflessioni alle pareti o al soffitto.
indiretta : sistema nel quale il flusso luminoso incide sugli oggetti illuminati solo dopo riflessione alle pareti o al soffitto, in misura superiore al 90%. Si ottiene così un'illuminazione dolce, priva di ombre, detta anche diffusa, di elevato costo in relazione alla luce assorbita.
semidiretta : mista o diretta-indiretta, semindiretta, sistemi di illuminazione intermedi fra i due precedenti, con percentuale di flusso luminoso che incide direttamente sugli oggetti illuminati.
senza ombre : quella prodotta da una sorgente di grande area, con forte riduzione delle ombre portate.
scialitica : illuminazione intensa, con assenza totale delle ombre portate, adottata nelle sale operatorie.

Storia

Nei tempi antichi la luce si otteneva dai focolari, da bracieri montati su treppiedi, da torce portate da persone o da lampade a olio, esempi delle quali risalgono ai Fenici . I Romani conoscevano l'uso dell' olio minerale quale sorgente per la produzione di luce, le candele di sego e le lanterne portatili.

Durante il medioevo non si ebbero innovazioni di rilievo; le torce e i candelabri, talvolta adoperati in gran numero, consentivano di ottenere una forte illuminazione. Alcuni miglioramenti alle lampade usate per molti secoli vennero apportati da Cardano ; le materie prime utilizzate furono, oltre all'olio minerale e vegetale, la cera e i grassi animali.

Nel 1786 Lebon scoprì il gas illuminante , che però venne utilizzato solo vent'anni dopo; fra le prime applicazioni vi fu l'illuminazione delle fonderie nel 1798 . Nel 1805 fu ideato il primo apparecchio che utilizzava gas illuminante per uso domestico; nel 1810 Windsor costruì la prima officina pubblica a Londra (Gas-Ling and Coke) per la produzione continua di gas che, convogliato in tubature, alimentava le lampade per illuminare Pall Mall , il Saint James's Park e il Golden Lane .

I primi esperimenti in Italia furono compiuti nel 1818 da Giovanni Aldini per l'illuminazione di un teatro; nel 1832 venne inaugurata l' illuminazione a gas della galleria De Cristoforis a Milano , alla quale seguì nel 1840 la prima illuminazione pubblica di Napoli . Solo nel 1847 il governo pontificio autorizzò l'installazione dell'illuminazione a gas a Roma .

L'illuminazione elettrica iniziò nel 1813 (lampada ad arco di Humphry Davy ); questo determinò un ulteriore progresso con la messa a punto del sistema ad arco fra due carboni di storta affiancati ( candela Jablochkov ) o disposti frontalmente; nel 1878 Thomas Edison ideò la prima lampadina a incandescenza. L'affermazione di questo sistema di illuminazione è dovuta sia alla facilità di impiego, alla tonalità e alla costanza della luce, sia al rapido progredire dell'industria elettrica che ha consentito di portare ovunque l' energia elettrica . Il primo impianto di illuminazione pubblica a incandescenza fu montato a New York nel 1882 . In Europa, a Milano nel 1884 .

Successivamente anche il sistema di illuminazione a incandescenza venne superato dall'impiego dei tubi a scarica, di più elevata efficienza luminosa; attualmente è sostituita dai tubi e dalle lampade dette impropriamente fluorescenti.

L' illuminotecnica è la disciplina tecnico/scientifica che si occupa dell'illuminazione di spazi ed ambienti, sia interni che esterni, sia sfruttando la luce solare sia la luce artificiale. Illuminotecnica significa, come indica il termine stesso, "tecnica della illuminazione". Per produrre un progetto di illuminazione artificiale la conoscenza dell'illuminotecnica è condizione necessaria ma non sufficiente, poiché un progetto di illuminazione si basa su conoscenze interdiscplinari, quali:

Fisiologia e psicologia della visione: percezione luminosa dell' occhio umano, ergonomia dell'illuminazione, comfort visivo
Architettura e design : scelta della luce adatta per interni o esterni, edifici, monumenti, piazze, giardini, musei
Bioarchitettura : massimo sfruttamento della luce solare anche al fine di limitare le emissioni di gas serra
Elettrotecnica : impiego dell' elettricità nell'illuminazione, tipi di lampadine , impiantistica
Regolamentazione: sicurezza (illuminazione di emergenza), risparmio energetico, inquinamento luminoso

Normativa illuminotecnica

In Italia l'illuminotecnica non è governata da alcuna legge dello Stato , cosa che avviene in altri paesi europei , come la Francia , dove bisogna presentare un calcolo illuminotecnico per vedersi approvare delle licenze edilizie. Può tuttavia esistere in alcuni casi la normativa regionale sull'argomento: in Emilia-Romagna è in vigore la Legge Regionale n.19 del 29/09/2003, la Direttiva Regionale n.2263 del 29/12/2005 e la circolare esplicativa n.14096 del 12/10/2006. A partire dall'Ottobre 2004 in Italia è stata recepita la Norma Europea EN 12464 che ha introdotto interessanti novità per quanto riguarda l'utilizzo della luce artificiale negli ambienti interni. Si fa particolare riferimento al valore di illuminamento medio "mantenuto", alla limitazione dell'abbagliamento diretto generato dai corpi illuminanti ed alla resa cromatica della lampade. In precedenza si prevedeva un valore medio per l'illuminazione generale di un ambiente, ora si fa distinzione fra la task-area dove avviente il compito visivo e le zone circostanti. Tramite apposite tabelle fornite dai produttori o con l'uso dei software di calcolo si deve verificare l'indice di abbagliamento diretto UGR, questo valore tiene conto dell'abbagliamento diretto prodotto dagli apparecchi all'interno del campo visivo e della luminanza dello sfondo rispetto all'osservatore. Per la prima volta vengono indicati gli indici di resa cromatica per le lampadine, questo si traduce in una scelta più responsabile delle sorgenti luminose disponibili sul mercato. In precedenza veniva utilizzata la normativa UNI 10380, che stabiliva alcuni parametri da rispettare per avere degli ambienti confortevoli dal punto di vista dell'illuminazione naturale e artificiale . Tale normativa era richiesta da enti privati o enti statali in sede di gare di progettazione di illuminazione, anche se, come detto, non era adottata ufficialmente dallo stato italiano. La UNI 10380 stabiliva quale deve essere l'intervallo di lux entro cui bisogna stare per garantire un confort visivo adeguato alla mansione o attività che si svolge in un dato locale. Non solo: indicava anche quale doveva essere il limite del livello di abbagliamento massimo accettabile dagli apparecchi illuminanti e quale doveva essere la temperatura di colore delle lampade utilizzate. Per gli ambienti esterni la nuova Norma Europea CEN 13201 è in corso di traduzione.

Il calcolo illuminotecnico

Eseguire calcoli illuminotecnici a mano è di fatto improponibile: la luce che raggiunge una superficie, infatti, non dipende solamente dalla lampada che è posta al di sopra di essa, ma è la sommatoria di tutti i fotoni che vengono emessi da tutti i corpi illuminanti e poi riflessi da tutti i materiali che si trovano all'interno di un ambiente. Per calcolare correttamente il valore di illuminamento di una superficie, dunque, bisogna conoscere come è fatto l' ambiente , di che materiale e di che colore sono fatte le pareti , i mobili, il soffitto e il pavimento . Esiste, infatti, la possibilità di illuminare un ambiente esclusivamente con luce indiretta , ovvero con luce proiettata solo sul soffitto o sulle pareti che poi, riflessa, ricade sulla nostra superficie di calcolo: questo tipo di calcolo a mano è troppo impreciso per essere accettabile in sede di progettazione . Esistono dei software di calcolo che permettono di studiare il comportamento della luce simulando, nella realtà virtuale , tutte le superfici con la loro capacità di riflettere la luce e, soprattutto, la caratteristica di emissione delle lampade prescelte. Esistono diversi programmi, anche distribuiti gratuitamente, che permettono di effettuare questo calcolo in modo rapido ed efficace:

Relux software gratuito che può importare superfici anche dal formato dxf
Dialux software anch'esso gratuito che permette di installare plug-in prodotti direttamente dalle case che producono lampade - utilizza pov-ray come motore di rendering . Permette di calcolare l'illuminamento delle superfici mostrando anche il grafico delle stesse con le curve isolux .
3D Studio Max e 3D Studio Viz software a pagamento di modellazione solida e rendering fotorealistico ; implementano nel potente motore di rendering la capacità di simulare le lampade reali e di calcolarne gli effetti sulle superfici. Alcuni produttori di lampade offrono di scaricare le loro lampade come oggetti 3d da importare direttamente nel software come oggetti singoli. Lo sviluppo di questi programmi ha bloccato l'evoluzione di Lightscape, un software dedicato esclusivamente al calcolo illuminotecnico.
WYSIWYG software ovviamente a pagamento, che permette di progettare un impianto luci per qualsiasi tipo di evento, inoltre è possibile ottenere un rendering fotorealistico del progetto costruito riportando le vere caratteristiche della luce e delle lampade utilizzate. software perfetto per i Light Designer .
LET THERE BE LIGHT (o LTB-LIGHT) è un potente software specializzato per l'esecuzione di calcoli illuminotecnici quali il controllo della quantità di energia erogata, la corretta disposizione degli illuminanti per tipo, quantità e potenza, controllo e verifica di legge della rispondenza degli impianti, ecc. Dispone di uscite numeriche ed è "compliant" alle leggi italiane.

Per scambiare le informazioni sulle lampade si fa riferimento ad uno standard internazionale, supervisionato dall' IESNA (The Illuminating Engineering Society of North America), secondo cui i dati relativi alla quantità di luce emessa in diverse direzioni sono racchiusi in un codice alfanumerico di un file con estensione .IES, leggibile attraverso i programmi citati. Tale file, applicato ad una lampada virtuale nel software, permette di simulare l'illuminazione prodotta dall'apparecchio e valutarne obiettivamente ed efficacemente la compatibilità con le esigenze di progetto. È inoltre molto diffuso il formato Eulumdat, ogni file .LDT racchiude la curva di distribuzione della luce e le dimensioni del solido rappresentante il corpo illuminante. Considerata la semplicità e la minima dimensione dei file eulumdat, all'interno dei programmi di calcolo i corpi illuminanti possono avere solo l'aspetto di un parallelepipedo o di un cilindro, comunque ai soli fini della verifica illuminotecnica un corpo semplice permette di risparmiare molto tempo.

La lampadina è un dispositivo elettrico specificamente progettato per produrre luce ; a questo scopo può utilizzare differenti tecnologie ed avere diversi possibili usi.

Misure

Principalmente una lampadina viene misurata attraverso i suoi due parametri più importanti:

La potenza non è un indice diretto del flusso luminoso prodotto da essa (misurato in lumen ), poiché quest'ultimo è determinato anche dall' efficienza luminosa dell'apparato stesso, ovvero dal rapporto tra l'energia tecnicamente luminosa visibile emessa e l'energia elettrica assorbita. L'energia perduta è pertanto quella parte di energia consumata che non serve alla funzione per cui è stata creata la lampadina.
Nella maggioranza dei casi questa energia perduta è dissipata sotto forma di calore oppure, in misura meno significativa, sotto forma di luce emessa in zone dello spettro elettromagnetico che non sono percepibili dall' occhio umano: infrarosso e ultravioletto .

Un altro elemento specifico di una lampadina è dato dalla tonalità della luce che emette, che può essere più calda o più fredda . Normalmente si definisce questo parametro come temperatura di colore , ovvero la tonalità che avrebbe la luce emessa da un corpo nero ideale, riscaldato alla temperatura data e il cui valore è espresso in kelvin . È da sottolineare che quando si parla di luce calda , si intende in particolare una luce tendente verso la parte rossa dello spettro luminoso e quindi emessa da un corpo più freddo.

Una caratteristica importante da considerare è costituita dalla tipologia di attacco della lampadina, che si chiama viròla e che può distinguersi in vari standard per forma e misura:

a Vite : di forma cilindrica e filettata, più comune nell' Europa continentale, viene convenzionalmente detta viròla del tipo E27 (la E è l'iniziale di Edison, il numero, in questo caso il 27, indica il diametro espresso in mm ) o, più piccolo, E14 .
a Baionetta : di forma cilindrica senza filettatura, avente diametro di 22 mm, più comune in Gran Bretagna ed in alcune zone della Francia , viene detta viròla del tipo B22 (la B è l'iniziale di Bayonet).
Tuttovetro (o Glassockel ): il corpo della viròla è costituito dal prolungamento estruso del vetro del bulbo della lampadina stessa, formando un tutt'uno con essa. Al suo interno si trovano i contatti necessari all'alimentazione del filamento. Viene detta viròla del tipo T10, dove il numero indica la larghezza dell'attacco.
Bipin o bi-pin : lampadina in cui, al posto della viròla, i fili di contatto escono direttamente dal bulbo, procedendo rettilinei e paralleli tra loro.
Siluro (o festoon ): lampadina dal bulbo a forma rettilinea, cilindrica e provvista di una doppia viròla, una per estremità del cilindro. In un estremo si ha la viròla del polo positivo e, in quello opposto, la viròla del polo negativo.

Cronologia storica

1802 Humphry Davy dimostra il funzionamento della lampada ad arco in aria atmosferica;
1835 James Bowman Lindsay mostra un sistema di illuminazione con lampada ad incandescenza ;
1841 A Parigi vengono installate lampade ad arco sperimentali per l'illuminazione pubblica;
1856 Il soffiatore di vetro Heinrich Geissler realizza il primo arco elettrico all'interno di un tubo;
1867 Antoine Henri Becquerel propone il primo esempio di lampada fluorescente ;
1875 Henry Woodward brevetta la lampadina elettrica;
1876 Pavel Yablochkov inventa al candela di Yablochkov , la prima lampada ad arco con elettrodi in carbone di pratico utilizzo; fu utilizzata per l'illuminazione pubblica a Parigi;
1879 Alessandro Cruto ricercatore di Piossasco ( TO ), dopo aver assistito ad una serie di conferenze tenute da Galileo Ferraris sui progressi dell'elettricità, si dedicò alla realizzazione di un filamento di uso pratico per le lampadine elettriche ad incandescenza e poté così produrre l'anno successivo un filamento che, unico fra quelli ottenuti da altri sperimentatori, aveva un coefficiente di resistenza positivo (che aumentava cioè con l'aumentare della temperatura), realizzato in filo di carbonio immerso in un'atmosfera di etilene . Questo permetteva alla lampadina di brillare ben 500 ore rispetto alle 40 ore raggiunte dalle lampadine di Edison presentate al pubblico soltanto 6 mesi prima. La grande conoscenza del carbonio da parte di Cruto è dovuta ai suoi primi anni di sperimentazione nel tentativo di creare diamanti sintetici.

Cruto pur avendo realizzato per primo un filamento in grado di superare quello degli americani, non fu in grado di brevettare l'invenzione su scala mondiale per la mancanza di finanziatori, cosa che invece fece Thomas Edison.

1880 Thomas Edison e Joseph Wilson Swan brevettano la lampada ad incandescenza con filamento di carbonio ;
1893 Nikola Tesla sviluppa lampade a scarica ad induzione, senza elettrodi, alimentate ad alta frequenza e le usa per illuminare il proprio laboratorio;
1894 McFarlane Moore inventa il tubo di Moore , precursore delle attuali lampade a scarica ;
1901 Peter Cooper Hewitt sviluppa la lampada a scarica a vapori di mercurio ;
1903 William Coolidge introduce l'uso del filamento di tungsteno ;
1911 Georges Claude realizza la lampada al neon ;
1926 Edmund Germer brevetta la lampada fluorescente ;
1962 Nick Holonyak Jr. sviluppa il primo LED in luce visibile di pratico utilizzo.
2 settembre 2009 L' Unione europea fa cessare per legge la produzione di lampadine ad incandescenza da almeno 100 W e di tutte quelle a bulbo smerigliato a vantaggio di quelle a basso consumo ;
Settembre 2010 L' Unione europea farà cessare per legge la produzione di lampadine ad incandescenza da 75 W;
Settembre 2011 L' Unione europea farà cessare per legge la produzione di lampadine ad incandescenza da 60 W;
Settembre 2012 L' Unione europea farà cessare per legge la produzione di lampadine ad incandescenza di qualsiasi potenza.

Tecnologie

Ad arco

Queste lampadine sono state le prime ad essere inventate e l'illuminazione si basa sulla creazione di un arco elettrico, il quale permette l'illuminazione, per poter generare questo arco, si necessitava di un'elevata tensione e di elettrodi di grafite, i quali dovevano essere continuamente accostati per far sì che l'arco elettrico non si estinguesse.

Questa tecnologia venne quasi abbandonata o con applicazioni ridotte, finché non venne reintrodotta con le lampadine allo xeno , utilizzate sui mezzi stradali e sui dispositivi fotografici.

Incandescenza

Nella lampada ad incandescenza la produzione di luce avviene portando un filamento metallico di tungsteno all'incandescenza, alla temperatura di 2700 K , per effetto Joule . Il filamento di tungsteno è posto in un'ampolla, generalmente di vetro o quarzo , riempita di gas inerti ( argon , azoto , ecc.) per evitare l'ossidazione del filamento e limitarne l'evaporazione. Lo spettro di emissione della superficie incandescente del filamento è approssimabile allo spettro di un corpo nero .

I classici attacchi standard sono E27 (attacco grande) ed E14 (attacco piccolo).

Nelle lampadine a incandescenza, solo il 5% dell'energia che le alimenta viene convertita in luce, il rimanente 95% viene sprecato in calore.

L'8 dicembre 2008, la Commissione Europea per l'Energia ha approvato la messa al bando delle lampade ad incandescenza, a partire dal 2009 e con scadenza nel 2012, in tutti gli Stati membri.

Scarica

Nelle lampade a scarica la luce viene prodotta da un gas ionizzato per effetto di una scarica elettrica . Sono tipicamente costituite da un tubo di vetro o quarzo al cui interno è presente un particolare gas o vapore (es. di sodio o di mercurio ), alle cui estremità sono collocati due elettrodi . Una opportuna differenza di potenziale provoca la formazione di un arco di plasma nel gas.

L'emissione avviene in corrispondenza delle righe di assorbimento tipiche del gas impiegato. Per esempio, nelle lampade al sodio a bassa pressione l'emissione è pressoché monocromatica gialla. Più spesso la luce è prodotta per fluorescenza , come nelle comuni lampade fluorescenti , erroneamente chiamate tubi al neon , anche se il neon in realtà non è alla base del loro funzionamento. In queste lampadine la scarica avviene in vapore di mercurio , prevalentemente nello spettro ultravioletto. Sulla superficie interna del tubo è deposto un materiale fluorescente che assorbe l'energia dei raggi ultravioletti e la riemette nel campo della luce visibile.

La scarica nei gas è stata realizzata prima della lampadina ad incandescenza, ma l'applicazione pratica di questo fenomeno fisico nelle lampadine si è avuta solo nella prima metà del novecento . Le lampadine a fluorescenza convertono in luce il 25% dell'energia consumata.

LED

Alternative alle lampadine a filamento, sono costituite da uno o più diodi LED , alimentati da un apposito circuito elettronico. La luce viene prodotta attraverso un processo fisico chiamato "Ricombinazione Elettrone-Lacuna" che dà origine all'emissione di fotoni .

Sono ormai di uso consolidato i LED monocromatici come il rosso, il verde e il blu mentre non è possibile realizzare LED che producano luce realmente bianca.
Tali LED possono essere prodotti con 3 giunzioni che emettono luce verde, blu e rossa, producendo così un effetto di luce bianca. Alternativamente viene accoppiato un LED blu con uno strato di fosfori che emettono luce gialla e la combinazione dei rispettivi spettri di emissione produce anche in questo caso un effetto di luce bianca.

Diversamente dalle lampadine a incandescenza che terminano la loro vita con la bruciatura del filamento, i LED degradano lentamente con una perdita della luminosità che scende al 20-30%.

Da un punto di vista economico i LED sono più costosi delle lampadine a filamento, ma la durata di funzionamento di un LED, che si aggira intorno alle 50.000-80.000 ore, è ben superiore alla vita di una lampadina tradizionale.
Dal punto di vista energetico, i LED sono molto più efficienti delle lampadine a filamento poiché il 50% dell'energia assorbita produce illuminazione e pertanto la quantità di energia sprecata sotto forma di radiazione infrarossa e di calore rilasciato nell'ambiente sono molto ridotti rispetto alle tecnologie di illuminazione tradizionali.

LED è l' acronimo di Light Emitting Diode ( diodo ad emissione luminosa ). Il primo LED è stato sviluppato nel 1962 da Nick Holonyak Jr. Il dispositivo sfrutta le proprietà ottiche di alcuni materiali semiconduttori per produrre fotoni a partire dalla ricombinazione di coppie elettrone, lacuna.

Gli elettroni e le lacune vengono iniettati in una zona di ricombinazione attraverso due regioni del diodo drogate con impurità di tipo diverso, e cioè di tipo n per gli elettroni e p per le lacune. Il colore della radiazione emessa è definito dalla distanza in energia tra i livelli energetici di elettroni e lacune e corrisponde tipicamente al valore della banda proibita del semiconduttore in questione. I LED sono uno speciale tipo di diodi a giunzione p-n, formati da un sottile strato di materiale semiconduttore drogato.

Quando sono sottoposti ad una tensione diretta per ridurre la barriera di potenziale della giunzione, gli elettroni della banda di conduzione del semiconduttore si ricombinano con le lacune della banda di valenza rilasciando energia sufficiente da produrre fotoni . A causa dello spessore ridotto del chip un ragionevole numero di questi fotoni può abbandonarlo ed essere emesso come luce. I LED sono formati da GaAs ( arseniuro di gallio ), GaP ( fosfuro di gallio ), GaAsP ( fosfuro arseniuro di gallio ), SiC ( carburo di silicio ) e GaInN ( nitruro di gallio e indio ). L'esatta scelta dei semiconduttori determina la lunghezza d'onda dell'emissione di picco dei fotoni, l'efficienza nella conversione elettro-ottica e quindi l'intensità luminosa in uscita.

I primi LED erano disponibili solo nel colore rosso. Venivano utilizzati come indicatori nei circuiti elettronici, nei display a sette segmenti e negli optoisolatori . 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.

Uso

Dal 2006 la città di Raleigh , nel Carolina del Nord , è considerata la prima città a LED del mondo, per il consistente rinnovamento tecnologico attuato dalla cittadina per promuovere l'uso dell'illuminazione a LED.

Forza commerciale

La forza commerciale di questi dispositivi si basa sulla loro potenzialità di ottenere elevata luminosità (quattro volte maggiore di quella delle lampade fluorescenti e filamento di tungsteno), basso prezzo, elevata efficienza ed affidabilità (la durata di un LED è di uno-due ordini di grandezza superiore a quella delle classiche sorgenti luminose, specie in condizioni di stress meccanici); inoltre essi non richiedono circuiti di alimentazione complessi, possiedono alta velocità di commutazione e la loro tecnologia di costruzione è compatibile con quella dei circuiti integrati al silicio.

Impiego nell'illuminazione

I LED sono sempre più utilizzati in ambito illuminotecnico in sostituzione di alcune sorgenti di luce tradizionali. Il loro utilizzo nell'illuminazione domestica, quindi in sostituzione di lampade ad incandescenza , alogene o fluorescenti compatte (comunemente chiamate a risparmio energetico), è oggi possibile con notevoli risultati raggiunti grazie alle tecniche innovative sviluppate nel campo. Attraverso i nuovi studi, infatti, l'efficienza luminosa quantità di luce/consumo ( lm / W ) è stato calcolato di un minimo di 3 a 1. Fondamentalmente, il limite dei LED per questo tipo di applicazione è la quantità di luce emessa (flusso luminoso espresso in lumen), che nei modelli di ultima generazione per uso professionale si attesta intorno ai 120 lm, ma che nei modelli più economici raggiunge solo i 20 lumen. Una lampada ad incandescenza da 60 W emette un flusso luminoso di circa 550 lumen; in merito a questa tipologia di lampada, una normativa della Comunità Europea prevede nell'arco di 7 anni, a partire dal 1-9-2009, il divieto di vendita in tutti i paesi della Comunità, graduandone annualmente il divieto in base alla potenza in watt.

Il loro utilizzo diventa invece molto più interessante in ambito professionale, dove l'efficienza luminosa pari a 40-60 lm/W li rende una sorgente appetibile. Come termine di paragone basti pensare che una lampada ad incandescenza ha un'efficienza luminosa di circa 20 lm/W, mentre una lampada ad alogeni di 25 lm/W ed una fluorescente lineare fino a 104 lm/W. Altro loro limite nell'illuminazione funzionale è che le loro caratteristiche di emissione e durata sono fortemente condizionate dalle caratteristiche di alimentazione e dissipazione. Diventa dunque difficile individuare rapporti diretti tra le varie grandezze, tra le quali entra in gioco anche un ulteriore parametro, ovvero l'angolo di emissione del fascio di luce, che può variare in un intervallo compreso tra circa 4 gradi e oltre 120.

durata di funzionamento (i LED ad alta emissione arrivano a circa 50.000 ore)
assenza di costi di manutenzione
elevato rendimento (se paragonato a lampade ad incandescenza e alogene)
luce pulita perché priva di componenti IR e UV
facilità di realizzazione di ottiche efficienti in plastica
flessibilità di installazione del punto luce
colori saturi
possibilità di un forte effetto spot (sorgente quasi puntiforme)
funzionamento in sicurezza perché a bassissima tensione (normalmente tra i 3 e i 24 Vdc)
accensione a freddo (fino a -40 °C ) senza problemi
insensibilità a umidità e vibrazioni
assenza di mercurio
durata non influenzata dal numero di accensioni/spegnimenti

Reversibilità

Anche se è cosa poco nota, i LED sono "macchine reversibili": infatti, se la loro giunzione viene esposta direttamente ad una forte fonte luminosa o ai raggi solari, ai terminali appare una tensione, dipendente dall'intensità della radiazione e dal colore del led in esame (massima per il blu). Questa caratteristica viene abitualmente sfruttata nella realizzazione di sensori, per sistemi di puntamento ( inseguitori solari ) di piccoli impianti fotovoltaici o a concentratore e per molti altri scopi

Emissione luminosa

Spettro luminoso

Lo spettro luminoso dei led, varia molto a seconda del led stesso, se il led viene usato per motivi d'illuminazione, si ha generalmente una buona copertura del suo spettro, che può essere sfruttato anche del 100%, mentre se usato in altre applicazioni si possono avere tranquillamente led che emettono luce non visibile.

Colore della luce emessa

Al Ga As - rosso ed infrarosso
Ga Al P - verde
Ga As P - rosso, rosso-arancione, arancione, e giallo
Ga N - verde e blu
Ga P - rosso, giallo e verde
Zn Se - blu
In Ga N - blu-verde, blu
In Ga Al P - rosso-arancione, arancione, giallo e verde
Si C come substrato - blu
Diamante ( C ) - ultravioletto
Silicio ( Si ) come substrato - blu (in sviluppo)
Zaffiro ( Al 2 O 3 ) come substrato - blu

La tensione applicata alla giunzione dei LED dipende dall'atomo drogante, il quale determina il colore della luce emessa, come riportato nella seguente tabella: l'elevatissima efficienza nel trasformare la corrente elettrica in luce, con conseguente bassissimo consumo in rapporto alla luce emessa ne fanno il futuro sostituto di tutte le tipologie di lampadina. Anche per la luce bianca, spaziando nella temperatura di colore 3000-10000 K, sono disponibili dispositivi con emissione di tonalità fredda, normale e calda.

I LED sono particolarmente interessanti per le loro caratteristiche di elevata efficienza luminosa A.U./A e di affidabilità. I primi LED ad alta efficienza sono stati investigati dall'ingegnere Alberto Barbieri presso i laboratori dell'università di Cardiff ( GB ) nel 1995 , rilevando ottime caratteristiche per dispositivi in AlGaInP/GaAs con contatto trasparente di Indio e Stagno (ITO). L'evoluzione dei materiali è stata quindi la chiave per ottenere delle sorgenti luminose del futuro che hanno tutte le caratteristiche per sostituire quasi tutte quelle ad oggi utilizzate. Nei telefoni cellulari sono presenti nel formato più piccolo in commercio, per l'illuminazione dei tasti, su alcuni modelli di autovetture e ciclomotori di nuova produzione, sono presenti in sostituzione delle lampade a filamento, per le luci di "posizione" e "stop", sul mercato sono già presenti dispositivi sostitutivi diretti del faretti alogeni, aventi identico standard dimensionale, per l'illuminazione stradale sono disponibili lampioni analoghi ai tradizionali; la quantità di luce al fabbisogno per ogni applicazione, viene realizzata con il posizionamento nel dispositivo di matrici di die in numero vario, per esempio uno dei dispositivi luminosi più potenti (100 watt), è realizzato disponendo 100 die da 1 watt in una matrice quadrata 10 X 10. L'incremento di efficienza è in continuo aumento, è del maggio 2009 l'annuncio del produttore Cree, il raggiungimento in luce bianca di 161 lumen per watt, 173 lumen da un die di 1 mm quadro alimentato con 350 milliampere.

Alimentazione

I LED devono essere alimentati a corrente costante e polarizzata e questo può essere fatto utilizzando un generatore di corrente o, più semplicemente, ponendovi in serie un resistore di valore appropriato, che limiti la corrente per una data tensione di alimentazione. Per i LED tradizionali usati come spie luminose o deboli sorgenti di luce, come le torce portatili, la corrente può variare da 5-6 mA fino a 20 mA (e a volte anche 45 mA, nei recenti dispositivi ad alta potenza l'assorbimento può arrivare al valore di 1 ampere; il valore può dipendere anche dalla lunghezza d'onda della luce emessa dal LED.

Il valore della resistenza in serie Rs è calcolato mediante la legge di Ohm e la legge di Kirchhoff conoscendo la corrente di lavoro richiesta I f , la tensione di alimentazione V s e la tensione di giunzione del LED alla corrente di lavoro data, V f .

In linea generale, quando non si possiede il datasheet specifico, si può considerare per i LED consueti di diametro 5 mm una tensione Vf pari a circa 2 V ed una corrente di lavoro If prudenziale di 10-15 mA, fino a 20 mA. Valori superiori di corrente sono in genere sopportati, ma non assicurano un funzionamento duraturo.

Per i LED di tipo flash, per i quali come si è detto la corrente può variare tra 20 e 40 mA, i valori minimo e massimo della resistenza saranno 250 e 500 (valori standard 270 Ohm e 470 Ohm).

Poiché i LED sopportano una bassa tensione inversa (solo pochi volt), se vengono alimentati a corrente alternata occorre proteggerli ponendovi in parallelo un diodo con polarità invertita rispetto al LED ("antiparallelo"). Non è consigliabile inserire un diodo in serie per due motivi: in primo luogo la tensione di alimentazione dovrebbe essere superiore alla somma delle due tensioni di giunzione. In secondo luogo, la tensione si può ripartire sui due diodi in modo da superare comunque la tensione inversa sopportata dal LED.

In qualche caso si può usare un ponte di quattro diodi per assicurare che una corrente diretta scorra sempre attraverso il LED. In questo caso saranno sempre interessato due diodi e quindi la tensione d'alimentazione dovrà sempre essere superiore al doppio della tensione di giunzione.

Se si vuole alimentare un LED con la tensione di rete, senza che il nostro circuito dissipi troppa energia nella resistenza in serie, si può usare un circuito costituito da un condensatore collegato in serie ad una sezione, che consiste nel LED in parallelo ad un diodo di protezione, (con polarità invertita per limitare la tensione inversa) e al tutto seguirà ancora in serie, una resistenza di protezione, che serve a limitare la scarica all'accensione (di valore un decimo della reattanza del condensatore alla frequenza di rete). Il valore della capacità del condensatore dipenderà dalla reattanza ( Impedenza ) che lo stesso dovrà presentare alla frequenza di rete per far scorrere la voluta corrente (If) nel LED.

La massima quantità di luce che può essere emessa da un LED è limitata essenzialmente dalla massima corrente media sopportabile, che è determinata dalla massima potenza dissipabile dal chip, i recenti dispositivi progettati per impieghi professionali hanno una forma adatta ad accogliere un dissipatore termico, assolutamente necessario per smaltire il calore prodotto: sono ormai in commercio LED a luce bianca con potenza di 500 watt e corrente assorbita di 20 ampere [1] . Quando sono richiesti valori d'uscita più alti normalmente si tende a non usare correnti continue, ma ad usare delle correnti pulsanti con duty cycle scelto in maniera opportuna. Ciò permette alla corrente e, di conseguenza, alla luce di essere notevolmente incrementate, mentre la corrente media e la potenza dissipata rimangono nei limiti consentiti.

Polarizzazione di un LED

Solitamente il terminale più lungo di un led (diametro package 3 mm, 5 mm o superiori) è l' anodo (+) e quello più corto è il catodo (-).

Per polarizzare correttamente un LED possiamo usufruire inoltre di una caratteristica particolare del package: se si guarda infatti il led dall'alto, si può notare come la parte laterale del package non sia regolare ma squadrata da un lato: questa "squadratura" identifica il catodo (-). Nel caso dei led 3 mm, si rende necessario l'uso di un tester in quanto tale "segno" (se presente) non è quasi visibile.

Se si utilizza un tester, dopo aver selezionato la scala di resistenza con fattore 1 (X1), se si pone il puntale positivo sull' anodo e il puntale negativo sul catodo , il tester segnerà un valore di resistenza dell'ordine di qualche centinaio di ohm, nel caso il tester fosse un modello analogico con pila di alimentazione a 3 volt, se il led è efficiente, essendo polarizzato direttamente, il piccolo flusso di corrente che lo attraversa lo farà accendere, invertendo i puntali, invece, il tester non dovrà segnare alcuna continuità.

Assorbimento

Per quanto riguarda gli assorbimenti, questi variano molto in funzione della tipologia, sono minori nei LED normali usati come indicatori rispetto a quelli ad alta luminosità (led flash e di potenza), secondo la seguente tabella: