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Illuminazione stradale a LED – 2^ parte redux

Illuminazione stradale LED____________________________________________________________________________________________________________Illuminazione stradale LED

d un anno di distanza dalla stesura dei primi articoli sui LED sono cambiate molte cose: la crisi economica ha messo a dura prova il mercato degli apparecchi illuminanti e ha spazzato via molti produttori senza arte nè parte improvvisatisi specialisti di illuminazione a LED; inoltre l’arrivo di una nuova generazione di diodi e componenti ha permesso dall’inizio di quest’anno l’affacciarsi sul mercato di prodotti adeguati all’illuminazione stradale.
Altre cose però non sono cambiate per niente: la mancanza ormai cronica di norme che regolino in qualche modo la produzione dei diodi LED, uniformandone caratteristiche e prestazioni, così come mancano ancora standard di misura accettati per le prove in laboratorio sulla durata; non è cambiato nemmeno l’atteggiamento di molti venditori, capaci unicamente di confondere le idee con proclami e slogan degni di una campagna elettorale, senza però produrre mai prove sulla bontà dei propri prodotti.

Ad aggravare la situazione contribuisce l’insufficienza delle corrette informazioni a disposizione degli Amministratori, che per svolgere il loro mandato non debbono essere preparati ad affrontare ogni materia tecnica con rigore scientifico, e pertanto non riescono a discernere in maniera appropriata i dati forniti dai vari costruttori: risulta così abbastanza facile vendere prodotti non competitivi a livello di mercato, facendo leva sulla confusione degli interlocutori.
Questo stato è noto in economica come “asimmetria informativa”, e si ha quando una parte degli agenti interessati nello scambio economico ha maggiori informazioni rispetto al resto dei partecipanti e può trarre un vantaggio da questa configurazione.
“Se pensate che molti esperti usino gli elementi in loro possesso a vostro detrimento, non vi sbagliate. La sussistenza dell’esperto dipende proprio dal fatto che lui ha le informazioni e voi no. O dal fatto che vi sentiate talmente disarmati davanti alla complessità di un’operazione da non sapere comunque che uso fare delle informazioni, anche quando le aveste. O che siate ancora talmente in erba da non avere l’audacia di misurarvi con un esperto blasonato come lui. Se il dottore vi suggerisce l’angioplastica – nonostante alcune ricerche paiano indicare che fa ben poco nella prevenzione dell’infarto – difficilmente penserete che il vostro medico stia approfittando dell’asimmetria informativa per spillarvi qualche migliaio di dollari in combutta con il collega” da Steven D.Levitt e Stephen J.Dubner “Freakonomics. Il calcolo dell’incalcolabile”  Sperling & Kupfer Editori, 2006.

I miei articoli risultano così “scomodi” a molti perchè ho semplicemente cercato di ristabilire la centralità dell’ago della bilancia, mediante la pubblicazione di informazioni essenziali per capire il problema LED e diminuire una parte dell’assimetria: questo ovviamente da fastidio ai venditori perchè in un rapporto non più impari non è più possibile presentare prodotti non adeguati.
Ma parliamo di apparecchi a LED.

1) Apparecchi illuminanti a LED

L’errore più comune che si commette parlando di illuminazione a LED sta nell’equivocare fra “sorgente luminosa” ed “apparecchio illuminante”: una sorgente luminosa non è che una parte di un apparecchio di illuminazione e pertanto basare la comparazione solo su una componente porta a risultati parziali ed erronei. Come ben sa chi si occupa di illuminotecnica, un apparecchio illuminante scadente rimane scadente anche con la migliore sorgente luminosa installata; inoltre un cattivo alimentatore può compromettere il corretto funzionamento e ridurre drasticamente l’aspettativa di vita.
Appare doveroso quindi, una volta definite le peculiarità delle sorgenti luminose a LED, ampliare il discorso a comprendere tutte quelle parti che possono determinare una buona o cattiva illuminazione. Per fare questo ricordiamo che un apparecchio di illuminazione può essere definito un sistema che distribuisce, filtra o trasforma la luce emessa da una o più sorgenti e che include le parti necessarie per posizionare e proteggere le sorgenti ed i circuiti ausiliari per il corretto funzionamento del sistema. Possiamo pertanto pensare ad esso come una macchina, che ha lo scopo di trasformare l’energia elettrica in energia luminosa e di farlo nel miglior modo possibile.

Un apparecchio illuminante stradale a LED si compone di diverse parti (che generalmente non sono presenti nei corrispettivi a lampade a scarica) che vengono riassunte nello schema sottostante:

Componenti di un apparecchio LED

Si può quindi notare come in linea di massima non esistano componenti dedicati alla diffusione del flusso luminoso integrati nella carena: il gruppo ottico di un apparecchio di illuminazione a LED è formato dai LED stessi, disposti in vario modo ed eventualmente affiancati da ottiche applicate (ricordiamo che un modulo LED è costituito, oltre al diodo luminoso, di una base su cui sono disposti i componenti e di una lente applicata al di sopra di esso che direziona il fascio uscente).
Un’altra peculiarità consiste nella presenza di sistemi di dissipazione più o meno consistenti, ubicati generalmente nella parte superiore della carena, indispensabili per ridurre le temperature di esercizio dei diodi (tali sistemi non sono necessari negli apparecchi con lampade a scarica, in quanto l’ambiente in cui viene alloggiata la lampada è più che sufficiente per una corretta dissipazione). Il gruppo di alimentazione invece risulta alloggiato all’interno del corpo dell’apparecchio.
Ognuno di questi componenti influisce in maniera sostanziale sul funzionamento del sistema.

1.1) Alimentatore elettronico (driver)

I LED sono componenti a bassissima tensione, che devono essere alimentati in corrente continua, livellata e stabilizzata. Gli alimentatori per LED sono di tipo elettronico e provvedono a svolgere le funzioni sia di trasformatore che di convertitore.
Le sorgenti a LED hanno una vita media molto lunga e quindi occorre che anche i driver abbiano una mortalità molto bassa; ad oggi gli alimentatori elettronici hanno una mortalità media che va dall’ 1%  al 5% ogni 10.000 ore di funzionamento. Pertanto, nelle 50.000 ore di funzionamento attese per le sorgenti LED, avremo dal 5%  al 25% di mortalità sugli alimentatori: questo significa che durante il ciclo di vita previsto per un’armatura a LED è possibile prevedere la sostituzione del driver in 1 apparecchio di illuminazione su 10. Grazie a questo dato vengono già da subito annullate le pretese di manutenzione nulla prospettate da numerosi produttori.
Inoltre la durata di vita attesa per un alimentatore elettronico decresce in maniera esponenziale all’aumentare della temperatura di lavoro: poiché le sorgenti a LED possono produrre molto calore, occorre che il driver sia adeguatamente distanziato e separato dalla parte in cui sono alloggiati i LED, per impedire eventuali malfunzionamenti.
Un driver deve assicurare un livello di corrente costantemente stabilizzato per garantire una certa uniformità nelle prestazioni: per questo motivo dovrebbe risultare molto più “robusto” degli alimentatori elettronici standard; ad oggi solo i produttori che utilizzano specifiche militari riescono a garantire una resistenza adeguata agli sbalzi di tensione che possono verificarsi all’interno della rete di distribuzione elettrica (cosa che incide in maniera rilevante sui costi di produzione).
Infine va notato che nella maggioranza dei prodotti presenti sul mercato, l’efficienza degli alimentatori elettronici (definita come rapporto fra potenza assorbita dalla lampada e potenza totale assorbita dal sistema) difficilmente si attesta al di sopra di ηb =0,88 indicato come standard per le potenze nominali fino a 100W dal regolamento CE n. 245/2009 che riguarda le specifiche per la progettazione ecocompatibile. Questo ovviamente si ripercuote in un maggiore consumo del sistema a parità di flusso luminoso erogato.

1.2) Caratteristiche dei sistemi di dissipazione

Le sorgenti luminose a LED in realtà sono più “fredde” delle sorgenti a scarica tradizionali (che possono raggiungere valori ben al di sopra dei 2000°C durante il loro normale funzionamento), ma questo non li esenta dai problemi legati al surriscaldamento: un diodo LED infatti rimane pur sempre un semiconduttore ed in quanto tale molto sensibile alle alte temperature; inoltre sappiamo che gran parte delle caratteristiche prestazionali dipendono dalla temperatura di giunzione, e quindi a maggior ragione occorre prestare attenzione ai dispositivi di dissipazione.
Per capire le grandezze in gioco va ricordato che ad oggi solo il 15% circa della potenza elettrica consumata da una sorgente a LED viene trasformata in luce, mentre il restante 85% si perde in calore. Questo dato da una parte fa intravedere come i margini di miglioramento sull’efficienza siano ancora ampi per questa tecnologia, ma dall’altra evidenzia lo spreco e lo sviluppo incredibile di calore al suo interno.
Il gap fra temperatura di giunzione e temperatura ambiente si aggira attorno ai 50°C – 70°C e non potrebbe in alcun modo venire smaltito dalla piccola area dei diodi: per questo alla piastra su cui vengono saldati i LED viene affiancato un vero e proprio dispositivo di dissipazione alettato.
Ovviamente migliori sono i materiali utilizzati per la piastra e le alette e migliore sarà lo smaltimento del calore: purtroppo per contenere i costi non tutti i produttori adottano i migliori materiali a disposizione (come ad esempio potrebbero essere le piastre ceramiche) a discapito delle prestazioni finali.
Questa disposizione inoltre genera due “zone” estremamente sensibili, che vanno curate nell’assemblaggio dell’apparecchio. La prima riguarda la saldatura del diodo LED con la piastra sottostante: ad oggi in Italia gli stabilimenti certificati dai produttori di LED si contano sulle dita di una mano e non sempre gli assemblatori si affidano a questi; inutile dire che una saldatura difettosa (o comunque un non corretto allineamento) può pregiudicare il corretto trasferimento di calore e così ridurre prestazioni e vita utile. La seconda riguarda il collegamento fra piastra e dispositivo di dissipazione: anche in questo caso le connessioni devono essere curate ed affidabili.

Apparecchio LED con piastra di dissipazione superiore

Alcuni produttori hanno adottato dispositivi che possono limitare la potenza erogata in funzione della temperatura di esercizio, in modo da evitare pericolosi surriscaldamenti (come ad esempio avviene nel thermal managment dei processori per computer): questo però potrebbe portare ad improvvisi cali di flusso luminoso non dipendenti dalla volontà del gestore e quindi resta da capire come possano continuare ad essere verificate le prescrizioni illuminotecniche allorchè un apparecchio all’improvviso si ritrovi ad emettere meno luce di quella prevista.
A questo va sommato il fatto che generalmente la temperatura all’interno degli apparecchi illuminanti a LED è superiore a quella di riferimento di laboratorio a cui le loro prestazioni sono riferite e pertanto i dati forniti dai produttori risultano ancora parziali e non perfettamente aderenti alla realtà.

1.3) Caratteristiche fotometriche di un’armatura stradale

Gli apparecchi per illuminazione stradale devono soddisfare requisiti molto stringenti dal punto di vista fotometrico: il flusso luminoso deve essere indirizzato con precisione nelle direzioni ottimali per la visibilità sulla strada e deve invece essere schermato nelle direzioni che possono procurare fastidio ai conducenti.
Per valutare le caratteristiche illuminotecniche di un’armatura stradale occorre analizzarne il solido fotometrico, che rappresenta l’intensità luminosa normalizzata emessa dalla sorgente (espressa solitamente in cd/klm) lungo le varie direzioni spaziali. Il modo più utilizzato per rappresentare graficamente la forma del solido fotometrico è quello di sezionarlo secondo uno dei piani di riferimento: l’insieme delle curve così ottenute determina la cosiddetta “curva fotometrica”, che rappresenta, sotto forma di diagramma polare, la distribuzione delle intensità luminose di un apparecchio. Grazie all’analisi delle curve fotometriche è possibile valutare in maniera intuitiva il funzionamento di un apparecchio di illuminazione.

Nel caso di apparecchi destinati all’illuminazione stradale, è molto importante che la curva fotometrica invii la luce solo nelle direzioni interessate (lungo l’asse della strada e non al di fuori di essa) e con le giuste intensità luminose (distribuita la più uniformemente possibile).
Per fare questo ci si basa sul parametro di riferimento adottato dalla norma UNI 11248: la luminanza del manto stradale. La normativa impone valori tali da garantire un buon discernimento degli ostacoli e al contempo una uniformità d’illuminazione della sede stradale e dei dintorni.
La luminanza è una grandezza vettoriale che esprime la densità con cui un’intensità luminosa viene emessa da una superficie e per questo motivo rappresenta in maniera adeguata la sensazione visiva prodotta da una sorgente luminosa sull’occhio umano; dalla definizione segue che una sorgente che emette una certa intensità da una superficie molto piccola (come un diodo LED) produce sull’occhio una sensazione molto più forte di una sorgente analoga ma con una superficie molto più ampia (come una lampada tradizionale): questo fattore già rende conto di uno dei problemi principali degli apparecchi illuminanti a LED e cioè il controllo dell’abbagliamento.
Questa grandezza inoltre si distingue dall’illuminamento perché non definisce la componente “reale” di luce che arriva a terra, ma piuttosto una componente “soggettiva” che appare all’osservatore in funzione dell’angolo dal quale sta osservando l’oggetto e alla capacità della superficie illuminata (in questo caso l’asfalto stradale) di riflettere la luce.

Per le applicazioni stradali l’adozione della luminanza come parametro di riferimento significa definire la luminosità del manto stradale, come questa viene percepita dagli automobilisti e come questa può aiutare il compito visivo di un automobilista. Si può ottenere una buona visibilità degli ostacoli aumentando il contrasto di luminanza fra il manto stradale e gli ostacoli stessi, cercando di rendere massima la luminanza del manto stradale nella direzione di vista prevalente di un osservatore (che si trova compresa in un angolo molto ristretto, da -1,5° a 0,5° rispetto all’orizzonte): per un adeguato livello di luminanza in questa direzione, si devono privilegiare le direzioni di incidenza della luce molto radenti, capaci di generare verso il conducente una luminanza elevata grazie alla riflessione del manto stradale e in particolare alla sua componente speculare.
Per questo nella scelta di apparecchi efficienti rimane prioritaria la forma della curva sul piano C0-C180: il solido fotometrico di un apparecchio stradale avrà una forma simmetrica molto aperta, con il massimo di intensità per angoli molto elevati; allo stesso modo, per angoli troppo elevati, un’intensità molto elevata sarebbe causa di fenomeni di abbagliamento. Per questo motivo la curva fotometrica ottimale si presenta come simmetrica al piano longitudinale della strada, con intensità massime comprese fra i 60° e i 70° rispetto alla verticale (attraverso il calcolo della luminanza stradale è possibile stabilire che questa è fornita per circa il 45% per angoli compresi fra i 60° e 70°) e intensità molto ridotte oltre i 70°.
Questo parametro può venir letto direttamente dalla curva fotometrica oppure si può far riferimento all’apertura massima del fascio nel senso trasversale definita spread secondo il CIE 1976 (angolo che forma l’asse del fascio luminoso rispetto al 90% del valore massimo di intensità luminosa).

Visualizzazione grafica dello spread e throw

Uno spread attorno ai 60° può garantire un limitato abbagliamento affiancato al massimo di “allargamento” possibile che può garantire l’installazione del minor numero di apparecchi.
Ad angoli minori, l’intensità può diminuire sempre di più, poiché diminuisce la distanza fra sorgente luminosa e superficie; questo consente di ottenere anche una giusta uniformità di distribuzione della luce sul manto stradale: generalmente elevati coefficienti di uniformità portano a migliori risultati in termini di percezione visiva, pertanto strade con minore intensità luminosa ma con migliori parametri di uniformità sono senz’altro da preferirsi a vie molto luminose con scarsa uniformità. La norma UNI 11248 prevede il rispetto di due tipi di uniformità: la prima è calcolata come uniformità generale della carreggiata (U0), la seconda è definita come uniformità lungo la posizione dell’osservatore sulla carreggiata (Ul).

Per comprendere meglio quanto detto è opportuno fare alcuni esempi con apparecchi in commercio.

Fotometria di un apparecchio illuminante

Una fotometria di questo tipo ad esempio non può assolutamente essere utilizzata in ambito stradale, in quanto si evidenzia una totale mancanza di “allargamento” della curva fotometrica sul piano C0-C180 (indicato in rosso in figura: si nota che l’intensità massima non è attorno ai 60°, ma adirittura a 0°); inoltre l’intensità luminosa, anziché aumentare andando verso aperture più elevate, diminuisce: questo significa che avremo tantissima luce al di sotto dell’apparecchio illuminante, mentre molto poca nelle immediate vicinanze. La fotometria in questione pertanto non solo è errata dal punto di vista prestazionale (non consente grandi interdistanze), ma comporta una grande disuniformità di illuminazione sul piano stradale.
Nella fotometria seguente vediamo che la curva è molto allargata e che i valori di luminosità aumentano andando verso aperture più elevate: questo dovrebbe garantire una buona uniformità associata alla possibilità di avere interdistanze elevate fra i punti luce.

Fotometria di un apparecchio illuminante LED

Dal rilievo si nota però come la massima intensità luminosa si attesti attorno ai 75°, cosa che potrebbe comportare un effetto fastidioso dovuto all’abbagliamento. Un primo parametro di valutazione in questo caso può essere fornito dal parametro SLI (specific luminaire index), definito sempre dal CIE 1976 come indicatore dell’abbagliamento: per l’apparecchio in questione si nota infatti un SLI<4, che indica un moderato controllo dell’abbagliamento (in confronto ad uno SLI>4 che indicherebbe un elevato controllo dell’abbagliamento).
Sul piano C90-C270 invece risulta importante prevedere maggiori intensità luminose verso il lato strada, per evitare un’installazione su due lati della carreggiata o il ricorso a sbracci: l’introduzione di questa ulteriore asimmetria consente di riportare l’apparecchio sul bordo della carreggiata (come la classica applicazione su palo diritto), che è da preferire alle installazioni su sbraccio, in quanto meno problematiche dal punto di vista manutentivo.Anche in questo caso si può fare riferimento alla curva fotometrica oppure ai valori dei coefficienti di utilizzazione lato strada e lato marciapiede dell’apparecchio illuminante.
Lungo la direzione trasversale alla strada pertanto la curva fotometrica è asimmetrica, con direzione prevalente del flusso verso la strada nel caso di installazione lungo il bordo strada (ovviamente per installazioni a centro strada è opportuno che la curva sia simmetrica).
Questo non significa che tutto il flusso deve essere indirizzato in direzione della strada, poiché un parametro fondamentale della norma UNI 11248, il Surrounding Ratio, prevede che una parte della luce vada indirizzata anche in direzione del marciapiede. Poiché non sempre i diodi LED hanno un’efficienza luminosa paragonabile a quella delle lampade a scarica, alcuni produttori hanno pensato di “spingere” il fascio di luce solamente in direzione della strada, in modo da avere unaluminanza sufficiente: questo significa però che il coefficiente di utilizzazione lato marciapiede risulta insufficiente, come si può notare dal grafico sottostante.

Tabella dei coefficienti lato strada/marciapiede

Poiché il Surrounding Ratio prevede un coefficiente minimo di 0,5 questo significa che in generale si richiede che il coefficiente di utilizzazione lato marciapiede sia all’incirca pari a poco meno della metà del coefficiente di utilizzazione lato strada.
Ovviamente non bastano poche righe per esaurire un argomento così vasto come quello della giusta fotometria di un apparecchio illuminante; quanto detto vale solo criterio di massima per fare una prima selezione degli apparecchi, ma per una corretta valutazione rimane imprescindibile il calcolo illuminotecnico.

1.4) Caratteristiche del gruppo ottico

Spesso gli apparecchi tradizionali prevedono una certa possibilità di modificare le caratteristiche di emissione grazie a diverse posizioni di montaggio della lampada rispetto al riflettore, alle quali corrispondono solidi fotometrici con caratteristiche diverse: lo spostamento verticale da luogo a solidi fotometrici più o meno aperti in senso longitudinale rispetto alla strada, mentre lo spostamento orizzontale dà luogo a solidi più o meno asimmetrici in senso trasversale.
Ovviamente questa possibilità resta preclusa ad un apparecchio a LED, per i quali i produttori devono prevedere tanti modelli diversi per ogni curva fotometrica desiderata (e che quindi sono vincolati all’installazione prevista dal progetto illuminotecnico, senza poter essere spostati in situazioni differenti).
Questo limite incide in maniera pesante sulle possibilità di prefabbricazione delle componenti e quindi sui costi. Per ovviare a questo inconveniente e garantire al tempo stesso un’ottima resa i produttori di apparecchi a LED adottano prevalentemente le seguenti strategie:

  1. la prima soluzione consiste nel predisporre una piastra di LED in cui ognuno di questo abbia una diversa inclinazione, che possa portare ad un “mosaico” ottimale a terra; questa soluzione consente di sfruttare al massimo le potenzialità dei LED, senza ridurre l’intensità con lenti correttive, ma ovviamente è molto dispendiosa, in quanto ogni piastra deve essere un pezzo unico appositamente sagomato con diverse inclinazioni all’interno. Inoltre ogni diversa configurazione dell’ottica va pensata come un nuovo “pezzo” unico da mettere in produzione, con ricadute economiche notevoli poiché è possibile serializzare solo un discreto numero di configurazioni;

    Sistema ottico con LED inclinati

  2. la seconda soluzione, più economica, consiste nel predisporre diverse file di LED su una piastra “standard” orizzontale e successivamente applicare a questi differenti lenti e micro-lenti, che hanno il compito di diffondere la luce in modo appropriato; il prezzo contenuto è dovuto alla grande flessibilità data dall’utilizzo di diverse lenti applicate su una piastra di base comune a tutti i modelli (questo consente una grande standardizzazione dei pezzi). Lo scotto che si paga è quello di una riduzione del flusso luminoso, dovuta all’applicazione di lenti sopra ogni LED;
  3. Sistema ottico con microlenti

  4. la terza soluzione consiste sempre nel predisporre diverse file di LED su una piastra “standard” orizzontale, ma anzichè dotarsi di microlenti viene costruito attorno ad ogni diodi un piccolo rifrattore, che definisce una curva fotometrica come per una lampada tradizionale; anche in questo caso il prezzo contenuto è dovuto alla grande flessibilità, ma il rendimento di un’ottica di questo tipo rimane di poco superiore a quella di un’ottica per apparecchi tradizionali.

    Sistema ottico con rifrattori

Queste soluzioni sono strettamente legate alle caratteristiche del diodo LED, poiché a seconda del produttore, presenta dimensioni ed ottiche diverse; quindi una volta definita la forma della parte ottica, questa rimane ancorata ad un determinato diodo, che difficilmente sarà possibile sostituire, non solo con uno di marca diversa ma anche con le future evoluzioni dello stesso LED. In particolare ogni apparecchio illuminante LED è un prodotto unico, non replicabile e generalmente neppure “aggiornabile” (anche se di recente alcuni produttori hanno proposto apparecchi con ottiche ed alimentatori intercambiabile).
Un altro problema è dovuto al fatto che il singolo diodo è piccolo, ma per arrivare ai flussi delle lampade a scarica ne occorrono tanti: una delle principali caratteristiche del LED, quella della compattezza, si perde così nell’assemblaggio; mentre gran parte dei produttori stanno cercando di ottimizzare le dimensioni degli apparecchi e ridurre quindi imballaggi e merci di consumo, ci ritroviamo con apparecchi a LED grandi 2 volte o più un apparecchio tradizionale.
Infine va ricordato come l’ottica di un apparecchio di illuminazione a LED sia costituita da più diodi, ognuno dei quali contribuisce all’illuminamento di una certa parte della sede stradale: nel malaugurato caso che anche un singolo LED si rompa (oppure riduca in maniera sostanziale il proprio flusso oppure semplicemente sia stato saldato in una posizione leggermente diversa da quella prestabilita) la fotometria non può più sopperire al compito visivo richiesto, poiché incompleta; ad oggi, vista l’impossibilità di una sostituzione immediata dei singoli diodi, questo si traduce in una sostituzione completa dell’intera armatura.

2) Rendimento globale di un apparecchi illuminante

Data la moltitudine di apparecchi illuminanti e sorgenti a LED oggi presenti sul mercato, occorre definire un criterio di valutazione che possa accorpare gli elementi che concorrono ad una buona illuminazione: fattori come il rendimento di un apparecchio e l’efficienza luminosa delle lampade riflettono unicamente caratteristiche parziali e non esaustive.
In particolare il rendimento di un apparecchio (calcolato come rapporto fra flusso luminoso emesso dall’apparecchio e flusso originariamente emesso dalle lampade nude presenti in esso) non tiene conto dell’eventuale flusso luminoso disperso verso l’alto (e quindi non utilizzato per l’illuminazione del piano stradale) e della potenza assorbita dall’apparecchio. L’efficienza luminosa delle lampade (calcolata come rapporto fra flusso luminoso emesso dalla lampada e potenza elettrica consumata) d’altra parte è un’efficienza nominale, che quindi non tiene conto della reale potenza assorbita dalle altre componenti elettroniche presenti all’interno dell’apparecchio ed inoltre non fornisce indicazioni sul flusso disperso a causa di riflessioni interne, lenti, ecc…
Per questo motivo si è scelto di incorporare questi due fattori in un coefficiente globale che tenga conto del flusso utile emesso dall’apparecchio e della reale potenza assorbita dall’apparecchio.
Generalmente per un apparecchio di illuminazione stradale è fondamentale che tutto il flusso sia rivolto verso la metà inferiore della sfera luminosa (e questo è garantito ad esempio dal rispetto delle norme contro l’inquinamento luminoso) e per questo motivo, al rendimento si preferisce il rendimento di flusso luminoso rivolta verso il basso (definito dal parametro DLor).
Questo coefficiente rende inoltre conto del reale significato fisico di rendimento, inteso come rapporto tra lavoro compiuto da un sistema e l’energia fornita al sistema (anche se nel questo caso specifico si sono prese in considerazioni potenze anziché energie).
L’efficienza luminosa viene calcolata come rapporto fra flusso luminoso diretto verso il basso e potenza totale assorbita dall’apparecchio La potenza totale assorbita invece è quella comprensiva di lampade, alimentatore, perdite, ecc.. Questa corrisponde alla potenza che si potrebbe leggere “a monte” dell’apparecchio se andassi a misurarla mentre sta funzionando.
Infine, contrariamente a quanto Forcolini indica nel suo libro dedicato ai LED, il confronto va fatto in base alle migliori tecnologie oggi disponibili sul mercato (e non confrontando l’ultimo apparecchio LED in circolazione con un apparecchio mediocre con lampada a scarica).

In base a queste considerazioni, viene definito rendimento globale di un apparecchio di illuminazione:

Un apparecchio tradizionale che monta una lampada SAP di ultima generazione a 100W (di flusso luminoso pari a 10700lm), con alimentatore elettronico di rendimento pari a 0,93 e DLor pari al 80% (consideriamo fra i migliori apparecchi in circolazione) avrà un rendimento globale di:

η = 10700*80%/108 = 79 lm/W

Prendendo invece i dati di una famosa ditta produttrice di apparecchi LED abbiamo che un apparecchio che monta 100 LED alimentati a 350mA produce un flusso luminoso pari a 10000lm ed un consumo di 127W. Dagli eulumdat si può leggere un DLor pari a 85,7% (apparecchio con ottiche applicate). In questo modo abbiamo:

η = 10000*85,7%/127 = 67 lm/W

Per un altro apparecchio illuminante a LED abbiamo invece 84 LED alimentati a 350mA, che producono un flusso luminoso di 6417lm con un consumo di 110W In questo caso abbiamo un DLor pari al 100% (apparecchio senza ottiche applicate). Il rendimento risulta quindi:

η = 6417*100%/110 = 58 lm/W

In base a queste considerazioni è possibile affermare che il rendimento di un apparecchio illuminante a LED rimane leggermente al di sotto di un apparecchio tradizionale a scarica; le cose migliorano per potenze di lampada inferiore (l’efficienza di una lampada SAP a 70W è inferiore a quella di una lampada a 100W) ma ovviamente peggiorano per potenze superiori. Il rendimento ovviamente non ci dice nulla su come si comporterà un apparecchio in una determinata installazione (questo dipende dal tipo di fotometria, come indicato sopra); è possibile però affermare che a parità di costruzione della fotometria, un apparecchio con rendimento maggiore fornirà risultati migliori.
Questo significa che tutto si gioca nelle caratteristiche distintive di ogni apparecchio e quindi la qualità dell’illuminazione non può assolutamente essere determinata solo dalle caratteristiche della sorgente luminosa, ma va accuratamente valutata in base all’apparecchio illuminante nel suo complesso.

S.V.B.E.E.Q.V.

Matteo Seraceni

 

Leggi anche:

Illuminazione stradale a LED – 1^ parte

Illuminazione stradale a LED – 3^ parte

 

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Illuminazione stradale a LED – 1^ parte redux

Illuminazione stradale LED____________________________________________________________________________________________________________Illuminazione stradale LED

a diverso tempo ormai si sente parlare dei “miracolosi” apparecchi di illuminazione a LED, capaci di garantire enormi risparmi e bassissima manutenzione; nella pratica però (vedi il disastroso esempio di Torraca) questi apparecchi spesso si sono dimostrati tutt’altro che efficienti.
Nonostante molti professionisti abbiano posto il problema con estrema serietà e correttezza, ancora oggi diversi produttori cercano di “fare i furbi” raccontando mezze verità, sperando che gli interlocutori non siano ferrati sull’argomento. Ad aggravare la situazione concorrono diversi organi di stampa, interessati più all’aspetto sensazionistico che produce questa nuova tecnologia anziché valutare il risultato pratico di queste applicazioni.
Per questo motivo mi sono sentito in obbligo (da addetto ai lavori quale sono) di approfondire le problematiche inerenti l’illuminazione stradale a LED: si parte dalla spiegazione di cos’è un LED fino ad arrivare alle simulazioni vere e proprie, per dimostrare come ad oggi un apparecchio a LED può al massimo sostituire un apparecchio che monta lampade al sodio alta pressione di medesima potenza.

Visto che sono stato accusato di essere contro “per principio” con questo articolo mi rivolgo a chi veramente vuole conoscere i numeri: si presenta pertanto come una riedizione dell’articolo apparso l’anno scorso ma con una maggiore attenzione ai dati e agli aspetti tecnici.

1. La tecnologia LED

LED è l’acronimo di Light Emitting Diode (diodo ad emissione luminosa) ed è stato sviluppato nel 1962 da Nick Holonyak Jr. Un diodo è il più semplice tipo di semiconduttore esistente: senza entrare troppo nello specifico, un semiconduttore è un materiale capace di far passare o meno elettricità in base alle caratteristiche del materiale da cui è composto.
Il LED è un semiconduttore creato da materiale poco conduttore (generalmente un composto di alluminium-gallium-arsenide), in seguito modificato (“dopato” nel gergo elettronico) per cambiare il bilanciamento interno tra le cariche positive e negative (da cui dipende la conduttività). La regione con cariche positive aggiunte è detta P-region mentre quella con cariche negative (costituite da elettroni) è detta N-region.
Quando nel diodo (o chip) non è applicato alcun voltaggio, gli elettroni di carica negativa trovano e riempiono i buchi (con carica positiva) nella zona di contatto, formando una giunzione detta anche depletion zone. In questa giunzione, tutti i buchi risultano riempiti e quindi formano una specie di barriera isolante in cui nessuna carica può circolare da una regione all’altra.

La giunzione all'interno di un diodo LED
Le cariche negative e quelle positive che vengono a contatto nella giunzione tra la P-region e la N-region e formano una zona in cui nessun elettrone riesce più a passare

Per eliminare la giunzione, bisogna far si che le cariche negative passino dalla regione N alla regione P e le cariche positive facciano l’inverso, connettendo ad esempio una batteria che, aumentano il potenziale elettrico, faccia muovere le cariche.

Movimento delle cariche
Una batteria collegata opportunamente ad un Led fa si che le cariche negative nella depletion zone si liberino e di fatto annullano la barriera tra le due regioni

Per capire cosa siano le cariche positive e negative di cui ho parlato sopra e di come queste possano produrre luce, occorre fare una breve digressione sull’atomo: la maggioranza degli atomi è composta da un nucleo (di protoni e neutroni) attorno cui si posizionano “nuvole” (orbitali più precisamente) di elettroni; su ogni orbitale, per il principio di esclusione di Pauli, si possono posizionare solo 2 elettroni. Generalmente un atomo ha un perfetto bilanciamento fra cariche positive e cariche negative.
Quando il materiale da cui è composto il semiconduttore viene drogato, uno degli elettroni degli orbitali più esterni viene a mancare, in maniera da creare una “lacuna” (e quindi anzichè neutro ora diviene positivo). L’atomo “drogato” è più instabile (e quindi ha maggiore energia); quando un elettrone riempie la “lacuna” l’atomo ridiventa stabile (e quindi a minore energia): il surplus di energia viene liberato sotto forma di fotone (cioè un pacchetto di energia che rappresenta la singola unità di luce).

Emissione di un fotone
Quando la carica negativa raggiunge quella positiva libera un fotone

In pratica un LED trasforma l’energia elettrica in energia luminosa (e viceversa).

Per quanto possa essere difficile comprendere il funzionamento del LED dal punto di vista fisico, questa descrizione è fondamentale per capire i pregi e (soprattutto) i difetti di questa tecnologia: ad esempio il superamento forzato della “barriera” neutra costituita dalla giunzione comporta un notevole surriscaldamento di questa zona (è una specie di “resistenza” all’interno del semiconduttore) e pertanto la “temperatura di giunzione” rappresenta un parametro fondamentale per la corretta gestione del LED.

I grandi produttori hanno dichiarato che nei prossimi anni investiranno gran parte dei loro capitali nello sviluppo delle apparecchiature a LED. Questa tecnologia rappresenta sicuramente il futuro dell’illuminazione in quanto garantisce numerosi vantaggi:

  • diminuzione della quantità di “materia” utilizzata per la loro produzione; rispetto ai prodotti tradizionali comporta quindi una riduzione degli ingombri e dei pesi, determinando una agevolazione nell’approvvigionamento, stoccaggio e trasporto dei materiali e nella produzione industriale;
  • ridotto contenuto di sostanze tossiche o nocive; le parti componenti dei LED sono facilmente disaggregabili, smaltibili e riciclabili (allo stesso livello dei normali diodi che si utilizzano in elettronica);
  • ridotta emissione di raggi UV ed IR;
  • lunga durata della vita media;
  • tecnologia in costante evoluzione.

Allo stato attuale esistono già buoni apparecchi di illuminazione a LED per gli ambiti ciclo-pedonali, illuminazione d’accento ed illuminazione artistica e di parchi.
Per quanto riguarda invece l’illuminazione stradale occorre sottolineare che questo è un ambito estremamente tecnico e richiede apparecchi molto performanti: generlamente oggi gli apparecchi a LED non riescono ad essere così performanti come i tradizionali apparecchi al sodio (soprattutto per quanto riguarda le potenze elevate), come verrà indicato nei paragrafi seguenti. Questo non significa che i LED non saranno mai così performanti come le lampade tradizionali: la tecnologia a LED si sta sviluppando in maniera incredibile (basti pensare che neanche 5 anni fa a stento si arrivava ai 50 lm/W) e per questo motivo è molto probabile che nei prossimi 10 anni gli apparecchi stradali con questa tecnologia sorpassino come prestazioni gli apparecchi tradizionali.
L’articolo va pertanto letto unicamente alla luce dello stato attuale della tecnologia a LED e non come negazione assoluta dell’applicazione di tale tecnologia all’illuminazione pubblica: la tecnologia LED ad oggi risulta BNAT (Best Not yet Avaiable Technology), cioè si pensa che sarà la migliore tecnologia in futuro disponibile per la pubblica illuminazione.

2. Caratteristiche dei LED

La lampada è una componente fondamentale di un apparecchio luminoso; per questo motivo occorre conoscere a fondo i parametri principali su cui basare le valutazioni delle lampade LED utilizzate.
Nell’illuminazione stradale generalmente oggi vengono utilizzati i cosiddetti “LED di potenza” (Power LED in inglese); la relazione seguente si basa quindi prevalentemente su questa tipologia di diodi LED (pur potendo essere estesa facilmente ad altre tipologie, come quelle multichip ad esempio).

2.1 Corrente di pilotaggio

I LED vengono pilotati con una corrente costante, per mantenere uniformi i valori di luminosità e temperatura colore; la corrente di pilotaggio ha infatti una diretta correlazione con diversi parametri, come il flusso luminoso emesso e la tensione all’interno del diodo (a livello intuitivo questo lo si può comprendere pensando che ad un aumento del potenziale elettrico corrisponde un aumento di particelle cariche spostate e quindi ad un aumento di fotoni emessi).

Per i LED di potenza le correnti possono variare da 100 mA a 1500 mA, con un valore tipico di 350 mA. Per valutare la potenza di funzionamento del singolo diodo occorre quindi moltiplicare la corrente per la tensione applicata, secondo la legge di Ohm: P = V * I.
La tensione applicata varia in base alla corrente secondo un grafico come quello seguente:

Grafico corrente-tensione per le ultime tipologie di power-LED

In questo caso si può vedere ad esempio come ad una corrente di 350 mA corrisponda un voltaggio di 3,2 V per un LED bianco e quindi una potenza assorbita di 1,12 W; per una corrente di 700 mA corrisponde un voltaggio di 3,4 V e quindi una potenza assorbita di 2,38 W. In realtà non è quindi vero quello che generalmente si vede stampato nelle caratteristiche delle sorgenti a LED e cioè che ogni singolo diodo assorba 1 W.

2.2 Flusso luminoso

Abbiamo visto che aumentare la corrente di pilotaggio significa aumentare il flusso luminoso emesso da un diodo LED: per questo motivo i produttori indicano il flusso luminoso emesso relativo ad una corrente di riferimento (generalmente pari a 350 mA); inoltre questo flusso è relativo ad una temperatura di giunzione di laboratorio pari a 25°C.
La variazione di temperatura di giunzione (descritta nel paragrafo successivo) e di corrente di pilotaggio comporta una notevole differenza nel flusso emesso.
Ad esempio, per lo stesso diodo LED visto sopra, abbiamo questo rapporto fra flusso emesso e temperatura di giunzione:

Grafico flusso luminoso - temperatura di giunzione
Grafico flusso luminoso – temperatura di giunzione per le ultime tipologie di power-LED

Il produttore indica per 350 mA e Tj=25°C un flusso luminoso pari a 114 lm.
Per temperature di giunzione che si aggirano attorno ai 70°C, vediamo che già il flusso si riduce del 10% circa e quindi si ottiene un flusso di circa 102 lm.

Il rapporto fra corrente di pilotaggio e flusso emesso è invece il seguente:

Grafico corrente di pilotaggio – flusso emesso per le ultime tipologie di power-LED

In questo caso si vede come a 350 mA il flusso rimanga invariato (e quindi, per una temperatura di giunzione Tj=70°C, un flusso di 102 lm); a 700 mA invece abbiamo un aumento del 170% circa (e quindi, sempre per una temperatura di giunzione Tj=70°C, un flusso di 173 lm).

A questo punto siamo quindi in grado di valutare l’efficienza luminosa nel due casi:

  • per I=350mA, Tj=70°C, abbiamo h=91 lm/W
  • per I=700mA, Tj=70°C, abbiamo h=73 lm/W

Per questo motivo è generalmente controindicato aumentare la corrente di pilotaggio al fine di aumentare il flusso luminoso (poiché alla perdita di efficienza si somma anche una diminuzione dell’aspettativa di vita del diodo LED, come vedremo in seguito).

2.3 Temperatura di giunzione

La temperatura di giunzione (indicata come Tj) risulta essere un parametro fondamentale per determinare il buon funzionamento di un LED.

Schema temperatura
Schema della dissipazione all’interno di un diodo LED

Con questo termine viene indicata la temperatura della giunzione che costituisce il nucleo del LED; la temperatura massima è determinata dal produttore del dispositivo in modo da porre un limite invalicabile per una vita operativa ragionevole del componente.
Questa temperatura è strettamente collegata al flusso luminoso emesso e alla durata: maggiore è la temperatura, maggiore la riduzione del flusso luminoso e minore la durata della sorgente LED.
Un diodo LED deve pertanto poter resistere alle alte temperature e i dispositivi di dissipazione a corredo devono essere dimensionati con cura.
Ad oggi non è possibile misurarla direttamente e le indicazioni dei vari produttori si riferiscono quindi a formule sperimentali che cercano per quanto possibile di riprodurre il comportamento della giunzione; senza entrare troppo nello specifico è facile capire che una misura non diretta può portare facilmente ad errori sperimentali, che si accumulano fino a rendere molto incerto il risultato finale. I dati inoltre si riferiscono a misure fatte in laboratorio, in condizioni al contorno stabili, che non tengono conto delle reali oscillazioni nei valori di temperatura e corrente presenti in un impianto reale.
Un dato di massima per definire la temperatura di giunzione può essere fornito della temperatura della piastra su cui il LED è saldato, poiché appare ovvio che la temperatura di giunzione sarà comunque superiore ad essa. Nelle installazioni su strada, in base a queste evidenze sperimentali, si registrano temperature di giunzione costantemente sopra i valori indicati dai produttori.
In definitiva risulta fondamentale l’apparato dissipativo posto a corredo dell’apparecchio di illuminazione: l’indicazione generale è quella di non considerare i dati forniti dal produttore come definitivi e di verificare con attenzione il metodo utilizzato nelle saldature dei diodi e la superficie e il materiale dei dispositivi di dissipazione.

2.4 Vita utile del LED

Per le sorgenti tradizionali storicamente si intende come “vita utile” il lasso di tempo intercorso dall’accensione al momento in cui una certa percentuale di lampade smette di funzionare.

Grafico Weibull per le apparecchiature elettroniche

Il parametro di riferimento è generalmente definito da una mortalità del 10% delle sorgenti luminose (indicata dalla sigla B10); una mortalità del 50% definisce invece la cosiddetta “vita media” (indicata dalla sigla B50). Per interpolare questi dati si utilizza la variabile casuale di Weibull (vedi il grafico soprastante), che definisce una curva di sopravvivenza delle sorgenti e che viene normalmente utilizzata in ambito industriale per tutte le applicazioni elettroniche.
Le sorgenti luminose a LED invece non tendono a spegnersi improvvisamente esaurita la loro vita utile: i diodi LED nel tempo diminuiscono gradualmente il loro flusso luminoso iniziale fino ad esaurirsi completamente in un periodo molto lungo (a meno di rotture improvvise ovviamente).
Per questo motivo occorre provvedere con termini di confronto che sono del tutto diversi da quelli utilizzati oggi.
Il parametro più utilizzato nella definizione di vita utile è stato definito da un gruppo industriale produttore di Power LED, la “Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies” (ASSIST), la quale ha determinato che il mantenimento del 70% del flusso iniziale corrisponde al limite inferiore al di sotto del quale l’occhio umano percepisce una riduzione della luce emessa (e quindi si può supporre che una riduzione del flusso iniziale del 30% sia accettabile per la maggioranza delle applicazioni): per questo motivo viene definita come vita utile di un LED il tempo trascorso prima che venga raggiunto questo limite (indicato generalmente come L70 che sta per “lumen maintenance 70%”).

Per definire il mantenimento del flusso luminoso nel tempo esistono diverse metodologie; ad oggi la più usata risulta quella definita dallo standard IES LM-80 – Measuring lumen maintenance of LED light sources. Il metodo si basa sulla misurazione del flusso luminoso di una sorgente LED pilotata a seconda delle correnti definite dal produttore a tre diverse temperature (55°C, 85°C ed una terza a scelta) e per un periodo di tempo non inferiore a 6000 ore (con misurazioni almeno ogni 1000 ore). Questo test non dà specifiche riguardo all’eventuale previsione di decadimento e quindi di vita utile attesa al di fuori delle ore di prove effettuate: tutto quello che si può fare è fornire quindi un’interpolazione sui dati raccolti, come indicato nel grafico seguente:

Grafico durata vita
Grafico che rappresenta l’interpolazione per il calcolo della durata di un LED

In questo caso il produttore ha definito come tempo massimo di interpolazione un tempo pari a 6 volte il tempo realmente impiegato nel test, poiché è risaputo che l’incertezza sperimentale in questo genere di interpolazioni aumenta esponenzialmente con l’aumentare del tempo previsto: questo grafico pertanto è solo un’indicazione di massima, poiché in realtà l’incertezza è estremamente elevata a 150000 h. Se pensiamo ad una media di 4200 ore di funzionamento all’anno significa fare una stima su 35 anni di vita basandosi sul funzionamento di circa 1 anno e mezzo.

Basandosi su queste evidenze sperimentali si può osservare come estremamente importanti ai fini di una buona durata del diodo LED non siano solo la temperatura di giunzione e la corrente di pilotaggio, ma anche la temperatura dell’ambiente circostante e la capacità dissipativa della piastra su cui sono saldati i LED.
Dai seguenti grafici si può osservare come l’aumento della temperatura di giunzione, della temperatura dell’ambiente circostante o l’aumento della corrente di pilotaggio porti ad una drastica riduzione della vita utile (ovviamente tutti i risultati presentati sono solo estrapolazioni dei dati sperimentali).

Grafico vita corrente
Grafico rapporto durata vita- temperatura giunzione in funzione della temperatura ambiente
Grafico rapporto durata vita- temperatura giunzione 2
Grafico rapporto durata vita- temperatura giunzione in funzione della corrente di pilotaggio

Come già detto in precedenza, a livello sperimentale risulta abbastanza complicato definire una durata attesa di oltre 100000 h sulla base di sole 6000 h di funzionamento; inoltre mancano del tutto informazioni relative alla percentuale di sorgenti a LED il cui flusso risulta al di sotto dei risultati attesti, perché se è vero che quasi nessun diodo LED nelle prove sperimentali si spegne improvvisamente, è altrettanto vero che molti di questi presenteranno un flusso luminoso al di sotto delle curve di interpolazione presentate nei grafici sovrastanti.
Per questo motivo appare meritevole l’indicazione di alcuni produttori anche della percentuale di lampade che si attestano su valori di flusso luminoso al di sotto del delta dei valori attesi per la curva considerata (in questo modo tale percentuale di fallimento sostituisce la percentuale di mortalità delle vecchie lampade).
Dai grafici sottostanti si può osservare come passare da una percentuale di fallimento del 50% ad una del 10% comporti una restrizione notevole nei valori di aspettativa di vita utile.

Grafico rapporto durata vita- temperatura giunzione 1
Grafico rapporto durata vita- temperatura giunzione con B50
Grafico rapporto durata vita- temperatura giunzione 2
Grafico rapporto durata vita- temperatura giunzione con B10

I grafici presentati sono sicuramente più completi, in quanto definiscono due diverse versioni in base alla percentuale di fallimento attesa.
Inoltre è degno di nota il fatto che le curve sono state “tagliate” a 60000 ore di effettivo utilizzo poiché a detta dello stesso produttore, anche in presenza di dati statistici significativi, è opportuno limitare la durata di vita attesa a valori comunque certi (poiché sembra logico prevedere una durata minore e poi eventualmente sbagliarsi che prevederne una maggiore e poi accorgersi che il funzionamento non è quello atteso).

Questa lunga digressione sulla durata della vita ed il mantenimento del flusso risulta fondamentale per definire un corretto coefficiente di manutenzione di un apparecchio di illuminazione a LED.
Definito infatti il coefficiente di manutenzione (secondo CIE 154:2003  – The Maintenance of outdoor lighting systems)come U = LLMF x LSF x LMF, abbiamo che il coefficiente LLMF (Lamp Lumen Maintenance Factor) rappresenta il mantenimento del flusso luminoso a fine vita della sorgente luminosa (pari pertanto a 0,70 nel caso di L70), mentre LSF (Lamp Survival Factor) rappresenta la percentuale di sorgenti sopravvissute a fine vita (pari pertanto a 0,90 nel caso di B10; in questo caso la sorgente non si spegne ed ha solo un flusso inferiore a quello stabilito, ma agli effetti del calcolo appare prudente non tenerne conto o comunque pensare alla resa delle sorgenti difettose come pari a metà di quella sana. In questo caso allora per B10 si avrebbe LSF=0,95). Il parametro LMF (Luminaire Maintenance Factor) dipende invece dallo sporco accumulatosi sull’apparecchio, dalle condizioni atmosferiche e dall’intervallo di manutenzione; per un’installazione stradale tipica può aggirarsi attorno allo 0,90 – 0,95 con intervalli di manutenzione di 2 – 3 anni.
In base a questi dati risulta che il coefficiente di manutenzione è ben lungi dallo 0,80 utilizzato normalmente nei calcoli illuminotecnici per le applicazioni stradali.

2.5 Temperatura di colore

La temperatura di colore, la cui unità di misura è il Kelvin (K), ha come riferimento l’emissione del corpo nero o la curva di Plank; ricordiamo che in fisica un corpo nero è un oggetto che assorbe tutta la radiazione elettromagnetica incidente (e quindi non ne riflette) ed il cui spettro dipende unicamente dalla sua temperatura.
Lo spettro luminoso emesso da un corpo nero presenta un picco di emissione determinato, in base alla legge di Wien, esclusivamente dalla sua temperatura.

Spettro corpo nero
Spettro del corpo nero

Una sorgente reale, pur essendo abbastanza differente da un corpo nero, conserva questa proprietà e quindi in generale ad una temperatura bassa corrisponde ad un colore giallo-arancio, mentre un’alta temperatura corrisponde ad un colore azzurro.

Una sorgente a LED nasce come sorgente quasi monocromatica, il cui colore dipende dal materiale utilizzato nella sua fabbricazione; per le applicazioni stradali vengono utilizzati semiconduttori InGaN, che hanno spettro luminoso tendente al blu e che ad oggi determinano il massimo flusso luminoso possibile per un diodo LED.
Per ovviare a questo inconveniente e produrre emissioni su tutto lo spettro del visibile si ricorre alla cosiddetta “conversione della luminescenza”; questo metodo consiste nell’applicazione di uno strato di fosfori al diodo in modo da convertire parte della radiazione nelle porzioni di spettro rosso e verde mancante. La resa cromatica in questo caso viene penalizzata per la quasi assenza nello spettro emesso della componente rossa, come indicato nel paragrafo seguente.
Un metodo che produce risultati più soddisfacenti, ma che penalizza purtroppo le prestazioni del LED, è quello di applicare una combinazione di fosfori tricromatici, in modo da convertire tutta la radiazione nella banda del visibile.
In ogni modo la temperatura di colore del bianco prodotto dipende dalla quantità di fosforo usata nel rivestimento: la luce “bianca fredda” (o “cold white”) viene prodotta diminuendo la quantità di fosfori, la luce “bianca calda” (“warm white”) viene prodotta aumentandola.

Schema temperatura di colore
Schema delle varie temperature di colore

E’ facile intuire che la massima efficienza luminosa si ottiene applicando la minima quantità di fosfori possibile; in questo caso lo spettro emesso, definito “cold white” per la dominante blu (dai 6500 K circa in su), non appare molto indicato per l’illuminazione esterna per diversi motivi:

  • luce emessa fredda e con dominante bluastra
  • maggiore senso di abbagliamento
  • appiattimento dei contorni

Per ottenere sorgenti luminose con temperature di colore minori, denominate “natural white” (dai 4000 K circa ai 6000 K circa) o “warm white” (4000 K circa o meno), che determinano una migliore qualità della luce, occorre aumentare la quantità di fosfori applicati: questo fa calare drasticamente le prestazioni delle sorgenti LED e pertanto temperature di luce più calde hanno rese luminose fino al 40% inferiori.

2.6 Costanza del colore

Il procedimento di fabbricazione dei LED e di applicazione dei fosfori è un procedimento delicato e passibile di errori: per questo motivo si è scelto di suddividere le zone di appartenenza cromatica dei vari lotti prodotti in diversi settori (chiamati bin) definiti sul diagramma di cromaticità CIE 1931, sulla base di ellissi di MacAdam più o meno ampie (l’ANSI propone ad esempio un diametro di 4-step). In questo modo anziché cambiare il procedimento di produzione per ogni diversa tipologia di LED è possibile definire a posteriori l’area di omogeneità di colore.
Ovviamente il costo richiesto per diodi LED aumenta tanto più stringente si fa l’area di escursione dei bin.

Per stabilire la temperatura di colore della sorgente a LED si fa riferimento alla temperatura di colore correlata (CCT), costituita dai segmenti isotemperatura che incrociano la curva del luogo plankiano.
Ai fini dell’illuminazione stradale appare importante garantire una certa omogeneità nel colore delle sorgenti a LED, in quanto appare evidente che la forte escursione lungo la scala cromatica potrebbe generare un affaticamento nel compito visivo.

Le tabelle seguenti indicano una possibile suddivisione in bin per LED “cold white” (primo grafico) e “neutral white” e “warm white” (secondo grafico).

bin LED
Schema di BIN tipici per power LED

2.7 Indice di Resa cromatica

L’Indice di Resa Cromatica Ra (chiamato in inglese CRI, Color Rendering Index), è una valutazione qualitativa sull’aspetto cromatico degli oggetti illuminati e non va confusa con la temperatura di colore: due sorgenti con temperatura di colore identica possono avere un Ra diverso, come indicato dalla tabella seguente.
Questo parametro indica in che modo una sorgente è in grado di mantenere inalterato il colore di un oggetto da essa illuminato: varia in una scala da 0 a 100, dove 0 rappresenta il minimo e 100 indica il massimo di Resa Cromatica.
Il metodo, definito dallo standard CIE 13.3-1995, si basa sul calcolo delle differenze che una serie di campioni di colore presenta al variare dell’illuminazione della sorgente di riferimento rispetto a quella in esame: proprio per l’arbitrarietà sulla scelta dei colori presi in considerazione, questo indice rappresenta un valore abbastanza soggettivo. Può accadere infatti che sorgenti con lo stesso Ra emettano bande di colore molto diverse fra loro, oppure è possibile avere una sorgente con un elevato Ra che non abbia alcuna emissione dello spettro in diverse lunghezze d’onda (come appunto avviene per le sorgenti LED).

Spettro di emissione tipico di un LED a luce bianca
Spettro di emissione tipico di un LED a luce bianca

La migliore emissione possibile per l’occhio umano dovrebbe corrispondere ad una emissione continua lungo tutto lo spettro, senza picchi o avvallamenti.
Come si può notare dal grafico soprastante, che definisce l’emissione di una tipica sorgente a LED, lo spettro non è continuo, perché presenta un gap enorme sull’emissione del rosso; una lampada a ioduri metallici ad esempio ha uno spettro più continuo e quindi una valenza cromatica sicuramente maggiore, come si può vedere dal grafico sottostante.

Spettro di una lampada ad alogenuri metallici
Spettro di una lampada ad alogenuri metallici

Questa intuizione sperimentale viene ribadita dal rapporto CIE 177:2007, nel quale la commissione internazionale per l’illuminazione ha stabilito che il CRI non può essere applicato alle moderne sorgenti bianche a LED. Si può leggere infatti che il parametro di resa cromatica “generalmente non può venire applicato per definire un indice di classificazione di resa cromatica di una serie di sorgenti luminose in cui siano inserite sorgenti bianche a LED” e che “l’applicazione dell’indice di resa cromatica correntemente definito dalla CIE (secondo lo standard del 1995) è notevolmente limitata se riferita alle sorgenti bianche a LED. Infatti è possibile ad esempio che sorgenti storicamente ritenute con CRI elevato possano venire visualmente classificate al di sotto di sorgenti bianche a LED che in realtà avrebbero CRI minore”.
Alla luce di queste evidenze sperimentali risulta necessario riconsiderare l’indice di resa cromatica come parametro di valutazione per le sorgenti LED; in particolar modo si consiglia di seguire le seguenti raccomandazioni:

  1. il CRI può essere un parametro da tenere in considerazione se la restituzione fedele dei colori è fondamentale per il compito visivo considerato;
  2. il CRI generalmente andrebbe valutato solo tra sorgenti con la medesima temperatura colore;
  3. differenze sotto ai 5 punti di valutazione non sono significative per la distinzione di due diverse sorgenti luminose (ad esempio due sorgenti rispettivamente con CRI 80 o CRI 84 sono essenzialmente identiche);
  4. occorre valutare sempre la resa degli apparecchi a LED dal vivo e di persona.

3. Valutazioni sull’Indice di Resa Cromatica e la norma UNI 11248

In base alla nuova normativa il progettista illuminotecnico assume un’importanza fondamentale nella corretta valutazione ed individuazione delle soluzioni più opportune per ogni ambito progettuale.
La norma UNI 11248 individua le prestazioni illuminotecniche degli impianti di illuminazione e, per far questo, delinea una categoria illuminotecnica di riferimento per ogni tipologia di strade.
In base all’analisi dei rischi ed ai parametri di influenza considerati dal progettista illuminotecnico, viene quindi definita una categoria illuminotecnica di progetto, grazie alla quale verrà effettuato il progetto di massima per ogni zona di studio presa in considerazione.
Infine, in base al flusso di traffico effettivo presente nelle varie ore della giornata, è possibile definire più categorie illuminotecniche di esercizio su cui effettuare eventuali sconti di categoria.

Poiché le sorgenti a LED generalmente non presentano un’efficienza paragonabile alle sorgenti a scarica, diversi produttori cercano di colmare il divario basandosi sul prospetto 3 della norma UNI 11248, il quale afferma che sorgenti con Ra>60 possono usufruire di uno sconto di categoria nell’analisi dei rischi.
Questi valori però, come cita la norma stessa “sono forniti a titolo informativo”, cioè non hanno valore normativo e possono pertanto essere modificati o ampliati in base alle necessità riscontrate dal progettista illuminotecnico. Ogni progetto illuminotecnico rappresenta un caso a sé e quindi risulta impossibile definire “a priori” la possibilità o meno di uno sconto di categoria.

Occorre capire che non è il coefficiente di resa cromatica a definire una migliore visione notturna, ma la luce bianca (che, in via convenzionale, viene ricondotta ad un Ra>60); abbiamo già visto le problematiche insite nella valutazione dell’Indice di Resa Cromatica per una sorgente bianca a LED ed inoltre il “buco” presente attorno ai 500 nm potrebbe non garantire una capacità scotopica paragonabile ad esempio a quella delle sorgente a ioduri metallici (come indicato in seguito).
Negli ultimi anni infatti diverse università ed agenzie di ricerca hanno dimostrato che sorgenti a luce bianca possono comportare un miglioramento delle prestazioni in ambito notturno, ma solo per la visione periferica.

Riguardo a questo ultimo punto appare doveroso un ulteriore approfondimento: è noto che il CIE ha definito due curve di ponderazione, riportate nel disegno sottostante, che misurano l’efficienza visuale a varie lunghezze d’onda nel caso di luminosità diurna (curva bianca – visione fotopica) e notturna (curva nera – visione scotopica).
Dal grafico si può notare come la visione fotopica abbia un picco corrispondente alle lunghezze d’onda di una luce giallo-verde, mentre quella scotopica di una luce azzurra: lo spostamento del massimo di sensibilità, dovuto all’utilizzo prima dei coni e poi dei bastoncelli è denominato effetto Purkinije.

Curve di visibilità
Curve di visibilità

I bastoncelli, che funzionano in condizioni di bassa visibilità, vedono meglio il blu di quello che fanno i coni, i quali possono vedere luce profondamente rossa, luce che per i bastoncelli appare nera. Lo possiamo sperimentare di persona prendendo due pezzi di carta colorata rossa e blu: in condizioni di buona luminosità, risulta più luminoso il pezzo rosso, passando all’oscurità l’effetto si inverte.
A livello internazionale, è stata scelta la curva fotopica per “mediare” i valori del flusso luminoso uscente dalle singole sorgenti.
Questo però porta a due problemi: il primo è dovuto al fatto che l’illuminazione stradale si colloca in un ambito che non è né fotopico né scotopico e che viene appunto chiamato mesopico (definito generalmente dall’intervallo di luminanza compreso fra 0,001 e 3 cd/mq); il secondo, strettamente legato al primo, è quello che in tale ambito la valenza della curva di ponderazione fotopica non è del tutto esatta e vale solo per angoli di visione estremamente piccoli.
Negli ultimi anni sono stati condotti diversi studi sull’illuminazione mesopica, di cui alla fine dell’articolo sono forniti alcuni esempio che probabilmente confluiranno nel documento di studio denominato CIE TC1-58.
Grazie a questi studi è emerso che la sensibilità spettrale dell’occhio non cambia quando i livelli di illuminazione raggiungono l’area mesopica per angoli visuali ristretti e quindi la curva fotopica V(λ) rimane una misura valida per la visione foveale a basse luminanze . Invece, in situazioni in cui le informazioni vengono catturate anche da una visione periferica (angolo visivo di 15°-20°), i bastoncelli assumono un ruolo dominante: in questi casi una lampada con forte componente blu dello spettro luminoso apporterebbe miglioramenti alla visione periferica e quindi all’identificazione di oggetti fuori dal campo foveale, soprattutto col diminuire della luminosità.

Angoli di visione notturna
Angoli di visione notturna

I modelli di curve mesopiche proposti da questi studi e da successive modificazioni indicano un aumento relativo della luminosità percepita con sorgenti a forte componente blu dello spettro (con alto indice S/P e cioè rapporto fra ponderazione scotopica e ponderazione fotopica) per la visione periferica, così come indicato dalla tabella sottostante:

Tabella di visibilità mesoscopica
Tabella di visibilità mesopica

Questa tabella ci dice ad esempio che, per una lampada a sodio alta pressione (HPS), anzichè 1 cd/mq, in condizioni mesopiche vengono percepite 0,927 cd/mq; per una lampada a luce bianca, come quelle agli alogenuri (MH) anzichè 1cd/mq si percepiscono 1,18 cd/mq.
Ancora più evidente è una tabella in cui, in base ai vari rapporti S/P  (per una lampada ad alogenuri ed un LED indicativamente si considera S/P=2,35) vengono indicate le divergenze percentuali fra la luminanza percepita secondo il “vecchio” modello fotopico ed il nuovo “mesopico”:

Tabella di visibilità mesoscopica in percentuale
Tabella di visibilità mesopica in percentuale

Questo schema ci dice due cose:

  1. Una sorgente a luce bianca diviene fondamentale allorché ci siano precise esigenze di visione periferica (visibilità dei pedoni sul marciapiede e degli ostacoli laterali)
  2. Lo sconto di categoria proposto dalla UNI 11248 può venire proposto solo per basse luminanze (inferiori alle 0,75 cd/mq e quindi solo per strade inferiori alla categoria ME4): infatti, come si legge dal grafico, nel caso di una luminanza di 1 cd/mq di riferimento (cioè seguendo l’attuale ponderazione fotopica) abbiamo per una lampada al sodio 0,927 cd/mq (riduzione del 7%) che non giustifica l’aumento di una categoria, così come proposto dalla UNI 11248 e, ancora più importante, per una lampada a luce bianca 1,18 cd/mq (aumento del 18%) che ancora non giustifica lo sconto di categoria. Solo per una luminanza di 0,3 cd/mq abbiamo per una luce bianca 0,39 cd/mq (aumento del 30%) e quindi una giustificazione dello sconto di categoria.

Sarebbe pertanto auspicabile che la UNI 11248 venisse modificata in modo tale da prendere in considerazione questi parametri, piuttosto che fornire generiche informazioni riguardo alle possibili declassificazioni (visto che nella corrispettiva norma prEN UNI 13201:1 non vi è traccia dei parametri indicati nella tabella della UNI 11248).

Mi rendo conto che il tema è molto spinoso e pertanto risulta difficile esaurirlo in queste poche righe (cui spero di sopperire presto con un articolo dedicato): quanto detto vale unicamente come spunto di riflessione per tutti coloro che pretendono l’immediata declassificazione delle strade in qualsiasi condizione e per qualsiasi categoria illuminotecnica.

S.V.B.E.E.Q.V.

Matteo Seraceni

Leggi anche:
Illuminazione stradale a LED – 2^ parte redux

Illuminazione stradale a LED – 3^ parte

 

Riferimenti:

Normativa sistemi LED per l’illuminazione:

  • CEI EN 62031:2009 – Moduli LED per illuminazione generale – Specifiche di sicurezza
  • CEI EN 61347-2:2007 – Unità di alimentazione di lampada – Parte 2-13: Prescrizioni particolari per unità  di  alimentazione  elettroniche  alimentate  in  corrente  continua  o  in corrente alternata per moduli LED
  • UNI EN 13032-1:2005 – Luce  e  illuminazione  –  Misurazione  e  presentazione  dei  dati  fotometrici  di lampade e apparecchi di illuminazione
  • CIE 127:2007 – Measurement of LEDs
  • Draft IEC 62504 – Terms and definitions for LEDs and LED modules in general lighting
  • Draft IEC 62560 – Self-ballasted  LED-lamps  for  general  lighting  services  >50  V  –  Safety specifications
  • Draft IEC 62612 – Self-ballasted LED-lamps for general lighting services >50 V – Performance requirements
  • Draft IEC 61341 – Method  of  measurement  of  centre  beam  intensity  and  beam  angle(s)  of reflector lamps – including LED
  • IES LM – 79-08 – Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products
  • CIE TC2-46 – CIE/ISO standards on LED intensity measurements
  • CIE TC2-50 – Measurements of the optical properties of LED clusters and arrays
  • CIE TC2-58 – Measurements of LED radiance and illuminance
  • CIE TC2-63 – Optical measurements of high-power LEDs
  • CIE TC2-66 – Terminology of LEDs and LED assemblies

Tecnologia a LED per l’illuminazione:

  • G. Forcolini, Illuminazione LED, HOEPLI : Milano
  • AFE, LED ou lampes en éclairage public.De quoi s’agit-il?, in « Point de vue de l’AFE » numero 11 – 5 ottobre 2009
  • S. Onaygil, Ö. Güler and E. Erkin, LED TECHNOLOGIES IN ROAD LIGHTING, CIE convention in Budapest of 27-29 May 2009
  • L. Di Fraia (a cura di), Illuminazione a LED oggi: chimera o realtà?, convegno del 13 marzo 2009 all’ Università di Napoli Federico II
  • CSS Street Lighting Project, SL1/2007 – Review of the class and quality of street lighting
  • Guida di CieloBuio ai LED: 1^parte e 2^parte

Schede tecniche diodi power-LED:

Illuminazione in campo mesopico:

  • CIE, Mesopic photometry: history, special problems and pratical solutions, CIE Central Bureau CIE 81
  • Bullough, John D. and Mark S. Rea, Visual Performance Under Mesopic Conditions, TRB, National Research Council, 2004, Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board
  • M. Eloholma, M. Viikari et al., Mesopic models – from brightness matching to visual performance in night-time driving: a review, Lighting Res. Technol. 37,2 (2005)
  • Y. He MS, A. Bierman MS and M. Rea PhD, A system of mesopic photometry, Lighting Res. Technol. 30,4 (1998)
  • Eloholma  M,  Halonen  L,  New  model  for  mesopic photometry  and  its  application  to  road lighting, LEUKOS 2(4):263-93
  • M. Eloholma,  J. Ketomäki,  P. Orreveteläinen  et  al., Visual  performance  in  night-time  driving conditions, Ophthal Physiol 25:1-10
  • A. Freiding, M. Eloholma, J. Ketomäki, et al., Mesopic visual efficiency I: Detection threshold measurements,  Lighting Res Technol. 39
  • H. Walkey, P. Orreveteläinen, J. Barbur, et al., Mesopic visual efficiency II: Reaction time experiments,  Lighting Res Technol. 39
  • G. Várady, A. Freiding, M. Eloholma, et al., Mesopic visual efficiency III: Discrimination threshold measurements,  Lighting Res Technol. 39
  • T Goodman, A Forbes, H Walkey, et al., Mesopic visual efficiency IV: A model with relevance to nighttime driving and other applications,  Lighting Res Technol. 39
  • CIE TC1-58 – Visual performance in the mesopic range
  • CIE TC2-65 – Photometric measurements in the mesopic range

Sicurezza dei sistemi LED:

  • G. C. Brainard , J. P. Hanifin, et al., Action spectrum for melatoninregulation in humans: evidence for a novel circadian photoreceptor, Journal of Neuroscience, 21(16).
  • G. Glickman, R. Levin, G. C. Brainard, Ocular Input for Human Melatonin Regulation: Relevance to Breast Cancer, Neuroendocrinology Letters, 23 (suppl 2)
  • E. Haus, M. Smolensky, Biological clocks and shift work: circadian dysregulation and potential long-term effects, Cancer Causes Control 17
  • K. Navara, J. Nelson, The dark side of light at night: physiological, epidemiological, and ecologicalconsequences, J. Pineal Res. 43
  • CIE TC6-55 – Photo-biological safety of LEDs

Segnala l’articolo:
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Illuminazione pubblica a LED – intermezzo

Purtroppo sono una persona che quando legge un giornale non prende la cosa alla leggera e pretende che gli articoli, soprattutto quelli tecnici, siano in qualche modo sorretti da precisi riferimenti bibliografici (potete quindi immaginare, visto lo stato della stampa italiana, il sentimento con cui ogni giorno mi accingo a leggere un giornale).  Per questo motivo la lettura dell’articolo dell’ing. Paolo Soardo uscito sul numero dell’ 11-15 giugno 2009 del “Giornale dell’Ingegnere” ha suscitato in me un senso di profonda inquietudine e stupore.

copertina1
In prima pagina infatti si legge che, secondo l’ing. Soardo, le “leggi regionali degli ultimi anni […] con prescrizioni dettagliate […] di fatto bloccano l’innovazione ed aumentano i consumi energetici.[1]
Ora, siamo sicuri che l’ UNI sia un organo di tutto rispetto, ma mi pare che liquidare in questa maniera leggi approvate da organi altrettanto degni di rispetto sia perlomeno ingiusto; inoltre sminuire in questo modo le leggi regionali rischia di travisare il carattere di fondo con cui sono state costituite, che è quello della limitazione delle dispersioni della luce verso l’alto ed una maggiore attenzione ai consumi energetici degli impianti. Perché se da un lato è vero che il cosiddetto “inquinamento luminoso” solo in minima parte è provocato dal flusso diretto delle sorgenti luminose verso la sfera celeste, appare altrettanto ovvio che limitare queste dispersioni non può che giovare all’economia di un impianto di illuminazione. Inoltre l’adozione da parte di alcun leggi regionali di un rapporto minimo di interdistanza/altezza (affiancato ovviamente all’indicazione di garantire le cd/mq richieste dalle categorie illuminotecniche, senza eccedere nei risultati) limita notevolmente i consumi possibili nelle installazioni stradali.
Negare queste istanze significa voler ancora una volta rimanere impassibili di fronte alle richieste di molti cittadini (non solo associazioni di astrofili) che ritengono loro diritto poter osservare il cielo stellato sopra le loro teste, limitando i consumi (anziché aumentandoli come afferma l’ing. Soardo) ed ottimizzando i sistemi di illuminazione; non esistono solo gli utenti delle strade o i produttori di corpi illuminanti, esistono anche le persone e animali e piante che devono convivere con questi sistemi.
Da che mondo è mondo poi non sono mai state le leggi a bloccare l’innovazione (tanto più leggi regionali se mi è permesso), semmai i conflitti fra poteri contrastanti o le leggi di mercato.

Passando quindi al resto dell’articolo, a pagina 4 dello stesso numero l’ing. Soardo giustamente cita la norma di riferimento per gli impianti di illuminazione stradale, la UNI 11248, e riconosce che la “norma prescrive solo categorie illuminotecniche di riferimento peri vari tipi di strada, che il progettista può modificare in base ad un analisi dei rischi, valutando una serie di parametri di influenza di cui la norma riporta qualche esempio, per indirizzare, ma non imporre, le scelte progettuali[1] [Ndr: il grassetto è mio].

prospetto
Fino a qui tutto bene. Poi, così, di punto in bianco, Soardo lancia la sua “boutade”, dicendo che “con la luce bianca si risparmia il 50% di energia rispetto agli impianti attuali dotati di lampade al sodio alta pressione”. Questo dato, a dir poco fantasmagorico, viene giustificato in base al fatto che “da tempo è noto che l’impiego di luce bianca con indice di resa dei colori superiore a 60 agevola la percezione degli ostacoli in visione periferica ed i condizioni mesopiche”.
A parte la totale assenza dei riferimenti bibliografici da cui queste informazioni sono state prese (tanto più in virtù del fatto che l’affermazione sul risparmio è molto pesante), mi sembra molto poco pofessionale presentare questi dati senza nemmeno un esempio pratico di come questo risparmio potrebbe venire conseguito.

1) Un primo paragone

Bene, a questo sopperisco io: prendiamo come esempio una “classica” strada italiana, con carreggiata di 6m, installazione unifilare a 7m e categoria di riferimento ME4b. Per rendere le cose più interessanti consideriamo un apparecchio che monta la lampada al sodio meno performante, quella da 70W e lo confrontiamo con uno dei migliori apparecchi a LED in circolazione, con la stessa tipologia di installazione.

L’apparecchio a LED è un apparecchio fra i più performanti in circolazione, monta 60 LED alimentati a 350 mA ed ha un consumo complessivo di circa 75 W. I calcoli illuminotecnici non sono miei, ma mi sono stati forniti dalla stessa ditta (così non si può dire che baro 🙂 ):

RUUD1a

RUUD1bVorrei far notare come il coefficiente di manutenzione sia 0,90 e, seppur non lo condivido, ho voluto lasciare apposta i calcoli così come sono.

L’apparecchio a sodio alta pressione invece monta un alimentatore elettronico ed assorbe 75 W (quindi la medesima potenza) ed è montato alla stessa interdistanza:

Philips1Philips2

Come si può vedere, l’apparecchio a LED non consuma di meno; inoltre l’apparecchio a SAP ha le stesse prestazioni con un coefficiente di manutenzione più basso: per entrambi i casi si può stimare un consumo di circa 2,68 W/m.

A questo punto sento già l’obiezione: ma lo sconto di categoria? Facciamo pure i calcoli con lo sconto di categoria, supponendo che non esistano  lampade SAP con indice di resa cromatica maggiore di 60 (cosa che al contrario è vera e quindi qualsiasi beneficio usufruito dai LED può benissimo essere esteso ai SAP con indice di resa cromatica più elevato). Grazie a questo sconto, possiamo utilizzare un apparecchio a 40 LED ora.
Ma se facciamo i pignoli, bisognerebbe pure ritoccare il coefficiente di manutenzione che, come già ho spiegato, per un LED dovrebbe essere almeno di 0,73.

RUUD2a

In questo caso abbiamo un interdistanza di 26m, per un  consumo di circa 1,92 W/m, pari al 28% in meno della sorgente a sodio alta pressione. Insomma: rispetto alla peggiore lampada al sodio in circolazione il migliore degli apparecchi LED, usufruendo anche dello sconto di categoria  riesce a risparmiare solo il 28% (in fondo c’era da aspettarselo, visto che passare da 0,75 cd/mq a 0,50 cd/mq c’è un salto di circa il 33%)! Dove è finito il millantato 50% ?!?
Inoltre va notato che l’indice di abbagliamento risulta proprio al limite massimo superiore (cosa che, sommata alla luce bianca, potrebbe provocare effetti fastidiosi).

Ma parliamo di soldi

Voglio essere buono. Ammettiamo pure che coi LED si risparmi il 50%, come dice l’ing. Soardo, e quindi, a titolo esemplificativo, consideriamo 1 km di linea come vista sopra: per un interasse di 28 m avremo circa 35 apparecchi di illuminazione.
Considerando 2,68 W/m e 4000h di funzionamento, avremo un consumo di 10720 kWh-anno a chilometro; un risparmio del 50% comporta quindi un risparmio di 5360 kWh-anno a chilometro.
Il costo dell’energia oggi si aggira attorno a 0,12 euro/kWh e quindi abbiamo un risparmio annuo per chilometro di installazione di circa 643 euro.
Bene. Ora calcoliamo quanto costano gli apparecchi: un apparecchio SAP costa mediamente 250 euro (compresa installazione), mentre un apparecchio LED si aggira sugli 800 (compresa installazione). Per 35 punti luce pagheremo 8.750 euro per i SAP e 28.000 euro per i LED, con una maggiorazione di costo di 19.250 euro quindi se volessimo comprare i LED (per risparmiare questo famigerato 50%) a chilometro pagheremo in più 19.250 euro.
Ora è facile calcolare l’ammortamento di questo investimento: 19.250 euro / 643 euro che fa circa 30 anni!

In realtà questi soldi non si ammortizzeranno mai, perchè dopo 15 anni (le famigerate 60000h) i LED saranno da sostituire, con ulteriori costi che si sommeranno agli investimenti iniziali, senza possibilità di ammortamento.

Per ulteriori confronti fra sorgenti tradizionali e sorgenti a LED vi lascio alla terza parte degli articoli dedicati. Per ora questa breve dimostrazione era incentrata a dimostrare che parlare è facile, ma dimostrare le cose risulta molto arduo.
Inoltre nessun calcolo illuminotecnico può sostituire la valutazione sul campo: consiglio a tutti quelli che affermano ancora che il solo fatto di installare sorgenti a LED possa apportare a risparmi immediati di visitarsi Torraca, oppure di comprarsi un LED e fare i confronti dal vero di illuminazione e consumi.

2) Una doverosa precisazione

Dopo aver letto le affermazioni dell’ing. Soardo mi sono quindi sentito in dover di rispondere, per fare finalmente chiarezza.

copertina2

Di seguito pertanto vi ripropongo la mia lettera pubblicata a pag.11 del numero del 15 settembre 2009 del “Giornale dell’Ingegnere” [Ndr. il testo non è in corsivo pur essendo una citazione, in quanto è comunque espressione del mio pensiero]:

UNI 11248 e tabella 2

In base alla nuova normativa il progettista illuminotecnico assume un’importanza fondamentale nella corretta valutazione ed individuazione delle soluzioni più opportune per ogni ambito progettuale.
La norma UNI 11248 individua le prestazioni illuminotecniche degli impianti di illuminazione e, per far questo, delinea una categoria illuminotecnica di riferimento per ogni tipologia di strade.
In base all’analisi dei rischi ed ai parametri di influenza considerati dal progettista illuminotecnico, viene quindi definita una categoria illuminotecnica di progetto, in base alla quale verrà effettuato il progetto di massima per ogni zona di studio presa in considerazione e considerando un flusso di traffico pari al 100% di quello associato al tipo di strada.
Infine, in base al flusso di traffico effettivo presente nelle varie ore della giornata, è possibile definire più categorie illuminotecniche di esercizio (come illustrato nella figura A.1 presente nella norma stessa) su cui effettuare eventuali sconti di categoria.
Se è vero che un ingegnere accorto e competente può sopperire a questo compito in maniera adeguata è altrettanto palese che la maggioranza dei professionisti del settore risulta essere spaesata e confusa. Valga per tutti il prospetto 3 della norma UNI 11248 riportata nell’articolo dell’ing. Soardo: tale schema rappresenta un esempio della possibile variazione di categoria illuminotecnica in relazione ai parametri di influenza emersi dall’analisi dei rischi. Questi valori, come cita la norma “sono forniti a titolo informativo”, cioè non hanno valore normativo e possono pertanto essere modificati o ampliati in base alle necessità riscontrate dal progettista illuminotecnico. Ad esempio qualora un progettista, affrontando il progetto di illuminazione di una strada in montagna, ritenesse l’attraversamento di animali durante le ore notturne fonte di pericolo, potrebbe avere tutte le ragioni ad aumentare la classe di riferimento. Allo stesso modo un progettista che ritenesse l’indice di resa colori un parametro non significativo potrebbe tranquillamente ignorare le prescrizioni relative allo sconto dato da un’elevata resa cromatica (tanto che in calce alla tabella dovrebbe apparire l’avvertenza che lo sconto dovuto alla resa cromatica è legittimo solo se “in relazione a esigenze di visione periferica verificata nell’analisi dei rischi”).
A questo punto però è opportuna una precisazione dei termini utilizzati ed una spiegazione che motivi l’avvertenza in calce.
L’occhio umano funziona pressoché come una macchina fotografica, in cui la pellicola è sostituita dalla retina. Questa è formata da due diverse tipologie di cellule sensibili alla luce: i coni ed i bastoncelli. A grandi linee, i coni permettono la visione del colore, riescono a definire i particolari della scena osservata e sono concentrati nella parte centrale della retina, chiamata fovea; i bastoncelli forniscono una visione monocromatica, hanno una definizione dei particolari molto bassa, ma in compenso sono molto sensibili alla luce e sono disposti in grande quantità lungo tutta la retina.
Per questi motivi l’acuità visiva (capacità di distinguere i particolari di una scena osservata) risulta massima in corrispondenza della zona foveale (per un angolo visivo inferiore ai 5°) e decresce rapidamente: l’aumento di densità dei bastoncelli verso le zone periferiche non riesce a sopperire alla diminuzione dei coni in termini di acuità visiva; in fondo sappiamo tutti che tentare di leggere con la periferia della retina o in condizioni di luce scarsa, ovvero usando il sistema dei bastoncelli, non dà buoni risultati.
Risulta inoltre chiaro perchè la visione diurna (chiamata fotopica), mediata soprattutto dai coni, sia caratterizzata dalla visione a colori, mentre quella notturna (chiamata scotopica), mediata soprattutto dai bastoncelli, sia caratterizzata da una visione monocromatica.
In base a queste osservazioni il CIE ha definito due curve di ponderazione (con un valore di picco pari a 1), riportate nel disegno sottostante, che misurano l’efficienza visuale a varie lunghezze d’onda nel caso di luminosità diurna (curva bianca – visione fotopica) e notturna (curva nera – visione scotopica).

visione_umana_big

Dal grafico si può notare come la visione fotopica abbia un picco corrispondente alle lunghezze d’onda di una luce giallo-verde, mentre quella scotopica di una luce azzurra: lo spostamento del massimo di sensibilità, dovuto all’utilizzo prima di coni e poi di bastoncelli è denominato effetto Purkinije. I bastoncelli, che funzionano in condizioni di bassa visibilità, vedono meglio il blu di quello che fanno i coni, i quali possono vedere luce profondamente rossa, luce che per i bastoncelli appare nera. Lo possiamo sperimentare di persona prendendo due pezzi di carta colorata rossa e blu: in condizioni di buona luminosità, risulta più luminoso il pezzo rosso, passando all’oscurità l’effetto si inverte.
A livello internazionale, è stata scelta la curva fotopica per “mediare” i valori del flusso luminoso uscente dalle singole sorgenti. La potenza espressa dal flusso luminoso viene “pesata” in base alla sensibilità dell’occhio umano alla luce diurna secondo la seguente formula:

immagine2

in cui il primo termine esprime il flusso vero e proprio definito come energia luminosa emessa da una sorgente per unità di tempo ed il secondo è la curva fotopica V(λ) espressa sopra.
Questo però porta a due problemi: il primo è dovuto al fatto che l’illuminazione stradale si colloca in un ambito che non è né fotopico né scotopico e che viene appunto chiamato mesopico (definito generalmente dall’intervallo di luminanza compreso fra 0,001 e 3 cd/mq); il secondo, strettamente legato al primo, è quello che in tale ambito la valenza della curva di ponderazione fotopica non è del tutto esatta.
Negli ultimi anni sono stati condotti diversi studi sull’illuminazione mesopica, fra cui vorrei citare “Mesopic lightning conditions and pedestrian visibility”, in INGINERIA ILUMINATULUI, 11-2003, “Mesopic visual efficiency IV: a model with relevance to nighttime driving and other applications”, in LIGHTNING RESOURCE TECNOLOGY, 03-2007 ed il lavoro svolto dal CIE nel documento denominato CIE TC1-58.
Grazie a questi studi è emerso che in ambito mesopico sia i coni che i bastoncelli concorrono alla definizione del compito visivo. In particolare la sensibilità spettrale dell’occhio non cambia quando i livelli di illuminazione raggiungono l’area mesoscopica per angoli visuali ristretti e quindi la curva fotopica V(λ) rimane una misura valida per la visione foveale a basse luminanze (almeno fino a livelli di 0,01 cd/mq, altamente al di sotto della più bassa luminanza prevista dalle norme per l’illuminazione stradale). Invece, in situazioni in cui le informazioni vengono catturate anche da una visione periferica (angolo visivo di 15°-20°), i bastoncelli assumono un ruolo dominante: in questi casi una lampada con forte componente blu dello spettro luminoso apporterebbe miglioramenti alla visione periferica e quindi all’identificazione di oggetti fuori dal campo foveale, soprattutto col diminuire della luminosità.
I modelli di curve mesopiche proposti da questi studi indicano un aumento relativo della luminosità percepita (fino al 30% in più) con sorgenti a forte componente blu dello spettro luminoso nei casi sopra riportati.
Fatta questa (lunga) premessa, si può dunque comprendere perché la tabella richiama al fatto che la riduzione di classe deve essere motivata con esigenze di visione periferica.
Quello che però rimane oscuro è il ricorso all’indice di resa cromatica: il miglioramento delle prestazioni visive in ambito mesopico ed esigenze di visione periferica si ottiene unicamente per quelle lampade che hanno un elevato rapporto “capacità scotopica”/”capacità fotopica” e quindi per spettri che concentrano i loro valori sul picco della curva scotopica.
Come ben sa chi si occupa di progettazione illuminotecnica, l’indice di resa cromatica è fra gli indici meno significativi di una sorgente luminosa, in quanto basato sulla restituzione fedele di pochi colori su tutta la gamma dello spettro visibile. Per assurdo una sorgente luminosa potrebbe avere un indice di resa cromatica superiore a 60 senza aver emissioni rilevanti sulla fascia blu dello spettro luminoso e quindi non apportare alcun miglioramento alla visione mesopica.
Allo stesso modo desta molte perplessità il fatto che un indice di resa cromatica inferiore a 30 comporterebbe un aumento della classe: non vi sono “indici al ribasso” nelle pubblicazioni sopra citate e per la sicurezza stradale mi pare più importante vedere un ostacolo e vederlo bene, non riuscire a distinguerne il colore; non contiamo poi il fatto che tutte le sorgenti “tradizionali” al sodio verrebbero per questo penalizzate e quindi la norma sovvertirebbe completamente ciò che è stato finora il normale calcolo illuminotecnico.
Inoltre, come indica la stessa tabella, qualora si presentassero ostacoli al di fuori dell’area stradale (tali da giustificare la necessità di una visione periferica), occorrerebbe aumentare la categoria illuminotecnica (arrivando comunque a un pareggio allora) visto che molto probabilmente si tratterebbe di “intersezioni e/o svincoli a raso” oppure “passaggi pedonali”.
Per contro, la maggioranza delle strade italiane consta di strade locali con carreggiata di circa 6m e, a volte, marciapiedi a lato; in questi casi la visione foveale o parafoveale (mediata quindi dai coni e pertanto legata a una ponderazione fotopica che, sempre secondo gli studi condotti sopra, non viene “migliorata” da sorgenti a luce bianca) copre in maniera adeguata il campo visivo stradale.
Mi sono sentito in dovere di fare queste precisazioni poiché molto spesso la tabella incriminata viene riportata tale e quale da numerosi professionisti, indipendentemente dalle condizioni al contorno. Lo stesso dicasi per molti produttori, che motivano il risparmio energetico dei propri apparecchi citando lo sconto apportato da tale tabella, senza considerare gli specifici ambiti di applicazione. Questa tabella, nata giustamente come esempio di applicazione dei parametri di influenza, sta diventando la croce e delizia di chi cerca di speculare sulle prestazioni dei proprio prodotti.
Invito pertanto chiunque a prestare attenzione a tale genere di proclami, ricordando che i progetti illuminotecnici possono essere firmati solo da professionisti abilitati e non da produttori e certificatori.

Fonti luminose con spettro prevalentemente blu

L’utilizzo di fonti luminose con spettro tendente al blu (come i LED o gli ioduri metallici indicati nell’articolo) secondo diversi studi (fra cui “Action spectrum for melatonin regulation in humans: evidence for a novel circadian photoreceptor” in J. Neurosci 21(16) del 2001e “An action spectrum for melatonin suppression: evidence for a novel non-rod, non-cone photoreceptor system in humans” in J.Physiol, 535 del 2001) potrebbe provocare alterazioni nella produzione di melatonina (con conseguente alterazione del ritmo circadiano) non solo nell’uomo, ma nell’intera fauna sottoposta a questa illuminazione.
Senza creare facili allarmismi, non sarebbe più saggio valutare con cautela l’applicazione estensiva di queste sorgenti luminose, anziché pentirci quando sarà troppo tardi?
Non solo: con l’invecchiare dell’occhio, si ha un progressivo ingiallimento del cristallino e della cornea ed un intorpidirsi dell’umor vitreo e per questi motivi la luce che maggiormente viene diffusa all’interno dell’occhio è quella di lunghezza d’onda minore (blu). Perciò, per la popolazione anziana, la luce più efficace per produrre abbagliamento è proprio quella con una forte componente blu, che andrebbe quindi evitata nelle installazioni stradali.
Volevo inoltre far notare che esistono ad esempio sorgenti LED a “luce calda” che potrebbero evitare questi effetti collaterali (impiegando temperature di colori di circa 3500 °K) e migliorare la qualità della luce urbana: non credo che illuminare le città con luci da “vetrina da negozio” o peggio da “banco frigo” possa migliorare la condizione odierna.
E’ vero che l’uomo ha vissuto da sempre sotto la luce del sole, ma è altrettanto vero che si suppone che durante la notte stia al buio (o alla penombra almeno) e dorma: non credo che nessuno di noi voglia vivere 24 ore su 24 sotto la luce solare. L’illuminazione notturna deve essere un “aiuto discreto” alla qualità e sicurezza urbana e non deve incidere pesantemente sull’ambiente circostante: per questo motivo le leggi regionali contro l’inquinamento non saranno certo perfette, ma almeno cercano di contrastare gli effetti indesiderati dell’illuminazione notturna.
Auspicherei pertanto che le linee guida di prossima pubblicazione possano fornire indicazioni precise a riguardo e non fossero uno “sconto tecnico” per i produttori di apparecchi di illuminazione.

Risparmio energetico

La questione del risparmio energetico appare di estrema urgenza, ma questo non significa dover forzare a tutti i costi la normativa.
L’illuminazione è una materia complessa, che necessita non solo di una buona tecnica ma anche di competenza sul campo: diminuire di una categoria può significare poco o nulla sulla carta, ma nella realtà si traduce in una percezione ben diversa della luce.
Anziché quindi applicare sconti di categoria basandosi su glosse non del tutto chiare, vorrei ricordare, a titolo informativo, che ad oggi è possibile ottimizzare un impianto di illuminazione pubblica, al fine di favorire il risparmio energetico attraverso:
a) riduzione del flusso luminoso attuata in cabina o punto-punto in relazione alle diverse categorie illuminotecniche di esercizio: in questo modo si può ottenere fino al 40% di risparmio energetico
b) sostituzione dei vecchi apparecchi illuminanti con nuovi che permettano di mantenere lo stesso illuminamento, ma con maggiori interdistanze e minori potenze di utilizzo
c) integrazione degli apparecchi illuminanti con sistemi alternativi di produzione di energia, come fotovoltaico ed eolico
d) possibilità di accensione degli apparecchi “on demand”

Inoltre vorrei ricordare che non esistono solo LED e ioduri metallici, ma anche lampade al sodio che presentano elevati indici di resa cromatica: teoricamente sarebbe quindi possibile ottenere gli stessi sconti mantenendo le soluzioni già presenti e non si avrebbero gli “effetti indesiderati” dovuti agli apparecchi citati nell’articolo di Soardo.
Purtroppo mi rendo conto che in Italia la materia è spesso ignorata o sottovalutata e pertanto ci si avvicina a questi temi senza la dovuta preparazione; inoltre ci si auspicherebbe che le norme venissero corroborate da indicazioni precise e coerenti con le ultime ricerche, non da tabelle che creano unicamente confusione (soprattutto in chi non è così padrone della materia).
Le Leggi Regionali non saranno certo infallibili, ma a quanto pare fino ad ora sono state le uniche a porre il problema dell’inquinamento luminoso e della riduzione dei consumi in maniera cogente; a tal riguardo da tempo noi progettisti stiamo aspettando una normativa unificata per tutto il territorio nazionale.[2]

3) La risposta

La risposta dell’ing. Soardo non si è fatta attendere e già a pag. 12 del numero del 15 settembre 2009 del “Giornale dell’Ingegnere” si può leggere che: “la norma UNI 11248 non penalizza le lampade al sodio alta pressione”. Ma come? Se avete inserito una tabella in cui viene detto che lampade con basso indice di resa cromatica (come le lampade al sodio comuni) devono essere penalizzate di una categoria?
Inoltre “la luce bianca con elevato indice di resa dei colori viene avvantaggiata in base alle esperienze scientifiche pubblicate in sede internazionale”[2]. Bene: quali sono queste “esperienze scientifiche”? Sono le stesse che ho citato io? E poi allora si tratta -come ho ricordato nella mia lettera- di luce bianca associata a un elevato indice di resa colori e non solo di elevata resa cromatica!!
A quanto pare l’ing. Soardo è avido di citazioni, così come lo è quando afferma che “come confermato dal direttore di una clinica universitaria, la componente blu ha un effetto “acuto”: sveglia sulla strada, evitando colpi di sonno e incidenti, che cessa quando si rientra a casa”[2]. Chi è questo direttore? Cosa cessa quando si rientra a casa? La strada, forse (visto che è l’unico soggetto alla terza persona singolare)?
E poi, non è vero che non “esistono prove di sorta su effetti “sistemici” su altri organi” [Ndr. gli occhi], visto che nel mio scritto ho citato due studi che riguardano appunto questi effetti. Inoltre, come afferma l’ing. Soardo, la componente blu ha un effetto “acuto” che “sveglia”; se è vero che l’utente della strada risente di questo effetto solo quando è effettivamente in strada, dobbiamo però pensare a tutti coloro che risentono di questa luce indirettamente (quanti apparecchi luminosi riflettono la propria luce all’interno delle case?). Per non parlare poi degli animali che vivono a contatto con queste tecnologie: posso capire che una norma UNI non possa prendere in considerazione tutti questi aspetti, ma alle soglie del 2010 mi aspetterei una maggior sensibilità ambientale da parte di chi studia e progetta le normative (o forse, come al solito, ricadiamo nel “chi se ne frega degli animali?”).
Se non esistono ancora studi approfonditi a riguardo, non significa che gli effetti negativi non ci sono (o forse l’amianto ha cominciato ad essere tossico solo dopo che gli studi ne hanno confermato la pericolosità?).

Sul fronte “risparmio energetico” veniamo invece a sapere che le leggi regionali  “portano il peso di aumenti di costi e di consumi di oltre il 20% a carico dei cittadini, come dichiarano anche astronomi in sede internazionale”[2]. Ancora una volta, non sappiamo chi siano questi “astronomi” e quando abbiano affermato tutto ciò, nè di come siano stati calcolati gli aumenti di costo; gradirei però una risposta da parte di chi ha compilato queste benedette leggi regionali e di come si sia permesso di farci pagare il 20% in più.
Nulla viene detto sugli altri sistemi per la riduzione dei consumi (di cui invece, se volete, posso fornire dati a riguardo).

4) Conclusioni (provvisorie)

Sull’onda di queste risposte al fulmicotone vorrei quindi concludere citando il direttore di una nota macelleria, il quale invece afferma che a lui la luce gialla del sodio piace molto, soprattutto nei centri storici antichi; inoltre, in sede internazionale, sembra che la luce gialla del sodio non interferisca con la produzione di uova delle galline che risiedono in prossimità di tali fonti di illuminazione.

Ovviamente sto facendo della facile ironia.

Purtroppo non c’è invece da ridere sulle bufale che vengono raccontate e quindi sull’ostinazione di numerosi professionisti e produttori a voler raccontare delle falsità sui prodotti stradali a LED. Perchè alla fin fine raggirare le pubbliche amministrazioni con false promesse significa incidere ancor di più sui costi sostenuti dal sistema pubblico e quindi sulle nostre tasche.

Sostituire semplicemente una sorgente di illuminazione con un’altra non significa immediatamente fare risparmio o migliorare l’illuminazione.

Installare apparecchi a LED non significa immediatamente fare risparmio o migliorare l’illuminazione.

Ogni problema illuminotecnico va valutato con cura e rappresenta un caso a sè stante: consumi e costi non possono quindi essere generalizzati. E comunque ogni progetto dovrebbe essere presentato con una valutazione costi/benefici; non bastano quattro calcoli (quando ci sono) e belle parole per fare veramente del risparmio.

S.V.B.E.E.Q.V.

Matteo Seraceni

[1] Il Giornale dell’ingegnere, n.11-15 giugno 2009
[2] Il Giornale dell’ingegnere, n.15 settembre 2009

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