Temperatura di colore

Illuminazione pubblica a LED – 1^ parte

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Da diverso tempo si sente parlare di miracolosi apparecchi LED che garantirebbero enormi risparmi e bassissima manutenzione. Nella pratica però (vedi ad esempio Torraca) questi apparecchi spesso si sono dimostrati tutt’altro che efficienti.

Nonostante esistano professionisti (fra cui segnalo la bella esposizione del prof. Di Fraia) e siti (fra cui voglio citare http://www.luxemozione.com) che hanno 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.

Per questo motivo ho intenzione di scrivere una serie di articoli che cercano di spiegare per filo e per segno tutte le problematiche inerenti l’illuminazione pubblica a LED: si parte dalla spiegazione di cosìè un LED fino ad arrivare alle simulazioni vere e proprie (eseguite con DIALux e file eulumdat certificati e scaricati dai siti degli stessi produttori) per dimostrare come ad oggi un apparecchio a LED al massimo può sostituire un apparecchio che monta lampade al sodio alta pressione di medesima potenza.

Non sono solo io a dire questo: diversi importanti produttori, come Philips e Grechi hanno già pubblicato online comunicati stampa su questa linea.

Spero pertanto che tutti coloro che sono interessati all’illuminazione pubblica a LED leggano queste pagine: in questo modo la prossima volta che si presenterà il “furbino” di turno proponendo apparecchi LED in grado di dimezzare i costi energetici e di manutenzione potranno rispondere in maniera adeguata. Non solo: gradirei anche commenti dai professionisti del settore (produttori e progettisti) per migliorare insieme le nostre conoscenze sull’argomento.

Tutto quello che avreste voluto sapere sui LED e non avete mai osato chiedere

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. Un semiconduttore è un materiale capace di far passare o meno elettricità (la quantità è variabile e dipende ovviamente dal tipo di materiale con cui è composto). Molti semiconduttori sono creati da materiale poco conduttori che però vengono modificati (dopati nel gergo elettronico) per cambiare il bilanciamento interno tra le cariche positive e negative (da cui dipende la conduttività).

Nel caso dei LED, il materiale usato è un composto di alluminium-gallium-arsenide che ha un perfetto bilanciamento tra cariche positive e negative e che quindi non lascia elettroni liberi in grado di far passare corrente elettrica. Una parte di questo materiale viene modificato (dopato) aggiungendo carica positiva (ovvero dei buchi in cui gli eletttroni di carica negativa cercano di inserirsi) da un lato e cariche negative dall’altro.

La regione con cariche positive aggiunte è detta P-region mentre l’altra N-region.

In un diodo, vengono usati materiali di tipo N e materiali di tipo P per creare il chip. Quando nel chip non è applicato alcun voltaggio, gli elettroni di carica negativa trovano e riempiono i buchi (con carica positiva) nella zona di contatto (al centro del chip), formando una giunzione detta anche depletion zone. In questa giunzione, tutti i buchi risultano riempiti e quindi formano una barriera isolante in cui nessuna carica può circolare da una regione all’altra.

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
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. Per ottenere questo è necessario connettere una batteria al diodo facendo attenzione che il polo negativo sia connesso alla regione N.

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
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

In questa maniera, gli elettroni liberi nella regione N, respinti dalle cariche negative si spostano verso la regione P. Allo stesso modo, i buchi della regione P si muovono verso la regione N. Quando la carica tra gli elettrodi supera un certo voltaggio, gli elettroni negativi nella giunzione vengono espulsi dai buchi che occupavano e diventano nuovamente liberi, di fatto eliminando la barriera che creavano in precedenza e facendo viaggiare la corrente tra i due elettrodi.

La luce è una forma di energia che viene rilasciata da un atomo. Questa è composta da piccolissime particelle chiamate fotoni che rappresentano la singola unità di luce.

In un atomo, ci sono differenti elettroni che si muovo in un orbita intorno al nucleo. A seconda dell’orbita, un elettrone ha una certa quantità di energia. Più l’orbita è larga, più esso è carico.

Quando un elettrone passa da un orbita larga ad una inferiore, esso perde un pò della sua energia e lo fa sotto forma di un fotone. Più è alta l’energia rilasciata dall’elettrone , più il fotone è potente.

Nel nostro LED abbiamo visto come le cariche negative della regione N passano nella regione P per occupare i buchi con carica positiva. Visto che i buchi hanno un quantitativo di energia inferiore alle cariche negative, esse devono consumare della carica per poterli occupare e generano quindi fotoni (producendo la luce che vediamo).

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

In pratica un LED trasforma l’energia elettrica in energia luminosa. Il funzionamento del led si basa sul fenomeno detto “elettroluminescenza”, dovuto alla emissione di fotoni (nella banda del visibile o dell’infrarosso) prodotti dalla ricombinazione degli elettroni e delle lacune allorchè la giunzione è polarizzata in senso diretto.

Il colore (lunghezza d’onda) della luce emessa, l’efficienza nella conversione elettro-ottica e quindi l’intensità luminosa ottenuta dipende dalla natura e condizione del semiconduttore utilizzato e si estende dall’infrarosso, alla gamma della luce visibile fino in prossimità degli ultravioletti.

Per chi volesse divertirsi a calcolare le prestazioni dei LED, consiglio questo link (purtroppo non è possibile implementare animazioni flash in wordpress) consigliatomi da Giacomo:

Tutorial sul funzionamento della giunzione P-N

2) La tecnologia LED allo stato attuale

I grandi produttori hanno dichiarato che nei prossimi anni investiranno gran parte dei loro capitali nello sviluppo delle apparecchiature a LED.

La tecnologia LED rappresenterà sicuramente il futuro dell’illuminazione in quanto può garantire 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: il LED è una luce essenzialmente “direzionale” e pertanto presenta generalmente un fascio concentrato di luce molto forte. Questa luce va quindi distribuita attraverso ottiche per garantire la giusta uniformità sulla sede stradale e ridurre l’abbagliamento che tali sorgenti potrebbero provocare: in questo modo si riduce notevolmente l’efficienza luminosa degli apparecchi a LED; da diverse sperimentazioni sul campo e con software di calcolo illuminotecnico è emerso che generalmente gli apparecchi a LED che garantiscono la giusta uniformità non riescono a mantenere un illuminamento a terra sufficiente e viceversa, con fasci concentrati garantiscono un illuminamento a terra sufficiente ma poi non riescono a mantenere la corretta uniformità.

Ad oggi pertanto gli apparecchi a LED non riescono ad essere così performanti come i tradizionali apparecchi al sodio, 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.

Questo 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.

3) Le caratteristiche degli apparecchi a LED

Per l’illuminazione pubblica di esterni, vengono utilizzati i cosiddetti Power LED (LED ad alta resa luminosa); per queste sorgenti i parametri più importanti per la definizione dell’affidabilità e della funzionalità sono:

  • Flusso luminoso : il flusso luminoso di un Power LED viene generalmente indicato in relazione alla potenza del LED stesso ed in condizioni “standard” di esercizio. Generalmente un Power LED, con temperatura di colore a 6000°K, corrente di pilotaggio 350 mA e temperatura ambiente di 25°C, ad inizio vita presenta circa 110-118 lm/W.
  • Corrente di pilotaggio (If) : i LED sono dispositivi pilotati in corrente poiché la loro luminosità varia con la corrente diretta; il pilotaggio dei LED con una corrente costante è un elemento essenziale per ottenere i livelli di colore e luminosità desiderati. Ovviamente, più alta è la corrente di pilotaggio, maggiore sarà il flusso luminoso del LED; questo però comporta un aumento della potenza impiegata e pertanto generalmente una diminuzione dell’efficienza luminosa (lm/W) dell’apparecchio.
  • Temperatura di giunzione (Tj) : con questo termine si indica la temperatura misurata sulla giunzione che costituisce il nucleo del LED (come visto sopra); la temperatura di giunzione 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 sarà la riduzione del flusso luminoso nel tempo e quindi si avrà una minore durata della sorgente LED. Ovviamente, strettamente legata alla temperatura di giunzione è la temperatura ambiente cui l’apparecchio si trova.
  • Affidabilità del driver : il driver è l’alimentatore elettronico che garantisce il corretto funzionamento delle sorgenti a LED ad esso collegate; poiché le sorgenti a LED hanno una vita teorica molto lunga appare fondamentale che il driver sia garantito per una vita media paragonabile a quella delle sorgenti.
  • Temperatura di colore : le lampade LED hanno la possibilità di ottenere una gamma cromatica molto varia, con rese di colore molto elevate; il LED nasce come sorgente con spettro tendente al blu (e quindi temperature di colore molto alte). Per questi spettri il LED offre le massime efficienze luminose; scendendo verso colori più “caldi” l’efficienza luminosa cala sensibilmente.
  • Vita media del LED (L70) : con questo termine vengono indicate le ore passate le quali la sorgente a LED presenta un decadimento del flusso luminoso iniziale pari al 30%. Questo fattore, come detto sopra, è influenzato pesantemente dalla temperatura di giunzione del LED e generalmente si attesta attorno alle 50000h – 60000h.

Inoltre per determinare correttamente il funzionamento di un apparecchio a LED occorre prendere in considerazione tutti i parametri che possono influenzare le sue prestazioni (e non unicamente il flusso luminoso massimo della singola sorgente LED, come generalmente fanno i produttori). In aggiunta ai parametri sopra indicati vanno quindi valutati:

  • Curva fotometrica dell’apparecchio : la curva fotometrica deve essere adatta all’applicazione considerata; ad esempio una curva fotometrica “tonda” sicuramente non garantirà la giusta uniformità stradale.
  • Flusso luminoso emesso : il flusso luminoso emesso da un apparecchio tiene conto di tutti i coefficienti di riduzione e quindi da una prima indicazione del rendimento luminoso dell’apparecchio (lm/W) riferiti alla potenza effettiva dello stesso. Questo sarà necessariamente minore della somma dei flussi dei singoli LED che compongono l’apparecchio, in quanto parte del flusso si perde a causa della conformazione dell’ottica e del corpo illuminante o per la presenza di lenti (che indirizzano la luce, ma ne affievoliscono l’intensità).
  • Coefficiente di manutenzione : il coefficiente di manutenzione indica la capacità di un apparecchio illuminante di mantenere certe prestazioni nel tempo. Ad esempio un coefficiente di manutenzione pari a 0,8 indica che, nella condizione più sfavorevole (generalmente a fine vita della lampada e presenza di sporco sul vetro dell’apparecchio), l’apparecchio illuminante garantisce comunque un flusso luminoso pari all’ 80% del flusso luminoso iniziale. Ovviamente ogni calcolo illuminotecnico deve essere accompagnato da una stima adeguata del coefficiente di manutenzione, in quanto l’apparecchio deve garantire le prestazioni da normativa nelle situazioni più sfavorevoli (ovviamente appena montato garantirà invece il massimo delle prestazioni: questo significa che i rilievi fatti sul campo ad inizio vita vanno poi calibrati secondo il coefficiente di manutenzione).

Di seguito vengono quindi passate in rassegna le caratteristiche sopra indicate e la loro influenza sull’affidabilità e funzionalità degli apparecchi LED.

4) Corrente di pilotaggio e flusso luminoso

Grafico relativo al rapporto fra corrente di pilotaggio e flusso luminoso dei LED CREE XR-E
Grafico relativo al rapporto fra corrente di pilotaggio e flusso luminoso dei LED CREE XR-E

Dal graficorelativo al LED CREE XR-E si nota come aumentando la corrente di pilotaggio aumenta quasi linearmente la percentuale di flusso luminoso emessa.

Per calcolare l’efficienza luminosa, occorre conoscere la potenza, calcolata a sua volta tramite la legge di Ohm come P = Vf * If.

Grafico relativo al rapporto fra corrente di pilotaggio e voltaggio dei LED CREE XR-E
Grafico relativo al rapporto fra corrente di pilotaggio e voltaggio dei LED CREE XR-E

Ad esempio, per una corrente 350 mA abbiamo un flusso luminoso di 100 lm e una tensione di 3,3 V e quindi una potenza impiegata di 1,12 W. Per una corrente di 700 mA abbiamo una flusso luminoso di 150 lm tensione di 3,5V e quindi una potenza impiegata di 2,80 W.

Si vede subito come nel primo caso abbiamo un’efficienza di 89,3 lm/W mentre nel secondo caso abbiamo un’efficienza di 53,6 lm/W.

Per questo motivo è generalmente controindicato aumentare la corrente di pilotaggio al fine di aumentare il flusso luminoso (oltre alla perdita di efficienza si somma anche un aumento della temperatura di giunzione, che provoca un ulteriore decadimento del flusso luminoso nel tempo).

Al contrario si può osservare come la diminuzione della corrente di pilotaggio porti ad una riduzione del flusso luminoso, che può essere utilizzata in ambito di risparmio energetico.

5) Temperatura di giunzione, corrente di pilotaggio e vita media dei LED

Le sorgenti luminose a LED, al contrario delle sorgenti luminose tradizionali, non tendono a spegnersi improvvisamente esaurita la loro vita utile: i LED infatti nel tempo diminuiscono gradualmente il loro flusso luminoso iniziale fino ad esaurirsi completamente in un periodo molto lungo.
Un gruppo industriale produttore di Power LED, la “Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies” (ASSIST), 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. Per questo motivo le ricerche della ASSIST dimostrano che una riduzione del flusso iniziale del 30% è accettabile per la maggioranza delle applicazioni luminose e quindi viene definita come vita media utile di un LED il tempo trascorso prima che venga raggiunto questo limite (indicato generalmente come L70).

Come indicato in precedenza, aumentare la temperatura di giunzione (in pratica fare scaldare troppo il nucleo del LED) corrisponde ad una durata ridotta nel tempo o addirittura la rottura istantanea.

Per questo motivo i dispositivi di dissipazione risultano fondamentali per il buon utilizzo e la buona durata dell’apparecchio a LED (va qui fatto notare come i migliori dissipatori siano in alluminio o in rame, mentre gran parte dei produttori, per diminuire i costi, montano dissipatori in ferro).

Di seguito viene quindi mostrato un grafico che mette in relazione la vita media di una sorgente a LED (che ricordo essere il tempo passato il quale la sorgente riduce il proprio flusso luminoso del 70%) relativo a LED CREE XR-E.

Grafico relativo al rapporto fra temperatura di giunzione e vita media dei LED CREE XR-E
Grafico relativo al rapporto fra temperatura di giunzione e vita media dei LED CREE XR-E

Il grafico mostra come la vita media stimata di 50000h corrisponde alla temperatura di giunzione di 90°C, che è quella che normalmente viene mantenuta in tutti gli apparecchi a LED di buona fattura.

Molti produttori però non garantiscono una temperatura di giunzione così bassa: in questi casi si può vedere come a 105°C ad esempio la durata media venga ridotta già a circa 35000h.

Anche Philips, per i LED Luxeon indica una durata media di 60000h per temperature di giunzione inferiori a 130 °C.

Grafico che mette in relazione la temperatura di giunzione e la vita media di una sorgente a LED Philips
Grafico che mette in relazione la temperatura di giunzione e la vita media di una sorgente a LED Philips Luxeon (con percentuale di fallimento pari al 50%)

Il grafico di Philips si presenta più completo, in quanto all’indicazione riguardante la vita utile affianca l’indicazione concernente la corrente di pilotaggio dei LED: si vede come aumentando la corrente di pilotaggio diminuisca generalmente la vita utile dei LED.

Inoltre il grafico di Philips indica la percentuale di LED che ha fallito la prova (indicata a fianco della lettera B): in questo caso significa che solo nella prova solo il 50% dei LED ha raggiunto la vita utile indicata nel grafico (ovviamente l’altro 50% non l’ha raggiunta).

Indicazione del rapporto fra percentuale di fallimento ed attesa di vita nei prodotti industriali
Indicazione del rapporto fra percentuale di fallimento ed attesa di vita nei prodotti industriali

Dal grafico sovrastante si può notare come una percentuale di fallimento del 10% comporti valori notevolmenti ridotti della vita utile di un prodotto.
Ad esempio, il grafico relativo ai Luxeon di Philips, visto sopra considerando una percentuale di fallimento del 10%, diviene:

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Grafico che mette in relazione la temperatura di giunzione e la vita media di una sorgente a LED Philips Luxeon (con percentuale di fallimento pari al 10%)

Si può osservare come i risultati sono notevolmente ridimensionati: la temperatura massima passa da 130°C a 120°C per 1A. Questo significa che, in un ottica di affidabilità dell’impianto, se viene mantenuta una temperatura di giunzione inferiore ai 120°C, il 90% dei LED giunge alle 60000h di vita.

Come indicato in un esauriente White Paper pubblicato da Philips Lumileds, i grafici presentati dai vari produttori sono estrapolazioni fatte sulla base di prove limitate nel tempo (generalmente 5000h – 6000h) applicando la variabile casuale di Weibull: questa funzione viene utilizzata per il calcolo della vita media di numerosi componenti industriali e si è dimostrata affidabile anche per il calcolo della durata di vita dei LED.
Philips Lumileds ci tiene ad evidenziare che nei 30 anni di sviluppo sui LED l’azienda ha accumulato un numero molto elevato di prove sulla durata, che riducono la soglia di errore a circa il 10% nelle previsioni effettuate (ovviamente le sperimentazioni sui LED vengono condotte con un numero di ore notevolmente ridotto rispetto alle reali potenzialità della sorgente e quindi occorre andare molto cauti nella presentazione dei risultati a lungo termine).
Alla luce delle attuali conoscenze e basandosi sulla quantità di dati accumulati, Philips Lumileds prevede una durata massima dei LED di 60000h: per questo motivo, pur essendo possibile in base alla curva di Weibull prevedere una durata maggiore per temperature di giunzione più basse (ad esempio come nella curva indicata da CREE), tutti i risultati vengono “tagliati” alle 60000h.

Questo atteggiamento di Philips mi sembra molto più responsabile rispetto a quello di CREE, che fornisce dati sulla cui attendibilità si potrebbe discutere a lungo (soprattutto a basse temperature di giunzione); inoltre sarebbe gradito che la CREE indicasse anche la percentuale di fallimento nelle tabelle riportate per i propri prodotti.

6) Affidabilità del driver

Poiché le sorgenti a LED hanno una vita media molto lunga, occorre che anche i driver siano garantiti per almeno 50000h ore di funzionamento. Molti produttori invece producono driver che non rispettano tali requisiti (ed infatti garantiscono gli apparecchi solo per la parte LED e non per la parte elettronica di corredo).

Inoltre va valutata anche la mortalità dei driver durante le 50000h garantite: Philips, uno dei principali fornitori di driver, prevede una mortalità di circa il 5% sulle 60000h. Questo significa che alla fine delle 60000h, 1 apparecchio su 20 avrà dovuto subire lavori di manutenzione straordinaria per il rimpiazzo della parte elettrica.

Altri produttori di apparecchi a LED, come RUUD, affermano che la mortalità sui loro driver è dello 0,5% a 150000h.

Questi dati dimostrano come esistano ancora notevoli differenze fra le tecnologie applicate ai LED (che inoltre andranno verificate sul campo) e che la deperibilità della parte elettrica incide in maniera rilevante sui costi di gestione di un impianto a LED.

7) Temperatura di colore

Ad oggi solo LED con alte temperature di colore, chiamati cool white (6000°K o più – nell’immagine la sorgente in basso), consentono di ottenere alte efficienze luminose.

Questa temperatura determina una luce cosiddetta “fredda” (la stessa che possiamo vedere ad esempio nell’illuminazione notturna delle vetrine dei negozi o nell’illuminazione dei banchi frigo dei supermercati): questo tipo di luce non è molto indicata per l’illuminazione esterna, non solo per questioni di gusto, ma anche per probabili interferenze con la produzione di melatonina e quindi col ritmo circadiano dell’uomo.

I LED con temperature di colore minori, chiamati warm white (4000°K o meno – nell’immagine la sorgente in alto), garantiscono efficienze luminose molto più basse (circa il 30% in meno). Questa temperatura di colore corrisponde al colore delle tradizionali lampade ad incandescenza.

Philips ha da poco presentato un LED a luce calda che sembra fornisca prestazioni paragonabili a quelli a luce fredda.

LED a luce calda (in alto) e LED a luce fredda (in basso)
LED a luce calda (in alto) e LED a luce fredda (in basso)

Va poi ricordato che, con l’invecchiare dell’occhio, si ha un progressivo ingiallimento del cristallino e della cornea ed un intorbidirsi  dell’umor  vitreo: 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.

8 ) Resa cromatica

La resa cromatica (Ra) 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.

L’indice di resa cromatica ci dice in che modo una sorgente è in grado di mantenere inalterato il colore di un oggetto da essa illuminato: esso varia in una scala da 0 a 100, dove 0 rappresenta il minimo e 100 indica il massimo di resa cromatica.

Questo indice in realtà dice poco o nulla dell’effettiva validità di una lampada, in quanto basato solo sulla resa di particolari tipi di colore (la maggior parte dei quali penso non siano mai stati usati in natura…): questo significa che la resa cromatica rimane comunque un valore arbitrario e non oggettivo.

Valori di Temperatura di colore e Resa cromatica che caratterizzano varie lampade
Valori di Temperatura di colore e Resa cromatica che caratterizzano varie lampade

Diverse produttori, citando il prospetto 3 della norma UNI 11248, affermano che lampade con una elevata resa cromatica (come i LED appunto, ma esistono anche lampade al sodio con tali caratteristiche) garantiscono una visione notturna migliore, soprattutto per le applicazioni stradali.

Ho già trattato questo argomento in un altro post, pertanto qui farò solamente un breve riassunto.

Innanzitutto il prospetto in questione afferma che “i valori numerici sono forniti solo a titolo informativo” e quindi non hanno valore di norma (tanto che il prospetto 2 e l’appendice A nella stessa norma non prendono neppure in considerazione questo parametro ai fini di una corretta illuminazione stradale); inoltre il valore di resa cromatica indica unicamente la capacità di una sorgente di resituire in maniera corretta i colori dell’ambiente circostante: ai fini dell’illuminazione stradale è importante vedere un pedone attraversare la strada, non distinguere se il suo giubbotto è verde oppure marrone.

Ancora lo stesso prospetto indica in calce che uno sconto sulla categoria illuminotecnica di progetto si può avere unicamente “in relazione a esigenze di visione periferica verificate nell’analisi dei rischi” e quindi unicamente in casi particolari, in cui si renda necessaria una visione completa ed accurata dei dintorni della sede stradale: per le normali strade urbane ed extraurbane, l’ambito visivo si compone generalmente della sola sede stradale e quindi non c’è necessità di una “visione periferica” accurata.

Il riferimento alla “visione periferica” si può comprendere valutando gli ultimi studi condotti da diversi enti europei, secondo cui le curve fotopiche  (visione diurna) e scotopiche (visione notturna) non riescono a definire in maniera accurata l’efficienza dell’occhio nel caso di visione mesopica, tipica dell’illuminazione stradale notturna.

In particolare, la curva fotopica V(λ) è quella dovuta unicamente all’attività dei coni della retina  è strettamente legata alla visione foveale, che si può ritenere compresa in un angolo visuale che va da 1° (visione centrale foveale) a 5° di ampiezza (visione parafoveale).

Per questi angoli visivi è stato dimostrato che la sensività spettrale dell’occhio non cambia quando i livelli di illuminazione raggiungono l’area mesoscopica 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).

In diverse situazioni però, come ad esempio alla guida di un’automobile, molte informazioni vengono catturate da una visione periferica (angolo visivo di 15°-20°), in cui i bastoncelli assumono un ruolo dominante. In questi casi gli studi dimostrano che una lampada con forte componente blu apporterebbe miglioramenti alla visione periferica e quindi all’identificazione di oggetti fuori dal campo foveale, soprattutto col diminuire della luminosità. I diversi modelli di curve mesopiche proposti da questi studi indicano un aumento relativo della luminosità percepita (fino al 25% in più) nei casi di illuminazione con sorgenti a forte componente blu dello spettro luminoso. Inoltre, anche in questi casi, l’indice di resa cromatica non assume un valore determinante, in quanto i colori vengono distinti unicamente dai coni raggruppati nella fovea (i bastoncelli sono essenzialmente “monocromatici”). In questo modo si comprende anche perchè il prospetto della UNI 11248 indichi le “esigenze di visione periferica” come condizione sine qua non per l’applicazione dello sconto di categoria illuminotecnica, ma non si capisce perchè viene indicata la resa cromatica come valore di riferimento e non, ad esempio, la temperatura di colore.

Occorre quindi comprendere in quali attività ed in che modo la visione periferica risulti fondamentale a livello visivo, per definire un probabile modello futuro definitivo per la visione mesopica. Va comunque ricordato che, ad oggi, la normativa non prevede ancora questo tipo di modelli e quindi occorre basare il calcolo del flusso luminoso ancora sulla curva fotopica V(λ).

Volevo infine far notare come esistano anche lampade tradizionali con un’alta resa cromatica e quindi è possibile effettuare riduzioni di categoria illuminotecnica anche senza tirare in ballo i LED: ribadisco pertanto il fatto che la normativa fornisce soltanto alcune delle tante possibili indicazioni che il progettista illuminotecnico può assumere nella valutazione dei rischi. Un buon progettista illuminotecnico non è colui che si limita a seguire le indicazioni già pronte e fornite unicamente a titolo d’esempio, ma colui che (in base all’esperienza e alle proprie conoscenze) di volta in volta riesce a valutare gli aspetti pregnanti di un progetto.

9) Coefficiente di manutenzione

Il coefficiente di manutenzione per le installazioni stradali viene determinato generalmente tramite la formula U = LLMF x LSF x LMF, in cui:

LLMF (Lamp Lumen Maintenance Factor) è la riduzione del flusso luminoso della lampada presente nell’apparecchio ed è espressa come rapporto fra la luminosità prodotta dopo un certo periodo e la luminosità inizale della stessa.

LSF (Lamp Survival Factor) è la percentuale che esprime il numero di lampade non bruciate dopo un certo periodo dall’installazione.

LMF (Luminaire Maintenance Factor) è la riduzione del flusso luminoso dell’apparecchio (dovuta soprattutto all’accumularsi dello sporco sulle ottiche) e dipende dal tipo di apparecchio, dalle condizioni atmosferiche e dall’intervallo di manutenzione; viene espressa come rapporto fra la luminosità iniziale dell’apparecchio e la luminosità dello stesso dopo un certo periodo, a certe condizioni ambientali e a determinati intervalli di manutenzione

Per una lampada tradizionale SAP (durata media 14000h) le tabelle CIE 97 del 2005 indicano LLMF=0,96 ma nella realtà (in base all’esperienza sul campo) è più corretto utilizzare un fattore LLMF=0,90 (dopo 14000h le lampade SAP perdono circa il 10% di flusso luminoso); per le applicazioni stradali inoltre è possibile considerare LSF=1,00 poichè, una volta esaurite o spente, queste possono venire cambiate senza interferire con la funzionalità dell’apparecchio. Inoltre sia lo IESNA che il British Standard indicano per strade con inquinamento basso senza pulizia delle lampade un fattore LMF=0,87; considerando l’installazione ad altezze medie di 8m ed utilizzando apparecchi cut-off è possibile aumentare il valore fino a LMF=0,90 circa.
Grazie a questi dati siamo quindi in grado di calcolare il coefficiente di manutenzione per un apparecchio stradale che monta una lampada al sodio alta pressione e che viene pulito ogni tre anni: U=0,90×1,00×0,90 = 0,81. Questo valore, approssimato a 0,80, è quello comunemente usato nei calcoli illuminotecnici per apparecchi che montano lampade tradizionali.

Vorrei far notare che, utilizzando i valori “standard” si otterrebbe comunque lo stesso risultato: U=0,96×0,87 = 0,84.

Secondo i dati forniti dalla maggior parte dei produttori (e lo stesso standard su cui si basa il calcolo della vita utile dei LED), una lampada a LED riduce il suo flusso luminoso del 30% a fine vita; inoltre, come abbiamo visto dalle tabelle precedenti, la base su cui vengono stimati i dati fornisce una mortalità di circa il 10% delle lampade.
In questo modo abbiamo LLMF=0,70 e LSF=0,90 (in questo caso non possiamo porre LSF=1,00 poichè anche in caso di spegnimento di 1 LEDsui 60-70 che compongono l’intero corpo lampade dell’apparecchio non è possibile sostituirlo singolarmente: poichè occorrerebbe sostituire integralmente l’intero corpo lampada appare molto più probabile che l’apparecchio rimanga nello stato in cui si trova, con alcuni LED spenti).
Considerando un valore LMF=0,90 come prima abbiamo allora per un apparecchio a LED: U=0,70×0,90×0,90=0,57. E’ un coefficiente molto basso, che si allontana pericolosamente dai coefficienti U=0,90 proposti da diversi produttori di LED.
Anche considerando i valori L90, come mi ha proposto Lorenza Bergamaschi di RUUD, avremo comunque: U=0,90×0,90×0,90=0,73. Questo coefficiente è appropriato; ad esempio Philips Lightning per il calcolo illuminotecnico con i propri apparecchi a LED consiglia U = 0,75 (forse Philips aveva già previsto questo?).

Per correttezza inserisco anche i valori nel caso in cui l’apparecchio LED venga sostituito completamente nel caso in cui qualche parte sia malfunzionante (in questo caso avremo LSF=1,00): U=0,90×0,90=0,81. Questo potrebbe confermare il coefficiente di manutenzione “standard” di 0,80 anche per i LED. Vorrei comunque far notare che in questo caso i costi di manutenzione sarebbero molto più elevati di quelli di una soluzione tradizionale (dovendo sostituire in toto un apparecchio illuminante, anzichè la singola sorgente luminosa).

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

Matteo Seraceni

L’articolo continua con la seconda parte.

Grafico che mette in relazione la temperatura di giunzione e la vita media di una sorgente a LED Philips