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Illuminazione allo stato solido

Illuminazione allo stato solido

Illuminazione allo stato solido. Dalla lampadina ad incandescenza alle CFL (compact fluorescent light) ed ai LED (light emitting diode), il futuro dell'illuminazione è allo stato solido.

La lampadina ad incandescenza ha mantenuto il più basso costo rispetto a qualsiasi altra tecnologia di illuminazione. Ma parte dell'energia elettrica e' sprecata in forma di calore, piuttosto che di luce. Alcune applicazioni come incubatrici o riscaldatori utilizzano questa funzione di radiazione del riscaldamento, tuttavia le lampadine incandescenti vengono sostituite in molte occasioni da CFL (compact fluorescent lights) e HID (high-intensity discharge lamps), che danno una luce più visibile per la stessa quantità di energia elettrica in ingresso. Queste tecnologie alternative di illuminazione sono chiamate sorgenti di luce fredda. Alcune organi governativi stanno cercando di vietare l'uso di lampadine ad incandescenza in favore di una maggiore efficienza energetica di illuminazione.

Illuminazione allo stato solido - Introduzione

In qualità di ingegnere elettronico, ero abituato a disprezzare l'illuminazione industriale. L'ho sempre considerata una applicazione low-tech. Dopo alcune ricerche su Internet, ho cambiato idea. L'illuminazione è complessa non meno di altre tecnologie. E 'interessante, fantastica e molte aziende hanno investito nel mercato dell'illuminazione .

Lampadina ad incandescenza

Incandescent light bulb
Thomas Alva Edison è stato uno dei più grandi inventori. La lampadina è stata una tra le sue più brillanti invenzioni. Un'altra grande invenzione, il vacuum tube, è stata ispirata dalla lampadina. L'obbiettivo era di fornire luce a basso costo e facilmente utilizzabile. Il risultato e' stato buono, pero' non esente da difetti che si sarebbero rivelati negli anni successivi alla invenzione.

Energy Star La lampadina ad incandescenza ha mantenuto il più basso costo rispetto a qualsiasi altra tecnologia di illuminazione. Ma parte dell'energia elettrica e' sprecata in forma di calore, piuttosto che di luce. Alcune applicazioni come incubatrici o riscaldatori utilizzano questa funzione di radiazione del riscaldamento, tuttavia le lampadine incandescenti vengono sostituite in molte occasioni da CFL (compact fluorescent lights) e HID (high-intensity discharge lamps), che danno una luce più visibile per la stessa quantità di energia elettrica in ingresso. Queste tecnologie alternative di illuminazione sono chiamate sorgenti di luce fredda. Alcune organi governativi stanno cercando di vietare l'uso di lampadine ad incandescenza in favore di una maggiore efficienza energetica di illuminazione. Energy Star è un programma del governo degli Stati Uniti per promuovere l'efficienza energetica dei prodotti di consumo. Questo programma include un sacco di prodotti tra cui l'illuminazione, monitor, PC e TV. E cerca di convincere i consumatori a sostituire le lampadine ad incandescenza con lampade a CFL. In altri paesi, molti governi fanno delle leggi e distribuiscono programmi simili per eliminare la lampada ad incandescenza.

 

CFL (compact fluorescent light)

 

CFLsUna lampada fluorescente o tubo fluorescente è una lampada a scarica di gas che utilizza molta energia elettrica per eccitare il vapore di mercurio in gas di argon o di neon, risultante in un plasma che produce onde corte di luce ultravioletta. Questa luce poi causa la fluorescenza di fosforo, producendo luce visibile. Le lampade fluorescenti sono più efficienti di quelle incandescenti di equivalente luminosità. Questo e' dovuto al fatto che una maggiore percentuale di alimentazione utilizzata e' convertita in luce utilizzabile e una proporzione più piccola e' convertita in calore, permettendo alla lampada di lavorare a temperatura più bassa.

A differenza delle lampade ad incandescenza, le lampade fluorescenti richiedono sempre una reattanza per regolare il flusso di potenza attraverso la lampada. Le lampadine fluorescenti compatte possono avere una reattanza convenzionale situata nei bulbi, permettendo loro di essere utilizzate nei portalampade normalmente utilizzate per le lampade ad incandescenza.

Illuminazione allo stato solido: Svantaggi

Alcune persone trovano lo spettro dei colori prodotto da alcune lampadine fluorescenti stancante e fastidioso. A volte una persona sana può sembrare d'avere un tono della pelle malsano sotto le lampade fluorescenti. In realtà sono rimasto scioccato nel vedere i miei vasi sanguigni alla luce fluorescente.

I bulbi della CFL contengono piccole quantità di mercurio, una neurotossina. Finora non c'è nessuna norma per riciclare le CFL e per salvaguardare l'ambiente. Il mercurio è una potente neurotossina, ed è particolarmente pericolosa per i bambini e feti. La maggior parte di esposizione al mercurio proviene dalla catena alimentare, come mangiare pesce contaminato da mercurio.

Le lampade fluorescenti richiedono una reattanza per stabilizzare la lampada e per fornire la tensione iniziale richiesta per la scintilla iniziale. Questo aumenta il costo del contenitore per l'illuminazione, anche se spesso è condiviso tra due o più lampade. Reattanze elettromagnetiche con un piccolo difetto possono produrre un ronzio udibile o un rumore di fondo.

Le lampade fluorescenti sono un carico non-lineare e generano delle armoniche sinusoidali sui 50 Hz o 60 Hz sulla tensione di rete. In alcuni casi questo può generare rumore a radiofrequenza. E' possibile una buona soppressione, ma si aggiunge al costo della attrezzatura per l'illuminazione.

Le lampade fluorescenti funzionano meglio intorno alla temperatura ambiente. A temperature molto basse o molto alte, l'efficienza diminuisce e a temperature basse (inferiori al punto di congelamento) le lampade standard non funzionano. Lampade speciali possono essere necessarie per l'affidabilità del servizio all'aperto e al freddo. Le lampade fluorescenti sono molto sensibili pure all'umidità.

I dispositivi fluorescenti utilizzando una reattanza magnetica alla frequenza di rete non danno una luce costante; invece loro tremolano (variano in intensità) a due volte la frequenza di rete. Questo può causare un effetto di luce stroboscopica causando un rischio per la sicurezza in un laboratorio dove, per esempio, qualcosa che gira alla giusta velocità può sembrare immobile se illuminata solamente da una lampada fluorescente. Ciò può anche causare problemi per la registrazione video, perché ci potrebbe essere un effetto battimento tra la lettura periodica del sensore della fotocamera e le fluttuazioni di intensità della lampada fluorescente. Quando anche altri dispositivi che tremolano, come i monitor CRT, sono operati sotto la luce fluorescente, il tremolio può diventare molto più evidente.

A meno che non siano specificatamente progettate e approvate per gestire l'attenuazione, tante attrezzature per la luce fluorescente non possono essere collegate ad un normale dimmer utilizzato per le lampade ad incandescenza. Due effetti ne sono responsabili: la forma d'onda della tensione emessa da un normale dimmer controllato in fase, interagisce male con tante reattanze e poi perché diventa difficile sostenere la scintilla nel tubo fluorescente a bassi livelli di potenza. Molti impianti richiedono lampade fluorescenti a 4-pin e controllori compatibili per un dimmer fluorescente di successo; questi sistemi tendono a mantenere i catodi del tubo fluorescente completamente riscaldati anche quando la corrente di scintilla è ridotta, permettendo una facile l'emissione termoionica degli elettroni nella lampada.

CCFL I catodi freddi delle lampade fluorescenti sono utilizzati come retroilluminazione per il display dell’LCD nei PC e nelle TV. Ma il tremolio delle lampade fluorescenti ha un grande svantaggio per la retroilluminazione. Il movimento del tremolio è molto evidente a causa del tremolio della retroilluminazione, in particolare sui grandi schermi (naturalmente è molto meglio di un TV CRT 50/60Hz). E immaginatevi che cosa succederebbe se questi display LCD fossero scartati dalla produzione. Come consumatore, mi piace la vivacità dell'LCD HDTV (anche se so che il colore visualizzato e’ artificiale, il colore naturale non è così vivido).

LED

Spot LightUna lampada LED è un tipo d'illuminazione allo stato solido (SSL) che utilizza diodi emettitori di luce (LEDs) come fonte d'illuminazione anziché gas o filamenti elettrici. Il LED d'illuminazione e’ una tecnologia a basso consumo, che non danneggia l’ambiente ed è completamente digitalizzata. La lampada LED ha più vantaggi: un ampio spettro dei colori, dimensioni compatte, più vita di operazione, completamente “dimmable” non genera IR / UV e lavora a bassa tensione. Le lampade LED si trovano facilmente: nei semafori, fari delle macchine e delle biciclette, nelle torce elettriche, nell'illuminazione di casa, tabelloni pubblicitari, nei fari per edifici, illuminazione ferroviarie, nelle gallerie d’arte, nella retroilluminazione del telefono cellulare, nella luce flash della macchina fotografica e nelle luci dei giardini con cellula fotovoltaica.

 

 

 

Applicazioni LED

Ci sono anche alcune idee diverse per applicazioni a LED.

Hansa CanyonPer esempio il LED del rubinetto illuminato di Hansa Canyon. I LEDs sono utilizzati per dare un’acqua in diversi colori. Viene applicata la stessa idea ad una vasca da bagno che vince cosi un premio sul design.

Il professore giapponese Masao Nakagawa, Keio University ha creato il consorzio della comunicazione della luce visibile. Questa e' un grande idea è grande per il TMC (Traffic Management Control)

 

Outdoor Ad player of Focus MediaFocusMedia ha installato molti riproduttori di pubblicità nel centro di Shangai.

Anche OLED/AMOLED (Active Matrix/Organic Light Emitting Diode) subentra nei pannelli LCD. Questi progetti innovativi sono veramente delle applicazioni formidabili per LED, ma qui parliamo solo della lampadina LED.

Le principali applicazioni per la lampadina LED sono i telefonini mobili, per la retroilluminazione del display LCD, lampadina per le macchine e luce interna. In Cina, la lampadina LED e’ già sugli schermi dei tabelloni e nell'illuminazione architetturale.

 

LED Technologies

Non solo il colore del LED, ma anche la luminosità dei LED sta crescendo in base alla Legge di Moore. Per molti anni i Led avevano solo i colori: infra-rosso, rosso, giallo, arancio e verde. Il blu, l'azzurro e il viola sono apparsi negli anni ‘90. Il LED blu è stato il collo di bottiglia, dopo la sua creazione il colore dello spettro è completo. Successivamente è nato il LED bianco.

C’era bisogno del LED blu per produrre il dispositivo bianco SSL. Nel 1993 Shuji Nakamura dalla Nichia Corporation presenta il LED blu utilizzando nitruro di gallio (GaN). Con questa invenzione era possibile creare luce bianca grazie alla combinazione della luce dei LED separati (rosso, verde e blu) o mettendo un LED blu in un contenitore con una luce interna che converte il fosforo. Con il tipi a fosforo, una parte della luce blu diventa giallo o rosso e verde con il risultato che l’emissione del LED appare bianco per l'occhio umano.

Per produrre la luce bianca necessaria per le SSL, la luce che attraversa lo spettro visibile (rosso, verde e blu) deve essere generata nelle giuste proporzioni. Per raggiungere questo obiettivo (generare la luce bianca con i LED), sono utilizzati tre approcci : conversione di lunghezza d’onda, la miscelazione dei colori, e, più recentemente, Homoepitaxial ZnSe.
  1. La conversione di lunghezza d’onda comporta la conversione di parte o tutta uscita deii LED nelle lunghezze d'onda visibili. I metodi includono: LED blu & fosforo giallo, LED blu & diversi fosfori, LED ultraviolet (UV) & fosfori rossi, verdi e blu.
  2. La miscelazione dei colori comporta l'utilizzo di più colori del LED in una lampada per la produzione di luce bianca. Questi LEDs contengono un minimo di due LEDs (blu e giallo) ma possono averne tre (rosso, blu e verde) o quattro (rosso, blu, verde e giallo). Siccome non e’ utilizzato il fosforo, non c’è nessuna energia persa nel processo della conversione, esponendo così il potenziale per una maggiore efficienza. Ma il circuito driver è complesso ed il costo è più elevato rispetto ad altre soluzioni..
  3. Homoepitaxial ZnSe e’ una tecnologia sviluppata da Sumomito Electric dove un LED e’ realizzato su un substrato ZnSe, che produce contemporaneamente luce blu dalla regione attiva ed emissione gialla dalla parte del substrato. La risultante luce bianca, ha uno spettro pari ai LED UV. Non sono utilizzati fosfori, quindi si ottengono LED bianchi a maggiore efficenza.

Come si puo vedere gli approcci per ottenere illuminazione allo stato solido per luce bianca sono molto diversi, e ciascuno di essi ha bisogno bisogno di una particolare progettazione dell'elettronica e dell'ottica.

LED Lighting Design

La lampadina LED richiede maggiori sforzi ai progettisti. Un progetto completo significa conversione di potenza, controllo elettronico, gestione termica e ottica.I LEDs sono dispositivi a bassa tensione, la tensione da fornire al LED varia da 2 a 4.5V, dipende dal colore e dalla corrente. I LEDs richiedono corrente constante per garantire l'intensità ed il colore desiderato. I progettisti devono gestire diversi fonti di energia, tra cui rete elettrica, pannello solare, batteria per la macchina 12V, AC/DC, batterie Alkaline e NiCd nonche' Li-Ion usate nei telefonini. La tipologia delle lampade LED e’ diversa. Inoltre il LED richiede diodi di protezione per evitare che un LED difettoso possa spegnere l'intera barra di LED. Devono essere tenuti d'occhio anche problemi EMC legati all' SMPS controllati. In ogni caso, ciascuna applicazione richiede soluzioni e driver dedicati.

Power Conversion

I LEDs hanno la resistenza dinamica molto bassa, con la stessa caduta di tensione per correnti molto diverse. Di conseguenza non sono in grado di connettersi direttamente alla maggior parte delle fonti di alimentazione senza provocare l’autodistruzione. La resistenza di controllo della corrente è normalmente utilizzata per offrire corrente costante. Lavorare sulla corrente nominale significa anche dare più vita al LED. Tante lampadine Led utilizzano un semplice circuito RC che semplifica il circuito del LED. Lo SMPS e’ utilizzato per l'alimentazione principale. Molti produttori di semiconduttori hanno abbastanza “know-how” in questo settore.Vengono offerte tante funzioni, come la conversione AC/DC, DC/DC, LDO, configurazione del LED in serie o parallelo, regolatore della corrente, protezione over-voltage, dimming, load-disconnect durante lo shutdown, controllo multi-color, LED bianco, single cell power supply for LED, dot correction, PWM grayscale control, LED open detection, thermal error flag e thermal shut down protection

E' interessante scorrere le AppNote ed i Datasheets di OnSemi, Fairchild, Micreal, TI, Maxim, IR, Micrel, e Zetex. Si possono ottenere molte informazioni su alimentazione e gestione della corrente.

 

 

 

 

 

Control Electronics

Siccome i LEDs sono fonti di luce digitali possono commutare su una frequenza molto alta e la loro luminosità può essere disattivata individualmente.Tanti integrati hanno la conversione della corrente e il controllo elettronico in un unico contenitore. Il colore del LED dipende dalla corrente. Per il LED bianco, se la tensione cambia, la temperatura del colore cambia. Come risultato, per modificare l'intensità di un sistema di lampada a LED, è necessario utilizzare il PWM per regolare il duty cycle. Se il budget lo permette, le lampadine LED possono essere gestite con alcune tecnologie di networking. Le tecniche di controllo convenzionale utilizzate per l'illuminazione sono I2C, SPI, LIN-bus e Zigbee per wireless networking.

Thermal Management

Il progettista deve prendere in considerazione la gestione termica, il layout del PCB e il mezzo di dissipazione. Anche se i LED sono più efficienti delle CFL, la gestione termica è molto importante per LED. Siccome i LEDs sono molto piccoli, se troppa corrente scorre nel LED, una parte d'energia sarà trasformata in calore, accorciandone la vita o minacciandone la rottura. Quindi un buon progetto per la lampada LED tiene sempre in considerazione la gestione termica. Molti dei chip disponibili aiutano il progettista fornendo regolazioni, feedback e protezioni gia' inclusi nel circuito integrato.

Optics

I LEDs sono sorgenti puntiformi (spot), mentre nella stragrande maggioranza delle occasioni, compresa l'illuminazione domestica, serve una sorgente di luce diffusa. Per risolvere questo problema, i progettisti ricorrono all' ottica geometrica, utilizzando lenti specifiche, guide di luce , riflettori e combinazioni di tutto cio'. Ci sono delle aziende che si sono specializzate in questo settore, quali ad esempio LEDIL in Finlandia.

Color Management

E’ necessario introdurre la gestione del colore per l’illuminazione domestica, retroilluminazione dell’LCD e per i tabelloni pubblicitari. Il LED bianco e gli approcci del RGB LED hanno diverse esigenze. Il progettista deve utilizzare diversi ICs, e qualche volta, e’ obbligatoria una calibrazione del colore delle attrezzature. Questo e' un dominio di specializzazione altamente professionale per un ingegnere.

Problemi LED Backlighting per LCD Panel

E' ironico. Comparata alla retroilluminazione CCFL, l'efficienza della retroilluminazione del LED per i displays dell'LCD è più bassa. Questa cosa porta un altro problema, il consumo d'energia. Il suo prezzo è alto (quasi quattro volte la CCFL, solo SONY e Apple ne giovano), la coerenza della luce bianca è peggio. Essendo una sorgente puntiforme il LED richiede maggiori sforzi per progettare una retroilluminazione ben distribuita. Infine, con il passare del tempo, la retroilluminazione del LED porta anche all'offset del colore. Oltre a questi fattori, il LED ha anche problemi di dissipazione di calore.

Problemi per LED Automotive Lighting

Un automobile richiede 300 LEDs,utilizzati nel cruscotto, dalle lampade da lettura, luci di coda, stop, frecce, fari, fari per la nebbia e per la retroilluminazione dei dispositivi di navigazione. Finora la maggior parte delle nuove auto europee stanno utilizzando i LEDs per illuminazione interna. Oltre l'80% degli stop sono realizati a LED. La più grande sfida sono i fari. Le sfide provengono da problemi legali (in Giappone) e dalla intensita della competizione e del costo dalla HID (Xeon). Teoricamente LED è molto adatto per essere utilizzato come faro, perché si tratta di una sorgente di luce puntiforme. Possiamo prevedere che i LEDs saranno impiegati nella maggior parte delle applicazioni di illuminazione automotive appena tecnologia LED sara' opportunamente migliorata.

Problemi per LED Domestic Lighting

Se la lampadina LED domestica sostituisse le CFL sul mercato, il TAM (total available market) è di circa 100 B USD. Ma la lampada LED domestica ha alcuni problemi da risolvere. Come fonte di luce luminosa, lampada LED sta guadagnando quote di mercato, per esempio come luce spot nelle gallerie d'arte e torce. Ma le CFLs in quanto sorgenti di luce non puntiforme sono ancora molto utilizzate per l'illuminazione interna. Se i LEDs vogliono competere con le CFLs devono essere utilizzati in configurazione multiLED, a scapito del costo, e comunque con intensità ed efficienza più basso di CFLs. Alcune applicazione richiedono “full color spectrum”, forzando i progettisti ad utilizzare i LEDs blu con fosforo, la cui efficenza energetica e’ molto più bassa delle CFLs. Bisogna attendere ulteriori miglioramenti della tecnologia per avere LED bianchi per l'illuminazione domestica, a basso costo ed efficenti.

Non c’è dubbio che la lampadina LED dominerà il mercato della luce domestica. I punti chiave sono il costo e la luminosità.

Illuminazione allo stato solido: In più

Un altro aspetto importante è il brevetto. Nichia ha molti brevetti importanti a livello mondiale per LED bianchi. Anche altri produttori hanno molti brevetti in LEDs. Questi fornitori possono scambiarsi le licenze del brevetto. Altri produttori più piccoli devono acquistare licenze da questi fornitori. E’ importante avere il brevetto prima di cominciare ad investire nelle lampade LED. Nel 2010, molti brevetti libretti scadranno, possiamo quindi aspettarci dei prodotti molto più economici.

Neon
In un articolo del WSJ (Wall Street Journal) per quanto riguarda l'illuminazione a LED, l'autore ha acquistato un neon LED per la decorazione di Natale. Ma ha dovuto constatare che le luci verdi avevano tanti problemi, quali prezzi elevati, un solo LED difettoso influisce su tutta la decorazione. In ogni caso l'autore ha restituito la decorazione perche' non soddisfatto. Tale articolo rispecchia il fatto che come tutte le cose neanche l'illuminazione a LED e' perfetta.

Dopo tutto, diverse tecnologie d'illuminazione sono adatte per diverse applicazioni.

LED & IC Suppliers
http://www.lumination.com/
GE/GELcore, precedentemente JV di GE e Emcore, ora controllato di GE, rinominata come illuminazione.

http://www.lumileds.com/
Philips Lumileds, precedentemente JV di Philips e HP/Angilent, ora controllato da Philips.

http://www.nichia.com/
Nichia, il primo inventore del LED bianco basato sul LED blu.

http://www.toyoda-gosei.com/
Toyata Gosei, forte nell’illuminazione a LED per auto.

http://www.cree.com/
CREE, LED bianco.

http://www.tn-sanso.co.jp/en/
Taiyo Nippon Sanso Corp.

http://www.osram-os.com/
OSRAM, forte nell'illuminazione a LED per le auto europee.

http://www.avagotech.com/led
Avago, fornitore LED.

http://www.exar.com/Common/Content/Product.aspx?Parent=2&ID=116#19
Exar

http://www.fairchildsemi.com/markets/lighting/
Fairchild ha venduto il business di LED a Everlight, ma ha ancora prodotti “discrete” e “driver ICs” per l'illuminazione (LFL/CFL/HID e LED.)

http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/an_pk/828
Maxim, ha LED driver ICs.

http://www.micrel.com/page.do?page=product-info/led_drivers.shtml
Micrel, driver ICs.

http://www.onsemi.com/PowerSolutions/parametrics.do?id=197
OnSemi, componenti discreti e driver ICs per illuminazione. NCP1200 puo' essere collegato direttamente alla rete elettrica.

http://www.seoulsemicon.com/
Seoulsemicon, si concentra sulla illuminazione a LED.

http://www.shamrock.com.tw
Taiwan Shamrock Micro Device, offre SD802, un completo driver LED ad alta luminosita' che puo' essere utilizzato con tensione di rete, o tensioni continue a basso voltaggio.

http://www.ti.com/lighting
TI, offre drivers per la illuminazione LED, progettati per i dispositivi mobile

http://www.zetex.com/3.0/categories.asp?top=3&curr=3
Zetex, altro fornitori dei LEDs

http://www.ledil.fi/
LEDIL LED Lens. offre una soluzione standard di plastica trasparente dando una varietà di modelli di illuminazione, per esempio spot, medio, largo, ovale o laterale. La dimensione delle lenti varia da micro lenti di pochi millimetri ai grandi collimatori.

http://www.semiapps.com/APPS/System%20Functions/Power%20Management/Light...
Questo sito offre un sacco di soluzioni fra cui l'illuminazione.

http://en.wikipedia.org/wiki/Category:Lighting
Wikipedia - pagina di Illuminazione (http://it.wikipedia.org/wiki/Illuminazione)

http://www.npr.org/templates/story/story.php?storyId=7431198
NPR, National Public Radio Web sito per i problemi con CFL.

http://k-ris.keio.ac.jp/Profiles/0170/0005590/prof_e.html
Il profilo del Pr. Nakagawa Masao in Keio University. Non trovo il suo video sui LED. Potete contattarlo, se siete interessati a questo argomento.

http://it.farnell.com/jsp/bespoke/bespoke7.jsp?bespokepage=farnell/en/ed_world/tech_first/...
Farnell è leader mondiale nella commercializzazione e distribuzione di prodotti elettronici, elettrici ed industriali, destinati ai settori della progettazione e della manutenzione.

 

 

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