I SUPER LED COME FUNZIONANO

COME USARLI

Da qualche tempo sono comparsi sul mercato i cosidetti superled, o power led.  Si tratta in sostanza di diodi led ad alta efficienza e potenza con un package particolare come in figura 1, adatto per essere applicato su supporto dissipante e compresi di una lente di protezione dell'elemento a semiconduttore e per la focalizzazione del fascio.

Sono molto più efficienti dei comuni diodi led e incredibilmente luminosi, attualmente i led da 1 W arrivano ad erogare circa 130 lm/w e sopportano anche 3-5W continui, come il modello XP-G della Cree raffigurato qui sopra, oggi (12/04/11) però soppiantato dal nuovo XM-L attualmente il più efficiente sul mercato con la release T6 capace di erogare ben 280 lm@700mA , quindi addirittura circa 150 lm@350mA unità  di misura divenuta ormai un riferimento in questo tipo di componenti, e capace di sopportare senza nessuno problema ben 10W con un'ottima effcienza pari a circa 100 lm/W (il doppio del precedente xp-g che si fermava a 5W). Questo fa capire quanto velocemente stia evolvendo questa tecnologia dato che un'efficienza di 100lm/W era fino a meno di due anni fa appannaggio dei soli più costosi led e solo con potenze intorno ad un W. Attualmente Febbraio 2013 il più efficiente led è il Cree MK-R che raggiunge l'incredibile 200 lm/W regge fino a 15W a circa 10V e riesce a produrre con 15W ben 1769lm ben più di una lampada da 100W ad incandescenza consumando solo il 15% cioè quasi 7 volte meno!!!!!! Pochi giorni fa sono anche stati dichiarati sempre dalla Cree gli incredibili 276 lm/W nei loro test per cui a breve avremo disponibili anche queste fantascientifiche efficienze e ci stiamo avvicinando sempre più velocemente al limite teorico cioè la conversione totale dell'energia in luce il che significherebbe anche bassissimo sviluppo di calore a tutto vantaggio della miniaturizzazione e del costo complessivo delle strutture di supporto non male davvero.

Esistono anche modelli  di alta potenza, il P7 Seoul, l'MC-E Cree, il primo con un'efficienza di ben 139 lm/w @ 350mA (utilizzando però un circuito che comprende 4 led affiancati) e addirittura 900 lm a pieno regime pari a 10W, ma ad oggi sono tutti superati dal nuovo XM-L in quanto a potenza massima e efficienza luminosa.

Per fare un paragone e capire di quanta luce si parla, una normale lampada a incandescenza, questa ha un'efficienza di circa 12 lm/w per lampade da 100W ed eroga quindi circa 1200 lumen, efficienza che scende a 10 lm/W per lampade da 60W e 8 lm/w per lampade da 25W, l'efficienza è quindi direttamente proporzionale alla potenza, tendendo a zero nelle piccole lampadine utilizzate nelle torce portatili. Le lampade fluorescenti se la cavano un pò meglio, con 42,5 lm/W per lampade da 40W, circa il triplo di quelle ad incandescenza, ma anche loro diminuiscono la loro efficienza al calare della potenza. Attualmente le lampade più efficienti sono quelle al sodio ad alta pressione che raggiungono i 110 lm/W, ma si trovano solo con potenze elevate  (centinaia di W) e anche per loro vale lo stesso discorso riguardo l'efficienza alle basse potenze.

Da questo si capisce che per l'utilizzo portatile le normali lampade sono completamente inutili, volendo ad esempio costruire una torcia portatile con un consumo massimo di 1W, una normale lampada a incandescenza eroga davvero poca luce, si parla al massimo di qualche lumen, mentre le lampade fluorescenti, sodio, o alogene, che io sappia non vengono neppure prodotte, e seppure lo fossero erogherebbero una luce esigua. Oltretutto i led si comportano in modo completamente diverso dalle comuni fonti di illuminazione, infatti al diminuire della potenza aumenta l'efficienza, ad esempio il solito XP-G garantisce 139lm ad 1W, ma solo il 250%@1A(poco più di 3W) facendo calare l'efficienza a soli 100lm/W circa, altro ottimo punto a favore dell'illuminazione mobile a batterie.

E come se non bastasse i super led vantano durate davvero notevoli, solitamente viene dichiarata una durata operativa di 100.000 ore, grosso modo 10 anni con led acceso 24 ore su 24, e questo  tempo non indica la vita massima del componente ma è il lasso di tempo dopo cui la luminosità raggiunge l'80% di quella originale, in soldoni, nelle normali applicazioni questi dispositivi si possono considerare praticamente eterni, quindi già oggi un uso domestico si può contemplare, la leggera maggiore spesa iniziale verrà infatti ampiamente ripagata in poco tempo con l'assenza di manutenzione, ricambi e rotture improvvise, e naturalmente con il grosso risparmio di energia, rispetto alle normali lampade ad incandescenza infatti, consumeremo circa 12 volte meno.

Il costo? solitamente un power led al top della tecnologia si trova intorno ai 5-6 o 6-8 euro rispettivamente per il solo emettitore o con il dissipatore a stella già montato, ma cercando bene è facile trovare gli xp-g r5 (i più potenti e efficienti) a circa 5 euro completi di dissipatore o meno per acquisti consistenti. Il problema potrebbe sorgere nelle installazioni domestiche dove ancora oggi i costi di alimentatori e illuminatori sono cari in modo inverosimile e ingiustificato, e vengono perfino proposti prodotti di scarsissima efficienza, non è raro infatti trovare in vendita lampade a led con attacco a vite installabili al posto delle comuni lampadine, costruiti con comuni led da 5mm di qualità penosa venduti a prezzi esagerati e con efficienze e qualità penose.

Questo non fa altro che scoraggiare gli utenti che tentano l'acquisto e che trovandosi tra le mani un acrocchio dalla luce fiocca e dal consumo quasi simile alle normali lampade, rimane scottato pensando che i led non siano poi tanto buoni come alcuni dicono. Ma attenzione, ci sono led e led, un Cree xp-g R5 è oggi lo stato dell'arte in quanto il led con maggior rapporto lumen/watt presente sul mercato quindi maggiore efficienza e di conseguenza minore dissipazione di calore, per non parlare della qualità della luce erogata parola dei più appassionati cpf'ers. Eppure il prezzo è più che onesto, ma con lo stesso contenitore si trovano anche gli R4, R3, e mille altre sigle che già hanno efficienze minori, per non parlare dei led di potenza generici che hanno efficienze e qualità costruttive penose eppure vengono venduti allo stesso prezzo dei migliori sul mercato.

Insomma, come per tutte le cose, attenti a cosa si compra e si usa, e non facciamo di tutta l'erba un fascio.

DESCRIZIONE E FUNZIONAMENTO:

Vediamo ora di descrivere più in dettaglio il componente. I normali power led si presentano come in fig1 o sottostante, un contenitore plastico con due terminali nei modelli più vecchi o una basetta su cui viene depositato  il die come nei modelli più recenti della Cree, sulla cui sommità è presente la lente di focalizzazione, di solito in materiale plastico duro oppure siliconico molle al tatto, che si dice abbia migliori caratteristiche ottiche e di durata fisica, ma personalmente penso che sia semplicemente più facile da produrre visto che ci si limita a depositare una goccia di materiale sul die.

 Questa lente darà in uscita un fascio più o meno concentrato in base al tipo di led, i cui dati sono sempre indicati sui datasheet, normalmente emettono con un angolo intorno 110-130° per i modelli comuni. Questa angolazione del fascio di uscita negli impieghi portatili o per particolari usi abitativi è solitamente troppo alta, per cui si applica sul led un'altra lente in materiale plastico che serve a concentrare maggiormente il fascio,  simili a quelle in fig 2.

In commercio si trovano ottiche di molti tipi, disegnate per uno specifico tipo di led, e danno in uscita un fascio più o meno concentrato, si va da quelli larghi a quelli molto stretti, arrivando addirittura a un fascio di soli 5° che permettono di avere un vero e proprio faro di profondità capace di illuminare fino a decine di metri, a quelli ellittici, utili per illuminare la strada per un lungo settore, quando si usa la bici, o si cammina in un sentiero di montagna.

Nel contenitore, a fianco di ciascun terminale è presente un secondo piccolo terminale fresato nei modelli come in fig1, oppure  un puntino sulla basetta di supporto, utili per identificare il terminale positivo, in ogni caso il datasheet riporta ovviamente chiare informazioni.

La temperatura gioca un ruolo fondamentale in questi componenti, data l'alta potenza in gioco generano parecchio calore, e all'aumentare della temperatura diminuisce la sua resistenza interna, aumentando costantemente l'assorbimento fino alla sua distruzione, oltretutto all'aumentare della temperatura diminuisce la vita utile dello stesso, e se non bastasse fa diminuire l'efficienza luminosa, già a 40 gradi si ha una perdita intorno al 10%, ma anche questo dato dipende dalle caratteristiche del led, ultimamente infatti i produttori si concentrano anche su questo aspetto, l'XP-G infatti per perdere il 10% di luminosità deve essere portato a 75°C, mentre a 150 la perdita è di quasi il 30%.

Per questo i super led andrebbero alimentati soltanto con circuiti a corrente costante, che assicurano un'erogazione uniforme al variare della temperatura, e hanno un'efficienza notevole quando si dispone di una tensione di alimentazione superiore a quella di targa del led, cosa che una normale resistenza di limitazione non può assolutamente fare.

Oltre all'alimentazione dedicata è necessario provvedere ad un'adeguata dissipazione del calore generato, se con led da 1W è sufficiente un'aletta di piccole dimensioni o addirittura il solo supporto metallico a stella,  passando a led da 3-6W e oltre l'uso del dissipatore è tassativo e dovrà essere di buone dimensioni e fissato con il solito grasso al silicone di buona qualità.

Per facilitare il montaggio di questi led sul necessario dissipatore, la maggior parte di essi viene venduto con un suo dissipatore solitamente di forma a stella che riporta le fresature per un solito fissaggio a vite, come questi:

 

Predisposti per il montaggio ad un dissipatore più grande, solitamente questa sorta di basetta è costruita in alluminio e sulla sua superficie vengono depositate come su un circuito stampato le piste per portare corrente al led, naturalmente isolato da film plastici dal resto del metallo. I terminali del led sono saldati direttamente su questo, mentre i fili di connessione sono saldabili su delle piazzole predisposte, come si vede in figura, sono sempre chiaramente indicate con + e - quindi è impossibile sbagliare.

Il led è, o almeno dovrebbe essere saldato direttamente al metallo del dissipatore, tramite una massa metallica sempre presente sotto il suo corpo allo stesso modo dei circuiti integrati di potenza con montaggio smd, per garantire il massimo trasferimento termico in applicazioni ad alta potenza.

Per quanto riguarda il dissipatore principale, nei normali negozi che vendono materiali per illuminotecnica, è facile trovare i dissipatori disegnati appositamente per ciascuna famiglia di led, evitandoci calcoli inutili.

La tensione di alimentazione massima è intorno ai 3,3V@1A per l'xp-g ,diminuendo la tensione l'assorbimento di corrente e la luminosità diminuisce costantemente, fino a spegnersi del tutto con tensione inferiore ai 2.6V circa. Possiamo quindi variare con facilità la luminosità, specialmente se già disponiamo di un circuito switching che sono dotati quasi sempre della possibilità di regolazione della tensione di uscita, altro punto a favore rispetto le comuni lampade.

Come al solito per farci una chiaccherata o se avete domande o consigli, fate un giro sul forum.

Di seguito alcune foto di progetti utilizzati come test della tecnologia, li presenterò prossimamente in dettaglio.

Per ora è tutto, come al solito in caso di dubbi o domande chiedete pure sul FORUM.

Le immagini presentate sono state prese dai data sheet dei componenti, le altre foto sono realizzate dall'autore e ritraggono progetti propri, ogni riproduzione vietata senza esplicito consenso del proprietario.