Lo sviluppo dell'illuminazione elettrica è cominciato molti anni fa e continua a essere perfezionato tuttora per diventare più intelligente. La tecnologia dell'illuminazione è classificata principalmente in quattro tipi di illuminazione: a incandescenza, fluorescente, alogena, a LED (diodo a emissione luminosa). Ciascun tipo produce la luce con una tecnica diversa ed è stato fabbricato in modo diverso. Tra queste quattro tecnologie, i LED sono la forma di illuminazione artificiale più diffusa ed essenziale per la società moderna. Ci sono anche altre tecnologie di illuminazione, ma meno comunemente utilizzate, tra cui neon, argon, plasma, olio, carbonio, carburo, alogenuro di metallo, vapore di sodio e xenon.

Tradizionalmente in base al suo stile, l'illuminazione è classificata in due tipi: i LED e le lampade. La lampada, un componente sostituibile che produce la luce mediante l'elettricità, può essere una lampada a incandescenza, fluorescente o alogena. I LED sono stati trattati in modo diverso in passato, ma poiché la tecnologia di illuminazione a LED ha avuto un rapido progresso, i LED offrono una straordinaria opportunità. Oggi i LED vengono inoltre forniti in array, e molte altre configurazioni per l'innovazione nei fattori di forma di illuminazione e si adattano a una più ampia gamma di applicazioni rispetto alle tecnologie di illuminazione tradizionali.

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High-Bright LED (HBLED)

I LED High-Brightness sono una nuova generazione di LED, sufficientemente intensi per le applicazioni di illuminazione, come ad esempio illuminazione interna ed esterna, illuminazione architettonica, display per proiezione, retroilluminazione dei display, segnaletica e automotive. Come dice il nome, questi LED ad elevata luminosità offrono livelli più elevati di luminosità rispetto ai LED standard. Uno dei principali motivi per utilizzare i LED ad elevata luminosità è la loro maggiore efficienza rispetto ad altri tipi di lampade. Vale la pena confrontare gli HBLED con altre luci in termini di lumen per watt.

I LED ad alta luminosità sono LED che producono oltre 50 lumen (1 candele = 12,75 lumen). Non si devono confondere con i LED ad alta potenza. Sebbene possano sembrare la stessa cosa, ad alta potenza si riferisce al consumo energetico e non all'emissione luminosa. In genere, si presuppone che un LED ad alta potenza consumi più di 1 watt di potenza.

HBLED è ecocompatibile, a risparmio energetico, a bassa potenza, e dura più a lungo rispetto alla media delle lampadine fluorescenti compatte e incandescenti. I LED ad alta luminosità presentano una serie di vantaggi, come più luminosità e lunga durata, basso costo, compatibilità di produzione con RoHS oltre i LED standard. L'ottica di precisione, le distribuzioni multiple, le uscite lumen e le temperature di colore rendono l'HBLED ideale per applicazioni industriali, commerciali, manifatturiere, in palestra e le altre applicazioni che utilizzano i tradizionali HID e fluorescenti lineari.

I LED ad alta luminosità richiedono una maggiore corrente diretta di 350 mA, più di quanto un microcontrollore I/O sia in grado di fornire. Una soluzione è alimentare il LED direttamente dall'alimentazione principale e aggiungere un MOSFET in serie con il LED per controllare la luminosità. Il secondo è utilizzare i controller di segnali digitali, il che offre diverse funzioni che consentono un controllo preciso dei LED ad elevata luminosità. Queste funzioni comprendono un convertitore analogico-digitale a 10 bit ad alta velocità con un massimo di 4 milioni di campioni al secondo, un PWM ad alta velocità flessibile, un comparatore analogico ad alta velocità con una velocità tempo di risposta di 20 nanosecondi, e uno schema di clock flessibile con 40 velocità di funzionamento MIPS.

Lampadine

La luce artificiale si basa sui sistemi: lampade, regolatori di corrente, starter, apparecchiatura per illuminazione e controlli. I regolatori di corrente sono necessari per le lampade a scarica, per collegare la lampada alla presa di corrente. Lampade, regolatori di corrente e starter sono montati nell'apparecchiatura per illuminazione con le basi del cablaggio e della lampada, i riflettori distribuiscono e reindirizzano la luce emessa dalla lampada e le feritoie schermano la luce abbagliante. I regolatori di corrente forniscono una corrente controllata per le lampade che è una componente essenziale di qualsiasi sistema di illuminazione di scarico. I regolatori di corrente elettronici conformi alle classi di efficienza energetica CELMA A1 e A2 sono i principali risparmiatori di energia.

Devono essere considerate le seguenti caratteristiche nella scelta di una lampada per un'applicazione: efficienza luminosa, durata della lampada, qualità della luce, effetto delle condizioni ambientali, apparecchiatura di illuminazione, costi di acquisto e di funzionamento.

I diversi tipi di lampade utilizzate sono: a incandescenza, alogena al tungsteno, a fluorescenza, fluorescente compatta, a scarica ad alta intensità, al mercurio, ad alogenuro metallico, a vapori di sodio ad alta pressione, senza elettrodo. Ognuno di questi tipi di lampade ha sperimentato piccoli miglioramenti nei materiali, design, qualità della luce, efficienza energetica e produttiva nel corso del secolo scorso.

In una lampada ad incandescenza, anche chiamata lampada di servizio di illuminazione generale (GLS), viene prodotta la luce portando la corrente attraverso un filo di tungsteno. La temperatura operativa dei filamenti di tungsteno nelle lampade ad incandescenza è di circa 2700 K. Pertanto, la principale emissione si verifica nella regione degli infrarossi.

Le lampade alogene al tungsteno sono derivate dalle lampade ad incandescenza. All'interno del bulbo, il gas alogeno limita l'evaporazione del filamento e rideposita il tungsteno evaporato nel filamento attraverso il cosiddetto ciclo alogeno.

Una lampada fluorescente è una sorgente luminosa a scarica di gas a bassa pressione, in cui la luce è prodotta prevalentemente da polveri fluorescenti attivate da radiazioni ultraviolette generate da scariche nel mercurio. Le prestazioni di una lampada fluorescente sono sensibili alla temperatura dell'ambiente.

Il CFL è una variante compatta della lampada fluorescente. La lunghezza totale viene accorciata e il tubo di scarico tubolare viene spesso piegato in due o sei dita o in una spirale. Per una sostituzione diretta delle lampade a filamento di tungsteno, tali lampade compatte sono munite di regolatori di corrente interna e di tappi a vite o a baionetta.

Nella lampada al mercurio la luce viene prodotta mediante una corrente elettrica che passa attraverso vapori di mercurio. Una scarica ad arco in vapori di mercurio ad una pressione di circa 2 bar emette cinque forti linee di spettro nelle lunghezze d'onda visibili a 404,7 nm, 435,8 nm, 546,1 nm, 577 nm e 579 nm.

Driver per LED

I LED fanno la loro entrata nel settore dell'illuminazione utilizzando moderni composti e strutture di materiali semiconduttori ad alta efficienza. L'illuminazione a stato solido (SSL) offre nuove possibilità e vantaggi per l'utente finale. Utilizzando driver appropriati, strategie di controllo e i LED, è possibile controllare completamente gli aspetti qualitativi e quantitativi della luce. I driver per LED sono dispositivi a bassa tensione che convertono la tensione di linea di 120/220/277 V nella bassa tensione necessaria per i LED, e possono anche interpretare i segnali di controllo per attenuare i LED. I driver per LED sono disponibili a corrente o tensione costante. Questi due tipi di driver non sono intercambiabili, è la struttura del carico dei LED che determina quale driver è appropriato. Sia le lampade sia gli apparecchi LED richiedono driver per LED.

Vi sono due modi per controllare la luminosità di un LED. Il primo metodo consiste nell'utilizzare l'attenuazione analogica, che consiste nel variare la corrente diretta attraverso il LED per regolare la luminosità. Il secondo metodo utilizza una tecnica di attenuazione digitale che prevede l'accensione e lo spegnimento della corrente continua per brevi periodi di tempo. Per la percezione della luminosità, l'occhio umano fa la media di questi tempi di accensione e spegnimento.

Il modo più economico e semplice per azionare i LED è utilizzare un alimentatore a tensione costante e un resistore in serie con il LED, per limitare la corrente che scorre attraverso di esso. La resistenza selezionata dipende dalla grandezza della sorgente di tensione (VIN), dal valore della tensione diretta del LED e dalla corrente diretta del LED.

L'alimentazione lineare ("Linear power supply", LPS) è una soluzione economica e semplice di azionamento dei LED. Le LPS sono basate sul regolatore lineare di circuito integrato (IC) o sulla giunzione bipolare o transistor a effetto campo, che funzionano nella regione lineare. Gli alimentatori switching (SMPS) non presentano i principali svantaggi degli alimentatori lineari e sono quindi la soluzione principale per azionare i LED. Poiché i LED sono componenti CC, è sufficiente considerare i tipi di SMPS CC-CC e CA-CC. Efficienza, controllabilità, piccole dimensioni e peso ridotto sono i principali vantaggi rispetto agli alimentatori lineari. Un SMPS può fornire, se necessario, correnti elevate (ad esempio, oltre 30 A) a tensioni molto basse.

La scelta della topologia più appropriata per l'azionamento dei LED dipende dagli standard, dalle specifiche e dai requisiti applicativi, quali le condizioni dell'ambiente operativo, la tensione di ingresso del sistema, la tensione diretta dei LED, il numero di LED e l'array di circuiti.

I driver intelligenti sono in genere basati su microcontrollori di commutazione ASIC, che includono memoria flash programmabile (EEPROM), diversi controller PWM (Pulse-Width Modulation) su chip, canali ADC (convertitore analogico-digitale) e DAC (convertitore digitale-analogico). I driver per LED basati su microcontrollore portano ulteriori vantaggi, come flessibilità operativa, efficienza, affidabilità, controllabilità e intelligenza al sistema.

Barre e strisce LED

Una luce a striscia LED è una scheda di circuito stampato flessibile, popolata con LED, che è possibile attaccare ovunque si desideri aggiungere una forte illuminazione con una vasta gamma di colori e luminosità. L'utilizzo di lampade a striscia LED flessibile è in rapido aumento nella progettazione dell'illuminazione moderna in tutto il mondo. Architetti e designer di illuminazione stanno implementando lampade a striscia LED in progetti di ambienti residenziali, commerciali e industriali in misura crescente. Questo è dovuto a un incremento di efficienza, opzioni di colore, luminosità e facilità di installazione. Sono disponibili numerose opzioni sul mercato per le lampade a striscia LED (anche note come luci a nastro LED), come le strisce flessibili LED CC, le strisce flessibili LED CA e le strisce LED ad alta potenza.

La striscia flessibile LED produce un'incredibile quantità di luce e può essere utilizzata per illuminazione, retroilluminazione, illuminazione da tavolo, da garage, sono inoltre buone per l'illuminazione d'accento, sotto illuminazione per mobili, illuminazione bar, refrigerazione, applicazioni industriali, fotografia e altro ancora. Vi sono strisce che cambiano il colore, dette strisce RGB. Queste lampade LED possono visualizzare qualsiasi combinazione di colore: rosso, verde e blu. Queste strisce richiedono un controller per cambiare i colori in flash o rimanere su un colore solido selezionato.

Al momento dell'acquisto di strisce LED, è importante non solo osservare la lunghezza della striscia, ma anche la quantità di LED in lunghezza. In teoria, è necessario individuare la striscia di lampade che ha la più elevata quantità di LED per centimetro. Prendere nota del lumen/lunghezza insieme con i LED/lunghezza, in quanto questo avrà un forte impatto sulla qualità della luce e il tipo di luce che la striscia emette. La prima cosa da fare quando si cerca un alimentatore è sapere quale tensione di ingresso richiedono le strisce LED. Alcune richiedono CA/CC, 12 V/24 V, è sufficiente assicurarsi di sapere di che cosa ha bisogno la vostra striscia e ottenere un alimentatore con quella uscita. Quindi, verificare che il wattaggio dell'alimentatore sia almeno del 10% superiore di quello delle vostre strisce LED.

Le lampade a striscia LED vengono fornite su un rocchetto (bobina) di 5 metri. Le macchine utilizzate per "raccogliere e posizionare" i LED e le resistenze sul circuito stampato flessibile sono in genere di 97 cm circa di lunghezza, quindi le singole sezioni sono saldate insieme per completare un'intera bobina.

LED (Light Emitting Diode, diodo a emissione luminosa)

Un diodo a emissione luminosa (LED) è un dispositivo a semiconduttore che emette luce visibile quando una corrente elettrica vi passa attraverso. La luce non è particolarmente brillante, e nella maggior parte dei LED è monocromatica, a una singola lunghezza d'onda.

Il materiale utilizzato per l'elemento semiconduttivo di un LED ne determina il colore. I due principali tipi di LED attualmente utilizzati per i sistemi di illuminazione sono le leghe di alluminio fosfuro di indio, gallio (AlGaInP o AlInGaP) per i LED rossi, arancioni e gialli; e le leghe di indio nitruro di gallio (InGaN) per i LED verdi, blu e bianchi. Lievi variazioni nella composizione di tali leghe cambiano il colore della luce emessa. L'uscita da un LED può essere compresa in un intervallo dal rosso (a una lunghezza d'onda di circa 700 nanometri) al blu-viola (circa 400 nanometri). Alcuni LED emettono energia ad infrarossi (IR) (830 nanometri o più); un tale dispositivo è noto come diodo ad emissione ad infrarossi (IRED).

Rispetto alla maggior parte delle tipiche sorgenti di luce utilizzate per le applicazioni di illuminazione, i LED hanno un'emissione luminosa ancora relativamente bassa e, di conseguenza, continueranno a essere confezionati in array e altre configurazioni per essere utili in tali applicazioni. Attualmente, i pacchetti LED bianchi singoli hanno raggiunto quasi 100 lumen. Naturalmente, l'emissione di luce varia a seconda della lunghezza d'onda. I LED sono importanti perché grazie alla loro efficienza e il basso consumo energetico, iniziano a sostituire la maggior parte delle comuni fonti di luce. I LED vengono incorporati nel lampadine e apparecchi per applicazioni di illuminazione generale. Di piccole dimensioni, i LED offrono opportunità di progettazione esclusive. Le lampadine a LED possono assomigliare fisicamente ad alcune soluzioni di lampadine domestiche ed essere simili alle lampadine tradizionali.

I LED offrono una grande opportunità per l'innovazione nei fattori di forma dell'illuminazione, e si adattano ad una più ampia gamma di applicazioni rispetto alle tradizionali tecnologie di illuminazione. I LED utilizzano dissipatori di calore per assorbire il calore da loro prodotto e dissiparlo nell'ambiente circostante. In questo modo i LED non si surriscaldano e non si bruciano. Il fattore più importante per le corrette prestazioni dei LED è dato dalla gestione termica. Maggiore è la temperatura alla quale i LED vengono attivati, più rapidamente la luce si degrada e più breve sarà la loro durata.

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