Blog sull'illuminazione a LED di Lumistrips

Ottenere il massimo da un prodotto basato sulla tecnologia LED può essere difficile a causa di un fattore importante: come la temperatura di esercizio può determinare una differenza sostanziale tra le prestazioni pubblicizzate e quelle effettive di un prodotto basato su LED.
Fattori importanti in questo effetto sono la qualità dei LED, il design del prodotto e la gestione del calore: quanta parte del calore generato durante il funzionamento viene convogliato via.

Se il calore è ben gestito, un prodotto di illuminazione a LED avrà prestazioni come pubblicizzato, lunga durata e sarà ad alta efficienza energetica.

Le basi della gestione del calore dei LED

I LED utilizzano elettricità e questo processo genera calore. Questo calore deve essere convogliato via dal LED nell'ambiente nel modo più efficiente possibile. La progettazione del LED stesso e dell'apparecchio per questo scopo si chiama gestione del calore. Il calore da smaltire è direttamente proporzionale al flusso luminoso e al consumo energetico del LED.

Il calore viene convogliato via un circuito termico.

Un semplice esempio di circuito termico inizia con il LED die, continua attraverso il LED pad fino al PCB, il dissipatore di calore e infine l'ambiente.

Ogni elemento di questa catena gioca un ruolo chiave nel calore complessivo con cui i dati sono convogliati via e ha il potenziale per essere un collo di bottiglia, per rallentare le cose. Questo deve essere evitato scegliendo l'attrezzatura giusta.

Nel caso di un circuito termico, ogni elemento impedisce il passaggio del calore, un fenomeno chiamato resistenza termica.

La resistenza termica è l'equivalente di un collo di bottiglia in una rete dati. Per avere una resistenza termica minima sono necessari materiali adeguati e un design intelligente.

La resistenza termica è misurata in °C/W. Un valore 1°C/W significa che per ogni Watt di potenza assorbita dai LED la resistenza termica (calore non trasferito) è di 1°C.

Diciamo che abbiamo un array di 4 LED (come nell'immagine sotto) ciascuno con un consumo di 1 Watt (Pled = 1 Watt, Ptotal=4 Watt a 350mA).

La temperatura di colore della luce diurna cambia durante il giorno, da 2000K all'alba e al tramonto a 5500-6500K a mezzogiorno. All'ombra in può anche andare a 8000-10000K.

Le sorgenti luminose artificiali sono disponibili con tutte le relative temperature di colore della luce solare. Alcune di esse, come le lampade ad incandescenza, possono essere prodotte con una sola temperatura di colore: 2700K. I LED sono sorgenti luminose che possono essere prodotte con tutte le temperature di colore da 2000K a 10000K, mentre le più diffuse si trovano nella gamma 2700-6500K.

La nostra scelta della temperatura di colore per le luci a LED che acquistiamo dipende da dove vogliamo utilizzarle, da quale atmosfera vogliamo creare un comportamento per potenziare.

Principi di base dei LED:

Un LED (light-emitting diode) è una fonte di luce a semiconduttore che emette luce quando la corrente vi scorre attraverso. La luce è energia sotto forma di fotoni che emettono quando gli elettroni nel semiconduttore si ricombinano con i buchi degli elettroni.

Più alto è il flusso di corrente, più luminoso diventa il LED. Tuttavia, il circuito non è perfetto e una parte della corrente viene convertita in calore invece che in luce. Quando la corrente raggiunge un certo valore, il calore generato è così alto che il semiconduttore viene danneggiato in modo permanente. Nella maggior parte delle schede tecniche dei LED, questo importante limite è specificato come "Corrente massima assoluta".

Anche se il LED funziona al di sotto della corrente massima, il calore danneggia lentamente il LED, facendo diminuire gradualmente il suo flusso luminoso (uscita di luce). Il tempo in cui il flusso luminoso del LED è solo il 70% del valore iniziale è comunemente indicato come "vita del LED".

Per far sì che i LED abbiano una vita molto lunga di 50.000h o più, è necessario un livello di corrente ben al di sotto della corrente massima assoluta, che viene definita come la corrente "tipica"o"raccomandata".

Sorgente di corrente costante per la corrente raccomandata

Far funzionare un LED alla corrente raccomandata richiede un circuito esterno, una fonte di corrente costante. Senza di essa, la corrente nel LED aumenta esponenzialmente con la tensione applicata, in quanto un piccolo cambiamento di tensione si traduce in un grande cambiamento di corrente fino a raggiungere la corrente massima e il LED si brucia.

Il circuito esterno, fonte di corrente costante può essere una semplice resistenza per LED a bassa potenza (max 100mA a 3V) o un dispositivo autonomo chiamato LED driver. 

I driver LED sono disponibili in molte forme, dimensioni e livelli di potenza e molti accettano l'ingresso 230 VAC. Alcuni driver LED dedicati accettano ingressi VDC a livelli più alti dell'uscita (convertitori buck) o livelli più bassi (convertitori boost).

Una caratteristica comune dei driver LED è che forniscono un'uscita a corrente costante (CC out) entro un intervallo di tensione. Questo intervallo di tensione di uscita è specificato nella scheda tecnica del driver LED. Per esempio, un driver LED con 350mA CC in uscita a 1-10V può alimentare in modo sicuro un LED se la tensione richiesta per 350mA è all'interno dell'intervallo 1-10V. Gli esempi includono un LED rosso 2V @ 350mA, un LED bianco 3V @ 350mA, o un COB LED 9V @ 350mA.

Teoricamente, è ottimale usare un driver LED per ogni LED, un approccio che è impraticabile da molti punti di vista, per la maggior parte dei tipi di LED. Fanno eccezione i LED COB con potenze molto elevate, da 50W in su.

Circuiti elettrici in serie e in parallelo

Per illuminare una stringa o un array di LED da un driver LED, i LED devono essere collegati in un circuito elettrico. Questo può essere un circuito in serie o in parallelo.

Spiegheremo questi circuiti con esempi utilizzando le nostre popolari strisce LED LinearZ da 56 cm, con SunLike TRI-R CRI97+ LED, Nichia Optisolis CRI98+ LEDs o speciali Nichia Rsp0a Horticulture LEDs:

1. Collegamento in serie con Strisce LED LinearZ Sunlike CRI97+:

Una LinearZ 56 cm Toshiba-SSC LED Strip Zhaga Sunlike CRI97 warm white 2700K ha la corrente consigliata a 350mA, raggiunta alla tensione di 39.5VDC.

Un circuito in serie con due, tre o quattro strisce LED LinearZ è mostrato qui sotto:

Il collegamento in serie viene applicato collegando il terminale positivo (+) della prima striscia LED al terminale negativo (-) della seconda striscia LED. Questo schema si ripete per altre strisce LED, dal negativo (-) della seconda striscia al positivo (+) della terza striscia e così via. Allo stesso tempo, il negativo (-) della prima striscia LED è cablato al (+) della seconda, poi il (-) della seconda al (+) della terza e così via. 

In un collegamento in serie di strisce LED, la corrente della stringa è uguale alla corrente della prima striscia LED, mentre la tensione è la somma delle tensioni di tutte le strisce LED (tensione del primo LED moltiplicata per il numero di strisce LED):

1 x LinearZ 56 cm Sunlike CRI97+: 350mA a 39.5VDC

2 x LinearZ 56 cm Sunlike CRI97+ strisce LED in serie: 350mA a 79VDC (= 39.5VDC x 2)

3 x LinearZ 56 cm Sunlike CRI97+ strisce LED in serie: 350mA a 118.5VDC (= 39.5VDC x 3)

4 x LinearZ 56 cm Sunlike CRI97+ strisce LED in serie: 350mA a 158VDC (= 39.5VDC x 4)

2. Collegamento in parallelo con Nichia Rsp0a Horticulture strisce LED:

Il circuito parallelo viene applicato collegando il positivo (+) della prima striscia LED al (+) della seconda striscia LED. Questo schema si ripete per altre strisce LED, dal (+) della seconda striscia al (+) della terza striscia e così via.

Al tempo stesso il negativo (-) della prima striscia LED è cablato al (-) della seconda, poi il (-) della seconda al (-) della terza e così via.

 

In un circuito parallelo di strisce LED, la corrente della stringa è la somma di tutti i valori di corrente delle strisce, mentre la tensione è uguale a quella della prima striscia LED:

1 x LinearZ 56 cm Nichia Rsp0a Horticulture: 350mA a 37.5VDC

2 x LinearZ 56 cm Nichia Rsp0a Horticulture strisce LED in parallelo: 700mA(= 350mA x 2) a 37.5VDC

3 x LinearZ 56 cm Nichia Rsp0a Horticulture strisce LED in parallelo: 1050mA(= 350mA x 3) a 37.5VDC

4 x LinearZ 56 cm Nichia Rsp0a Horticulture strisce LED in parallelo: 1400mA(= 350mA x 4) a 37.5VDC

3. Circuito combinato con LinearZ Nichia Optioslis strisce LED

Serie e circuiti paralleli possono essere combinati, per esempio:

Creiamo un gruppo di due LinearZ Nichia Optioslis strisce LED in serie. Poiché una striscia LED ha 350mA a 39,5VDC, il gruppo avrà 350mA a 79VDC (= 39,5VDC x 2)

Questo gruppo lo colleghiamo in parallelo a un secondo gruppo, identico al primo (350mA a 79VDC). Allora i valori della stringa saranno: 700mA (=350mA x 2) e 79VDC (=39,5V x 2).

Quanto sopra può valere anche per i singoli LED. Sul nostro LumiFlex700 Pro Toshiba-SSC LED Strip Sunlike CRI97, segmenti di 7 LED in serie sono collegati in parallelo per una lunghezza totale di 5 metri. Il circuito totale richiede un driver a tensione costante di 24VDC.

 

4. Selezionare il driver LED per una stringa di strisce LED

Prima di selezionare il driver LED bisogna conoscere il valore di corrente e tensione della stringa di strisce LED e il tipo di ingresso: corrente costante o tensione costante.

Esempi:

1 x LinearZ 56 cm Sunlike CRI97+ strisce LED: 350mA a 39.5VDC richiederà il driver LED a corrente costante Mean Well LPC-20-350 con uscita 350mA a 9 > 48VDC.

1 x PowerBar V3 LED Module Aluminium UV 365nm 12180mW 700mA a 44.4VDC può utilizzare un driver LED a corrente costante Mean Well LCM-40 con 700mA di uscita a 2 > 57VDC.

2 x LinearZ 56 cm Nichia Rsp0a Horticulture strisce LED in parallelo: 700mA(= 350mA x 2) a 37.5VDC possono essere collegati ad un driver LED a corrente costante Mean Well LCM-40 con impostazione di uscita 700mA a 2 > 57VDC.

3 x LinearZ 56 cm Sunlike CRI97+ strisce LED in parallelo: 1050mA(= 350mA x 3) a 39.5VDC richiedono un driver LED a corrente costante Mean Well LCM-60 con impostazione di uscita 1050mA a 2 > 57VDC.

4 x Strisce LED LinearZ Nichia Optioslis in parallelo: 1400mA(= 350mA x 4) a 39.5VDC necessitano di un driver LED a corrente costante Mean Well LCM-60 con impostazione di uscita 1400mA a 2 > 42VDC. 

5 metri di LumiFlex700 Pro Toshiba-SSC Strisce LED Sunlike CRI97 funzionano a 24VDC e hanno un consumo totale di 96W (=19,2W x 5). In questo caso possiamo usare un driver LED a tensione costante a 24V, come HLG-150H-24B con 150W di uscita massima.

10 metri di LumiFlex350 Pro Samsung Strisce LED CRI90 funzionano a 24VDC e hanno un consumo totale di 126W (=12,6W x 5) possono funzionare anche con il HLG-150H-24B.

Disclaimer:

Questo articolo è solo a scopo informativo. Non è una guida all'installazione. Le strisce LED e gli altri componenti elettrici devono essere installati da personale qualificato (come un elettricista).

Il CRI è un numero che quantifica la capacità della fonte artificiale di riprodurre i colori, rispetto all'illuminante standard di riferimento modellato sulla luce del giorno. È stato introdotto dalla Commissione Internazionale per l'Illuminazione (CIE) nel 1974, a causa della grande variazione nella capacità di riprodurre i colori con la luce bianca emessa dai molti tipi di lampade a gas allora sul mercato. Oggi, con oltre 40 anni di utilizzo, l'indice CRI è saldamente radicato nell'industria dell'illuminazione e tra i professionisti. Dagli anni 2000 in poi, la tecnologia LED ha esposto i limiti del metodo di test dell'indice CRI.

Per saperne di più

L'efficacia luminosa dei LED misura l'efficacia con cui una sorgente luminosa produce luce visibile. Per i LED è il rapporto tra flusso luminoso e potenza elettrica.

La massima efficienza luminosa oggi è di 220 lumen/watt dei LED Nichia 757G con molti altri produttori che offrono LED nella gamma 120-180 lumen per watt. I LED a basso costo hanno un'efficacia di 50 lumen per watt.

Massime efficienza LED	Alta efficienza LED	Buone efficienza LED	Basso efficienza LED
220 lm/W	150-200 lm/W	100-149 lm/W	50-99 lm/W

Un esempio di valore CRI per diverse lampade è riportato di seguito:

Il numero CRI è ottenuto con un metodo standard sperimentale e matematico di calcolo sullo spettro della sorgente luminosa analizzata, illuminando una serie di otto colori di riferimento.

Il LED è l'unica sorgente luminosa che perde una quantità significativa della sua luminosità iniziale nel tempo, prima che si esaurisca completamente. Questa particolarità può portare ad una confusione sul significato della durata di vita dei LED.

Per tutti i produttori e venditori rispettabili di illuminazione, la vita del LED è uguale alla vita di L70 che è il tempo che impiega il LED per raggiungere il 70% della luminosità iniziale. A questo punto il LED è considerato a fine vita e deve essere sostituito.

1. Come misurare la durata del LED?

Con i LED come la serie Nichia 757 con più di 60.000 ore di vita L70 si pone la questione di chi testa un LED per così tanto tempo? Un anno ha 8760 ore, quindi un test di 60.000 ore durerà più di 6 anni!

Per risolvere questo problema l'industria ha creato lo standard di misura IES LM80-80-2008 e lo standard IES TM21-2011 per la manutenzione a lungo termine di sorgenti luminose a LED.

2.IES LM80

IES LM80 o "Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources" è il metodo standard del settore per testare i LED per determinare il deprezzamento del flusso luminoso nel tempo. Si svolge in un periodo di 6000 - 10.000 ore, con un flusso luminoso misurato a intervalli di 1000 ore di più LED dello stesso tipo, funzionanti a correnti e temperature di esercizio diverse.

Il test LM80 è un metodo approvato dal Department of Energy (DOE) per misurare il deprezzamento del lume di sorgenti luminose a stato solido (LED), array e moduli. L'Illumination Engineering Society (IES) e il gruppo DOE Solid State Lighting Standards Development Group hanno lavorato insieme per creare i criteri di test LM80.

Curva di degradazione LM80 di una sorgente luminosa LED in un caso specifico, temperatura ambiente e corrente di pilotaggio (esempio).

Quando si progetta, si costruisce o si installa una luce UV, bisogna prima rispondere a due domande chiave:

"Quale irraggiamento deve avere?"

"Qual è il tempo di esposizione richiesto?"

Mentre ci sono molti studi che dimostrano l'efficacia della luce UV nella disinfezione o nella sterilizzazione, esiste un'elevata varianza dei risultati, che rappresenta una sfida per trovare una risposta a queste domande.

Presenteremo le nostre raccomandazioni analizzando i risultati di 413 lavori di ricerca, come si trova nella compilation "Fluence (UV Dose) Required for up to 99% disinfection from Viruses, Bacteria, Protozoa and Algae" che può essere scaricata ai link sottostanti:

PDF: Fluence (UV Dose) Required to Achieve Incremental Log Inactivation of Bacteria, Protozoa, Viruses and Algae

Gli studi di ricerca presentano la fluenza necessaria per ottenere una "riduzione del log" da 1 a 5, per diversi tipi di sorgenti UV.

L'efficacia della sterilizzazione o disinfezione con luce UV dipende dall'esposizione, dal tempo, dalla lunghezza d'onda e dall'irraggiamento.