Principi di base del LED – definizione, struttura e funzionamento
Fari a LED
Qui troverete informazioni utili e suggerimenti importanti sul tema dei proiettori a LED nei veicoli.
I LED stanno sostituendo, al momento, le classiche lampadine a incandescenza nei moderni autoveicoli. Non offrono solamente un'elevata efficienza luminosa e maggiore sicurezza, ma anche molte opzioni di configurazione e un elevato potenziale di risparmio energetico. Gli amanti della tecnologia possono, con questa pagina, migliorare le proprie conoscenze sui principi di base della tecnologia LED all'interno dell'autoveicolo. Inoltre scoprirete le misure da osservare durante la regolazione di proiettori a LED moderni.
Avviso importante per la sicurezza
Le informazioni tecniche e i suggerimenti pratici riportati di seguito sono stati redatti da HELLA per offrire un'assistenza professionale alle officine. Le informazioni contenute in questo sito web devono essere utilizzate esclusivamente da personale tecnico specializzato.
INDICE
PRINCIPI DI BASE DEL LED – DEFINIZIONE, STRUTTURA E FUNZIONAMENTO: PRINCIPI DI BASE
Il diodo luminoso viene anche denominato diodo a luminescenza o, in breve, LED. LED è l'acronimo di "Light Emitting Diode" (diodo a emissione luminosa), perché converte l'energia elettrica in luce. Dal punto di vista fisico è una fonte di luce fredda e un dispositivo elettronico a semiconduttore dell'optoelettronica con una conducibilità compresa tra quella dei conduttori (ad es. metalli, acqua, grafite) e dei non conduttori (ad es. non metalli, vetro, legno).
Struttura
I diodi luminosi sono disponibili su richiesta in diverse grandezze, forme e colori. Nella sua versione classica (LED standard) ha una forma vagamente cilindrica e presenta una semisfera nel punto di emissione della luce.
I diodi luminosi semplici comprendono i seguenti componenti
- Chip a LED
- Vano riflettore (con contatto verso il catodo)
- Filo dorato (contatto verso l'anodo)
- Lente in plastica (unisce e fissa i componenti)
Piccolo e resistente - Il diodo ad alta potenza
I diodi ad alta potenza sono dotati di un grosso componente grezzo metallico che provvede a una migliore termoregolazione. Dal momento che il calore viene dissipato più facilmente, una maggiore quantità di corrente può attraversare il diodo, l'emissione luminosa avviene su una superficie più grande e la potenza luminosa è maggiore. Rispetto a un semplice LED da 5 mm, la resistenza termica è ridotta di dieci volte. Nella pratica questo vuol dire che un diodo ad alta potenza, quale ad esempio Luxeon Rebel, ha una superficie di emissione quadrata di 1 mm e un rendimento di circa 40-100 lumen. La potenza di un LED standard da 5 mm svanisce invece. Con una dimensione di 0,25 mm e una potenza inferiore a 0,1 W e 20-30 mA, raggiunge solo un rendimento di 1-2 lumen.
La forma piccola e piatta dei LED permette una grande libertà di configurazione per il design di prodotti orientati al futuro: ad esempio moduli per luci di marcia diurna "LEDayFlex" per autovetture, camion e autocaravan.
Forme
I diodi luminosi sono di diversi tipi e forme. A seconda del settore di applicazione si distinguono per struttura, potenza e vita utile. Tra i LED più importanti rientrano:
Diodi luminosi a filo
L'apripista di tutti i LED sono i diodi luminosi a filo, utilizzati principalmente per scopi di controllo. In combinazione con diversi LED, si utilizzano oggi anche come faretti a LED, lampade o moduli fluorescenti tubolari. Sono disponibili nelle dimensioni da 3, 5 e 10 mm. Il catodo, il polo negativo di un LED a filo, si riconosce dal fatto che è più corto dell'anodo (polo positivo) e il rivestimento in plastica è appiattito. L'angolo di uscita della luce viene definito dalla forma a lente dell'alloggiamento.
SuperFlux
Più efficienti dei semplici LED a filo sono i LED SuperFlux che hanno max quattro chip (cristalli semiconduttori). Tra i modelli utilizzati di frequente rientrano "Piranha" e "Spider". Si contraddistinguono per un grande angolo di irraggiamento e vengono in particolare utilizzati nell'ambito dell'illuminazione delle superfici, poiché la luce viene emanata in piano. Una buona dispersione termica viene garantita da quattro contatti che possono essere azionati singolarmente. La struttura degli High Flux garantisce una vita utile elevata rendendoli così una sorgente luminosa efficiente utilizzabile universalmente.
SMD
SMD è l'acronimo di "Surface Mounted Device" e significa che il diodo viene impiegato nell'ambito dell'installazione in superficie. I LED SMD sono costituiti per lo più da tre-quattro chip e da contatti saldati sul circuito stampato o sulla superficie di collegamento corrispondente. In riferimento alla densità di corrente sono relativamente insensibili e possono quindi illuminare intensamente. Le versioni del LED SMD sono estremamente versatili. Le dimensioni, la forma dell'alloggiamento e l'intensità del flusso luminoso possono essere personalizzate. In combinazione con altri diodi luminosi SMD, si utilizzano nelle lampade o nei moduli fluorescenti tubolari. Nell'industria automobilistica vengono principalmente utilizzati per indicatori di direzione, luci di arresto o luci di marcia diurna.
High Power
I LED High Power sono diodi luminosi potenti e resistenti, che in condizioni operative ottimali possono essere azionati con correnti di 1000 mA. Vengono applicati per lo più su circuiti stampati con nucleo in metallo. La loro struttura fuori del comune comporta requisiti elevati per il Thermo Management.
COB
Il LED "Chip On Board" (COB) è il diodo luminoso meglio sviluppato. Porta questo nome perché viene fissato direttamente sulla scheda. Tale condizione avviene tramite "concentrazione" fissando i chip sul circuito stampato dorato in modo completamente automatico. Il contatto con il polo opposto avviene tramite un filo d'oro o alluminio. Poiché nei LED COB non vengono utilizzati riflettori oppure ottica a lente, l'angolo di irraggiamento della luce emanata è molto grande. I più grandi vantaggi della tecnologia COB risiedono nella forte luminosità, nell'illuminazione omogenea e negli ampi ambiti di applicazione.
Ma da cosa è costituito generalmente un LED?
Essenzialmente un LED è costituito da diversi strati di collegamenti a semiconduttore. I semiconduttori, come il silicio, sono materiali che data la loro conducibilità elettrica vengono posti tra i conduttori, come i metalli argento e rame, e i non-conduttori (isolanti), come il teflon e il vetro di quarzo. L'integrazione mirata di sostanze estranee, efficaci dal punto di vista elettrico, (drogaggio) consente di influenzare fortemente la conducibilità dei semiconduttori. I diversi strati a semiconduttori formano il chip LED. Dall'assemblaggio di questi strati (diversi semiconduttori) dipende in modo determinante l'efficienza luminosa (efficienza) del LED e il colore della luce.
Se il LED viene attraversato da una corrente diretta (dall'anodo + al catodo -) si genera luce (emissione).
Lo strato drogato n viene creato inserendo atomi estranei in modo tale che si generi un gran numero di elettroni. Nello strato ???????????? sono presenti solo pochi di questi portatori di carica. Per questo motivo esistono le cosiddette lacune elettroniche (buchi). Generando una tensione elettrica (+) sullo strato??????? ? e una (-) sullo strato drogato n, i portatori di carica si muovono l'uno sopra l'altro. Nella giunzione p-n si verifica una ricombinazione (ricombinazione di particelle con carica opposta con una struttura neutra). In questo processo viene sprigionata energia sotto forma di luce.
Caratteristiche elettriche – Perché una corrente troppo elevata è dannosa
Generando tensione su un diodo luminoso, la sua resistenza si azzera. I diodi luminosi sono componenti estremamente sensibili, in cui già il minimo superamento del valore di corrente consentito causa un guasto. Quindi è assolutamente necessario verificare che i diodi luminosi non vengano mai posizionati nelle immediate vicinanze di una sorgente di tensione. Possono essere collegati solo se è integrato un limitatore di corrente o una preresistenza nel circuito elettrico. Nei LED ad alta potenza l'azionamento avviene tramite un ballast che fornisce una corrente costante.
La figura a fianco chiarisce un circuito di corrente necessario per una potenza di funzionamento ottimale del LED. In questo caso la preresistenza viene utilizzata come limitatore che controlla la corrente di passaggio IF che passa attraverso il diodo luminoso. Per scegliere la resistenza adeguata, si deve stabilire innanzitutto la tensione di passaggio UF.
Per calcolare la preresistenza RV si devono conoscere la tensione complessiva, la tensione di passaggio e la corrente di passaggio.
Circuito di corrente
Formula preresistenza RV
Comando dei LED
Dato che necessitano solo di poca corrente, i LED si accendono non appena ricevono una frazione (pochi mA) della corrente di passaggio consentita, spesso sufficiente a garantire una luce minima. Come già citato, in base all'ambito di applicazione esistono diverse possibilità di comando dei LED.
Possibilità di comando dei LED
Il futuro del LED – condizioni di luminosità ottimali sul veicolo
A causa dei suoi elevati costi di acquisto, nell'industria automobilistica il LED finora è stato rappresentato soltanto nel segmento Premium, ma col tempo si affermerà. Infatti, oltre agli aspetti economici, sono soprattutto le motivazioni tecniche a parlare a favore di un montaggio di serie dei LED.
I diodi luminosi affascinano per funzionalità, prestazioni tecniche e resa luminosa ottimale. Supportano il risparmio delle risorse energetiche e provvedono a garantire una maggiore sicurezza nel traffico su strada. Inoltre il colore della luce, simile a quello della luce diurna, consente una migliore e gradevole percezione soggettiva.
Il mercato dei LED per luci e proiettori si svilupperà in modo permanente in due direzioni: da un lato acquisterà maggiore importanza il segmento Premium, che richiede elevata funzionalità ed ottima efficienza luminosa. Dall'altro verrà incentivato il settore economico ed ecologico, che oltre ad un consumo energetico ridotto offre anche soluzioni favorevoli dal punto di vista dei costi. Molto sviluppati, funzionali, economici: i LED offrono molte possibilità.
Ottiche a LED sull'auto
Vi sono diversi metodi per convogliare la luce in una determinata direzione. Le principali procedure di orientamento della luce per l'illuminazione su autoveicoli sono la riflessione, la rifrazione e il funzionamento ibrido (una combinazione di riflessione e rifrazione).
Esempi di tecniche di orientamento della luce
La luce è generata dai moduli luminosi combinati
Dato che necessitano solo di poca corrente, i LED si accendono non appena ricevono una frazione (pochi mA) della corrente di passaggio consentita, spesso sufficiente a garantire una luce minima. Come già citato, in base all'ambito di applicazione esistono diverse possibilità di comando dei LED. A fianco sono riportate tre di queste possibilità.
THERMO MANAGEMENT: PRINCIPI DI BASE
Il Thermo Management riveste un ruolo decisivo nell'utilizzo dei diodi luminosi, poiché tali componenti reagiscono al calore in modo molto sensibile.
I diodi luminosi sono fonti di luce fredda, poiché emettono luce ma pressoché nessuna radiazione UV o IR. La luce emanata agisce a freddo non riscaldando gli oggetti irradiati. Il LED viene tuttavia riscaldato dal processo di produzione della luce. Fino all'85% dell'energia viene convertito in calore. Minore è la temperatura, più il LED sarà chiaro e durerà a lungo. Occorre perciò assolutamente provvedere a un raffreddamento adeguato. Oltre al calore autoprodotto, nei proiettori o luci occorre considerare anche altre sorgenti di calore, come il calore del motore, i raggi solari ecc. Quindi oggi in base al LED e al suo ambito di impiego, vengono anche utilizzate diverse tecniche per l'incremento del trasferimento o della dissipazione del calore.
Esempi
a) Dissipatore ad alette
b) Dissipatore a dita
c) Dissipatore con "heatpipe"
Inoltre vi è per lo più la possibilità di regolare la corrente per i LED. In condizioni estreme è possibile ridurre la potenza dei LED fino ad una certa misura, per ridurre in questo modo la produzione di calore. Per aumentare ulteriormente il raffreddamento, la circolazione dell'aria tra gli elementi di raffreddamento viene aumentata attraverso ventole assiali o radiali.
Dissipatore ad alette
Ventole assiali Audi A8
I VANTAGGI DEI LED: CONFRONTO
I diodi luminosi convincono sotto diversi punti di vista. Sicuramente sono più costosi delle normali lampadine a incandescenza o alogene, ma il loro uso è conveniente già dopo poco tempo. È proprio il settore automobilistico a trarre vantaggio dalle caratteristiche positive dei LED applicandole in misura sempre maggiore nei veicoli nuovi sulla base dei seguenti vantaggi:
| Sorgente luminosa | Flusso luminoso [lm] | Efficienza [lm/W] | Temperatura di colore [K] | Luminanza [Mcd/m2] |
|---|---|---|---|---|
| Lampadina convenzionale W5W | ~ 50 | ~ 8 | ~ 2700 | ~ 5 |
| Lampadina alogena H7 | ~ 1100 | ~ 25 | ~ 3200 | ~ 30 |
| Scarica in gas D2S | ~ 3200 | ~ 90 | ~ 4000 | ~ 90 |
| LED da 2,5 Watt | ~ 120 (2010) ~ 175 (2013) | ~ 50 (2010) ~ 70 (2013) | ~ 6500 | ~ 45 (2010) ~ 70 (2013) |
I vantaggi principali
- Ridotto consumo energetico
- Lunga vita utile
- Resistenza agli urti e alle vibrazioni
- Sviluppo ridotto di calore
- Esenti da costi di manutenzione o di pulizia
- Esenti da mercurio
- Buon limite di abbagliamento
- Esenti da inerzia, comandabili e modulabili
- Riproduzione luminosa di alta qualità
- Diverse forme costruttive (utilizzabili quasi ovunque)
- Disposizione individuale della sorgente luminosa
- La temperatura della luce si mantiene durante il dimmer
- Colore della luce regolabile
- Costi di produzione ridotti
- Aumento quantità di luce/chip
- Guasti precoci estremamente ridotti
- Dimensioni ridotte
- Esenti da raggi UV o IR
- Bassa potenza assorbita
- Luce orientata – dispositivo di irraggiamento Lambert con angolo di irraggiamento di 120°
- Elevata saturazione di colore
Ottimizzazione del consumo energetico e dei potenziali di risparmio mediante LED
La tutela ambientale e l'aumento dei prezzi del carburante sono i due argomenti più persuasivi per spiegare perché il tema del risparmio energetico è più attuale che mai. Al momento dell'acquisto di un veicolo, l'attenzione si concentra attualmente in modo univoco sul consumo di carburante. Tuttavia, troppo spesso si tralascia il potenziale di risparmio che riguarda il fabbisogno energetico dell'illuminazione del veicolo.
Il grafico di cui sopra rappresenta il fabbisogno energetico al 100% di un veicolo, equipaggiato con una combinazione di lampadine a incandescenza (gruppi ottici posteriori) e lampadine alogene (proiettori). È facilmente riconoscibile il maggiore utente di energia elettrica. Il 60% del fabbisogno energetico richiesto è necessario solo per la luce anabbagliante.
Già l'uso di una combinazione di luci allo xeno e di LED provoca una riduzione del fabbisogno energetico del 39%.
Se si utilizza esclusivamente l'illuminazione a LED, il consumo energetico si riduce del 60% circa.
Risparmio di carburante nella combinazione di diverse sorgenti luminose
| Configurazione del veicolo (proiettore/gruppo ottico posteriore) | Consumo di carburante [l/100 km] | Emissione di CO2 [kg/100 km] | Riduzione |
|---|---|---|---|
| Alogena/tradizionale | ~ 0,126 | ~ 0,297 | - |
| Allo xeno/LED | ~ 0,077 | ~ 0,182 | 39% |
| LED/LED (potenziale per 2015) | ~ 0,051 | ~ 0,120 | 60% |
Consumo di carburante ed emissione di CO2 con tempo di funzionamento medio dell'illuminazione
| Sistema TFL | Consumo di carburante [l/100 km] | Emissione di CO2 [kg/100 km] | Riduzione |
|---|---|---|---|
| Proiettori alogeni | ~ 0,138 | ~ 0,326 | - |
| LED (funzione TFL separata) | ~ 0,013 | ~ 0,031 | 91 % |
Consumo supplementare di carburante ed emissione di CO2 per luci di marcia diurna (TFL)
| Confronto tra le sorgenti luminose | Consumo di carburante |
|---|---|
| Configurazione lampadine alogene/a incandescenza | 0,10 – 0,25 l /100 km |
| Configurazione xeno/LED | 0,05 – 0,15 l /100 km |
| Configurazione completamente a LED (potenziale 2015) | 0,03 – 0,09 l /100 km |
Consumo di carburante in base alla configurazione di illuminazione (veicolo OE)
Riduzione dello spazio di frenata – con LED sul lato sicuro
In tutto il mondo sta aumentando il numero di veicoli omologati. L'aumento del traffico sulle strade comporta sempre più spesso tamponamenti. Per prevenirli, è importante la rapida percezione dei segnali luminosi da parte del conducente. Mentre una normale lampadina ad incandescenza impiega fino a 0,2 secondi per accendersi, il LED reagisce direttamente. Non necessita di una fase di riscaldamento accendendosi immediatamente dopo aver azionato il pedale del freno. Il veicolo posteriore può quindi reagire più velocemente al processo di frenata di quello anteriore.
Esempio
Due auto viaggiano l'una dietro l'altra ad una velocità di 100 km/h (distanza di sicurezza 50 m). Il veicolo che segue frena: grazie all'attivazione immediata dei LED, il conducente del veicolo che precede può reagire quasi nello stesso momento e frenare a sua volta. In questo modo lo spazio di frenata si riduce di circa 5 m. Questo implica un notevole aumento della sicurezza.
REGOLAZIONE DELLA LUCE DEI PROIETTORI A LED SULL'ESEMPIO DELL'AUDI A8: ISTRUZIONE
Generalmente tutti i proiettori a LED possono essere regolati con un apposito dispositivo standard. I proiettori a LED con una sola lente ottica (luce anabbagliante) vengono gestiti nel controllo e nella regolazione della distribuzione della luce esattamente come tutti gli altri proiettori con una sola sorgente luminosa. In alcuni proiettori con diverse sorgenti luminose occorre prestare attenzione a una particolarità. La struttura di alcuni proiettori rende la lente convessa del dispositivo di regolazione semplicemente troppo piccola per rilevare la luce emanata (luce anabbagliante) di tutti i LED. In alcuni casi è importante conoscere il LED responsabile per una determinata funzione di illuminazione.
Fari a LED Audi A8 - luce anabbagliante
Nella preparazione del veicolo si devono rispettare scrupolosamente le prescrizioni del costruttore. Questo viene chiarito con la luce anabbagliante dell'Audi A8. Come detto in precedenza, tre LED disposti verticalmente generano sia una componente simmetrica sia una asimmetrica della luce anabbagliante.
Regolazione della distribuzione della luce
Pertanto il dispositivo di regolazione deve essere orientato con queste lenti. Se il dispositivo di regolazione dei proiettori viene orientato secondo le prescrizioni, la distribuzione della luce può essere regolata come di consueto.
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