Luce a LED: presente e futuro dell’illuminazione terrestre

Il 2014 è stato l’anno in cui Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shūji Nakamura hanno vinto il prestigiosissimo Premio Nobel per la Fisica “per l’invenzione del LED blu, che ha reso possibile la produzione di luminose sorgenti di luce bianca a risparmio energetico”.

In che cosa consiste la tecnologia LED blu , e perchè quest’invenzione sta rivoluzionando il mondo dell’illuminotecnica?

Prima di parlare del LED dobbiamo fare una piccola introduzione su cosa è un Diodo. Un diodo è il più semplice tipo di semiconduttore esistente, cioè è un materiale capace di far passare o meno elettricità. Nel caso dei Led, il materiale usato (che dipende dal colore della luce che s’intende avere) è tale da garantire un perfetto bilanciamento tra cariche positive e negative e che quindi non lascia elettroni liberi in grado di far passare corrente elettrica. Una parte di questo materiale viene modificato aggiungendo cariche positive da un lato e cariche negative dall’altro (questo processo di aggiunta di cariche positive e negative è detto drogaggio).

giunzione p-n
Giunzione p-n

La regione con cariche positive aggiunte è detta P-region mentre l’altra N-region (da cui deriva il termine di giunzione p-n). Quando nel chip non è applicato alcun voltaggio (a differenza delle lampadine che usano un filamento opportunamente riscaldato per produrre luce, i Led non hanno niente altro che un piccolo chip) , gli elettroni di carica negativa trovano e riempiono i buchi (con carica positiva) nella zona di contatto (al centro del chip), formando una giunzione detta anche depletion zone. In questa giunzione, tutti i buchi risultano riempiti e quindi formano una barriera isolante in cui nessuna carica può circolare da una regione all’altra. Per eliminare la giunzione, bisogna far si che le cariche negative passino dalla regione N alla regione P e le cariche positive facciano l’inverso. Per ottenere questo è necessario connettere una batteria al diodo facendo attenzione che il polo negativo sia connesso alla regione N.

led light
Led: produzione luce

In questa maniera, gli elettroni liberi nella regione N, respinti dalle cariche negative si spostano verso la regione P. Allo stesso modo, i buchi della regione P si muovono verso la regione N. Questo passaggio avviene in quanto la tensione che genera la batteria indebolisce la barriera isolante nella giunzione p-n e gli elettroni sono liberi di ricombinarsi con le lacune aventi un quantitativo di energia inferiore. Questa differenza di energia genera i fotoni producendo la luce che vediamo.

Il Led (Light Emitting Diode) è proprio questo, cioè un particolare tipo di diodo che emette una piccola quantità di luce se attraversato da una corrente elettrica. Esso è formato internamente da un chip di materiale semiconduttore (con caratteristiche descritte sopra) ed esternamente da due filamenti, uno più corto (che indica la parte negativa del led) ed uno più lungo (ovviamente la positiva).

LED-lights

 

Performance: efficienza, durata ed aspetti ambientali a confronto

Efficienza. Una lampada ha una maggiore efficienza luminosa quanto più è in grado di emettere uno spettro adatto alla percezione umana. Attualmente i led hanno un efficienza luminosa fino a 120 lm/W, rispetto ai:
-13 lm/W delle lampade ad incandescenza
-16 lm/W per le alogene
-50 lm/W per le fluorescenti

Durata. I LED mantengono il 70% dell’emissione luminosa iniziale ancora dopo 50.000 ore. Con ciò non è detto che bisogna necessariamente sostituirli dopo tale periodo, se tale riduzione non crea eccessivi fastidi si possono tranquillamente utilizzare fino alla completa perdita di luminosità, stimata in 100.000 ore. Confrontando la durata dei led rispetto alle lampade tradizionali e ipotizzando un funzionamento medio di 6 ore al giorno, notiamo che:
-la vita media di una lampadina a filamento è di circa 1000/1500 ore (250 giorni)
-la vita media di una lampada a scarica è di 4.000 ore circa (666 giorni)
-la vita media di una lampada fluorescente è di 6.000 ore (1.000 giorni)
-la vita media di una lampada a led è di 50.000 ore (8.333 giorni)

Risparmio energetico. Il risparmio energetico è stimato dal 50% al 70% rispetto ai sistemi tradizionali. Infatti, è possibile sostituire le lampade fluorescenti con quelle a Led che consumano meno watt. Per esempio, una normale lampada a neon consuma 40 W rispetto ai 17 W di un tubo a Led.

Non inquina e non contiene sostanze pericolose. Il led contiene polvere di silicio, non contiene gas nocivi alla salute e non ha sostanze tossiche, a differenza delle fluorescenti e delle lampade a scarica (alogenuri metallici e vapori di sodio). Totale assenza di inquinamento luminoso; il led brilla, ma non satura l’ambiente. Zero sono le emissioni di raggi U.V. (ultravioletto) che in via generale sono dannosi per l’uomo per lunghe esposizioni nel tempo. Zero sono anche le emissioni di raggi I.R. (radiazione infrarossa), dannosi agli occhi per esposizioni dirette.

Questi sono solo alcuni dei notevoli vantaggi che l’illuminazione Led potrebbe portare nelle nostre case, nei nostri negozi, nelle nostre strade, nelle nostre città. Essendo una scoperta abbastanza recente, lo sviluppo è notevole e i risultati, già ottimi, non possono che migliorare ulteriormente l’illuminazione del nostro pianeta.

Luci a LED, LE Devi provare.

Giuseppe Leone

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