Questa sezione riporta alcune informazioni su come costruire una lampada a LED (light emitting diode). Per maggiori dettagli rimandiamo alle pagine originali [172] [173] [174] [175] [176] [177] [178] [179] [180] [181] [182] [183] . Kit di trasformazione per il "Duo", per sostituire la lampada ad incandescenza con un set di led si trovano in commercio.

I led emettono luce tramite un dispositivo semiconduttore contenuto al loro interno. Questo ha tre strati: uno strato-n con cariche "libere" negative (elettroni), uno strato-p con vacanze di elettroni (dette "buchi"), ed uno strato intermedio attivo. Quando viene applicata una tensione (opportuna) ai capi degli strati-p ed -n si ha un flusso di corrente dallo strato-p allo strato-n. I "buchi" e gli elettroni si muovono nello strato intermedio dove incontrandosi possono annichilirsi emettendo luce (l'elettrone "libero" salta nel "buco" liberando energia che viene emessa sotto forma di luce). Il colore delle luce e l'efficienza di emissione dipendono dalle sostanze chimiche che compongono gli strati e determinano i livelli energetici di elettroni "liberi" e "buchi".

Nel confronto lampade a LED e lampade a filamento (convenzionali o alogene) e' difficile giudicare quale sia migliore perche' dipende dalle condizioni di impiego. Se cerchiamo di affrontare la necessita' di illuminazione da un punto di vista ergonomico, possiamo stimare che per l'attivita' speleologica ci vuole un fascio concentrato di apertura 30-40 gradi per la progressione, e piu' ampio, 50-60 gradi per le manovre. Il fascio deve essere orientato in avanti e leggermente verso il basso. Inoltre mentre la vista umana in piena luce (visione a colori) e` piu` sensisbile al verde, a bassa illuminazione (visione scotopica, quasi in bianco e nero) diventa piu` sensibile al blue.

Vantaggi dei led sulle normali lampadine sono la maggior efficienza di emessione luminosa, la costanza del colore della luce emessa, la maggiore durata (10⁵ ore), e la maggior robustezza a urti e sollecitazioni (sono dispositivi a stato solido) [184] . L'efficienza dei led e` comparabile con quella delle normali lampadine ad incandescenza ed alogene. I led pero` hanno il vantaggio che l'efficienza migliora al diminuire della tensione di alimentazione (finche` questa resta sopra la tensione del diodo), al contrario delle lampadine, percio` i led riescono ancora ad emetter luce anche con batterie mezze scariche, quando una lampadina ad incandescenza o alogena e` completamente spenta.

Svantaggi dei led sono il costo, la difficolta` di ottenere una luce con il giusto equilibrio di colori, le differenze da led a led (anche dello stesso tipo) sia di colore, che di tensione, che di direzionalita` del flusso luminoso. Ma forse il piu` grosso svantaggio e` la difficolta` a creare un fascio focalizzato, oppure a focale variabile, per cui l'illuminazione a led viene usata solitamente solo come illuminazione di prossimita`. Questo problema potrebbe essere ovviato con una opportuna ottica (lenti e riflettori) [184] . La seguente tebella riporta l'efficienza luminosa di varie lampade. I valori riportati per i led sono vecchi, poiche` sono in fase di sviluppo tecnologico e le prestazioni migliorano continuamente [185] [186] .

I led a luce bianca risolvono il problema del colore. Si tratta di dispositivi in cui la luce (blue) emessa da un diodo eccita del fosforo che emette a sua volta la luce bianca. In realta` la luce e` molto spostata verso il blue. Sono disponibili con differenti aperture del fascio (20, 50, 70 gradi).

I led hanno una caratteristica (corrente in funzione della tensione) non lineare, v. figura. Con una tensione tipica di 3.5 V la corrente vale circa 20 mA.

L'efficienza dei led decresce leggermente all'aumentare della corrente. D'altra parte con una debole corrente ci vogliono molti led per avere una adeguata illuminazione. In genere si tende ad operare i led ad una corrente inferiore a quella massima (30 mA), poiche` le inevitabili differenze fra di essi comportano diverse correnti individuali.

L'efficienza dei led decresce anche al crescere della temperatura. La curva operativa si sposta a destra al crescere della temperatura, e, se il led e` alimentato a tensione costante, c'e` la possibilita` di instabilita` termica: se il calore prodotto non viene disperso il led si scalda ed assorbe maggiore corrente, quindi si scalda ancor di piu`, cosi` via. Percio` i led devono essere montati in modo da favorire la dispersione termica, e la loro alimentazione deve essere regolata.

Nel caso piu` semplice un led puo` essere messo in serie con una resistenza che serve per limitare la corrente che passa. Per un singolo led si usa l'equazione dove la tensione di alimentazione E e` espressa in volts e la corrente I in mA. Avendo piu` led in parallelo su una singola resistenza vale la stessa equazione dove pero' la corrente e` la somma delle correnti dei singoli led, cioe` e` la corrente di un led moltiplicata per il numero dei led. Questa soluzione e` molto inefficiente, poiche` una buona parte dell'energia viene dissipata nella resistenza.

Un impianto proposto consiste di 24 led disposto geometricamente a nido d'ape, collegati elettricamente in parallelo [187] . Una resistenza variabile mediante un selezionatore, permette di variare la corrente che scorre nel circuito, e quindi di ottenere una maggiore durata di illuminazione a scapito della intensita` luminosa. Il selezionatore e` composto da quattro resistenze, rispettivamente da 3.3 6.8 15 e 27 ohm e 1/4 W, che possono essere combinate in parallelo fra loro a formare la resistenza R. L'uso con la selezione della sola resistenza 1 produce una luce pari in intensita` a quella della lampada Duo, ma piu` diffusa e irregolare.

Dal grafico sopra riportato e` possibile ritrovare il punto di operazione (valori di I e di tensione) in base alla resistenza di controllo e alla tensione E della batteria. Se f(I) denota la tensione ai capi di un led in funzione della corrente, si ha (il fattore 24 tien conto dei 24 led)

Le due curve tratteggiate rappresentano la parte destra di questa equazione, per E=3.5 V e R pari a 3 e 6 ohm. L'intersezione con la curva caratteristica mostra che la corrente vale circa 15 e 10 mA rispettivamente.

Forse la parte piu` difficile della realizzazione consiste nell'assemblare i 24 led in ordine compatto e regolare. Nell'assemblare i led bisogna tener conto della necessita` di dissapare il calore prodotto. I led si deteriorano se utilizzati ad alte temperature (hanno una temperatura massima di utilizzo intorno a 100°C). Dato che la maggior parte del calore viene prodotta la catodo (negativo) occorre fare in modo che questo calore possa esser facilmente dissipato attraverso il piedino del catodo e il supporto. Le resistenza termica fra la tacca sul piedino e la giunzione del led e` circa 220°C/W. Un suggerimento e` quello di usare un supporto con tracce da entrambi i lati, lasciare ampie traccie per i catodi, e saldare i catodi su entrambi i lati.

Considerando la caratteristica dei led la potenza dissipata sui 24 led vale 24 I f(I). D'altra parte la potenza dissipata sulla resistenza di controllo vale R (24 I)². La potenza totale dissipata e` dunque Quindi la potenza dissipata cresce linearmente con la corrente che circola in un singolo led.

La durata di illuminazione e` dunque inversamente proporzionale alla corrente per led. In riferimento alla tabella sopra si hanno circa 15 ore con il 100% di luminosita` e 150 ore (10 volte tanto) con il 22.5% di luminosita`. (Questi sono i tempi per il dimezzamento dell'intensita` di luce usando batterie tipo AA al litio.) Il grosso problema del limitatore di corrente con solo resistenze e` che la corrente decresce con la tensione delle batterie, e quindi la luce non resta costante.

Un miglioramento nel sistema per mantenere costante la corrente ai led puo` essere realizzato con due transistor e due resistenze [188] . La tensione ai capi di una resistenza in serie coi LED viene comparata con una tensione di riferimento. In base alla differenza si regola la corrente nei LED con un transistor. Questo assicura una corrente costante ai led al variare della tensione della batteria (almeno fintanto che questa e` superiore a 0.6 V). I led sono alimentati in parallelo. Il transistor Q₂ e` l'elemento di potenza, mentre Q<sub>1</sub> e` quello di regolazione. Le resistenze sono dimensionate proporzionalmente alla corrente I che scorre nei led. La resistenza R₁ misura la corrente corrente che passa nei led: la tensione ai suoi capi e` proporzionale a tale resistenza. Questa tensione pilota Q<sub>1</sub> e determina la corrente che passa nel ramo Q<sub>1</sub>-R<sub>2</sub>. La tensione ai capi di R<sub>2</sub> e` proposzionale a questa corrente e pilota il transistor di potenza Q₂. Questo sistema risolve il problema della costanza dell'illuminazione, ma una buona parte dell'energia (circa 45 % ) viene comunque dissipata tramite il transistor di potenza.

Un terzo sistema e` il regolatore a controllo di potenza [189] [190] [191] . Essenzialmente un trasformatore che converte una tensione in una altra con minime perdite. Si tratta di un circuito LRC (in cui R e' rappresentata dai LED con la resistenza di controllo in serie).

Un regolatore a commutazione la corrente dei led viene misurata con una resistenza, prelevando la tensione ai suoi capi. Questa viene passata in un passa-basso RC (R₂ e C₂) per eliminare il rumore ad alta frequenza, e mandata in ingresso ad un comparatore che la confronta con la tensione di riferimento. L'uscita del comparatore determina quando alimentare i led. L'energia di alimentazione e` immagazzinata attraverso una induttanza L<sub>1</sub> che serve a smorzare i carichi improvvisi di corrente e a fornire corrente nella fase in cui non c'e` carico (in questa fase la corrente circola nella maglia L₁-led-R₁-D₁. La tensione ai capi dei led oscilla continuamente (migliaia o centinaia di migliaia di oscillazioni al secondo).

L'efficienza di un regolatore a commutazione arriva tranquillamente oltre 80 % . Un regolatore a commutazione puo` essere realizzato con componenti elettronici oppure con un microcontrolore, facendo parte del lavoro (quello non di potenza) a software [192] . In questo caso e` possibile far fare al microprocessore anche tante altre cose, tra cui tener conto dello stato di carica delle betterie.

Links:
www.futureelectronics.com/promos/Lumileds/tables/PgmIC/MCP_PIC12F675_AN1.pdf ,
www.supertex.com/pdf/datasheets/HV9930.pdf .

La luce [193] [194] , cioe` il flusso luminoso, si misura in lumen. Essenzialmente si misura il flusso di energia luminosa, percio` si dovrebbe usare Watt, pero` si considera il flusso adattato alle percezione umana: un watt di potenza luminosa a 555 nm corrisponde a 673 lm.

L'intensita` luminosa e` il flusso di luce diviso per l'angolo solido su cui e` distribuito. Si misura in candele (pari a lumen/steradianti; uno steradiante e` l'angolo solido di un cono con apertura di circa 65°): 1 cd = 1 lm / 1 sr. L'intensita` di una sorgente puntiforme si misura dunque in candele. Quella di una superficie estesa si misura in cd/m².

L'illuminazione di una superficie e` la densita` di flusso luminoso che incide su di essa. Si misura in lm/m².

Il flusso emesso si misura anch'esso in lm/m², ma in questo caso questa unita` si chiama lux. La luminanza e` il flusso riflesso o emesso da una superficie. La luminanza dipende dalla direzione; in genere decresce all'aumentare dell'angolo con la direzione perpendicolare. Per una superficie Lambertiana, L(t) = L_o cos(t) e l'emissione luminosa (in lm/m²) e` pari a πper la luminanza (in cd/m<sup>2</sup>). Gli oggetti illuminati da piena luce solare hanno luminanza dell'ordine di 10<sup>5</sup> lux. Con luce artificiale la luminanza e` dell'ordine di 10 lux. Alla luce lunare e` di 0.1 lux. Il cielo sereno ha una luminanza di circa 10000 cd/m²; un cielo nuvoloso al tramonto ha 10 cd/m².

L'occhio umano si adatta alle condizioni di illuminazione con due meccanismi: chiusura/apertura della pupilla, e passaggio ad una visione con i bastoncelli (senza colore) anziche` una con i coni quando la illuminazione e` molto bassa (questo adattamento alla scarsa illuminazione richiede una ventina di minuti). L'occhio risponde alle variazioni di illuminazione in maniera logaritmica, cioe` ad ogni raddoppio dell'illuminazione (quantita` di luce) ne percepiamo una variazione lineare. Questo vuol dire che per migliorare una data illuminazione ci vuole molta piu` luce (e quindi potenza elettrica). Una buona fonte di illuminazione dovrebbe avere una regolazione logaritmica (anziche` lineare) per adattarsi alla fisiologia del nostro sistema visivo.

La percettivita` umana e` il rapporto fra la luminanza di un oggetto e il valore della minima differenza che l'occhio riesce a distinguere. A 10⁴ lux la percettivita` e` 40-60La facolta` di vedere oggetti piccoli e` massima con luminanze di alcune centinaia di lux. 1000-2000 lux sono consigliati per lavori di dettaglio fine; 100-200 lux sono tipici di lavoro da ufficio. Con 10 lux si ha una visibilita` accettabile. A 0.1 lux invece e` troppo bassa [184] .

Petzl usa il valore limite minimo di 0.25 lux come riferimento per le sue lampade e batterie [195] . Questo e` il valore di illuminazione di una notte con la luna piena. La distanza di illuminazione e` quindi quella fino a cui l'illuminazione risulta superiore a 0.25 lux. Per le batterie essa descresce con il tempo e viene fornita la distanza ai tempi 0, 30 min, e 10 ore. Per lampade regolate elettronicamente essa si mantiene quasi costante per tutta la durata della carica, percio` viene fornita la distanza, e il tempo di durata.

Come tempo di durata di luce Petzl considera quello per cui l'illuminazione a due metri e` superiore a 0.25 lux.

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