Parametri per la valutazione corretta di un datasheet
Consumo effettivo del lampione (“Apparecchio di illuminazione a LED”)
Il consumo di un lampione a led si ottiene con questo calcolo:
C = n x Vf x i / μ
Dove:
n è il numero totale di LED;
Vf è la la Forward Voltage del lampione, funzione della corrente di pilotaggio e della temperatura di giunzione, tipicamente da 3V a 3,5 V;
i è la corrente di pilotaggio dei LED, tipicamente da 0,35 A a 0,7 A;
μ è il rendimento dell’alimentatore, tipicamente da 0,8 a 0,92.
Pertanto il rendimento di un lampione a LED con 100 LED XP-E pilotati a 350mA con alimentatore con rendimento del 85% è:
C = 100 x 3,2 x 0,35 / 0,85 = 131,8 W
Quindi dire “Led da 1 Watt” non è corretto, mediamente un LED pilotato alla corrente di 350mA consuma 1,12 W circa e 1,3 W se consideriamo anche l’alimentatore.
Efficienza nominale dei LED
Il flusso caratteristico di targa dei LED non mostra l’efficienza in lumen/watt ma il flusso emesso a 350 mA con 25°C di temperatura di giunzione. L’efficienza in lumen/watt si calcola pertanto così:
F1 = f / (Vf x 0,35)
Dove:
f è il flusso nominale a 350 mA;
Vf è la la Forward Voltage del lampione a 350 mA, tipicamente da 3V a 3,3 V;
Per tornare all’esempio di prima, un led XP-E da 100 lumen, non ha un efficienza di 100 lumen/watt ma di
F1 = 100 / (3,2 x 0,35) = 91,4 lumen/watt
Flusso reale dei LED
Come detto precedentemente, il flusso nominale dei LED è per una temperatura di giunzione di 25°C e per una corrente di pilotaggio di 350 mA.
Mantenere una temperatura di giunzione di 25°C in un lampione è impossibile e c’è pertanto un decadimento minimo del 10/15% (ma che può arrivare tranquillamente fino al 40%) sul flusso nominale dei LED, da valutare in laboratorio sul lampione reale.
In più all’aumentare della corrente di pilotaggio, il flusso luminoso aumenta non in maniera direttamente proporzionale. Va quindi valutata l’efficienza del LED in funzione della corrente.
Pertanto il flusso reale dei LED è:
F2 = f x μ1 x μ2
Dove:
f è il flusso nominale a 350 mA;
μ1 è la variazione di flusso luminoso in funzione della corrente di pilotaggio;
μ2 è la variazione di flusso luminoso in funzione della temperatura di giunzione.
Se consideriamo sempre l’esempio dei LED XP-E, sulla base dei grafici sottostanti, in caso di LED pilotati a 500 mA con 100°C di temperatura di giunzione, abbiamo il seguente flusso:
F2 = 100 x 1,356 x 0,822 = 111,5 lumen
a fronte di un consumo C = 3,3 x 0,5 = 1,65 W e quindi con un’efficienza, senza considerare l’alimentatore, di 67,6 lumen/Watt.
Efficienza luminosa del modulo LED
La norma UNI 11356:2010 definisce questa efficienza come “quoziente del flusso luminoso emesso dal modulo LED diviso la potenza elettrica impegnata dalla sorgente comprensiva di componenti meccanici quali, ad esempio, eventuali dissipatori esclusa la potenza dissipata dall’unità di alimentazione, ad una temperatura ambiente di prova specificata. E’ espressa in lumen per Watt”.
Efficienza ottica dell’apparecchio di illuminazione a LED
Il flusso reale del LED è il flusso di partenza del lampione.
Il corpo illuminante però, per raggiungere i requisiti richiesti dalle norme, introduce delle perdite di efficienza.
Mediamente c’è circa un 10% di perdita del vetro più una perdita dal 10% al 40% per l’utilizzo di ottiche secondarie o per perdite interne al lampione.
Quest’efficienza viene anche chiamata LOR e si ottiene così:
LOR = Fl / (n x F2)
Dove:
Fl è il flusso reale del lampione misurato in laboratorio
n è il numero di LED impiegati;
F2 è il flusso reale dei LED precedentemente calcolato;
I migliori lampioni hanno tutto compreso un’efficienza del 85 % circa.
Efficienza luminosa dell’apparecchio di illuminazione a LED
La norma UNI 11356:2010 definisce questa efficienza come “rapporto tra flusso luminoso dell’apparecchio e potenza elettrica assorbita dall’apparecchio. E’ espressa in lumen per Watt”
Efficacia del lampione a LED
Questo parametro è probabilmente il più importante da valutare ma anche il più difficile da misurare.
Questo parametro esprime quanto del flusso luminoso che esce dal lampione intercetta il bersaglio da illuminare, la strada, e in che modo lo intercetta.
Per avere una buona ottica stradale la luce che esce dal lampione deve essere ben distribuito sulla strada. quindi senza picco sotto il palo, con un’apertura di 120/150°, senza emissioni verso l’alto e senza dispersioni dietro il palo.
La forma del profilo emissivo aiuta a capire molto l’efficacia di un lampione. Un profilo emissivo solitamente è fatto da due curve: una mostra l’intensità del flusso luminoso da 0° a 180°, un’altra da 90° a 270°.
La curva 0-180° mostra il profilo del flusso luminoso a sinistra e a destra del lampione, quella 90-270° il flusso luminoso davanti e dietro al lampione.
La curva 0-180° deve avere il picco dell’emissione intorno ai 60° e un flusso che decresce da 60° a 0°, quella 90-270° deve essere molto sbilanciata da un lato (quindi con poche emissioni dietro al lampione) e con il picco intorno ai 30°, in modo da coprire anche la seconda corsia.
Un altro fattore da valutare è l’assenza di curve frastagliate (che mostrano ombre) o gobbe (che mostrano abbassamenti e contro picchi di luce).
Ad esempio, se guardiamo il profilo sottostante, notiamo che:
- Il picco dell’emissione 0-180° è a 0° con un conseguente esagerato picco di luce sotto il palo e quindi una disuniformità su strada.
- Il profilo 0-180° ha molte “gobbe” che si traducono in strada in ombre e abbassamenti di luce.
- I valori ad angoli maggiori di 50° sono troppo bassi.
- L’apertura angolare è corretta.
- Per quanto riguarda il profilo 90-270° è correttamente piccato sulle due mezzerie, ma con abbassamenti di luce sulla seconda corsia e disuniformità all’interno della corsia.
- Le emissioni dietro al lampione (parte destra del profilo 90-270°) sono contenute
Analizziamo invece un alto profilo:
In questo caso:
- Il profilo 0-180° ha il picco dell’emissione intorno ai 60° con conseguente corretta apertura angolare e uniformità.
- Il profilo 0-180° ha un’ottima apertura angolare totale (circa 140°).
- Il profilo 90-270° è piccato sulla mezzeria della seconda corsia, garantendo quindi una buona uniformità di luce su entrambe le carreggiate.
- Dietro il lampione c’è la giusta luce con solamente un piccolo picco di luce a -60°, dovuto probabilmente alla geometria del lampione.
Alberto G. Gerli
Ariannaled's Blog 
Ciao.
Penso che non ne avrai a male se indico alcune imprecisioni, vero?
a) Nel paragrafo “flusso nominale”, in realtà il calcolo che fai è il calcolo dell’efficienza nominale (nominale perchè non si tiene conto dell’alimentatore, ma di quanto assorbe la sola sorgente) di una sorgente a LED e quindi non sono 91,4 lumen ma 91,4 lumen/Watt;
b) nel paragrafo “efficienza del lampione”, il parametro che indichi è il LOR e non il DLOR, in quanto il flusso del lampione misurato in laboratorio si riferisce all’emissione sull’intero sferiradiante (così come la sorgente) e quindi il rapporto fra flusso lampione/flusso sorgente è appunto il LOR (light output ratio). Il DLOR è il LOR epurato della parte che finisce nell’emisfero superiore e si calcola come LOR x DownwardFluxRatio (percentuale di flusso che finisce nell’emisfero inferiore).
E in realtà i migliori lampioni LED hanno un DLOR che puà arrivare fino al 91%;
c) nel paragrafo “efficacia del lampione a led” per la prima figura fai giustamente notare che ha un picco a 0°: visto che la fotometria è abbastanza ambigua (quando è così in genere io guardo sempre anche il piano dai 15° ai 25°) bisogna comunque tenere conto che il calcolo stradale “purtroppo” viene fatto in luminanza e proprio per questo bisogna “spingere” più del dovuto anche verso il basso per riempire le lacune. Forse anche la prima fotometria può funzionare.
Comunque un ottimo lavoro, complimenti.
Come ho scritto anche sul mio blog, perchè allora non lo integri con la nuova UNI 11356?
Ciao
Matteo
Ciao Matteo,
grazie dei commenti. Ho provveduto ad aggiornare l’articolo.
Alberto
Ottimo, serio e chiaro…
Chiedo a Matteo, quali lampioni hanno il rapporto tra flusso lampione e flusso sorgente a 91%? Io ancora ne devo vedere uno. Forse è un valore teorico utilizzando un vetro particolare?
La luce dei Led emessa in un lampione che usa ottiche di tipo lenti (miglior rendimento della Fraen 89%) + 11% di rifrazione del vetro non raggiunge il 90%.
Lo stesso discorso vale con le mini ottiche che hanno una perdita minima del 10% + il vetro.
Ma anche senza ottiche secondarie, il fenomeno della rifrazione si manifesta sulle superfici interne del lampione (la quale diventa un’ottica per tutte le matrici dei Led) con una perdita minima del 7-8% (superfici trattate a dovere e con materiali di qualità) + il vetro.
Correggetemi se sbaglio, mi sarà utile.
Saluti.
Ciao Jack,
sono del tuo stesso avviso. Sommando lenti (o specchi) + vetro frontale c’è un 20% almeno di perdita. A meno di non sviluppare ottiche in riflessione (le lenti hanno dei limiti fisici) con numero di rimbalzi medi molto bassi accoppiate a vetri ottici ad altra trasparenza.
Saluti.
Alberto
Scusatemi se leggo solo ora, ma purtroppo non ho sempre il tempo di ricontrollare i commenti lasciati sui vari siti…
In ogni modo il migliore LOR (rapporto flusso lampada/apparecchio) oggi possibile per una scarica si aggira su 83%-84% negli apparecchi con vetro bombato; questo scende a 80%-81% per apparecchi a vetro piano (alla faccia di chi dice che è meglio il vetro piano). Quest’anno sono usciti nuovi allumini che potrebbero portare questi rendimenti alle soglie del 87%-88% (ma sono di difficile sagomazione).
Per un apparecchio LED, occorre innanzitutto definire di cosa si sta parlando: come cita la norma UNI 11356 occorre distinguere fra “diodo” e “modulo”.
Il diodo è il chip LED, il modulo è l’assemblaggio più o meno completo di questi diodi a formare un complesso che contiene quei componenti che lo rendono un’apparecchio fatto e finito.
Quindi, in generale, il LOR di un apparecchio è determinato a partire dall’emissione del singolo diodo luminoso.
Le tecnologie per “orientare” il flusso del singolo diodo sono diverse: lenti applicate (che, come dici tu, hanno un rendimento massimo di circa il 90%), micro-ottiche in alluminio o comunque metalizzate (e si ricade nel caso sopra) oppure anche l’utilizzo del LED nudo e puro orientato secondo diversi angoli (in questo caso si può ipotizzare un rendimento superiore al 90% perchè si suppone che il flusso sia indirizzato in maniera tale da non “colpire” la superficie interna del modulo ma solo la strada).
Inoltre alcuni apparecchi hanno un vetro di protezione (e quindi occorre sottrarre la rifrazione dovuta al vetro, che è sempre maggiore per un vetro piano) ma altri no.
Quindi, in teoria, per apparecchi LED con diodi “nudi” semplicemente orientati e senza vetro di protezione è possibile arrivare a rendimenti anche del 100%, ma questo non dice nulla, perchè un apparecchio siffatto si romperebbe subito; invece apparecchi con diodi “nudi” e vetri di protezione esistono e generalmente hanno rendimenti superiori al 90%.
In ogni modo il problema principale rimane quale sia la curva fotometrica sottesa: è difficile avere una buona curva con apparecchi con diodi “nudi”, tanto che ormai difficilmente si vedono apparecchi siffatti.
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