1. Premessa

Percentuale significativa rispetto all’emissione iniziale di flusso luminoso

La continua crescita dell’illuminazione a LED sta significativamente trasformando l’industria dell’illuminazione, grazie alla capacità di fornire una gamma di milioni di colori ed effetti dinamici che l’illuminazione convenzionale non può eguagliare in termini di progetto, oltre alla miniaturizzazione delle dimensioni e alla bassa radiazione termica, che permette di poterli incorporare quasi ovunque. Inoltre, garantendo una lunga durata unitamente a risparmi energetici e gestionali, offrono soluzioni di illuminazione potenzialmente efficienti.

Esiste tuttavia un problema: negli ultimi anni il mercato è stato invaso da un alto numero di nuovi operatori sconosciuti, con affermazioni dubbie sulle prestazioni dei loro prodotti, troppo ottimistiche per essere vere e non supportate dal punto di vista tecnico.

I progettisti e gli utilizzatori finali necessitano di informazioni chiare e corrette sulle caratteristiche di questi nuovi sistemi di illuminazione, al fine di poter valutare in modo adeguato per quanto tempo un apparecchio a LED mantiene una percentuale significativa dell’emissione iniziale di luce nel corso degli anni di funzionamento e in funzione della cosiddetta “mortalità infantile” o del guasto improvviso.

2. I criteri dimensionali

Nel processo di standardizzazione, esistono tre elementi che possono essere normalizzati, quali: 

1. Definizioni tecniche

2. Metodi di misura

3. Valori limite

Le prescrizioni prestazionali descritte nelle normative IEC forniscono una definizione dei criteri qualitativi e il modo in cui misurarli.

La vita degli apparecchi a LED è nella maggior parte dei casi più lunga dei tempi pratici di prova. Di conseguenza, la verifica delle affermazioni del produttore sulla durata della vita deve essere considerata come indicativa, in quanto basata su estrapolazioni non ancora corroborate da prove di durata, in quanto concorrono altri componenti nel circuito di alimentazione.

Per avvalorare un’affermazione relativa alla durata della vita, è necessaria una estrapolazione dei dati di prova. A tal riguardo è allo studio un metodo generale per consentire una proiezione dei dati misurati oltre il tempo limitato della prova.

Le normative IEC propongono il seguente elenco di criteri qualitativi da considerare nella valutazione delle dichiarazioni del produttore:

• Potenza nominale assorbita. La potenza nominale assorbita è indice della quantità di energia consumata da un apparecchio di illuminazione, inclusa la sua alimentazione. Tale potenza nominale è espressa in Watt.
• Flusso luminoso nominale. Corrisponde alla quantità di luce emessa dall’apparecchio di illuminazione, ed è espresso in lumen “lm” (unità di flusso luminoso emesso). Poiché la vita normale di un apparecchio di illuminazione a LED è molto lunga, è necessario avere a disposizione molto tempo per misurare la riduzione di flusso nel corso della vita (per esempio L₇₀ significa il periodo durante il quale il modulo LED fornisce più del 70% del flusso iniziale). Inoltre, l’effettivo comportamento del LED, relativamente al mantenimento di flusso, può differire considerevolmente a seconda del tipo e del produttore. Per validare una dichiarazione di vita, è necessaria una estrapolazione dei dati di prova. È attualmente allo studio in IEC un metodo generale per la proiezione dei dati di misura oltre i tempi limitati delle prove. Negli USA, una estrapolazione basata sui dati di prova della LM-80 è inclusa nella IES TM-21. Al posto della validazione della durata di vita, le IEC hanno optato per i codici di mantenimento del flusso ad un preciso tempo di prova definito. Pertanto, il numero di codice non implica una predizione della possibile durata della vita, quindi le categorie sono identificate da un carattere che esprime il deprezzamento del flusso in accordo con le informazioni che sono fornite dal costruttore prima dell’inizio della prova.
• Efficienza dell’apparecchio a LED. È il flusso luminoso iniziale misurato, diviso la potenza assorbita iniziale misurata, lumen/Watt “lm/W”

• Distribuzione dell’intensità luminosa. È la distribuzione spaziale del flusso luminoso rappresentato graficamente in una curva di distribuzione dell’intensità luminosa, che è abitualmente espresso in un diagramma di coordinate polari che rappresenta l’intensità luminosa come funzione dell’angolo dalla sorgente luminosa ed è espressa in cd (candele). La candela a livello dell'unità è definita come la quantità di illuminazione che la superficie interna di una sfera a raggio di un piede dovrebbe ricevere se nel punto esatto della sfera esisteva una sorgente di punto uniforme di una candela. In alternativa, può essere definito come l'illuminazione su una superficie di un metro quadrato di cui è presente un flusso uniformemente distribuito di un lumen.
• Codice fotometrico. È il codice di sei caratteri, che indica i parametri fondamentali delle qualità della luce: CRI, CCT, coordinate cromatiche e flusso luminoso, dove:
• Temperatura di colore (CCT), è la temperatura di colore di un modulo LED a luce bianca ed è determinata confrontando la luce emessa da un modulo LED con la luce di un corpo nero (radiatore ideale ad una data temperatura) ed è espressa in gradi Kelvin. 
• Indice di resa cromatica (CRI), è la resa cromatica di un modulo LED a luce bianca. Si tratta dell’effetto dell’apparenza dei colori degli oggetti derivante dal confronto conscio o inconscio con il loro colore sotto una fonte luminosa di riferimento.
• Valori nominali delle coordinate cromatiche iniziali e mantenute nel tempo. Si tratta della variazione delle coordinate cromatiche di un modulo LED espresse in due risultati di misura sia iniziali, sia mantenute.
• Codice di mantenimento del flusso. È il flusso luminoso iniziale misurato (valore iniziale), normalizzato al 100% e utilizzato come il punto di partenza per la determinazione della vita del modulo LED. Il flusso luminoso mantenuto è misurato al 25% della vita nominale fino ad un massimo di 6.000 ore ed è espresso come percentuale del valore iniziale. Il valore mantenuto determina il codice di mantenimento del flusso.
• Vita nominale (in h) del modulo LED è il valore associato di mantenimento del flusso luminoso nominale (Lₓ). È la lunghezza del periodo durante il quale un gruppo di moduli LED fornisce più della percentuale dichiarata (x) del flusso luminoso iniziale sempre mostrato in combinazione con il tasso di guasto ed è espresso in ore.
• Frazione di guasto (B_y), che esprime solo il degrado graduale della produzione di luce come percentuale “y” di un certo numero di moduli LED dello stesso tipo che alla loro durata nominale indica la percentuale (frazione) del guasto. Il valore B₅₀ indica che il valore L dichiarato sarà raggiunto dal minimo 50% dei moduli LED e che il restante 50% può avere un valore di lumen inferiore. Oppure il valore B10 significa che il minimo 90% dei moduli LED soddisferà il valore L dichiarato e solo il 10% avrà un livello di flusso inferiore. Quindi si può chiaramente dedurre che più il valore di B è basso, più sarà conservativo ai fini della garanzia funzionale. 
• Frazione di guasto (C_z) esprime solo il brusco degrado dell'uscita della luce come percentuale y di un certo numero di moduli LED dello stesso tipo che, alla loro durata nominale, indica la percentuale (frazioni) dei guasti. Un guasto catastrofico è quando il modulo LED non emette alcuna luce. 
• Tasso di guasto (F_y), rappresenta la frazione di guasto combinata. Questa è la combinazione sia graduale (B_y) che totale dei guasti (C_z) alla vita nominale del modulo LED nell’apparecchio. 
• Temperatura ambiente (ta) dell’apparecchio. È la temperatura dell’ambiente che circonda l’apparecchio di illuminazione legato ad una specifica prestazione. Per una data prestazione la temperatura ambiente (ta) è un valore fisso. È possibile dichiarare specifiche prestazionali a differenti temperature. 

• Temperatura di colore (CCT), è la temperatura di colore di un modulo LED a luce bianca ed è determinata confrontando la luce emessa da un modulo LED con la luce di un corpo nero (radiatore ideale ad una data temperatura) ed è espressa in gradi Kelvin. 
• Indice di resa cromatica (CRI), è la resa cromatica di un modulo LED a luce bianca. Si tratta dell’effetto dell’apparenza dei colori degli oggetti derivante dal confronto conscio o inconscio con il loro colore sotto una fonte luminosa di riferimento.
• Valori nominali delle coordinate cromatiche iniziali e mantenute nel tempo. Si tratta della variazione delle coordinate cromatiche di un modulo LED espresse in due risultati di misura sia iniziali, sia mantenute.
• Codice di mantenimento del flusso. È il flusso luminoso iniziale misurato (valore iniziale), normalizzato al 100% e utilizzato come il punto di partenza per la determinazione della vita del modulo LED. Il flusso luminoso mantenuto è misurato al 25% della vita nominale fino ad un massimo di 6.000 ore ed è espresso come percentuale del valore iniziale. Il valore mantenuto determina il codice di mantenimento del flusso.

3. Dichiarazioni sul mantenimento del flusso luminoso

Attualmente diversi produttori di apparecchi di illuminazione LED utilizzano risultati delle prove secondo la LM-80 come base per le dichiarazioni Lx, By e Cz quali soglie di mantenimento del flusso degli apparecchi di illuminazione LED. 

La LM-80 richiede di provare i LED per 6.000 ore e raccomanda prove per 10.000 ore. Richiede prove a tre temperature di superficie (55°C, 85°C e una terza temperatura determinata dal produttore), questo per poter vedere gli effetti della temperatura sull’emissione di luce e specifica le condizioni di prova aggiuntive per garantire risultati coerenti e confrontabili. 

In pratica, i principali produttori di LED provano i loro prodotti ai minimi di 6.000 o 10.000 ore previsti dalla LM-80, e poi applicano metodologie di estrapolazione come descritte nella TM-21 (vedi tabella per normative di riferimento sotto) per arrivare ai valori L₉₀, L₇₀ e L₅₀ I produttori di apparecchi traducono queste curve in curve specifiche dell’apparecchio di illuminazione LED.

Per una maggior comprensione, vediamo sotto un diagramma di estrapolazione, (fonte CREE) e normative di riferimento. 

IES LM-79-08: Approved Method: Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products – Illuminating Engineering Society of North America, 2008

LM-79: Prescrive i metodi di prova uniformi in condizioni controllate per le prestazioni fotometriche e colorimetriche, nonché le misure di potenza elettrica degli apparecchi di illuminazione a LED. Questa può essere usata per misurare le specifiche iniziali elettriche e fotometriche di un apparecchio LED.

IES LM-80-08: Approved Method: Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources – Illuminating Engineering Society of North America, 2008

LM-80: Relativa alla misurazione del mantenimento del flusso luminoso delle sorgenti luminose a LED (LED singoli o multi chip). Consiste in una misura reale per le prime 6.000 ore, combinata con un’estrapolazione fino a fine vita. Molti costruttori di apparecchi di illuminazione traducono la curva di mantenimento della sorgente luminosa LED nella curva di mantenimento dell’apparecchio di illuminazione LED utilizzando le raccomandazioni del TM-21.

Ci sono due vincoli:

• Primo: il guasto repentino dei singoli LED e altre modalità di guasto che concorrono al decadimento del flusso luminoso dell’insieme dei LED in un apparecchio di illuminazione non sono presi in considerazione.
• Secondo: non esiste un metodo valido per tradurre la curva di mantenimento del flusso dei singoli LED nella curva dell’apparecchio di illuminazione.

IES TM-21-11: Projecting Long Term Lumen Maintenance of LED Packages – Illuminating Engineering Society of North America, 2011

TM-21: Fornisce le raccomandazioni per la proiezione a lungo termine del mantenimento del flusso luminoso dei componenti LED utilizzando i dati ottenuti durante le prove secondo la IES LM-80-08.

4. Per concludere

Il tempo di vita del modulo LED e dell'alimentatore dovrebbero essere dichiarati separatamente. Se il tempo di vita per l’alimentatore è più corto di quello del LED, si renderà necessaria la sostituzione dell’alimentatore, prima che il ciclo di vita dell'apparecchio sia completato. Ciò significa che non esiste una univocità nella dichiarazione della durata del corpo illuminante. Una metrica utile per "vita utile mediana" è stata introdotto nella IEC 62717. Questo è il tempo trascorso fino a quando il 50% degli apparecchi di illuminazione a LED in uso raggiunge il flusso di luce dichiarato, ad esempio L₈₀.

La maggior parte dei costruttori dichiara a catalogo i parametri, riferiti al 100% del flusso luminoso iniziale:

L₇₀ B₁₀ C₁₀, dove: 

L₇₀ sta ad indicare il valore percentuale di mantenimento in condizioni di operatività rispetto al flusso luminoso iniziale ed alla temperatura di esercizio.

Es.1: Se a 25°C un LED dichiara 100.000h di vita, L₇₀ indica che sarà in grado di garantirne 70.000h (70% del valore nominale). 

Es.2: Se a 45°C un led dichiara 90.000h di vita, L₇₀ indica che sarà in grado di garantirne 63.000h (70% del valore nominale).

Es.3: Se a 60°C un led dichiara 50.000h di vita, L₇₀ indica che sarà in grado di garantirne 35000h (70% del valore nominale).

B₁₀ sta ad indicare il valore percentuale dei corpi illuminanti che si presume possano spegnersi in condizioni di operatività rispetto al flusso luminoso iniziale ed alla temperatura di esercizio.

Es.: In caso di malfunzionamento, B₁₀ indica che il flusso luminoso, nella sua globalità circuitale, potrà decrescere in funzione del restante numero di corpi illuminanti accesi (possibile diminuzione del 10% rispetto alla quantità iniziale).

C₁₀ sta ad indicare il valore percentuale dei corpi illuminanti che si presume possano guastarsi e non riaccendersi in condizioni di operatività rispetto alla quantità iniziale.

Es.: In caso di guasto definitivo, C₁₀ indica che il flusso luminoso, nella sua globalità circuitale, potrà decrescere in funzione del restante numero di corpi illuminanti accesi (possibile diminuzione del 10% rispetto alla quantità iniziale).

Cortem Group, in funzione della tipologia di corpi illuminanti e del modello costruttivo di LED in essi installato, ha progettato e realizzato specifici involucri adatti alle esigenze di dissipazione richieste nelle specifiche del costruttore dei LED, al fine di poter dissipare al meglio il calore generato dal funzionamento dei LED e, quindi, ottimizzando al meglio nell’ingegneria costruttiva la capacità di durata nel tempo con la minor perdita di potenza e flusso luminoso.

Inoltre, sempre con estrema attenzione alla garanzia funzionale e all’aspetto del fine vita, ha analizzato tutte le variabili costruttive e di qualità del prodotto, al fine di ridurre al minimo possibile difetti derivanti dalla cosiddetta “mortalità infantile” e alle possibili implicazioni relative ad un corretto dimensionamento dell’alimentatore, nelle varie possibilità di impiego in ambienti con temperature positive o negative. 

Ovviamente tutte le considerazioni sopra esposte sono a carattere esemplificativo e non mirate ad un prodotto specifico di Cortem Group, rimandando alle schede tecniche di ogni specifico prodotto.