Questa sezione riporta alcune informazioni su come costruire una
lampada a led (light emitting diode). Per maggiori dettagli
rimandiamo alle pagine originali.
Petzl ha in catalogo un kit di trasformazione per il "Duo", per
sostituire la lampada ad incandescenza con un set di cinque led.
[FIXME: ci vorrebbero maggiori dettagli: considerazioni teoriche
e impressioni pratiche ]
I led emettono luce tramite un dispositivo semiconduttore contenuto
al loro interno. Questo ha tre strati: uno strato-p con cariche positive
(dette "buchi"), uno strato-n con cariche negative (elettroni), 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.
Il colore delle luce e l'efficienza di emissione dipendono dalle
sostanze chimiche che compongono gli strati.
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, possimao 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.
Il vantaggio dei led sulle normali lampadine e` la maggior efficienza
di emessione luminosa.
Gli svantaggi sono il costo, la difficolta` di ottenere
una luce con il giusto equilibrio di colori.
Ma forse il piu` grosso svantaggio e` la difficolta` a creare
un fascio focalizzato, oppure a focale variabile, per cui l'illuminazione
a led va bene solo come illuminazione di prossimita`.
La seguente tebella riporta l'efficienza luminosa di varie lampade.
I valori riportati per i led sono molto indicativi, poiche` sono in fase di
sviluppo tecnologico e le prestazioni migliorano continuamente.
[FIXME: valori riportati
Efficienza luminosa (Lumen/Watt)
Lampade
LED
Incandescente
10 (17)
Rosso
45
Alogena
12 (25)
Verde
40
Vapori di mercurio
60.5
Blue
11
Alide metallico
70
Giallo
36
Fluorescente
80
Bianco
20
Sodio a bassa pressione
100
Arancio (a piramide capovolta)
102
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 mAmp, e
l'intensita` luminosa e` di 4000 mCd (assorbono una potenza di circa
70 mW).
I led a luce bianca hanno una luminosita` doppia (8 Cd).
L'efficienza dei led (a luce bianca) vale 10-15 lumen/W ed e`
paragonabile a quella delle normali lampadine.
Pero` l'efficienza dei led cresce al diminuire della potenza
(al contrario delle lampadine) perche` la corrente diminuisce piu`
rapidamente al diminuire della tensione.
Percio` con una lampada a led puo` fornire una debole illuminazione
anche con batterie mezze scariche.
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 mAmp), poiche` le inevitabili differenze fra di essi
comportano diverse correnti individuali.
Un led deve essere messo in serie con una resistenza che serve
per limitare la corrente che passa. Per un singolo led si usa
l'equazione
R = ( E - 1.7 ) 1000 / I
dove la tensione di alimentazione E e` espressa in volts e la
corrente I in mAmp.
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.
Un impianto proposto consiste di 24 led disposto geometricamente a
nido d'ape, collegati elettricamente in parallelo.
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. Questa e` comunque pari al 65 % delle luce
di una lampada a carburo (a quattro metri di distanza).
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)
f(I) = E - R (24 I)
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 mAmp rispettivamente.
La tabella sottostante riproduce i valori operativi di
corrente e le percentuali di intensita` luminosa ottenute
con differenti combinazioni delle resistenze.
Uno dei vantaggi dei led e` che la loro efficienza luminosa
cresce al diminuire della corrente, percio` non conviene
usare la massima corrente.
Selezione
R ohm
I mAmp (per led)
Luminosita`
1 + 3
2.9
18.75
100%
1
3.6
15.0
98%
2 + 4
5.6
9.75
70%
2
7
7.7
65%
3 + 4
9.7
5.58
50%
3
14.9
3.65
40%
4
28
1.94
22.5%
Forse la parte piu` difficile della realizzazione consiste
nell'assemblare i 24 led in ordine compatto e regolare
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
24 I ( f(I) + 24 R I) = 24 I E
Quindi la potenza dissipata cresce lineramente 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.)
Un migliore sistema per la regolazione della corrente consiste di due
transistor e due resistenze.
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
Q1 e` quello di regolazione.
Le resistenze sono dimensionate proporzionalmente alla corrente I
che scorre nei led.
Un terzo sistema e` il regolatore a controllo di potenza.
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).
Il passo successivo e` l'impiego di un circuito integrato per controllare la
corrente ai led. Inoltre un microprocessore puo` fare anche tante altre
cose, tra cui tener conto dello stato di carica delle betterie.
Unita` di misura
La luce, 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
cossisponde 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 65o): 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/mSUP>2, 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) = Lo cos(t) e
l'emissione luminosa (in lm/m2) e` pari a Pi per
la luminanza (in cd/m2).
In un giorno soleggiato il flusso luminoso dal sole e` circa 50000 lx;
la luna ha un flusso di 0.1 lx. Il cielo sereno ha una luminanza di
circa 10000 cd/m2; un cielo nuvoloso al tramonto ha
10 cd/m2.
[FIXME: mettere i valori ergonomici per l'illuminazione]
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 mAmp, e
l'intensita` luminosa e` di 4000 mCd (assorbono una potenza di circa
70 mW).
I led a luce bianca hanno una luminosita` doppia (8 Cd).
L'efficienza dei led (a luce bianca) vale 10-15 lumen/W ed e`
paragonabile a quella delle normali lampadine.
Pero` l'efficienza dei led cresce al diminuire della potenza
(al contrario delle lampadine) perche` la corrente diminuisce piu`
rapidamente al diminuire della tensione.
Percio` con una lampada a led puo` fornire una debole illuminazione
anche con batterie mezze scariche.
Un migliore sistema per la regolazione della corrente consiste di due
transistor e due resistenze.
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
Q1 e` quello di regolazione.
Le resistenze sono dimensionate proporzionalmente alla corrente I
che scorre nei led.