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L’illuminazione a LED nelle gallerie

Pregi e difetti dell'introduzione dei Light Emitting Diodes nelle gallerie: l'effetto della sorgente a luce bianca per le informazioni visive sull'ambiente circostante

L'illuminazione a LED nelle gallerie

Le tecnologie dello stato solido sono ormai divenute affidabili e accessibili. Su specifica richiesta della Committenza, il LED fa la sua comparsa nell’illuminazione di strade e di gallerie. I risultati sono soddisfacenti, ma occorre fare attenzione a non sovrastimare i vantaggi effettivi che queste nuove sorgenti possono dare. L’introduzione dei LED sta avvenendo molto rapidamente: le informazioni sono talvolta confuse, i processi divulgativi alimentati principalmente da logiche commerciali. In un simile contesto, quindi, vengono spesso prospettate aspettative non raggiungibili.

Immagini

  • La struttura di un LED di potenza. Sono ben visibili il chip montato su un dissipatore metallico, situato al centro dell'involucro, la lente "a cupola" che svolge la funzione di ripartire il flusso luminoso uscente e le connessioni elettriche che dal chip vanno agli elettrodi del diodo (anodo e catodo)
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    La struttura di un LED di potenza. Sono ben visibili il chip montato su un dissipatore metallico, situato al centro dell'involucro, la lente "a cupola" che svolge la funzione di ripartire il flusso luminoso uscente e le connessioni elettriche che dal chip vanno agli elettrodi del diodo (anodo e catodo)
  • La comparazione cromatica tra due impianti di illuminazione stradale realizzati per lo stesso sito: a sinistra, con luce gialla prodotta da sorgenti al sodio ad alta pressione; a destra, con luce bianca prodotta da diodi LED. È evidente che la migliore resa cromatica derivante da sorgenti a luce bianca facilita l'acquisizione di informazioni visive e rende più piacevole la fruizione dell'ambiente costruito
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    La comparazione cromatica tra due impianti di illuminazione stradale realizzati per lo stesso sito: a sinistra, con luce gialla prodotta da sorgenti al sodio ad alta pressione; a destra, con luce bianca prodotta da diodi LED. È evidente che la migliore resa cromatica derivante da sorgenti a luce bianca facilita l'acquisizione di informazioni visive e rende più piacevole la fruizione dell'ambiente costruito
  • L'illuminazione a LED della galleria Vado (della lunghezza di 1.128m, a tre corsie di marcia, a disposizione bifilare) sulla A1 al km 216 (direzione Sud). Nel rispetto della vigente Normativa in materia di illuminazione di gallerie, è stato possibile raggiungere i livelli di illuminamento necessari installando apparecchi da 60 LED per la zona di ingresso della galleria e apparecchi da 40 LED per la parte centrale (illuminazione permanente). I livelli di luminanza ottenuti con gli apparecchi da 40 LED sono di 2,26 cd/m2 medie al suolo (U0 = 0,72; Ul = 0,90; TI = 5,74) e di 3,54 cd/m2 medie sulle pareti
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    L'illuminazione a LED della galleria Vado (della lunghezza di 1.128m, a tre corsie di marcia, a disposizione bifilare) sulla A1 al km 216 (direzione Sud). Nel rispetto della vigente Normativa in materia di illuminazione di gallerie, è stato possibile raggiungere i livelli di illuminamento necessari installando apparecchi da 60 LED per la zona di ingresso della galleria e apparecchi da 40 LED per la parte centrale (illuminazione permanente). I livelli di luminanza ottenuti con gli apparecchi da 40 LED sono di 2,26 cd/m2 medie al suolo (U0 = 0,72; Ul = 0,90; TI = 5,74) e di 3,54 cd/m2 medie sulle pareti
  • Negli apparecchi per l'illuminazione stradale, i LED di potenza sono sistemati su un telaio in modo da poter comporre gli effetti di ciascun diodo e ottenere un distribuzione del flusso luminoso ottimale
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    Negli apparecchi per l'illuminazione stradale, i LED di potenza sono sistemati su un telaio in modo da poter comporre gli effetti di ciascun diodo e ottenere un distribuzione del flusso luminoso ottimale
  • L'illuminazione a LED della galleria Crocina (della lunghezza di 160 m e a disposizione monofilare) sulla A1 al km 355 (direzione Nord). Il progetto ha previsto la sostituzione di 21 apparecchi esistenti al sodio (100 Watt) con apparecchi da 60 LED dotati di ottica stradale asimmetrica (tipo PR). L'installazione è stata effettuata su una canalina esistente posta a un'altezza di circa 5 m dal piano stradale. La potenza nominale installata è inferiore del 40% rispetto all'impianto preesistente. La luminanza media al suolo è di 2,31 cd/m2 (U0 = 0,45; Ul = 0,74). La luminanza media ottenuta sulle pareti è rispettivamente di 2,82 cd/m2 e di 3,27 cd/m2, con uniformità generali U0 > 0,60 e longitudinali Ul > 0,75 su entrambe le pareti
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    L'illuminazione a LED della galleria Crocina (della lunghezza di 160 m e a disposizione monofilare) sulla A1 al km 355 (direzione Nord). Il progetto ha previsto la sostituzione di 21 apparecchi esistenti al sodio (100 Watt) con apparecchi da 60 LED dotati di ottica stradale asimmetrica (tipo PR). L'installazione è stata effettuata su una canalina esistente posta a un'altezza di circa 5 m dal piano stradale. La potenza nominale installata è inferiore del 40% rispetto all'impianto preesistente. La luminanza media al suolo è di 2,31 cd/m2 (U0 = 0,45; Ul = 0,74). La luminanza media ottenuta sulle pareti è rispettivamente di 2,82 cd/m2 e di 3,27 cd/m2, con uniformità generali U0 > 0,60 e longitudinali Ul > 0,75 su entrambe le pareti

I “Light Emitting Diodes”, noti generalmente sotto l’acronimo LED, sono diodi a emissione luminosa, essenzialmente formati da un chip (un semiconduttore) montato su un supporto metallico, una lente frontale e un involucro di contenimento. Il chip emette radiazioni luminose se attraversato da corrente elettrica e la lente ha funzione di collettore ottico (Immagine 1).

Il LED nasce come sorgente quasi monocromatica e il colore della luce emessa dipende dal materiale utilizzato nella fabbricazione del chip; per le applicazioni stradali vengono utilizzati semiconduttori InGaN, che hanno lo spettro luminoso tendente al blu e che attualmente determinano la massima efficienza raggiungibile per un diodo LED (circa 120 lm/W).

Per produrre emissioni su tutto lo spettro del visibile, si ricorre alla conversione per luminescenza, ovvero all’applicazione di uno strato di fosfori al diodo in modo da convertire parte della radiazione inizialmente generata in altre radiazioni di frequenza diversa (inferiore) presenti in altre porzioni dello spettro del visibile (le proprietà di emissione sono di fatto analoghe a quelle di un tubo fluorescente). Si ottengono così temperature di colore diverse (in altri termini “bianchi” diversi, in una scala che va dalla luce “bianca fredda” alla luce “bianca calda”).

Nell’illuminazione delle strade, la luce bianca rende maggiormente riconoscibili gli ostacoli, oltre che rendere più piacevole e vivibile l’ambiente circostante se ci si trova in contesti urbani (Immagine 2).

I vantaggi del LED sono molteplici. Ha un’efficienza elevata, ma questa non è certamente la sua prestazione più importante. La tendenza comune è quella di confrontarlo con le sorgenti tradizionali in termini di flusso assoluto emesso e/o di efficienza luminosa, ma il vero vantaggio risiede principalmente nella possibilità di illuminare con fattori di utilizzazione più elevati rispetto a quanto consentono le sorgenti tradizionali. Si possono installare potenze più basse e ottenere praticamente gli stessi risultati: nel caso dell’illuminazione stradale, un buon apparecchio a LED consente infatti di inviare con maggior precisione il flusso luminoso sulla sede stradale, ovvero di disperderne solo una quantità minima nelle zone adiacenti.

È meccanicamente molto resistente, è possibile regolare il flusso emesso, è predisposto alla proiezione perché di piccole dimensioni, si riaccende a caldo e funziona a bassissima tensione. E non è tutto: la vita utile di un LED può arrivare anche a centomila ore e più, e ciò può costituire realmente un punto di forza per alcune tipologie applicative, quali ad esempio l’illuminazione delle gallerie. Una durata quattro/cinque volte superiore a quella di una sorgente a scarica tradizionale (per esempio lampade al sodio ad alta pressione) si traduce infatti nella possibilità di costruire impianti con oneri di gestione e manutenzione considerevolmente inferiori.

L’illuminazione stradale è un ambito estremamente tecnico e richiede apparecchi molto performanti: il LED produce una luce essenzialmente “direzionale”, ovvero un fascio concentrato di luce, che deve necessariamente essere distribuito mediante ottiche secondarie per garantire la giusta uniformità sulla sede stradale e contenere l’abbagliamento in direzione degli automobilisti.

I LED vengono pilotati con una corrente costante, per mantenere uniformi i valori di luminosità e temperatura colore. La corrente di alimentazione incide direttamente sul flusso luminoso emesso: per i LED di potenza le correnti possono variare da 100 mA a 1.500 mA. Il valore nominale del flusso di uno specifico LED è fornito dal costruttore ed è quello misurato a una data temperatura ambiente (generalmente 25°) alimentandolo per un tempo brevissimo (nell’ordine del secondo) alla corrente nominale di riferimento (generalmente 350 mA).

Questo perché, con il riscaldamento della giunzione, il flusso emesso si riduce e la misura non sarebbe più confrontabile. Nella pratica, il valore di efficienza (lm/W) misurato non sarà mai ottenibile, per cui occorre considerare in fase di progetto un flusso nominale inferiore del dispositivo nudo. In aggiunta, nel momento in cui è montato in un apparecchio, le sue prestazioni in termini di emissione cambiano drasticamente perché legate alla temperatura di giunzione Tj, ovvero alla temperatura della giunzione del semiconduttore, che costituisce il nucleo del LED.

Un aumento di Tj comporta una riduzione di efficienza luminosa, cui va a sommarsi anche una riduzione della vita del diodo. Purtroppo non sono ancora in vigore Normative prestazionali, indispensabili per definire protocolli di misura univoci e rendere così confrontabili apparecchi dello stesso tipo. Siamo stati abituati in passato a considerare la vita media della sorgente e le sue prestazioni a prescindere dall’apparecchio in cui era inserita: ora dovremo abituarci a considerare questi dati facendo riferimento allo specifico apparecchio nel quale il LED è montato. Questo viene già fatto negli Stati Uniti con la IES LM-80 “Measuring lumen maintenance of LED light sources”, una Norma in base alla quale l’apparecchio in prova deve rimanere acceso per 6.000 ore, alimentato con correnti definite dal produttore a tre diverse temperature ambienti (55°C, 85°C e una terza a scelta): ogni 1.000 ore di funzionamento vengono acquisiti i dati e con essi – attraverso interpolazioni – è possibile prevedere il comportamento del sistema nel tempo e redigere gli opportuni “data sheet” tecnici.

In un futuro molto prossimo anche in Europa avremo una Normativa di questo tipo. Ciò premesso, appare evidente che la progettazione di un apparecchio equipaggiato con diodi LED richiede un grande know-how: il suo design complessivo deve coniugare molti aspetti, primo tra tutti quello termico. Dal momento che il flusso è funzione della corrente di alimentazione (solitamente compresa tra i 350 mA e i 700 mA), un apparecchio termicamente ben progettato consentirà di alimentare i LED a una corrente più elevata mantenendo la temperatura di giunzione entro un certo limite prefissato, il che si tradurrà in maggior luce emessa senza riduzione della vita utile del componente.

Attualmente gli apparecchi per illuminazione stradale sono progettati impiegando un certo numero di LED di potenza secondo un principio di sovrapposizione. Ciascun diodo viene direzionato in modo da ottenere un solido fotometrico ben specifico: l’obiettivo è quello di intercettare la superficie da illuminare con il massimo fattore di utilizzazione (Immagine 4).

La Norma di riferimento per la progettazione illuminotecnica delle strade è la UNI 11248 (Ottobre 2007) che definisce i parametri necessari per stabilire la categoria illuminotecnica di riferimento e di progetto per ogni tipologia di strada classificata in base al DM del 05.11.2001. La Norma di riferimento per la progettazione illuminotecnica delle gallerie è la UNI 11095 del Dicembre 2003. I principali obiettivi di un impianto d’illuminazione possono essere così riassunti:

  • l’impianto di illuminazione deve garantire al guidatore una buona visibilità sia di giorno che di notte;
  • il guidatore, nell’approccio all’ingresso della galleria, deve percepire la variazione delle condizioni di guida senza sviluppare una sensazione di incertezza;
  • l’impianto deve garantire l’assenza di ombre e di abbagliamento diretto o riflesso.

Dev’essere realizzata una buona illuminazione verticale per la percezione di eventuali ostacoli. In fase progettuale è molto importante definire il livello di luminanza esterna dovuto alla luce naturale in modo da poter stabilire i livelli che l’impianto d’illuminazione artificiale dovrà fornire nelle zone d’ingresso, di transizione e permanente.

Allo stato attuale gli apparecchi a LED vengono generalmente impiegati per la sola illuminazione della zona permanente, ovvero quella zona che ha origine dopo la zona di transizione (necessaria per adattare il sistema visivo del guidatore). Ad oggi, gli elevati valori di luminanza richiesti per l’imbocco e la transizione non rendono economicamente vantaggioso l’impiego dello stato solido per queste zone, ma è ipotizzabile che in un futuro molto prossimo le leggi di mercato porteranno a una riduzione dei costi e quindi alla realizzazione di impianti in galleria “full LED”.