• LED
• Gestione termica
• Ottimizzazione

I recenti sviluppi tecnologici dei LED hanno permesso il loro utilizzo in ogni settore dell’illuminazione, tanto che oggi sono considerati come valide alternative alle sorgenti tradizionali (ad incandescenza, alogene o fluorescenti compatte). L’illuminazione a LED infatti si sta rapidamente diffondendo in tutti i campi dell’illuminazione ed è candidata in futuro ad avere il predominio sul mercato. Considerando che la tecnologia non è ancora matura e sta progredendo ancora verso traguardi impensabili inizialmente, è lecito attendersi a breve altri interessanti sviluppi.
Rispetto alle lampade convenzionali, i LED offrono prestazioni superiori per quanto riguarda l’efficienza luminosa, la durata e l’affidabilità, le ridotte dimensioni, l’accensione istantanea.
Tutte queste voci contribuiscono a ridurre i consumi di energia e quindi i costi di esercizio e di manutenzione, oltre a garantire elevate qualità della fonte illuminante.
Per contro, i principali problemi che questa tecnologia sta incontrando e che costituiscono un freno alla sua rapida diffusione sono di natura economica e tecnica.
Il prezzo del prodotto è infatti più elevato rispetto agli altri sistemi di illuminazione, ma lo sviluppo di una economia di scala dovrebbe riuscire a ridurre le differenze di costo con le altre fonti luminose, che al momento sono ancora abbastanza grandi.
Dal punto di vista tecnico invece la problematica principale è quella termica.
Inizialmente l’utilizzo di queste fonti illuminanti era limitato ad applicazioni di bassa e bassissima potenza, pertanto il surriscaldamento di tali dispositivi non provocava incrementi sensibili di temperatura. Quando però i notevoli incrementi dell’efficienza luminosa all’inizio del 2000 hanno cominciato a prospettare il loro utilizzo anche nell’illuminazione generale, il problema è emerso con tutte le conseguenze.
Si è infatti scoperto che una temperatura di giunzione elevata limita le prestazioni di questi sistemi per quanto riguarda la quantità di luce prodotta (e quindi l’efficienza luminosa), la qualità della luce e la durata.
Pertanto si è dovuto ripensare l’intero dispositivo per inserire un sistema di gestione termica adatto ed utilizzare materiali che favoriscono la rimozione del calore.
Gli sforzi compiuti negli ultimi anni dalle aziende del settore non sono stati molto efficaci ed incisivi. I principali motivi di questo parziale insuccesso sono legati alle inadeguate risorse economiche ed umane che sono state assegnate a questa tematica ed alla difficoltà di riuscire ad avere un approccio al problema adeguato.
Dal punto di vista teorico infatti non esiste alcun modello esauriente di questi sistemi che ne permetta un progetto accurato in grado di ottimizzarli, anche perché i possibili campi applicativi di questa tecnologia sono numerosissimi ed in alcuni casi le condizioni a cui sono sottoposti sono particolarmente gravose.
Appare quindi evidente come l’evoluzione degli utilizzi dei power LED, con potenze e dimensioni sempre maggiori, sia legato alla capacità di dissipare con opportuni sistemi la potenza termica associata al funzionamento della lampada.

Dopo un inquadramento generale delle problematiche del controllo termico delle lampade a LED, si cercano di analizzare i possibili sistemi di gestione termica, fornendo, per alcune casistiche particolarmente rilevanti approfondite in dettaglio, un possibile approccio ingegneristico al problema, sia su base teorica, sia a partire da analisi sperimentali.
Dopo una breve introduzione in cui si descrivono in dettaglio le cause fisiche e gli effetti del surriscaldamento, sono presentati e discussi tutti gli studi attuali relativi alla questione, per avere un quadro generale sullo stato dell’arte della tecnologia.
L’insieme di questi studi ha consentito inoltre una classificazione in macrosettori dei sistemi di gestione termica realizzabili su vasta scala e a costi contenuti.
Per quanto riguarda i sistemi con heat sink passivi, sono state introdotte le tematiche principali inerenti le diverse configurazioni di alette ed è stato proposto un semplice metodo di ottimizzazione, con relativa applicazione a due casi numerici.
Le analisi sperimentali sono state effettuate presso il laboratorio dell’azienda Cantalupi Lighting, all’interno del quale si sono resi disponibili tutti i materiali e la strumentazione necessari. I prodotti testati, impiegati nel’illuminazione navale, hanno inoltre consentito di definire con esattezza le problematiche specifiche di ogni macrosettore; per uno di questi, quello relativo agli heat spreader, è stato proposto un modello termico sulla base dei risultati sperimentali per calcolare le temperature di giunzione di ogni LED.
Sempre a partire dalle prove sperimentali si è calcolato il valore del coefficiente di scambio termico convettivo relativo ad un sistema attivo con synthetics jets.
I prodotti testati inoltre hanno evidenziato alcune carenze progettuali sulle quali si potrebbe intervenire per incrementare le prestazioni di questi dispositivi.
Una volta evidenziate le potenzialità e le criticità di ogni sistema di gestione termica esaminato, si sono infine delineati in modo generale i possibili campi applicativi e le taglie di potenza che possono sostenere.