Studio di dispositivi LED e loro applicazioni nel settore del segnalamento

Abstract

Questa tesi rappresenta l’attività di ricerca, svolta durante la scuola Dottorale EDEMOM, che ha prevalentemente interessato lo studio dei dispositivi LED e le loro applicazioni nel settore illuminotecnico. Di fatto tale settore è stato rivoluzionato negli ultimi anni grazie alla nascita di nuovi dispositivi a stato solido con efficienze, rese luminose e caratteristiche meccaniche superiori ai tradizionali metodi d’illuminazione. I vantaggi principali dell’utilizzo dei LED nell’illuminazione generica, cui sia il mondo dell’industria sia gli utenti finali sono interessati, sono l’efficienza di trasduzione elettrica/luminosa e i minor costi di manutenzione degli apparati che ne fanno uso. Il processo di produzione della luce nelle sorgenti a LED è più efficiente delle classiche tecnologie; ad esempio nelle lampade a filamento una buona porzione dell’energia è utilizzata per riscaldare il filamento e non direttamente utilizzata per la produzione di radiazione luminosa. Inoltre le lampade a LED durano molto più a lungo delle lampade realizzate in tecnologia classica, con minor costi di manutenzione e maggior sicurezza d’impianto. Nel nostro lavoro, partendo da un settore di “nicchia” come il segnalamento ferroviario, anche questo interessato dallo sviluppo di nuove lampade, si sono osservate le problematiche macroscopiche di sistemi complessi che fanno uso di sorgenti luminose a LED. Di fatto, la nuova tecnologia benché sia già matura, in ambienti tecnici come il segnalamento presenta ancora limiti e criticità. Shift colorimetrico, variazione d’intensità e tempo di vita sono state, dunque, le tematiche al centro del nostro studio. Com’è noto, i diodi emettitori di luce presentano un’importante dipendenza delle proprie caratteristiche ottiche in funzione della temperatura. La qualità dell’emissione luminosa (intesa come combinazione fra cromaticità e intensità del fascio), e il tempo di vita presentano una variabilità in relazione alla temperatura d’esercizio. Questa dipendenza è più o meno marcata a seconda del tipo di realizzazione del dispositivo. La criticità risiede nello stesso principio fisico che è alla base del loro funzionamento, la ricombinazione radiativa: passaggio di un elettrone dalla banda di conduzione alla banda di valenza attraverso l’emissione di un fotone. Nello specifico, nei LED, allo scopo di massimizzare la probabilità che tale processo fisico avvenga, si realizzano strutture microelettroniche “ad hoc”, modellizzando le bande energetiche del materiale che lo definisce. Tuttavia la conformazione delle bande energetiche di un semiconduttore è fortemente influenzata dalla temperatura, causando un’eguale dipendenza nelle caratteristiche emissive di questi stessi dispositivi. La dipendenza dalla temperatura delle proprietà elettro/ottiche dei LED rende necessaria nello sviluppo degli apparati, che ne fanno uso, una nuova metodologia di progettazione che tenga conto della temperatura stessa. Di fatto nei sistemi ottici a semiconduttore non sempre si dà la giusta importanza a tale dipendenza, realizzando apparati che al variare della temperatura presentano instabilità sia dal punto di vista cromatico sia di intensità di emissione. Nel settore illuminotecnico di cui ci siamo interessati, il segnalamento, tale problematica è molto sentita. Le normative di riferimento cercano di correlare in modo oggettivo le caratteristiche della luce alla percezione visiva dell’uomo, ricercando la “sicurezza della sensazione” stimolata nell’osservatore (in altre parole i limiti imposti cercano di definire sorgenti luminose prive di ambiguità e visibili). La definizione di apparati dalle prestazioni fotometriche “instabili” non è ammessa e, di fatto, le norme cui fa riferimento la segnaletica, risultano essere molto stringenti. Infatti, è possibile individuare in letteratura accorgimenti tecnici che permettono di realizzare sorgenti a LED che presentano caratteristiche ottiche stabili. Tecniche di color mixing e nuovi metodi di alimentazione sono proposti allo scopo di realizzare sistemi d’illuminazione non solo efficienti ma anche rispettosi delle specifiche e norme tecniche. In quest’ambito, il nostro lavoro indica due nuove possibilità d’intervento che permettono di realizzare segnali rispettosi sia delle norme d’intensità sia di cromaticità al variare della temperatura. La prima soluzione da noi proposta parte da tecniche di color mixing sino a giungere allo sviluppo di nuovi sistemi di alimentazione per i cluster di LED, che realizzano la sorgente luminosa all’interno degli apparati semaforici. La nostra idea consiste nell’utilizzo per un unico “colore” (o più propriamente “aspetto” nei semafori) di un “doppio” cluster a LED alimentato con due indipendenti driver di alimentazione. Questi ultimi sono dei generatori di corrente variabili dipendenti dalla temperatura sentita dai LED. Note, dunque, le dipendenze elettro-ottiche dalla temperatura dei diodi luminosi è possibile far in modo che i driver agiscano sul punto di lavoro dei cluster controbilanciando sia lo shift cromatico sia la variazione di efficienza. Si ottiene così un sistema con caratteristiche fotometriche globali stabili. È importante evidenziare a tal proposito che si sono sviluppate diverse tipologie di driver di alimentazione, dando notevole importanza alla facilità della soluzione tecnica proposta e all’efficienza energetica. Inoltre si è cercato di sfruttare le stesse dipendenze dalla temperatura delle caratteristiche elettriche dei LED, in modo tale da avere una facile corrispondenza tra il segnale di riferimento e il punto di lavoro ottico dell’apparato realizzato. Nel secondo metodo d’intervento, invece, si è ipotizzato di limitare l’influenza della variabilità della temperatura ambiente sulla temperatura sentita dai LED, formanti l’apparato ottico del sistema di segnalamento. La criticità di tali sistemi è dovuta alla notevole escursione termica, indicata dalle norme e rappresentante la variabilità climatica di una regione, nella quale si deve assicurare stabilità di comportamento. La soluzione proposta ipotizza l’utilizzo di accorgimenti tecnici, coadiuvati dall’impiego di materiali innovativi, che permettano di isolare termicamente la componente ottica dei segnali. Si è ipotizzato, dunque, un intervento sulle caratteristiche meccaniche e fisiche dei case degli apparati di segnalamento, che definiscono l’iterazione tra temperatura ambiente e temperatura sentita dai LED. In questo modo, oltre ad ottenere un sistema che consente la stabilità ottica, si è definito anche un metodo attraverso il quale agire su sistemi preesistenti migliorandone le caratteristiche. Nel nostro studio ci si è inoltre interessati a un importante parametro qualitativo degli impianti di segnalamento: il tempo di vita. Attraverso la realizzazione di un innovativo test sperimentale sugli apparati a nostra disposizione si è cercato di fornire una risposta a una delle domande più speculate in questo settore, dove logiche commerciali avvolte hanno la meglio sui processi divulgativi. La definizione del tempo di vita di sistemi complessi si ottiene attraverso un’analisi delle logiche di guasto che possono subire le singole parti che realizzano un apparato. La base di partenza di questa analisi è la conoscenza del tempo di vita dei singoli componenti. Tuttavia, negli apparati semaforici a LED il tempo di vita delle sorgenti luminose utilizzate non è noto a priori. Di fatto, solo negli ultimi anni e con le nuove applicazioni l’interesse verso questo parametro ha determinato studi e norme che permettono di definire la vita utile delle sorgenti a LED. A differenza delle lampade tradizionali, i LED non tendono a spegnersi improvvisamente esaurita la loro vita utile: i diodi LED nel tempo diminuiscono gradualmente il loro flusso luminoso iniziale, fino a esaurirsi completamente in un periodo molto lungo (a meno di rotture improvvise). Per i segnali luminosi, se da una parte, tale proprietà consente di avere un apparato più sicuro in quanto non avremo mai l’istantanea perdita dell’informazione segnaletica, dall’altra, rende difficile la valutazione del momento in cui il sistema risulta fuori norma e quindi guasto. A tale ambiguità, inoltre, si legano anche le condizioni operative non certo stabili dei sistemi di segnalamento, i quali sono sottoposti all’azione e alla variabilità del clima, tale da non permettere il facile legame tra i tempi di vita definiti nei datasheet dei LED e il tempo di vita del sistema ottico di un segnale. Infatti, la diminuzione nel tempo dell’efficienza di trasduzione elettro/ottica è dovuta a un degrado delle strutture microelettroniche che definiscono i LED stessi. Queste, infatti, definiscono all’interno del dispositivo delle regioni disomogenee. Tuttavia, i processi diffusivi impongono che con il trascorrere del tempo il sistema tenda a omogenizzarsi (nel caso dei dispositivi a semiconduttore nascono campi elettrici che rallentano “enormemente” questo fenomeno di “omogeneizzazione”). In altre parole nel tempo si ha un fenomeno di equalizzazione che tende a far degradare quelle strutture utili al funzionamento del dispositivo stesso. Il progredire di tale processo, anche se molto lento, degrada le prestazioni dei LED. Tale degrado è anch’esso fortemente influenzato dalla temperatura cui operano i dispositivi, di fatto quest’ultima è un catalizzatore dei fenomeni diffusivi. Nel caso di nostro interesse, dunque, la variabilità delle condizioni operative a cui gli impianti semaforici sono sottoposti durante la propria vita, rende estremamente difficoltosa la stima del loro tempo di vita. In particolare, non ci sono studi in letteratura di tipo dinamico rispetto alla temperatura del tempo di vita sia dei LED sia degli apparati che ne fanno uso. Il nostro lavoro è da questo punto di vista un pioniere in questo campo. Nello studio effettuato, abbiamo fatto rifermento alle norme IES LM-80-08 e IES TM-21-11 che forniscono un’ottima procedura per la stima sperimentale della vita del LED come componente, e sono attualmente il riferimento principale per la maggior parte dei produttori e degli enti di ricerca. Queste norme, orientate ai costruttori dei LED, prevedono test con durata compresa tra 6 00010 000 ore su un campione statisticamente significativo. Purtroppo tali normative sono di difficile applicazione per gli apparati che utilizzano i LED come sorgente di luce. In particolare queste normative non sono applicabili, in toto, alla segnaletica che abbiamo studiato. Le normative prevedono, infatti, la stima a specifiche temperature d’esercizio, non permettendo una semplice corrispondenza dei dati così ottenuti al tempo di vita dei segnali durante la loro operatività in campo. Tuttavia, anche se non completamente applicabili queste normative sono risultate molto utili per scegliere gli intervalli di tempo necessari per le prove (maggiori di 6000 ore), le procedure di misura e le tecniche di interpolazione/estrapolazione dei dati. Nel nostro lavoro si è cercato, dunque, di fornire una caratterizzazione del tempo di vita degli apparati che utilizzano i LED come unica sorgente luminosa, e che al contempo sono sottoposti a stress climatici ad ampio range di temperatura. Allo scopo, si è realizzato in collaborazione con RFI (Rete Ferroviaria Italiana) un sistema di misura e test dei nuovi segnali “alti” che ci ha consentito di definire e individuare il tempo di vita medio delle tecnologie attualmente reperibili per il mercato di consumo. Poiché lo scopo del nostro studio è stato la valutazione del tempo di vita delle sorgenti luminose dei segnali sotto test, il setup sperimentale realizzato ha avuto l’unico scopo di legare il decadimento del flusso luminoso agli stress di temperatura ambientali che i segnali subiscono durante la propria operatività in campo. Gli apparati semaforici a nostra disposizione, quindi, sono stati istallati sul tetto dell’edificio del Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell’Università degli Studi “Roma Tre” (Roma, via della Vasca Navale n. 84), sottoponendoli agli stress termici che derivano dalla variabilità del clima. Prima di essere collocati in esercizio, i segnali sono stati strumentati così da poter monitorare le temperature d’esercizio. In particolare, all’interno dei segnali sono stati inseriti dei sensori di temperatura così da controllare la temperatura dei LED. Per il pilotaggio dei segnali è stato realizzato un sistema di controllo che provvede alle corrette alimentazioni; alla gestione delle sequenze degli aspetti, al monitoraggio delle temperature di esercizio; al monitoraggio della corretta accensione dei segnali; al monitoraggio della tensione di alimentazione. La misura del decadimento quindi è stata realizzata attraverso misurazioni dell’intensità luminosa emessa da ciascun aspetto per ogni segnale, eseguite a intervalli irregolari per tutta la durata del test. Attraverso, dunque, una campagna di misure che è durata oltre un anno, i dati raccolti ci hanno permesso di stimare in oltre 60˙000 ore di funzionamento continuativo la vita utile dei segnali, in accordo con le normative internazionali vigenti. Le misure sperimentali, quindi, ci hanno permesso di apprezzare la bontà delle caratteristiche di questi dispositivi, verificando come il tempo di vita sia una delle caratteristiche migliori di questa nuova tecnologia illuminotecnica, ma evidenziando ulteriormente come le instabilità delle proprietà ottiche dei LED possano determinare comportamenti globali degli apparati non accettabili. In conclusione, la presente ricerca ha permesso di individuare e “sperimentare” i grandi punti di forza della tecnologia LED e come un’attenta realizzazione tecnica può permettere di realizzare apparati illuminotecnici performanti e con prestazioni nettamente migliorative rispetto alle classiche metodologie di realizzazione.