Tecnologia illuminazione LED: La storia della luce

Il campo della tecnologia illuminazione LED è diventata molto dinamica negli ultimi anni, principalmente a causa dei veloci miglioramenti delle lampade a diodi e ad emissione luminosa (LED).

Questo articolo è dedicato alla tecnologia illuminazione LED. Ripercorre la storia della luce, le sue teorie e l’implementazione di queste scoperte tecnologiche fino alle attuali lampade a LED.

Tecnologia illuminazione LED: Gli sviluppi

Il rapido sviluppo della tecnologia illuminazione LED è il risultato di molti scienziati, ingegneri e accademici che riconoscono il potenziale del significativo risparmio energetico nel consumo globale dell’illuminazione. Le lampade a LED attirano l’attenzione di molti lighting designer e dell’industria dello spettacolo. Sostanzialmente perché possono essere prodotte per emettere luce bianca e molti singoli colori per riempire lo spettro visibile.

Le loro caratteristiche di luce possono essere controllate elettronicamente per produrre una varietà di effetti di luce desiderati per le immagini e per i video a colori. L’elettronica a stato solido ha trasformato il mondo grazie alla sua versatilità, all’efficienza e alla manifattura su larga scala. L’illuminazione a stato solido può trasformare anche l’industria dell’illuminazione.

La piena comprensione del design, delle specifiche e delle quantificazioni delle lampade a LED e degli apparecchi di illuminazione per varie applicazioni è essenziale per produrre prodotti a stato solido per risparmiare energia e per abbellire il nostro ambiente.

La maggior parte degli scienziati e degli ingegneri che si occupano di tecnologia illuminazione LED sono impegnati sulla fisica dei semiconduttori, sui materiali e sull’ingegneria dei dispositivi optoelettronici. Comprensibilmente, è normale che molti di questi professionisti si concentrino pienamente su tutti gli aspetti dell’illuminazione.

Tuttavia, un ingegnere progetta un apparecchio di illuminazione deve poter incorporare tutte le considerazioni corrette dal punto di vista dell’illuminazione. Pertanto, è importante per gli sviluppatori di lampade a LED e apparecchi di illuminazione capire e apprezzare i principi fondamentali dell’illuminazione.

Nel settore dell’illuminazione, scienziati e progettisti dell’illuminazione a LED apprezzano questa tecnologia e contribuiscono allo sviluppo di lampade a LED per l’illuminazione in generale.

La scienza della luce e dell’illuminazione a LED

Descriviamo in maniera completa molti vantaggi, svantaggi e colli di bottiglia delle tecnologie di illuminazione a LED. L’industria dell’illuminazione ha fatto notevoli progressi negli ultimi anni, principalmente in termini di miglioramento dell’efficacia della lampada e della qualità del colore. Le lampade a LED hanno sostituito le tecnologie fluorescenti in diverse applicazioni.

Le aree che richiedono ancora maggiore innovazione stanno migliorando la scalabilità e le proprietà di distribuzione della luce. Queste esigenze si concentrano sulla propagazione della luce e sulle caratteristiche di distribuzione delle sorgenti luminose a LED per applicazioni di illuminazione generale.

Una lampada a LED, per essere considerata sostitutiva nelle applicazioni di illuminazione in generale, è essenziale che utilizzino metodi ottici secondari. Ad esempio, l’ottica diffrattiva o integrata per distribuire e scalare la luce in grado di fornire la stessa illuminazione desiderabile ad ampio spazio.

La luce e le teorie della luce

La luce è una risorsa fisica di vitale importanza per tutti gli esseri viventi. Oltre a fornirci una visione, la luce è intrinsecamente connessa a tutta la vita (Fenomeni fotobiologici). Mentre gli esseri umani hanno sempre avuto questa relazione integrale con la luce, la nostra significativa comprensione delle sue proprietà e del comportamento sono iniziate solo pochi secoli fa. Da allora, le principali scoperte sono state spiegate in vari passaggi.

Isaac Newton

A partire dalla fine del 1660, Isaac Newton diede inizio alla teoria corpuscolare della luce. Spiegando che la luce era costituita da piccole particelle o corpuscoli e che ognuna di queste particelle non aveva il colore unico bianco. Piuttosto, queste particelle di luce bianca erano composte da uno spettro di colori che possono essere separati con un prisma. In pratica, molti fenomeni ottici possono essere gestiti con la teoria di Newton. Questa teoria costituisce la base dell’ottica geometrica o dell’ottica dei raggi. Nello stesso periodo, l’avversario di Newton, Robert Hooke, dedusse che la luce non aveva i comportamenti di una particella, ma piuttosto quella di un’onda. Christian Huygens, sviluppò la sua teoria ondulatoria nel 1690. Tuttavia, la teoria ondulatoria non fu confermata fino a quando Thomas Young e Augustin-Jean Fresnel fecero degli esperimenti di interferenza. Questi esperimenti provarono che la luce ha una proprietà ondulatoria che non poteva essere sostenuta dalla teoria corpuscolare di Newton.

Teoria della diffrazione

Successivamente, fu stabilita la teoria della diffrazione e fu esposto lo studio dell’ottica fisica altrimenti nota come ottica delle onde. L’ottica delle onde fu ulteriormente abbracciata dalla scienza quando fu unificata con la teoria elettromagnetica di James Clerk Maxwell intorno all’anno 1860. Questa teoria stabiliva che le onde luminose erano in realtà radiazioni elettromagnetiche.

Albert Einstein

All’inizio del ventesimo secolo, Max Planck e Albert Einstein formularono la sorprendente teoria che rivelava che la luce ha proprietà sia di tipo di onda che di particella. Lo hanno spiegato usando la meccanica quantistica. Quando veniva vista come una particella, la luce veniva chiamata “fotone“, rientrando nella categoria di bosone che si comportava in base alle statistiche di Bose e Einstein. Questo, in contrasto con le particelle di elettroni, che sono fermioni secondo le statistiche di Fermi e Dirac. Basato sui successivi sviluppi della meccanica quantistica e dell’elettrodinamica, il ventesimo secolo è diventato emozionante per la fisica portando a scoperte incredibili in astronomia e in vari campi ingegneristici. Tra questi, i diodi emettitori di luce (LED), laser, fotorivelatori, fibre ottiche e altre scoperte. Dall’inizio del ventesimo secolo, quando la comprensione della luce al livello fondamentale si sviluppò progressivamente nel campo dell’ottica come ramo della fisica, lo sviluppo dell’illuminazione per le applicazioni prese una svolta senza precedenti. Allo stesso tempo, partì l’invenzione della pratica lampadina ad incandescenza generalmente accreditata a Thomas A. Edison (anche se con molte polemiche).

Tecnologie di illuminazione a LED

La lampadina al tungsteno non era stata solo una semplice invenzione. Vi era stata una rapidità di divulgazione di queste lampadine. Divennero onnipresenti nelle famiglie, in particolare negli Stati Uniti. Questo enorme successo è da attribuirsi all’impiego nei sistemi elettrici comuni e nell’accessibilità economica nonché per i suoi vantaggi pratici. Dal 1914 al 1945, le vendite delle lampadine passarono da 88,5 milioni a 795 milioni di unità. Più di cinque lampade a persona all’anno.

L’illuminotecnica e l’ingegneria sono diventate un campo a sé stante. Principalmente per l’illuminazione e le applicazioni per la visione umana, i cui benefici sono sempre stati straordinari. Sebbene le lampade a incandescenza sono state ampiamente utilizzate nelle famiglie e negli edifici commerciali per la loro praticabilità, consumano una grande quantità di energia elettrica. Questo perché il processo di incandescenza converte in genere solo una piccola percentuale di energia elettrica in luce visibile. Oltre il 90% in radiazioni termiche invisibili.

Altre tecnologie di illuminazione

Altre tecnologie di illuminazione sono diventate pratiche e più efficienti dal punto di vista energetico. Le lampade ad incandescenza hanno iniziato a essere sostituite gradualmente in molte applicazioni. Queste includono le luci elettriche come le lampade fluorescenti lineari e le compatte. Enormi miglioramenti nelle tecnologie di illuminazione a LED negli ultimi dieci anni hanno portato molti a chiedersi se questo tipo di illuminazione sarà scelta per quasi tutti gli scopi di illuminazione.

L’idea sta diventando sempre più popolare in quanto l’efficienza luminosa teorica dei LED, a livello di sorgente su piccola scala, è calcolata per essere circa il doppio di quella delle lampade fluorescenti di ultima generazione. Tuttavia, la domanda rimane se questa maggiore efficacia può essere ridimensionata per le ampade di dimensioni pratiche che possono illuminare in modo omnidirezionale.

Principi fondamentali dell’illuminazione a LED

Secondo la storia moderna, l’indagine di luce, visione e colore iniziò quando i filosofi greci Platone, Aristotele, Democrito e altri fecero descrizioni filosofiche e psicologiche sulla luce e il colore. Lo sviluppo delle scienze della luce o dell’ottica ha fatto un salto avanti nel ventesimo secolo dopo diverse centinaia di anni di scoperte scientifiche. Soprattutto da quando Isaac Newton ha lavorato sull’ottica nella metà del diciassettesimo secolo. L’argomento illuminazione è debitamente distinto all’interno del campo generale dell’ottica.

L’illuminazione è specifica per la visione umana che dipende interamente dall’illuminazione degli oggetti mediante la luce naturale e artificiale. Quindi, si occupa solo della luce nello spettro visibile. L’ottica è il ramo della fisica che coinvolge il comportamento e le proprietà della luce. In generale, all’interno dell’intero spettro di frequenze ottiche che comprende la luce visibile, l’ultravioletto e l’infrarosso.

Scienze ottiche

Poiché le scienze ottiche hanno subito uno sviluppo rigoroso e sono diventate rilevanti per molte discipline tra cui l’astronomia, la medicina, la fotografia e molti altri campi. Tra questi, anche la fibra ottica e le comunicazioni ottiche. Le conoscenze scientifiche e i metodi di caratterizzazione quantitativa dell’illuminazione sono migliorati tantissimo.

Tuttavia, l’illuminazione rimane principalmente pratica e esperienziale. La utilizziamo tutti i giorni e molti di noi sono abituati alla luce artificiale con una certa qualità di illuminazione. La luce del giorno che ci raggiunge dal sole è la forma predominante di luce naturale da cui è iniziata la nostra familiarità con la luce e la visione.

Fondamenti dell’illuminazione

La visione ha descrizioni solo in presenza di luce, alcune delle quali includono il colore, le dimensioni e la forma degli oggetti che vediamo e la loro luminosità. Senza luce, non vediamo i dintorni o altri oggetti presenti nelle aree che ci circondano a meno che gli oggetti non siano illuminati da qualche sorgente luminosa, come ad esempio il fuoco. Fondamenti di illuminazione sono stati stabiliti per descrivere ciò che vediamo e quanto bene vediamo le cose in presenza di luce.

Comprendere i fondamenti dell’illuminazione è fondamentale per tutti i progettisti e i tecnici di lampade. In particolare, per tutti quelli del settore dei LED. Poiché l’illuminazione artificiale è in circolazione da molto tempo, le persone ne conoscono già la qualità della luce e la loro facilità d’uso.

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