LED multichip

Faro con LED multichip (sinistra) e faro con LED singoli (destra).

I LED multichip sono molto utilizzati nell’illuminazione grazie alla loro potenza, semplicità di progettazione ed al prezzo contenuto, ma sono anche LED che generano molto calore in una piccola area e se non viene smaltito correttamente porta a una drastica riduzione di luminosità e durata della lampada e dissipare quel calore non è facile.

Ma andiamo per gradi, vediamo la differenza tra LED a singolo e multichip e poi quali sono i problemi gestione di quest’ultimo.

LED a chip singolo

Figura 1: LED singolo chip Lumileds Rebel e moneta due cent di euro.

I LED a chip singolo sono formati da un’unica giunzione, hanno dimensioni molto ridotte, 2-3 millimetri di lato. I LED che emettono luce bianca arrivano ad efficienze di 160 lumen per Watt (lm/W) a 25 °C di temperatura di giunzione, il che significa attorno a 140 lm/W a 85 °C che è la temperatura alle condizioni ideali di funzionamento. La loro potenza, a seconda della corrente d’alimentazione va da 1 W tipico fino a qualche Watt. Il costo di questi LED dalle alte prestazioni va dai 0,70-0,80 € a 2,00-3,00 € per pezzo a seconda dei modelli e delle quantità ordinate.

Figura 2: LED multichip Osram Ostar a chip bianchi

Con la definizione di multichip si intendono LED formati da più di una giunzione. Ci sono multichip di diverso tipo e colore. Per la luce bianca esistono multichip formati da LED singoli ad elevato flusso, di solito sono 4 o 6 anche se esistono modelli con più chip, tutti a luce bianca (figura 2) o di colore diverso (figura 3). Nel secondo caso possono variare colore e tonalità della luce durante il funzionamento.

Figura 3: LED multichip Osram Ostar con chip a diverso colore

Questi LED sono costosi poichè danno le alte prestazioni dei LED a chip singolo in uno spazio molto ridotto: 6 x 5 mm nel caso dei LED di figura 2 e 3 formati da 4 chip. Ovviamente maggiore è il numero di chip e maggiore è il flusso e le dimensioni. Il costo di questi multichip varia molto col numero dei chip contenuti, per il modello a 4 chip della Osram si va dai 5 ai 10 €.

Esiste poi una terza categoria di multichip, la più diffusa nei prodotti di illuminazione. Si tratta di multichip formati da un’elevato numero di giunzioni a bassa potenza, anche oltre cento, che vanno a formare un’ampia zona attiva la quale è ricoperta interamente da uno strato di fosforo che gli conferisce un colore giallo (figura 4). Questi LED hanno potenze che vanno da qualche Watt, fino a oltre 100 W! Rispetto ai LED singolo chip hanno dimensioni maggiori ed un’efficienza più bassa.

Figura 4: LED multichip Sharp Mega Zenigata da 50 W con schema connessioni.

Prendiamo ad esempio il LED multichip della Sharp, Mega Zenigata da 50 W: è formato da 160 giunzioni e misura 20 mm di lato. Efficienza massima 101 lm/W a 25 °C, flusso luminoso massimo di 6930 lumen a 25 °C.

I costi dei multichip variano molto a seconda della qualità e potenza, oscillando da 0,2 € a 1 € per Watt. Il LED Sharp citato prima da 50 W costa attorno ai 50 €.

I vantaggi dei multichip

I multichip sono molto utilizzati nel retrofit, la sostituzione della sola lampada e non dell’intero corpo. Le vecchie lampadine a incandescenza o alogena hanno dimensioni molto più grandi di un singolo LED ed il multichip, montato su un dissipatore con attacco tradizionale permette una sostituzione veloce ed economica, l’alternativa sarebbe sostituire l’intero apparecchio luminoso.

Il multichip ha una densità di luminosità (lm/mm2) bassa e questo riduce il fenomeno dell’abbagliamento.

Il multichip fornisce un elevato flusso luminoso, paragonabile a quello di molti LED singoli, senza la necessità di dover sviluppare un circuito elettronico anche complesso che alimenti e gestisca le varie serie di LED singoli riducendone il costo.

Il multichip permette infine di avere un elevato flusso luminoso in poco spazio. Un LED multichip da 50 W occupa un’area di 20 mm di lato, l’utilizzo di chip singoli richiederebbe uno spazio di 200 mm di lato.

Gli svantaggi dei multichip

Non è tutto oro quello che luccica. I LED multichip prima di tutto hanno un’efficienza inferiore ai singolo chip, come gia detto arrivano a 100 lm/W quando i singolo chip superano i 160 lm/W (bianco freddo a 25 °C di temperatura di giunzione), ma il loro grosso problema, troppo spesso sottovalutato è il calore.

La gestione del calore è fondamentale in un apparecchio LED poichè la temperatura di giunzione influisce fortemente sull’efficienza e sulla durata del LED (vedi articolo LED: istruzioni per l’uso). L’indicazione di flusso ed efficienza che viene fornito all’acquisto spesso fa riferimento alla temperatura (di giunzione) di 25 °C, una temperatura non reale poichè a LED acceso la temperatura interna del LED sale fortemente. I 25 °C si hanno a LED freddo e la misura viene effettuata accendendo il LED per meno di un secondo. Un LED con dissipazione ideale lavora a 80-85 °C ma in condizioni sfavorevoli o senza una dissipazione adeguata la temperatura può superare i 100 °C. A 80 °C le prestazioni calano da un minimo del 10% per i LED di qualità fino ad un 30% per i LED sottomarca, a 100 °C il calo va dal 20% al 50%.

Figura 5: Dissipatore passivo per LED singolo (A) e dissipatore attivo a ventilazione forzata per multichip (B)

Se una serie di chip singoli da 1 W, posizionati alla distanza consigliata di 25 mml’uno dall’altro, può essere mantenuta a 85 °C con un semplice dissipatore d’alluminio a pettine (figura 5 A), per dissipare il calore generato da un LED da 30 W servirebbe un dissipatore come quelo di figura 5 B, con una maggiore superficie di scambio ed un sistema di ventilazione forzata e servirebbe un sistema ancora più efficiente per potenze maggiori.

Avere una matrice di LED singoli da 1 W distanziati di 25 mm significa avere 0.16 W/cm2 da dissipare, avere un unico multichip da 50 W significa generare 12.5 W/cm2, avere 50 W concentrati in 4 cm2 o averli distribuiti in 300 cm2 fa molta differenza.

Per questo motivo diffido molto dei dispositivi che utilizzano i multichip e che spesso come dissipatore usano solo il corpo dell’apparecchio o al massimo hanno qualche aletta. Se un faro LED multichip dichiara 3000 lumen con 50 W ed una durata di 30000 ore, a 25 °C e la sua temperatura di utilizzo è 100 °C, potreste avere in realtà un faro da soli 2000 lumen (efficienza 40 lm/W) che vi dura per un paio d’anni.

Ci sono anche buoni prodotti a multichip, con LED di qualità e correttamente dissipati, ma non sono venduti a basso prezzo e non si trovano sulle bancarelle.

Vi riporto per concludere un’esperienza personale: circa 3 anni fa ho comprato una lampadina LED dell’OSRAM da 4 W (l’equivalente dei bulbi da 25 W), pagata 20 € (si l’ho comprata solo per curiosità e passione), poi dopo poco ho trovato una lampada simile, di una sottomarca, pagata 12 €, un’affare, ho pensato. La lampadina OSRAM ancora illumina la mia casa, quella sottomarca è durata forse un anno.