Alimentare i Led con il Power over Ethernet

L’illuminazione a Led permette di mandare in pensione le lampade a incandescenza, alogene e fluorescenti nelle applicazioni commerciali, industriali e residenziali. I vantaggi dei Led sono ben documentati e comprendono una vita operativa più lunga, maggiore efficienza energetica e minori dimensioni, che consentono di realizzare apparecchi illuminanti di piccolo formato. Se esiste consenso sui vantaggi dei Led nell’illuminazione, resta invece un tema dibattuto quale sia la soluzione migliore per alimentarli in modo efficiente. Oggi è infatti possibile fornire alimentazione in corrente continua ai Led utilizzando la moderna tecnologia PoE (Power over Ethernet). Il confronto tra la tecnologia PoE e la tradizionale alimentazione tramite rete elettrica in corrente alternata evidenzia valori di efficienza simili a livello di sistema. Tuttavia, la tecnologia PoE esce vincente se si considerano anche i vantaggi derivanti dalla possibilità di connettere le lampade a una rete locale e il minor costo di manutenzione dei Led.

L’alimentazione in Dc tramite la tecnologia PoE

Per loro natura, i Led sono dispositivi alimentati in Dc a bassa tensione. Per assicurarne la compatibilità con la tradizionale rete elettrica Ac, generalmente i driver dei Led per illuminazione comprendono un convertitore Ac-Dc che trasforma la tensione alternata di rete in un valore continuo più basso. Questo processo di conversione riduce l’efficienza di sistema, pertanto sono state proposte soluzioni di alimentazione in Dc. Alcune ricerche hanno posto a confronto i costi dei due approcci: secondo uno studio della Carnegie Mellon University è possibile ottenere “un risparmio di 2000 dollari all’anno utilizzando la Dc invece della Ac. Se i Led sono alimentati da una fonte fotovoltaica affiancata all’energia di rete, l’impiego della Dc al posto della Ac può consentire un risparmio ancora maggiore”. Oggi è possibile fornire alimentazione Dc alle lampadine Led tramite la tecnologia PoE, che è regolata dallo standard Ieee 802.3, pubblicato nel 2003 e aggiornato nel 2009. Questa norma prevede che l’alimentazione e i dati di comunicazione siano forniti direttamente ai dispositivi connessi, tramite un unico cavo di rete standard (Cat 5). La sorgente dell’alimentazione è costituita da un apparato denominato Pse (Power-sourcing equipment), collocato nello switch/hub. Il dispositivo connesso che riceve l’alimentazione (cioè la lampadina Led) è definito PD (Powered device). Per considerare il caso peggiore di perdita di potenza nel cavo di rete, la potenza fornita dal Pse è superiore al limite di potenza del PD. La prima versione dello standard PoE (Ieee802.3af) fissava per il Pse un’erogazione minima di 15,4 W nella gamma di tensione compresa tra 44 e 57 Vdc, con cavo Cat 3 o migliore, fornendo al PD una potenza limitata a 13,0 W nella gamma di tensione da 37 a 57 Vdc. La versione successiva, ha portato la potenza del PSE a 30 W sulla gamma di tensione da 50 a 57 Vdc, con cavo Cat 5 o migliore, aumentando la potenza assorbita dal PD fino a un massimo di 25,5 W nella gamma di tensione da 50 a 57 Vdc. Lo standard Ieee 802.3bt, la cui ratifica è attesa a breve, aumenterà ulteriormente le potenzialità della tecnologia PoE: il valore minimo di potenza erogabile dal PSE potrà infatti raggiungere 90 W. Ogni apparecchio illuminante a Led alimentato tramite PoE può divenire un dispositivo plug-and-play dotato di connettore standard RJ-45 e del proprio indirizzo IP univoco. Se collegato a sensori, inoltre, può trasformarsi da semplice sorgente luminosa a hub Led intelligente, capace di raccogliere informazioni sui parametri ambientali e di trasmetterle a un controllore. Ad esempio, il rilevamento della presenza di persone in una stanza consente di accendere le luci quando qualcuno vi entra e di spegnerle quando è inutilizzata. Un sensore di luce ambientale rende possibile anche lo sfruttamento della luce naturale e la regolazione della luce per mantenere un’illuminazione costante. La tecnologia PoE si presta in modo ideale ad alimentare, connettere e controllare gli hub Led intelligenti per mezzo di una Lan. Con questa soluzione l’impianto di illuminazione a Led diviene parte della rete IT; il suo raggio d’azione può estendersi oltre le immediate vicinanze dell’utilizzatore, includendo altri servizi di edificio attraverso qualunque dispositivo connesso a una rete. Così, ad esempio, l’utilizzatore può sfruttare il sensore di prossimità per trovare la più vicina sala riunioni libera. Un vantaggio ancora maggiore riguarda i proprietari degli immobili e i facility manager, che possono disporre di una vista complessiva sui consumi energetici dell’immobile. Misurando, monitorando e controllando in tempo reale tutti i nodi della rete, gli amministratori possono individuare opportunità per migliorare l’uso dell’energia e l’efficienza operativa. Un vantaggio aggiuntivo è la possibilità di realizzare una rete “a prova di futuro”. Disponendo di apparecchi illuminanti a Led già collocati nei punti più appropriati dell’edificio e già cablati per l’alimentazione e per la comunicazione dei dati, diviene possibile limitare i costi e la manodopera in caso di aggiunta di nuovi sensori o nuovi moduli di comunicazione, come punti di accesso wireless a corto raggio. Cosa consegue da queste considerazioni? È chiaro che la tecnologia PoE permette di ridurre i costi legati all’adozione di dispositivi IP-enabled, che si tratti di sensori o di lampadine Led. Il costo del cablaggio è inferiore poiché dati e alimentazione condividono lo stesso cavo. Il costo di installazione è inferiore poiché non occorre un elettricista qualificato. L’installazione è anche più sicura, perché la tensione Dc della PoE è meno pericolosa della tensione di rete a 110 o 220 Vac. La soluzione PoE rende possibile una migliore gestione complessiva dell’energia nella rete, poiché offre un controllo sull’alimentazione dei singoli dispositivi connessi e una sorgente di backup in caso di blackout. Un esempio del valore aggiunto della tecnologia PoE riguarda quanto avvenuto in occasione del Super Bowl XLVII, quando un blackout ha spento l’illuminazione e bloccato gli ascensori per trentacinque minuti. La rete Wi-Fi dello stadio ha continuato a funzionare perché, essendo alimentata tramite PoE, ha potuto contare su una batteria di backup. I vantaggi offerti dai sistemi di illuminazione alimentati tramite PoE hanno riacceso il dibattito. C’è chi chiede come debbano essere valutate le perdite ohmiche introdotte dal cavo Cat 5, mentre altri si domandano se, a fronte di queste perdite, l’eliminazione dello stadio di conversione Ac-Dc presente nei sistemi alimentati da rete Ac consenta di ottenere miglioramenti di efficienza. Per dirimere la controversia confronteremo tre possibili scenari per l’alimentazione di lampadine Led da 10 e 20 W: due soluzioni PoE conformi alla prima versione dello standard Ieee 802.3af (15,4 W per il Pse e 13,0 W per il PD) e alla versione successiva Ieee 802.3at (30 W e 25,5 W), e una soluzione basata sull’alimentazione di rete a 230 Vac.

Lunghezza dei cavi ed efficienza nelle soluzioni PoE

In una tipica configurazione di illuminazione PoE, la tensione di rete a 230 Vac è fornita a un alimentatore PSE-1000 di CUI, da 1000 W, che ha un’efficienza tipica del 90%. Il Pse è gestito dal dispositivo MAX5984, un controllore per Pse da 40 W, mentre il PD dal dispositivo MAX5982, un controllore da 70 W. Il cablaggio è costituito da un cavo Cat 6 23AWG, con resistenza di 67 Ω/km o 0,067 Ω/m per ogni conduttore. Poiché l’efficienza della configurazione dipende anche dalla lunghezza del cavo Cat 6, abbiamo considerato cavi di tre diverse lunghezze: 25, 50 e 100 metri e dimostrato che l’efficienza di sistema varia tra 79,7% e 83,9% a seconda della lunghezza del cavo e, naturalmente, della potenza all’apparecchio illuminante. Per gli apparecchi Led di potenza più alta, l’efficienza può diminuire sensibilmente. È quindi più vantaggioso, ai fini dell’efficienza, limitare la potenza per porta a un valore piuttosto basso. Ciò consente anche un controllo a grana fine sull’illuminazione. Detto questo, va sottolineato che una lampadina a Led da 20 W (1800 lm) equivale approssimativamente a una lampadina alogena da 200 W, ed è quindi è più che accettabile come sorgente luminosa per una postazione di lavoro.

Conversione ed efficienza nella soluzione Ac

Nello scenario Ac, l’alimentazione alternata della rete elettrica è fornita direttamente all’apparecchio illuminante a Led, che richiede quindi una conversione Ac-Dc. Nello scenario dell’alimentazione in Ac, la perdita di potenza dovuta al cablaggio è minima. La maggior parte delle perdite di efficienza è dovuta alla conversione Ac/Dc necessaria in ogni singolo apparecchio illuminante. Il MAX16841 è un driver per Led offline che impiega una tecnica di controllo a frequenza costante per massimizzare l’efficienza di conversione nelle linee Ac bassa (da 100 V a 120 V) e alta tensione (da 220 V a 240 V), funzionando nella modalità conduttiva che minimizza le perdite totali di conduzione e di commutazione.

Confronto tra Ac e PoE

Considerando un apparecchio a Led dimmerabile, l’efficienza di sistema in Ac (82,9%) è solo leggermente superiore a quella dell’apparecchio a Led da 10 W alimentato con PoE alla massima lunghezza del cavo, 100 metri (82,3%). Nel caso del cavo da 25 metri, l’efficienza in Ac è in effetti inferiore di un punto percentuale: 82,9% contro 83,9% per la soluzione PoE. All’aumentare della potenza del singolo apparecchio illuminante, l’efficienza di sistema della soluzione PoE diminuisce e diviene inferiore rispetto a quella della soluzione Ac. In definitiva, l’esito del confronto tra i valori di efficienza di un sistema PoE e di un sistema Ac dipende dalle necessità di illuminazione di ogni specifica applicazione. L’efficienza dell’alimentazione PoE è sempre maggiore a quella del sistema Ac se la potenza del singolo apparecchio è limitata a valori bassi e se il cavo Cat 5 o Cat 6 è corto. Quindi, più l’illuminazione è distribuita, maggiore è il vantaggio di efficienza dell’alimentazione PoE rispetto all’alimentazione Ac. Un’ulteriore osservazione: la nostra analisi ha considerato la resistenza del cavo Cat 6 23Awg, ma l’efficienza dell’illuminazione PoE può ulteriormente migliorare utilizzando cavo Cat 6 22Awg. Quest’ultimo oggi non è altrettanto diffuso, ma potrebbe divenire di uso comune con il crescente impiego dell’illuminazione PoE.

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