Human Centric Lighting, il controllo a circuito chiuso mostra i suoi vantaggi

Con la rapida diminuzione dei costi in Euro per Kilolumen dei LED, il settore dell'illuminazione a LED si è orientato con decisione verso la regolazione del colore bianco nei nuovi impianti commerciali e residenziali di fascia alta. Per esempio, una classica plafoniera da soffitto per ufficio può essere acquistata per una cifra che va da 150 a 300 €; la striscia lineare di LED al suo interno, di norma, peserà per meno di 4 € sul costo totale dei materiali. Questa differenza enorme tra il costo della componente principale e il prezzo pagato dall’utente per il dispositivo consente ai costruttori di aggiungere funzionalità e valore, resistendo così alla pressione al ribasso da parte della concorrenza low-cost e potenzialmente di qualità più bassa. La regolazione della temperatura colore è un modo particolarmente interessante di differenziare un dispositivo di illuminazione standard.

Il termine “regolazione del colore” in genere denota la capacità di regolare la temperatura colore correlata al bianco (CCT, correlated colour temperature) dell’emissione luminosa di un apparecchio. In genere l’intervallo di regolazione è limitato da un bianco molto freddo (CCT fino a 6500 K) fino a un bianco molto caldo con una CCT di 2200 K. Una tipica lampada a luce bianca regolabile rientrerebbe però in un intervallo meno estremo, variando dai 2700 K tipici di una lampadina a incandescenza fino ai 5000 K più adatti all’illuminazione da ufficio. Nell’esempio della plafoniera da ufficio citata in precedenza, sarebbero necessarie due stringhe lineari di LED a valori di CCT ≤ 2700 K e ≥5000 K, con un circuito di controllo sofisticato. Pur se con questa configurazione il costo dei materiali di LED ed elettronica può arrivare a 25 €, si tratta comunque di una piccola parte del prezzo di vendita. E la capacità di regolazione del colore consente al produttore dei sistemi di commercializzare la lampada come Human Centric Lighting (HCL).

Il concetto di HCL si applica alle lampade in grado di coprire un intervallo di CCT che può adattarsi al ritmo circadiano naturale del corpo umano. Per esempio, un sistema dotato di regolazione della temperatura può essere configurato per produrre una luce più fredda (blu-bianca) nelle ore centrali della giornata, riscaldando gradualmente la temperatura del colore al crepuscolo per dare una luce più calda (gialla-bianca), mitigando così alcune conseguenze della luce blu nelle ore notturne (vedi Figura in apertura). Gli studi condotti sull’uomo dimostrano che queste variazioni nel colore della luce artificiale producono risposte ormonali che favoriscono la produttività e l’attenzione nelle ore diurne, conciliando poi il rilassamento e il sonno nelle ore notturne.

In altre parole, l’HCL promette di aumentare il comfort dell'utente e potenzialmente anche la sua produttività, oltre a offrire benefici per la salute rispetto alle lampade a fluorescenza o non altrimenti regolabili. Questi interessanti benefici possono aiutare a motivare il prezzo maggiorato di molti dei prodotti impiegati oggi nell’illuminazione commerciale e residenziale. Di conseguenza, il settore dell’illuminotecnica oggi non valuta più se implementare o meno la regolazione del colore, bensì come implementarla. Vi sono notevoli differenze tra i tre modelli di controllo per la regolazione del colore in uso al giorno d’oggi. Questo articolo li descrive e illustra perché uno di questi - il controllo a circuito chiuso mediante sensori - è il più valido in termini di prestazioni e costi. Descrive inoltre alcuni aspetti legati alla progettazione ottica da prendere in considerazione se si intendono integrare i componenti per il controllo a circuito chiuso a un dispositivo di illuminazione.

I tre metodi per il controllo della luce bianca regolabile

L’approccio più semplice e meno accurato al controllo della luce bianca regolabile consiste nel gestire le stringhe di LED a luce fredda e calda all’interno del sistema mediante un microcontrollore. Questo implementa una semplice tabella di associazione (look-up table) per calcolare la corrente di pilotaggio verso le stringhe di LED a luce calda e fredda necessaria per ottenere un valore approssimato della CCT desiderata. Con una selezione e una caratterizzazione accurata dei LED e un sistema di alimentazione ad alta precisione (i c.d. driver per LED), questo approccio può offrire buoni risultati quando la lampada è nuova e in contesti di laboratorio.

Purtroppo, quando la configurazione è applicata sul campo, la variazione nel comportamento dei LED nel tempo e in condizioni operative diverse compromette l’efficacia della tabella di associazione. Per esempio, il punto di colore di un LED si scosta e il suo flusso devia dai valori nominali quando se ne diminuisce l’intensità, o quando la temperatura ambiente differisce dal valore nominale specificato dal produttore. Questa variabilità può compromettere gravemente l’accuratezza del sistema di controllo della temperatura. L’occhio umano è sensibile alle variazioni di luminosità anche minime, nell’ordine di poche parti per millesimo, e spesso questi cambiamenti risultano immediatamente percepibili. Senza contare che queste variazioni diventano sempre più pronunciate nel tempo, in quanto l’invecchiamento causa un progressivo scostamento tra la caratterizzazione iniziale e il rendimento reale dei LED.

Il secondo approccio applicato ai sistemi di regolazione del colore è una versione più sofisticata del primo: un sistema di compensazione guidato dalla tabella di associazione. L'approccio si basa su un modello delle variazioni prevedibili nel comportamento dei LED causate dai cambiamenti nella temperatura d’esercizio e dall’invecchiamento, incorporandole in una tabella di associazione più complessa. Se usato in combinazione con una circuiteria retroattiva per gestire al meglio le variazioni nella corrente di pilotaggio dei LED, questo secondo approccio garantisce un controllo del colore più accurato e un rendimento più sostenibile rispetto al primo. Quando implementato correttamente, questo approccio permette di eseguire la calibrazione di ogni singola lampada in fabbrica per annullare l’effetto delle piccole variazioni nei componenti da un lotto a un altro. Anche se le prestazioni di questo metodo sono superiori, esistono anche dei notevoli svantaggi:

  • costo maggiorato delle componenti per la compensazione di temperatura e corrente
  • driver per LED multicanale e ad alta precisione
  • elevata dipendenza dalla caratterizzazione iniziale dei LED e dalle previsioni sull’invecchiamento. Nei 10 anni di vita operativa di una lampada, la quasi totalità dei modelli predittivi mostrerà un certo scostamento rispetto al rendimento effettivo. E considerando la dinamicità del mercato dei LED, il modello sarà probabilmente derivato da un dispositivo più datato rispetto a quello integrato nella lampada, causando così un’ulteriore varianza rispetto al rendimento effettivo
  • il produttore di sistemi di illuminazione è vincolato alla scelta iniziale dei componenti, dato che, per ottenere risultati ripetibili, qualsiasi modifica richiede una nuova caratterizzazione completa del sistema riprogettato.

Metodo di controllo a circuito chiuso

Il terzo approccio si basa su misurazioni continue della luce miscelata per mezzo di un sensore di colore calibrato e integrato nell’apparecchio, impiegato per regolare un sistema di controllo retroattivo a circuito chiuso. In questo tipo di implementazione, il microprocessore e gli algoritmi produrranno delle regolazioni continue e attive della corrente di pilotaggio erogata a ogni stringa di LED, in modo da mantenere l’emissione di luce miscelata al valore di CCT desiderato.

Il circuito di controllo rileva a intervalli regolari l'emissione di luce e aggiusta costantemente la corrente in ingresso per mantenere la temperatura colore desiderata, compensando così le variazioni di colore causate da oscillazioni di temperatura, invecchiamento o dimming. Questo sistema retroattivo non ha bisogno di informazioni sui LED che sta controllando, neppure della loro temperatura colore nominale. Non necessita di modelli predittivi del comportamento dei LED in base all’età e alla temperatura. Non ha bisogno di lotti di LED accuratamente selezionati da bin impostati rigorosamente a un determinato punto di colore. E grazie all’elemento sensore pre-calibrato, il dispositivo non richiede alcuna calibrazione in fase di produzione.

Così il produttore di sistemi di illuminazione può scegliere i LED da una vasta gamma di bin a ogni estremità della scala della temperatura colore, e il mix di bin può cambiare nel tempo senza effetto alcuno sul rendimento in termini di CCT del sistema di controllo della regolazione del colore. Se l’elemento sensore di colore che guida il circuito di controllo è in grado di mantenere la calibrazione iniziale per tutta la vita operativa del sistema, non sarà necessaria un'ulteriore calibrazione dei lotti in produzione. Il rendimento del sistema a circuito chiuso sarà superiore rispetto ai primi due approcci quando l'apparecchio è nuovo, dato che il circuito di controllo misura l’emissione luminosa effettiva sul campo a prescindere dalle condizioni operative, non affidandosi a un modello teorico dell’emissione luminosa in determinate condizioni: è un metodo adattivo e non predittivo. E questa superiorità non farà che aumentare col passare del tempo, dato che il metodo a circuito chiuso funzionerà per l’intera vita operativa di una lampada a LED come il primo giorno, mentre il rendimento dei primi due approcci è destinato a degradare nel lungo periodo.

Queste performance superiori comportano altresì una riduzione dei costi, considerata la minore importanza delle specifiche dei LED e del sistema di alimentazione. Ampliando la gamma di binning dei LED, il produttore di dispositivi di illuminazione potrà scegliere i LED da bin più economici o di pronta disponibilità con le specifiche di CCT desiderate, riducendo la sua esposizione al rischio nella filiera di approvvigionamento. Senza contare che la gestione delle scorte è notevolmente semplificata e più economica. E annullando la necessità di eseguire la calibrazione sulla linea di produzione, si riducono anche i tempi e i costi di assemblaggio dei prodotti finiti. Infine, il produttore può aggiornare quando desidera la progettazione per sostituire i LED più datati con prodotti nuovi e migliorati, senza la necessità di dover attuare processi complessi e costosi per caratterizzare i nuovi LED e sviluppare nuove tabelle di associazione.

Un approccio integrato al rilevamento a circuito chiuso

Implementare un sistema di controllo a circuito chiuso per la regolazione della luce bianca con pochi componenti discreti non è molto complicato: sono necessari un sensore di colore di alta qualità, un microcontrollore e algoritmi sviluppati in-house per regolare la corrente di pilotaggio dei LED in risposta alle misurazioni del sensore. Tuttavia, lo sviluppo di un software del genere è complesso e difficoltoso. Richiede esperienza in un certo numero di discipline, come le metodologie di dimming e regolazione colore (per garantirne la fluidità), la programmazione integrata, la progettazione ottica, la caratterizzazione del sistema ottico e le metodologie a circuito chiuso per prevenire i difetti di oscillazione o di sincronizzazione. E come spesso accade nella progettazione dei sistemi elettronici, una soluzione integrata system-on-chip (SoC) per il controllo a circuito chiuso della regolazione colore consente un risparmio in termini di ingombri e costi, oltre a essere più facile e rapida da implementare per un progettista di sistemi.

Fig. 2: il compatto AS7221 trova facilmente spazio negli apparecchi downlight e in altri progetti con vincoli di spazio

Una soluzione integrata di questo tipo è stata realizzata da ams, un fornitore di sensori di colore ad alte prestazioni per smartphone e applicazioni tecniche. L’azienda offre due tipi di regolazione del colore SoC: lo Smart Lighting Manager e lo Smart Lighting Director. La regolazione di tipo Manager, come l’AS7221, include un piccolo core del processore integrato in un sensore di colore XYZ in un package da 4,5x4,7x2,5 mm (vedi Figura 2). Un sensore XYZ presenta una curva di risposta cromatica che riproduce il comportamento dell’occhio umano. I suoi filtri interferenziali ad alta affidabilità, fabbricati su wafer come parte della lavorazione CMOS, sono estremamente stabili sia rispetto alla temperatura sia all’invecchiamento. Nella sua implementazione meno costosa, lo Smart Lighting Manager è dotato di un'uscita multicanale che offre un segnale standard 0-10 V o un segnale dimming di tipo PWM verso il driver per LED per determinare i valori complessivi di luminosità. In aggiunta possono essere presenti due canali PWM extra per il controllo dei transistor di commutazione a inizio serie delle stringhe di LED a luce calda e fredda, pilotando la corrente mediante un ciclo di lavoro complementare per ottenere il mix CCT desiderato dalle due stringhe a LED.

Lo Smart Lighting Director, come l’AS7225, include anche un sensore di colore XYZ ad alte prestazioni e la logica digitale necessaria per calcolare in continuo le proporzioni corrette tra le stringhe di LED. I risultati di questi calcoli continui sono inviati a un processore di supporto contenuto nel dispositivo di illuminazione, sotto forma di direttive, per regolare ciascuna stringa a un determinato valore percentuale. Il processore di supporto provvederà a gestire la transizione da un mix di stringhe a un altro, oltre a gestire i segnali DALI o altri segnali di rete.

L’uso di uno Smart Lighting Manager come l’AS7221 offre il modo più facile e rapido per implementare un sistema di controllo a circuito chiuso, senza necessità di includere altre componenti di controllo. Lo Smart Lighting Manager di ams include anche il supporto nativo per diversi sensori aggiuntivi, come per esempio un sensore di luce ambientale per lo sfruttamento della luce naturale o i sensori ambientali di temperatura, umidità e COV per la qualità dell’aria. L’uso di uno Smart Lighting Director come l’AS7225 è una soluzione ideale per i progetti di dispositivi di smart lighting già dotati di un microcontrollore discreto e offre al produttore maggiore flessibilità per aggiungere altri sensori controllati dal MCU.

Considerazioni sulla progettazione ottica

Fig. 3: una luce guida dirige l’emissione luminosa dal bordo del riflettore di un apparecchio downlight al sensore di colore sulla scheda LED

In un sistema di controllo a circuito chiuso, il sensore deve ricevere informazioni rappresentative dell’emissione di luce miscelata da due stringhe di LED. Per ottenere una visuale d’insieme dell’emissione miscelata, è anche possibile montare il sensore sulla scheda LED, puntando a una luce guida installata sul bordo del riflettore o dell’alloggiamento dell’apparecchio (vedi Figura 3). I sensori di ams presentano un campo visivo di 45° e includono i controlli di configurazione per l’adattamento alle diverse caratteristiche dei campi visivi o delle camere di miscelazione.

I vantaggi in breve

L’aggiunta del rilevamento a circuito chiuso in un dispositivo di illuminazione a LED permette di contenere i costi dei materiali e di produzione, sia per i sistemi di illuminazione direttamente regolabili sia per quelli che usano il circuito sensore per mantenere una CCT o un valore di lumen fissi per l’intera vita operativa dell’apparecchio. Nel caso dei sistemi regolabili, un sistema a circuito chiuso consente l’uso di componenti con specifiche meno stringenti, assicurando al tempo stesso una regolazione del colore più precisa. I produttori di soluzioni per l’illuminazione possono ottenere ulteriori vantaggi competitivi e opportunità di maggiorare il prezzo, grazie all’implementazione di applicazioni ad alto valore aggiunto con regolazione del colore integrata. Queste includono le applicazioni HCL ottimizzate per il ritmo circadiano e altre applicazioni HCL, in grado di aumentare la produttività del personale e la soddisfazione degli utenti.

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