L'adozione delle sorgenti di illuminazione allo stato solido continua a crescere. Parallelamente crescono anche i loro livelli di prestazione ed efficienza, che hanno ormai superato la soglia delle tecnologie di illuminazione convenzionali. La semplice sostituzione delle sorgenti tradizionali con dei Led bianchi statici non permette di sfruttare appieno il potenziale e gli elementi di differenziazione offerti dall'illuminazione allo stato solido. Gli apparati di illuminazione basati su Led, dotati di driver intelligenti, offrono la possibilità non solo di sostituire l'illuminazione bianca ma anche di usufruire di nuove funzionalità difficilmente raggiungibili utilizzando le tecnologie convenzionali. È semplice asserire che “tutti i colori contengono anche il bianco”. I toni differenti del bianco - dal bianco caldo (come quello prodotto dalle lampade a incandescenza) al bianco freddo (come quello prodotto dai molti dei primi Led indicatori) - sono riconducibili alla temperatura di colore correlata, che per i due esempi indicati va da 2.700 °K a oltre 6.000 °K. La sola componente di intelligenza che è andata ad arricchire l'illuminazione bianca basata su tecnologie convenzionali è il “dimming”.
Con l'illuminazione allo stato solido è possibile accedere a una serie di nuove possibilità, come ad esempio la regolazione della temperatura di colore della luce bianca che permette di “alterare” l'ambiente circostante. I benefici legati a questa nuova funzionalità spaziano dalla maggiore produttività sul posto di lavoro all'attrazione dei flussi di visitatori negli spazi vendita, dalla creazione di atmosfere accoglienti in un ambiente ospedaliero fino alla modifica degli effetti luminosi in un negozio in funzione della stagione, della merce esposta o dell'ora del giorno per incrementare le vendite senza sottostare a importanti investimenti in illuminazione.
L'illuminazione variabile è una caratteristica messa a disposizione dalle implementazioni allo stato solido: essa va ad aggiungersi ai benefici economici e tattici legati ad aspetti quali la riduzione dei consumi e l'estensione della vita utile delle sorgenti, aspetti che già stanno pilotando la forte diffusione dei Led nel mercato dell'illuminazione.
Prima di arrivare a potenziare il set di funzionalità è importante garantire la luce giusta. Per accelerare l'adozione dei Led è necessario rispettare le norme convenzionali e generare una luce caratterizzata dal livello di qualità che lighting designer, architetti e utenti finali si aspettano. Le implementazioni capaci di erogare la luce giusta, sufficientemente scalabili per essere arricchite con funzioni intelligenti e commercialmente vantaggiose, rivoluzioneranno il mercato dell'illuminazione.
Prestazioni (lumen generati), qualità (temperatura di colore e Cri) e illuminazione (angolo di proiezione e candele) sono tutti parametri critici da considerare. La resa di colore (Color Rendering, tipicamente misurata in Cri) descrive la capacità di riprodurre accuratamente i colori illuminati. Per esempio, un'auto rossa potrebbe apparire marrone se illuminata con una lampada al sodio a bassa pressione di tonalità ambra e basso Cri. Benchè dai sistemi di illuminazione a Led gli utenti finali possono ottenere alcuni vantaggi (tra i quali una vita operativa più lunga e dei consumi ridotti), sicuramente non adotteranno questa tecnologia se non sarà in grado di soddisfare anche aspettative legate alla qualità della luce. Solo quando saranno raggiunti i livelli di prestazione desiderati sarà possibile prendere in esame il potenziamento delle funzionalità.
Problemi di coerenza e uniformità
I sistemi di controllo più avanzati portano con sé le sfide legate alla coerenza e all'uniformità. La coerenza di colore è un problema con cui ci si deve sempre confrontare quando si ha a che fare con un apparato regolabile di illuminazione allo stato solido: a tale proposito devono essere prese in considerazione la variazione delle prestazioni delle lampade e la loro deviazione in funzione del tempo, della temperatura e del punto di regolazione. Nonostante siano previsti vari approcci per risolvere queste problematiche, lo sviluppo globale di un sistema può ancora rappresentare per l'industria dell'illuminazione una grande sfida. Le implementazioni modulari o a livello di sistema presentate di seguito possono aiutare a risolvere qualcuna di queste sfide. La disponibilità di sistemi supportati da tecnologie di controllo e di alimentazione adeguate, capaci di complementare - piuttosto che contrastare, rappresenta un aspetto critico per accelerare l'adozione della tecnologia Led.
Per sostituire le lampade alogene più piccole sono richieste sorgenti da 400-1000 lumen. Benché le prestazioni dei Led continuino a migliorare in modo significativo, le sorgenti ad elevata densità di flusso in grado di generare questi livelli non sono così comuni. Esistono Led single-chip capaci di emettere ben oltre i 100 lumen, ma pochi possono vantare rese confrontabili con quelle di lampade alogene da 20, 35 o 50 Watt.
È possibile ovviamente assemblare array composti da Led a prestazioni più basse, ma questo approccio comporta una serie di problemi legati al controllo ottico. Generare luce è solo una parte del problema: l'altra parte è dirigerla per ricavare l'effetto desiderato. Un'unica sorgente capace di erogare i lumen richiesti semplifica il progetto ottico e aumenta l'efficienza della lampada. La gestione termica è un'altra sfida che non può essere ignorata in nessuna applicazione di potenza a stato solido. Per assicurare una vita adeguata nell'ambiente operativo il calore generato da una sorgente Led deve essere opportunamente smaltito. Questo aspetto non può essere risolto esclusivamente all'interno del package Led, ma minimizzare la resistenza termica contribuisce a ridurre le problematiche a livello di sistema.
Fondamentale, per dare vita a una luce bianca regolabile, è la disponibilità di vari canali di colore controllabili e mixabili individualmente. Garantire un colore omogeneo senza sfrangiature od ombreggiature è molto complesso. La riduzione delle dimensioni dell'ottica della sorgente Led o del sistema Led permette di migliorare il mixing dei colori. Un possibile approccio è di creare un Led multi-chip, posizionare i singoli colori più vicini possibile e ridurre la distanza di mixing. Benché esistano vari package multi-chip, pochi di essi sono in grado di garantire contemporaneamente elevate densità di flusso e elevato mixing di colore. La maggior parte dei package multi-chip impone bassi livelli di corrente di pilotaggio, riducendo così la densità del flusso. In alternativa, è possibile utilizzare sorgenti discrete ad elevato flusso, ma questo aumenta sia le dimensioni dell'ottica sia le problematiche di mixing di colore.
Le sfide per i costruttori di Led
Anche se non insormontabili, la densità di flusso, la regolabilità, il mixing di colore e la gestione termica rappresentano per i costruttori di Led delle notevoli sfide tecniche. Indirizzare questi aspetti a livello di Led permette però di semplificare il lavoro di Oem e integratori di sistema.
I Led multi-chip ad alta potenza sono stati progettati per assicurare una sorgente puntiforme di luce bianca regolabile. Essi permettono di attenuare le problematiche legate al mixing dei colori, consentendo lo sviluppo di applicazioni di illuminazione miniaturizzate. Questi package - capaci di sopportare da dieci a quindici Watt - sono in grado di assicurare non solo un incremento significativo di luce in uscita ma anche un drastico miglioramento della densità di flusso rispetto ai Led di potenza convenzionali e agli array. Ottimizzati in funzione delle prestazioni termiche e dell'affidabilità, questi Led consentono di gestire correnti di pilotaggio superiori, migliorando così la densità del flusso. L'ottimizzazione nella scelta dei materiali, del packaging, del tipo di assemblaggio e dei processi di die attach contribuisce ad aumentare le possibilità di estrazione del calore, aumentando così la luce utilizzabile in condizioni applicative.
I sistemi di illuminazione regolabili a Led utilizzano tipicamente sorgenti monocromatiche rosse, verdi e blu. La luce bianca viene generata mescolando i colori. Tale approccio è noto con il termine Rgb. Benché l'Rgb consenta di generare non solo un vasto spettro di colori ma anche della luce bianca regolabile, il Cri (Color Rendering Index) è abbastanza contenuto. La resa di colore tipica di questi sistemi va da 40 a 60 in funzione della temperatura di colore. L'illuminazione d'interni normalmente richiede un Cri superiore a 80, con valori ancora più elevati nelle applicazioni quali l'illuminazione commerciale o architetturale. Questa illuminazione pertanto è adatta nelle applicazioni di segnalazione o di colorazione, ma è meno adatta nell'illuminazione d'interni con sorgenti bianche regolabili.
Una possibilità per incrementare il Cri è inserire delle componenti di colore aggiuntive. L'inserimento dell'ambra (sistema Rgba) permette di potenziare significativamente il Cri mantenendo però la regolabilità del punto di colore. Il massimo, in termini di flessibilità (molto importante per l'illuminazione d'interni), è la possibilità di far scorrere il punto di bianco lungo la curva del corpo nero, mantenendo però il Cri prossimo a 90. Ciò garantisce un'eccellente resa cromatica e una luce bianca di alta qualità.
Traguardi raggiungibili
La combinazione di tutti questi aspetti legati al prodotto è un traguardo raggiungibile. Oggi, per esempio, sono disponibili emettitori Rgba da 10 Watt capaci di garantire elevate densità di flusso, un accurato controllo di colore, potenti capacità di mixing e packaging ottimizzati per le prestazioni termiche e l'affidabilità. L'impiego di Led di questa natura consente di sviluppare lampade non solo in grado di erogare luce di qualità e quantità adeguate ma anche di offrire caratteristiche aggiuntive quali la regolazione del punto di bianco con rese cromatiche superiori. Anche gli emettitori Led multicolore hanno l'esigenza di controller intelligenti e integrati. Le ragioni sono le seguenti:
- Driver canali multipli: per una determinata temperatura di colore, un Cri di alta qualità (90 +) richiederebbe vari tipi di Led. Il Cri è funzione della distribuzione spettrale dell'energia della sorgente luminosa. L'SPD è la quantità di radiazione emessa da una sorgente luminosa a una determinata frequenza. Le lampade a incandescenza con il Cri migliore (97+) hanno una vita breve (750 - 2.500 ore) e una bassa efficacia (10-17 Lumen/Watt).
La Fig. 2 illustra la curva Spd di una lampada a incandescenza e la confronta con quella di una sorgente Rgb. È chiaro che la sorgente Rgb da sola non è sufficiente per originare un Cri elevato. È necessario pertanto aggiungere più canali di colore per riempire la banda e creare una curva prossima a quella della lampada a incandescenza. Il dispositivo deve avere pertanto un driver almeno a quattro canali per le combinazioni rosso, verde, blu e ambra o rosso, verde, ambra e bianco neutro. Per correggere le componenti u e v questo controller dovrebbe essere inoltre programmabile in fabbrica o programmabile dinamicamente attraverso un link di comunicazione.
- Controllo EMI: a causa dei regolatori switching ad alta velocità, gli apparecchi Led HB possono originare livelli EMI elevati che devono essere controllati attraverso tecniche progettuali particolari. L'implementazione di tecniche di modulazione di densità dipendenti da processi stocastici per generare una funzione di uscita esente da componenti periodiche dominanti utilizzando un contatore pseudorandom permette di generare un'uscita modulata a rumore ridotto, più facilmente gestibile sotto il profilo Emi ed Emc.
- Compensazione: per garantire colori omogenei i progetti Led richiedono un set complesso di calcoli. I due maggiori problemi che i progettisti di Led ad alta luminosità devono oggi fronteggiare sono le differenti specifiche prestazionali dei Led in funzione del produttore e la degradazione del Led (per esempio del flusso di uscita, della lunghezza d'onda ecc.) in funzione delle differenti temperature. Queste composizioni richiedono driver intelligenti che possano assicurare - attraverso dei sistemi predittivi - l'omogeneità dei colori e del Cri nel tempo e al variare della temperatura. Per determinate applicazioni questi driver dovrebbero anche essere in grado di dare un riscontro in tempo reale - come ad esempio sul colore e la temperatura - garantendo così le prestazioni dell'insieme.
- Dimming: le unità basate su Led devono poter essere regolate facilmente con una risoluzione che garantisca profondità di colore ed eviti sfarfallii alle basse intensità.
Soluzioni per il pilotaggio dei Led
Per assistere gli sviluppatori nella gestione di più canali e schemi di colore complessi, le società offrono soluzioni hardware capaci di pilotare vari Led. A quesiti si associano appositi software progettati per semplificare lo sviluppo e il controllo. L'abilità di pilotare più canali con un unico dispositivo - 16 nel caso dei controller EZ-Color di Cypress Semiconductor - permette di ridurre sostanzialmente il numero di controller richiesti nei progetti più grandi, limitando la complessità, i consumi e gli ingombri su scheda. Oltre a questo, a livello commerciale sono disponibili dei driver software che permettono di ridurre gli sfarfallii a bassa frequenza e l'interferenza radiata, due problemi comuni nei progetti che utilizzano i Led ad alta luminosità (illuminazione architetturale, cartellonistica, flash ricaricabili, illuminazione veicoli di emergenza e molto altro ancora).
Gli ambienti di sviluppo integrati contribuiscono a semplificare i progetti grazie a dei tool di progettazione visiva embedded che mettono anche agli ingegneri meno esperti in condizione di scegliere colori specifici per i Led selezionati.
I progressi della tecnologia Led e delle tecnologie di controllo si susseguono con rapidità. Lo sviluppo continuo porta a nuovi Led che assicurano non solo la qualità di luce attesa ma anche la possibilità di ampliare le funzionalità di illuminazione. Benchè la complessità di sviluppo di questi sistemi non sia trascurabile, i costruttori stanno lavorando per risolvere le sfide ancora aperte e per accelerarne la diffusione. I Led multi-chip ad alta potenza - come quelli di LedEngin - e i software specifici di controllo applicativo possono essere combinati per dare vita ad apparecchi regolabili di alta qualità capaci di erogare prestazioni illuminotecniche equivalenti a quelle delle sorgenti alogene convenzionali.
