L’elettronica e la luce

ILLUMINAZIONE –

La gestione efficiente dei grandi impianti di illuminazione richiede oggi il contributo fondamentale dell’Ict, mentre la diffusione delle sorgenti Led accresce l’importanza delle tecnologie elettroniche nella conversione dell’energia elettrica.

L’illuminazione degli edifici e degli spazi esterni (quella che in inglese si definisce “general lighting”) è stata, storicamente, una delle prime e più importanti applicazione dell’energia elettrica. Da molti anni, ormai, l’elettronica gioca un ruolo di rilievo nel campo dell’illuminazione, ruolo che diviene oggi sempre più importante per effetto dei nuovi obiettivi di risparmio energetico e dell’adozione di nuove sorgenti luminose, in primo luogo i Led.
Dal punto di vista dell’industria elettronica, l’illuminazione presenta due principali aspetti applicativi: 
-    la conversione dell’energia elettrica in luce, un processo che – come vedremo meglio in seguito – deve spesso essere gestito elettronicamente;
-    la gestione degli impianti, cioè l’invio di comandi alle lampade per poter utilizzare la luce nel modo desiderato. Il primo dei due aspetti ricade nel campo dell’elettronica di potenza, mentre il secondo è legato alla domotica o, più in generale, alla Information and Communication Technology.

Conversione dell’energia
Per quanto riguarda la conversione dell’energia elettrica in luce, il ruolo dell’elettronica è divenuto via via più importante con la diffusione di sorgenti luminose diverse dalla tradizionale lampada a incandescenza. La vecchia lampadina, infatti, ha molti difetti ma anche tanti pregi. Il suo difetto principale è rappresentato dall’essere di fatto una stufetta elettrica, che produce quasi esclusivamente calore e solo marginalmente luce. In cambio, però, la lampada a incandescenza produce una luce di qualità ottimale (in termini di temperatura di colore e Color Rendering Index) e costituisce un carico puramente resistivo, ideale per mantenere alto il valore del fattore di potenza e facilitare l’uso di varialuce (dimmer) molto semplici. Grazie a queste caratteristiche, la lampadina tradizionale può funzionare egregiamente anche senza l’aiuto dell’elettronica. Per quanto riguarda le altre sorgenti luminose, invece, l’esempio più significativo è certamente rappresentato dai Led che sono destinati ad assumere un ruolo predominante nelle applicazioni di illuminazione. Lo sfruttamento delle caratteristiche dei Led richiede una notevole quantità di elettronica: questi dispositivi infatti devono essere alimentati tramite un driver, cioè sostanzialmente tramite un particolare alimentatore capace di fornire una corrente costante in tutte le condizioni. La complessità dei moderni driver, inoltre, è in aumento per effetto dei requisiti posti dalle più recenti norme in materia di efficienza energetica, come ad esempio la Energy Star negli Usa. Questa norma, infatti, impone ai driver delle lampade Led un fattore di potenza superiore a 0,7 nelle applicazioni domestiche e a 0,9 nelle applicazioni industriali; richiede inoltre a questi circuiti di essere “dimmable”, cioè di consentire l’uso di un varialuce. Si può dire, insomma, che la Energy Star impone al sistema Led+driver di somigliare il più possibile a una tradizionale lampadina a incandescenza. Per raggiungere questo obiettivo i driver devono essere dotati di sistemi per la correzione del fattore di potenza e di altri accorgimenti. I Led, infatti, non vanno d’accordo con i normali varialuce a Triac; le incompatibilità sono reciproche, da un lato l’assenza di inerzia termica della sorgente luminosa rende percettibili i “gradini” nella variazione della luminosità, dall’altro il driver del Led (seppure dotato di correzione del fattore di potenza) presenta al Triac un carico non resistivo che porta quest’ultimo componente ad effettuare raffiche di commutazioni casuali. I produttori di semiconduttori, naturalmente, hanno già messo a punto soluzioni in grado di risolvere efficacemente tutti questi problemi.

Gestione degli impianti
Su un fronte totalmente diverso l’elettronica è chiamata a fornire sistemi per gestire gli impianti in modo ottimale, il che oggi significa sostanzialmente ridurre i consumi energetici senza peggiorare la qualità del “servizio” fornito alle persone che utilizzano edifici, strade e altri spazi pubblici. Il principio generale dell’efficienza nell’illuminazione è, in sostanza, l’eliminazione degli sprechi: fornire la luce solo dove serve, quando serve, nella minima quantità sufficiente per le attività che si svolgono in quel determinato spazio. Per raggiungere questo risultato è necessario realizzare una rete che consenta di controllare automaticamente le singole sorgenti luminose sulla base di vari parametri: presenza/assenza di persone, condizioni di irraggiamento solare, scenari d’uso predefiniti ecc. La rete di controllo dovrà pertanto integrare vari sensori, temporizzatori, sistemi di gestione programmabili ecc. La Ict mette a disposizione una enorme quantità di soluzioni diverse utilizzabili per realizzare reti di questo tipo; oltre alle soluzioni domotiche utilizzate all’interno degli edifici, esistono molte altre possibilità applicabili agli impianti di illuminazione stradale, basate sia su comunicazioni wireless sia sulla powerline communication (PLC), cioè l’invio di onde convogliate sui normali cavi elettrici; qui ci limiteremo a citarne alcune a titolo d’esempio. Una delle aziende attive in questo settore è la statunitense Synapse Wireless, che propone una soluzione basata su reti wireless di tipo mesh e sul sistema operativo di rete Snap. La rete wireless è realizzata tramite moduli pronti per l’uso. I prodotti Synapse Wireless sono distribuiti da Future Electronics. Va inoltre ricordata la soluzione Minos offerta dalla società italiana Umpi Elettronica (Cattolica, RN), che ha guadagnato un notevole spazio nelle applicazioni di controllo dei lampioni stradali. La soluzione Minos consiste sostanzialmente in una rete a onde convogliate che consente di controllare l’accensione e lo spegnimento anche del singolo lampione. Questa infrastruttura apre la strada a molte possibilità di aumento dell’efficienza: il sistema di controllo centrale può, ad esempio, comandare i lampioni sulla base di un orologio astronomico, evitando i problemi legati agli interruttori crepuscolari. Secondo la società, il risparmio energetico ottenibile può raggiungere il 45%. Il sistema, inoltre, svolge un’attività diagnostica che semplifica la manutenzione dell’impianto. Ovviamente la rete a onde convogliate può essere collegata a Internet, aprendo la strada a varie opzioni di controllo a distanza.

Gli standard
Un cenno, infine, ad alcuni degli standard di comunicazione utilizzati nelle reti di controllo degli impianti di illuminazione. Nel continente americano la tecnologia prevalente è la 0-10V, mentre in Europa si è affermato lo standard Dali e in Giappone e Corea il sistema Pwm a 12 volt. Lo standard Dali (Digital Addressable Lighting Interface) consente di creare reti per controllare ballast, dimmer e altri dispositivi dotati di un’apposita interfaccia. Impiega una codifica Manchester che consente di collegare i dispositivi senza preoccuparsi della polarità. Nel campo delle luci utilizzate per lo spettacolo (teatri, discoteche ecc.) è inoltre utilizzato lo standard DMX512 che consente di creare reti per controllare non solo i dmmer ma anche i proiettori per effetti speciali (ad esempio quelli che possono essere orientati tramite motori elettrici e che sono dotati di specchi motorizzati, filtri colorati intercambiabili ecc.).

Pubblica i tuoi commenti