Anche nell'industria degli elettrodomestici una delle principali leve per l'innovazione di prodotto è rappresentata dalle tecnologie elettroniche. Solo l'intelligenza fornita dai semiconduttori, infatti, è in grado di apportare miglioramenti rilevanti a prodotti maturi come frigoriferi, lavatrici, lavastoviglie ecc. Due sono i principali fronti su cui l'elettronica è chiamata a fornire soluzioni innovative: la riduzione dei consumi energetici e la realizzazione di funzioni avanzate volte ad aumentare il livello del servizio. Si tratta di applicazioni indubbiamente interessanti per l'industria elettronica europea, poiché il Vecchio Continente detiene un ruolo di rilievo a livello mondiale nella progettazione e fabbricazione di elettrodomestici. L'Italia, in particolare, ha sempre ricoperto una posizione particolarmente importante in questo mercato; in attesa di valutare i nuovi scenari che emergeranno al termine dell'attuale crisi economica, è utile ricordare che nel 2006 le aziende italiane del settore occupavano centocinquantamila persone (indotto compreso) e realizzavano un fatturato complessivo di quattordici miliardi di euro. L'esportazione ammontava a oltre il 60% del fatturato, con un saldo commerciale ampiamente positivo: 5,8 miliardi di euro nel 2006 (dati Ceced Italia). In questo articolo esamineremo alcune delle tendenze evolutive in atto nel mondo degli elettrodomestici e alcune delle soluzioni messe a punto dai produttori di semiconduttori.
Riduzione dei consumi energetici
La riduzione dei consumi energetici riveste oggi una particolare importanza per i produttori di elettrodomestici, poiché l'etichettatura energetica dei prodotti (vedi box) incide realmente sulle decisioni d'acquisto dei consumatori. La maggiore efficienza energetica degli elettrodomestici moderni, insieme a un uso dell'acqua più parsimonioso, è anche il principale argomento che le associazioni dei produttori possono utilizzare per richiedere incentivi pubblici. Secondo uno studio condotto da Electrolux, nel 2007 erano utilizzati in Italia oltre venti milioni di elettrodomestici con un'età superiore a dieci anni; la loro sostituzione con apparecchi moderni di classe A, A+ e A++ potrebbe portare a un risparmio di 1,7 miliardi di chilowattora e 53 milioni di metri cubi d'acqua, oltre che a una riduzione di 1,5 milioni di tonnellate delle emissioni di anidride carbonica. Al di là di questi dati cumulativi, è evidente che il taglio delle bollette di elettricità e acqua è un argomento a cui i consumatori sono molto sensibili. Nei moderni elettrodomestici la riduzione dei consumi energetici viene perseguita principalmente in due modi: aumentando l'efficienza dei motori elettrici; realizzando degli anelli di controllo che consentano di dosare le risorse (acqua compresa) in funzione delle reali necessità.
Controllo a orientamento di campo
Oggi come cinquant'anni fa, il principale elemento funzionale di ogni elettrodomestico è un motore elettrico che ha il compito di muovere un organo meccanico: il cestello della lavatrice, il compressore del frigorifero, la pompa della lavastoviglie ecc. Non stupisce, quindi, che uno degli aspetti principali su cui si gioca l'innovazione tecnologica nel campo degli elettrodomestici sia l'aumento dell'efficienza dei motori, cioè il rapporto tra l'energia elettrica fornita e l'energia meccanica ottenuta. Questa prestazione (insieme ad altre, come il livello delle vibrazioni generate e quindi della rumorosità) dipende in larga misura dalla tecnica utilizzata per controllare il motore, ossia per fornire ad esso energia. Com'è noto, l'elettronica consente di implementare molte diverse tecniche di controllo dei motori elettrici; la descrizione e il confronto di tali tecniche non rientra negli scopi di questo articolo. Qui basterà segnalare che l'industria degli elettrodomestici sta adottando in misura crescente la tecnica del “controllo a orientamento di campo” (Field Oriented Control), che consente di aumentare l'efficienza energetica dei motori elettrici e di diminuire la loro rumorosità. Questa tecnica si basa su un algoritmo piuttosto sofisticato comprendente le trasformate di Park e di Clarke, che può essere eseguito solo tramite dispositivi dotati di funzioni Dsp. Oggi il controllo a orientamento di campo può essere realizzato anche senza l'impiego di sensori per misurare la posizione del motore, una possibilità particolarmente utile, ad esempio nel caso dei compressori per frigoriferi e condizionatori, dove il motore può essere immerso in un liquido e quindi difficilmente raggiungibile.
Correzione del fattore di potenza
Un altro aspetto del controllo dell'energia assorbita dai motori è la correzione del fattore di potenza. Oggi questa funzione viene svolta tramite controlli digitali basati su modulatori Pwm che consentono di modificare la forma d'onda della corrente assorbita, in modo da rendere l'insieme del sistema “alimentatore-motore” il più possibile simile a un carico resistivo. Sebbene il valore numerico del fattore di potenza faccia tuttora riferimento al suo antico significato trigonometrico (il coseno dell'angolo di sfasamento), oggi con i moderni alimentatori a commutazione gli scostamenti tra tensione e corrente non consistono più solo nelle differenze di fase dovute ai carichi induttivi (che un tempo venivano corrette tramite i condensatori di rifasamento); la situazione è molto più complessa e comprende le alterazioni della forma d'onda, cioè la presenza di armoniche.
Anelli di controllo per il dosaggio delle risorse
Oltre all'aumento dell'efficienza dei motori, la riduzione dei consumi energetici degli elettrodomestici impiega un altro fondamentale strumento: la realizzazione di anelli di controllo che consentono di dosare le risorse (energia e acqua) in modo adeguato alle reali necessità. Questi accorgimenti consentono al tempo stesso di realizzare funzioni avanzate che migliorano le prestazioni del prodotto in modo evidente anche per l'utilizzatore. Nel caso dei frigoriferi, ad esempio, il tradizionale termostato può essere affiancato da un dispositivo che rileva gli aumenti di temperatura dovuti all'apertura dello sportello e comanda un raffreddamento veloce non appena l'apparecchio viene richiuso. Analogamente, i congelatori possono essere dotati di sistemi per accelerare il processo di congelamento dei cibi freschi. Le lavatrici possono essere equipaggiate con sensori che misurano il peso del carico per regolare la quantità d'acqua e di energia necessarie al lavaggio, mentre un sensore di umidità può essere utilizzato per controllare il funzionamento della asciugatrici. Nel caso delle lavastoviglie, il lavaggio può essere regolato in funzione del livello di sporco presente sui piatti e sulle pentole, determinato misurando tramite appositi sensori la torbidità dell'acqua. I forni elettrici più evoluti sono dotati di sensori che rilevano il peso dei cibi da cuocere e utilizzano questo dato per regolare temperatura e tempo di cottura. Nei forni a microonde, invece, la regolazione può essere basata sul livello di umidità del cibo, misurato tramite un apposito sensore. Le moderne cappe aspiranti, infine, rilevano temperatura e umidità dell'aria per determinare la potenza di aspirazione necessaria.
Elaborazione digitale dei segnali dei sensori
Come appare evidente da questi esempi, gli elettrodomestici moderni impiegano una notevole quantità di sensori. Una delle tendenze tecnologiche in atto riguarda l'adozione di tecniche digitali anche per l'elaborazione dei segnali generati da questi trasduttori. L'impiego dei Dsp - peraltro necessari anche per il controllo dei motori, come si è visto - offre diverse possibilità: neutralizzare i disturbi dovuti alla rete elettrica tramite efficaci filtri digitali; compensare la deriva termica dei sensori e il loro processo di invecchiamento; estrarre più informazione analizzando i segnali anche nel dominio della frequenza; utilizzare un minor numero di sensori oppure sensori più economici, sfruttando l'analisi digitale per sopperire alle carenze del segnale.
Microcontrollori dotati di funzioni Dsp
L'industria dei semiconduttori risponde alle necessità poste dal settore degli elettrodomestici tramite l'offerta di numerosi componenti specificamente rivolti a questo tipo di applicazioni. Un ruolo fondamentale, naturalmente, è giocato dai microcontrollori, necessari per governare tutte le funzioni dell'apparecchio sulla base dei comandi impostati dall'utilizzatore e dei dati rilevati tramite i sensori. Ma questo è soltanto uno degli aspetti in gioco; come si è visto, infatti, i moderni elettrodomestici fanno un largo uso di tecniche digitali anche per il controllo dell'energia fornita ai motori e per la correzione del fattore di potenza. L'adozione della tecnica Field Oriented Control, in particolare, richiede l'impiego di funzioni Dsp. Per questo motivo i microcontrollori ottimizzati per le applicazioni nel campo degli elettrodomestici sono oggi dotati anche di funzioni Dsp - oltre che di periferiche specificamente rivolte al controllo dei motori elettrici, come modulatori di larghezza degli impulsi (PWM), convertitori analogico-digitali e interfacce per gli encoder. Questi processori ibridi Mcu-Dsp sono spesso indicati come Dsc (Digital Signal Controller), un'espressione utilizzata soprattutto da Microchip, Texas Instruments e Freescale. I fautori dell'approccio Dsc suggeriscono di far convergere su questo processore tutti le elaborazioni necessarie in un moderno elettrodomestico: controllo dei motori, correzione del fattore di potenza, trattamento digitale dei segnali forniti dai sensori.
Componenti elettromeccanici
Nel campo dei componenti elettromeccanici, l'industria risponde offrendo prodotti conformi alle nuove norme, ad esempio il Glow Wire Test (vedi box) e agli standard di fatto. Per quanto riguarda le interconnessioni dei singoli componenti o tra parti diverse del circuito va ricordato il ruolo dello standard Rast (Raster Anschluss Steck Technik), che indica una tecnologia di connessione basata su connettori multipli caratterizzati da un determinato “passo”. Solitamente la sigla è seguita da un numero che rappresenta il particolare passo di spaziatura tra le diverse linee di interconnessione. Ad esempio, una interconnessione Rast-5 consiste in un connettore dotato di contatti con passo di 5 mm. Lo standard Rast tocca numerose caratteristiche del connettore, tra cui le dimensioni esterne, il codice dei colori riportati sull'involucro, meccanismi di “polarizzazione” per prevenire un assemblaggio errato, meccanismi di bloccaggio per aumentare la stabilità dell'interconnessione. La tecnologia Rast offre numerosi vantaggi agli Oem e in primo luogo consente di semplificare il cablaggio, poiché utilizza connettori a posizioni multiple. In molti casi la polarizzazione del connettore può essere ottenuta direttamente sulla macchina automatica utilizzata per applicare i connettori ai cavi, riducendo così il numero di parti a magazzino e il rischio di errori di assemblaggio. Il meccanismo di bloccaggio, inoltre, migliora la stabilità della connessione e l'affidabilità complessiva del sistema.
Tecnologie domotiche
L'automazione domestica è, insieme agli elettrodomestici, l'altro grande settore applicativo dell'elettronica all'interno delle abitazioni. In questo campo le tecnologie sono ormai pienamente mature e non si registrano novità di grande rilievo. Va segnalata comunque la disponibilità di soluzioni che consentono di realizzare automazioni senza fili e senza batterie, potenzialmente attraenti in una grande varietà di applicazioni. Rientrano in questa categoria i dispositivi prodotti da EnOcean: interruttori e sensori che sono in grado di trasmettere via radio i loro segnali (comandi di azionamento o grandezze rilevate) sfruttando fonti marginali di energia presenti nell'ambiente. Gli interruttori, in particolare, sfruttano l'energia meccanica fornita dal dito che aziona il tasto, mentre i sensori possono essere alimentati tramite piccoli pannelli solari o celle di Peltier (dispositivi che sfruttano la differenza di temperatura tra la parete e l'interno della stanza). Il sistema wireless di EnOcean può accontentarsi di fonti energetiche così deboli poiché basato su un protocollo che impiega solo 0,12 microwatt per trasmettere un bit. L'uso di un sistema wireless consente di collocare gli interruttori e i sensori con la massima libertà, senza opere murarie. I comandi possono essere affissi anche su pareti in vetro, su elementi architettonici di pregio o - nel caso di uffici “open space” - su mobili. L'assenza di batterie, inoltre, elimina tutti i problemi di affidabilità legati all'esaurimento delle medesime.
Norme di sicurezza per gli elettrodomestici
La necessità di prevenire gli incidenti nelle abitazioni ha portato alla creazione di varie norme obbligatorie volte a garantire la sicurezza degli elettrodomestici. Tra esse sono comprese le norme IEC 60335 (Sicurezza degli apparecchi elettrici di uso domestico e similare) e IEC 60730 (Standard di sicurezza per i controlli automatici per uso domestico). Quest'ultima prescrizione, in particolare, comprende un allegato che stabilisce requisiti per il collaudo dell'hardware e del software utilizzato negli elettrodomestici. Ai fini del test, il software è classificato in tre categorie (A, B e C) sulla base del livello di pericolo in caso di malfunzionamento. Per la maggior parte dei grandi elettrodomestici il software ricade nella categoria B, che riguarda i controlli volti a prevenire eventi come, ad esempio, l'apertura dell'oblò della lavatrice in presenza di acqua calda. Altre norme riguardano il rischio di incendio: lo standard IEC 695-2-1, in particolare, definisce due nuovi concetti utilizzati per valutare i componenti: l'indice di infiammabilità o Gwfi (Glow-wire inflammability index) e il valore di temperatura che può dare origine alla fiamma o Gwit (Glow wire ignition temperature). I due parametri sono stati inseriti nei nuovi standard per le materie plastiche utilizzate per fabbricare interruttori, sensori ecc. La conformità a questa norma richiede collaudi particolari come il Glow Wire Test (test del filo metallico incandescente). Ai componenti per gli elettrodomestici si applicano inoltre varie norme VDE, UL e CSA.
Norme energetiche per gli elettrodomestici
La più nota tra le norme riguardanti il consumo energetico degli elettrodomestici è certamente quella che ha istituito la cosiddetta “etichetta energetica” da apporre sui prodotti esposti nei negozi. La norma definisce sette principali classi di consumo, contraddistinte da lettere (A, B, C, D, E, F, G) e da colori. A queste classi corrispondono valori di energia (chilowattora) consumati su base annua, riferiti a un livello medio di impiego. A parità di classe, pertanto, i valori variano a seconda del tipo di elettrodomestico considerato: la classe A, ad esempio, corrisponde a un consumo massimo di 344 kWh nel caso dei frigoriferi, 247 kWh per le lavatrici ecc. Per i frigoriferi, nel 2004 sono state introdotte le nuove classi A+ e A++, caratterizzate da consumi ancora inferiori rispetto alla classe A. Tra le altre norme legate agli aspetti energetici va ricordata la IEC 555, che ha istituito l'obbligo della correzione del fattore di potenza per tutti i sistemi che assorbono più di 75 W. Un provvedimento legislativo di carattere più generale è la direttiva europea sulla eco-progettazione dei prodotti che impiegano energia, nota come direttiva EuP (Energy Using Products) e contraddistinta dalla sigla 2005/32/EC. La direttiva EuP - che si applica a una vasta gamma di prodotti tra cui apparati elettrici ed elettronici e apparati per il riscaldamento e la refrigerazione - ha l'obiettivo di ridurre l'impatto ambientale complessivo di questi oggetti: non solo l'assorbimento di energia elettrica (elettrica o fossile) necessario per il loro funzionamento, ma anche l'energia utilizzata nel processo produttivo, l'impiego di acqua, la quantità di rifiuti generati, l'impiego di sostanze pericolose ecc.
Domotica, un mercato a crescita lenta
Stando ai dati dell'associazione Assodomotica, nel 2007 in Italia sono stati realizzati 19.400 impianti domotici, un numero certamente non molto elevato per un paese che conta sessanta milioni di abitanti. E infatti secondo le previsioni formulate dall'associazione, nel 2010 solo il 10% delle abitazioni nuove o ristrutturate sarà dotato di impianti domotici. Sebbene il giro d'affari sia senza dubbio interessante per le aziende del settore (78 milioni di euro nel 2007), appare evidente che in Italia l'automazione domestica è ben lontana dal rientrare tra i requisiti standard delle abitazione. Gli ostacoli che si oppongono a un vero “decollo” del mercato domotico - che certamente non sono di natura tecnologica - vanno probabilmente ricercati nelle caratteristiche di quel particolare bene durevole chiamato “casa” e nella mancanza di costruttori edili sufficientemente grandi da imporre al mercato nuovi standard di qualità. Tra i fattori che possono favorire la diffusione della domotica sono comprese le certificazioni energetiche degli edifici, la cui efficacia è però subordinata alla capacità di incidere realmente sul valore di mercato dell'immobile. In ogni caso, oggi esiste uno standard ufficiale per valutare i miglioramenti dell'efficienza energetica ottenuti tramite l'applicazione di sistemi integrati di building automation: si tratta della norma EN 15232. Essa prevede quattro classi di sistemi, corrispondenti ad altrettanti livelli di automazione in relazione al consumo energetico: ad esempio, al livello zero corrisponde un impianto di illuminazione dotato di normali interruttori manuali, al livello cinque si colloca invece un impianto con spegnimento automatico. La norma fornisce una procedura semplificata per il calcolo del risparmio energetico ottenibile grazie all'installazione di un determinato sistema domotico. La possibilità di calcolare il risparmio energetico in modo “normato” rappresenta un'opportunità anche per progettisti e installatori, poiché consente di proporre ai clienti gli impianti domotici offrendo un vantaggio documentabile: ad esempio una migliore classificazione energetica dell'edificio. A parità di risultati in termini di “classe energetica”, spesso l'installazione di un impianto domotico è economicamente conveniente rispetto ad altri interventi sull'edificio, come ad esempio la sostituzione della caldaia o degli infissi.
