LIBRO BIANCO La Regolazione Dimmer delle Lampade a LED © 2015 CEDIA INDICE Introduzione: ambito del documento 4 01 Perché illuminare con i LED? Vantaggi e limiti nell’uso dei LED 5 5 6 Tavola IESNA di confronto delle fonti di illuminazione 02 Quale luce a LED? Parametri prestazionali Impatto ambientale Garanzia 7 7 7 7 03 Architettura di controllo di un corpo illuminante a LED 8 Composizione dei corpi illuminanti a LED8 04 Perché dimmerare i LED? a. Domande da porsi nella regolazione dimmer di una lampada a LED b. Tipologie di prodotti a LED c. Intervallo di regolazione dimmer d. Prestazioni del dimmer e. Tecnologie di controllo i. Regolazione a Fase anticipata ii. Regolazione a Fase Inversa iii.Controllo 0-10 V iv. DALI v. DMX-512 f. Numero di lampade per dimmer 05 Tipi di controllo e installazioni 10 11 11 13 14 14 14 15 15 15 16 17 18 a. Sistema di controllo centralizzato18 b. Controllo Locale18 c. Installazione di lampade a LED18 d. Installazione di corpi illuminanti a LED18 06Conclusion 19 Appendice A 20 Riconoscimenti Amanda Beebe – Lutron Aussie Kizirian - Interior Technologies Ken Byrd – Cree Acronimi • CBCP – Center Beam Candlepower • CCT – Correlated Color Temperature • CFL – Compact Fluorescent Lamp • CRI – Color Rendering Index • DALI – Digital Addressable Lighting Interface • DMX-512 – Digital Multiplex Interface • ELV – Extra Low Voltage • LED – Light Emitting Diode • LPW – Lumens Per Watt • MLV – Magnetic Low Voltage • UL – Underwriters Laboratories Definizioni Efficacia (LPW): L’efficacia complessiva di un apparecchio luminoso, la sua totale emissione luminosa utilizzabile (espressa in lumen) divisa per la potenza elettrica reale (espressa in watt). Comunemente indicata con “Lumen Per Watt” o LPW. Temperatura di Colore Correlata (CCT): Indica la temperatura del corpo nero, o radiatore di Planck, il cui colore percepito si avvicina con maggiore precisione a quello di una determinata sorgente di luce avente la stessa luminosità e sotto specifiche condizioni di visualizzazione. Si misura in Kelvin (K). Indice di Resa Cromatica (CRI): La capacità di una sorgente luminosa di riprodurre fedelmente il colore di vari oggetti rispetto a una sorgente di luce ideale o naturale. Durata del LED: Il numero di ore di funzionamento durante le quali un LED può mantenere almeno il 70% della sua luminosità originale, secondo condizioni prefissate di temperatura e flusso luminoso. E’ anche indicato come L70. (I LED non si bruciano improvvisamente come le sorgenti a incandescenza o fluorescenti ma diventano progressivamente meno luminosi mano a mano che vengono utilizzati). Distribuzione Spettrale di Potenza (SPD): L’intensità della potenza luminosa per unità di superficie e per unità di lunghezza d’onda di una sorgente luminosa. E’ rappresentata da un grafico bidimensionale, dove l’asse delle ascisse riporta la lunghezza d’onda e l’asse delle ordinate misura la potenza luminosa relativa, per unità di superficie. Fattore di Potenza (PF): Il rapporto tra potenza reale e potenza apparente. Comunemente indicato con una percentuale (%) o un numero a due decimali (0,00). Intervallo di Regolazione Dimmer: Rapporto tra il valore minimo e il valore massimo della luminosità misurata, di solito espresso in percentuale (%). Driver: dispositivo ausiliario necessario per pilotare e variare l’intensità della luce emessa dalla lampada a LED, regolandone la tensione e la corrente assorbita. Luce Misurata: Un determinato livello di luminosità, definito da un costruttore. © 2015 CEDIA 3 INTRODUZIONE: AMBITO DEL DOCUMENTO Questo lavoro si prefigge di illustrare al lettore benefici, prestazioni, utilizzo corretto e limitazioni dell’illuminazione a LED (Light Emitting Diode). Vengono esaminati i diversi tipi di lampade disponibili e le loro caratteristiche (cioè l’intervallo di regolazione possibile), le diverse fonti di alimentazione (interne o esterne), le prestazioni e i dispositivi di regolazione dimmer dei LED. “La regolazione dimmer delle lampade LED” si focalizza sulle applicazioni di illuminazione nel residenziale e sui requisiti tecnici necessari per realizzare una corretta predisposizione dei cablaggi di un impianto a LED. Il documento, inoltre, mette a confronto l’illuminazione a LED con le altre tecnologie oggi disponibili sul mercato, riferendosi a: compatibilità con i sistemi di controllo, fotometria, qualità della luce, distribuzione di spettro- potenza, durata di vita prevista, requisiti per installazioni particolari, impedenza delle sorgenti e rumore di linea. Nella maggior parte dei casi, nelle installazioni in ambito residenziale, l’illuminazione a LED è conforme a tutti i requisiti in modo soddisfacente o addirittura superiore. Questo fascicolo affronta il ritorno sugli investimenti (ROI), che comprende maggiore efficienza, minori rischi rispetto alle lampade fluorescenti compatte (CFL), benefici sui costi e migliore impatto estetico. Oltre a questi aspetti, prende in considerazione un elenco di argomenti che l’integratore di sistema e progettista dovrebbe discutere col proprio cliente prima di procedere alla fase di progettazione. Le informazioni e le applicazioni contenute in questo documento si riferiscono esclusivamente ai LED a luce bianca e non ai loro omologhi RGB. Allo stesso modo non sono discusse le differenze tra i produttori, anche se vengono forniti gli strumenti per valutare se un determinato produttore soddisfi i requisiti necessari all’implementazione di un progetto. Un elenco degli standard che regolano l’efficacia e le prestazioni dei prodotti è riportato in appendice. Le informazioni qui riportate hanno valore esclusivamente educativo: CEDIA non intende in alcun modo riferirsi a produttori o prodotti specifici. 4 © 2015 CEDIA 01 PERCHÉ ILLUMINARE CON I LED? Il LED è un dispositivo elettronico in grado di produrre luce quando è attraversato da una corrente elettrica; il colore della luce emessa dipende dal materiale di cui è costituito. I LED sono disponibili nei colori rosso, blu, ambra, verde e tonalità vicine all’ultravioletto, con potenze luminose che vanno dai 10 ai 200 lumen. I LED generalmente utilizzati nelle applicazioni di illuminazione sfruttano prevalentemente il processo di “conversione al fosforo” dove il chip di un LED a luce blu viene ricoperto da uno strato di fosforo giallo. Il fosforo assorbe una parte della luce blu ed emette luce gialla. Quando la luce blu che non è stata assorbita si mescola con la luce gialla, si ottiene la luce “bianca”. dimmerare le lampade, e in caso sia possibile farlo possono esserci limitazioni nella regolazione o nella compatibilità col sistema. Nella comparazione delle fonti luminose, alcuni dei parametri di interesse sono l’efficacia, la qualità e la durata come indicato nella tabella 1. L’efficacia è espressa in LPW, che denota i lumen generati da ciascun watt elettrico assorbito, la qualità della luce si esprime con l’indice di resa cromatica (CRI), che esprime la capacità di una sorgente luminosa di restituire fedelmente ogni colore dello spettro visibile e la durata di vita utile esprime il numero di ore in cui la lampada è utilizzabile. Come si evince dalla tabella IESNA, nell’utilizzo dei LED per scopi di illuminazione generica vi sono sia parecchi vantaggi sia limitazioni. Le installazioni che sfruttano illuminazione a LED possono raggiungere un’efficacia che varia da 25 LPW a oltre 80 LPW, rispetto all’efficacia di una lampada a incandescenza, che può essere di 5-10 LPW. I LED, infatti, convertono l’energia elettrica in emissioni luminose con rese intorno al 30%, rispetto a valori inferiori al 5% per le lampade a incandescenza, producendo, di conseguenza, una quantità di calore notevolmente inferiore. I LED riescono a raggiungere una durata di vita utile che va da 25.000 ore a oltre 100.000 ore, rispetto alle circa 1.000 ore di vita di un’incandescente. Inoltre, i LED non contengono materiali pericolosi come i vapori di mercurio che si trovano nelle lampade fluorescenti compatte. Una delle limitazioni dei LED è data dai costi più elevati, dal momento che i LED ad alta luminosità, necessari per applicazioni generiche di illuminazione, sono costosi. Essi richiedono anche driver elettronici specifici per convertire la tensione alternata di rete in una tensione continua richiesta dalle matrici di LED. Questi fattori, combinati con gli speciali accorgimenti utilizzati nella progettazione dei dissipatori di calore, rendono i dispositivi basati sui LED notevolmente più costosi. Un’altra limitazione riguarda il basso numero di applicazioni realizzabili a causa dei vincoli imposti dalla temperatura ambientale di funzionamento, da una tecnologia relativamente giovane e una minore conoscenza di questa tecnologia. Non sempre si trovano apparecchi di illuminazione a LED adatti per ogni applicazione o esigenza estetica. Infine, sebbene esista una vasta gamma di prodotti basati su elementi a LED, non sempre è consentito © 2015 CEDIA 5 01 PERCHÉ ILLUMINARE CON I LED? Tabella 1: Tavola IESNA di confronto delle fonti di illuminazione Sorgente e Colore di Temperatura Correlato Lampade (Watts) Efficacia (LPW) Durata di Vita (Ore) CRI Tempo di Avvio e di Riscaldamento (Minuti) Range di Dimmerazione (Percentuale di Luce in Uscita) Lumen Iniziali Filamento Incandescente Standard (2700 K) 100 17 750 100 0 100 - 0 1690 Tungsteno – Alogeno (2950 K) 300 20 2000 100 0 100 - 0 6000 Tungsteno – Alogeno (2850 K) 90 14 2500 100 0 100 - 0 1280 Fluorescente a segnale d’uscita alto (3000 K – 4000 K) 54 93 20000 85 0 100 - 1 2900 Fluorescente (3000 K – 4100 K) 32 88 20000 75 0 100 - 1 2800 Fluorescente compatta a tubo twin lungo (3000 K - 4100 K) 38 87 20000 82 1 100 - 5 3300 Fluorescente compatta a tubo twin doppio (2700 K - 4100 K) 26 70 10000 82 1 100 - 5 1800 Vapore di Mercurio (6800 K) 175 45 24000 20 < 10 100 - 10 7900 Ioduri Metallici, elevato wattaggio (4000 K) 400 90 20000 65 < 10 100 - 50 36000 Ioduri Metallici, basso wattaggio (3200 K) 100 81 10000 70 <5 100 - 50 8075 Scarica di gas, basso wattaggio (2100 K) 70 90 24000 21 <5 100 - 50 6300 Scarica di gas, elevato wattaggio (a diffusione) 250 104 24000 21 <5 100 - 50 26000 6 © 2015 CEDIA 02QUALE LUCE A LED? In questa sezione sono discussi alcuni aspetti importanti da considerare nella selezione dei corpi illuminanti a LED come, i parametri relativi alle prestazioni e le condizioni di garanzia. I parametri prestazionali da considerare nella scelta dei corpi illuminanti a LED sono: qualità della luce, efficacia, fattore di potenza e durata. Differenti fonti di luce bianca hanno diverse caratteristiche e durante il processo di selezione deve essere posta attenzione al fine di garantire che per ciascuna applicazione venga utilizzata la sorgente più idonea. Le misure più comuni che esprimono la qualità della luce sono la temperatura di colore (CCT) e l’indice di resa cromatica (CRI). Il CRI di corpi illuminanti a LED può variare circa da 80 a 95. Per i tipici LED a luce blu, che sfruttano la tecnologia di conversione al fosforo, il CRI è in genere inversamente proporzionale all’efficacia, il che significa che un alto CRI comporta bassi valori di LPW (Lumen per Watt), e viceversa. Infine, la garanzia è un aspetto critico che dovrebbe essere esaminato prima di assegnare una commessa. Lo standard tipico del settore è una garanzia limitata a tre anni che copre i difetti di fabbricazione, sebbene alcune aziende offrano una garanzia estesa a cinque anni. Gli acquirenti dovrebbero assicurarsi che il fabbricante abbia la possibilità di rispettare le condizioni di garanzia. Deve essere poi verificato se il corpo illuminante è compatibile con le strutture in cui andrà inserito, se è in condizione di dissipare il calore in modo appropriato nelle applicazioni retrofit, se è compatibile con diversi tipi di controllo e se dispone dei relativi componenti di ricambio per poter far fronte a futuri aggiornamenti. L’efficacia diventa molto importante quando vi sono limitazioni alla potenza totale che può essere destinata all’illuminazione. Per assicurarsi che vi sia abbastanza luce, in presenza di determinate limitazioni alla potenza disponibile, è opportuna la scelta di sorgenti con alti valori di LPW. Il fattore di potenza (PF) è il rapporto tra potenza reale e potenza apparente. La potenza apparente, che è ciò che vede la fonte di alimentazione, deve essere fornita a un carico. Se la potenza reale è notevolmente inferiore, questo si traduce in una perdita di potenza. Ciò è particolarmente importante per le applicazioni commerciali, dove la fatturazione dei consumi elettrici viene effettuata in base alla potenza apparente consumata. La durata di vita utile è un’altra caratteristica da esaminare attentamente nella scelta di fonti di illuminazione a LED. L70 è un parametro utilizzato da IESNA per definire il mantenimento del flusso luminoso. I due principali fattori che incidono su di esso sono corrente assorbita e temperatura di esercizio. I produttori di apparecchi illuminotecnici devono essere in grado di fornire i risultati di test effettuati presso laboratori di prova indipendenti. L’impatto ambientale è un altro aspetto da considerare nella scelta di un corpo illuminante: è infatti importante sapere se questo rispetta la normativa RoHS, cioè se non contiene tossine o sostanze tossiche come il mercurio e/o piombo, se è realizzato con materiali riciclati o riciclabili e se è in grado di sopportare le condizioni di umidità e temperatura previste per il tipo di utilizzo cui è destinato. © 2015 CEDIA 7 03ARCHITETTURA DI CONTROLLO DI UN CORPO ILLUMINANTE A LED I corpi illuminanti a LED sono costituiti da numerosi sotto-componenti. Diversi produttori includono, completamente o parzialmente, questi sottocomponenti in una singola unità. Ciò significa che alcuni dispositivi richiedono un driver LED esterno e/o l’alimentazione, mentre altri sono completamente integrati. I principali sotto-componenti sono illustrati in Figura 1. I corpi illuminanti sono di solito composti dalle seguenti parti: matrice di LED, dissipatore di calore, diffusore di luce (opzionale) e alloggiamento. La matrice di LED è composta da un raggruppamento di singoli LED. In alcune realizzazioni consiste in un LED di un determinato colore, mentre in altre è costituito da più stringhe indipendenti di LED di diverso colore. Il dissipatore di calore è il meccanismo principale di Figura 1: Sotto-componenti di un corpo illuminante a LED Tensione in Ingresso (230 Vac) Dispositivo di Alimentazione Interfaccia del Dimmer Ingresso per la Dimmerazione 8 © 2015 CEDIA Circuito Driver Corpo Illuminante - Matrice di LED - Dissipatore di Calore - Diffusore di Luce - Alloggiamento 03ARCHITETTURA DI CONTROLLO DI UN CORPO ILLUMINANTE A LED dispersione del calore per l’intera matrice. In alcuni corpi illuminanti, potrebbe essere necessario che il dissipatore venga esposto a un flusso d’aria in movimento. L’alloggiamento è la struttura meccanica che tiene insieme le altre parti, in genere provvisto di staffe di montaggio o supporti. Inoltre, alcuni elementi utilizzano l’emissione diretta di LED senza diffusore, mentre altri sfruttano un diffusore per mescolare la luce proveniente da diversi LED colorati, ottenendo così una singola sorgente puntiforme. tagliano la forma d’onda in alternata interrompendo il circuito in corrispondenza dell’impulso di controllo. Essi sono progettati per carichi capacitivi, come ad esempio i reattori elettronici dimmerabili. I dimmer Low Voltage saranno discussi in maggior dettaglio nella sezione Tecnologie di controllo e sono: dispositivi 0-10 V, DMX, Digitally Addressable Lighting Interface (DALI) ed EcoSystem. I LED sono componenti discreti in corrente continua (DC) e, a seconda della configurazione della matrice, possono richiedere uno o più valori di tensione per pilotare una particolare matrice. Il circuito Driver riceve tipicamente 12 V, 24 V in tensione continua o altri valori di tensione provenienti dalla rete elettrica e viene normalmente comandato tramite un segnale di regolazione che proviene dall’interfaccia del dimmer. Il circuito di alimentazione converte la tensione di rete al livello di tensione continua richiesto dal LED driver. A seconda del tipo di apparecchio, la fonte di alimentazione può essere di 230 V in alternata, in caso provenga dalla tensione di rete, o 12 V o 24 V in continua in caso di alimentazione tramite batteria o mediante pannello fotovoltaico. L’interfaccia del dimmer converte il segnale di regolazione in modo che questo possa essere applicato al driver dei LED ottenendo l’attenuazione richiesta. I dimmer si possono dividere in due categorie: quelli che operano a Tensione di Linea e sono anche definiti a parzializzazione (o taglio di fase) e quelli che utilizzano una bassa tensione (Low Voltage). Nel caso dei dimmer a tensione di linea, il circuito del dimmer esamina la forma d’onda della corrente alternata e determina il livello di attenuazione da applicare. I tipi di dimmer più comuni sono quelli utilizzati per lampade alogene o a incandescenza (Incandescent), magnetici a bassa tensione con trasformatore magnetico (MLV) e a bassa tensione con trasformatore elettronico (ELV). Il dimmer “a incandescenza” è chiamato anche a “controllo di fase” (leading edge) o “a fase anticipata” ed è tipicamente un dispositivo basato su triac-SCR che taglia la forma d’onda in alternata tra un istante determinato e il momento di “zero crossing” della sinusoide, entrando in conduzione in corrispondenza del fronte positivo di un impulso di controllo. Anche i dimmer magnetici a bassa tensione (MLV) sono regolatori a controllo di fase ma sono progettati per carichi induttivi, come i reattori dimmerabili magnetici. I regolatori elettronici a bassa tensione (ELV) sono anche chiamati dimmer “trailing edge” o “a fase inversa” e sono tipicamente dispositivi che utilizzano FET (transistor ad effetto di campo) e © 2015 CEDIA 9 04PERCHÉ DIMMERARE I LED? Le motivazioni che spingono a regolare la luminosità dei LED sono le stesse che riguardano lampade fluorescenti, a incandescenza e altre sorgenti luminose convenzionali. Dimmerare i LED consente di risparmiare energia in modo lineare. Ciò significa che se si abbassa fino al 50% la produzione di luce di un LED si risparmia quasi il 50% del consumo di energia, come è evidenziato in Figura 2. Grazie alla regolazione dei LED, non solo si risparmia attraverso una fonte luminosa più efficiente, ma si risparmia una quantità ancora superiore di energia. Regolare i LED permette loro di funzionare a temperature d’esercizio più basse che possono allungare la vita dei componenti elettronici dei circuiti di pilotaggio e aumentare anche la durata operativa dei fosfori, permettendo loro di funzionare a una temperatura inferiore. Questo prolungherà la loro vita, raddoppiando o triplicando le ore di vita utile dei LED. Grazie alla regolazione di qualsiasi lampada, sia essa a incandescenza, CFL o LED, si riesce a migliorare anche l’atmosfera di un ambiente: sia che vi troviate al ristorante, a teatro o in uno spazio conferenza, è possibile ottenere la sensazione esatta che il lighting designer aveva immaginato. La casa e il posto di lavoro dovrebbero essere progettati in accordo alle necessità del cliente. Dal momento che, nell’arco della giornata, le esigenze del cliente variano continuamente, anche l’illuminazione degli ambienti deve modificarsi: ad esempio luce intensa per leggere un libro e soffusa per l’uso del computer. Il controllo dell’illuminazione permette di ricreare un ambiente confortevole e più adatto allo svolgimento delle varie attività durante il corso della giornata. Il controllo dell’illuminazione può anche accrescere la sicurezza e l’incolumità nella casa di un utente. Il cliente può controllare sia le luci interne sia l’illuminazione esterna dall’interno della propria vettura quando percorre il viale d’accesso, garantendo così la visibilità ottimale e non è più costretto a cercare l’interruttore della luce mentre apre la porta d’ingresso. I sistemi di controllo dell’illuminazione hanno in più la possibilità di essere collegati ai sistemi di sicurezza per accendere le luci in caso di emergenza. I dimmer installati sulle scale e nei corridoi possono illuminare un percorso di luce in settori chiave della casa rendendo più agevole spostarsi da una stanza all’altra durante la notte. La gestione dei livelli di illuminazione aumenta anche la produttività, dando modo all’utente di scegliere l’intensità di cui ha bisogno per ridurre l’affaticamento degli occhi, in modo che possa lavorare al massimo delle prestazioni per la maggior parte della giornata: per esempio, gli studenti possono concentrarsi meglio, a casa come a scuola, e imparare con più profitto. Figura 2: Relazione tra potenza assorbita da un LED e luce emessa 10 © 2015 CEDIA 04PERCHÉ DIMMERARE I LED? aDOMANDE DA PORSI NELLA REGOLAZIONE DIMMER DI UNA LAMPADA A LED Prima di impegnarsi con investimenti in tecnologie a LED è necessario comprendere i suoi limiti, soprattutto quando si ha a che fare con problematiche di compatibilità con i sistemi di regolazione. Molti produttori di apparecchi di illuminazione a LED sono entrati da poco nel mercato del lighting e non hanno familiarità con la moltitudine di tipologie di controllo esistenti e i corrispondenti requisiti di progettazione associati a essi. Questo ha portato a prodotti “dimmerabili” che non funzionano come dovrebbero, sfarfallano o non si spengono completamente. Questi sono i principali problemi che devono essere affrontati per evitare che i consumatori possano associare “in toto” le tecnologie LED all’idea di scarse prestazioni e diventino avversi a usarli. Prodotti LED ad alte prestazioni esistono, ma è necessario porsi le giuste domande per assicurarsi di averli scelti in modo appropriato. Utilizzando le cinque domande seguenti come una guida, il progettista – integratore di sistema può tranquillamente acquistare e installare un corpo illuminante o una lampada a LED, garantendo ai propri clienti il soddisfacimento di tutti i requisiti. 1 Che tipo di prodotto LED sto utilizzando: lampada LED o corpo illuminante a LED? 2 Qual è l’intervallo di regolazione dimmer del dispositivo? 3 Qual è la prestazione della regolazione dimmer del prodotto? 4 Tramite quale tipo di controllo è possibile gestire il dispositivo a LED? 5 Qual è il numero minimo o massimo di corpi illuminanti o di lampade che possono essere collegati a un dimmer? bTIPOLOGIE DI PRODOTTI A LED I LED sono intrinsecamente dispositivi a bassa tensione pertanto, per convertire la tensione di linea nella bassa tensione per alimentarli, è necessaria della componentistica elettronica aggiuntiva. Questi circuiti sono in grado anche di interpretare i segnali di controllo, regolando i LED di conseguenza; vengono perciò indicati come “driver”. Gli apparecchi di illuminazione a LED sono disponibili in due diverse tipologie: lampadine a LED (chiamate anche lampade retrofit) e corpi illuminanti a LED. Le lampadine a LED dispongono di attacchi tipo Edison e sono destinate a sostituire le normali lampadine a incandescenza o le lampade fluorescenti compatte (CFL) a vite. Le lampadine a LED hanno driver integrati che in alcuni casi sono dimmerabili con livelli predefiniti di prestazioni. I corpi illuminanti a LED possono essere utilizzati in soluzioni di illuminazione a luce indiretta o a incasso e, di solito, hanno un driver esterno. Alcuni produttori supportano sullo stesso driver diverse funzionalità e tecnologie di controllo (come ad esempio dimmerabili e/o non-dimmerabili). Ci sono due diversi tipi principali di driver LED: a tensione costante (solitamente 5 V, 12 V e 24 V) o a corrente costante (350 mA, 700 mA e 1 A). Proprio come suggerisce il nome, un driver a corrente costante fornisce una corrente costante, come ad esempio 700 mA, a una matrice preassemblata di LED che è stata progettata per funzionare con un tale, o inferiore, livello di corrente. Un driver a tensione costante fornisce una tensione costante a una singola matrice o a più array di LED collegati in parallelo. Questi due tipi di driver non sono intercambiabili, e vanno utilizzati in base al tipo di progettazione del dispositivo a LED in uso. La scelta è spesso determinata dal tipo di impiego, ma è per lo più la configurazione del LED che determina se è necessario l’utilizzo di un driver a corrente costante o uno a tensione costante. Un driver a corrente costante consente di semplificare la progettazione di una matrice di LED perché, in questo caso, più LED singoli sono semplicemente collegati in serie per formare un unico array. Tuttavia, questa configurazione può essere utilizzata solo quando tutti i LED sono progettati per operare con lo stesso livello di corrente o, al limite, con un valore maggiore. Un corpo luminoso che ha un assorbimento di 700 mA può funzionare con un driver che eroga 700 mA, ma non è possibile collegare allo stesso driver ulteriori carichi aggiuntivi da 700 mA. Una simile soluzione è indicata in applicazioni a incasso o nei corpi illuminanti a LED che utilizzano una sola fonte di luce per driver (in modo simile a una lampada fluorescente associata al proprio reattore). Si noti che alcuni driver erogano valori multipli di corrente, cosa che li rende più flessibili quando si progetta una soluzione di illuminazione. © 2015 CEDIA 11 04PERCHÉ DIMMERARE I LED? Un driver in tensione è utilizzato nei casi in cui si può trovare un numero variabile di apparecchi, come ad esempio nell’illuminazione dei soffitti o nelle parti inferiori degli armadietti. Qui è possibile continuare ad aggiungere matrici di LED al driver fino a raggiungere il limite di potenza massima che esso può erogare. Questi tipi di controller sono simili, talvolta identici agli alimentatori elettronici o magnetici a bassa tensione e spesso dispongono di uscite a 12 V e 24 V. Alcuni driver sono costruiti per attivare dispositivi o matrici di LED particolari, mentre altri possono pilotare i tipi di LED più comuni. I driver sono di solito abbastanza compatti da essere inseriti all’interno o sopra le scatole di derivazione; di derivazione; includono uscite isolate di Classe 2 in modo tale Figura 3: Dimmerazione PWM Corrente (o Tensione) di Targa del LED Dimmerazione PWM Corrente (o Tensione) di Uscita del Driver Figura 4: Dimmerazione CCR Dimmerazione CCR Corrente di Targa del LED Corrente di Uscita del Driver 12 © 2015 CEDIA da permettere di maneggiare il carico in sicurezza; hanno una elevata efficienza di funzionamento e prevedono l’alimentazione a distanza. Tuttavia, non tutti i driver soddisfano questi criteri. Driver che comprendono funzionalità di dimmer possono regolare l’emissione luminosa di un LED su tutta la gamma, dal 100% all’ 1% o meno. I dimmer possono variare l’output dei LED variando il flusso di corrente o sfruttando il metodo di modulazione della larghezza dell’impulso (PWM) tramite controllo digitale. La maggior parte dei dimmer opera secondo il metodo PWM come mostrato nella figura 3. Con questo metodo, la frequenza di pilotaggio può variare da un centinaio di periodi al secondo fino a centinaia di migliaia di periodi al secondo, in modo che il LED appaia acceso con continuità e senza sfarfallio. A seconda del tipo di utilizzo, si dovrà 04PERCHÉ DIMMERARE I LED? stabilire se è necessaria una frequenza PWM molto elevata o la regolazione continua della corrente di alimentazione (CCR), come mostrato nella figura 4. E’ essenziale che sia mantenuta la compatibilità tra il circuito driver dei LED e il segnale controllo, sia nel caso in cui il driver sia integrato nella lampada, sia nel caso in cui sia esterno al corpo illuminante. Ad esempio, un driver con ingresso 0-10 V deve rispettare gli stessi standard del segnale di controllo 0-10 V, in modo che entrambi possano funzionare insieme correttamente. Quando si utilizza un sistema di controllo, si possono trovare dispositivi di controllo 0-10 V e sistemi come sensori di presenza, fotocellule, regolatori a parete, telecomandi, comandi architettonici e teatrali, sistemi di lighting e building automation. I LED possono anche funzionare con dispositivi basati sui protocolli DMX e Digital Addressable Lighting Interface (DALI). In futuro, potrebbero includere come opzione la possibilità di controllo wireless (RF). Il driver dispone di una vasta gamma di modalità di controllo che sono affrontate nella sezione Tecnologie di Controllo. Una delle funzionalità più importanti da esaminare in un LED driver è la qualità della tensione di uscita in continua che è in grado di fornire. Per massimizzare la luce emessa dai LED senza sollecitarli eccessivamente è necessario mantenere una corrente continua costante. Inoltre, la risposta istantanea del LED alle variazioni di corrente li rende altamente suscettibili a sfarfallamento, soprattutto rispetto alle sorgenti a incandescenza. Va infine sottolineato che installando il driver lontano dalle lampade, si possono provocare potenziali cadute di tensione e perdite di potenza nei cablaggi in continua che devono essere opportunamente tenute in considerazione. cINTERVALLO DI REGOLAZIONE DIMMER Si riesce a regolare le lampade a incandescenza al di sotto dell’1% di luce percepita, che si presenta come il fioco bagliore con cui abbiamo familiarità. La gamma di regolazione dimmer di una lampada o di un corpo illuminante a LED può variare da un dispositivo all’altro. Alcuni possono arrivare a un livello minimo di regolazione di appena il 50%, mentre un prodotto differente può spingersi fino all’ 1%. Inoltre, i produttori riportano i valori dell’intensità luminosa misurata, mentre i consumatori hanno familiarità con la luce percepita. Qual è la differenza? L’emissione di luce misurata è il valore quantificabile dell’intensità luminosa registrata da uno strumento di misura come un esposimetro. Questa corrisponde alla percentuale di attenuazione indicata sulla scheda tecnica del prodotto a LED. La luce percepita è invece la quantità di luce che l’occhio interpreta, mediata dalla dilatazione della pupilla. La pupilla dell’occhio si dilata in presenza di bassi livelli di illuminazione e provoca una percezione di luminosità superiore a quella misurata (ad esempio, il 20% della luce misurata è uguale a 45% di luce percepita). La formula per determinare la luce percepita consiste nel calcolare la radice quadrata della percentuale di luce misurata (ad es √0.2 = 0.45). L’intervallo di regolazione della lampada o del corpo illuminante deve essere scelto in modo da soddisfare le proprie necessità. Un prodotto che si regola fino al 20 per cento della luce misurata (e corrisponde al 45 per cento della luminosità percepita) non avrebbe senso in una sala multimediale, ma può rappresentare la soluzione ideale alle necessità di risparmio energetico di un ufficio. © 2015 CEDIA 13 04PERCHÉ DIMMERARE I LED? dPRESTAZIONI DEL DIMMER Ogni produttore definisce in un modo diverso il concetto di regolazione; quello che dovete sapere è se la variazione di luminosità sarà fastidiosa o presenterà evidenti e inaspettate cadute di luce. Gli utenti, abituati al tipo di regolazione delle lampade a incandescenza, si aspettano che la qualità della variazione luminosa debba essere continua e regolare. In particolare, un cambiamento nella posizione dell’elemento di controllo (dimmer) dovrebbe essere seguito da una variazione di luminostà di pari livello. Quando la lampada viene regolata non vi dovrebbe essere alcun cambiamento brusco del livello di luce. Ancora più importante della dimmerazione morbida e continua è garantire che non vi siano punti di sfarfallio nell’intervallo di regolazione. Lo sfarfallio (o flicker) è la modulazione inaspettata del livello di luce che risulta visibile all’occhio umano. Il flicker può avere molte differenti cause, tra cui i disturbi sulla linea elettrica, i disturbi nel segnale di controllo, la tolleranza dei componenti e la progettazione del circuito del driver. Lo sfarfallio può essere continuo, intermittente o presentarsi a volte, solo in corrispondenza di determinati livelli di luce. Una buona lampada dovrebbe tenere conto di tutti questi fattori e riuscire a fornire una qualità di regolazione continua, uniforme e priva di sfarfallio. Inoltre, è importante essere a conoscenza della temperatura ambiente che corrisponde a una determinata applicazione. Nonostante i LED abbiano la possibilità di accendersi a temperature fino a -40° C, utilizzandoli a basse temperature ambiente, si possono avere problemi di funzionamento. Infatti, alle basse temperature, i LED consumano maggiore potenza - contrariamente a quanto avviene con le lampade fluorescenti - e possono causare il malfunzionamento del sistema. In applicazioni esterne, nelle quali l’alimentazione è fornita in remoto, il carico massimo ammesso dal driver dovrebbe essere diminuito di un 10-20%, al fine di evitare malfunzionamenti del sistema in presenza di temperature rigide. Un’altra considerazione è che i clienti non vogliono brusche variazioni (“pop on”) nella regolazione. Il livello di luce impostato nel momento dello spegnimento di una lampada deve essere mantenuto nell’istante della riaccensione. Non vi dovrebbero essere brusche cadute di intensità (drop-out); quindi la luce deve spegnersi solo nel momento in cui l’interruttore viene azionato. Ciò può essere realizzato utilizzando regolazioni fini relative ai bassi livelli di luminosità presenti su molti 14 © 2015 CEDIA dimmer, per assicurare che le luci rimangano al loro livello di illuminazione più basso in corrispondenza della parte inferiore della corsa del regolatore. I livelli di luce devono poter variare ogni volta che l’elemento di controllo viene regolato. Un movimento dell’elemento di controllo al quale non corrisponda un cambiamento proporzionale del livello di luce è da evitare; viene indicato come “spazio morto” (dead travel). eTECNOLOGIE DI CONTROLLO Le seguenti tecnologie di controllo si riferiscono al segnale di controllo e al cablaggio tra il dimmer posizionato a parete e il corpo illuminante o la lampada. Le lampade retrofit a LED usano generalmente una delle due tecnologie di controllo: regolazione a fase anticipata o a fase inversa. I corpi illuminanti a LED possono utilizzare uno dei due metodi, indipendentemente dal tipo di driver (controllo a tensione costante o a corrente costante). Queste tecnologie di controllo sono utilizzate nelle applicazioni stand-alone, nei sistemi di controllo, nonché nei sistemi di gestione dell’illuminazione cablati o wireless. I regolatori che utilizzano il metodo a fase anticipata per controllare una lampada possono anche utilizzare una tecnologia wireless per comunicare con i corpi illuminanti o all’interno di un intero sistema per la gestione domestica delle luci. i. Regolazione a Fase Anticipata Tipicamente utilizzata per le sorgenti a incandescenza e con le sorgenti a bassa tensione con trasformatore magnetico (MLV), il metodo di regolazione a fase anticipata è il sistema più comune. NEMA stima che vi siano circa 150 milioni di dimmer a fase anticipata installati in ambito residenziale, e molti di questi sono utilizzati per regolare le lampade di ricambio a LED. Lavorare correttamente con i dimmer a Fase Anticipata è fondamentale per il successo delle lampadine LED, perché vi sono centinaia di milioni di dimmer di questo tipo già installati e utilizzati con lampade a incandescenza e alogene. Purtroppo, questi regolatori non sono mai stati progettati né certificati per operare con dispositivi a LED, per cui le prestazioni ne risentono gravemente e in molti casi si verificano sfarfallamenti della luminosità, cadute, accensioni improvvise o impossibilità di regolare la luce a livelli molto bassi. In alcuni casi, si rende necessario collegare allo stesso dimmer più di una lampada al fine di soddisfare i requisiti minimi di carico del driver. 04PERCHÉ DIMMERARE I LED? Va sottolineato che i nuovi dimmer a Fase Anticipata recentemente introdotti nel mercato, sono stati appositamente progettati per ridurre o eliminare i problemi riscontrati con i dimmer delle lampade a incandescenza esistenti, quando sono utilizzati per pilotare i carichi a LED. che il segnale di controllo consiste in una tensione analogica di basso livello, un cablaggio effettuato con cavi molto lunghi può produrre un calo significativo dell’ampiezza del segnale, con l’effetto che dimmer differenti, collegati allo stesso dispositivo di controllo, possono produrre ciascuno un diverso livello di luce. ii. Regolazione a Fase Inversa Normalmente utilizzata per controllare le sorgenti luminose a bassa tensione con trasformatore elettronico (ELV), il controllo a fase inversa dà risultati migliori con i carichi capacitivi e con i LED driver. Anche se non è installato così frequentemente come i dimmer per le sorgenti a incandescenza, questo tipo di controllo ha un comportamento migliore nella regolazione dei LED ad elevate prestazioni, senza introdurre sfarfallio. iv. DALI Questo standard digitale è nato in Europa per il controllo dei reattori per tubi fluorescenti, ed è ampiamente utilizzato negli edifici commerciali. Viene anche definito dalla norma IEC 60929 Annex E; permette il controllo digitale dei singoli punti luce, consentendo all’utente di ottenere il massimo controllo possibile e migliorando la produttività. I dimmer a Fase Inversa sono stati progettati per l’alimentazione di “carichi elettronici” di piccola potenza, all’interno dei trasformatori elettronici per basse tensioni; essi quindi tendono a lavorare meglio con i driver destinati ai carichi a LED. Purtroppo, questi controlli richiedono la connessione del neutro per alimentare l’elettronica interna, cablaggio che non sempre è presente all’interno delle scatole di derivazione. L’installazione di dimmer a Fase Inversa in vecchi edifici può perciò richiedere che il cavo del neutro sia passato fino alla scatola di derivazione. Inoltre, questo tipo di controllo non è così ampiamente disponibile sul mercato. iii. Controllo 0-10 V Questo standard di controllo, di tipo analogico, è stato utilizzato nei controlli per la gestione dell’energia come nel caso dei sensori di presenza e di luce diurna; sta ora diventando popolare per la gestione di molti prodotti a LED. Questo tipo di controllo è isolato e considerato come classe 2 a bassa tensione, cosa che lo rende sicuro al tatto, oltre a consentire l’installazione di cablaggi semplificati. Il protocollo DALI prevede l’indirizzamento dei singoli corpi illuminanti e il feedback di stato proveniente dal driver. Questo rende facile l’assegnazione digitale di sensori di presenza, di sensori di luminosità, di timer, di controlli manuali e altri controlli a uno o più corpi illuminanti, senza bisogno di cablaggi complicati. Questo consente al progettista ampie possibilità di realizzare, con semplicità, applicazioni di risparmio energetico, di controllo e di monitoraggio del sistema, in cui la progettazione e la messa a punto avvengono con l’ausilio del software. Alcuni sistemi derivati da DALI, come EcoSystem, semplificano ulteriormente il processo di programmazione, consentendo di utilizzare un dispositivo portatile che si può spostare negli ambienti senza necessità di conoscere i dettagli dell’impianto, come ad esempio gli indirizzi dei punti luce. Uno dei vantaggi dei controlli a 0-10 V è che sono normati secondo lo standard IEC 60929 Annex E, anche se purtroppo alcuni produttori non aderiscono a questo standard. Infatti vengono commercializzati driver e lampade come compatibili 0-10 V, ma che soffrono di fenomeni di cadute d’intensità o brusche variazioni o attenuano la luminosità nell’ultimo tratto della curva di comando (quello che dovrebbe essere a maggiore intensità) e, al contrario, la aumentano nel tratto iniziale, invece di portarla a zero. Alcuni prodotti 0-10 V non funzionano del tutto con i comandi progettati per i reattori 0-10 V che costituiscono la maggior parte dei dispositivi in commercio basati su questo standard. Dal momento © 2015 CEDIA 15 04PERCHÉ DIMMERARE I LED? v.DMX-512 Tipicamente impiegato in applicazioni teatrali, DMX resta molto utilizzato in configurazioni LED RGB, dove sono necessari più canali per il controllo di un singolo colore. Alcuni produttori utilizzano DMX come tipologia preferita di controllo per la luce bianca nelle applicazioni generali di illuminazione, dove il progetto magari può essere complesso in termini di cablaggio, indirizzamento e può richiedere l’interazione con altri dispositivi di controllo negli stessi ambienti. Per quanto riguarda l’integrazione tra i componenti DMX e il sistema di controllo generale dell’ambiente o dell’abitazione, i produttori dei dispositivi DMX potranno fornire informazioni tecniche più dettagliate. Ogni corpo illuminante e il relativo comando devono utilizzare la stessa tecnologia di controllo (es: 0-10 V), ma ciò non significa che, una volta abbinati, presenteranno un comportamento ottimale. Questo è particolarmente vero con i dimmer a fase anticipata e a fase inversa, a causa della mancanza di uno standard di riferimento. In effetti, anche le tecnologie che soddisfano qualche standard possono garantire dei livelli minimi di compatibilità ma non riescono a fornire garanzie precise in termini di prestazioni. L’unico modo per sapere con certezza se una lampada o un corpo illuminante a LED funzionerà con un determinato dimmer è quello di testarli prima dell’installazione in casa del cliente. Sia che si tratti di un test preliminare o che ci si affidi alle prove eseguite dal fabbricante, è necessario determinare se si verificheranno inconvenienti come sfarfallio, brusche variazioni, spazio morto ecc. Va ricordato che non è possibile farsi un’idea del valore della corrente di spunto di un prodotto a LED, basandosi esclusivamente su di un giudizio visivo; è quindi opportuno richiedere tale dato al produttore, o limitare il numero di lampade collegate al dimmer, per non sovraccaricarlo. Molti produttori, sia di apparecchi di illuminazione sia di dispositivi di controllo a LED, si occupano di effettuare i test di compatibilità dei loro prodotti. Spetta poi a voi determinare se la valutazione positiva di un produttore soddisferà realmente le esigenze del cliente. 16 © 2015 CEDIA 04PERCHÉ DIMMERARE I LED? fNUMERO DI LAMPADE PER DIMMER Un problema comune legato al funzionamento dei sistemi a LED consiste nel sovraccarico del driver. I driver per LED sono tarati per sopportare un carico massimo che deve essere sempre rispettato. Collegare troppi LED in serie può avere come effetto che l’ultimo, o gli ultimi, LED della catena possano ricevere un voltaggio troppo basso per il corretto funzionamento. Allo stesso modo, alcuni driver potrebbero non funzionare bene quando il carico formato dai LED a essi collegati risulta troppo basso. L’utilizzo di un driver che eroghi un valore di tensione sbagliato provocherà la mancata accensione dei LED o li obbligherà a lavorare con correnti più alte del previsto. E’ sempre prudente controllare la tensione del carico LED impiegato rispetto alla tensione nominale di uscita del driver. Ad esempio, utilizzare un driver con uscita a 12 V con un carico LED a 10 V potrebbe ridurre significativamente la durata di vita del modulo. Può sembrare facile stabilire il numero di lampade da collegare a un singolo dimmer, ma non è così semplice come, nel caso di un dimmer da 600 watt, dividere il valore di 600 per la potenza di 10 watt della lampada LED che abbiamo scelto. Questo calcolo, infatti, restituirebbe il numero di 60 lampade da inserire nel circuito, ma, mentre una singola lampada a LED può assorbire continuamente una potenza di soli 10 watt, vi è la possibilità che si generi un picco di corrente di spunto (Inrush Current) ogni semi ciclo della frequenza di rete. Trascurare questo fenomeno può indurre uno stress significativo sul dimmer e causarne il guasto prematuro. Questo stress elettrico transitorio, sommato a molti altri motivi, può limitare il numero massimo di lampade che è possibile collegare a un dimmer. Al contrario, per il corretto funzionamento di un dimmer, può essere necessario collegarvi un numero adeguato di carichi a LED, a causa del carico minimo di 25 - 60 watt che la maggior parte dei dimmer per lampade incandescenti richiede per funzionare correttamente in tutte le condizioni. Nell’uso con lampadine a incandescenza, il carico minimo richiesto è facilmente superato con una sola lampadina. Con i LED, tuttavia, per soddisfare questo requisito, può essere necessario collegare a un dimmer anche quattro o più carichi. E’ da sottolineare che il fenomeno dello stress da corrente di spunto si verifica solo sui dimmer a controllo di fase anticipata o ritardata. La corrente di spunto è illustrata in figura 5. Figura 5: Corrente di Spunto Corrente di Spunto Accensione Corrente Tensione © 2015 CEDIA 17 05TIPI DI CONTROLLO E INSTALLAZIONI Le forme di controllo dell’illuminazione comprendono: sensori di presenza, sensori di luminosità, interruttori con timer, numerosi dispositivi di regolazione manuali e automatici e i comandi centralizzati. Alcuni controlli funzionano con la tensione di linea, altri sono alimentati a bassa tensione in continua. a SISTEMA DI CONTROLLO CENTRALIZZATO I sistemi di controllo centralizzato dell’illuminazione possono essere usati per accendere automaticamente, spegnere e/o regolare l’illuminazione in momenti specifici o in determinate condizioni. Questo tipo di sistema di controllo può essere utilizzato in un singolo ambiente o nell’intera abitazione. I sistemi di controllo centralizzato dell’illuminazione possono anche essere integrati in altri sistemi di automazione domestica, come i sistemi audio – video, impianti antincendio e sistemi di sicurezza. Questa tipologia di sistemi di controllo può essere programmata per utilizzare una varietà di ingressi provenienti da sensori di presenza, sensori di luminosità, timer, tastierini, telecomandi, touch screen o altri dispositivi e sistemi per attivare scenari di illuminazione. Un sistema di controllo dell’illuminazione può regolare in contemporanea gruppi di luci a livelli predefiniti per ricreare l’atmosfera desiderata. b CONTROLLO LOCALE Il controllo locale si ottiene tipicamente disponendo singoli dimmer o dispositivi di controllo dell’illuminazione in modo tale che controllino direttamente le lampade o i corpi illuminanti collegati. I comandi locali possono essere integrati con sensori, ad altri ingressi su scala più piccola rispetto a un sistema di controllo centralizzato o, in altri casi, possono essere a loro volta integrati nel sistema di controllo centrale. c INSTALLAZIONE DI LAMPADE A LED Per installare una lampada a LED ad avvitamento, si può semplicemente svitare la lampada esistente e sostituirla con la nuova lampada. Assicuratevi di verificare con il produttore del vostro dispositivo sulla compatibilità del calore dissipato. Potrebbe anche essere necessario sostituire il dimmer in modo da avere prestazioni accettabili nella regolazione della lampada. È possibile fare riferimento alla confezione del prodotto o al sito web (per esempio http:// 18 © 2015 CEDIA www.lutron.com/europe/Service-Support/Pages/ Technical/Design-SelectionTools/BallastSelection. aspx) per informazioni su quali dimmer sono compatibili con una particolare lampada. Se si sta sostituendo un dimmer stand-alone con montaggio a parete, è spesso possibile portare a termine l’operazione senza l’ausilio di un elettricista. Se la lampada fa parte di un corpo illuminante, è preferibile contattare un rivenditore per determinare quale sia il prodotto più indicato e come installarlo. d INSTALLAZIONE DI CORPI ILLUMINANTI A LED I corpi illuminanti a LED devono essere installati da un elettricista qualificato insieme al dispositivo di controllo appropriato. Alcuni di questi componenti si riescono a collegare facilmente al cablaggio pre-esistente, mentre altri richiedono interventi significativi di adeguamento dei cavi, in base alla compatibilità con i dispositivi di controllo. Va sottolineato che, al fine di eliminare la necessità di modifiche al cablaggio, si può ricorrere a opportune interfacce. 06CONCLUSIONI I LED sono una nuova e promettente fonte di illuminazione idonea per la maggior parte delle applicazioni: tramite la regolazione dell’intensità luminosa sono possibili significativi risparmi di energia elettrica. L’uso dei LED può portare a un risparmio ancora maggiore rispetto alle lampadine a incandescenza grazie alla maggiore durata, alla migliore efficienza e ai processi di produzione. È necessario esaminare accuratamente la scheda tecnica del corpo illuminante LED che si intende utilizzare, per determinare se il suo funzionamento sia compatibile con il sistema di controllo cui sarà connesso e con il driver desiderato. Oltre al risparmio energetico, la regolazione di una fonte luminosa a LED contribuisce a ricreare in casa un ambiente rilassante e confortevole. © 2015 CEDIA 19 APPENDICE A Riferimenti normativi per la misurazione dei dati fotometrici: 1 Norma EN 13032. Stabilisce i principi generali per la misurazione dei dati fotometrici di base per applicazioni illuminotecniche. Essa stabilisce i criteri di misurazione necessari per la normalizzazione dei dati fotometrici di base e i dettagli relativi al formato del file CEN per il trasferimento elettronico dei dati. 2 UNI 11356. Stabilisce i principi generali per la misura dei parametri fotometrici caratteristici degli apparecchi di illuminazione utilizzanti tecnologie a led e dei moduli led. 20 © 2015 CEDIA Unit 2, Phoenix Park, St Neots, Cambridgeshire, PE19 8EP, United Kingdom +44 (0)1480 213 744 [email protected] www.cedia.co.uk