L’onnipresente lampadina ad incandescenza ha ormai compiuto 130 anni. Secondo l’opinione generale non sarebbe dovuto passare tanto tempo prima di trovare un sostituto economico e funzionale. Si è pensato che i candidati più idonei fossero le lampadine fluorescenti compatte (CFL), effettivamente più efficienti. Tuttavia, tali lampadine contengono mercurio tossico. Altri aspiranti, ad esempio le esotiche lampade al plasma RF, sono stati valutati per finalità d’uso non commerciale, ma anche in questi casi sono stati riscontrati problemi.
Le prime progettazioni di bulbi a LED sostitutivi erano relativamente costose e, sebbene garantissero un eccellente livello di efficienza, peccavano molto in durata. Ad ogni modo, poiché le dinamiche del mercato su cui si basa la scelta delle fonti di illuminazione residenziale di prossima generazione vanno oltre il puro criterio dell’efficienza, la tecnologia a LED è riuscita comunque a diffondersi. In questo articolo vengono esaminati lo stato dell’arte dell’illuminazione a LED e le forze del mercato che operano affinché l’industria abbandoni le lampadine a incandescenza utilizzate tutt’oggi.
La luce artificiale ha accompagnato il genere umano fin dalla scoperta del fuoco e ha consentito non solo di continuare a svolgere attività per le quali sarebbe stata necessaria la luce del giorno, ma anche di accrescere il tempo da dedicare ai rapporti sociali o agli impegni produttivi. L’arrivo delle candele e delle lampade a olio ha trasformato la luce artificiale in una tecnologia in grado di prolungare il giorno oltre il tramonto. Con l’era industriale sono arrivate le lampade a gas, che sono poi andate allineandosi lungo le strade di numerose città. L’illuminazione elettrica, sotto forma di lampade ad arco e quindi di lampade a filamento incandescente, è tuttavia apparsa solo negli ultimi anni del XIX secolo.
Fig. 1 – Lo spettro di emissione di una lampadina ad incandescenza ricade in misura consistente nella gamma invisibile degli infrarossi
Per oltre 100 anni, il bulbo a incandescenza è stato universalmente presente nelle case di quasi tutto il mondo. È comunque risaputo (e sfruttato) il fatto che questa tecnologia fornisca solo una percentuale ridotta di luce visibile. Più del 90% dello spettro di emissione di un bulbo a incandescenza, infatti, ricade nella gamma invisibile degli infrarossi (Fig. 1). Le lampadine a incandescenza, inoltre, non sono abbastanza efficienti per essere impiegate nell’illuminazione ad alta visibilità, tanto che sul mercato sono stati subito introdotti dei sostituti. Oggi sono ampiamente disponibili tecnologie concorrenti, quali l’illuminazione a fluorescenza e le lampadine con filamento metallico a bassa pressione. Nello specifico, la lampadina a fluorescenza compatta (CFL) è stata spesso utilizzata come simbolo di tecnologia ecocompatibile, per via della sua elevata efficienza. Tuttavia, in questa fama c’era qualcosa di usurpato perché allo stato dei fatti il bulbo contiene una piccola percentuale di mercurio, un metallo altamente tossico.
Al giorno d’oggi esistono diverse opzioni per la tecnologia di illuminazione. Nella maggior parte dei casi, queste alternative sono state ideate per aumentare l’efficienza. Alcune tecnologie di illuminazione, come le lampade ai vapori di sodio ad alta pressione (HPS), raggiungono valori di efficacia molto elevati, nell’ordine dei 150 lumen per watt (lm/w). Il motivo di questa maggiore potenza risiede nel fatto che la linea D di emissione del sodio forte ricade principalmente nello spettro visibile. Inoltre, queste lampade durano a lungo, anche 20.000 ore. Benché siano comunemente utilizzate per le strade o per l’illuminazione di esterni, la forte colorazione gialla le rende poco idonee come fonti di luce generali.
Illuminazione a stato solido
Negli ultimi 10 anni sono stati registrati importanti miglioramenti nell’efficienza degli emettitori a LED ed è ormai normale trovare lampade a LED bianche con efficienza superiore ai 100 lm/w. Tali lampade, però, hanno un costo piuttosto elevato. Per cercare di risolvere questo problema, il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha indetto l’L-Prize, un concorso concepito per motivare la competitività e abbassare il prezzo di produzione delle lampade a LED. Il vincitore della gara è stato Philips e ora il bulbo realizzato da questa azienda è disponibile per l’acquisto. Tutti questi bulbi sono stati progettati per modernizzare le normali armature delle lampadine e molti, ad esempio quello concepito da Philips, possono essere regolati tramite dimmer TRIAC standard. Tuttavia, la compatibilità con i dimmer e il funzionamento sui più alti valori di tensione adottati globalmente rendono la progettazione elettronica molto complessa e aumentano i costi. Inoltre, questo tipo di bulbo può sostituire quello convenzionale solo in un’armatura standard. Un esempio è la lampada BR30, molto diffusa nelle abitazioni degli Stati Uniti che dispongono di sistemi di illuminazione ad incasso. Il bulbo può essere avvitato nel portalampada Edison E26 standard (da 26 mm), che fornisce solo corrente alternata in alta tensione (110 VAC).
Tali lampade a LED sostitutive devono adattarsi a un ambiente specificamente progettato per un bulbo a incandescenza. Come mostrato nella figura 1, la maggior parte dell’emissione di una sorgente luminosa a filamento incandescente è compresa nella gamma degli infrarossi, una regione molto calda. Il calore viene irraggiato all’esterno del bulbo, fenomeno sfruttato per riscaldare i dehor dei ristoranti e i forni in miniatura Easy-Bake prodotti da Kenner (oggi da Hasbro). Gli emettitori a LED, invece, non rilasciano calore di scarto. Al contrario, devono dissiparlo e questo vincolo costituisce un’ulteriore sfida per i progettisti, che si trovano a dover riadattare un’armatura progettata più di un secolo fa. Per far fronte a tale situazione, sono state realizzate progettazioni dall’aspetto piuttosto bizzarro, con alette e talvolta anche elementi attivi, come la tecnologia di raffreddamento Nuventix SynJet.
Il futuro dell’illuminazione residenziale
È ovvio che il mercato sia perfettamente in grado di accogliere milioni di bulbi sostitutivi più efficienti delle vecchie versioni ad incandescenza. Al di là dei risparmi energetici, inoltre, esistono delle forze che in definitiva stanno lavorando per rendere più sofisticata l’illuminazione per abitazioni. Accanto all’efficienza, le lampadine a LED offrono funzionalità aggiuntive che i progettisti devono ancora sfruttare al meglio, ad esempio la capacità di cambiare colore. Gli impianti di illuminazione a tre colori (rosso, verde e blu) consentono una miscelazione di colori che può modificare non solo l’aspetto di un ambiente, ma anche l’umore di chi lo abita. La psicologia dei colori sta studiando le correlazioni dei colori con le emozioni. Si pensa, ad esempio, che il blu susciti una sensazione di calma e benessere. Sulla base di queste concezioni, all’interno dei nuovi jet Boeing sono stati installati dei sistemi di illuminazione per sedili con emettitori a LED blu e bianchi, utili per rilassare i passeggeri.
La capacità di cambiare colore aggiunge un’altra dimensione al tradizionale paradigma di regolazione perché comporta l’installazione di meccanismi di controllo nelle infrastrutture o nelle armature stesse. Una soluzione potrebbe essere quella di implementare tecnologie wireless, ad esempio Zigbee, 6LoPAN o 802.11 (Wi-Fi), all’interno dell’armatura, insieme a protocolli di comunicazione standardizzati. In questo modo, la variazione del colore o del livello di illuminazione di una stanza potrà essere eseguita in modo estremamente semplice, come un’applicazione mobile su telefono cellulare. Attualmente, l’ostacolo maggiore è rappresentato dalla mancanza di standard per il protocollo e lo strato fisico di comunicazione. Diversamente dal semplice e onnipresente portalampadina E26 infatti, un’armatura per illuminazione in rete mesh connessa in modalità wireless non può essere adottata senza standard. All’inizio l’industria potrebbe certamente individuare delle applicazioni per installazioni commerciali, ma alla fine, per raggiungere le case, sarà comunque necessario definire un numero minimo di standard.
Quando questo accadrà, ci sarà bisogno di un nuovo sistema di alimentazione. Seguendo le proposte di standard commerciali avanzate dalla E-Merge Alliance, si dovrà disporre di reti elettriche residenziali a corrente continua. La trasmissione in alta tensione ha la meglio sulla trasmissione in CC di Edison perché sulle lunghe distanze riduce le perdite di resistività nei cavi (legge di Ohm: una tensione di trasmissione più alta riduce l’effetto della costante R in P=I2R abbassando “I”, ovvero la corrente). Benché questo non sia un problema per trasmissioni su larga scala, la maggior parte dei dispositivi moderni funziona con alimentazione a bassa tensione in CC.
In tutti i dispositivi elettronici dotati di una presa di alimentazione in CA è implementato anche un complesso sistema di alimentazione che converte l’alta tensione nei valori di tensione in CC richiesti per il funzionamento dei componenti elettronici. Sono state presentate diverse proposte per un connettore in CC standardizzato o per almeno un bus in CC residenziale. Tuttavia, non è stato ancora adottato alcuno standard. Inoltre, uno standard per prese in CC potrebbe includere anche standard Ethernet o altri standard per comunicazioni cablate, consentendo di sfruttare uno strato fisico già ampiamente implementato.
Globalmente, i progettisti e i fornitori di sistemi di illuminazione residenziale favoriranno l’adozione di tecnologie di illuminazione più avanzate solo quando saranno stati definiti gli standard opportuni. In questo modo, sia l’alimentazione (molto probabilmente in CC) sia le comunicazioni potranno sfruttare al meglio le capacità dell’illuminazione a LED, la quale offre vantaggi che vanno ben oltre i benefici in termini di efficienza. Nella casa del prossimo futuro, la sostituzione di una lampadina sarà ricordata come un evento del passato e il fatto che l’edificio possa influenzare l’umore degli occupanti cambiando il colore della luce diventerà un’operazione comune come regolare la vecchia luce a incandescenza.
Riferimenti
Ulteriori informazioni sull’illuminazione a LED sono disponibili su www.ti.com/led-ca