Tecnologia LED

Percezione della luce, confort visivo e aspetti tecnologici dei LED

 

(couRtesy Teammerlin)
(courtesy photo: Teammerlin)

I LED (diodi emettitori di luce) sono sorgenti luminose estremamente versatili, efficienti e compatte, e per questo stanno trovando applicazione in diversi ambiti: essi infatti garantiscono ridotti consumi energetici, la possibilità di variare lo spettro della luce emessa miscelando diverse componenti cromatiche, e un lungo tempo di vita.

Sebbene le prestazioni dei LED siano già superiori a quelle delle tradizionali lampade a incandescenza, alogene o a fluorescenza, questi dispositivi occupano solo il 10% del mercato del lighting (v. figura 1, dati McKinsey). Ciò in parte è dovuto ai costi di questa tecnologia, ancora – ancorché di poco – maggiori rispetto a quelli delle tecnologie tradizionali, ma anche al fatto che gli utilizzatori finali faticano a riconoscere il LED come una sorgente luminosa in grado di garantire elevate prestazioni a livello percettivo.

Penetrazione della luce LED sui mercati e prospettive di sviluppo, nel confronto con le altre sorgenti tradizionali (dati McKinsey)
Figura 1 – Penetrazione della luce LED sui mercati e prospettive di sviluppo, nel confronto con le altre sorgenti tradizionali (dati McKinsey)

Per questo, in alcuni ambiti – per esempio il retail lighting o il settore artistico, in cui le prestazioni cromatiche della sorgente influenzano significativamente il risultato a livello percettivo – si preferiscono ancora sorgenti alogene o a incandescenza che – a scapito di maggiori consumi e minore affidabilità – hanno resa cromatica molto elevata.

In questo articolo discuteremo le principali problematiche relative alla percezione della luce emessa, giungendo a mostrare come – mediante opportuna progettazione – sia possibile realizzare sistemi LED con resa cromatica e caratteristiche ottiche paragonabili a quella delle sorgenti tradizionali. Inoltre discuteremo come le caratteristiche delle sorgenti luminose possano influenzare il confort visivo (con particolare attenzione al flickering) e il ritmo circadiano.

La percezione della luce e dei colori

L’occhio è un organo di senso estremamente versatile, in grado di rilevare segnali luminosi molto deboli (per esempio la luce di una stella, 0.00001 lux) o molto intensi (la luce del sole a mezzogiorno genera uno stimolo equivalente a 100.000 lux).

Le proprietà cromatiche della luce sono percepite mediante i coni, recettori che si trovano nella zona centrale della retina: esistono diversi tipi di coni, sensibili rispettivamente alla luce blu (B), rossa  (R) e verde (G); il cervello determina poi il colore di un oggetto in base alle informazioni ricevute dai recettori.

La percezione dei colori è un fatto fortemente soggettivo: il cristallino (la “lente” naturale dell’occhio) infatti degrada significativamente con l’avanzare dell’età, e questo causa un calo del segnale che giunge sulla retina, soprattutto nella regione spettrale del violetto, blu e verde (400-500 nm, vedi figura 2).

Valori di illuminamento sulla retina in relazione alle diverse età (cortesia: LightCube)
Figura 2 – Valori di illuminamento sulla retina in relazione alle diverse età (cortesia: LightCube)

Persone giovani e anziane quindi percepiscono i colori in modo estremamente diverso. In aggiunta, alcune patologie (come il daltonismo, che in alcune regioni può affliggere percentuali significative della popolazione) possono alterare la capacità di distinguere i colori.

La qualità cromatica di una sorgente

La qualità cromatica di una sorgente è valutata mediante uno o più indici, che stimano la capacità di rendere i colori  di una lampada confrontandola con una sorgente di riferimento. Il metodo più diffuso (anche se talvolta oggetto di critiche) è quello adottato dalla International Commission on Illumination (CIE), definito Color Rendering Index (CRI).

Sorgenti luminose ideali hanno CRI=100 (le lampade ad incandescenza e alogene sono molto vicine a questo valore, CRI=98-99); generalmente per l’illuminazione di interni sono considerati accettabili valori di CRI intorno a 70-80, mentre per applicazioni tecniche specifiche (come il retail lighting e l’illuminazione artistica) sono necessari valori superiori a 95 (figura 3).

La qualità cromatica di una sorgente e i valori di CRI (cortesia: LightCube)
Figura 3 – La qualità cromatica di una sorgente e i valori di CRI (cortesia: LightCube)

I LED sono sorgenti monocromatiche: per questo, per realizzare luce bianca è necessario ricorrere al color-mixing, ovvero alla miscelazione della luce proveniente da più LED.

La tecnica più semplice è quella di utilizzare sistemi RGB, composti da un LED rosso, uno verde e uno blu, modulando l’intensità relativa della luce emessa dagli stessi.

Questo approccio – ancorché semplice – permette di ottenere rese cromatiche piuttosto ridotte (circa 60-70, v. Narendran et al. Proceedings of the SPIE, Volume 4776, pp. 61-67 (2002)), e quindi non è adeguato per ottenere sorgenti luminose di qualità.

Risultati migliori possono essere ottenuti mediante sistemi basati sull’uso di LED blu e fosfori YAG (ad emissione giallo-verde), mediante i quali si possono raggiungere valori di CRI superiori a 80 (v. Narendran, Tab. I); questo tipo di sorgente luminosa è ampiamente utilizzata per la realizzazione di sistemi di illuminazione per interni e industriali, dal momento che – in questi ambiti – si vuole competere con le tradizionali sorgenti a fluorescenza (tipicamente con CRI=80).

Resa cromatica e temperatura colore: LED e sorgenti tradizionali a confronto
Tab. I – Resa cromatica e temperatura colore: LED e sorgenti tradizionali a confronto

Per illuminazione artistica e retail lighting diventa invece necessario utilizzare soluzioni più complesse: sorgenti luminose RGBW, composte quindi di una terna RGB e di uno o più LED bianchi, permettono di raggiungere valori di CRI superiori a 95-97; risultati paragonabili si possono ottenere mediante l’uso di sistemi multi-fosforo, in cui si utilizza un LED blu per eccitare una miscela di materiali fosforescenti in grado di coprire le regioni spettrali del verde, giallo e rosso.

Queste ultime soluzioni dimostrano che i LED possono sostituire le sorgenti tradizionali anche in quegli ambiti in cui è necessario raggiungere elevate prestazioni a livello cromatico. Tuttavia va notato che esse mostrano diverse criticità a livello progettuale: un sistema RGBW a 4 LED necessita di 4 diversi alimentatori (driver), che permettano di controllare individualmente la corrente di ciascun LED.

Sistemi multi-fosfori tipicamente possono avere efficienza minore, a causa delle maggiori perdite di conversione dei fosfori che emettono nella regione spettrale del rosso. In figura si mostra lo spettro di tre diverse lampade a LED, basate su:

1) terna RGB

2) uso combinato di LED bianco freddo e LED rosso, e sistema RGBW; le tre sorgenti luminose hanno temperatura di colore pari a 3000 K, ma resa cromatica significativamente differente.

Luce LED e effetto stroboscopico

Una ulteriore problematica relativa alla percezione della luce riguarda il flicker, ovvero la rapida e periodica variazione (sfarfallio) dell’intensità luminosa di una lampada dovuta alla fluttuazione della tensione/corrente in ingresso. Ogni sorgente luminosa genera flicker: le lampade convenzionali (ad incandescenza e fluorescenza) tipicamente mostrano una fluttuazione a 100 Hz, legata alla frequenza di variazione della tensione di rete con cui sono alimentate: l’impedenza termica del filamento (per le lampade ad incandescenza) e la persistenza dei fosfori (per le lampade a fluorescenza) possono ridurre l’entità del fenomeno.

Per quanto riguarda le sorgenti luminose basate su LED, l’entità del flicker dipende fortemente dal tipo di alimentatore utilizzato. Alimentatori a corrente continua generano idealmente un flicker nullo, se la corrente di uscita non mostra alcun ripple (oscillazione).

Sistemi basati su dimming PWM, invece, possono mostrare un flicker molto pronunciato,  dal momento che i LED vengono spenti e accesi molte centinaia o migliaia di volte al secondo.

Il parametro più utilizzato per valutare il flicker è la Percentuale di flicker, definita come PF=(max-min)/(max+min) x100 (dove max= massima intensità raggiunta durante l’oscillazione, min= minima intensità raggiunta durante l’oscillazione). Una sorgente LED alimentata in PWM ha PF=100%, dal momento che – per una porzione del periodo – la sua intensità luminosa è pari a zero (min=0).

La percezione diretta del flicker è trascurabile a frequenze superiori a 100 Hz (Bullogh 2011); tuttavia il flicker può essere percepito indirettamente a causa dell’effetto stroboscopico fino a frequenze molto superiori (500 Hz, Heshberger 1998). Il Lighting Research Center ha studiato ampiamente l’accettabilità del flicker in funzione della frequenza e della percentuale di flicker.

I risultati (vedi la figura 4) hanno mostrato che anche se il flicker può essere percepito fino ad elevate frequenze, non sempre è giudicato inaccettabile. Per frequenze di modulazione intorno a 1-3 kHz, il flicker può essere in genere considerato accettabile indipendentemente dalla percentuale  di flicker (v. figura 4). Frequenze più basse di modulazione andrebbero in genere evitate , al fine di garantire un elevato confort visivo.

Luce LED e accettabilità dell’effetto stroboscopico (cortesia: LightCube)
Figura 4 – Luce LED e accettabilità dell’effetto stroboscopico (cortesia: LightCube)

Per la progettazione di lampade in grado di garantire un elevato confort visivo è quindi necessario scegliere sistemi di driving in grado di garantire la minore oscillazione possibile della tensione/corrente di uscita.

Ritmi circadiani e luce LED

Un ultimo aspetto da considerare riguarda il fatto che la luce può avere un effetto significativo sul nostro orologio biologico; il ritmo circadiano è il ciclo di 24 ore secondo cui– durante l’arco della giornata – è regolata la vita degli esseri viventi.

Studi recenti hanno mostrato che la luce ambientale può significativamente influenzare il ritmo circadiano, grazie alla presenza di recettori nella retina (retinal ganglion cell) che  – se illuminati da radiazione blu (480 nm) – inducono la soppressione della melatonina, un ormone responsabile di regolare il ritmo sonno-veglia. Di conseguenza, un’esposizione prolungata a luce blu nelle ore serali può determinare difficoltà ad addormentarsi.

Considerato che molte delle sorgenti LED emettono elevati livelli di luce blu, è importante studiare e ottimizzare le sorgenti luminose in funzione dell’ambiente in cui saranno utilizzate. Se da un lato in ambiente lavorativo la soppressione della melatonina può aumentare la produttività (non senza conseguenze negative sul ritmo sonno/veglia e sull’organismo), per gli ambienti domestici è invece preferibile utilizzare sorgenti luminose a basso contenuto di radiazione ad alta energia (luce blu).

Sistemi a conversione mediante fosfori (in cui il fosforo sia in grado di assorbire la maggior parte della luce blu) e sistemi color-tunable (in grado di modificare lo spettro in funzione dell’orario di utilizzo) possono rappresentare soluzioni efficaci per gli ambienti domestici e per l’utilizzo in ore serali.

In conclusione, con questo articolo abbiamo analizzato le problematiche relative alla percezione della luce, che devono essere tenute in considerazione per la progettazione di sistemi di illuminazione basati su LED. Abbiamo discusso come – mediante ottimizzazione dei parametri spettrali – sia possible ottenere anche mediante LED valori di resa cromatica comparabili con quelli delle sorgenti tradizionali; abbiamo inoltre descritto le principali problematiche legate al flicker; infine abbiamo accennato al forte impatto della luce sul ritmo sonno-veglia.

I dati descritti in questo articolo forniscono importanti informazioni per la progettazione di sistemi di illuminazione in grado di garantire alta resa cromatica e buon confort visivo.

Matteo Meneghini (menego@dei.unipd.it), Nicola Trivellin (ntrivell@dei.unipd.it), Gaudenzio Meneghesso (gauss@dei.unipd.it), Enrico Zanoni (zanoni@dei.unipd.it), Matteo Dal Lago, Diego Barbisan – Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, Università di Padova, e LightCube srl – Padova

 

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