I progressi nel campo della tecnologia dei LED, dell'alimentazione tampone e della protezione dei circuiti beneficiano l'illuminazione di emergenza

Il mercato dell'illuminazione di emergenza basata su LED è probabilmente uno dei più maturi. Sebbene per oltre 20 anni i LED siano stati impiegati per semplici indicatori ad esempio delle uscite, solo negli ultimi 6 anni hanno raggiunto una maturità tale da essere impiegati nei sistemi di illuminazione di emergenza. I miglioramenti dell'efficienza e dell'omogeneità di colore dei LED bianchi, nonché il calo dei prezzi, hanno fatto da catalizzatori al cambiamento in atto.

La tecnologia continua a progredire e i prezzi a scendere, il che rende i LED sempre più appetibili per un'ampia gamma di sistemi di illuminazione di emergenza. Oltre a ciò, il design innovativo abbinato ai vantaggi della tecnologia LED può offrire un interessante vantaggio competitivo per i progettisti di illuminotecnica. I progressi nei sistemi di immagazzinamento dell'energia e nelle batterie per il funzionamento con alimentazione tampone, oltre alla presenza dei LED stessi, sono fattori che stanno creando nuove opportunità.

In questo articolo analizzeremo la tecnologia più avanzata dei sistemi di illuminazione di emergenza basati su LED, con particolare attenzione allo sviluppo di nuovi componenti. Maggiore efficienza, funzionamento a temperatura contenuta, basso consumo e LED più robusti migliorano l'affidabilità e riducono drasticamente i costi di manutenzione. I dispositivi tipici includono Golden Dragon Plus di Osram e Duris P5, LUXEON® Z di Philips Lumileds e la gamma STW8 di Seoul Semiconductor.

Le soluzioni di protezione del circuito aggiungono sicurezza alle applicazioni di illuminazione di emergenza in situazioni critiche e in particolare dove sussistono rischi di incendio o esplosione. Dispositivi come le protezioni a resistenza di shunt per LED di Bourns e le protezioni dei circuiti Polyswitch di TE Connectivity sono opzioni molto diffuse.

Infine, la tecnologia delle batterie si è evoluta rapidamente in questi ultimi anni e la tendenza è verso la chimica Li-Ion che offre soluzioni di pacchi batteria tampone più piccoli, leggeri e potenti. Tuttavia, questa tipologia viene considerata rischiosa come fonte di possibile incendio in luoghi particolarmente critici per la sicurezza, a meno che le batterie non siano protette doverosamente. Una alternativa, e talvolta una soluzione complementare, è costituita dagli ultracondensatori. La gamma PowerStor di Eaton ha già trovato apprezzamento in numerose applicazioni, tra cui l'illuminazione di emergenza.

Innanzitutto la sicurezza

Ovunque le persone si raccolgano, in un edificio o nei suoi dintorni, nei centri commerciali, nei parcheggi sotterranei o in qualsiasi sistema di trasporto di massa, anche aereo, l'impianto di illuminazione di emergenza è un componente essenziale. Tale illuminazione è di importanza cruciale per ottenere un'evacuazione ordinata, specialmente in occasione di incendi. I segnali di uscita, ben illuminati e correttamente distanziati che indicano la via di fuga più breve, sono importanti perché in tali situazioni le persone perdono facilmente l'orientamento. In genere, la gente tenta di uscire seguendo a ritroso la via per cui è entrata, che spesso però non è il percorso più conveniente.

Nei vecchi impianti dovrebbero rimanere in uso le lampade a fluorescenza, ma sempre più spesso vengono sostituite con lampade a LED. I moduli LED stanno diventando degli apparecchi di retrofit molto popolari per sostituire i tradizionali tubi fluorescenti T8. Più in generale, i LED stanno dimostrando di avere caratteristiche e vantaggi economici che ne incoraggiano la diffusione in molte applicazioni di illuminazione di emergenza. Ogni volta che i sistemi di illuminazione principali vengono ammodernati o sostituiti con tecnologia LED, è molto probabile che anche l'impianto delle luci di emergenza venga aggiornato con i LED.

Il crescente numero di vantaggi derivanti da questa tecnologia sta facendo diventare i LED una scelta "obbligata". La longevità e l'affidabilità rendono le lampade LED particolarmente idonee per i sistemi di emergenza che richiedono in tal modo meno interventi di assistenza e riducono i costi di manutenzione. Inoltre, data l'assenza di piombo e mercurio, i LED sono più ecocompatibili. Sono considerati intrinsecamente sicuri, il che ne fa la scelta di elezione per impieghi nel settore minerario, nei pozzi petroliferi e in altri ambienti potenzialmente esplosivi. Data l'assenza di vetro, i LED sono più resistenti, sia agli urti che alle vibrazioni e meno vulnerabili ad atti vandalici nelle installazioni in ambienti pubblici.

Complessivamente, i LED funzionano con potenze inferiori rispetto alle tecnologie di illuminazione tradizionali. Ciò li rende ideali per essere alimentati con batterie tampone o da generatori di emergenza che si avviano non appena viene a mancare l'elettricità della rete di distribuzione.

Le lampade LED sono tipicamente delle sorgenti di luce puntiformi, dunque è più facile controllarne la messa a fuoco sul punto di interesse, il che, associato all'efficienza ottica, aiuta ulteriormente ad abbassare i consumi energetici. Nella sua forma più semplice, secondo la ICEL (Industry Committee for Emergency Lighting)¹ britannica, due LED da 1 W con un fascio tipico di 60 gradi, più driver, inverter e batteria da 3,6 V, installati a 3 metri di altezza rispetto al pavimento, con distanziatura appropriata non hanno nessun problema a dare un'illuminazione a livello del pavimento in conformità con le norme internazionali.

Esteticamente gradevole

Un altro vantaggio dei LED, in particolare in scenari di illuminazione su larga scala, è la vasta scelta di formati e la possibilità di abbinare l'illuminazione di emergenza a quella architetturale. I punti luce possono essere praticamente di qualsiasi forma e dimensione e quindi facilmente incorporabili in strutture e materiali esistenti. Le stringhe di LED sono particolarmente utili per scale e corridoi; altri moduli possono essere montati incassati a pavimento o a parete o usati come retrofit di particolari strutturali esistenti. La possibilità di nascondere l'illuminazione di emergenza o di incorporarla esteticamente nell'edificio offre enorme flessibilità di progettazione illuminotecnica e di impiego da parte degli utenti finali.

Un case study presentato da Osram Semiconductor² illustra i risultati che si possono ottenere in questo settore. L'entrata della stazione della metropolitana Karlplatz Stachus (U-bahn/S-Bahn) di Monaco, in Germania, per motivi costruttivi poteva essere illuminata solo tramite i corrimano, per una lunghezza totale di 700 metri. Questa soluzione offre un doppio servizio: normale e come illuminazione di emergenza, alimentata da batterie, in caso di interruzione dell'elettricità. L'installazione dei LED Osram, grazie al loro basso consumo, richiede solo 100 W per 18 metri di corrimano illuminato.

Figura 1: l'entrata della metropolitana S-Bahn e U-Bahn nella stazione di Stachus a Monaco è illuminata dai LED nei corrimano, che fungono anche da illuminazione di emergenza per le scale, in caso di interruzione dell'elettricità.

Il tipo e le caratteristiche dei LED per illuminazione di emergenza dipendono fortemente dalle singole applicazioni. Tuttavia vi sono alcune caratteristiche comuni tra quelle più indicate: basso consumo, funzionamento senza sviluppo di calore e alta efficienza luminosa. I requisiti tipici sono: LED a luce bianca fredda, con una temperatura di colore tra 3000 e 6500 K, un CRI di 80 o superiore e un'efficienza di circa 75 - 100 lm/W.

In funzione dell'applicazione, ci sono altre caratteristiche da prendere in considerazione, ad esempio, dimensioni contenute, alloggiamento durevole e robusto, semplicità e flessibilità del design dei moduli per creare stringhe o altre forme e possibilità di funzionare da batterie tampone o da altre fonti di alimentazione temporanee.

Luci segnapassi

Gamme di dispositivi LED come la Duris P5 di Osram Opto Semiconductor sono particolarmente idonee per applicazioni di illuminazione di emergenza. Una luce bianca neutra (4000 K), GW DASPA1.EC-GUHQ-5L7N-1, offre elevata efficienza, discreta potenza e vita di esercizio lunga, caratteristiche richieste per le luci segnapassi come quelle usate per i gradini o per i percorsi di uscita. Con un flusso luminoso tipico di 29 lm a 100 mA, un'efficienza ottica di 96 lm/W e un CRI di 80, questo dispositivo viene fornito in un contenitore senza piombo SMD-2. La tensione diretta tipica è di 3,02 V, e la corrente diretta massima è di 250 mA, l'angolo di visione è pari a 130 gradi. Nella gamma Duris P5 sono compresi LED a luce più calda (3000 K) e più fredda (5000 K) con caratteristiche simili a quelle della versione da 4000 K.

Per applicazioni che richiedono un'efficienza luminosa superiore, pur con un consumo superiore, Osram offre la serie LUW W5AM della linea Golden Dragon Plus. Il flusso luminoso tipico è di 116 lm a 350 mA e fino a 273 lm a 1 A. Anche questo, progettato specificamente per luci segnapassi nei sistemi di illuminazione di emergenza, è un dispositivo che offre elevata efficienza della fonte luminosa in un contenitore a profilo molto ribassato. L'efficienza ottica si attesta su 146 lm/W a 100 mA, la corrente diretta massima a 1 A, la tensione diretta tipica a 3,2 V e la resistenza termica a 6,5 K/W.

Figura 2: LED ad alta efficienza Osram Golden Dragon Plus per applicazioni di illuminazione segnapassi.

Dispositivi con caratteristiche simili sono reperibili anche nella linea Philips Lumileds. LUXEON Z 4070 genera una temperatura di colore fino a 4000 K e un CRI di 70. Il flusso luminoso tipico è di 138 lm a 500 mA. Efficienza tipica di 95 lm/W. Un altro utile parametro citato nella scheda tecnica è la dimensione del dispositivo rispetto alla potenza luminosa ottenibile, qui dichiarata a 63 lm/mm² per il LED medio. Il dispositivo può essere fornito incapsulato, ottimo per l'integrazione in stringhe o moduli.

Figura 3: LED LUXEON Z di Philips Lumileds con ingombro ridottissimo di 2,2 mm².

Nella sua vasta gamma Acrich di LED singoli e moduli multi-LED, Seoul Semiconductor è in grado di offrire numerosi articoli nello spettro del bianco ghiaccio. Il LED a 6500 K STW8Q14BE è solo un esempio della gamma di LED singoli destinati ad uso generico, per interni e applicazioni di illuminazione architetturale. Con la protezione ESD integrata, il LED stesso è incapsulato in silicone e assemblato in un corpo termoplastico resistente al calore. Le specifiche elettriche danno una tensione diretta di 3,2 V (tipica), corrente diretta di 160 mA (massima), intensità luminosa di 35 lm (da 3700 a 7000 K), CRI di 80 (minimo) e resistenza termica di 18°C/W.

Protezione del circuito

Mentre alcuni moduli di illuminazione di emergenza a LED sono dotati di un circuito che commuta dalla rete elettrica all'alimentazione ausiliaria e quindi di nuovo alla rete, è possibile installare dispositivi di protezione supplementari a shunt per migliorare robustezza e affidabilità. La protezione aggiuntiva aiuta a ridurre al minimo i costi di riparazione e sostituzione delle lampade LED, specie quando usate in lunghe stringhe di più LED in serie che possono essere pilotate da un'alimentazione elettrica a tensione relativamente alta e corrente costante.

I vantaggi di configurare stringhe con più LED sono numerosi. Il primo vantaggio è un dispositivo di alimentazione singolo semplificato, mentre l'alta tensione e la corrente costante di alimentazione migliorano l'efficienza dello stesso alimentatore. Altri fattori importanti sono la scalabilità, la modularità e la flessibilità del formato che influenzano la scelta delle stringhe di LED rispetto ad altre tecnologie di illuminazione. Il rovescio della medaglia è che un solo LED guasto nella stringa determina lo spegnimento di tutti i LED della stringa. Il guasto dei LED può essere determinato da temperatura elevata, scariche elettrostatiche, sovratensioni o sovracorrenti.

Le stringhe di LED a bassa potenza possono essere facilmente protette con diodi Zener. Per applicazioni ad alta potenza (oltre 75 mA), si consigliano dispositivi shunt di protezione che, in modalità attiva, dissipano meno potenza rispetto a un LED aperto. Questi dispositivi basati su tiristori funzionano sviando la corrente che aggira il LED guasto, ovvero creando un ponte per assicurare che i diodi sani nella stringa continuino ad essere illuminati.

Bourns è un fornitore leader nel campo dei dispositivi di protezione dei LED con resistenza di shunt. I loro LSP0600BJR-S operano alla tensione di 6 V. Per massimizzare il livello di protezione, i progettisti dovrebbero utilizzare un dispositivo per ciascun LED. In alternativa, per abbattere i costi, altri componenti della gamma offrono protezione a 9, 13 e 18 V e possono essere utilizzati per isolare gruppi di due, tre o quattro LED.

Bourns ha prodotto un utile white paper³ che spiega le problematiche dell'alimentazione relative alla tensione di compliance di un alimentatore a corrente costante. Sono forniti esempi di circuiti e progetti che mettono in evidenza i requisiti per l'alimentazione in situazioni di guasto specifiche che incorporano i dispositivi della serie LSP di Bourns. Sono incluse anche le linee guida sulle architetture di alimentazione di stringhe di LED.

Protezione da sovracorrente

La protezione di apparati di illuminazione a LED e delle batterie per l'illuminazione di emergenza a LED da danni per sovracorrente e calore, è una funzione fondamentale dei prodotti di protezione del circuito Raychem di TE Connectivity. Questa società sottolinea che, sebbene i LED abbiano una vita utile molto superiore alle lampade convenzionali che vanno a sostituire, la loro durata dipende da numerosi fattori: la temperatura di giunzione, la tensione e la corrente di esercizio.

I dispositivi polimerici resistivi non lineari a coefficiente di temperatura positivo (PPTC), come quelli delle gamme di TE PolySwitch e PolyZen, hanno dimostrato la loro efficacia nei circuiti di protezione dei LED. Le applicazioni tipiche includono la protezione dell'ingresso di alimentazione dalla linea elettrica in cui arrivano transitori e picchi, la protezione ESD e quella dell'uscita del circuito di pilotaggio dei LED. Sono particolarmente efficienti negli impianti di illuminazione di emergenza ad alta affidabilità, infatti si autoripristinano quando il guasto viene eliminato e l'alimentazione riattivata.

Figura 4: selezione dall'ampia gamma di dispositivi ripristinabili PolySwitch che possono essere utilizzati per proteggere i circuiti degli impianti di illuminazione di emergenza a LED.

Secondo il produttore, la maggior parte delle applicazioni LED utilizzano dispositivi di controllo e conversione dell'alimentazione come interfaccia con la sorgente elettrica, allo scopo di controllare la dissipazione di potenza dal driver LED. La protezione di queste interfacce da danni per sovracorrente o sovratemperatura è affidata a PPTC come quelli della gamma PolySwitch.

Nell'operazione tipica, il fusibile ha un basso valore di resistenza. In caso di sovracorrente, il dispositivo interviene e scatta in stato di alta resistenza. Ciò aiuta a proteggere le apparecchiature nel circuito riducendo a un livello basso e stabile la quantità di corrente che può passare in condizione di guasto. Il dispositivo resta in stato attivato fino a che non viene risolto il guasto. Quando l'alimentazione al circuito viene spenta e riaccesa, il dispositivo si ripristina, il flusso di corrente riprende e il circuito viene riportato al funzionamento normale. Ulteriori informazioni dettagliate e schemi di circuiti sono reperibili nei precedenti articoli TechZone di DigiKey.⁴

Molti CI driver LED richiedono un ingresso c.c. protetto per fornire corrente stabile al diodo. Un dispositivo PolySwitch in serie al CI driver LED, assieme a un dispositivo in parallelo di limitazione della tensione come un diodo Zener o di soppressione dei transitori, aiuta a proteggere il sistema in modo efficace. I componenti PolySwitch sono disponibili in diverse misure, compreso il contenitore 1608 di piccole dimensioni per le applicazioni più compatte, per risparmiare spazio e denaro. I progettisti possono scegliere valori di corrente tra 50 mA e 3 A e di tensione tra 6 e 60 V.

Un dispositivo tipico di protezione dei CI è il nanoSMDC150F a 6 V, in grado di supportare una corrente di mantenimento di 1,5 A, con valore di intervento di 3 A e corrente massima di 100 A. Il tempo di intervento è di 0,3 s.

Alimentazione tampone

In alcune applicazioni, i supercondensatori stanno diventando sempre più popolari come fonte di alimentazione tampone, in particolare in impianti ad alta criticità di sicurezza, dove le batterie Li-Ion sollevano rischi di incendio. Rispetto alle batterie, i supercondensatori sono in grado di erogare oltre dieci volte la potenza e garantire oltre mille volte i cicli della loro vita utile. Offrono una densità di energia tre volte superiore a quella di condensatori elettrolitici tradizionali.

Inoltre sono in grado di operare bene in tandem con le tecnologie a batteria tampone tradizionali, allo scopo di migliorare le prestazioni e la durata di vita di tali sistemi. In applicazioni di illuminazione di emergenza, è interessante il loro uso in sistemi di alimentazione tampone e temporanea in commutazione di sorgente, assicurando un'alimentazione costante quando viene meno quella della rete di distribuzione. I supercondensatori sono considerati più ecocompatibili delle batterie e possono aiutare i progettisti a ridurre la necessità di batterie e/o a prolungarne la vita utile.

Nel settore dei supercondensatori, una delle aziende leader è Eaton. Le serie XB e XV di dispositivi cilindrici offrono una capacità elettrica da 300 a 400 F, con una tensione di esercizio di 2,5 V e 2,7 V rispettivamente. Caratterizzati da ESR ultrabasso per l'alta densità di potenza, questi dispositivi assicurano un calo di tensione minimo nel momento della domanda di corrente di picco. Sono considerati particolarmente adatti per sistemi di backup e UPS, oltre che in impianti di illuminazione di emergenza.

Un tipico dispositivo della gamma XB, PowerStor XB3550, eroga una capacità elettrica di 300 F a 2,5 V. Il più performante della gamma XV è il PowerStor XB3560, con 400 F a 2,7 V.

Figura 5: supercondensatori PowerStor di Eaton per funzioni di alimentazione di backup e temporanea in commutazione di sorgente nel settore delle applicazioni industriali e della sicurezza.

Riepilogo

Sebbene non siano così famosi, gli impianti per l'illuminazione di emergenza si avvantaggiano dagli sviluppi tecnologici, non solo nel campo dei LED, ma anche nei sottosistema pertinenti per tutte le importanti funzioni relative a batterie tampone e protezione dei circuiti. I progettisti di impianti di illuminazione di emergenza hanno l'opportunità di aggiornare e differenziare la loro offerta di prodotti in questo settore, tanto per nuove installazioni che per operazioni di ammodernamento tramite unità di retrofit.

Riferimenti:

1. Industry Committee for Emergency Lighting (ICEL)
2. Case study di Osram Semiconductor, Illuminazione della Karlsplatz a Monaco
3. White paper di Bourns: Nuovi dispositivi di protezione a resistenza shunt per LED guasti
4. Protezioni coordinate per i circuiti di sistemi di illuminazione a LED