Caratterizzazione e riduzione al minimo dello sfarfallio dei LED in applicazioni di illuminotecnica

La sostituzione delle tradizionali luci a incandescenza con i LED efficienti, freddi e duraturi è una buona idea. Ma, come per tutte le buone idee, l'implementazione è un po' più difficile che la teoria.

Anche se le luci LED possono essere dotate di circuiti di pilotaggio per consentirne il collegamento agli attuali alimentatori c.a. per uso domestico, vi è il rischio di sfarfallio, conseguenza del ripple di tensione sull'uscita dell'alimentatore. Lo sfarfallio si verifica con la maggior parte degli impianti di illuminazione e alcuni consumatori si lamentano del fatto che il suo effetto li mette a disagio o è addirittura causa di malore.

I produttori di LED e apparecchi di illuminazione sono desiderosi di scoprire la radice del problema, perché se l'illuminazione a stato solido dovesse sviluppare la reputazione di essere soggetta a sfarfallio - sebbene immeritata - convincere i consumatori ad allontanarsi dai tradizionali impianti di illuminazione diventerà più difficile.

Questo articolo indaga le cause dello sfarfallio, spiega perché è un problema particolare per i LED e come gli organi preposti alla definizione di norme tecniche e standard stanno cercando di quantificare il fenomeno per i laboratori di test e i produttori di LED, driver chip e apparecchi di illuminazione. L'articolo descriverà quindi alcuni prodotti di recente introduzione dei principali fornitori di silicio, che si dice offrano un modo economico per implementare impianti di illuminazione a LED senza sfarfallio.

L'effetto dello sfarfallio

Secondo alcuni studi circa 1 in 4.000 persone è particolarmente sensibile alle luci lampeggianti nelle frequenze da 3 a 70 Hz. Questo sfarfallio visibile può provocare disturbi gravi come attacchi epilettici. Meno noto è il fatto che un'esposizione a lungo termine a sfarfallio a frequenze più elevate (involontario) (tra 70 e 160 Hz) può anche causare malessere, mal di testa e danno visivo.

Purtroppo, a meno che una persona si trovi in un ambiente a luce naturale, è suscettibile all'esposizione a questo sfarfallio a maggiore frequenza, perché tutte le sorgenti luminose alimentate dalla rete elettrica - luci ad incandescenza, alogene, fluorescenti o LED - sono soggette a sfarfallio. La fonte è la componente a corrente alternata di alimentazione e la frequenza dello sfarfallio è generalmente pari alla frequenza di rete (di solito 50 o 60 Hz) o doppia rispetto ad essa.

I test mostrano che gli esseri umani trovano difficile rivelare direttamente il tremolare di una luce a queste frequenze più elevate, ma ciò poco importa. Gli scienziati hanno condotto una ricerca che indica la retina umana è in grado di risolvere il tremolio di una luce da 100 a 150 Hz, anche se il soggetto non ne è consapevole, che porta alla conclusione che il cervello potrebbe reagire in questo caso.

Gli effetti insidiosi di questo cosiddetto sfarfallio impercettibile da 100 a 150 Hz non sono solo una funzione della frequenza; ma anche fattori fisici e fisiologici svolgono un ruolo importante. Per esempio, la luce forte è peggio di quella fioca, e la differenza tra le componenti "chiara" e "scura" dello schema luminoso è importante (una luce che si oscura completamente durante la porzione "off" del ciclo è peggio di una che si offusca solo parzialmente). La luce rossa e quella ad alternanza rossa e blu possono essere particolarmente problematiche e la posizione della sorgente luminosa sulla retina è importante, dato che la luce rilevata dal centro è peggiore di quella alla periferia.

Alcuni ricercatori hanno perfino dichiarato che la retina può percepire lo sfarfallio fino a 200 Hz, ma i test hanno dimostrato che al di sopra di 160 Hz gli effetti sulla salute dello sfarfallio sono trascurabili.¹

Definizione di sfarfallio

Fino a poco tempo fa, gli ingegneri di illuminotecnica sono stati relativamente indifferenti agli effetti dello sfarfallio impercettibile. Tuttavia, l'inasprimento delle norme di salute e di sicurezza, una migliore ricerca e le crescenti lamentele da parte del personale che lavora in uffici illuminati dagli onnipresenti tubi fluorescenti hanno portato a inviti all'azione.

Ma senza una definizione dello sfarfallio, chi può dire se una sorgente luminosa è migliore di un'altra? L'Illuminating Engineering Society of North America (IESNA) ha affrontato questa sfida e ha definito la “percentuale di sfarfallio” e “l'indice di sfarfallio” nella nona edizione di The IESNA Lighting Handbook. La figura 1 mostra come vengono definiti i parametri.

La percentuale di sfarfallio è una misura relativa della variazione ciclica in uscita di una sorgente luminosa (cioè percentuale di modulazione). Questo a volte è anche definito "indice di modulazione"

Dalla figura: Percentuale di sfarfallio = 100 x (A – B)/(A + B)

L'indice di sfarfallio è una "misura relativa affidabile della variazione ciclica in uscita di varie sorgenti a una data frequenza di energia. Essa tiene conto della forma d'onda dell'emissione luminosa, nonché della sua ampiezza", secondo il manuale. L'indice di sfarfallio assume valori da 0 a 1,0, dove 0 indica un'emissione luminosa costante. I valori più elevati indicano una maggiore possibilità di sfarfallio visibile, nonché un effetto stroboscopico.

Dalla stessa figura: Indice di sfarfallio = Area 1/Area 1 + Area 2

Il problema con i LED

Le caratteristiche fisiche dei LED determinano che siano alimentati in modo diverso da altre sorgenti luminose (vedere l'articolo TechZone "Capire la causa del fading nei LED ad alta luminosità").

I LED sono, come indica il nome, una forma di diodo. Nel corso del normale funzionamento, viene applicata una tensione diretta costante di grandezza sufficiente (di solito con i LED in serie con un resistore) in modo tale che il dispositivo funzioni entro il proprio campo di conduzione. Le tensioni dirette per dispositivi commerciali ad alta luminosità sono tipicamente da 3 a 4,5 V. Il rapporto tra tensione diretta (VF) e corrente diretta (IF) è importante perché la corrente determina il flusso luminoso relativo (essenzialmente la luminosità) del LED.

Il produttore del dispositivo raccomanderà uno stretto campo di funzionamento di un LED, in genere un compromesso tra luminosità ed efficacia.

Le Figure 2a e 2b mostrano il rapporto tra tensione diretta e corrente diretta e tra corrente e flusso luminoso relativo per un LED XLamp ML-B prodotto da Cree. La variazione nella tensione diretta influenzerà la corrente diretta e quindi il flusso luminoso.

L'alimentazione di un chip LED da una fonte in c.a. richiede un regolatore per ridurre l'alimentazione dalla rete da 110 a 115 o da 230 a 240 V, 50 o 60 Hz utilizzata dalla maggior parte dei paesi per i modesti requisiti di tensione e corrente dei LED. Si noti che gli apparecchi di illuminazione utilizzano in genere sei o otto chip LED per impianto, pertanto la richiesta di potenza per ciascuna unità è superiore a quella di un singolo LED.

Una forma di base di driver LED comprende un raddrizzatore a onda intera (Figura 3) collegato a una stringa di LED con un resistore in serie per limitare la corrente. Questo approccio modula i LED al doppio della frequenza c.a. (cioè pari a 100-120 Hz). Poiché l'intensità luminosa è proporzionale alla corrente, il LED tremola a questa frequenza (Figura 4).

Tutte le fonti di illuminazione che derivano la loro potenza dalla rete di alimentazione in c.a. è probabile che esibiranno un certo sfarfallio. I LED sono particolarmente problematici, perché l'indice di sfarfallio (o la profondità di modulazione) è tipicamente peggiore rispetto alle sorgenti luminose tradizionali.

Questo perché i LED reagiscono in modo particolarmente rapido alle variazioni di corrente. A 120 Hz, sia il LED stesso che il fosforo a luce bianca hanno molto tempo per cessare completamente la produzione di fotoni durante la porzione "off" della forma d'onda. Per contro, le sorgenti luminose tradizionali, in particolare quelle a incandescenza e alogene, hanno "inerzia". Ciò significa che, anche nella porzione "off" del ciclo, queste emettono ancora alcuni fotoni.

La Tabella 1 riassume la percentuale di sfarfallio e l'indice di sfarfallio di varie sorgenti luminose compresi i LED pilotato da fonti di alimentazione c.c. e c.a.² (Le colonne "Min", "Max" e "Med" riassumono l'intensità relativa di ciascuna sorgente.)

Come notato sopra, oltre alla frequenza, l'indice di sfarfallio ha un effetto significativo sulla percezione umana della luce. Un indice di sfarfallio superiore tende ad essere più evidente e quindi potenzialmente più dannoso.

	Max	Min	Med	% sfarfallio	Indice sfarfallio
Incandescente	12,180	10,745	11,460	6,2594	0,0194
100 W MH	9,1472	3,2066	6,5147	48,088	0,1398
T12 magnetico	9,6281	4,6256	7,1565	35,096	0,0897
T5HO elettrico	10,52	9,960	10,20	2,734	0,0036
LED a c.c.	43,4	41,0	42,2	2,84	0,0037
LED con sfarfallio	15,996	0,0555	6,3026	99,309	0,4498

Migliori driver LED

La maggior parte dei driver LED contemporanei sono un po' più sofisticati dei semplici esempi riportati nella Figura 3, dove gli alimentatori a commutazione ad alta frequenza sono una scelta diffusa per l'efficienza. Il filtraggio in ingresso e uscita utilizzato dagli alimentatori a commutazione riduce drasticamente la componente a corrente alternata della rete elettrica sull'uscita, ma un certo ripple è inevitabile. Alcune unità sono peggiori di altre, così si consiglia al tecnico di scegliere il driver LED con cautela.

Se gli alimentatori a commutazione per LED riducono l'indice di sfarfallio per attenuare la componente a corrente alternata dell'uscita, la frequenza di sfarfallio, al doppio della frequenza di rete, rimane inalterata e rientra nel campo che è stato identificato dai ricercatori come problematico per gli esseri umani.

L'influente U.S. Environmental Protection Agency (EPA) ha tentato di risolvere il problema, raccomandando che la frequenza di funzionamento dei LED sia aumentata a 150 Hz. Le specifiche ENERGY STAR dell'organizzazione - a cui i produttori devono aderire se vogliono beneficiare della certificazione ENERGY STAR per vantaggi commerciali - includono una specifica riguardante lo sfarfallio.

Nel 2009, la specifica in riferimento allo sfarfallio è stata modificata per prevedere una frequenza di funzionamento minima dei LED di circa 150 Hz, aumentata dai 120 Hz della versione precedente. I produttori di LED e semiconduttori non ne sono stati entusiasti, perché cambiare i loro prodotti in base alla nuova frequenza sarebbe stato molto costoso.

In una lettera intestata a tutte le parti interessate del marzo 2010³ l'EPA ha ripristinato le specifiche originali di 120 Hz, tuttora in vigore.

Detto questo, esistono molti driver LED sul mercato che si collegano direttamente a una rete di alimentazione e che affermano di non produrre "sfarfallio". Cirrus Logic, ad esempio, di recente ha rilasciato la famiglia di driver LED CS161x (CS1610-FSZ, CS1611-FSZ). I chip sono adatti per l'uso con tensioni di linea da 100 a 120 V c.a. e da 220 a 240 V c.a. e vantano l'ulteriore vantaggio di mantenere prestazioni prive di sfarfallio anche quando utilizzati con interruttori di dimmeraggio legacy (che spesso introducono complicazioni per i driver LED che compromettono l'indice di sfarfallio).

Anche CUI Inc. offre un driver a corrente costante con prestazioni senza sfarfallio a piena luminosità e quando utilizzato con interruttori di dimmeraggio tradizionali, i cosiddetti V-Infinity VLED15 (Figura 5). Il modulo è disponibile in due versioni, una per 115 V c.a. e l'altra per 230 V c.a.

Un'altra opzione è BP5843A di ROHM Semiconductor. Si tratta di un modulo SIP a 11 pin che può essere utilizzato per alimentare parecchi LED ad alta luminosità in serie o in parallelo da 113 a 170 V c.a. Il modulo offre un basso ripple della tensione di uscita picco-picco che contribuisce a prestazioni LED senza sfarfallio.

Conclusione

I progettisti di illuminotecnica che sviluppano apparecchi di illuminazione a LED possono citare molti vantaggi delle loro sorgenti luminose, quali efficacia, longevità e robustezza. Tuttavia, devono essere consapevoli della potenziale reazione avversa ai loro prodotti che potrebbe determinarsi se il consumatore si sente a disagio o avverte malessere con l'uso di luci a stato solido.

Sebbene lo sfarfallio possa essere impercettibile, può comunque essere un problema. Ad esempio, i dipendenti in uffici illuminati con tubi fluorescenti (luce tremolante) hanno trovato velocemente nella "sindrome da edificio malato" un motivo in più per giustificare tassi di assenteismo superiori alla media. Non vi è alcuna prova diretta che lo sfarfallio provochi malessere, ma le ricerche recenti suggeriscono che vi è una buona possibilità che sia una delle cause.

Di conseguenza, la progettazione di luci LED con riduzione dello sfarfallio è una buona idea. Scegliete driver LED con commutazione ad alta frequenza di buona qualità, dato che questi riducono al minimo la componente a corrente alternata dei ripple di tensione e di corrente sull'uscita, che a sua volta limita la profondità di modulazione dello sfarfallio dei LED. E, nonostante siano necessarie ulteriori ricerche per confermare il suggerimento, è anche una buona idea tenersi aggiornati sugli sviluppi per trovare nuovi driver LED che convertano la componente a corrente alternata in ripple di uscita a 150 Hz o superiore, perché dalle prime indicazioni emerse è a questa frequenza che lo sfarfallio ha un effetto trascurabile sulla salute.

Riferimenti:

1. “A Review of the Literature on Light Flicker: Ergonomics, Biological Attributes, Potential Health Effects, and Methods in Which Some LED Lighting May Introduce Flicker”, IEEE Standard P1789, Febbraio 2010.
2. “The Evaluation of Flicker in LED Luminaires”. Michael Grather, Presidente, Luminaire Testing Laboratory, Inc.
3. Lettera aperta di Alex Baker, Direttore programma di illuminazione, ENERGY STAR, datata 22 marzo 2010.