Nuevo generazioni di apparecchi di illuminazione sportivi

Mentre la maggior parte delle altre applicazioni di illuminazione stanno completando la loro transizione alle sorgenti di luce LED, i produttori di proiettori che illuminano campi di calcio, tennis e altri grandi campi di sport all’aperto hanno conservato finora un’ampia preferenza per le convenzionali lampade a scarica ad alta intensità (HID). Le lampade HID offrono un flusso elevato e un’emissione luminosa di alta qualità e le considerazioni elettriche e ottiche per i progettisti di proiettori sono facili da gestire.

Lampada ArenaVision MVF404 ad alogenuri metallici di Philips Lighting, parte della sua gamma di lampade HID ad elevato flusso per l’illuminazione sportiva. (Credito d’immagine: Philips Lighting, un marchio Signify).

Tuttavia, ci sono i segni che la situazione sta cambiando a favore di soluzioni LED e driver nuovi e migliorati: ad esempio, Signify (ex Philips Lighting) ha fatto notizia per l’installazione di apparecchi a LED per illuminare l’area di gioco della Ekaterinburg Arena a Yekaterinburg, uno degli stadi della Russia che ha ospitato le partite della Coppa del mondo di calcio 2018.

Quali sono quindi i fattori che incoraggiano il passaggio alle fonti di luce LED nell’illuminazione dei campi sportivi? E che differenza c’è tra la progettazione di un impianto di illuminazione a LED per campo sportivo e un proiettore HID?

Costo elevato per la sostituzione di una lampada HID

Ci sono due buone ragioni per le quali i gestori di stadi e arene sportive saranno lieti di vedere la fine della tecnologia delle lampade HID. La prima è la limitata durata operativa delle lampade: una tipica durata B50 (tempo medio prima di un guasto) di sole 5.000 ore. Ciò significa che i proiettori HID richiedono frequenti sostituzioni della lampada. E poiché è molto probabile che la lampada da sostituire si trovi in cima a uno stretto palo alto 25 m, sono necessari speciali dispositivi di accesso e di sicurezza e tecnici esperti: e tutto questo ha un costo considerevole.

L’altro principale inconveniente delle lampade HID è il loro comportamento in caso di un arresto imprevisto, ad esempio quando vi è un guasto del circuito di potenza dello stadio. Le lampade HID richiedono un periodo di raffreddamento di 10-15 minuti prima di essere riavviate e poi ancora 5 minuti per raggiungere la massima luminosità. Questo periodo di oscurità e di illuminazione parziale è potenzialmente catastrofico se un guasto di alimentazione si verifica durante una partita con un folto pubblico: trattenere una folla di decine di migliaia di persone in uno stadio buio, con la partita sospesa, potrebbe avere conseguenze estremamente gravi per la sicurezza e l’ordine pubblico.

Una sorgente di luce LED elimina entrambi i problemi: la durata di vita di una sorgente di luce LED in un proiettore dipende dal modo in cui è attuato il design, ma sarà tipicamente compresa tra 50.000 e 100.000 ore; inoltre, dopo un’interruzione di alimentazione di rete, quando l’alimentazione viene attivata o ripristinata, i LED possono essere accesi immediatamente a piena luminosità.

Vi sono altri vantaggi importanti per l’uso di sorgenti luminose LED per l’illuminazione di campi sportivi:

• Efficacia: un sistema a LED può raggiungere un’efficacia della sorgente luminosa oltre 120 lm/W, mentre l’efficacia nominale di una lampada HID è di circa 90 lm/W.
• Avviamento a bassa tensione: una lampada HID richiede un’alta tensione di innesco di circa 5kV. Ciò richiede un’attenta implementazione delle funzioni di sicurezza e di protezione del circuito. Inoltre, l’accensione delle lampade HID a temperature al di sotto di 0°C può essere difficoltosa. Per i LED non è necessaria una tensione di innesco così alta.
• Dimmerabilità: le lampade HID non sono dimmerabili. L’emissione dei LED, al contrario, può essere facilmente dimmerata fino a livelli molto bassi. Ciò è utile per il risparmio di energia, quando si approfitta della luce diurna; oppure quando, in occasione di sessioni di allenamento o di partite juniores, con meno spettatori rispetto alle partite competitive dei senior, si può fornire un livello inferiore di illuminazione.
• Effetti di luce dinamici: poiché i LED possono essere accesi e spenti istantaneamente, gli stadi possono fornire effetti di luce dinamici per provocare entusiasmo nella folla, ad esempio quando si segna un gol oppure all’inizio o alla fine di un periodo di power play.

Considerazioni sul design del sistema di proiettori a LED

I vantaggi derivanti dall’uso di LED nei proiettori sono quindi considerevoli. Tuttavia, la natura dell’applicazione pone vincoli particolari sul design di illuminazioni LED ad alto palo; fino a poco tempo fa, questi hanno ostacolato i tentativi degli OEM di utilizzare i LED nell’illuminazione di campi sportivi. Nel corso del 2018, tuttavia, i fornitori di LED, driver e ottiche hanno introdotto una serie di nuovi prodotti che rispondono alle particolari esigenze dell’illuminazione ad alto palo degli stadi e, come mostra questo articolo, è ora più facile che in passato creare un efficace design di proiettore basato su una sorgente di luce LED.

La difficoltà di realizzare proiettori LED deriva da un insieme di requisiti rigorosi. L’area di gioco che richiede un’illuminazione uniforme e senza ombre è ampia: per il tennis, il campo in sé è di 260 m² e l’area totale, che comprende lo spazio per i giudici di linea, i posti a sedere per i giocatori e così via, è di circa 680 m². Per il calcio, lo spazio è ancora più grande: il campo è di circa 7.000 m² e l’area illuminata totale è di circa 10.000 m². Il requisito di illuminazione dipende dal fatto che il campo sia per l’uso amatoriale, e richiede una luce meno brillante, o per uno sport di alto livello per spettatori professionisti: in quest’ultimo caso, potrebbe essere necessaria un’intensità luminosa sull’area di gioco di oltre 1.000 lux. A seconda dell’altezza del palo e delle dimensioni dell’area di gioco, è necessaria un’emissione luminosa che può andare da centinaia a migliaia di kilolumen dalla sorgente di luce.

Questa emissione luminosa, inoltre, deve essere fornita dalla più piccola superficie di emissione di luce possibile. Questo è per evitare di ostruire la visione degli spettatori: per le luci montate sui pali, il palo dovrebbe essere il più stretto possibile e ciò comporta una piccola sorgente luminosa che imporrà il minor carico di vento possibile sul palo; se montata sul tetto di uno stadio, la lampada deve essere piccola e leggera, poiché la struttura del tetto di uno stadio non è normalmente progettata per supportare oggetti pesanti.

Nell’illuminazione professionale degli stadi, la qualità della luce è anche rigorosamente definita dalle emittenti TV. Il Television Lighting Consistency Index  (TLCI) è stato sviluppato dall’Unione europea di radiodiffusione (EBU) per misurare la capacità di una sorgente di luce di rendere adeguatamente i colori quando questi sono visualizzati da una videocamera. Vi è una correlazione tra il TLCI e l’indice di resa cromatica (CRI), che misura l’accuratezza del rendimento di colore come viene percepito dall’occhio umano invece che da una telecamera. Gli specificatosi di LED, tuttavia, non devono presumere che un alto CRI del LED soddisfi anche i requisiti TLCI.

Il proiettore della Philips ArenaVision ha illuminato il Proveni Know Stadico in occasione delle Olimpiadi invernali del 2018 nella Corea del Sud. (Credito d’immagine: Signify [ex Philips Lighting])

La lampada HID è una soluzione particolarmente efficace per i problemi di dimensione e peso: una singola lampada HID da 2 k produce tra 150.000 e 200.000 n, quindi sarà necessario montare solo poche lampade su ciascun palo (vedere la figura 2).

Quando si progettano i LED, la sfida è mantenere la superficie di emissione della luce (LES) quanto più piccola possibile, il che è difficile quando si utilizzano chip LED a scopo generico, che producono tipicamente circa 300 lm ciascuno. Con tali dispositivi, un proiettore ad alto palo richiederebbe troppe unità e occuperebbe un’area troppo grande.

Ora, tuttavia, Onichia ha introdotto NV9W149AM, un LED multi-die che produce un’emissione nominale di 2.490 lm di luce CRI 90 a una corrente di pilotaggio di 2,1 A, sebbene possa essere pilotato con una corrente continua fino a 3 A. Viene fornito in una confezione da 7 mm x 7 mm x 3,1 mm. Con un’alta efficacia e qualità della luce, permette ai progettisti di sistema di ottenere esattamente l’elevata emissione luminosa richiesta, anche dagli stadi sportivi professionali, in un impianto di illuminazione con una dimensione totale ridotta.

È possibile utilizzare LED di tipo Chip-on-board (COB), che offrono anch’essi una densità di flusso elevata, ma la dimensione del sistema sarà maggiore di quella dei design di NV9W149AM. Inoltre, la tensione relativamente elevata dei Co B e la bassa dispersione e gioco meccanico che offrono, limiterà il numero che può essere combinato in serie nello stesso circuito.

In entrambi i casi, il funzionamento di molti LED ad alto flusso nelle immediate vicinanze l’uno accanto all’altro genera alti livelli di calore di scarto, e quindi la selezione del materiale PCB e il layout della scheda richiederanno una buona dose di esperienza nella progettazione.

Posizionamento di driver a elevata potenza

La sfida della progettazione non è limitata alla selezione e all’integrazione dei LED: la scelta dell’alimentazione elettrica dei LED ha anche gravi conseguenze.

Due fattori importanti determinano la scelta dei driver LED. In primo luogo, il driver fornisce un elevato carico: potenzialmente più di 500 W nei sistemi di illuminazione per stadi di calcio professionali, per fare un esempio. Nessun driver sarà efficiente al 100% e la perdita di potenza viene dissipata dal driver come calore di scarto. Un driver di 500 W che opera a un’efficienza elevata del 95% genererà quindi 26 W di calore di scarto. Se non adeguatamente gestito, questo potrebbe fare in modo che il sistema di alimentazione ecceda la sua soglia di spegnimento termico di sicurezza.

I progettisti di apparecchi di illuminazione LED tendono a pensare a un’unità driver integrata, come una scatola nera autogestita che non richieda una gestione termina esterna. In questo caso, tuttavia, il progettista farebbe bene a considerare il modo in cui grandi quantità di calore possono essere prelevate in sicurezza dalla scatola del driver all’aria ambiente senza surriscaldare l’aria contenuta nell’involucro del sistema.

Un driver LED da 1,2 k EFD-1K2SxxxDV di Inventronics pesa 6,6 Kg

L’altra preoccupazione nella selezione del driver è il peso: più leggero è l’impianto di illuminazione, più stretto può essere il palo, e tanto meno il sostegno strutturale è necessario per l’illuminazione della tettoia. La serieEFD-1K2SxxxDVdi driver LED di 1,2 k di Inventronics, per esempio, costituisce una scelta eccellente per impianti di illuminazione a flusso elevato. Con un peso di 6,6 kg (vedere figura 3), è più leggero di un sistema di alimentazione equivalente consistente in molteplici driver, ciascuno con una potenza nominale inferiore.

Un’alternativa al montaggio del driver nella parte superiore del montante, vicino ai LED, è il montaggio a distanza ai piedi del palo. Si tratta di un nuovo approccio alla progettazione di sistemi di alimentazione a LED, per il quale non vi è alcun requisito in altre applicazioni. A causa della lunga distanza che i segnali di controllo devono percorrere tra un driver remoto e i LED, il montaggio a distanza può compromettere il funzionamento dell’anello di retroazione, causando instabilità nella potenza in uscita e, a sua volta, una sensibile riduzione dell’emissione luminosa. Inoltre, il progettista dovrà tenere conto della caduta di tensione lungo il cavo e gestire i requisiti di compatibilità elettromagnetica (EMC) del sistema. I produttori di driver, tuttavia, stanno iniziando a prendere in considerazione i requisiti del montaggio a distanza quando sviluppano nuovi prodotti di driver speciali.

Nella loro scelta di driver LED, i progettisti di proiettori ad alto palo prenderanno anche in considerazione le specifiche per il ripple di uscita, che provoca lo sfarfallio di luce ed è per questo di vitale importanza per gli eventi trasmessi: dovrebbe essere limitato a meno del 2%. È inoltre importante considerare tutte le condizioni di funzionamento, specialmente l’avviamento a basse temperature. La tensione diretta dei LED è maggiore quando fa freddo rispetto a una normale calda temperatura di esercizio. I progettisti dovrebbero lasciare un notevole headroom nella specifica di tensione di uscita del driver al di sopra del livello previsto nel normale funzionamento.

La scelta dell’interfaccia incamerabile è inoltre importante per abilitare le caratteristiche di illuminazione dinamica, come i modelli lampeggianti o dimmerabili. I produttori di apparecchiature tendono a cercare il controllo DMX a causa del suo tempo di risposta più rapido rispetto al DALI. Pochi driver di alta potenza offrono un’interfaccia DMX e questo rende preziosi i convertitori DMX a 0-10 V come il CNV-DMXR di Inventronics.

Considerazioni sulla progettazione ottica

La lentille FN16258 STELLA-RS de chez LEDiL est composée de silicium résistant aux hautes températures. (Crédit image : LEDiL)

L’ultimo elemento importante del sistema da considerare nell’illuminazione dei campi sportivi è il controllo del fascio luminoso. In una tipica topologia a quattro pali, con un palo a ogni angolo di un’area da gioco rettangolare, la luce deve illuminare con precisione un quadrante della superficie totale da un’altezza elevata.

I collimatori LED tradizionali forniscono un eccellente controllo del fascio luminoso da un piccolo punto della sorgente di luce. Le piccole perdite ottiche in un collimatore sono dissipate come calore di scarto. In sistemi ad altissimo flusso, questo genera molto calore, anche troppo per i materiali di policarbonato (PC) o PMMA normalmente utilizzati nelle lenti per LED, che tendono a deformarsi ad alte temperature.

Anche in questo caso i fornitori di componenti hanno sviluppato prodotti specializzati adatti all’illuminazione di campi sportivi. Ad esempio, LEDiL fornisce FN16258 STELLA-RS, una lente che produce un fascio stretto di 23° con un LES di 19 mm, compatibile con i LED con un LES fino a 30 mm. È realizzato in silicio, un materiale resistente alle alte temperature, ma pesante e meno stabile meccanicamente di PC o PMMA.

Un approccio diverso è quello di utilizzare i proiettori, ma la necessità di lasciare una distanza in aria e superficiale sufficiente tra il proiettore e l’arra LED ad alta tensione può provocare alcune perdite ottiche come perdite di luce dietro il bordo di entrata del proiettore.

Miglioramento del costo totale di proprietà e molto di più

Come spesso accade con la tecnologia LED, il costo aggiuntivo iniziale dell’illuminazione dei campi sportivi basata su LED sarà recuperato su tutto il ciclo di vita del sistema, grazie a una manutenzione e spese di sostituzione ridotti e consumi energetici inferiori. La qualità e la flessibilità dei controlli di funzionamento di un sistema di illuminazione a LED forniscono importanti vantaggi aggiuntivi. Come viene mostrato in quest’articolo, lo sviluppo della sostituzione delle tradizionali lampade HID con quelle LED richiede un’attenta considerazione di vari problemi elettrici, termici, meccanici e ottici. Tuttavia, come mostra lo stadio della Coppa del mondo di Ekaterinburg, il LED è la sorgente di luce del futuro per l’illuminazione degli stadi.

Di Francois Mirand
EMEA Technical Director, Future Lighting Solutions (divisione di Future Electronics)
www.futurelightingsolutions.com