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Tecnica

pubblicato il 4 febbraio 2009

E luce fu!

Analisi sui sistemi di illuminazione: dai fari allo xeno ai LED

E luce fu!
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I fari sono tra i tratti distintivi più importanti in un'automobile e, come gli occhi di una persona, comunicano emozioni e sensazioni. E i designer, consapevoli di questa forte capacità comunicativa, danno sfogo a tutta la loro fantasia: fari, sia anteriori che posteriori, dalle foggie più varie, di forma circolare, trapezioidale, a goccia o così allungati da arrivare fino sopra le ruote. Ma, ovviamente, non possono essere ridotti ad un mero esercizio di stile, bensì rappresentano un dispositivo tecnico di fondamentale e spesso trascurata importanza, che in questi ultimi anni sta vivendo una improvvisa spinta innovativa. Vedremo come funzionano e quali sono le caratteristiche dei sistemi di illuminazione tradizionali con lampade ad incandescenza, e di quelli più innovativi, basati sulle lampade allo xeno e sulla tecnologia LED.

LE LAMPADINE ALOGENE
Per molti anni, la tecnica dei fari non ha compiuto molti progressi: solo negli anni Cinquanta sono stati sviluppati i proiettori anabbaglianti asimmetrici, che illuminavano maggiormente la parte destra della strada. Un importante passo in avanti si è avuto, in Italia, negli anni Sessanta con le lampadine ad incandescenza alogene, che rimpiazzarono le vecchie lampadine allo iodio: a parità di assorbimento di corrente garantivano una luminosità doppia, anche se erano dotate di un solo filamento. Dopo quarant'anni, sono ancora il sistema di illuminazione più diffuso sulle automobili, oltre ad essere usate anche in molte applicazioni civili.
La struttura di una lampadina alogena è molto semplice: un filamento metallico di tungsteno posto all'interno di un'ampolla di quarzo contenente gas nobili come iodio, kripto e xeno. Il principio di funzionamento della lampadina ad incandescenza si basa su quello che è noto come effetto Joule: facendo passare una corrente elettrica nel filamento, questo si riscalda fino a raggiungere la temperatura di circa 2700 °C diventando incandescente, emettendo così la luce. Come si può immaginare, questo sistema di illuminazione non è affatto efficiente: di tutta l'energia che forniamo alla lampadina, ben l'85% viene trasformata in calore, e solo il restante 15% diventa luce. Altro limite delle lampade ad incandescenza è la durata (chi non ha mai fulminato una lampadina "fulminata"?): la vita utile è di circa 1.000 ore.
Gli "occhi" delle automobili sono rimasti, come detto, sostanzialmente immutati per decenni, con i loro pregi e difetti. Eppure sono dispositivi fondamentali per la sicurezza: rendono possibile la guida notturna, nella nebbia, facilitano il riconoscimento dei veicoli, se usate correttamente possono essere un valido strumento di "comunicazione" tra automobilisti (ad esempio per segnalare un pericolo). Se si considera che di notte avvengano il 60% degli incidenti fatali, nonostante un traffico ridotto al 35%, è facile capire l'importanza che risiede nei dispositivi di illuminazione, unica arma contro il buio,

LE LAMPADE ALLO XENO
A cominciare la rivoluzione sono state le tedesche BMW e Mercedes che all'inizio degli anni Novanta hanno cominciato ad offrire come (costoso) optional le innovative lampade allo xeno. Essa appartiene alla famiglia delle lampade a scarica di gas: un bulbo di vetro che contiene un gas, in questo caso appunto lo xeno e piccole quantità di mercurio, e due elettrodi di tungsteno anziché il filamento. Concettualmente, assomigliano molto alle classiche lampade al neon. Tra gli elettrodi viene generato un arco elettrico, lungo pochi millimetri per focalizzare con precisione la luce; il mercurio è richiesto per la fase iniziale di accensione, ma è usato in quantità sempre minori a causa della sua tossicità.
Per innescare l'arco, la normale tensione di 12 Volt fornita dalla batteria dell'automobile non è sufficiente, poiché servono tensioni dell'ordine di migliaia di Volt (15-20 mila): per questo, è necessario un circuito elevatore di tensione per fornire alla lampada la tensione adeguata. Ciò rende, di fatto, impraticabile il montaggio di lampade allo xeno "after-market" su autovetture in cui il sistema non sia stato predisposto dall'origine. La luce emessa da una lampada allo xeno ha una tonalità molto chiara, simile alla luce del Sole, ed il fascio di luce risulta più largo e profondo (100 metri contro i 60 di una lampada alogena) rispetto ad un proiettore tradizionale. Inoltre, hanno una durata tale da non richiedere alcuna manutenzione durante la vita dell'automobile: attualmente un proiettore allo xeno ha una durata di circa 2.500 ore, quando mediamente le luci di una vettura sono in funzione per 1.500 ore.
All'inizio i proiettori allo xeno sono stati applicati alla sola luce anabbagliante, per poi diffondersi anche alle luci abbaglianti: il cosiddetto proiettore bi-xeno. Il passaggio tra le due modalità di illuminazione avviene tramite una calotta (ad esempio comandata da un dispositivo elettromagnetico), che permette di variare l'altezza del fascio luminoso. Sia le lampade alle xeno che quelle alogene possono essere dotate di una serie di dispositivi che "guidano" il fascio luminoso: livellamento dinamico e automatico per evitare di abbagliare i conducenti dalla direzione opposta e sistema di sterzatura (cornering) per illuminare meglio l'interno delle curve.
Nel caso di proiettori allo xeno (per cui ricordiamo che le normative prescrivono anche l'obbligo di installazione di un sistema di pulizia del proiettore), il livellamento automatico e dinamico (che sostituisce quello manuale tramite il regolatore posto sul quadro strumenti) è espressamente richiesto dalle normative di omologazione di molti Paesi: una serie di sensori montati sugli assali anteriore e posteriore "legge" le variazioni dell'assetto del veicolo dovuti ad accelerazioni, frenate ed al carico statico, e regola continuamente, tramite attuatori, l'inclinazione del fascio, mantenendolo sempre in condizione ottimale. Il sistema di sterzatura può essere realizzato tramite una lampada supplementare ellissoidale montata con un certo angolo, fisso nei casi più semplici o orientabile dinamicamente per quelli più complessi (in genere tra i 15° e i 35°), rispetto alla direzione di viaggio, e controllata via software. L'orientamento dinamico, presente sulle lampade allo xeno più complesse, consente di adattare la distribuzione di luce a differenti condizioni di guida (città, campagna, autostrada, traffico), per la guida a destra e a sinistra. Ad esempio, la guida in città richiede un fascio luminoso ampio e simmetrico, mentre in autostrada è preferibile avere un fascio più profondo.
Ma tutta questa tecnologia ha un costo (e salato): in caso di danneggiamento, un proiettore allo xeno non si può aggiustare e la sua sostituzione può costare centinaia euro, se non migliaia per il modelli top di gamma .

I PROIETTORI A LED
L'ultima frontiera dell'illuminotecnica, non solo nel campo automobilistico ma anche in quello civile e industriale, è costituita dai proiettori a LED. Il LED è l'acronimo di Light Emitting Diode, cioè Diodo ad Emissione di Luce. Ma cosa è un diodo? E' un componente elettronico costituito da un sottile strato materiale semiconduttore e dotato di un polo positivo e uno negativo. La sua caratteristica è quella di comportarsi come una sorta di "rubinetto": infatti consente il passaggio di corrente in una sola direzione, dal polo negativo a quello positivo, e di bloccarla nell'altra. Quando viene alimentato da una corrente, gli elettroni si muovono attraverso il materiale semiconduttore e durante il salto dal polo negativo a quello positivo, alcuni di loro "perdono" energia (in gergo si dice che cadono in uno stato energetico inferiore). La luce che emette il LED è proprio questa porzione di energia mancante, con un fascio estremamente collimato e molto concentrato in un solo punto. Utilizzando diversi semiconduttori, si ottengono una grande varietà di colori.
Rispetto ad una tradizionale lampada ad incandescenza, i LED offrono molteplici vantaggi: elevata affidabilità, lunga durata (fino a 100 volte di più), elevata efficienza e luminosità (quattro volte maggiore di quella delle lampade ad incandescenza e fluorescenza), basso consumo, miniaturizzazione, insensibilità a sollecitazioni meccaniche (non c'è un filamento incandescente), assenza di un complesso circuito di alimentazione (necessario per le lampade allo xeno). Tutte caratteristiche che ne hanno decretato il successo prima nell'elettronica (le varie spie colorate degli apparecchi elettronici che abbiamo in casa) e ora anche nel mondo dell'automobile. La prima applicazione su una vettura è di dieci anni fa, e non fu su una tedesca, come si è spesso portati ad immaginare, ma sull'italianissima Maserati 3200 GT: per lei, Giugiaro disegnò, come proiettori posteriori, due inconfondibili boomerang tempestati da piccoli punti di luce rossi. Negli ultimi anni, la diffusione delle luci a LED non riguarda solo le supercar, ma anche normali berline di classe media e compatte.
L'utilizzo dei LED per le luci posteriori ha anche importanti risvolti per la sicurezza: un LED, infatti, è capace di accendersi completamente in un millesimo di secondo, contro i 200 necessari ad una lampadina ad incandescenza. Ciò significa che seguendo una vettura dotata di stop a LED che effettua una brusca frenata, si può contare su qualche metro in più per fermarsi (circa 7 m a 130 km/h): la differenza tra un tamponamento e uno spavento.
I primi LED sviluppati per le automobili non fornivano sufficiente energia per poter essere impiegati come fari anteriori e venivano limitati ai fanali posteriori, ma i recenti sviluppi di questa tecnologia stanno consentendo una migrazione verso il frontale delle auto. E i designer ringraziano: non più vincolati dagli ingombri delle lampade e delle parabole dei tradizionali proiettori alogeni o allo xeno, essi possono sfruttare la compattezza e facilità di installazione dei LED per tracciare carrozzerie con linee più ardite. Come ulteriore contributo alla sicurezza, anche nell'improbabile caso di danneggiamento di un LED, la funzionalità di tutto il proiettore non risulta compromessa.
Per molte Case, Audi in testa, sono diventati un tratto distintivo ed una strategia di marketing: una sottile catena di minuscole luci, con un andamento ora rettilineo, ora sinuoso, ora a formare semplici figure geometriche, luminose e visibili anche in pieno giorno. Quest'ultima caratteristica rende i LED particolarmente indicati come soluzione per le luci diurne, che diverranno obbligatorie a partire dal 2010 su tutti i nuovi modelli. Luci che non serviranno ad illuminare la strada, ma solo a rendere il veicolo più visibile. Il LED, versatile, ma soprattutto dotato di una elevata efficienza che rende praticamente trascurabile l'assorbimento di energia elettrica (e quindi l'aumento del consumo), ben si adatta a questo scopo.
Proiettori a LED possono replicare le funzioni di sterzatura del fascio luminoso, in maniera molto semplice, senza bisogno di complessi sistemi meccanici. Utilizzando una griglia di LED fissati ad un circuito, si possono attivare individualmente i LED necessari per distribuire la luce nella direzione voluta e in tempo reale, oppure tutti insieme per illuminare un'ampia area di fronte al veicolo. Grazie ad una luce molto simile a quella del Sole, i guidatori hanno una migliore percezione della strada e degli ostacoli presenti. L'invasione dei LED sembra non fermarsi all'esterno delle automobili. Vari studi mostrano come le luci abbiano un impatto diretto sullo stato d'animo delle persone: la mancanza di luce, porta a minori motivazioni e prestazioni. Per questa ragione, una appropriata illuminazione dell'abitacolo può rendere più sicuri gli occupanti. La Mercedes Classe E è stata tra le prime vetture a sfruttare questi concetti: LED installati sulle portiere, nella zona dei piedi o nello specchietto retrovisore, generano una piacevole illuminazione diffusa che rende più sicura la guida notturna.

IL FUTURO
In un futuro ormai molto vicini, i fari, moderne torce, saranno affiancati da altri innovativi dispositivi, come le telecamere ad infrarosso, per rendere sempre più sicura la guida in tutte le condizioni ambientali: l'augurio è che queste nuove tecnologie, giocoforza appannaggio delle vetture di lusso al principio, possano diffondersi al più presto su una gamma di vetture più ampia possibile.

Autore: Alessio Ciarnella

Tag: Tecnica


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