Lampade a LED per la progettazione dell'illuminazione in aula per scuole e strutture educative

Il ruolo dell'illuminazione nell'acquisizione delle conoscenze e nel processo di apprendimento è fondamentale. Consente l'esplorazione visiva delle caratteristiche fisiche delle materie di studio, nonché la scoperta di concetti da visualizzazioni scritte e grafiche su carta, computer e proiezione. L'illuminazione crea anche la scena per l'ascolto, la comunicazione verbale, lo sviluppo delle abilità sociali e la comprensione delle situazioni. In quanto elemento critico del design che influenza notevolmente il modo in cui lo spazio soddisfa le esigenze di studenti e istruttori, l'illuminazione della classe dovrebbe supportare la salute, il benessere e le prestazioni fornendo un ambiente confortevole e attraente per studenti e istruttori. Oltre a migliorare la soddisfazione degli occupanti e supportare l'esperienza educativa all'interno dello spazio illuminato, l'illuminazione nelle scuole e nelle strutture educative dovrebbe essere fornita entro limiti severi del codice.

L'ambiente di apprendimento

Le strutture educative vanno dalle scuole primarie (elementari), alle scuole medie, superiori, alle università e ai college. Sebbene queste strutture abbiano diversi tipi di spazi, ciò che tutte hanno in comune è che la maggior parte delle attività di apprendimento e studio si svolge nelle aule. Un'aula polivalente ha una superficie di almeno 32 metri quadrati (350 piedi quadrati) e può ospitare da 20 a 75 studenti. Una tipica aula ha una pianta rettangolare che consente una visuale migliore rispetto a una pianta quadrata. Lo spazio didattico è progettato con linee di vista parallele alle finestre che forniscono l'ingresso di luce diurna (lucernaio) nello spazio e danno stimolazione sensoriale e contatto visivo con il mondo esterno. I mezzi di controllo come tende o persiane vengono utilizzati per ridurre la luminanza esterna in modo che siano in equilibrio con la luminanza interna o per eliminare la luce diurna quando non è necessaria. L'illuminazione laterale che utilizza la luce del giorno attraverso le finestre fornisce un'illuminazione generale per gran parte della giornata scolastica. Tuttavia, l'illuminazione artificiale gioca un ruolo chiave quando è necessario un ambiente visivo equilibrato, coerente e controllabile.

La disposizione di un'aula è generalmente suddivisa in una zona studente e una zona educatore. La zona studente richiede sempre un'illuminazione generale, mentre la zona educatore richiede un'illuminazione supplementare per fornire l'illuminazione verticale alle tavole didattiche e fornire una buona modellazione per le caratteristiche umane dell'istruttore. Lo strumento didattico più comune nelle classi sono le lavagne didattiche, che includono lavagne grigie e verdi (lavagne) e lavagne cancellabili a secco come lavagne bianche e grigie. Gli schermi video per la presentazione dei media proiettati vengono spesso utilizzati per le istruzioni al computer. Ciò richiede che l'illuminazione sullo schermo di proiezione sia ridotta al minimo mentre la luce ambientale sufficiente dovrebbe essere fornita sulla zona studente per prendere appunti. Un'aula può essere un ambiente computerizzato in cui la riduzione al minimo dei riflessi sullo schermo dei terminali video (VDT) sarà la preoccupazione principale. La leggibilità dello schermo può essere ridotta dalle immagini riflesse prodotte da apparecchi di illuminazione, finestre e superfici circostanti ad alta luminanza.

Considerazioni sulla progettazione illuminotecnica

L'illuminazione dell'aula può essere considerata di alta qualità se consente a studenti e istruttori di eseguire compiti visivi in ​​modo accurato e confortevole. Il fondamento della progettazione illuminotecnica è l'integrazione dei bisogni umani, dell'architettura, dell'economia e dell'ambiente. La priorità dell'illuminazione delle aule è soddisfare i bisogni umani come visibilità, prestazioni di compiti, comfort visivo, comunicazione sociale, salute, sicurezza e benessere. Questi diversi bisogni umani devono essere adeguatamente bilanciati per coltivare un ambiente di apprendimento stimolante, tenendo conto anche di considerazioni economiche, ambientali e architettoniche. Raggiungere un'illuminazione di qualità implica più che fornire illuminazioni adeguate per rendere visibile un determinato compito. Ci sono molti fattori che influenzano la capacità degli esseri umani di vedere ed eseguire compiti, i sette più importanti sono l'abbagliamento, l'uniformità dell'illuminamento, il contrasto della luminanza, lo sfarfallio, l'aspetto del colore, la modellazione di volti e oggetti e i riflessi velati.

Uniformità di illuminamento

L'illuminamento è la quantità di luce incidente su una superficie. Le attività e le applicazioni più comuni nelle classi richiedono un'illuminazione del desktop compresa tra 150 lx e 250 lx. L'illuminazione orizzontale uniforme nella zona dello studente elimina le ombre che influiscono sulla visibilità dell'attività e consente flessibilità nell'utilizzo dello spazio durante il riposizionamento delle posizioni delle attività. Nelle aule, in particolare nella zona educatore, sono molto importanti anche l'illuminamento verticale e l'illuminamento su altri piani tra l'orizzontale e il verticale. Il rapporto tra l'illuminamento minimo e l'illuminamento medio sulla superficie dell'attività, ad esempio l'illuminamento orizzontale sui desktop e l'illuminamento verticale sui banchi didattici non deve essere inferiore a 1:1,4.

Contrasto di luminanza

La luminanza è la quantità di luce proveniente da una superficie o da un punto. È una funzione dell'illuminamento e della riflettanza della superficie, il che significa che la luminanza può essere aumentata aumentando la quantità di luce che colpisce una superficie di lavoro o aumentando la riflettività della superficie. Per mantenere un contrasto accettabile per i segni di gesso, la riflettanza della lavagna deve essere mantenuta tra il 5% e il 20%. In confronto, una lavagna richiede il 70% di riflettanza per essere al centro dell'attenzione. La riflettanza delle superfici di lavoro (desktop) dovrebbe rientrare nell'intervallo dal 25% al ​​40% in modo da ottenere un equilibrio di luminanza confortevole. Pareti e soffitti sono solitamente dotati di finiture opache di colore chiaro. Creano inter-riflessioni di luce che possono assicurare un uso efficiente della luce per una migliore illuminazione orizzontale e verticale riducendo al minimo l'abbagliamento riflesso. L'occhio umano risponde alla luminanza, non all'illuminazione. È la luminanza che porta alla sensazione di luminosità. La capacità di vedere i dettagli è fortemente influenzata dal rapporto tra la luminanza di un oggetto e il suo immediato sfondo. Un contrasto appropriato tra i dettagli dell'attività e il suo sfondo può creare interesse visivo e fornire segnali visivi. Tuttavia, variazioni di luminanza troppo grandi creeranno difficoltà di adattamento e disagio visivo. Il limite superiore del rapporto di luminanza tra un'attività e l'ambiente circostante è 3:1 (ambiente più scuro) o 1:3 (ambiente più chiaro).

Aspetto del colore

Il colore è un elemento critico dell'illuminazione. Ha una relazione integrale con la luce in termini di effetti visivi, emotivi e biologici. La misura in cui le prestazioni visive, l'umore, l'atmosfera, la salute e il benessere sono influenzati dalla luce dipende dalla distribuzione della potenza spettrale (SPD) della luce emessa da una sorgente luminosa. Una sorgente luminosa può essere caratterizzata dalla sua temperatura di colore e dalle sue prestazioni di resa cromatica, entrambe determinate dall'SPD. L'aspetto del colore degli oggetti che non sono auto-luminosi è un prodotto dell'interazione tra l'SPD della sorgente luminosa e la funzione di riflettanza spettrale degli oggetti. Alcune aule potrebbero richiedere un'illuminazione che renda accuratamente i colori. La resa cromatica è solo un aspetto dell'illuminazione. È più importante esaminare una distribuzione spettrale della potenza della luce e comprendere intuitivamente come il colore della luce influenzerà il comportamento, la soddisfazione, le risposte psicologiche e la salute. Il colore delle sorgenti luminose, indipendentemente dal fatto che abbia un aspetto "caldo" o "freddo", ha effetti enormi sulla salute umana, sulla produttività e sul benessere.

Bagliore

L'abbagliamento si verifica quando le luminanze, o rapporti di luminanza, sono eccessivamente superiori alle luminanze o al rapporto di luminanza a cui sono adattati gli occhi. Le conseguenze dell'abbagliamento includono disabilità (riduzione della visibilità e delle prestazioni visive) e disagio (sgradevole sensazione di luminosità che non interferisce necessariamente con le prestazioni visive o la visibilità). L'abbagliamento può essere provocato dalla luce che raggiunge l'occhio direttamente da una sorgente luminosa (abbagliamento diretto) o causato da riflessi di alta luminanza da una superficie riflettente (abbagliamento riflesso). Le plafoniere possono essere assegnate a Unified Glare Rating (UGR) o Visual Comfort Probability (VCP) per prevedere l'abbagliamento fastidioso nelle applicazioni interne. Un UGR massimo di 19 o un VCP minimo di 70 è considerato accettabile per le attività di lettura, scrittura e computer. Quando si desidera un livello di comfort visivo più elevato, è necessario selezionare apparecchi con un UGR di 16 o un VCP di 80.

Sfarfallio

Lo sfarfallio è una modulazione di ampiezza della luce che distrae e ha una serie di conseguenze negative. Sia gli apparecchi fluorescenti che quelli a LED gestiti da alimentatori di scarsa qualità possono produrre il doppio della frequenza della linea elettrica (ad esempio, 120 Hz o 100 Hz). Lo sfarfallio è generalmente evidente a frequenze superiori a 70 Hz. Tuttavia, uno sfarfallio non percepibile dall'occhio umano può comunque produrre una risposta del sistema nervoso. Sia lo sfarfallio visibile che quello impercettibile sono preoccupanti. Variando da persona a persona, l'esposizione allo sfarfallio può causare affaticamento degli occhi, malessere, nausea, prestazioni visive ridotte, attacchi di panico, mal di testa, emicrania, crisi epilettiche ed evidenza di condizioni autistiche aggravanti. Nelle strutture educative in cui i bambini o i giovani soggiornano per un lungo periodo ogni giorno, dovrebbe essere esercitato un rigoroso controllo dello sfarfallio. Lo sfarfallio percentuale preferibilmente non dovrebbe superare il 4 percento a 120 Hz o il 3 percento a 100 Hz, il che è estremamente sicuro per tutte le popolazioni. Il valore massimo consentito 10 percento a 120 Hz o 8 percento a 100 Hz.

Riflessi velati

I riflessi velati sono macchie ad alta luminanza (immagini luminose di una sorgente luminosa) riflesse da superfici speculari come schermi di computer o materiali di lettura lucidi. I riflessi velati dalle sorgenti luminose primarie (vedove o apparecchi di illuminazione) o dalle sorgenti luminose secondarie (riflesse) riducono il contrasto di un'attività e oscurano i dettagli. Per garantire che nessuna sorgente luminosa crei riflessi speculari o diffusi negli occhi di una persona, disporre gli schermi dei computer in una posizione perpendicolare alla sorgente luminosa o specificare un apparecchio con una distribuzione della luce che abbia una luce minima emessa ad angoli problematici.

Modellazione di volti e oggetti

La modellazione del viso e degli oggetti è una considerazione importante per l'illuminazione nelle strutture educative. L'interazione di luci e ombre su un viso può aiutare la comunicazione insegnante-studente rendendo le labbra più facili da leggere e il gesto facciale più facile da interpretare. L'illuminazione può aggiungere forma e profondità a una scena visiva, rivelare la trama e i dettagli degli oggetti, creare uno schema desiderabile e far risaltare i punti salienti e gli interessi visivi. Una forte illuminazione direzionale può causare ombre profonde poco lusinghiere, mentre un'illuminazione estremamente diffusa fa apparire i volti o gli oggetti piatti o poco interessanti. È quindi auspicabile un corretto mix di illuminazione direzionale e diffusa.

Illuminazione generale

L'illuminazione generale è la principale fonte di illuminazione nelle aule. Fornisce allo spazio un'illuminazione generale, fungendo anche da fonte primaria di illuminazione per attività. L'illuminazione generale nelle aule può essere realizzata utilizzando sistemi di illuminazione a soffitto con distribuzione diretta, indiretta o combinata diretta/indiretta. L'illuminazione diretta fornisce luce ininterrotta dall'apparecchio di illuminazione a un piano operativo orizzontale. L'illuminazione indiretta distribuisce la luce verso un soffitto, che a sua volta riflette la luce verso il basso. L'illuminazione diretta/indiretta fornisce una distribuzione della luce sia verso il basso che verso l'alto. I sistemi di illuminazione diretta sono efficienti nel fornire luce, ma possono creare ombre dure, riflessi velati ed effetti visivi indesiderati come soffitti scuri e smerlo sulle superfici delle pareti superiori. Con l'illuminazione diretta ai soffitti, i sistemi di illuminazione indiretta distribuiscono uniformemente la luce a una luminanza eccessiva nel campo visivo. L'illuminazione indiretta, tuttavia, fa apparire uno spazio opaco e privo di punti salienti e interessi visivi. L'illuminazione diretta/indiretta combina i vantaggi dell'illuminazione diretta e indiretta per fornire distribuzioni luminose equilibrate per un migliore comfort visivo, un'illuminazione uniforme sulle superfici delle attività orizzontali e una maggiore impressione di spazio, prontezza e chiarezza visiva.

Nonostante la preoccupazione di produrre abbagliamento ed effetto grotta, l'illuminazione diretta è quasi una scelta universale nelle aule semplicemente perché la maggior parte degli spazi educativi ha un'altezza del soffitto bassa. L'illuminazione diretta è generalmente fornita sotto forma di illuminazione ad incasso, illuminazione a incasso o illuminazione a sospensione. Gli apparecchi a luce diretta possono essere progettati in varie forme e dimensioni. Nelle strutture scolastiche, gli apparecchi di illuminazione di uso comune sono i corpi illuminanti rettangolari progettati per l'installazione in soffitti a griglia e gli apparecchi di illuminazione lineare progettati per installazioni ad incasso, a superficie e ad incasso. I troffer sono disponibili sotto forma di troffer volumetrici, parabolici, diffusi/con lente e pannelli LED edge-lit. Le lampade lineari sono disponibili in sezioni di lunghezza standard, come sezioni da 4, 8 o 12 piedi, o in una configurazione a corsa continua.

Tecnologia di illuminazione

Negli ultimi decenni l'illuminazione delle aule e di altri spazi educativi è stata una provincia quasi esclusiva della tecnologia di illuminazione fluorescente. Una lampada fluorescente utilizza l'elettricità per eccitare i vapori di mercurio all'interno di un tubo di vetro. I vapori di mercurio si scaricano per emettere luce ultravioletta (UV) che poi fa diventare fluorescente un rivestimento di fosforo, producendo luce nello spettro visibile. Le lampade fluorescenti hanno ottenuto un uso diffuso grazie alla loro elevata efficienza luminosa, distribuzione luminosa diffusa e lunga durata. L'uso di lampade fluorescenti, tuttavia, è controverso. Le lampade fluorescenti presentano molti svantaggi come l'emissione di raggi ultravioletti, il lungo tempo di avvio, le interferenze radio, l'elevata fragilità, le distorsioni armoniche, la gamma limitata di temperature di esercizio e la durata della vita ridotta a causa delle frequenti commutazioni. Tuttavia, l'impatto più negativo dell'illuminazione fluorescente è che ha ridotto significativamente la qualità dell'illuminazione interna e ha posto rischi per la salute. Un'eccessiva attenzione all'efficienza luminosa ha causato la scarsa performance della maggior parte delle lampade fluorescenti nella riproduzione del colore e una temperatura del colore eccessivamente alta (6000 K - 6500 K) che potrebbe avere un effetto dirompente sul ritmo circadiano umano e ha sollevato la preoccupazione del pericolo di luce blu. Poiché una lampada fluorescente richiede un reattore per regolare la corrente erogata tramite gli elettrodi della lampada, sorge il problema dello sfarfallio. Quando si tratta di qualità della luce, l'illuminazione fluorescente è un inizio particolarmente negativo nella storia dell'illuminazione artificiale per gli spazi interni.

L'illuminazione a stato solido basata sulla tecnologia dei diodi a emissione di luce (LED) sta rapidamente guadagnando popolarità. I LED sono diventati la fonte di luce predominante per ogni applicazione di illuminazione immaginabile. Un LED è un dispositivo a semiconduttore che converte l'energia elettrica direttamente in fotoni. Il dispositivo a semiconduttore ha una giunzione pn formata da strati drogati in modo opposto di un materiale semiconduttore come il nitruro di indio gallio (InGaN). Quando la giunzione pn è polarizzata in avanti, elettroni e lacune vengono iniettati nella regione attiva e si ricombinano per generare luce. La tecnologia LED ha affrontato molti degli inconvenienti delle tecnologie convenzionali e offre la promessa di elevata efficienza, lunga durata, elevata versatilità spettrale, eccezionale controllabilità (on/off/dim), elevata flessibilità nel design ottico ed elevata resistenza a urti e vibrazioni. I LED producono potenza radiante solo nello spettro visibile (tipicamente da 400 a 700 nm). L'assenza di radiazioni ultraviolette (UV) e infrarosse (IR) rende questa tecnologia particolarmente adatta per l'uso da parte di persone con una sensibilità specifica o in situazioni in cui la radiazione ottica proveniente da sorgenti luminose tradizionali rappresenterebbe un rischio per l'uomo.

Lampade a LED

La lunga durata e l'elevata efficienza energetica sono i vantaggi distintivi dei LED. Ciò porta a un malinteso comune sul fatto che la lunga durata e l'elevata efficienza luminosa dei sistemi di illuminazione a LED siano una cosa ovvia. Un apparecchio fluorescente utilizza una serie di lampade, ad esempio, la lineare T5 (5/8 di pollice di diametro), T8 (1 pollice di diametro) e la T12 (11/2 di pollice di diametro), standardizzate in tutto il settore e tra produttori con durate simili , emissioni luminose e mantenimento dei lumen. L'apparecchio funge fondamentalmente da telaio di montaggio per le lampade e fornisce un controllo limitato della distribuzione della luce. Al contrario, un apparecchio di illuminazione a LED è generalmente un sistema altamente ingegnerizzato che integra olisticamente i LED con sottosistemi termici, elettrici e ottici per fornire un prodotto accettabile. L'efficacia del sistema e la vita operativa di un apparecchio a LED dipendono in gran parte dalla progettazione e dalla costruzione del sistema. La durata di un apparecchio a LED si basa sulla prima volta che l'apparecchio necessita di manutenzione, che sarebbe probabilmente dovuto a deprecazione del lumen, cambiamento di colore, malfunzionamento o persino guasti improvvisi dei driver LED.

I LED sono la sorgente luminosa più efficiente disponibile oggi. Tuttavia, ancora più della metà della potenza elettrica fornita ai LED viene convertita in calore. A differenza delle lampade a incandescenza e alogene che irradiano calore dalle lampade sotto forma di energia infrarossa, il calore generato dai LED è intrappolato all'interno dei pacchetti di semiconduttori e deve essere dissipato attraverso l'apparecchio stesso. L'accumulo di calore in eccesso all'interno dei LED può accelerare il processo di degradazione del chip, del fosforo e dei materiali di imballaggio. È stato dimostrato che temperature di giunzione elevate causano molti meccanismi di guasto come la nucleazione e la crescita di dislocazioni nella regione attiva del diodo, la degradazione dell'efficienza quantistica del fosforo e lo scolorimento degli alloggiamenti incapsulanti e di plastica. Pertanto, un'efficace gestione termica è fondamentale per far funzionare i LED in base alla loro durata nominale. Il design termico è la parte più importante del design degli apparecchi di illuminazione. Tutti i materiali e i componenti nel percorso termico dal semiconduttore all'ambiente attraverso il circuito stampato (PCB) devono avere una bassa resistenza termica. L'efficacia di un progetto termico dipende essenzialmente dalla capacità del dissipatore di calore di dissipare il calore attraverso la conduzione termica e la convezione. Le plafoniere come i troffer e le pendenti lineari forniscono in genere un volume sufficiente per creare un'adeguata superficie che faciliti lo scambio di calore.

Il più delle volte, il punto di guasto o malfunzionamento in un sistema LED è il driver LED. Poiché i LED sono sensibili anche a variazioni minime di corrente e tensione, i circuiti del driver LED devono essere configurati per regolare l'uscita a una corrente costante sotto tensione di alimentazione o variazioni di carico. Anche il funzionamento dei LED con una corrente di pilotaggio adeguata fa parte della gestione termica. L'overdrive di ciò per cui un LED è classificato aumenterà la temperatura di giunzione e ridurrà l'efficienza quantistica interna dei LED. Le metriche chiave delle prestazioni dei driver si concentrano sulla loro capacità di regolare la potenza di un LED o di una o più stringhe di LED in modo appropriato ed efficiente, fornendo al contempo un elevato fattore di potenza e una bassa distorsione armonica totale (THD) su un ampio intervallo di tensione di ingresso . Il driver deve inoltre fornire funzioni di protezione contro sovraccarico, condizioni di cortocircuito e aperto, nonché soppressione della tensione transitoria e protezione intelligente da sovratemperatura. Tuttavia, alcuni produttori di illuminazione hanno tagliato i costi inesorabilmente sottodimensionando i circuiti di pilotaggio. Ciò non solo compromette l'affidabilità del circuito di pilotaggio, ma rende anche lo sfarfallio un problema perché i driver a basso costo spesso forniscono una soppressione incompleta dell'ondulazione. È generalmente inaccettabile che il valore dell'ondulazione della corrente di uscita superi il ±10 percento.

Il design ottico diventa una priorità assoluta nella progettazione di sistemi LED. L'illuminazione uniforme su una vasta area o su un piano operativo richiede l'uso di un gran numero di LED di media potenza. L'emissione ad alta intensità di queste sorgenti luminose in miniatura rende la mitigazione dell'abbagliamento una precedenza. Gli apparecchi a LED sono disponibili in una varietà di caratteristiche di distribuzione che si ottengono utilizzando componenti ottici come diffusori, lenti, riflettori e feritoie. L'abbagliamento diretto dei LED può essere mitigato diffondendo la luminosità su ampie superfici. Lenti che incorporano una serie di piccoli prismi possono ridurre la luminanza dell'apparecchio ad angoli di visuale prossimi all'orizzontale. La riflessione è una tecnica comunemente usata per regolare il flusso luminoso dei LED. I troffer volumetrici sono un tipo di apparecchi di illuminazione "a riflessione diretta" che riflettono la luce dalla superficie interna di un alloggiamento da incasso, mentre i moduli LED che emettono luce verso l'alto sono schermati o oscurati in cestelli di metallo supportati da acrilico diffuso. Le luci del pannello a LED edge-lit iniettano la luce in una piastra guida luminosa (LGP) che quindi distribuisce la luce in modo uniforme verso un diffusore attraverso la riflessione interna totale (TIR). La capacità di fornire un'illuminazione uniforme senza creare una luminanza eccessivamente elevata rende questi apparecchi da incasso un cavallo di battaglia nelle strutture educative.

Resa cromatica

Come per l'illuminazione fluorescente, il compromesso tra qualità del colore ed efficacia luminosa è rimasto nell'era dell'illuminazione a LED. I LED bianchi sono generalmente LED convertiti in fosforo che utilizzano la luce a lunghezza d'onda corta emessa dai die LED per pompare fosfori (materiali luminescenti). La maggior parte dei LED convertiti al fosforo sono LED blu a pompa che convertono parzialmente l'elettroluminescenza. Un LED a pompa blu ad alta resa cromatica richiede che una porzione molto ampia di luce emessa a lunghezza d'onda corta sia convertita in basso. Questo processo di conversione della luce della pompa in luce al fosforo (fotoluminescenza) comporta una grande quantità di perdita di energia di Stokes. La conversione dell'efficacia luminosa della radiazione (LER) da parte della sensibilità dell'occhio è inefficiente rispetto alla distribuzione spettrale della luce a lunghezza d'onda maggiore. Quando si combinano questi effetti, l'efficacia luminosa dei LED ad alta resa cromatica che hanno un SPD distribuito in modo più uniforme in tutto lo spettro visibile è relativamente bassa rispetto ai LED a bassa resa cromatica che sono sovrasaturati nelle lunghezze d'onda blu e verde.

Come risultato dell'orientamento verso un'illuminazione ad alta efficienza e della riduzione dei costi, la maggior parte degli apparecchi di illuminazione a LED utilizzati nelle strutture educative incorporano LED con un indice di resa cromatica (CRI) di 80, che è accettabile (ma tutt'altro che buono). In particolare, la luce emessa da questi apparecchi è carente di lunghezze d'onda che rendono i colori saturi. Affinché un'aula abbia una sensazione piacevole e che i colori appaiano naturali, la sorgente luminosa deve essere in grado di attivare una risposta visiva a tutte le lunghezze d'onda dello spettro visibile. Le strutture educative meritano un'illuminazione con un'elevata qualità del colore, ad esempio un CRI di 90. Mentre i LED a pompa blu possono essere progettati per fornire una resa cromatica superiore, i LED a pompa viola sono stati sviluppati specificamente per produrre luce bianca ad ampio spettro che fornisce una potenza radiante abbastanza ampia lo spettro visibile.

La scienza dietro il colore della luce

La temperatura di colore correlata (CCT) di una sorgente luminosa ha lo scopo di caratterizzare il colore della luce (ad esempio, calda o fredda). La luce bianca che mostra un tono caldo ha un CCT nella gamma da 2700 K a 3200 K. La luce bianca con una CCT nell'intervallo da 3500 K a 4100 K è comunemente indicata come avente un aspetto "bianco neutro". La luce bianca con una CCT superiore a 4100 K è indicata come avente un aspetto "bianco freddo". Non tutta la luce bianca è uguale, se l'aspetto della luce bianca è caldo o freddo non solo influenza visivamente la nostra percezione ed influenza emotivamente il nostro umore, ma ha anche effetti su una serie di risposte neuroendocrine e neurocomportamentali. Generalmente, il bianco più freddo corrisponde a una percentuale relativamente alta di luce blu nello spettro e il bianco caldo indica una componente blu bassa nello spettro.

La ricerca ha determinato che la luce blu può stimolare i fotorecettori delle cellule gangliari della retina (ipRGC) intrinsecamente fotosensibili nello strato delle cellule gangliari della retina. Gli ipRGC trasducono la luce in segnali neurali per l'orologio biologico. L'orologio biologico situato nei nuclei soprachiasmatici (SCN) regola quindi la temperatura corporea e rilascia gli ormoni endocrini, come la melatonina e il cortisolo. Una dose sufficientemente alta di luce blu bioattiva attiverà l'orologio biologico principale per programmare il corpo umano per la modalità giorno. È stato scoperto che l'esposizione alle radiazioni blu stimola la produzione di ormoni come il cortisolo per la risposta allo stress e la vigilanza; serotonina per il controllo degli impulsi e il desiderio di carboidrati; e dopamina per piacere, vigilanza e coordinazione muscolare. Mentre si simula una risposta fisiologica diurna, l'esposizione alla luce blu bioattiva si traduce anche nella soppressione dell'ormone melatonina che promuove il sonno. Poiché supporta la concentrazione, la prontezza e le prestazioni, durante le ore di apprendimento viene spesso utilizzata una luce bianca brillante con elevate componenti blu.

Tipicamente, per l'illuminazione diurna negli spazi didattici viene scelta una luce bianca fredda con un CCT di circa 4100 K. La CCT massima per l'illuminazione di interni in generale non deve superare i 5400 K, che è la temperatura di colore apparente della luce solare diretta dall'alto. Tuttavia, l'introduzione dell'illuminazione fluorescente ha accompagnato un forte aumento delle temperature di colore per l'illuminazione interna. Le sorgenti luminose che producono luce bianca con lunghezze d'onda accumulate all'estremità blu dello spettro hanno la massima efficacia luminosa grazie alla minima fotoluminescenza coinvolta e all'elevata sensibilità oculare su questa banda spettrale. Ciò rende i CCT nella gamma da 6000 K a 6500 K una scelta comune per l'illuminazione didattica. Tuttavia, la radiazione ottica con un CCT così elevato appare dura e spesso causa una distorsione del colore a causa delle lunghezze d'onda mancanti per il rendering dei colori saturi. Soprattutto, l'esposizione alle radiazioni blu a una dose estremamente elevata durante il giorno può sovraccaricare il corpo umano e rendere difficile il mantenimento di ritmi circadiani regolari.

Gli studenti di solito continuano a ricevere radiazioni blu ad alta intensità durante le ore di allenamento notturno, il che si traduce in una soppressione impropria della melatonina la sera. Il rilascio notturno di melatonina dalle 21:00 alle 07:30 è un meccanismo protettivo vitale che supporta la rigenerazione essenziale e sopprime lo sviluppo delle cellule tumorali nel nostro corpo. La sera, almeno due ore prima di coricarsi, dovrebbero essere evitati CCT elevati e illuminazione ad alta intensità. Livelli modesti di luce bianca calda, definiti come 60 lux, sono sufficienti per compiti visivi minori senza interruzione circadiana.

Illuminazione bianca regolabile

Gli effetti dell'illuminazione sulla salute umana, sul benessere e sulle prestazioni hanno spinto l'industria dell'illuminazione a sviluppare una soluzione in grado di evocare particolari risposte biologiche umane per una maggiore concentrazione, vigilanza e prestazioni, supportando al contempo un ritmo circadiano favorevole. L'illuminazione Tunable White consente la modulazione della temperatura colore della luce bianca, con intensità luminosa controllata in modo indipendente. Questa tecnologia consente di fornire uno schema di illuminazione dinamico durante il giorno e consente di adattare l'illuminazione alle esigenze di vari gruppi target. L'illuminazione Tunable White basata sulla tecnologia LED è la forza trainante dietro l'implementazione accelerata dell'illuminazione incentrata sull'uomo (HCL). L'illuminazione incentrata sull'uomo è progettata per rafforzare il ritmo circadiano del corpo e il ciclo naturale delle funzioni biologiche. Fornisce il controllo consapevole dei processi ormonali e dell'ambiente di apprendimento attraverso una progettazione olistica degli effetti visivi, biologici ed emotivi della luce. La quantità e lo spettro dell'illuminazione interna possono essere regolati per riflettere le caratteristiche della luce naturale nel corso della giornata.

Sicurezza fotobiologica

Gli esperti di poltrone hanno fatto storie sul pericolo della luce blu dell'illuminazione a LED. Affermano che i LED blu della pompa contengono porzioni più elevate di lunghezze d'onda blu e quindi hanno un potenziale maggiore rispetto ad altri tipi di sorgenti luminose di rappresentare un rischio per la luce blu. Il pericolo di luce blu è una lesione retinica indotta fotochimicamente causata dall'esposizione alle radiazioni a lunghezze d'onda principalmente comprese tra 400 nm e 500 nm. Solo perché i LED bianchi utilizzano emettitori blu per pompare verso il basso i convertitori di fosforo e potrebbe esserci un distinto picco blu nei loro SPD, ciò non significa necessariamente che i LED abbiano un potenziale maggiore di causare danni fotochimici della retina. La luce bianca di diverse apparenze di colore è fondamentalmente il risultato di diverse combinazioni di lunghezze d'onda lunghe e corte. Esiste una forte correlazione tra CCT e contenuto di luce blu indipendentemente da quale luce bianca viene emessa. La funzione di ponderazione del rischio della luce blu si estende su un intervallo di lunghezze d'onda. È importante considerare la gamma di radiazioni pericolose, piuttosto che qualsiasi picco locale. La quantità totale di lunghezze d'onda blu nella composizione spettrale della luce emessa dai LED è generalmente la stessa della luce emessa da qualsiasi altra sorgente luminosa alla stessa temperatura di colore.

Per ribadire: i LED non sono fondamentalmente diversi dalle sorgenti luminose che utilizzano le tecnologie tradizionali quando si tratta di sicurezza fotobiologica. Ciò che dovrebbe essere incolpato è l'uso di CCT estremamente elevati nell'illuminazione interna. La luce bianca con una CCT superiore a 6000 K contiene una quantità significativa di luce blu ed è più probabile che causi un danno fotochimico della retina rispetto alla luce bianca emessa da sorgenti luminose a bassa CCT. L'illuminamento soglia per la classificazione del gruppo di rischio come RG2 o superiore è 1000 lux per una sorgente luminosa con una CCT di 6000 K, 1600 lux per una sorgente luminosa con una CCT di 4000 K e 3200 lux per una sorgente luminosa con una CCT di 2700 K. Tuttavia, una classificazione del rischio di luce blu del gruppo di rischio 2 e 3 è molto improbabile per tutti i tipi di sorgenti di luce bianca semplicemente perché l'illuminamento massimo per applicazioni didattiche raramente supera i 300 lux. È importante sottolineare che un prodotto deve anche superare la soglia affinché le condizioni di luminanza siano considerate pericolose (10 mcd/k2 a 6000 K, 16 mcd/k2 a 4000 K, 30 mcd/k2 a 2700 K per il gruppo di rischio 2). Anche quando c'è un pericolo dal gruppo di rischio 2 o 3, le reazioni di avversione degli esseri umani mitigheranno il pericolo, quindi il pericolo della luce blu non è motivo di preoccupazione per le persone.

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