Por Adam Kimmel para a Mouser Electronics
Editado em 16 de julho de 2020 (publicado em 21 de abril de 2020) – Traduzido em outubro de 2021 com permissão da Mouser para o INCB
Introdução
O ciclo "circadiano", denominado em latim circa dies (cerca do dia), faz referência à tendência natural do corpo humano para os padrões de alerta e sonolência que se repetem aproximadamente nas mesmas vezes a cada dia. O ciclo é influenciado pela regularidade do sono, consistência de atividades / comportamentos e condições de luz e escuridão. As interrupções no padrão de sono perturbam o ritmo circadiano do corpo, levando a um maior cansaço ao longo do dia. Embora os humanos não consigam sincronizar praticamente todos os dias em seu ritmo natural, o uso de iluminação circadiana ajuda a redefinir um ciclo interrompido para a frequência natural.
A iluminação circadiana adapta dinamicamente a intensidade e a cor da luz ao longo do dia para se adaptar ao ritmo circadiano humano. Essa flexibilidade reduz a interferência induzida por outros fatores prejudiciais. Esses benefícios são as principais motivações por trás da adoção da iluminação circadiana pela indústria médica para melhorar a experiência do paciente para recém-nascidos, pacientes com cuidados de longa duração e pacientes com longas recuperações cirúrgicas.
Vários mecanismos controlam as várias configurações da iluminação circadiana. Os fornecedores de componentes de LED alavancaram essas alavancas e melhoraram o controle e a confiabilidade das fontes de iluminação. Os engenheiros espectrais introduziram recursos inovadores que criam as fases do ciclo circadiano em um único componente. Essas fases simulam a condição do sol ao longo do dia e seu brilho durante os períodos de alerta alto e baixo. Aqui, vamos revisar os mecanismos de controle usados para produzir iluminação circadiana e um estudo de como a engenharia espectral de LED permite todo o ciclo dentro de um componente individual.
Mecanismos de Controle
Temperatura de cor, ajuste e renderização
A relação entre a temperatura e o comprimento de onda determina o padrão da luz circadiana. Lâmpadas incandescentes com um filamento de tungstênio padrão fornecem a base para a tabela de cores da luz, que define a gama de cores da luz circadiana.
A cor da luz varia de quente a fria, embora as cores “frias” (azuis) se correlacionem com temperaturas mais altas, 6000K-7000K. Cores quentes (laranjas e amarelos) correspondem a valores de temperatura mais baixos, em torno de 3000K-4000K. A razão para isso é a relação inversa entre o comprimento de onda em que um corpo negro emite mais luz e sua temperatura (Figura 1). As temperaturas mais altas das cores azuis da luz do dia carregam os comprimentos de onda visíveis mais curtos; laranjas e amarelos têm os mais longos.
Com essas relações em mente, a luz circadiana usa a temperatura do filamento para calibrar a cor e a intensidade para a hora desejada do dia, dependendo da região geográfica. Geralmente, a temperatura da cor aumenta no meio das horas do dia, atinge o pico ao meio-dia e diminui durante o resto do dia. A renderização de cores, um processo que ajusta o artigo de teste a uma fonte de corpo negro (abaixo de 5000K), verifica se a temperatura do filamento corresponde à cor desejada para a hora do dia correspondente.
Relação de contraste e ajuste de luz do dia
Uma comparação da cor mais alta com a mais baixa de uma determinada fonte, a taxa de contraste define os pontos inicial e final da escala de iluminação circadiana. Acender a sequência de luzes para corresponder às condições ambientais e se adaptar à época do ano e ao horário de verão, correlacionando com a resposta humana típica ao longo do dia. Este processo é o método de como a iluminação circadiana sincroniza a pessoa com um ciclo de 24 horas.
Ajuste de intensidade, brilho/escurecimento e ajuste de estímulo
O ajuste de intensidade é uma abordagem mais direta para o ajuste de cor ou luz do dia. Aqui, a cor do filamento permanece constante e a intensidade da luz é aumentada e diminuída por meio de etapas de escurecimento prescritas. Assim como a temperatura aumenta à medida que a hora se aproxima do meio-dia com o ajuste de cor, o escurecimento diminui próximo ao meio-dia, emitindo uma quantidade maior de luz. A combinação de intensidade e ajuste de cor cria um padrão de luz natural personalizado que os engenheiros otimizam para o ciclo circadiano.
LEDs e densidade de potência espectral (SPD)
Os LEDs são muito mais fáceis de controlar do que as lâmpadas incandescentes e permitem que a engenharia espectral incorpore o comportamento de um sistema de iluminação circadiano em um único componente. Até 80 por cento mais eficiente em termos de energia do que lâmpadas incandescentes, a temperatura de radiação de pico para uma determinada cor é ligeiramente mais baixa em LEDs por causa de uma porcentagem maior de entrada sendo convertida em luz. A Figura 2 correlaciona a temperatura de cor de um LED com a de uma lâmpada incandescente tradicional:
Os engenheiros usam a densidade de potência espectral (SPD) para controlar a intensidade da luz em determinados comprimentos de onda ao longo do ciclo circadiano. A Figura 3 abaixo correlaciona o comprimento de onda a vários horários do dia.
A partir da imagem do comprimento de onda na Figura 3, o sistema de iluminação circadiano ideal teria as intensidades mais altas nos comprimentos de onda mais curtos (450nm-475nm) por volta do meio-dia, quando o usuário precisa estar alerta. O sistema teria a maior intensidade nos comprimentos de onda mais longos (600 + nm) enquanto o usuário dorme.
Os engenheiros podem ajustar os LEDs para uma temperatura de cor específica com muito mais precisão do que com soluções de iluminação tradicionais. Esse recurso abre a oportunidade para um único dispositivo inteligente que os designers de iluminação podem programar para os horários desejados do dia. Um sensor pode capturar o estado da iluminação externa e transmitir essa informação ao controlador, que então ajusta o LED para a temperatura determinada. Várias lâmpadas que operam durante as diferentes partes do dia podem ser ligadas ou desligadas após receber o sinal do sensor. A capacidade de controle do LED garante que ele forneça a temperatura de cor para a qual foi programado com precisão.
Conclusão
As condições ambientais afetam a resposta humana. O corpo emite cortisol quando acordado e melatonina quando dorme. Esses produtos químicos são a forma do corpo regular como gastar sua energia. No entanto, a vida diária, as programações e os hábitos sociais das pessoas às vezes interrompem o desejo natural do corpo de seguir o ciclo circadiano.
A iluminação circadiana está ganhando popularidade em aplicações médicas, como internação hospitalar, recém-nascidos e cuidados de longa duração, como uma forma de neutralizar essa tendência social negativa. A programação de padrões de iluminação interna realinha o ciclo humano ao ciclo diário natural definido pelo sol. Esta etapa permite ao usuário reequilibrar a liberação de substâncias químicas no corpo e melhorar o prazer que sente em cada fase, ajudando o corpo a sentir-se melhor ao longo do dia.
O uso de LEDs e engenharia espectral para adaptar o ciclo de iluminação circadiano ao padrão solar natural melhora significativamente a resposta humana. Com a adição de sensores, o dispositivo contém mais funcionalidades do sistema, reduzindo o número de componentes, tamanho, e pode ser mais bem escondido do usuário. Incorporar tecnologia inteligente ao dispositivo permitiria à solução de iluminação circadiana aprender o padrão do usuário e individualizar a experiência ainda mais com menos operação manual. Em última análise, o controle aprimorado, a tecnologia inteligente, as opções de cores e a inclusão de sensores ajudarão os engenheiros espectrais a inovar uma nova plataforma de luzes circadianas.
Biografia do autor
Adam Kimmel tem quase 20 anos como engenheiro, gerente de P&D e redator de conteúdo de engenharia. Ele cria white papers, cópias de sites, estudos de caso e postagens em blogs em mercados verticais, incluindo automotivo, industrial / manufatura, tecnologia e eletrônicos. Adam é formado em Engenharia Química e Mecânica e é o fundador e Diretor da ASK Consulting Solutions, LLC, uma empresa de redação de conteúdo de engenharia e tecnologia.
