IT202000023632A1 - Unità e metodo di alimentazione per dispositivi di illuminazione a led - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

annessa a domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo:

UNIT? E METODO DI ALIMENTAZIONE PER DISPOSITIVI DI ILLUMINAZIONE A LED

DESCRIZIONE

La presente invenzione ha per oggetto sia una unit? di alimentazione per dispositivi di illuminazione a led, sia un dispositivo di illuminazione che la comprende, sia un metodo per alimentare dispositivi di illuminazione a led. Come ? noto, negli ultimi anni i dispositivi di illuminazione a led hanno avuto una notevole diffusione che li ha portati a sostituire non solo le tradizionali lampade ad incandescenza, ma anche le precedenti lampade a basso consumo. Questo ? stato dovuto ai consumi estremamente ridotti che, a parit? di capacit? illuminante, tali dispositivi presentano rispetto ai dispositivi di illuminazione tradizionali.

Nelle applicazioni pi? comuni e di bassa potenza, l?alimentazione dei dispositivi di illuminazione a led ? generalmente garantita da un generatore di corrente continua, e la potenza elettrica assorbita dal dispositivo di illuminazione ? pari al prodotto della tensione di alimentazione per la corrente continua assorbita.

Sebbene questa soluzione estremamente semplice gi? permetta di ridurre notevolmente i consumi rispetto ad una tradizionale lampada a incandescenza, nel tempo sono state sviluppate numerose soluzioni volte a ridurre ulteriormente i consumi energetici di un dispositivo di illuminazione a led.

In particolare, sono state proposte varie soluzioni realizzative che prevedono una alimentazione impulsata dei led. Alla base di questa scelta vi ? una doppia considerazione. Da un lato, la commutazione di un led tra acceso e spento pu? avvenire in tempi estremamente bassi; in particolare, il tempo di salita della luce ad ogni accensione di un led ? dell?ordine dei nanosecondi. Dall?altro lato, sia per l?occhio umano, sia per la fotosintesi dei vegetali, l?effetto di un impulso luminoso prosegue per un certo tempo dopo la fine dell?impulso luminoso; sia l?occhio umano che il sistema di fotosintesi dei vegetali si comportano come integratori. In altri termini, sia l?occhio umano, sia i vegetali ?ricordano? per un certo tempo un impulso luminoso dopo che questo ? terminato; questo ?ricordo? decade esponenzialmente con una costante di tempo dell?ordine dei decimi di secondo. Di conseguenza, a fronte di una attivazione impulsata dei led con frequenza sufficientemente elevata, sia l?occhio umano, sia le cellule vegetali responsabili della fotosintesi, percepiscono un impulso luminoso sostanzialmente continuo.

Alcuni esempi di alimentazione impulsata dei led sono descritti nei seguenti documenti brevettuali: FR 2711884, US 5850126, US 6329760, WO 200065880, EP 1304907, WO 200615476, US 20090015169, US 20090251071, WO 2009157763, WO 201121932, WO 201157682 e EP 2365734.

Nonostante le soluzioni gi? proposte nel corso degli anni, l?esigenza di abbattere sempre di pi? i consumi elettrici, a parit? di capacit? illuminante, ? oggi ancora fortemente sentita.

In questo contesto il compito tecnico alla base della presente invenzione ? mettere a punto una unit? di alimentazione e un metodo di alimentazione per dispositivi di illuminazione a led che permettano di ridurre i consumi energetici rispetto ai dispositivi di illuminazione equivalenti oggi sul mercato. Il compito tecnico ? sostanzialmente raggiunto da una unit? di alimentazione per dispositivi di illuminazione a led, da un dispositivo di illuminazione che la comprende e da un metodo per alimentare un dispositivo di illuminazione, in accordo con quanto descritto nelle unite rivendicazioni indipendenti.

Ulteriori caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente evidenti dalla descrizione dettagliata di alcune forme di esecuzione preferite, ma non esclusive, illustrate con riferimento agli uniti disegni, in cui:

- le figure da 1 a 3 mostrano, complessivamente, uno schema circuitale di un dispositivo di illuminazione a led in accordo con la presente invenzione; pi? in dettaglio, la parte dello schema di figura 1 ? collegata a quella di figura 2 in corrispondenza del simbolo (A), mentre la parte dello schema di figura 2 ? collegata a quella di figura 3 in corrispondenza del simbolo (B); - le figure da 4 a 6 mostrano, schematicamente e qualitativamente, l?andamento del segnale in corrispondenza di vari punti del dispositivo delle figure da 1 a 3;

- la figura 7 ? un grafico che mostra l?andamento del flusso luminoso relativo (espresso in % in ordinata), in funzione della corrente che attraversa, riferito ai led utilizzati nell?esempio realizzativo della presente invenzione;

- la figura 8 ? un grafico che riporta l?andamento del flusso luminoso misurato nel tempo, con riferimento ad un prototipo di lampada realizzato in accordo con la presente invenzione; e

- la figura 9 ? un grafico che riporta l?andamento del flusso luminoso misurato nel tempo, con riferimento ad una lampada a led commerciale, ove la scala degli assi ? la stessa della figura 8.

Con riferimento alle figure citate ? stato complessivamente indicato con il numero di riferimento 1 un dispositivo di illuminazione secondo la presente invenzione, il cui schema circuitale, come detto, ? ottenibile dall?unione delle figure da 1 a 3.

In generale, in accordo con la presente invenzione, il dispositivo di illuminazione 1 comprende una unit? di alimentazione 2, collegata a una pluralit? di elementi illuminanti 3 ciascuno dei quali ? attivabile indipendentemente dagli altri elementi illuminanti 3. ? oggetto della presente invenzione anche l?unit? di alimentazione 2 considerata di per s?. La figura 1 rappresenta la parte dell?unit? di alimentazione 2 del circuito che genera un segnale di CLOCK, mentre la figura 2 rappresenta la parte dell?unit? di alimentazione 2 che, a partire dal segnale di CLOCK, genera una pluralit? di segnali di attivazione, ove ciascun segnale di attivazione ? destinato ad un diverso elemento illuminante 3. La figura 3, infine, mostra la parte del circuito che corrisponde ad un elemento illuminante 3, insieme agli stadi finali dell?unit? di alimentazione 2, che generano il segnale di attivazione per quell?elemento illuminante 3.

Ai fini della presente descrizione, con la definizione elemento illuminante 3 si intende genericamente identificare il gruppo 4 di tutti i led 5 che possono essere attivati insieme, indipendentemente dal fatto che essi siano fisicamente vicini, o inseriti in una stessa lampada, o meno.

A seconda delle scelte progettuali, la presente invenzione pu? infatti trovare applicazione sia nel caso in cui gli elementi illuminanti 3 siano inseriti tutti all?interno di un?unica lampada, sia nel caso in cui siano inseriti in corpi illuminanti distinti.

In accordo con la presente invenzione, il gruppo 4 di led 5 che ? parte di un elemento illuminante 3, pu? comprendere uno o pi? insiemi 6 di led 5 che possono essere elettricamente collegati tra loro in serie e/o in parallelo. A propria volta ciascun insieme di led 5 comprende una pluralit? di led 5 che possono essere elettricamente collegati tra loro in serie e/o in parallelo. Nell?esempio rappresentato in figura 3, il gruppo 4 di led 5 complessivamente comprende quattordici led 5, suddivisi in due insiemi 6 da sette led 5 ciascuno, elettricamente collegati in parallelo. I led 5 di ciascun insieme sono invece elettricamente collegati tra loro in serie.

L?unit? di alimentazione 2 comprende innanzitutto una pluralit? di uscite di alimentazione 7 comandabili selettivamente. Ciascuna uscita di alimentazione 7 ? configurata per essere collegata ad un distinto elemento illuminante 3 attivabile indipendentemente dagli altri.

In accordo con il principale aspetto innovativo della presente invenzione, l?unit? di alimentazione 2 ? configurata innanzitutto per alimentare i diversi elementi illuminanti 3 uno alla volta in successione, e ciascuno con una frequenza principale sufficientemente elevata affinch? l?occhio umano (e le cellule vegetali) percepiscano una illuminazione continua, e, in secondo luogo, per alimentare ogni volta ciascun elemento illuminante 3, non con un singolo impulso di corrente di durata determinata dalla frequenza principale, ma con un pacchetto 8 di impulsi 9 pi? brevi con una frequenza secondaria multipla della frequenza principale.

In altri termini, l?unit? di alimentazione 2 ? configurata per generare un segnale di attivazione che comprende una successione di pacchetti 8 di impulsi 9, e che si ripete ciclicamente con la frequenza principale. Ciascun pacchetto 8 di impulsi 9 comprende una serie di impulsi 9 temporalmente successivi. Il numero di pacchetti 8 di impulsi 9 che vengono generati ? vantaggiosamente pari al numero di uscite di alimentazione 7 che devono essere alimentate selettivamente (vale a dire al numero di uscite di alimentazione 7 collegate, o destinate ad essere collegate, a un distinto elemento illuminante 3).

Inoltre, l?unit? di alimentazione 2 ? configurata per alimentare ciclicamente, con la frequenza principale, ciascuna uscita di alimentazione 7 con uno dei pacchetti 8 di impulsi 9 della successione, nonch? per alimentare tutte le uscite di alimentazione 7 durante ciascuna successione di pacchetti 8 di impulsi 9. Vantaggiosamente, il numero di pacchetti 8 di impulsi 9 che fanno parte della successione ? pari al numero di uscite di alimentazione 7 che devono essere alimentate selettivamente.

Date N uscite di alimentazione 7 da alimentare (ove N=10 nel dispositivo rappresentato nelle unite figure), l?unit? di alimentazione 2 ? vantaggiosamente configurata per generare, ad ogni ciclo, N pacchetti 8 di impulsi 9, e per inviare il primo pacchetto 8 di impulsi 9 ad una prima uscita di alimentazione 7, il secondo pacchetto 8 di impulsi 9 ad una seconda uscita di alimentazione 7, e cos? via fino ad inviare l?N-esimo pacchetto 8 di impulsi 9 all?N-esima uscita di alimentazione 7. In ogni ciclo tale sequenza rimane la stessa, cosicch? la frequenza principale, con cui si ripete il ciclo, corrisponde alla frequenza con cui viene alimentata ciascuna uscita di alimentazione 7 con un nuovo pacchetto 8 di impulsi 9.

Preferibilmente, per evitare che la luce generata possa presentare fenomeni di flickering (sfarfallio) percepibili dall?occhio umano, la frequenza principale, misurata in hertz, ? pari ad almeno cinque volte, preferibilmente ad almeno dieci volte il numero di uscite di alimentazione 7 da alimentare selettivamente, vale a dire dieci volte il numero dei pacchetti 8 di impulsi 9 presenti nella successione. Vantaggiosamente, comunque, essa ? pari ad almeno venti volte il numero di uscite di alimentazione 7, vale a dire venti volte il numero di pacchetti 8 di impulsi 9.

Nella forma realizzativa preferita, inoltre, ciascun pacchetto 8 di impulsi 9 ha una durata temporale pari alla durata complessiva della successione di pacchetti 8 di impulsi 9 (determinata dalla frequenza principale) divisa per il numero di pacchetti 8 di impulsi 9. Non ? comunque escluso che, in alcune applicazioni, ciascun pacchetto 8 di impulsi 9 possa avere una durata inferiore oppure che tra due pacchetti 8 di impulsi 9 successivi intercorra un tempo durante il quale nessuna uscita di alimentazione 7 viene alimentata. Per quanto riguarda i singoli impulsi 9, vantaggiosamente ciascun pacchetto 8 di impulsi 9 comprende almeno cinque impulsi 9, preferibilmente almeno dieci impulsi 9. Inoltre gli impulsi 9 di ogni pacchetto 8 di impulsi 9 hanno preferibilmente una frequenza secondaria pari ad almeno a 10 kHz, preferibilmente pari ad almeno 15 kHz e preferibilmente pari ad almeno 20 kHz.

Quantomeno se gli elementi illuminanti 3 sono tutti uguali tra loro (scelta preferita), anche gli impulsi 9 di tutti i pacchetti 8 di impulsi 9 sono vantaggiosamente uguali tra loro.

Vantaggiosamente, inoltre, tutti gli impulsi 9 sono generati utilizzando un unico segnale di CLOCK cos? da essere perfettamente in fase. In alcune forme realizzative ? anche possibile prevedere di utilizzare pi? segnali di CLOCK in fase tra loro, come meglio descritto nel seguito.

Per quanto riguarda l?ampiezza dell?impulso 9 alimentato ai led 5, e il suo duty cycle, parametri cui ? legata la potenza elettrica assorbita dal dispositivo di illuminazione 1, si veda quanto riportato nel seguito.

In alcune forme realizzative ? previsto che siano presenti pi? unit? di alimentazione 2, ciascuna configurata per alimentare alcuni degli elementi illuminanti 3. In questo caso, le unit? di alimentazione 2 potranno essere attivabili in successione in modo tale che l?effetto sia sempre quello che tutti gli elementi illuminanti 3 vengono complessivamente alimentati con la frequenza principale.

In forme realizzative ibride (non illustrate) ? altres? possibile che un?unica unit? di alimentazione 2 comprenda una pluralit? di moduli di alimentazione ed un circuito driver. In quel caso, ciascun modulo di alimentazione ? vantaggiosamente una unit? di alimentazione autonoma e il circuito driver ? configurato per dare un segnale di avvio ad un primo modulo di alimentazione, che viene utilizzato per la generazione del segnale di CLOCK. Il primo modulo di alimentazione, una volta terminata l?alimentazione dei relativi elementi illuminanti 3, d? il segnale di avvio al secondo modulo di alimentazione (garantendo cos? il sincronismo del CLOCK) e cos? via fino all?ultimo modulo di alimentazione. L?ultimo modulo di alimentazione, al termine del proprio ciclo di alimentazione, genera un segnale di reset del circuito driver e tutto ricomincia.

In alcune forme realizzative pi? semplici, quale quella illustrata nelle unite figure, ? invece previsto che tutti gli elementi illuminanti 3 siano alimentati da un?unica unit? di alimentazione 2. In altri termini, in questo caso l?unit? di alimentazione ? come se fosse costituita da un unico modulo di alimentazione.

Le figure allegate mostrano un esempio di una unit? di alimentazione 2 (singola) realizzata in accordo con la presente invenzione, dotata di dieci uscite di alimentazione 7. In altre forme realizzative, comunque, lo stesso risultato pu? essere ottenuto con qualsiasi altro dispositivo elettronico adatto allo scopo, ad esempio anche tramite un microprocessore.

Si tratta di una unit? di alimentazione 2 che lavora a 24 V per l?alimentazione dei led 5 e che, come tale, pu? essere facilmente collegata anche a pannelli fotovoltaici. Al proprio interno essa utilizza comunque anche una tensione a 5 V per la generazione dei segnali di comando. Nelle unite figure le indicazioni 24 e 5 indicano rispettivamente l?alimentazione a 24 V e quella a 5 V. Per il resto le varie notazioni presenti negli schemi cirtuitali hanno il loro normale significato (GND corrisponde al collegamento a massa, C indica una capacit?, R una resistenza, ecc?)

L?unit? di alimentazione 2 comprende innanzitutto una sezione di generazione di un segnale di CLOCK rappresentata in figura 1. La frequenza del segnale di CLOCK corrisponde alla frequenza secondaria con cui si vogliono generare gli impulsi 9.

In modo di per s? noto, il segnale di CLOCK viene generato utilizzando, in cascata, un multivibratore astabile 11 per la regolazione della frequenza secondaria e un multivibratore monostabile 12 per la regolazione della durata del segnale di CLOCK (entrambi i multivibratori 11, 12 essendo realizzati utilizzando un componente LM555N). Il duty cycle del segnale di CLOCK corrisponde al duty cycle degli impulsi 9 alimentati alle uscite di alimentazione 7. Il segnale in uscita dal multivibratore astabile 11 ? rappresentato dal grafico T in figura 4; nella stessa figura ? rappresentato anche segnale di CLOCK.

Il segnale di CLOCK cos? generato ? utilizzato come segnale di trigger in un primo divisore 13 con dieci prime uscite 14 (realizzato utilizzando il componente 4017), il cui scopo ? quello di creare un segnale Z con frequenza di lavoro pari ad un frazione della frequenza secondaria; in particolare la frequenza di lavoro ? pari alla frequenza secondaria divisa per il numero di impulsi 9 che devono essere presenti in ciascun pacchetto (dieci nell?esempio illustrato nelle unite figure). Qualora il numero di impulsi 9 che si vuole avere in ciascun pacchetto 8 di impulsi 9 fosse diverso da dieci, la persona esperta del settore non avrebbe difficolt? a sostituire il primo divisore 13 con dieci prime uscite 14 con un diverso dispositivo in grado di generare un segnale Z con la frequenza adatta.

Come apparir? pi? chiaro nel seguito, la frequenza di lavoro ? la frequenza con cui si passa da un pacchetto 8 di impulsi 9 al successivo nella successione di pacchetti 8 di impulsi 9. La frequenza principale ? quindi pari alla frequenza di lavoro divisa per il numero di pacchetti 8 di impulsi 9 presenti nella successione.

A titolo di esempio, nella forma realizzativa preferita, la frequenza principale ? pari a 200 Hz, la frequenza secondaria 20 kHz e la frequenza di lavoro a 2 kHz.

Nella forma realizzativa illustrata in figura 2, il segnale Z ? ottenuto semplicemente utilizzando un?unica prima uscita 14 del primo divisore 13, ed ? utilizzato come segnale di trigger per un secondo divisore 15 con dieci seconde uscite 16 (anch?esso realizzato con il componente 4017).

In questo secondo caso, tutte le seconde uscite 16 del secondo divisore 15 sono utilizzate; i segnali S1 ? S10 in uscita da ciascuna di esse, sono infatti destinati ciascuno a generare, tramite alcuni stadi successivi, un segnale di attivazione di un distinto elemento illuminante 3. Qualora il numero N di uscite di alimentazione 7 da attivare fosse diverso da dieci, la persona esperta del settore non avrebbe difficolt? a sostituire il secondo divisore 15 con dieci seconde uscite 16, con un diverso dispositivo in grado di generare N segnali di uscita S1?.SN.

Per maggiore chiarezza, in figura 2, i collegamenti delle seconde uscite 16 dalla 2 alla 9 non sono rappresentati.

Come si vede in figura 5 (in cui la scala temporale ? pari ad un decimo di quella delle figure 4 e 6), e in modo di per s? noto, ad ogni impulso 9 del segnale Z in ingresso, il secondo divisore 15 con dieci seconde uscite 16 genera in successione un impulso 9 S1? S10 su ciascuna delle proprie seconde uscite 16; una volta raggiunta l?ultima, ricomincia dalla prima. La durata di ciascun impulso 9 ? pari al periodo del segnale Z in ingresso.

Inoltre, i segnali S1 ?SN sono generati in modo tale che in ogni momento sia attivo solo uno di essi.

La parte restante dell?unit? di alimentazione 2 verr? ora descritta con riferimento al solo circuito collegato in (B) alla prima seconda uscita 16 del secondo divisore 15, vale a dire alla parte del circuito che riceve e gestisce il segnale S1. Un circuito del tutto analogo ? tuttavia collegato a ciascuna delle altre seconde uscite 16 per ricevere il rispettivo segnale S2-S10 (o, pi? in generale, S2-SN).

Come si vede sempre in figura 2, il segnale S1 ? alimentato a un ingresso di un operatore NAND 17 (componente U7400), all?altro ingresso del quale ? alimentato il segnale di CLOCK. In questo modo, come illustrato in figura 6, in uscita dal NAND 17 si ottiene un segnale intermedio che viene ripulito da eventuali spikes tramite un modulo RC 18 (per l?esempio dato, in cui la frequenza del CLOCK ? di 20 kHz, i valori di R e C da utilizzare vantaggiosamente sono rispettivamente di 1 k? e di 1 nF). Successivamente, il segnale intermedio viene inviato ad un Hex inverting Schmitt trigger 19 (componente 74HC14), che genera un segnale R1, costituito da un pacchetto 8 con il numero voluto di impulsi 9, che si ripete, uguale a se stesso, con frequenza pari alla frequenza principale. La durata complessiva del pacchetto 8 di impulsi 9 del segnale R1 ? pari alla durata del singolo impulso 9 del segnale S1, mentre il suo periodo di ripetizione ? molto pi? ampio; se i segnali generati sono N, infatti, il segnale R1 ha un periodo che ? determinato dalla frequenza principale, ma gli impulsi 9 sono presenti in rapida successione solo per una durata pari ad un N-esimo di tale periodo.

Il duty cycle del segnale R1 corrisponde al duty cycle del segnale di CLOCK, e determina anche il duty cycle di accensione dei led 5 del relativo elemento illuminante 3.

Il segnale R1 ? quindi utilizzato come segnale di input per il gate driver 20 (nelle unite figure costituito dal componente UCC37322), le uscite 21 del quale sono utilizzate insieme come segnale di Gate per il Mosfet di potenza 22 che determina l?accensione e lo spegnimento dell?elemento illuminante 3.

Nelle forme realizzative preferite, quale quella illustrata nelle unite figure, l?unit? di alimentazione 2 genera un unico segnale di CLOCK e lo utilizza per la generazione di tutti gli impulsi 9, in modo tale che tutti gli impulsi 9 dei diversi pacchetti 8 di impulsi 9 siano sincronizzati tra loro.

Generalizzando quanto attuato nelle unite figure con due divisori decimali, in accordo con alcune forme realizzative della presente invenzione, l?unit? di alimentazione 2 comprende un generatore del segnale di CLOCK, un primo divisore 13 comprendente una pluralit? di prime uscite 14 e un secondo divisore 15 comprendente una pluralit? di seconde uscite 16. Il segnale di CLOCK ? utilizzato come trigger per il primo divisore 13, mentre, come segnale di trigger per il secondo divisore 15, ? utilizzato un segnale di uscita generato su un?unica prima uscita 14 del primo divisore 13. Le seconde uscite 16 del secondo divisore 15 sono collegate ciascuna ad un?unica uscita di alimentazione 7, e il numero di uscite di alimentazione 7 ? pari al numero di seconde uscite 16. Il numero di impulsi 9 in ciascun pacchetto 8 di impulsi 9 ? pari al numero di prime uscite 14. Infine, il segnale (S1)?(SN) presente su ciascuna seconda uscita 16 del secondo divisore 15 ? combinato con il segnale di CLOCK, per generare tutti gli impulsi 9 dei diversi pacchetti, con la stessa frequenza e lo stesso duty cycle del segnale di CLOCK.

Nelle unite figure, l?elemento illuminante 3 ? considerato costituito dal gruppo 4 di led 5 e dal relativo Mosfet di potenza 22. In altre applicazioni, tuttavia, quest?ultimo pu? essere considerato anche parte dell?unit? di alimentazione 2.

In figura 3 ? visibile anche l?integrato 23 (componente U7805) che, nella forma realizzativa illustrata, ? utilizzato per generare la tensione di lavoro dell?unit? di alimentazione 2 a 5V, partendo dall?alimentazione a 24V utilizzata per i led 5.

Se si considera ora il dispositivo di illuminazione 1 nella sua interezza, il numero di elementi illuminanti 3 ? pari al numero di uscite di alimentazione 7 alimentate con i pacchetti 8 di impulsi 9, vantaggiosamente pari al numero di pacchetti 8 di impulsi 9 presenti nella successione.

Ciascuna uscita di alimentazione 7 ? inoltre collegata ad un diverso elemento illuminante 3, e ciascun elemento illuminante 3 viene alimentato ciclicamente, con la frequenza principale, con un pacchetto 8 di impulsi 9. In accordo con un secondo aspetto innovativo della presente invenzione, quando viene attivato tramite il relativo pacchetto 8 di impulsi 9 (segnale R1), ciascun led 5 viene attraversato da una corrente operativa significativamente pi? elevata della corrente massima nominale che il led 5 pu? assorbire se alimentato in continuo (quest?ultima ? un parametro sempre fornito dal produttore dei led 5). L?effetto di questa scelta ? quello di permettere l?emissione di una quantit? di luce maggiore di quella nominale; l?intensit? della radiazione luminosa emessa da un led 5 ? pari al prodotto della luminosit? specifica del led 5 per la potenza entrante nel led 5 (potenza che ? proporzionale alla corrente che lo attraversa). Sebbene la luminosit? specifica diminuisca all?aumentare della corrente che attraversa il led 5, all?aumentare della corrente l?intensit? della radiazione la luce emessa continua a crescere.

Nella pratica, tale aspetto innovativo ? ottenuto grazie al fatto che ciascun elemento illuminante 3 ? configurato in modo tale che ciascun led 5 sia attraversato da una corrente operativa pari ad almeno due volte, preferibilmente ad almeno tre volte, e ancora pi? preferibilmente ad almeno quattro volte la relativa corrente massima nominale.

Ad esempio, nell?esempio illustrato in figura 3, in cui la tensione di alimentazione ? pari a 24 V, i led 5 sono in totale quattrodici e sono suddivisi in due insiemi 6, in parallelo elettrico, ciascuno comprendente sette led 5 in serie. In serie ai led 5 ? montata una resistenza R di 1 ?. La corrente operativa che attraversa i led 5 ? pari a 5 A.

I led 5 utilizzati nell?esempio sono led modello XPGDWT-BS-0000-00MDV, prodotti dalla societ? statunitense Cree Inc.. In accordo con il relativo Datasheet, la loro corrente nominale (quella cui corrisponde il 100% di flusso luminoso relativo) ? pari a 350 mA, mentre la corrente massima ? pari a 2000 mA (ben inferiore, quindi, a quella utilizzata nel contesto dell?esempio realizzativo della presente invenzione in cui l?alimentazione ? impulsata). Il grafico dell?andamento del flusso luminoso relativo, in funzione della corrente, riportato nel Datasheet, ? riprodotto in figura 7. Mentre il duty cycle degli impulsi 9 di ciascun pacchetto ? sempre inferiore a 1, e preferibilmente ? inferiore a 0,5, in alcune applicazioni preferite ? compreso tra 0.5 volte e 2 volte il rapporto tra la corrente massima nominale di ciascun led 5 e la corrente operativa che lo attraverso durante il funzionamento.

Nelle forme realizzative preferite del dispositivo di alimentazione, gli elementi illuminanti 3 sono identici tra loro, cos? come i pacchetti 8 di impulsi 9 sono identici tra loro.

Quanto sin qui descritto costituisce anche una modalit? di attuazione preferita del metodo per alimentare un dispositivo di illuminazione 1 comprendente una pluralit? di elementi illuminanti 3, oggetto della presente invenzione (applicabile sempre a elementi illuminanti 3 ciascuno dei quali comprende un gruppo 4 di led 5 ed ? attivabile indipendentemente dagli altri).

Nella sua definizione pi? generale, il metodo prevede la fase operativa di alimentare ciclicamente e in successione, con una frequenza principale, ciascun elemento illuminante 3 per un rispettivo periodo di alimentazione, e, durante ciascun periodo di alimentazione, la fase operativa di alimentare il rispettivo elemento illuminante 3 con un pacchetto 8 di impulsi 9 di alimentazione aventi una frequenza secondaria.

Vantaggiosamente, la frequenza principale con cui viene alimentato ciclicamente ciascun elemento illuminante 3, misurata in hertz, ? pari ad almeno dieci volte il numero di elementi illuminanti 3 attivabili indipendentemente.

Quanto sopra descritto in relazione a possibili dettagli realizzativi dell?unit? di alimentazione 2 e del dispositivo di illuminazione 1, deve essere interpretato anche come applicabile a specifiche forme attuative del metodo oggetto della presente invenzione.

Si noti infine che la scelta di utilizzare una pluralit? di elementi illuminanti 3 indipendenti, attivandone solo uno alla volta, e lasciando ciascuno di essi spento per la maggior parte del tempo (nel caso di dieci elementi illuminanti 3, ciascuno di essi non ? interessato dal relativo pacchetto 8 di impulsi 9 per il 90% del tempo), consente di ottenere il sorprendente vantaggio di disporre di un tempo di raffreddamento per ciascuno di essi relativamente lungo, cosa che, conseguentemente, durante il breve tempo in cui i led 5 sono interessati dal relativo pacchetto 8 di impulsi 9, permette di surriscaldare ciascun led 5 ben oltre i livelli previsti per un funzionamento continuo. Il successivo tempo di inattivit? permette infatti di raffreddare completamente i led 5, senza necessit? di dover ricorrere a complicati sistemi di raffreddamento tipici di molte lampade a led 5 di elevata potenza. PRIMO ESEMPIO REALIZZATIVO

Gli schemi circuitali riportati nelle figure da 1 a 3, e sopra descritti in dettaglio, sono stati utilizzati per realizzare un prototipo di lampada a led ad alta efficienza.

La lampada comprendeva dieci elementi illuminanti indipendenti, ciascuno dei quali comprendeva quattordici led del tipo sopra indicato, collegati e alimentati a 24 V come illustrato in figura 3. Ad ogni accensione, ciascun led veniva attraversato da un corrente operativa di 5 A.

Il segnale di CLOCK ? stato generato con una frequenza secondaria di 20 kHz e un duty cycle del 20%.

Di conseguenza, durante il funzionamento i dieci elementi illuminanti si accendevano in successione uno dopo l?altro con una frequenza di lavoro di 2 kHz, pari a 10 volte la frequenza principale di 200 Hz (quella del ciclo di attivazione di ogni singolo elemento illuminante 3). Durante ciascun ciclo di attivazione di un elemento illuminante, i relativi led si accendevano e spegnevano con la frequenza di 20 kHz, rimanendo accesi solo per il 20% del tempo. L?effetto complessivo percepibile dall?occhio umano ? stato quello di una luce costante priva di sfarfallii.

Misurando strumentalmente si ? poi rilevato che l?illuminamento misurabile strumentalmente su un pannello piano a 1 m di distanza, era pari a 17.000 LUX, a fronte di una potenza elettrica assorbita di 15 W. Considerando che, a livello commerciale, le lampade a led in grado di garantire un illuminamento equivalente sono lampade con un flusso luminoso di circa 9000 lm, che necessitano di una potenza di 90 W, ? facile comprendere la portata del risparmio che pu? dare un dispositivo di illuminazione realizzato in accordo con la presente invenzione, in termini di consumi energetici.

Le figure 8 e 9, mostrano in una medesima scala (tempo in ascissa, lux in ordinata), l?andamento nel tempo dell?illuminamento misurabile, rispettivamente, per la lampada realizzata in accordo con la presente invenzione (figura 8), e per la lampada commerciale di confronto (figura 9). ? del tutto evidente come l?illuminamento generato grazie alla presente invenzione pressoch? non presenti alcun flicker, a differenza di quanto accade con la lampada commerciale.

SECONDO ESEMPIO REALIZZATIVO

Sulla base dei risultati del primo esempio realizzativo sopra descritto, ? in via di ultimazione un secondo prototipo di dispositivo di illuminazione, che comprende cento elementi illuminanti indipendenti del tipo sopra descritto (ed illustrato nelle unite figure).

In questo caso, tuttavia, l?unit? di alimentazione 2 ? del tipo ibrido sopra descritto, in quanto comprende un circuito driver, e dieci moduli di alimentazione ciascuno configurato per alimentare dieci elementi illuminanti 3.

A parte i diversi collegamenti necessari per collegare i moduli di alimentazione in cascata temporale uno all?altro, ciascun modulo di alimentazione presenta una struttura circuitale analoga a quella della singola unit? di alimentazione 2 oggetto delle figure da 1 a 3.

Il circuito driver genera il segnale di avvio per il primo modulo di alimentazione con una frequenza ciclica pari ad almeno 50 Hz, preferibilmente comunque pi? elevata. Ciascun modulo di alimentazione determina poi l?attivazione del modulo di alimentazione successivo, una volta terminata l?attivazione sequenziale dei propri elementi illuminanti 3. Se la frequenza ciclica con cui si attiva ogni modulo di alimentazione ? pari a 50 Hz, la frequenza con cui si commuta da un modulo di alimentazione al successivo ? pari a 500 Hz, mentre la frequenza con cui si commuta da un elemento di illuminazione 3 al successivo ? pari a 5 kHz. Infine, la frequenza degli impulsi 9 di ogni singolo pacchetto 8 ? pari a 50 kHz.

* * *

La presente invenzione consegue importanti vantaggi.

Grazie alla presente invenzione ? stato possibile mettere a punto un dispositivo di illuminazione a led che permette di ridurre considerevolmente i consumi energetici rispetto ai dispositivi di illuminazione a led con prestazioni equivalenti, oggi sul mercato.

La luce generata, pur essendo impulsata, grazie all?elevata frequenza degli impulsi ? inoltre utilizzabile come se fosse una luce di tipo continuo, sia per l?illuminazione di ambienti chiusi o aperti, sia per l?illuminazione di serre, sia per l?illuminazione di fotobioreattori per alghe.

Va infine rilevato che la presente invenzione risulta di relativamente facile realizzazione e che anche il costo connesso alla sua attuazione non risulta molto elevato.

L?invenzione cos? concepita ? suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell?ambito del concetto inventivo che la caratterizza.

Tutti i dettagli sono rimpiazzabili da altri tecnicamente equivalenti ed i materiali impiegati, nonch? le forme e le dimensioni dei vari componenti, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze.

Claims (20)

RIVENDICAZIONI

1. Unit? di alimentazione per dispositivi di illuminazione a led, l?unit? di alimentazione (2) comprendendo una pluralit? di uscite di alimentazione (7) comandabili selettivamente, ciascuna uscita essendo configurata per essere collegata ad un distinto elemento illuminante (3) comprendente un gruppo (4) di led (5), in cui l?unit? di alimentazione (2) ? configurata per: generare un segnale di attivazione che comprende una successione di pacchetti (8) di impulsi (9), ove ciascun pacchetto (8) di impulsi (9) comprende una serie di impulsi (9) temporalmente successivi, il segnale di attivazione ripetendosi ciclicamente con una frequenza principale; e alimentare ciclicamente, con detta frequenza principale, ciascuna uscita di alimentazione (7) con uno dei pacchetti (8) di impulsi (9) della successione, in modo tale da alimentare tutte le uscite di alimentazione (7) durante ciascuna successione di pacchetti (8) di impulsi (9).

2. Unit? di alimentazione secondo la rivendicazione 1 in cui la frequenza principale con cui viene alimentata ciascuna uscita di alimentazione (7), misurata in hertz, ? pari ad almeno dieci volte il numero di pacchetti (8) di impulsi (9) presenti nella successione.

3. Unit? di alimentazione secondo la rivendicazione 1 o 2 in cui gli impulsi (9) di ogni pacchetto (8) di impulsi (9) hanno una frequenza secondaria pari ad almeno a 10 kHz.

4. Unit? di alimentazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3 in cui ciascun pacchetto (8) di impulsi (9) ha una durata temporale pari a una durata complessiva della successione di pacchetti (8) di impulsi (9) divisa per il numero di pacchetti (8) di impulsi (9).

5. Unit? di alimentazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4 in cui ciascun pacchetto (8) di impulsi (9) comprende almeno cinque impulsi (9), preferibilmente almeno dieci impulsi (9).

6. Unit? di alimentazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5 in cui l?unit? di alimentazione (2) genera un unico segnale di CLOCK e lo utilizza per la generazione di tutti gli impulsi (9), in modo tale che tutti gli impulsi (9) dei diversi pacchetti (8) di impulsi (9) siano tutti sincronizzati tra loro.

7. Unit? di alimentazione secondo la rivendicazione 6 in cui l?unit? di alimentazione (2) ? costituita da un modulo di alimentazione.

8. Unit? di alimentazione secondo la rivendicazione 6 in cui l?unit? di alimentazione (2) comprende una pluralit? di moduli di alimentazione configurati per essere attivati in successione, in cui ciascun modulo di alimentazione determina l?attivazione del modulo di alimentazione successivo, e in cui un circuito di driver comanda l?attivazione di un primo modulo di attivazione.

9. Unit? di alimentazione secondo la rivendicazione 7 o 8 in cui ciascun modulo di alimentazione (2) comprende un generatore del segnale di CLOCK, un primo divisore (13) comprendente una pluralit? di prime uscite (14) e un secondo divisore (15) comprendente una pluralit? di seconde uscite (16), e in cui:

il segnale di CLOCK ? utilizzato come trigger per il primo divisore (13); un segnale di uscita generato su una prima uscita (14) del primo divisore (13) ? utilizzato come segnale di trigger per il secondo divisore (15);

le seconde uscite (16) sono collegate ciascuna ad un?unica uscita di alimentazione (7);

il numero di uscite di alimentazione (7) ? pari al numero di seconde uscite (16);

il numero di impulsi (9) in ciascun pacchetto (8) di impulsi (9) ? pari al numero di prime uscite (14); e

un segnale (S1)?(SN) presente su ciascuna seconda uscita (16) del secondo divisore (15) ? combinato con il segnale di CLOCK per generare detti impulsi (9) con una frequenza e un duty cycle del segnale di CLOCK.

10. Dispositivo di illuminazione comprendente una unit? di alimentazione (2) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7 e una pluralit? di elementi illuminanti (3), in cui:

il numero di elementi illuminanti (3) ? pari al numero di uscite di alimentazione (7) alimentate con detti pacchetti (8) di impulsi (9);

ciascun elemento illuminante (3) comprende un gruppo (4) di led (5) ed ? attivabile indipendentemente dagli altri elementi illuminanti (3); e

ciascuna uscita di alimentazione (7) ? collegata ad un diverso elemento illuminante (3).

11. Dispositivo di illuminazione secondo la rivendicazione 10, in cui il numero di pacchetti (8) di impulsi (9) nella successione ? pari al numero di elementi illuminanti (3), e in cui ciascun elemento illuminante (3) viene alimentato ciclicamente, con detta frequenza principale, con un pacchetto (8) di impulsi (9).

12. Dispositivo di illuminazione secondo la rivendicazione 10 o 11, in cui ciascun gruppo (4) di led (5) comprende uno o pi? insiemi (6) di led (5) e ciascun insieme di led (5) comprende una pluralit? di led (5) elettricamente collegati in serie e/o in parallelo.

13. Dispositivo di illuminazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 10 a 12, in cui ciascun led (5) ha una propria corrente massima nominale che il led (5) pu? assorbire se alimentato in continuo, e in cui ciascun elemento illuminante (3) ? configurato in modo tale che ciascun led (5) sia attraversato da una corrente operativa pari ad almeno due volte la relativa corrente massima nominale, preferibilmente ad almeno tre volte, e ancora pi? preferibilmente ad almeno quattro volte.

14. Dispositivo di illuminazione secondo la rivendicazione 13, in cui l?unit? di alimentazione (2) genera detti impulsi (9) con un duty cycle inferiore a 1 e compreso tra 0.5 volte e 2 volte il rapporto tra la corrente massima nominale di ciascun led (5) e la corrente operativa.

15. Dispositivo di illuminazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 10 a 14, in cui gli elementi illuminanti (3) sono identici tra loro, e in cui i pacchetti (8) di impulsi (9) sono identici tra loro.

16. Dispositivo di illuminazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 10 a 15, in cui il dispositivo di alimentazione alimenta ogni elemento illuminante (3) con una tensione di 24 V.

17. Metodo per alimentare un dispositivo di illuminazione comprendente una pluralit? di elementi illuminanti (3), ciascuno dei quali comprende un gruppo (4) di led (5) ed ? attivabile indipendentemente dagli altri elementi illuminanti (3), il metodo prevedendo le fasi operative di:

alimentare ciclicamente e in successione, con una frequenza principale, ciascun elemento illuminante (3) per un rispettivo periodo di alimentazione; e

durante ciascun periodo di alimentazione, alimentare il rispettivo elemento illuminante (3) con un pacchetto (8) di impulsi (9) di alimentazione aventi una frequenza secondaria.

18. Metodo secondo la rivendicazione 17 in cui la frequenza principale con cui viene alimentato ciclicamente ciascun elemento illuminante (3), misurata in hertz, ? pari ad almeno dieci volte il numero di elementi illuminanti (3) attivabili indipendentemente.

19. Metodo secondo la rivendicazione 17 o 18 in cui gli impulsi (9) di ogni pacchetto (8) di impulsi (9) hanno una frequenza secondaria pari ad almeno a 10 kHz.

20. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 17 a 19, in cui ciascun pacchetto (8) di impulsi (9) comprende almeno cinque impulsi (9), preferibilmente almeno dieci impulsi (9).