ITGE990036A1 - Perfezionamenti nelle luci elettriche o relativamente alle stesse. - Google Patents

Description

Descrizione del brevetto per invenzione industriale avente per titolo "Perfezionamenti nelle luci elettriche o relativamente alle stesse",

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Campo dell' invenzione

Questa invenzione ha per oggetto una luce elettrica portatile, in particolare torce, lampeggiatori e simili.

Precedenti dell'invenzione

I diodi ad emissione luminosa (LED) sono ben conosciuti come sorgenti luminose. Mentre sono più efficienti delle lampadine a luce incandescente, i LED sono generalmente in grado di emettere soltanto luce di bassa intensità. I LED sono largamente impiegati come indicatori luminosi o spie luminose in pannelli di strumenti (per esempio a bordo di velivoli o di veicoli stradali) . Recentemente, i LED sno anche stati impiegati come sorgenti luminose in lampade di biciclette, che servono a segnalare ad altri utenti della strada la presenza del ciclista, e in luci di portachiavi.

I LED sono così generalmente usati per l'illuminaizone "passiva", in cui la luce emessa dai LED entra nell'occhio di un osservatore in maniera sostanzialmente diretta, in modo da confermare all'osservatore le informazioni sul LED (per esempio, acceso o spento. E molto insolito che i LED siano impiegati per un'illuminazione "attiva", in cui la luce emessa dal LED incontra un oggetto ed è riflessa o altrimenti reindirizzata dall'oggetto ad un osservatore, in modo da fornire all'osservatore informazioni sull'oggetto piuttosto che sul LED. La ragione di ciò risiede nella bassa intensità della luce emessa dai LED, come spiegato precedentemente e a causa della natura delicata dei LED, che si danneggiano facilmente, per esempio, esponendo il LED ad una corrente e/o tensione che supera i valori massimi dichiarati dai fabbricanti del LED (superamento dei limiti del LED). Gli esperti della tecnica sanno molto bene che si dovrebbe evitare il superamento dei limiti di un LED poiché può far sì che un LED si fulmini o si guasti, o in altro modo accorciare sostanzialmente la vita operativa del LED.

Riassunto dell'invenzione

In un primo aspetto, l'invenzione fornisce una luce elettrica portatile comprendente un alloggiamento, una sorgente di energia elettrica, ed avente come sorgente luminosa un LED con un'elevata resistenza interna (cioè, ad una corrente di circa 50 mA una resistenza interna maggiore di 10 Ohm). Preferibilmente, la resistenza interna del LED è maggiore di 11 Ohm, più preferibilmente maggiore di 12 Ohm, e nella maniera più preferibile maggiore di 13 Ohm.

La presente invenzione ha sorprendentemente trovato che un LED con una elevata resistenza interna può essere portato a superare in misura considerevole i livelli massimi di tensione o di corrente dichiarati da un fabbricante senza provocare guasti e senza sostanzialmente ridurre la vita operativa del LED. Un LED portato al superamento dei limiti in questo modo è in grado di emettere molta più luce di quella convenzionale, tale che una luce elettrica secondo l'invenzione può essere utilmente impiegata per l'illuminazione attiva.

La maggior parte dei LED convenzionali hanno una resistenza interna che è troppo bassa (per esempio, intorno a 9 Ohm, con una corrente di 50 mA) per essere utile nell'impiego in una luce elettrica secondo l'invenzione. Tuttavia, è disponibile un certo numero di LED adatti ad essere impiegati nella luce della presente invenzione. Preferibilmente il LED è di un tipo che emette un ampio spettro di lunghezze d'onda. Convenientemente il LED emette della luce che è percepita da un osservatore come sostanzialmente bianca, oppure bianca con una sfumatura azzurra percepibile.

L'occhio umano si adatta in modo da diventare più sensibile alla luce azzurra al buio, così una luce elettrica che emette almeno un po' di luce nelle lunghezze d'onda dell'azzurro sarà percepita dall'osservatore come più vivida della luce visibile della stessa intensità di una lunghezza d'onda maggiore.

Un LED particolarmente preferito da usare nella luce dell'invenzione -è un LED Modello N. NSPW 310 AS) prodotto dalla Nichia, (491 Oka, Kaminaka-cho, Anan-shi, Tokushima 774) Giappone.

La sorgente di energia elettrica può comprendere un ingresso di CA (per esempio dall'alimentazione di rete) trattato in maniera da essere adatto all'impiego con i LED (per esempio, tensione ridotta, ad esempio, da un trasformatore abbassatore di tensione e convertita in corrente CC). Preferibilmente la sorgente di energia elettrica fornisce un'uscita in CC ab initio. Questa può preferibilmente comprendere una o più pile elettrochimiche a secco (come per esempio una pila a bottone o una pila al Litio che sono ben note agli esperti della tecnica). Possono essere forniti o un'unica pila, o una pluralità di pile che possono essere disposte in serie o in parallelo. Combinazioni particolarmente preferite sono due o tre pile a bottone, usate per azionare uno o due LED Nichia NSPW 310AS.

Preferibilmente, la luce elettrica dell'invenzione comprende una pluralità di LED aventi un'elevata resistenza interna. Convenientemente, saranno forniti due o tre LED di questo tipo, che potranno essere disposti in serie o, preferibilmente, in parallelo.

Nella maniera più conveniente, la luce elettrica dell'invenzione assume la forma di una luce da tenere in mano, come una torcia o un lampeggiatore. La piccola dimensione della/e sorgente/e luminosa/e del LED e la scelta di pile adeguate (per esempio pile al Litio) consente una disposizione molto compatta che si adatta molto comodamente nel palmo della mano di un utilizzatore. In particolare, può essere preferita una forma lateralmente appiattita, che può facilmente inserirsi in una tasca di Pantalone o giacca. Alternativamente, la luce può essere dotata di mezzi di montaggio (per esempio una vite o un gancio), per montare la luce su una superficie (come una parete o uno scaffale), o magari di una punta da piantare nel terreno.

Si preferisce anche che il LED nella luce dell'invenzione abbia una tensione di soglia superiore a quella dei LED convenzionali. La tensione di soglia è un termine che è compreso da coloro che sono esperti nella tecnica e che si riferisce alla tensione applicata ai capi di un LED sotto la quale è emessa pochissima luce.

Per la maggior parte dei LED convenzionali, la tensione di soglia è tipicamente intorno a 2 volt. Invece, per i LED da usare nella luce dell'invenzione, la tensione di soglia sarà preferibilmente, ma non essenzialmente, di circa 3 volt o maggiore.

L'invenzione sarà ora ulteriormente descritta a titolo di esempio illustrativo e facendo riferimento ai disegni allegati, nei guali:

la figura 1A è una tabella che mostra l'emissione di luce (in Lux) da un LED adatto ad essere impiegato in una luce secondo la presente invenzione, in corrispondenza di un campo di valori di tensione (in termini di millivolt) e corrente (mA) applicate; la figura 1B mostra i risultati riportati su un grafico, che comprende anche valori per x e y, che sono una misura del colore dell'emissione luminosa;

la figura 2 è un grafico di flusso integrato in funzione della corrente di LED (in mA) per lo stesso LED;

la figura 3 è un grafico di potenza luminosa relativa per la luce a 475 nm (curva superiore) e 550 nm (curva inferiore) in funzione della corrente di LED (in mA) per lo stesso LED;

le figure 4A e 4B mostrano i risultati delle stesse prove illustrate nelle figure 1A/1B quando sono condotte su un LED verde con una bassa resistenza interna non adatto ad essere incluso in una luce secondo la presente invenzione;

la figura 5 è un grafico di potenza luminosa relativa in funzione della lunghezza d'onda (nm) per il LED verde inadatto; e

la figura 6 è un grafico di tensione in funzione della corrente di LED (mA) per varie sorgenti di energia elettrica differenti e per un LED bianco adatto ad essere incluso in una luce secondo la presente invenzione.

Esempi

Il presente inventore scoprì casualmente che certi LED potevano essere portati a superare i propri limiti senza che diventassero inefficienti e senza ridurre gravemente la vita operativa del LED. Per meglio caratterizzare questa scoperta, furono intraprese determinate indagini, impiegando il LED NSPW 310AS della Nichia, Giappone.

Le prove iniziali furo eseguite impiegando il LED con una sorgente di energia elettrica con una bassa resistenza in serie, ma si riscontrò che la resistenza interna in serie del LED era di per sé sufficiente a limitare la corrente nel circuito di prova impiegato. Esempio 1

Risultati della potenza di illuminamento

Furono misurati i livelli di corrente e tensione e di luce per il LED Nichia per diversi valori di corrente. I risultati sono mostrati nelle figure 1A, 1B. Aumentando la corrente da circa 70 mA in su, si ha una variazione significativa nel colore. Questo si vede come una variazione della tonalità da un bianco brillante a un azzurro chiaro. I risultati furono ripetuti per tre diversi campioni e tutti diedero risultati simili. La distanza dal LED all'esposimetro (Luxometro Minolta) era di 25 cm.

La capacità illuminante è misurata dalla sua produzione di lux (tipicamente un ambiente di lavoro illuminato è 500-800 lux). Questo tipo di misurazione tiene conto della risposta dell'occhio a diversi colori.

Le prove mostrarono che la lettura dei lux aumentava con la corrente, raggiungeva un plateau e iniziava a scendere. Questo significa che la capacità di agire come sorgente di illuminazione che deve essere usata dall'occhio non peggiora in effetti oltre i circa 75 mA. Questo non significa che la totale produzione di luce del LED scende, piuttosto che vi è uno spostamento verso l'estremità azzurra dello spettro e che, poiché l'occhio è meno sensibile alle lunghezze d'onda dell'azzurro, il valore in lux diminuirà.

Esempio 2

Risultati degli spettri ottici

Furono misurati gli spettri ottici per una varietà di correnti di LED. Questi mostrano come la potenza in uscita relativa vari con la lunghezza d'onda attraverso l'intero spettro visibile. I risultati {dati non mostrati) dimostrarono un picco transitorio di potenza all'estremità azzurra dello spettro e un ampio plateau estendentesi attraverso l'estremità rossa. La distanza dal LED alla fibra ottica dello spettrofotometro era di 3 mm. Lo spettrofotometro era un dispositivo Ocean Optics PC 1000-4.

L'andamento generale dei grafici presenta un aumento sulla erogazione relativa aumentando la corrente fino a circa 70 mA, con livelli che raggiungono un plateau e scendono con correnti più elevate. Anche la forma dello spettro cambia, con soppressione della banda compresa fra 500 nm e 600 nm con le correnti più elevate. Esiste un'altra spiegazione dello spostamento dell'azzurro come dovuto ad una soppressione delle parti verde e rossa dello spettro.

Integrando la potenza in corrispondenza di ogni lunghezza d'onda in ciascuno degli spettri, si può trovare la potenza totale emessa, come è mostrato nella figura 2. Anche questa mostra un picco e un plateau ed una successiva caduta. Il picco si verifica con una corrente di azionamento di circa 90 mA. La ragione per cui questa è leggermente più elevata del risultato in Lux 'della figura 1 è dovuta al fatto che i valori di lux tengono conto del picco nella risposta dell'occhio nell'area verde dello spettro.

Un'altra vista degli stessi dati si può avere tracciando su grafico le prestazioni in corrispondenza di specifiche lunghezze d'onda attraverso il campo delle correnti di azionamento. La figura 3 mostra grafici per 475 nm e 550 nm. La conclusione è che la risposta a 550 nm raggiunge un picco a 80 mA, mentre la potenza a 475 nm continua a aumentare.

Esempio 3

Risultati di erogazione con LED verde convenzionale

Un LED verde convenzionale, con bassa resistenza interna, fu scelto per prove comparative. Per il LED verde fu raccolta la stessa serie di informazioni che per il LED bianco. Questa mostro le stesse prestazioni elettriche generali benché con una tensione di soglia e una resistenza di pendenza alquanto inferiori. Otticamente, il colore è un verde puro. I livelli di Lux salgono fino a un picco a circa 130 mA, ma il livello è quasi un fattore di due sotto al LED bianco. I risultati sono mostrati nelle figure 4 e 5.

Esempio 4

Prove di durata

I LED Nichia bianchi furono azionati con varie correnti fino ad un massimo di 250 mA. A questo punto il dispositivo iniziò a pulsare spegnendosi e accendendosi quasi come se si fosse messo in funzione uno scatto termico, benché questo potesse essere semplicemente dovuto alla perdita di collegamento equipotenziale di una connessione del filo alle elevate temperature generate dalla corrente di esercizio relativamente alta. Ulteriori prove su un dispositivo fatto funzionare fino a questo livello di corrente mostrarono che era stato danneggiato, con l'erogazione ridotta del 50 % circa con una corrente di prova di 70 mA.

Esempio 5

Prove su batterie

Tutte le prove seguenti furono eseguite su pile usate - non si conoscevanola condizione delle pile e la loro capacità residua.

5.1 Pile a bottone singole

Queste furono provate a circuito aperto e con un carico di 100 Ohm. I risultati furono scarsi, con una significativa caduta di tensione e assenza di corretta stabilizzazione di uscita con la tensione che continuava a cadere piuttosto rapidamente. Alla rimozione del carico, occorse quasi un minuto perché si ripristinasse la tensione del circuito aperto. Risultati della prova: Tensione circuito aperto 3.01 V tipica

Tensione a carico 2.55 V media dopo 2 secondi.

Da questo si può calcolare la resistenza efficace di serie della batteria in 18 Ohm.

5.2 Gruppo di 3 pile a bottone

Questo ebbe una caduta molto ripida della tensione di uscita con carico. Risultati della prova:

Tensione circuito aperto 8.99 V

Tensione a carico 4.4 V dopo 2 secondi, carico 100 Ohm.

Da questo si può calcolare la resistenza efficace di serie della batteria in 104 Ohm. Se questa è condivisa da 3 pile, allora la resistenza di serie di ciascuna sarà di 35 Ohm. In questo caso più di metà della potenza sulla batteria si perde nella batteria stessa .

Le prove condotte con il LED bianco mostrarono una corrente estratta di circa 110 mA, ma questa diminuiva rapidamente .

5.3 Fila al litio piatta versione 3V

Tensione circuito aperto 3.22 V

Tensione a carico 3.06 V dopo 2 secondi, carico 100 Ohm.

Da questo si può calcolare la resistenza efficace di serie della batteria in 5,2 Ohm. Questo fu un buon risultato rispetto a quello ottenuto con le pile a bottone .

Le prove condotte con il LED bianco mostrarono una corrente estratta di circa 8 mA, con una caduta della tensione di batteria a 3,17 V.

5.4 Pila al litio piatta versione 6V

Tensione circuito aperto 6.36 V

Tensione a carico 5.85 V dopo 2 secondi, carico 100 Ohm.

Da questo si può calcolare la resistenza efficace di serie della batteria in 8.7 Ohm. Questo fu nuovamente un buon risultato rispetto a quello ottenuto con le pile a bottone.

Le prove condotte con il LED bianco mostrarono una corrente estratta di circa 115 mA, con una caduta della tensione di batteria a 5,17 V.

Analisi delle batterie

I risultati delle prove sulle pile di cui sopra possono essere usati per valutare la migliore combinazione di batteria e LED. Il metodo è chiamato analisi della linea di carico ed è mostrato nella figura 6. Il punto in cui una qualunque data tensione di uscita di pila attraversa il grafico tensione/corrente del LED rappresenta il punto operativo per quella combinazione. Il grafico fornisce i seguenti punti operativi:

2x pile a bottone 60 mA

3x pile a bottone 50 mA

pila al litio piatta 3V 10 mA

pila al litio piatta 6V 150 mA

Questi risultati sono teoricamente basati su un'ipotesi resistiva sulla resistenza di uscita delle pile. In pratica questo non è vero con l'aumento della resistenza efficace all'aumentare della corrente di carico. Tuttavia i risultati possono essere impiegati per compiere scelte informate su come i LED dovrebbero essere azionati al meglio.

Dai risultati di cui sopra, le prestazioni delle pile a bottone x 3 appaiono inferiori a causa della perdita di potenza all'interno della pila stessa, la pila al litio da 3 V è sub-ottimale poiché la tensione terminale e risultante è troppo bassa e potenzialmente anche la pila al litio da 6V perché dà come risultato una corrente che ha una luce di uscita inferiore a quella delle condizioni di esercizio ottimali. La pila a bottone x 2 sembra rappresentare un ragionevole compromesso .

Conclusioni

Il lavoro porta alle seguenti conclusioni:

Nonostante la massima corrente continua per il dispositivo sia di 25 mA, si è trovato che il dispositivo continuerebbe a funzionare fino a 250 mA sebbene alla fine risulti un danno.

Nonostante correnti più elevate abbiano causato un aumento nella potenza totale emessa, l'uscita in lux richiesta per qualunque sistema di illuminazione per l'occhio mostra un chiaro picco a circa 75 mA. Vi è effetivamente una minore erogazione utile quando la corrente è aumentata oltre questo livello.

Il risultato dell'uscita in lux suggerisce che sia necessario prestare attenzione nella progettazione di una torcia che impieghi dei LED - è possibile che un resistore in serie possa dover essere incluso con il LED (il modo normale di azionare il dispositivo) per assicurare che la corrente sia limitata al massimo livello di lux.

Il dispositivo sembra essere estremamente robusto anche a fronte di superamento/azionamento sovramoltiplicato per 10 volte. L'azionamento sovramoltiplicato a lungo termine a 100 mA non ha mostrato cambiamenti nelle caratteristiche dei LED nonostante questo costituisca una marcia sovramoltiplicata di 4 volte.

A correnti elevate il dispositivo non si riscalda. Il calore è condotto giù per i conduttori e ogni progetto di torcia dovrebbe assicurare che vi sia un percorso per questo flusso di calore.

Sembra esserci un fortunato optimum fra la combinazione di batteria a 2 pile a bottone e le sue caratteristiche di tensione e resistenza, e la resistenza di serie del LED, che permette di azionare il LED al suo livello ottimale, o vicino a questo, a scopo di illuminazione .

La corrente massima di esercizio specificata dal. fabbricante deve essere ridotta con l'aumentare della temperatura ambiente (per esempio, la corrente continua massima è fissata a 10 mA per un ambiente di 60 °C). Nonostante una temperatura ambiente di questo livello sia improbabile, l'effetto riscaldante dovuto al trasferimento di calore dal/i LED all'interno del corpo della torcia aumenterà la temperatura interno al di sopra di quella ambientale.

La scelta della batteria è importante. Le pile a bottone sembrano avere una resistenza di serie efficace troppo elevata se fatte funzionare in gruppo di 3 pile. La pila piatta da 3V conduce piuttosto una corrente troppo bassa e la sua tensione ai morsetti è troppo vicina alla tensione di soglia per il LED - il che darà problemi con un calo pauroso di erogazione luminosa e aumento della temperatura ambiente.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Luce elettrica portatile comprendente un alloggiamento, una sorgente di energia elettrica, ed avente come sorgente luminosa un LED con elevata resistenza interna.
2. 2. Luce secondo la rivendicazione 1, in cui il LED è portato a superare i propri valori limite.
3. 3. Luce secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la sorgente di energia elettrica fornisce un'uscita in CC.
4. 4. Luce secondo una qualunque delle rivendicazioni 1, 2 o 3, comprendente una pluralità di LED con elevata resistenza interna.
5. 5. Luce secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, sotto forma di torcia o lampeggiatore da tenere in mano.
6. 6. Luce secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni, in cui il LED ha una tensione di soglia di circa 3 volt o maggiore.
7. 7. Luce secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni comprendente come sorgente luminosa un LED Nichia NSPW 310AS.
8. 8. Luce secondo una qualunque delle precedenti rivendicazioni avente una forma lateralmente appiattita in modo da inserirsi in una tasca di pantalone o di giacca .
9. 9 . Luce sostanzialmente come qui descritta in precedenza e con riferimento ai disegni allegati.