ITTO20130211A1 - Sistema di ottimizzazione di un dispositivo fotoemettitore - Google Patents
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Description
“SISTEMA DI OTTIMIZZAZIONE DI UN DISPOSITIVO FOTOEMETTITOREâ€
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un sistema di ottimizzazione dell’efficienza termica e luminosa di un dispositivo fotoemettitore.
Sono note nella tecnica due tipologie di sistemi di ottimizzazione dell’efficienza termica e luminosa di dispositivi ad emissione luminosa LED (Light Emitting Diode); esse sono costituite dai sistemi di raffreddamento passivi e da quelli attivi.
Un sistema di raffreddamento passivo noto à ̈ costituito principalmente da un dispositivo di dispersione che permette la dissipazione del calore, generato dalla giunzione caratteristica di un dispositivo LED, attraverso fenomeni di conduzione e/o convenzione e in piccola parte di irraggiamento. Per favorire il propagarsi dei suddetti fenomeni, sono noti dispositivi di dispersione costituiti da materiali innovativi, quali composti termoplastici con riempimenti conduttivi, che permettono una maggiore conducibilità termica e coefficienti di espansione termica inferiori rispetto a quelli degli usuali materiali metallici caratterizzanti i dispositivi di dispersione. Tali dispositivi riducono lo stress termico a cui à ̈ sottoposto un dispositivo LED quando l’involucro o la temperatura di giunzione dei dispositivi stessi superano i valori massimi indicati nelle specifiche tecniche del produttore. E’ altresì noto un dispositivo di dispersione costituito principalmente da schiuma di grafite, che conferisce elevata resistenza termica e peso ridotto al sistema di raffreddamento nel quale à ̈ inserito.
L’efficienza dei suddetti sistemi di raffreddamento dipende fortemente dall’efficienza dei dispositivi di dispersione e dalle geometrie che presentano; attualmente, tali dispositivi sono caratterizzati da conformazioni alettate che aumentano la superficie di scambio termico e producono uno scambio convettivo efficace, comportando un inevitabile aumento del peso e delle dimensioni dei sistemi di raffreddamento, nei quali sono inseriti.
E’ noto un secondo sistema di raffreddamento passivo, in cui il dispositivo di dispersione à ̈ un dissipatore a liquido; le lampade note sono costituite da dispositivi LED montati su placche metalliche rivolte verso l’esterno del bulbo, immersi in un liquido inerte che raffredda i componenti, permettendo un rapido raffreddamento del sistema, non sempre sufficiente però a smaltire il calore prodotto in seguito all’incremento del flusso luminoso.
Un sistema di raffreddamento attivo noto à ̈ caratterizzato da un dispositivo meccanico quale un elettroventilatore o una pompa a membrana, associato fisicamente ad un dispositivo di dispersione. Il suddetto dispositivo meccanico produce un flusso d’aria che attraversa il dispositivo di dispersione associato, permettendo una dissipazione efficace del calore prodotto, ma comportando una diminuzione della durata di vita stimata del dispositivo LED associato, un aumento del consumo elettrico del sistema riducendone l’affidabilità e una notevole rumorosità legata all’utilizzo di questi specifici dispositivi meccanici.
E’ noto un secondo sistema di raffreddamento attivo a getti d’aria caratterizzato da motori con diaframmi oscillanti, connessi fisicamente al dispositivo di dispersione, che generano getti d’aria direzionati e a portata limitata idonei al raffreddamento dei vari componenti del dispositivo LED, comportando una riduzione completa della rumorosità ma una diminuzione della durata di vita stimata del dispositivo LED associato, ed un aumento del consumo elettrico del sistema riducendone l’affidabilità .
Infine, sono noti sistemi di ottimizzazione dell’efficienza luminosa dei dispositivi LED, caratterizzati da sistemi ottici sofisticati e costosi, che presentano difficoltà di realizzazione mediante processi di stampaggio ad iniezione non idonei ad assicurare uniformità di spessore del collimatore caratteristico dei suddetti sistemi ottici.
I suddetti sistemi noti di ottimizzazione termica e luminosa non permettono un’idonea dissipazione del calore prodotto dal dispositivo LED, soprattutto quando il driver di alimentazione di tali dispositivi à ̈ caratterizzato da un incremento della corrente di ingresso applicata, sottoponendo il LED ad uno stress elettrico che comporta una diminuzione dell’efficienza luminosa dello stesso.
Inoltre, una dissipazione termica insufficiente espone il dispositivo LED ad uno stress meccanico, danneggiando la giunzione caratteristica del dispositivo LED, provocando la rottura dell’intero elemento, la delaminazione interna del punto di saldatura, e l’ingiallimento delle lenti del sistema ottico.
I suddetti sistemi di ottimizzazione non impediscono il decadimento del flusso luminoso in condizioni di stress termico, che si verifica con un innalzamento della temperatura ambiente e/o della temperatura di giunzione del dispositivo LED, non permettendo un utilizzo del suddetto dispositivo al di fuori della regione operativa per la quale à ̈ stato progettato, riducendo di circa sette volte la vita stimata di questo dispositivo LED.
Scopo quindi della presente invenzione à ̈ risolvere i suddetti problemi della tecnica anteriore, fornendo un sistema di ottimizzazione di un dispositivo fotoemettitore, che consente di migliorare l’efficienza termica e aumentare contemporaneamente l’efficienza luminosa del dispositivo stesso.
Un ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un sistema di ottimizzazione compatibile con tutte le tipologie di dispositivi fotoemettitori noti.
I suddetti ed altri scopi e vantaggi della presente invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un sistema di ottimizzazione di un dispositivo fotoemettitore come quello descritto nella rivendicazione indipendente. Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano l’oggetto delle rivendicazioni dipendenti.
Resta inteso che tutte le rivendicazioni allegate formano parte integrante della presente descrizione.
La presente invenzione verrà meglio descritta da alcune forme preferite di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la Figura 1 Ã ̈ una vista di una realizzazione preferita del sistema di ottimizzazione di un dispositivo fotoemettitore secondo la presente invenzione;
- la Figura 2 mostra una seconda realizzazione semplificata del sistema di ottimizzazione di un dispositivo fotoemettitore secondo la presente invenzione;
- le Figure 3 e 4 mostrano i grafici relativi all’andamento dell’emissione luminosa, in funzione del tempo, di un dispositivo fotoemettitore connesso al sistema di ottimizzazione secondo la presente invenzione, e dello stesso dispositivo fotoemettitore non connesso al suddetto sistema di ottimizzazione; e
- le Figure 5 e 6 mostrano i grafici relativi all’andamento dell’emissione termica, in funzione del tempo, di un dispositivo fotoemettitore connesso al sistema di ottimizzazione secondo la presente invenzione, e dello stesso dispositivo fotoemettitore non connesso al suddetto sistema di ottimizzazione.
Facendo riferimento alle Figure, à ̈ illustrata e descritta una forma di realizzazione preferita della presente invenzione. Risulterà immediatamente ovvio che si potranno apportare a quanto descritto innumerevoli varianti e modifiche (per esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalità equivalenti) senza discostarsi dal campo di protezione dell’invenzione come appare dalle rivendicazioni allegate.
Con riferimento alla Figura 1, il sistema di ottimizzazione 1 dell’efficienza termica e luminosa, secondo la presente invenzione, di un dispositivo fotoemettitore 2, quale un diodo ad emissione luminosa LED, o altro dispositivo idoneo, comprende almeno uno strumento elettronico di potenza 3, quale un convertitore statico chopper, un convertitore riduttore buck, un convertitore boost, o altro strumento idoneo.
Il suddetto sistema 1 comprende almeno un sistema rilevatore di stato 5, quale un sensore amperometrico o altro sensore idoneo, atto a rilevare le condizioni operative del dispositivo fotoemettitore 2, determinando almeno un valore di rapporto tra una tensione ed una corrente di alimentazione fornito al dispositivo 2 da un driver 6 a corrente costante e ad inviarlo ad un’unità di controllo 4, quale un circuito elettronico di regolazione a microprocessore o altra unità di controllo idonea.
Il sistema di ottimizzazione 1 comprende almeno una unità di controllo 4 idonea ad acquisire in ingresso, dal sistema rilevatore di stato 5, il suddetto valore di rapporto stabilendo in uscita un valore di rapporto inferiore a quello precedentemente acquisito; il valore di rapporto individua la tipologia di dispositivo fotoemettitore 2 connesso al sistema 1, rappresentando un’informazione operativa che l'unità 4 invia allo strumento elettronico di potenza 3.
Lo strumento elettronico di potenza 3, in funzione dell’informazione operativa ricevuta, converte i livelli di tensione e di corrente di alimentazione forniti dal driver 6 al dispositivo 2 in livelli di tensione e di corrente inferiori secondo il valore di rapporto ricevuto dall'unità operativa 4. Tale modalità d’azione dello strumento 3 permette l’alimentazione del dispositivo fotoemettitore 2 con una tensione ed con una corrente di alimentazione inferiori rispetto a quelle fornite dal suddetto driver 6, migliorando l’efficienza termica del dispositivo 2 e garantendo un flusso luminoso stabile, durante il periodo di utilizzo del dispositivo 2.
Lo strumento 3 induce nel dispositivo 2 una sovratensione di intensità , frequenza e durata idonea a determinare un raffreddamento della giunzione caratteristica del dispositivo 2, favorendo la gestione termica del dispositivo 2 stesso.
Il sistema 1 à ̈ compatibile con tutte le tipologie di dispositivi fotoemettitori noti, quali dispositivi ad alta potenza, ad alto voltaggio, tradizionali, ecc., permettendone l’ottimizzazione termica e luminosa, rilevando inizialmente le condizioni operative dei vari dispositivi e regolando poi le tensioni di alimentazione dei dispositivi stessi e inducendo sovratensioni idonee in questi ultimi.
In alternativa, così come à ̈ possibile notare nella Figura 2, il sistema di ottimizzazione 1 può essere semplificato comprendendo solo uno strumento elettronico di potenza 3 idoneo a regolare la tensione e la corrente di alimentazione fornite dal driver 6 connesso al dispositivo fotoemettitore 2, convertendole in una tensione ed in una corrente di livello inferiore secondo un valore di rapporto inizialmente noto, caratterizzante il dispositivo fotoemettitore specifico utilizzato.
Qui di seguito si fornirà una descrizione della Tabella risultante da una sperimentazione ottenuta confrontando, in funzione del tempo espresso in minuti, nelle medesime condizioni sperimentali, l’emissione luminosa espressa in Lux e l’emissione termica espressa in °C durante il funzionamento del dispositivo fotoemettitore 2 connesso al sistema di ottimizzazione 1, e dello stesso dispositivo fotoemettitore 2 non connesso al sistema di ottimizzazione 1.
Fotoemettitore Fotoemettitore con Sistema di
Ottimizzazione
INTERVALLI LUX °C LUX °C DI TEMPO
0 3030 22,0 2820 22,0 6 2990 33,0 2770 42,0 12 2960 41,0 2750 54,0 18 2930 46,0 2750 61,0 24 2920 49,0 2750 64,0 30 2910 50,0 2730 66,0 36 2910 51,0 2720 67,5 42 2910 51,5 2720 69,0 48 2910 52,0 2720 70,0 54 2910 52,5 2720 71,0 60 2910 53,0 2700 73,0 66 2910 53,0 --- ---
Le suddette condizioni sperimentali sono: temperatura ambiente costante in assenza di ventilazione pari a 22°C; tensione di alimentazione e corrente di alimentazione, fornite dal driver 6 connesso al dispositivo fotoemettitore 2, pari rispettivamente a 24 V e a 790 mAh; dispositivo di dispersione in alluminio associato al dispositivo fotoemettitore 2 di dimensioni pari a 100 mm x 88 mm x 35 mm, e di peso pari a 220 g.
Come mostrato nella suddetta Tabella, nel primo intervallo di misura il dispositivo fotoemettitore 2 ottimizzato presenta un’emissione luminosa pari a 3030 Lux ed un’emissione termica pari alla temperatura ambiente imposta di 22 °C, e il dispositivo fotoemettitore 2 non ottimizzato presenta un'emissione luminosa pari a 2820 Lux ed un'emissione termica pari alla temperatura ambiente imposta di 22 °C; nell’ultimo intervallo di misura, il dispositivo fotoemettitore 2 ottimizzato presenta un'emissione luminosa pari a 2910 Lux ed un'emissione termica pari a 53°C. Il dispositivo fotoemettitore 2 non ottimizzato, nel suddetto intervallo di misura, risulta interdetto; resta significativo il penultimo intervallo di misura in cui il dispositivo 2 non ottimizzato presenta un'emissione luminosa pari a 2700 Lux ed un'emissione termica pari a 73°C.
E’ evidente, come mostrato nel grafico di Figura 3 riportante in ascissa i dodici intervalli di tempo caratterizzanti la suddetta sperimentazione ed in ordinata i valori di flusso luminoso emessi dal dispositivo fotoemettitore 2 ottimizzato, come l’andamento del flusso luminoso emesso dal dispositivo 2 ottimizzato presenti un’intensità luminosa superiore a quella del flusso luminoso emesso dallo stesso dispositivo fotoemettitore 2 non ottimizzato per tutti gli intervalli di tempo, come mostrato nel grafico di Figura 4 riportante in ascissa i dodici intervalli di tempo ed in ordinata i valori di flusso luminoso emessi dal dispositivo fotoemettitore 2 non ottimizzato; ed à ̈ altresì evidente, come mostrato nel grafico di Figura 5 riportante in ascissa i dodici intervalli di tempo, ed in ordinata i valori di temperatura emessi dal dispositivo fotoemettitore 2 ottimizzato, come l’andamento dell’emissione termica del dispositivo 2 ottimizzato sia inferiore rispetto all’emissione termica dello stesso dispositivo 2 non ottimizzato per tutti gli intervalli di tempo, come mostrato nel grafico di Figura 6 riportante in ascissa i dodici intervalli di tempo, e in ordinata i valori di temperatura emessi dal dispositivo fotoemettitore 2 non ottimizzato.
In conclusione, à ̈ evidente, come mostrato in particolare nel grafico della Figura 3, come il dispositivo fotoemettitore 2 ottimizzato sia caratterizzato da un andamento stabile del flusso luminoso durante gli ultimi otto dei suddetti dodici intervalli di tempo e da un’emissione termica stabile pari a 54 °C; al termine dei suddetti dodici intervalli di tempo e per oltre 60 ore di attività , il dispositivo 2 ottimizzato risulta ancora caratterizzato da un’emissione termica stabile pari a 53°C, garantendo un’elevata efficienza termica e contemporaneamente un’elevata efficienza luminosa del dispositivo 2.
L’invenzione presenta i seguenti vantaggi:
- migliora l’efficienza termica e luminosa di un dispositivo fotoemettitore aumentandone la durata di vita stimata e le prestazioni, utilizzando un sistema di regolazione della tensione e della corrente di alimentazione del suddetto dispositivo;
- riduce le dimensioni di un dispositivo di dissipazione del calore associato ad un dispositivo fotoemettitore, riducendo lo spazio necessario al posizionamento del dispositivo di dissipazione e all’implementazione del dispositivo fotoemettitore;
- garantisce l’affidabilità di un dispositivo fotoemettitore essendo il sistema di ottimizzazione a cui à ̈ connesso, non caratterizzato dalla movimentazione di componenti meccaniche;
- garantisce la stabilità del flusso luminoso emesso da un dispositivo fotoemettitore non generando alcun fenomeno di sfarfallio;
- permette l’ottimizzazione termica e luminosa di tutte le tipologie di dispositivi fotoemettitori noti; e
- permette il posizionamento fisico di un dispositivo fotoemettitore in qualsiasi punto del circuito, senza comprometterne l’efficienza luminosa.
Sono state illustrate e descritte in precedenza alcune forme di realizzazione preferite della presente invenzione: ovviamente, agli esperti nel ramo risulteranno immediatamente evidenti numerose varianti e modifiche, funzionalmente equivalenti alle precedenti, che ricadono nel campo di protezione dell'invenzione come evidenziato nelle rivendicazioni allegate.
Claims (7)
- RIVENDICAZIONI 1. Sistema di ottimizzazione (1) di un dispositivo fotoemettitore (2), caratterizzato dal fatto di comprendere almeno uno strumento elettronico di potenza (3) atto a regolare almeno una tensione di alimentazione ad almeno una corrente di alimentazione assorbite da detto dispositivo fotoemettitore (2), ottimizzando l’efficienza termica e luminosa di detto dispositivo (2).
- 2. Sistema (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un sistema rilevatore di stato (5) atto a rilevare le condizioni operative di detto dispositivo fotoemettitore (2), determinando almeno un valore di rapporto tra almeno una tensione di alimentazione ed almeno una corrente di alimentazione fornite a detto dispositivo (2) da almeno un driver (6) a corrente costante.
- 3. Sistema (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre almeno un’unità di controllo (4) atta ad acquisire da detto sistema rilevatore di stato (5) almeno detto valore di rapporto, e a stabilire almeno un valore di rapporto inferiore a detto valore di rapporto acquisito, da inviare a detto strumento elettronico di potenza (3), individuando la tipologia di detto dispositivo (2).
- 4. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto almeno uno strumento elettronico di potenza (3) à ̈ atto a convertire almeno un livello di tensione di alimentazione ed almeno un livello di corrente di alimentazione forniti da detto driver (6) a detto dispositivo (2) in almeno un livello di tensione ed in almeno un livello di corrente inferiori in funzione di detto valore di rapporto ricevuto da detta unità di controllo (4).
- 5. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto almeno uno strumento elettronico di potenza (3) à ̈ atto a regolare detto livello di tensione di alimentazione e detto livello di corrente di alimentazione forniti da detto driver (6) a detto dispositivo (2), alimentando detto dispositivo (2) con detti livelli di tensione e di corrente di alimentazione convertiti, garantendo l’efficienza termica e luminosa di detto dispositivo (2).
- 6. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto almeno uno strumento elettronico di potenza (3) à ̈ atto ad indurre in detto dispositivo (2) almeno una sovratensione di intensità , frequenza e durata atte a determinare un raffreddamento di almeno una giunzione di detto dispositivo (2), favorendo l’efficienza termica di detto dispositivo (2).
- 7. Sistema (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto almeno un dispositivo fotoemettitore (2) Ã ̈ connesso elettricamente a detto sistema di ottimizzazione (1).
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