ITUB20154880A1 - Apparecchio di illuminazione di emergenza a carica immediata e relativo procedimento di carica e gestione dell?energia in fase di scarica - Google Patents
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Description
APPARECCHIO DI ILLUMINAZIONE DI EMERGENZA A CARICA IMMEDIATA E RELATIVO PROCEDIMENTO DI CARICA E GESTIONE
DELL'ENERGIA IN FASE DI SCARICA
La presente invenzione si riferisce, in genere, ad un apparecchio di illuminazione di emergenza a carica immediata ed al relativo procedimento di carica e gestione dell'energia in fase di scarica.
Gli apparecchi di illuminazione di emergenza di tipo noto utilizzano batterie elettrochimiche per immagazzinare l'energia di alimentazione necessaria nella fase di emergenza in cui vi è assenza di energia nella rete di alimentazione a cui sono collegati.
Successivamente al ritorno dell'energia nella rete elettrica a cui sono collegati, i suddetti apparecchi ricaricano le batterie ripristinandone lo stato di carica elettrica.
Sono normalmente utilizzate batterie elettrochimiche di tutti i tipi, dalle batterie al Nichel-Cadmio, alle batterie al Litio, alle batterie al Piombo.
Tuttavia, tutti questi tipi di accumulatori di energia, nonostante i continui miglioramenti tecnologici via via apportati alle varie tipologie, soffrono le seguenti limitazioni prestazionali:
innanzitutto, la carica degli accumulatori elettrochimici avviene solitamente in tempi di un ordine di grandezza maggiore dei tempi di scarica nominali (una batteria da lAh, che cioè si scarica in 1 ora con 1A, si ricarica normalmente in 12÷24 ore oppure in poche ore ma con accortezze e complessità particolari, con le conseguenze di aumentare lo stress del componente elettrochimico e di ridurne inevitabilmente la vita utile;
- inoltre, la vita utile nel funzionamento ciclico è limitata a qualche migliaio di cicli di carica e scarica e a pochi anni di funzionamento in standby, nel funzionamento "in tampone" {tipicamente 4÷5 anni, fino a 10 anni per le batteria stazionarie al Piombo di grossa taglia con elettrolita liquido e opportuna manutenzione di mantenimento).
Sono altresì noti apparecchi di illuminazione di emergenza, che utilizzano una serie di supercondensatori (supercapacitors) come elementi di accumulo dell'energia al posto di una batteria di accumulatori; ciò permette di ottenere una rapidissima carica completa dell'elemento di accumulo dell'energia di emergenza in presenza di alimentazione a 230V AC nella rete elettrica, con il vantaggio di avere l'apparecchio subito pronto per attivarsi in una nuova operazione di emergenza, se necessario.
Inoltre, la vita utile dell'apparecchio di emergenza può allungarsi notevolmente superando potenzialmente i 20 anni con oltre 500.000 cicli di emergenza possibili ed allungando notevolmente gli intervalli di manutenzione dei prodotti.
In particolare, i supercondensatori, anche chiamati "Supercapacitors" o "Ultrapacitors", sono condensatori elettrici di elevata capacità {oltre 50Q÷1000 F) in grado di immagazzinare una quantità di energia da uno a due ordini di grandezza superiore ai condensatori elettrolitici; sono costruiti secondo la tecnologia "EDLC" (Electric Double-Layer Capacitor) o tecnologie equivalenti, sopportano correnti di carica molto elevate e possono quindi immagazzinare energia molto velocemente, in modo da tollerare centinaia di migliaia di cicli di carica e scarica senza danneggiarsi.
Sono altresì caratterizzati da una densità di energia che è un ordine di grandezza inferiore a quella che contraddistingue le batterie elettrochimiche; in pratica, un supercondensatore da 1000F scaricato tra 2,5V e IV fornisce un'energia di circa 2600J in un volume di circa 80cm<3>, mentre una cella di batteria elettrochimica NiMH da 1,2V e 0,6Ah fornisce circa la stessa energia di 260QJ in un volume di 8cm<3>.
Queste funzioni superano i limiti menzionati in precedenza ed imposti dalle batterie elettrochimiche di tipo noto.
Tuttavia, esistono ancora limiti intrinseci nell 'utilizzo dei supercondensatori soprattutto nelle modalità di gestione della carica e, in generale, della loro funzionalità.
Scopo della presente invenzione è quello di ovviare agli inconvenienti citati e, in particolare, quello di realizzare un apparecchio di illuminazione di emergenza a carica immediata, che consenta una carica completa dell'elemento di accumulo dell'energia di emergenza in pochi minuti in presenza di alimentazione di rete.
Altro scopo della presente invenzione è quello di realizzare un apparecchio di illuminazione di emergenza a carica immediata, che presenti una vita utile estremamente lunga, rispetto all'arte nota, e contemporaneamente consentendo centinaia di migliaia di cicli di emergenza.
Altro scopo della presente invenzione è quello di indicare un procedimento di carica e gestione dell'energia in fase di scarica di un apparecchio di illuminazione di emergenza, che consenta di massimizzare l'MTBF in funzione della temperatura, adattandosi ad ogni condizione ambientale di utilizzo. Altro scopo dell'invenzione è quello di indicare un procedimento di carica e gestione dell'energia in fase di scarica di un apparecchio di illuminazione di emergenza, che consenta di massimizzare la durata o l'intensità luminosa delle sorgenti a LED in fase di emergenza.
Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di indicare un procedimento di carica e gestione dell'energia in fase di scarica di un apparecchio di illuminazione di emergenza, che consenta di effettuare un auto-test di funzionamento sia in condizioni di illuminazione ordinaria che in condizioni di emergenza. Non ultimo scopo dell'invenzione è quello di realizzare un apparecchio di illuminazione di emergenza, che possa essere configurato e comandato tramite l'interazione con uno smartphone, grazie ad una interfaccia NFC.
Questi ed altri scopi sono raggiunti da un apparecchio di illuminazione di emergenza a carica immediata, secondo la rivendicazione 1, e da un relativo procedimento di carica e gestione dell'energia in fase di scarica, secondo la rivendicazione 4; le altre rivendicazioni dipendenti contengono ulteriori caratteristiche tecniche di dettaglio dell'invenzione. Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione che segue, relativa ad un esempio di realizzazione esemplificativo e preferito, ma non limitativo, dell'apparecchio di illuminazione di emergenza, secondo la presente invenzione, e dai disegni annessi, anch'essi forniti a puro titolo esemplificativo e non limitativo, in cui:
- la figura 1 mostra una vista assonometrica dall'alto dell'apparecchio di illuminazione di emergenza a carica immediata secondo l'invenzione; - la figura 2 mostra una sezione longitudinale dell'apparecchio di illuminazione di emergenza a carica immediata, secondo la presente invenzione; - la figura 3 mostra una vista assonometrica dal basso dell'apparecchio di illuminazione di emergenza a carica immediata, secondo la presente invenzione, nella quale sono in evidenza gli accumulatori ed il circuito elettronico di controllo;
- la figura 4 mostra uno schema a blocchi del circuito elettronico di controllo dell'apparecchio di illuminazione di emergenza a carica immediata, secondo la presente invenzione.
Con riferimento alle figure menzionate, l'apparecchio di illuminazione di emergenza secondo l'invenzione presenta una custodia in plastica 10 suddivisa in due parti, costituite da un fondello 11 e da un coperchio 12 in plastica trasparente; il coperchio 12 integra un riflettore 14 della luce emessa dai circuiti di LED 13. Infatti, la sorgente luminosa è costituita da LED ad alta efficienza, montati su due circuiti 13, che sono integrati nel riflettore 14.
Il riflettore 14 è protetto dal coperchio trasparente 12, che si incastra superiormente all'apparecchio proteggendolo dagli agenti esterni e sigillandolo.
Una serie di supercondensatori 15 { "supercapacitors") sono montati nella parte interna dell'apparecchio, inferiormente al coperchio 12 ed al riflettore 14, insieme con un circuito elettronico 16 di governo e controllo dell'intero apparecchio di illuminazione.
I supercondensatori 15 sono particolari condensatori, che hanno la caratteristica di accumulare una quantità di carica elettrica eccezionalmente grande rispetto ai condensatori tradizionali; infatti, mentre questi ultimi hanno valori di capacità dell'ordine dei mF, i supercondensatori possono arrivare oltre i 5.000 F e sono dispositivi di conversione ed accumulo dell'energia caratterizzati da elevate potenze specifiche ed energie di gran lunga superiori rispetto ai condensatori convenzionali.
II montaggio dei supercondensatori 15 sulla parte interna del coperchio 12, insieme al circuito elettronico di controllo 16, facilita l'operazione di installazione poiché l'installatore può fissare alla parete il fondello 11 libero da altre parti e poi può incastrare comodamente il coperchio 12, che integra il riflettore 14, sul fondello 11, dopo aver collegato il cavo di alimentazione a quest'ultimo tramite il passacavi 17, senza altri vincoli di collegamento tra fondello 11 e coperchio 12.
Con particolare riferimento alla figura 4 allegata, il circuito elettronico di controllo 16 comprende:
- un alimentatore principale 20 (Offline Power Supply), che converte la tensione AC a 230V della rete elettrica 21 in bassa tensione continua (5÷15V) con la potenza necessaria per la carica rapida dei supercondensatori 15 (questo alimentatore/convertitore 20 provvede anche all'eventuale isolamento elettrico tra ingresso e uscita, se necessario per ragioni costruttive);
- un primo convertitore DC/DC di tipo buck 22 (High-Current Back Converter), che trasforma la tensione disponibile di 5÷15V in corrente regolata per la carica dei supercondensatori 15 (5÷10A), grazie anche al fatto che la corrente e la tensione di uscita sono regolabili e le intensità sono definite in ogni istante da un microcontrollore di gestione 23;
- un secondo convertitore DC/DC di tipo buck 24 (Low-Current Back Converter), che trasforma la tensione disponibile di 5÷15V in corrente regolata per l'alimentazione dei circuiti di LED 13 nel normale modo di funzionamento a lampada “Sempre Accesa" quando è presente la rete elettrica 21 a 230V (la corrente in uscita è regolabile e l'intensità è definita in ogni istante dal microcontrollore 23);
un convertitore DC/DC di tipo boost 25 (High Efficiency Boost Converter), che trasforma la bassa tensione disponibile dei supercondensatori 15 (0÷3V) in corrente regolata per l'alimentazione dei circuiti di LED 13 in uno stato di emergenza, quale l'assenza della rete elettrica 21 a 230V (anche in questo caso, la corrente in uscita è regolabile e l'intensità è definita in ogni istante dal microcontrollore 23);
- un microcontrollore 23, che governa e supervisiona il funzionamento dell'intero apparecchio determinandone lo stato, regolando i parametri dei convertitori di energia, gestendo le porte di comunicazione, preparando i messaggi da trasmettere ed interpretando i messaggi ricevuti;
un sensore di temperatura 26, che misura la temperatura interna dell'apparecchio e, in particolare, la temperatura in prossimità dei supercondensatori 15;
un sensore di presenza rete 27, che misura la tensione AC di ingresso per determinare le soglie di intervento della funzione di emergenza al mancare della rete elettrica 21;
- un sensore di stato SA, che misura la tensione AC 28 a valle dell'interruttore di accensione della lampada per determinare se la lampada è accesa o meno in presenza della rete di alimentazione 21;
- un modulo RFID tag con comunicazione NFC (Near Field Communication) 29 con memoria riscrivibile idonea per la lettura e scrittura dall'esterno mediante lo standard NFC; questo dispositivo può essere letto e scritto da un dispositivo mobile esterno, quale ad esempio uno smartphone abilitato 30, e, nello stesso tempo, può essere letto e scritto dal microcontrollore 23 dell'apparecchio di illuminazione (per sua natura il tag può essere letto e scritto dal dispositivo mobile esterno, che si comporta da "tag reader", anche in totale assenza di alimentazione dell'apparecchio di illuminazione di emergenza, vale a dire sia in assenza di rete 21 che con supercondensatori 15 scarichi);
- un modulo ricetrasmettitore radio (Ricetrasmettitore Radio Spread Spectrum) 31 opzionale per il telecontrollo dell'apparecchio di illuminazione di emergenza, utilizzabile affinché il microcontrollore 23 comunichi in remoto, mediante tale modulo radio 31, con un sistema di controllo a distanza, scambiando opportuni messaggi sulla porta seriale di comunicazione con il modulo radio stesso;
due interruttori MOSFET MI, M2, che collegano i circuiti dei LED 13, alternativamente, all'uscita del convertitore 24 per la funzione di lampada "Sempre Accesa" oppure all'uscita del convertitore 25 per la funzione di lampada accesa solo in emergenza.
Nell'esempio realizzativo dell'apparecchio di illuminazione di emergenza descritto secondo la presente invenzione, i supercondensatori 15 sono collegati in parallelo tra loro per eliminare le problematiche relative al bilanciamento della carica elettrica tra i vari elementi costitutivi della batteria, ma non è da escludere una configurazione in serie con opportuni circuiti di bilanciamento di carica per evitare il determinarsi di tensioni eccessive su singoli elementi della serie.
In ogni caso, il collegamento in parallelo semplifica maggiormente l'architettura circuitale della batteria di supercondensatori 15.
La vita utile dei supercondensatori 15 dipende da due parametri fondamentali, quali la temperatura e la tensione di lavoro e, in generale, vale la legge di Arrhenius in base alla quale 1'MTBF {Mean Time Between Failure) del componente si dimezza ad ogni innalzamento di 10°K della temperatura, nella gamma delle temperature di funzionamento normali (da -40°C a 70°C) ed un meccanismo analogo vale per la tensione.
Infatti, 1'MTBF è legato in modo fortemente non lineare alla tensione di lavoro, in quanto ad ogni aumento di 200-300mV della tensione di lavoro dimezza l'MTBF, fino alla tensione massima specificata dal costruttore in corrispondenza della quale l'MTBF raggiunge un valore minimo.
Il funzionamento dell'apparecchio di illuminazione di emergenza a carica immediata, secondo la presente invenzione, è sostanzialmente il seguente.
L'apparecchio di illuminazione di emergenza utilizza i supercondensatori 15 come elementi di accumulo dell'energia elettrica necessaria per la funzione di emergenza, al posto delle batterie elettrochimiche, e prevede i seguenti stati di funzionamento.
In presenza di alimentazione a 230V AC sulla rete elettrica 21 a cui l'apparecchio è collegato, all'uscita dell'alimentatore 20 è presente una tensione continua, ad esempio regolata a 12V.
Il microcontrollore 23 è funzionante regolarmente, alimentato anch'esso dalla stessa sorgente, e misura la tensione Vcap dei supercondensatori 15, in modo tale che, se i supercondensatori 15 sono scarichi, il microcontrollore 23 attiva il convertitore 22 impostando la corrente di carica al valore massimo per completare la fase di carica nel minor tempo possibile (per esempio, un supercondensatore 15 da 1000F si può caricare in circa 6 minuti con una corrente di 5A). Al termine della carica a corrente costante, ad esempio fissata a 5A, raggiunta la tensione desiderata di carica (impostata dal microcontrollore 23), il convertitore DC/DC di tipo buck 22 mantiene la tensione dei supercondensatori 15 regolata a tale valore.
Il valore della tensione di carica è determinato dal microcontrollore 23 in funzione della temperatura Tcap rilevata in prossimità dei supercondensatori 15 stessi. Per massimizzare la vita utile (MTBF) dei supercondensatori 15, il microcontrollore 23 dovrebbe mantenere la tensione di lavoro Vcap regolata al valore più basso possibile, mentre per massimizzare le prestazioni di emergenza (durata e intensità della luce) dovrebbe mantenere, in controtendenza, tale tensione Vcap ad un valore più alto possibile.
Per ogni diverso valore di temperatura Tcap dei supercondensatori 15 esiste un valore Vcap massimo a cui corrisponde un valore di MTBF desiderato.
Il microcontrollore 23 misura continuamente la temperatura Tcap in prossimità dei supercondensatori 15 e regola la tensione Vcap al valore massimo possibile corrispondente all'MTBF configurato per l'apparecchio di emergenza,
Questa funzione è molto utile per massimizzare sempre le prestazioni dell'apparecchio di emergenza; infatti, l'energia disponibile nei supercondensatori 15 è funzione quadratica della tensione di carica e, per ottenere il flusso luminoso dell'apparecchio di emergenza più elevato possibile, a parità di durata della funzione di emergenza, occorre mantenere la tensione Vcap più alta possibile sui supercondensatori 15 (per esempio, l'energia disponibile per un supercondensatore 15 da 1000F caricato a 2,5V è di circa 2600J, mentre lo stesso caricato a 2,7V immagazzina quasi 3200J; nel primo caso, a parità di temperatura Tcap di lavoro, l'MTBF è doppio, rispetto al secondo caso, passando ad esempio da 20 anni a 10 anni, tuttavia, nel secondo caso è possibile aumentare il flusso luminoso nello stato di emergenza del 23%, a parità di durata, quale ad esempio 1 ora di autonomia). E' quindi evidente come il microcontrollore 23 possa vantaggiosamente regolare la tensione di carica dei supercondensatori 15 tenendo conto delle informazioni registrate in una tabella nella propria memoria, in cui, per ogni possibile temperatura Tcap, è registrato il valore di tensione Vcap massima possibile per rispettare un determinato MTBF del componente.
Il microcontrollore 23, allo stesso tempo, è in grado di impostare la corrente di scarica dei supercondensatori 15 (come descritto meglio più avanti) per massimizzare ad esempio il flusso luminoso in emergenza in funzione della tensione di carica stessa, a parità di durata della funzione di emergenza, o viceversa è in grado di massimizzare la durata della funzione di emergenza mantenendo la luminosità ad un valore minimo prefissato.
In presenza di alimentazione di rete 21, se una funzione di lampada "Sempre Accesa" è configurata attiva e se il sensore di stato SA dell'interruttore rileva la presenza di una tensione a 230V AC, il microcontrollore 23 accende anche il convertitore 24 e l'interruttore MOSFET MI per pilotare i circuiti di LED 13 a corrente costante al valore desiderato, per ottenere la luminosità richiesta.
Viceversa, se l'interruttore dell'impianto elettrico collegato alla lampada dell'apparecchio di illuminazione di emergenza dell'invenzione è spento e quindi non si rileva tensione AC da parte del sensore di stato SA, il microcontrollore 23 mantiene spenti il convertitore 24 e l'interruttore MOSFET MI, pur in presenza di rete 21 sulla porta principale di alimentazione dell'apparecchio di emergenza.
Nello stato di presenza di alimentazione di rete 21 l'interruttore MOSFET M2 è sempre spento, così come il convertitore 25 è sempre spento.
Inoltre, il microcontrollore 23 misura lo stato del sensore 27 di presenza dell'alimentazione di rete; non appena la tensione di rete 23QV AC cala inferiormente ad una soglia impostata, il microcontrollore 23 attiva immediatamente il convertitore 25, dopo aver spento il MOSFET MI ed aver acceso il MOSFET M2.
La corrente di pilotaggio dei circuiti di LED 13 in funzione di emergenza è impostata dal microcontrollore 23 al valore desiderato, mediante una opportuna regolazione dei parametri di funzionamento del convertitore 25 effettuata dal microcontrollore stesso. Il convertitore 25 è in grado di funzionare in quasi tutto l'intervallo delle tensioni operative dei supercondensatori 15, fornendo in tutto l'intervallo la corrente di uscita costante al valore fissato.
Secondo forme preferite di realizzazione, i LED dei circuiti di LED 13 sono tutti collegati in parallelo tra loro e, quindi, hanno una tensione di funzionamento di circa 3V, mentre l'ingresso del convertitore 25 può variare da circa 3V, con supercondensatori 15 completamente carichi, fino a 0,2÷0,3V, quando i supercondensatori 15 sono completamente scarichi.
Il convertitore 25 ha una elevata efficienza di conversione {ad esempio pari al 90%) per il migliore sfruttamento possibile dell'energia accumulata ed è ad esempio del tipo con rettificatore sincrono.
Lo stato di emergenza perdura fino a quando il sensore 27 non rivela nuovamente la presenza di alimentazione di rete a 230V AC o fino a quando è stata consumata tutta l'energia disponibile.
L'intensità di corrente nei LED {e quindi l'intensità luminosa in emergenza) è determinata dal microcontrollore 23 in base alle seguenti differenti strategie impostabili in fase di configurazione.
A) Massimizzazione di luce - in questo caso, il microcontrollore 23, conoscendo lo stato del supercondensatori 15 (e, in particolare, la tensione iniziale) e determinandone la derivata di scarica nel tempo durante il primo minuto di funzionamento ad una intensità luminosa prefissata, è in grado di calcolare l'energia disponibile nel supercondensatore 15 stesso, in quanto i supercondensatori 15 sono scaricati a corrente costante e quindi la tensione di scarica decresce linearmente; il microcontrollore 23 calcola così facilmente la derivata della tensione di scarica, che è la pendenza negativa della retta di scarica, e, in base a questa informazione, può calcolare il massimo valore di corrente {e quindi il flusso luminoso) disponibile per mantenere la durata minima richiesta della funzione di emergenza; il valore calcolato è quindi impostato sul convertitore 25 e la lampada completa la funzione di emergenza in base a tale valore, massimizzando quindi il flusso luminoso in base all'energia disponibile.
B) Massimizzazione di durata - in questo caso, il microcontrollore 23 mantiene acceso il convertitore 25 impostando il valore di corrente di uscita minimo che è stato configurato, finché l'energia disponibile non è esaurita, massimizzando così la durata della funzione di emergenza.
L'apparecchio di illuminazione di emergenza secondo l'invenzione è anche dotato di un funzionamento di “auto-test"; in pratica, il microcontrollore 23, periodicamente ed in presenza di rete di alimentazione 21 a 230V AC, simula una condizione di emergenza spegnendo i convertitori 24 e 22 ed il MOSFET MI ed accendendo il convertitore 25 ed il MOSFET M2, impostando poi un valore di corrente predefinito sui circuiti di LED 13.
Il microcontrollore 23 misura la derivata (la pendenza negativa) della tensione di scarica dei supercondensatori 15 durante il primo minuto ed è così in grado di determinare con precisione la durata effettiva della funzione di emergenza in quelle condizioni di funzionamento.
La scarica, infatti, avviene a corrente costante e quindi la tensione cala linearmente in funzione del tempo trascorso fino alla tensione minima di funzionamento .
La diagnosi della funzione di emergenza viene quindi effettuata realizzando un test completo della funzione di emergenza stessa in una frazione di tempo rispetto alla durata effettiva; per esempio, se la durata prevista è di 60 minuti, in un solo sessantesimo della durata l'apparecchio ha diagnosticato la sua efficacia di emergenza.
Il microcontrollore 23 può anche scambiare messaggi con un sistema di controllo remoto mediante il ricetrasmettitore radio 31 per l'eventuale telecontrollo dell'apparecchio di emergenza; in tale modalità le funzioni possibili sono le seguenti:
configurazione dei parametri di funzionamento dell'apparecchio da remoto (durata dell'autonomia in emergenza, flusso luminoso in emergenza, modalità di funzionamento a flusso luminoso massimizzato o a durata massimizzata, tempo di ricarica, flusso luminoso in modalità di lampada “Sempre Accesa", soglie di intervento della funzione di emergenza, modalità di funzionamento “Sempre Accesa" o “Sempre in Emergenza", modalità di esecuzione dei test di funzionamento,...); - lettura dello stato di funzionamento da remoto;
- lettura delle informazioni di diagnostica da remoto; - attivazione di test funzionali e di autonomia;
- accensione e spegnimento da remoto.
Secondo ulteriori forme realizzative preferite, l'apparecchio di illuminazione di emergenza può incorporare un dispositivo RFID tag 29, che consente una interazione di tipo evoluto con l'utente.
Il tag 29 ha al suo interno una memoria “Read-and-Write" di tipo permanente, che può essere letta e scritta sia dal microcontrollore 23 che da un dispositivo mobile esterno, quale per esempio uno smartphone 30, mediante il protocollo NFC ( "Near Field Communication"), che consente la lettura e scrittura di dati sul tag 29 a breve distanza dal tag 29 stesso (1÷10 cm).
Il tag 29 consente la lettura e la scrittura da parte del dispositivo mobile esterno anche quando la lampada dell'apparecchio di illuminazione di emergenza secondo l'invenzione è completamente disalimentata.
L'interfaccia descritta, incorporata nell'apparecchio di illuminazione di emergenza in questione, consente quindi l'interazione completa dell'utente con l'apparecchio stesso mediante l'interfaccia utente del dispositivo mobile.
Utilizzando come dispositivo mobile uno smartphone 30, ad esempio con sistema operativo “Android", è possibile realizzare un'interfaccia molto completa e “userfriendly", mediante la quale si può configurare il funzionamento dell'apparecchio di illuminazione di emergenza in qualsiasi momento, anche da spento e anche prima dell'installazione dell'apparecchio stesso.
L'installatore, in particolare, può vantaggiosamente configurare l'apparecchio nella propria azienda prima dell'installazione vera e propria, servendosi semplicemente dello smartphone sul quale ha opportunamente installato una applicazione di configurazione appositamente fornita dal costruttore dell'apparecchio di illuminazione di emergenza.
In questo modo vi è una più ampia possibilità di configurazione dei parametri di funzionamento dell'apparecchio, rispetto alle modalità tradizionali di configurazione con interruttori e selettori elettromeccanici, che riducono la scelta a poche possibilità.
Con tale nuova interfaccia l'utente può configurare tutte le seguenti caratteristiche:
durata dell'autonomia in emergenza, con una risoluzione di 1 minuto {ad esempio da 1 a 240 minuti); - flusso luminoso in emergenza (ad esempio impostando un valore qualsiasi da 50 lumen a 200 lumen);
scelta della modalità di funzionamento a flusso luminoso massimizzato o a durata massimizzata;
- tempo di ricarica (ad esempio impostando un valore da 5 minuti a 60 minuti);
flusso luminoso in modalità di lampada “Sempre Accesa", ad esempio impostando un numero da 20 lumen a 300 lumen (questa funzione consente di impostare un funzionamento a flusso luminoso estremamente ridotto per l'utilizzo nei locali di pubblico spettacolo dove le luci di fondo di sala possono disturbare durante il funzionamento in presenza di alimentazione di rete); soglie di intervento della funzione di emergenza, impostandone il valore (questa funzione consente di specializzare il funzionamento del prodotto per adattarlo a esigenze di mercato diverse);
tempi di intervento della funzione di emergenza (questa funzione consente di specializzare il funzionamento del prodotto per adattarlo a esigenze di mercato diverse);
- eventuale ritardo di spegnimento della funzione di emergenza al ritorno dell'alimentazione di rete e tempo di mantenimento dopo il ritorno della rete;
- modalità di funzionamento “Sempre Accesa" oppure “Sempre in Emergenza";
- modalità di esecuzione dei test di funzionamento;
- configurazione di altri eventuali parametri.
L'interfaccia NFC può essere utilizzata anche durante il funzionamento normale dell'apparecchio, oltre che per riconfigurare alcuni parametri, per “scaricare" eventuali informazioni di diagnostica memorizzate nel tag 29 dove sono state depositate dal microcontrollore 23 durante il funzionamento, come ad esempio l'esito degli ultimi auto-test effettuati.
Questa funzione è particolarmente interessante qualora l'altra interfaccia di comunicazione radio 31 per il sistema di controllo remoto a distanza non sia inclusa nell'apparecchio .
Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche dell'apparecchio di illuminazione di emergenza a carica immediata e del procedimento di carica e gestione dell'energia in fase di scarica, che è oggetto della presente invenzione, così come chiari ne risultano i vantaggi.
In particolare, gli elementi innovativi ed i vantaggi maggiormente importanti sono i seguenti:
- l'apparecchio di illuminazione di emergenza secondo l'invenzione impiega una serie di supercondensatori effettuando una ricarica completa di energia in un tempo ridottissimo rispetto alla durata della funzione di emergenza (ricarica completa in 5 minuti a fronte di una durata di 60, 120, 180 o 240 minuti in emergenza);
l'impianto di illuminazione di emergenza è subito pronto, dopo un black-out, per una nuova fase di emergenza completa trascorsi appena 5 minuti dal ripristino dell'alimentazione elettrica di rete;
- l'apparecchio di illuminazione di emergenza presenta una vita utile degli elementi di accumulo dell'energia (supercondensatori) maggiore di 10 anni e fino ad oltre 20 anni, rispetto all'arte nota, consentendo di ridurre altresì in modo notevole la manutenzione rispetto alle batterie elettrochimiche tradizionali;
la tensione di ricarica dei supercondensatori è regolabile in funzione della temperatura di lavoro, secondo una tabella predefinita di ottimizzazione, al fine di massimizzare la vita utile (MTBF) e, allo stesso tempo, massimizzare le prestazioni della funzione di emergenza;
- la funzione di emergenza è configurabile in modalità a "massimizzazione di intensità luminosa" o a “massimizzazione di durata";
è possibile effettuare un auto-test reale della funzione di emergenza in una frazione di tempo della durata stessa {ad esempio 1 minuto), senza distinguere tra "test funzionali" di breve durata (utili alla sola verifica dell'accensione della lampada in modalità di emergenza) e "test di autonomia" (necessari per misurare l'effettiva autonomia), in quanto un unico tipo di test breve (1 minuto) rende disponibile il risultato completo (funzionamento e autonomia);
- è possibile utilizzare un RFID tag con comunicazione NFC per l'interazione a corto raggio con l'apparecchio di emergenza, anche da spento (questa interfaccia consente una facile e comoda configurazione dell'apparecchio stesso con uno smartphone ed una opportuna "Applicazione" e rende possibile la lettura di informazioni caricate dal microcontrollore nel tag stesso durante il funzionamento;
- è possibile impiegare una interfaccia radio di tipo spread spectrum per il telecontrollo a distanza dell'apparecchio e delle sue funzioni»
E' chiaro, infine, che altre varianti possono essere apportate all'apparecchio di illuminazione di emergenza ed al procedimento di carica in questione, senza per questo uscire dai principi di novità insiti nell'idea inventiva oggetto delle rivendicazioni allegate.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Apparecchio di illuminazione di emergenza, comprendente una custodia (10) suddivisa in un fondello (11) ed un coperchio (12) trasparente, che integra, inferiormente ad esso, un riflettore (14) della luce emessa da una pluralità di LED montati su appositi circuiti (13) posti all'interno di detto riflettore (14), in cui, inferiormente a detto coperchio (12) e a detto riflettore (14), sono montati una serie di supercondensatori (15), collegati in serie o in parallelo fra loro, che risultano fissati sulla parte interna di detto coperchio (12), insieme con un circuito elettronico (16) di governo e controllo dell'apparecchio di illuminazione di emergenza, a cui detti supercondensatori (15) sono connessi, caratterizzato dal fatto che detto circuito elettronico (16) di controllo comprende un alimentatore principale (20), che converte la tensione AC a 230V della rete elettrica (21) in bassa tensione continua con una potenza necessaria per una carica rapida di detti supercondensatori (15), un primo convertitore DC/DC di tipo buck (22), che trasforma detta bassa tensione continua disponibile in corrente regolata per la carica di detti supercondensatori (15), un secondo convertitore DC/DC di tipo buck (24), che trasforma detta bassa tensione continua disponibile in corrente regolata per l'alimentazione di detti circuiti (13) di LED, un convertitore DC/DC di tipo boost (25), che trasforma detta bassa tensione disponibile dei supercondensatori (15) in corrente regolata per l'alimentazione di detti circuiti {13) di LED in uno stato di emergenza, quale l'assenza della rete elettrica (21) a 230V, un microcontrollore (23), che governa il funzionamento di detto apparecchio di illuminazione di emergenza, un sensore di temperatura (26), che misura la temperatura dell'apparecchio in prossimità dei supercondensatori (15), un sensore di presenza (27) della rete elettrica (21) di alimentazione, che misura la tensione AC di ingresso per determinare le soglie di intervento di una funzione di emergenza al mancare della rete elettrica (21), un sensore di stato (SA), che misura la tensione AC (28) a valle di un interruttore di accensione di detto apparecchio di illuminazione per determinare se detto apparecchio è acceso o meno in presenza della rete elettrica (21) di alimentazione, e due interruttori MOSFET (MI, M2), che collegano detti circuiti (13) dei LED, alternativamente, all'uscita di detto secondo convertitore DC/DC di tipo buck (24) oppure all'uscita di detto convertitore DC/DC di tipo boost (25), a seconda della modalità di accensione dell'apparecchio.
- 2. Apparecchio di illuminazione di emergenza come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto circuito elettronico (16) di controllo include un modulo RFID tag con comunicazione NFC (29), con memoria riscrivibile, connesso ad un dispositivo mobile esterno, quale uno smartphone abilitato (30), ed atto a comunicare con detto microcontrollore (23).
- 3, Apparecchio di illuminazione di emergenza come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto circuito elettronico (16) di controllo include un modulo ricetrasmettitore radio (31), che consente a detto microcontrollore (23) di comunicare in remoto con un sistema di controllo a distanza.
- 4. Procedimento di carica e gestione dell'energia in fase di scarica di un apparecchio di illuminazione di emergenza come ad almeno una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi: - misurazione della tensione (Vcap) ai capi di detti supercondensatori (15) e, nel caso di supercondensatori (15) scarichi, attivazione di detto primo convertitore DC/DC di tipo buck (22) con impostazione di una corrente di carica ad un valore massimo costante per effettuare una fase di carica nel minor tempo possibile e raggiungere un valore di tensione prefissato di carica in funzione del valore di temperatura (Tcap) rilevata in prossimità di detti supercondensatori (15); misurazione in continuo di detto valore di temperatura (Tcap) e regolazione di detto valore di tensione sino ad un valore massimo per rispettare un determinato MTBF di detto apparecchio di illuminazione; - impostazione di una corrente di scarica di detti supercondensatori (15) per massimizzare un flusso luminoso in condizioni di illuminazione di emergenza in funzione di detta tensione di carica, a parità di durata della condizione di illuminazione di emergenza, o per massimizzare la durata della condizione di illuminazione di emergenza mantenendo detto flusso luminoso ad un valore minimo prefissato.
- 5. Procedimento di carica e gestione dell'energia in fase di scarica come alla rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che, in presenza di alimentazione di rete (21) ed in presenza di una condizione di apparecchio sempre acceso, detto microcontrollore (23), nel caso in cui un sensore di stato (SA) di un interruttore collegato a detto apparecchio di illuminazione di emergenza rilevi la presenza di una tensione a 230V AC, accende detto secondo convertitore DC/DC di tipo buck (24) ed uno di detti interruttori MOSFET (MI) per pilotare detti circuiti (13) di LED a corrente costante ad un valore prefissato per ottenere una luminosità prefissata.
- 6. Procedimento di carica e gestione dell'energia in fase di scarica come alla rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che, nel caso in cui un sensore di stato (SA) di un interruttore collegato a detto apparecchio di illuminazione di emergenza dell'invenzione non rilevi la presenza di una tensione a 230 V AC, detto microcontrollore (23) mantiene spenti detto secondo convertitore DC/DC di tipo buck {24) ed uno di detti interruttori MOSFET (MI), anche in presenza di alimentazione di rete (21).
- 7. Procedimento di carica e gestione dell'energia in fase di scarica come ad almeno una delle rivendicazioni da 4 a 6, caratterizzato dal fatto che, in presenza di alimentazione di rete (21), uno di detti interruttori MOSFET (M2) è sempre spento, così come detto convertitore DC/DC di tipo boost (25).
- 8. Procedimento di carica e gestione dell'energia in fase di scarica come ad almeno una delle rivendicazioni da 4 a 7, caratterizzato dal fatto che detto microcontrollore (23) misura lo stato di un sensore (27) di presenza dell'alimentazione di rete e, non appena la tensione di rete cala inferiormente ad una soglia impostata, detto microcontrollore (23) attiva detto convertitore DC/DC di tipo boost (25), dopo aver spento uno di detti interruttori MOSFET (MI) ed aver acceso l'altro interruttore MOSFET (M2).
- 9. Procedimento di carica e gestione dell'energia in fase di scarica come ad almeno una delle rivendicazioni da 4 a 8, caratterizzato dal fatto che detto microcontrollore (23) determina l'intensità di corrente nei circuiti (13) di LED e, quindi, l'intensità luminosa, in condizioni di emergenza, in base ad un criterio di massimizzazione di luce o di massimizzazione di durata, ovvero, rispettivamente, calcolando l'energia disponibile nei supercondensatori (15), la derivata della tensione di scarica ed il massimo valore di corrente e, quindi, di flusso luminoso disponibile per mantenere una durata minima richiesta in condizioni di illuminazione di emergenza, o impostando un valore di corrente di uscita minimo finché l'energia disponibile non è esaurita.
- 10. Procedimento di carica e gestione dell'energia in fase di scarica come ad almeno una delle rivendicazioni da 4 a 9, caratterizzato dal fatto che detto microcontrollore (23), periodicamente ed in presenza di alimentazione di rete (21), simula una condizione di emergenza spegnendo detti primo e secondo convertitore DC/DC di tipo buck (22, 24) ed uno di detti interruttori MOSFET (MI) ed accendendo detto convertitore DC/DC di tipo boost (25) e l'altro interruttore MOSFET (M2), impostando poi un valore di corrente predefinito su detti circuiti (13) di LED 13, detto microcontrollore (23) essendo altresì configurato per misurare la derivata della tensione di scarica di detti supercondensatori (15) durante un primo intervallo di tempo prefissato, al fine di determinare la durata effettiva della funzione di emergenza in condizioni di illuminazione di emergenza, in quanto la scarica avviene a corrente costante e quindi la tensione cala linearmente in funzione del tempo trascorso fino ad una tensione minima di funzionamento, detta simulazione della funzione di emergenza essendo quindi effettuata realizzando un test completo di detta funzione di emergenza stessa in una frazione di tempo rispetto alla sua durata effettiva.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| ITUB2015A004880A ITUB20154880A1 (it) | 2015-10-22 | 2015-10-22 | Apparecchio di illuminazione di emergenza a carica immediata e relativo procedimento di carica e gestione dell?energia in fase di scarica |
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| ITUB2015A004880A ITUB20154880A1 (it) | 2015-10-22 | 2015-10-22 | Apparecchio di illuminazione di emergenza a carica immediata e relativo procedimento di carica e gestione dell?energia in fase di scarica |
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| ITUB2015A004880A ITUB20154880A1 (it) | 2015-10-22 | 2015-10-22 | Apparecchio di illuminazione di emergenza a carica immediata e relativo procedimento di carica e gestione dell?energia in fase di scarica |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024105707A1 (en) * | 2022-11-17 | 2024-05-23 | Beghelli S.P.A. | Self-powered multifunction emergency lighting device |
-
2015
- 2015-10-22 IT ITUB2015A004880A patent/ITUB20154880A1/it unknown
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| WO2024105707A1 (en) * | 2022-11-17 | 2024-05-23 | Beghelli S.P.A. | Self-powered multifunction emergency lighting device |
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