ITVI20100013A1 - Dispositivo di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica - Google Patents
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Description
DISPOSITIVO DI ILLUMINAZIONE PUBBLICA AD ALTA
EFFICIENZA ENERGETICA
-------
La presente invenzione si riferisce, in generale, ad un dispositivo di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica.
Più in particolare, l’invenzione riguarda un lampione o lampioncino o faro, impiegabile per l’illuminazione stradale, a LED ad elevatissima efficienza luminosa. I lampioni e/o fari per l'illuminazione stradale (le cosiddette “armature stradali†) generalmente utilizzati sinora comprendono una unità illuminante, posta normalmente alla sommità di un palo di sostegno ed inserita all'interno di un portalampada che può assumere varie configurazioni estetiche.
La suddetta unità illuminante include una o più lampade di illuminazione, ciascuna connessa elettricamente al rispettivo portalampada, atte a proiettare la luce verso il basso, sulla carreggiata stradale.
Anche se sistemi di questo tipo sono tradizionalmente e largamente utilizzati, presentano alcuni inconvenienti, primo fra tutti quello relativo alla scarsa efficienza luminosa e/o energetica.
In particolare, sarebbe oltremodo conveniente poter disporre di un lampione o faro stradale, atto a garantire un basso impatto ambientale, un limitato consumo di energia elettrica, e, al contempo, un buon illuminamento anche in condizioni di scarsa visibilità . Nell'ambito delle esigenze sopra menzionate, scopo della presente invenzione à ̈, quindi, quello di realizzare un dispositivo di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica, che consenta l’ottenimento di una elevatissima efficienza luminosa, rispetto alla tecnica nota, riducendo altresì i consumi di energia elettrica per la propria alimentazione, rispetto alle convenzionali lampade ad incandescenza.
Altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un dispositivo di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica, che risulti estremamente affidabile nel tempo, efficiente e funzionale per qualsiasi esigenza, nonché semplice e rapido da installare ed economico da realizzare.
Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un dispositivo di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica, che consenta altresì di rendere visibile il manto ed il bordo stradale anche in condizioni di scarsa visibilità .
Questi ed altri scopi, secondo la presente invenzione, sono raggiunti realizzando un dispositivo di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica, secondo la rivendicazione 1 allegata.
Ulteriori varianti realizzative di dettaglio sono descritte nelle rivendicazioni dipendenti successive. In modo vantaggioso, l’invenzione riguarda il funzionamento intelligente di una “armatura stradale†o “lampione†, impiegabile in particolare per l’illuminazione stradale, che utilizza, come sorgente luminosa, un modulo emettitore a LED di potenza con ottica e dissipatore integrali, in modo da garantire un basso impatto ambientale, visti i minori consumi di energia elettrica che i diodi LED necessitano per l’alimentazione, rispetto alle convenzionali lampade ad incandescenza a gas.
Il dispositivo di illuminazione pubblica a diodi LED, oggetto dell’invenzione, include altresì un alimentatore elettronico a controllo radio, eventuali sensori accessori per la misurazione delle condizioni del traffico e/o di parametri ambientali ed un involucro o custodia di contenimento e protezione.
La seguente tabella riassume le caratteristiche di base e le prestazioni fotometriche del dispositivo di illuminazione pubblica secondo la presente invenzione:
Tipo lampione 72 LED 54 LED 46 LED Flusso netto 7.040 lumen 5.285 lumen 4.480 lumen Potenza elettrica assorbita 89 W 67 W 58 W Efficienza energetica apparecchio 79 lumen/W 79 lumen/W 77 lumen/W Risparmio di potenza rispetto ad un
lampione da 175W con
alimentatore ferromagnetico 49% 62% 67% Energia risparmiata ogni anno
rispetto al lampione da 175W con
alimentatore ferromagnetico (piena
potenza per 11,5 ore al giorno) 360,99 kWh 453,33 kWh 491,11 kWh Ulteriori caratteristiche e vantaggi di un dispositivo di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica, secondo l’invenzione, risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, relativa ad una sua forma di realizzazione esemplificativa e preferita, ma non limitativa, e dai disegni allegati, in cui:
- la figura 1 mostra una vista prospettica dall’alto del dispositivo di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica, secondo l’invenzione;
- la figura 2 mostra una vista prospettica dal basso del dispositivo di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica, secondo l’invenzione;
- la figura 3 mostra una vita in pianta dall’alto del dispositivo di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica, secondo l’invenzione;
- la figura 4 mostra una vista in pianta dal basso del dispositivo di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica, secondo l’invenzione;
- le figure 5A e 5B sono due viste prospettiche dall’alto, con il coperchio in trasparenza, del dispositivo di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica, secondo l’invenzione;
- la figura 6 à ̈ una vista prospettica dal basso, con la base della custodia in trasparenza, del dispositivo di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica, secondo l’invenzione;
- le figure 7 e 8 sono due viste prospettiche dall’alto dell’emettitore a LED incorporato nel dispositivo di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica, secondo l’invenzione;
- la figura 9 à ̈ una vista prospettica dal basso dell’emettitore a LED di cui alle figure 7 e 8, secondo la presente invenzione;
- le figure 10 e 11 mostrano delle viste parzialmente in sezione trasversale dell’emettitore a LED di cui alle figure 7 e 8, secondo la presente invenzione;
- la figura 12 à ̈ una sezione trasversale completa dell’emettitore a LED di cui alle figure 7 e 8, secondo la presente invenzione;
- le figure 13 e 14 mostrano delle viste parzialmente in sezione longitudinale dell’emettitore a LED di cui alle figure 7 e 8, secondo la presente invenzione;
- la figura 15 à ̈ un diagramma dell’intensità luminosa relativa emessa da una prima tipologia di diodi LED presenti nell’emettitore di cui alle figure 7 e 8, secondo la presente invenzione;
- la figura 16 à ̈ un diagramma dell’intensità luminosa relativa emessa da una seconda tipologia di diodi LED presenti nell’emettitore di cui alle figure 7 e 8, secondo la presente invenzione;
- la figura 17 à ̈ una vista schematica del posizionamento dei diodi LED di potenza nell’emettitore di cui alle figure 7 e 8, secondo la presente invenzione;
- la figura 18 mostra schematicamente una serie di raggi di luce emessa dai diodi LED e riflessa su specchi longitudinali dell’emettitore di cui alle figure 7 e 8, secondo la presente invenzione;
- la figura 19 mostra schematicamente una serie di raggi di luce emessa dai diodi LED e riflessa da specchi trasversali dell’emettitore di cui alle figure 7 e 8, secondo la presente invenzione;
- la figura 20 mostra schematicamente una serie di raggi di luce riflessi e recuperati grazie alle riflessioni multiple sugli specchi dell’emettitore di cui alle figure 7 e 8, secondo l’invenzione; - la figura 21 mostra un esempio realizzativo di disposizione di una serie di dispositivi di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica, secondo l’invenzione, su una strada a doppia carreggiata;
- la figura 22 mostra una vista parzialmente in sezione trasversale del dispositivo di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica, secondo la presente invenzione;
- la figura 23 à ̈ uno schema a blocchi dell’alimentatore elettronico impiegato per il funzionamento del dispositivo di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica, secondo la presente invenzione;
- la figura 24 mostra un dettaglio circuitale dell’architettura dello stadio di potenza del convertitore risonante impiegato nell’alimentatore di cui alla figura 23, secondo l’invenzione;
- la figura 25 mostra un diagramma cartesiano relativo ad una serie di caratteristiche di uscita I/V, calcolate a diverse frequenze di lavoro, del convertitore risonante di cui alle figure 23 e 24, secondo la presente invenzione;
- la figura 26 Ã ̈ un diagramma cartesiano riportante il legame tra la temperatura di giunzione dei LED ed il flusso luminoso emesso dal dispositivo di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica, secondo la presente invenzione;
- la figura 27 Ã ̈ un diagramma cartesiano riportante il legame tra la temperatura di giunzione dei LED e la tensione ai capi di ciascuna stringa di LED, secondo la presente invenzione;
- la figura 28 mostra uno schema di collegamento elettrico tra le stringhe di LED dell’emettitore del dispositivo di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica, secondo l’invenzione, per un dispositivo di illuminazione da 72 LED;
- la figura 29 mostra uno schema di collegamento elettrico di ciascuna stringa di 12 LED dell’emettitore del dispositivo di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica da 72 LED di cui alla figura 28.
Con riferimento alle figure menzionate ed allegate e, in particolare, con riferimento alle figure 1-14 allegate, il dispositivo di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica, che à ̈ oggetto della presente invenzione, comprende un coperchio o custodia superiore 10, dotata di feritoie 11 per la ventilazione naturale del dispositivo e di un connettore 16 per il collegamento elettrico e/o meccanico ad un palo o altro elemento di sostegno del dispositivo, ed una base inferiore 12 della custodia 10, ove sono ricavati un emettitore 13 di potenza luminosa a LED, un foro o apertura 14 per l’alloggiamento dell’antenna radio ed una zona 15 atta all’inserimento di un’eventuale antenna di un radar ad effetto Doppler per il controllo del traffico stradale.
L’emettitore 13 di potenza luminosa include una piastra di base 17, realizzata preferibilmente in alluminio per la dissipazione del calore, pareti laterali 17A, anch’esse realizzate preferibilmente in alluminio, un foro o apertura laterale 18 per il passaggio dei cavi elettrici, una serie di dissipatori di calore alettati laterali 19 e, disposti superiormente alla piastra di base 17, un circuito stampato 20, in alluminio con piste in rame isolate (IMS o “Insulated Metal Substrate†), su cui sono montati i diodi LED 24 emettitori di potenza, una serie di specchi o riflettori longitudinali 21, realizzati in alluminio argentato o alluminato a specchio, ed una serie di specchi o riflettori trasversali 22.
L’emettitore di potenza 13 à ̈ chiuso e sigillato dagli agenti atmosferici dal lato inferiore con un vetro antiriflesso 23.
Come descritto in precedenza, il funzionamento del dispositivo di illuminazione pubblica, secondo l’invenzione, à ̈ basato sull’impiego di una combinazione di LED di potenza 24, atti all’emissione della radiazione luminosa, e specchi longitudinali 21 e trasversali 22 opportunamente sagomati e disposti all’interno dell’emettitore 13.
I LED di potenza 24 utilizzati sono vantaggiosamente di due tipi, entrambi con lente primaria incorporata, uno cosiddetto di tipo A ed uno cosiddetto di tipo B, che presentano rispettivi diagrammi di radiazione luminosa come mostrati nelle figure 15 e 16 allegate.
I LED 24 di tipo cosiddetto A hanno incorporata una lente primaria di tipo asimmetrico e presentano un picco di emissione luminosa per angoli di 60° su di un piano (indicato come “horizontal†nel diagramma di figura 15) ed una concentrazione della radiazione luminosa nell’ambito di angoli inferiori a circa 50° nell’altro piano (indicato come “vertical†nel diagramma di figura 15), ortogonale al primo.
Questi LED di tipo A, che sono utilizzati in percentuale maggiore nel dispositivo illuminante (sono circa l’80% del totale dei LED di potenza utilizzati), hanno la funzione prevalente di illuminare la carreggiata stradale indirizzando la luce lontano dal dispositivo di illuminazione in senso longitudinale (luce emessa con angoli di emissione elevati nel piano denominato “horizontal†).
I LED 24 di tipo cosiddetto B hanno una risposta simmetrica con picco di emissione frontale ed energia contenuta in un cono di emissione di circa ± 80-90°. Questi LED di tipo B, utilizzati in percentuale minoritaria (circa il 20% del totale), hanno la funzione di illuminare le zone della carreggiata stradale vicine al dispositivo illuminante, al fine di migliorare l’uniformità non elevatissima dovuta alla emissione dei LED di tipo A.
Infatti, con i soli LED di tipo A sarebbe più difficile orchestrare il giusto compromesso necessario alla corretta distribuzione della luce tale da soddisfare tutti i requisiti illuminotecnici richiesti per l’illuminazione stradale.
Inoltre, come mostrato nelle figure 9-14 allegate, il dispositivo di illuminazione pubblica secondo l’invenzione utilizza due tipologie di riflettori, vale a dire una serie di specchi longitudinali 21, che si trovano paralleli alla carreggiata stradale, ed una serie di specchi trasversali 22, che sono orientati ortogonalmente alla carreggiata.
La figura 17 allegata mostra il layout del circuito stampato 20, in alluminio IMS (“Insulated Metal Substrate†), dell’emettitore 13, sulla quale sono montati i LED di potenza 24 di tipo A e di tipo B (indicati, rispettivamente, con 24A e 24B nella figura 17, ove sono anche indicate, tramite le linee tratteggiate 25, le posizioni dei riflettori longitudinali 21), mentre la figura 18 evidenzia i raggi luminosi 26 in uscita dall’emettitore 13, confinati tra gli specchi o riflettori longitudinali 21, il cui scopo à ̈ sagomare (funzione di “cut-off†) la luce emessa dal dispositivo illuminante in modo da indirizzarla su una superficie trasversale di larghezza desiderata della carreggiata stradale e, in particolare, nelle zone del manto stradale che si intende illuminare, evitando di disperdere la luce altrove (nella campagna circostante o sulla banchina). Inoltre, gli angoli di inclinazione degli specchi longitudinali 21 posti centralmente alla struttura dell’emettitore 13 sono altresì ottimizzati per ottenere una buona uniformità trasversale sulla carreggiata stradale.
Analogamente, la figura 19 allegata evidenzia i raggi luminosi in uscita dall’emettitore 13 e confinati grazie agli specchi o riflettori laterali e/o trasversali 22, il cui scopo à ̈ indirizzare la luce più lontano sulla carreggiata stradale, aumentando l’angolo di emissione longitudinale φ.
In particolare, in questo modo si può indirizzare una parte di luce emessa lontano dal dispositivo illuminante (raggi riflessi 27 con angolo aumentato (φ+∆)), aumentando il possibile interasse di installazione dei dispositivi stessi e l’effetto à ̈ quello di aumentare l’angolo di emissione φ oltre i 60° per i LED di potenza 24 di tipo A.
Come illustrato in dettaglio nella figura 19, l’utilizzo dei riflettori trasversali 22 può anche spostare, in alcuni modelli di dispositivi illuminanti, parte della luce su angoli di emissione minori (raggi riflessi 28 con angolo diminuito (φ-∆)), correggendo l’emissione dei LED di potenza 24 in modo da rendere più uniforme l’illuminazione della carreggiata stradale in zone più vicine al dispositivo illuminante.
Risultano così evidenti i vantaggi degli specchi longitudinali 21 e trasversali 22, in quanto gli stessi consentono di indirizzare a piacere i raggi luminosi in uscita dall’emettitore 13 e, in particolare, gli specchi longitudinali 21 consentono di utilizzare la luce che sarebbe dispersa lateralmente alla carreggiata stradale per re-immetterla nella suddetta carreggiata, mentre gli specchi trasversali 22 consentono di correggere l’emissione del dispositivo illuminante in senso longitudinale alla carreggiata stradale, aumentando gli angoli di emissione, sia nel caso in cui si desideri aumentare l’interasse di posizionamento reciproco dei dispositivi illuminanti, sia nel caso in cui si necessiti di distribuire meglio la luce migliorandone l’uniformità longitudinale.
Gli specchi o riflettori longitudinali 21 e trasversali 22 consentono poi, in generale, di configurare il diagramma di emissione del singolo dispositivo illuminante in modo da soddisfare i requisiti illuminotecnici richiesti per l’illuminazione stradale senza cambiare le lenti primarie dei LED di potenza 24 utilizzati.
In questo modo, Ã ̈ possibile progettare dispositivi di illuminazione pubblica con le caratteristiche illuminotecniche ottimali utilizzando sempre gli stessi modelli standard di LED di potenza 24.
Altro vantaggio dell’utilizzo degli specchi o riflettori longitudinali 21 e/o trasversali 22 à ̈ il parziale recupero delle perdite per “effetto Fresnel†nell’attraversamento del vetro 23 di tali specchi o riflettori 21 e/o 22, in quanto tale vetro 23, anche se dotato di trattamento cosiddetto “antiriflesso†, à ̈ caratterizzato inevitabilmente da perdite per riflessione, specialmente per incidenza molto radente dei raggi luminosi.
Come illustrato qualitativamente nella figura 20 allegata, per effetto degli angoli scelti e dell’impiego di specchi 21, 22 ad elevata riflettanza, i raggi che, per effetto delle riflessioni sul vetro 23 (nella figura 20 allegata à ̈ mostrata una prima riflessione 29 ed una seconda riflessione 30 sul vetro 23), tornano all’interno dell’involucro dell’emettitore 13, vengono propagati nuovamente nel semispazio utile. Grazie all’utilizzo di specchi ad elevatissima riflettanza (>95%, nel caso si utilizzi alluminio argentato), le riflessioni multiple non causano eccessiva attenuazione dell’energia dei raggi luminosi e questo consente di aumentare sensibilmente l’efficienza del sistema.
In sintesi, grazie al fatto che i LED emettitori 24 sono circondati da specchi 21, 22 ad elevata riflettanza, la luce à ̈ “iterativamente†ri-emessa e reindirizzata nelle zone utili per l’illuminazione stradale.
Questo avviene per quasi tutti gli angoli di incidenza (in particolare, nella figura 20 allegata sono indicati, a titolo di esempio, un raggio 32 riflesso direttamente dallo specchio 21 ed una serie di raggi riflessi 31 dal vetro 23, che vengono recuperati grazie alle riflessioni multiple sugli specchi 21).
Altre caratteristiche vantaggiose del dispositivo di illuminazione pubblica secondo l’invenzione sono date dalla disposizione piana, che permette di ottimizzare il montaggio e di ridurre i costi di produzione, dal design sviluppato, che à ̈ di tipo scalabile e consente, quindi, con la tecnologia dei LED sempre in continua evoluzione, di aggiornare il progetto senza grossi investimenti, e dalla disposizione angolare dei riflettori o specchi 21, 22, che permette di avere una struttura compatta e poco ingombrante, in modo tale da risparmiare spazio.
Nel seguito della trattazione à ̈ descritta, a titolo di esempio realizzativo e preferito, ma non limitativo, l’applicazione di dispositivi di illuminazione pubblica, secondo la presente invenzione, nella versione a 72 LED di potenza, atti all’illuminazione di una carreggiata stradale 33 a doppia corsia 34 e montati al centro tra le due carreggiate contigue 33 (come mostrato in dettaglio nella figura 21 allegata). I parametri illuminotecnici calcolati per due carreggiate parallele lunghe 33,5 m. e larghe 8 m., a due corsie, con manto stradale C2, q0 = 0,070 e fattore di manutenzione = 0,80, altezza di installazione del dispositivo illuminante di 9 m. dal suolo, distanza fra i pali di sostegno dei rispettivi dispositivi illuminanti di 33,5 m. e classe di illuminazione selezionata ME3a, sono i seguenti:
Luminanza LmUniformità Uniformità Abbagliamento SR (cd/m<2>) U0 U1 TI (%) Valori 1,1 0,4 0,7 10 0,7 reali
calcolati
Valori ≥1,0 ≥0,4 ≥0,7 ≤15 ≥0,5 nominali
secondo la
classe
Come si può notare dai risultati ottenuti, tutti i requisiti fotometrici sono rispettati e si evidenziano eccellenti prestazioni in termini di uniformità (U0, U1), luminanza (Lm) e abbagliamento (TI).
La soluzione tecnica descritta à ̈ altresì ottimizzata per lo smaltimento del calore generato dai LED di potenza 24, come mostrato in dettaglio nella figura 22 allegata.
Infatti, la piastra di alluminio 17, sulla quale sono montati i LED di potenza 24, trasporta il calore, per conduzione (secondo le direzioni ed i versi delle frecce indicate con CD nella figura 22 allegata), verso i dissipatori laterali alettati 19, i quali cedono, per convezione naturale (secondo le direzioni ed i versi delle frecce indicate con CV nella figura 22 allegata), il calore generato al flusso d’aria CVF dell’ambiente esterno, che li attraversa in senso verticale.
Le prestazioni risultano così eccellenti, in quanto la temperatura di giunzione dei LED di potenza 24 resta inferiore ai 55-60°C in corrispondenza di una temperatura ambiente di 25°C.
Questa bassa temperatura di lavoro consente una elevata affidabilità prolungando la vita utile del prodotto e allo stesso tempo permette di ottenere ottime prestazioni luminose (come descritto in dettaglio in seguito, il flusso luminoso emesso dai diodi LED 24 cala con l’aumento della temperatura di giunzione). La soluzione consente inoltre un eccellente trasferimento del calore all’esterno pur evitando di esporre i dissipatori 19 all’esterno del dispositivo illuminante, con un notevole miglioramento dell’estetica, rispetto alle soluzioni tradizionali. Le fessure laterali 11 del coperchio 10 sono comunque abbastanza sottili da garantire una buona protezione dallo sporco e dalla penetrazione di oggetti esterni. Il funzionamento del dispositivo di illuminazione pubblica secondo l’invenzione à ̈ affidato ad un alimentatore elettronico, montato all’interno di un apposito contenitore resinato 35 e la sua architettura à ̈ illustrata in dettaglio nello schema a blocchi della figura 23 allegata.
L’alimentatore elettronico à ̈ alloggiato nella parte posteriore del dispositivo illuminante ed include un circuito elettronico 20 incorporato in un involucro di plastica completamente sigillato con resina siliconica ad elevato grado di isolamento elettrico per una protezione completa dagli agenti atmosferici.
L’alimentatore à ̈ del tipo ad alta efficienza, con isolamento galvanico tra ingresso I (al quale à ̈ applicata la tensione di rete di 230 Volt in corrente alternata (AC)) ed uscita U (in corrispondenza della quale à ̈ presente la tensione nominale di alimentazione della stringa di LED di potenza 24), ed à ̈ costituito praticamente dalla cascata di due convertitori di potenza, indicati rispettivamente con A1 e A3-A4 nella figura 23 allegata.
Il convertitore A1 à ̈ un convertitore di tipo “AC/DC boost†per la funzione PFC (“Power Factor Correction†) ed à ̈ costituito da uno stadio classico con 1 MOSFET, 1 diodo, 1 induttore, 1 condensatore di immagazzinamento o di “storage†CS ed 1 controllore integrato a basso costo e larga diffusione, ad esempio di tipo “transition mode†(quale l’integrato ST L6562).
Il convertitore A3-A4 Ã ̈ un convertitore di tipo DC/DC risonante, in grado di pilotare ad alta frequenza (decine di kHz), tramite una rete risonante LC, il trasformatore di isolamento T.
A valle del trasformatore di isolamento T à ̈ presente lo stadio di uscita A4 del convertitore risonante A3-A4, costituito da un blocco raddrizzatore e di filtraggio, in grado di alimentare all’uscita U una stringa di LED di potenza 24, che, nell’esempio preferito, ma non limitativo, descritto nella presente invenzione, à ̈ costituita da 72 LED collegati in serie, ad una tensione nominale di 72*3,2 Volt = 230 Volt e ad una corrente nominale continua (DC) di 350mA. ;Lo stadio convertitore A1 à ̈ caratterizzato da un rendimento η1maggiore del 96%, mentre l’insieme dello stadio convertitore A3 e dello stadio raddrizzatore e di filtraggio A4 à ̈ caratterizzato da un rendimento complessivo η2maggiore del 97%. ;In questo modo, il rendimento di conversione complessivo risultante à ̈ pari al valore ηc= η1* η2, che risulta maggiore del 93%, valore elevatissimo per un convertitore isolato di piccola potenza.
Questa architettura consente, grazie all’impiego del convertitore risonante A3-A4 all’uscita, di realizzare un alimentatore ad altissima efficienza avendo allo stesso tempo il vantaggio di un isolamento galvanico tra ingresso I ed uscita U e contemporaneamente rispettando i requisiti sulle correnti armoniche assorbite dalla rete elettrica, grazie allo stadio PFC del convertitore A1 di ingresso.
Il microcontrollore A6 gestisce il funzionamento dell’alimentatore elettronico controllandone istante per istante tutti i parametri di funzionamento e, in particolare:
- misura la corrente, la tensione e la potenza attiva assorbita dalla rete elettrica a 230 Volt AC;
- misura la tensione, la corrente e la temperatura dei LED di potenza 24 tramite la comunicazione attraverso la barriera di isolamento con il microcontrollore di uscita A5;
- controlla il convertitore risonante A3;
- regola in retroazione la potenza erogata ai LED secondo algoritmi definiti;
- consente la trasmissione e la ricezione di messaggi radio di diagnostica, di comando e di controllo, tramite il ricetrasmettitore radio di tipo “spread spectrum†A7.
Il microcontrollore A5 gestisce la misura dei parametri di uscita del convertitore (corrente e tensione sui LED di potenza e temperatura dei LED stessi) e le trasmette, mediante gli optoisolatori OP e tramite un’interfaccia di comunicazione seriale, al microcontrollore principale A6.
L’interfaccia di comunicazione à ̈ di tipo standard e non necessita di caratteristiche di grande velocità poiché il convertitore A3 à ̈ progettato per funzionare in catena aperta senza danneggiarsi e senza danneggiare il carico (i LED di potenza 24), anche con controllo in retroazione non attivo.
Si tenga conto che i LED di potenza 24 costituiscono un carico caratterizzato da dinamica lenta (dell’ordine dei secondi, in quanto trattasi della dinamica termica dovuta alle variazioni dei parametri elettrici determinate dalle variazioni della temperatura causate dal riscaldamento e raffreddamento dei LED stessi), quindi la larghezza di banda del microcontrollore di misura A5 può essere sufficientemente lenta (ritardo ammissibile delle misure dell’ordine delle decine/centinaia di ms).
Questa architettura dell’alimentatore elettronico consente altresì di semplificare molto i circuiti isolati di misura dei parametri di uscita e di costruire un controllo digitale in retroazione (costituito dall’insieme dei due microcontrollori A5, A6) con componenti a bassissimo costo, senza dover ricorrere ai DSP.
Il ricetrasmettitore radio “spread spectrum†A7, per esempio del tipo FH-DSSS (“Frequency Hopping†– “Direct Sequence Spread Spectrum†), operante nella banda 2,400-2,483 GHz, à ̈ in grado di scambiare messaggi e/o dati alla velocità di qualche centinaia di kbit/s con apparati e dispositivi esterni al dispositivo illuminante, mentre l’alimentatore A2 à ̈ un alimentatore di servizio, di piccola potenza ed elevata efficienza, ad esempio di tipo “flyback†, che fornisce le alimentazioni ausiliarie a tutte le parti attive del dispositivo illuminante.
Infine, l’alimentatore elettronico descritto può includere eventualmente un radar a effetto doppler (opzionale) A8, gestito dal microcontrollore A6 ed atto a verificare la presenza di automobili o di pedoni sulla sede stradale ed a misurarne il movimento.
La figura 24 allegata mostra in dettaglio l’architettura dello stadio di potenza del convertitore risonante A3 e dello stadio raddrizzatore di uscita A4, ove à ̈ possibile notare che il controllo del convertitore A3 à ̈ effettuato dal microcontrollore A6 regolando la frequenza di commutazione del semiponte ad H costituito dai transistor M3, M4, i quali commutano sempre in opposizione di fase tra loro prelevando potenza dal bus BS a 400-500 Volt collegato al drain DR di M3.
La regolazione della potenza di uscita, dalla parte del lato isolato LT, avviene modificando la frequenza, in seguito alla quale si ha la variazione dello sfasamento tra tensione e corrente nel circuito risonante costituito da L1, C143 e C144 e, conseguentemente, la variazione della potenza attiva di uscita; inoltre, il circuito à ̈ progettato in modo che la commutazione dei transistor M3 e M4 avvenga sempre a tensione nulla (“Zero Voltage Switching†) consentendo così di ottenere un elevatissimo rendimento del convertitore A3.
La figura 25 allegata mostra, a titolo di esempio, le curve di andamento della corrente di pilotaggio dei LED di potenza (in mA) in funzione della tensione di lavoro dei suddetti LED (in Volt), all’uscita del convertitore risonante A3, calcolate a diverse frequenze di lavoro F (da 110000 a 300000 Hz, curve indicate rispettivamente con i riferimenti A, B, C, D, E, G, H, L), incrociate con le curve di carico dei LED di potenza (tratti esponenziali crescenti di tensione e corrente indicati, rispettivamente, con M, N, P).
Come à ̈ possibile notare dal grafico, per una data configurazione di LED di potenza, à ̈ possibile, per esempio, modificare il punto di lavoro dei LED da 150 mA a oltre 550 mA.
Il microcontrollore A6 à ̈ quindi in grado di regolare la corrente nei LED e, quindi, la potenza di uscita controllando la frequenza di lavoro del convertitore A3; il microcontrollore A6 à ̈ inoltre in grado di regolare l’intensità media delle variabili elettriche di uscita (potenza dei LED) comandando il duty-cycle di accensione del convertitore A3, il quale, infatti, à ̈ caratterizzato da un transitorio di accensione e spegnimento di poche centinaia di µs e, di conseguenza, à ̈ possibile realizzare cicli di accensione e spegnimento (ON-OFF) del convertitore A3 con frequenza caratteristica maggiore di 100-200 Hz, in modo da evitare gli effetti di “flicker†luminoso caratteristici delle commutazioni a basse frequenze. In questo modo, facendo funzionare il convertitore A3 a “burst†periodici si può regolare l’intensità luminosa dei LED 24 fino a livelli medi bassissimi, dell’ordine dell’1% del valore nominale.
Il grafico illustrato nella figura 26 allegata mostra l’andamento caratteristico della variazione del flusso luminoso Φvdei LED di potenza 24 al variare della temperatura di giunzione Tj; si nota che il flusso Φvcala all’aumentare della temperatura Tje viceversa. Fissato il punto di lavoro nominale alla temperatura ambiente nominale di 25°C, le giunzioni dei LED 24 lavorano alla temperatura di lavoro determinata dal dispositivo illuminante, ad esempio di 55°C.
Se si aumenta la temperatura ambiente di 15°C, per esempio in condizioni estive, la temperatura di giunzione Tjaumenta anch’essa di 15°C, portandosi ad esempio a 55°C 15°C = 70°C e, quindi, il flusso luminoso Φvcala di circa il 5-10%.
Viceversa, per esempio in condizioni invernali, quando la temperatura ambiente cala e, quindi, cala di conseguenza la temperatura di giunzione Tj, il flusso luminoso Φvpuò aumentare fino ad un 5/+10%.
L’alimentatore elettronico del dispositivo illuminante, che à ̈ oggetto della presente invenzione, poiché à ̈ anche in grado di misurare la temperatura dei LED, può compensare di conseguenza la potenza di pilotaggio del dispositivo in modo da mantenere costante il flusso luminoso Φv, vale a dire aumentando la potenza in estate e calandola in inverno.
In versioni particolarmente progettate per il risparmio energetico, l’aumento estivo può essere sottocompensato (erodendo un po’ di margine al fattore di manutenzione del dispositivo illuminante) per privilegiare la riduzione di potenza invernale; da stime fatte questa strategia porta a un minor consumo di energia elettrica del dispositivo illuminante superiore al 5% annuo.
La temperatura dei LED può essere misurata in due modi:
- in modo diretto, tramite il sensore NTC collegato al microcontrollore A5 e montato sul circuito stampato in alluminio 20 dei LED 24, che misura direttamente la temperatura della piastra 17 e, di conseguenza, la temperatura di giunzione Tjdei LED 24 (in quanto la resistenza termica giunzionepiastra à ̈ nota e altrettanto nota à ̈ la potenza di pilotaggio);
- in modo indiretto, effettuando la misura della tensione diretta della stringa di LED (questo secondo metodo consente di risparmiare l’impiego del sensore di temperatura NTC).
La suddetta misurazione indiretta della temperatura dei LED si basa innanzitutto sulla dipendenza della temperatura di giunzione Tjdei LED e la tensione ∆VFpresa ai capi della stringa di LED (riportata nel grafico mostrato nella figura 27 allegata), ove ∆VF(Tj) = VF(Tj) – VF(25°C) = f(Tj) e IF= 350 mA.
Come detto, l’alimentatore elettronico misura con sufficiente precisione la tensione di stringa dei LED, mentre, in fase di collaudo di fine linea del dispositivo illuminante o lampione, il sistema di collaudo misura la temperatura ambiente in prossimità del tavolo su cui il dispositivo illuminante à ̈ posizionato per il collaudo finale, dopo che il dispositivo à ̈ stato precedentemente spento per un tempo sufficiente a raffreddare completamente la piastra 17 dei LED di potenza 24 e i LED 24 stessi (quindi, i LED 24 e le loro giunzioni si trovano a temperatura ambiente).
A questo punto, l’apparecchiatura di collaudo invia al dispositivo illuminante o lampione sotto test uno speciale messaggio radio che istruisce il microcontrollore A6 ad accendere i LED 24 con un impulso molto breve in corrispondenza del quale il microcontrollore A5 misura istantaneamente la tensione VFdei LED 24 ancora freddi.
In questo modo, l’alimentatore elettronico del dispositivo illuminante acquisisce e memorizza il valore di tensione VFdei LED 24 ad una temperatura di riferimento nota (che à ̈ quella dell’ambiente di collaudo, nel frattempo comunicatagli via radio dal sistema di collaudo).
Da questo punto in poi, l’alimentatore à ̈ in grado di ricostruire la temperatura dei LED semplicemente misurando la tensione di lavoro VFe confrontandola con quella registrata in fase di collaudo.
In forme di realizzazione esemplificative e preferite, ma non limitative, dell’invenzione, i LED di potenza 24 sono collegati tutti in serie.
La figura 28 allegata, per esempio, mostra un collegamento elettrico di 6 stringhe S1, S2, S3, S4, S5, S6 da 12 LED ciascuna, impiegabile per un dispositivo illuminante da 72 LED, mentre la figura 29 allegata mostra un tipico collegamento elettrico utilizzabile tra l’ingresso X e l’uscita Y di ciascuna singola stringa (S1 o S2 o S3 o S4 o S5 o S6) formata da 12 LED.
Le soluzioni di connessione elettrica schematizzate nelle figure 28 e 29 allegate semplificano al massimo il cablaggio tra l’alimentatore elettronico e la piastra 17 su cui sono posizionati i LED 24.
Infatti, i LED 24 sono collegati sulla piastra 17 secondo gli schemi elettrici di cui alle figure 28 e 29 ed il collegamento tra la piastra 17 e l’alimentatore richiede due soli cavi di rame CR1, CR2; il collegamento in serie offre quindi, innanzitutto, un notevole vantaggio realizzativo.
Inoltre, il collegamento elettrico descritto non pone alcun problema in caso di rottura di un qualsiasi LED per cortocircuito, in quanto, in questo caso, tutti gli altri LED della stringa continuano a funzionare correttamente.
Peraltro, l’alimentatore elettronico à ̈ in grado di diagnosticare questa condizione rilevando il calo della tensione complessiva e attuando tutte le strategie e contromisure possibili per bilanciare il degrado delle prestazioni, quali, per esempio, un aumento della corrente nei LED ancora funzionanti per bilanciare il flusso luminoso perduto.
Anche nel caso di guasti di apertura di circuito dei singoli LED 24, il circuito elettrico mostrato nella figura 29 allegata à ̈ in grado di gestire il problema, in quanto la suddivisione in 6 stringhe S1, S2, S3, S4, S5, S6 offre l’importante vantaggio funzionale di rendere indipendenti i 6 gruppi di 12 LED ciascuno. Infatti, con riferimento alla figura 29 allegata, se un LED di una stringa S1, S2, S3, S4, S5, S6 si rompe trasformandosi in circuito aperto, ad esempio a causa dell’invecchiamento, si ha l’intervento automatico del circuito comprendente il diodo SCR Q1, innescato dal diodo Zener D73.
Infatti, in seguito all’apertura di un LED 24 della stringa S1, S2, S3, S4, S5, S6, la tensione ai capi del LED aumenta immediatamente e, di conseguenza, la tensione ai capi della stringa aumenta fino a mandare in conduzione il diodo Zener D73, il quale innesca il diodo SCR Q1, che, a sua volta, cortocircuita l’intera stringa S1, S2, S3, S4, S5, S6.
Questo meccanismo consente quindi la circolazione della corrente nella stringa S1, S2, S3, S4, S5, S6 con un qualsiasi LED 24 aperto all’interno della stringa stessa, in modo da non compromettere l’intera funzionalità del dispositivo illuminante e consentendo la continuità di funzionamento anche in caso di guasti. I componenti D73, Q1,… sono montati sullo stesso circuito stampato 20 dei LED di potenza 24, come illustrato nella figura 17 allegata in posizione 36. Il dispositivo illuminante, continua a funzionare, per esempio con 5/6 dei LED totali ancora attivi, essendosi cortocircuitata la sola stringa contenente il LED danneggiato; il dispositivo risulta quindi “fault tolerant†nei confronti della rottura di singoli LED 24.
Inoltre, in caso di rottura (per apertura) di un singolo LED 24, la stringa S1, S2, S3, S4, S5, S6 relativa si cortocircuita automaticamente, consentendo il funzionamento delle altre stringhe, mentre l’alimentatore, misurando la tensione complessiva sulla propria uscita U, identifica immediatamente la condizione di guasto ed aumenta automaticamente la corrente di pilotaggio in modo da compensare il minor flusso complessivo risultante dalla residua funzionalità dei soli 5 LED presenti nella stringa stessa, continuando a funzionare con prestazioni identiche a quelle originali.
Infatti, l’alimentatore à ̈ in grado di aumentare il pilotaggio della corrente in modo da compensare esattamente il minor numero di LED, semplicemente a discapito di una minore efficienza complessiva, poiché i LED residui andranno a lavorare in un punto caratterizzato da minore rendimento.
L’eccellente architettura di smaltimento del calore prodotto consente, poi, ai LED residui di lavorare ancora in condizioni operative ampiamente sicure, con temperature di giunzione ancora inferiori ai 70°C.
Inoltre, le stringhe S1, S2, S3, S4, S5, S6 di LED 24 sono posizionate sul circuito stampato 20 in modo che ciascuna di esse sia vantaggiosamente disposta in direzione ortogonale agli specchi longitudinali 21, in quanto tale posizionamento consente a ciascuna stringa di contribuire per 1/6 alle prestazioni ottiche complessive del dispositivo illuminante; infatti, il diagramma illuminotecnico non cambia e il flusso luminoso emesso resta il medesimo grazie all’aumento della corrente di pilotaggio, anche in caso di spegnimento di un’intera stringa S1-S6.
In caso di rottura (per apertura) di 2 LED in 2 stringhe S1, S2, S3, S4, S5, S6 diverse, l’alimentatore, diagnosticando questa condizione, continua ad alimentare le stringhe residue, aumentando la corrente di pilotaggio, ma in questo caso non compensa completamente il minor flusso residuo ed il dispositivo illuminante continua a funzionare a prestazioni ridotte; il diagramma illuminotecnico non cambia, ma il flusso luminoso si riduce leggermente (la riduzione sarà dell’ordine di 1/6, a fronte del mancato funzionamento di 2/6 dei LED).
La stessa strategia si itera per ogni rottura di stringhe successive, fino al caso estremo in cui resta un’unica stringa funzionante, che può essere pilotata a corrente doppia, con un flusso luminoso risultante pari a circa il 25% del flusso nominale del dispositivo illuminante.
Risulta quindi evidente il grande vantaggio della soluzione realizzativa descritta, che unisce la semplicità di costruzione alle buone prestazioni elettriche in caso di guasto.
Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche tecniche del dispositivo di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica, secondo la presente invenzione, così come chiari ne risultano i vantaggi.
E’ chiaro, infine, che numerose altre varianti possono essere apportate al dispositivo di illuminazione pubblica in questione, senza per questo uscire dai principi di novità insiti nell’idea inventiva, così come à ̈ chiaro che, nella pratica attuazione dell’invenzione, i materiali, le forme e le dimensioni dei dettagli illustrati potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze e gli stessi potranno essere sostituiti con altri tecnicamente equivalenti.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di illuminazione pubblica ad alta efficienza energetica, comprendente almeno un involucro (10, 12) di contenimento di almeno una sorgente luminosa, atto ad essere connesso ad almeno un elemento di sostegno, in cui detto involucro (10, 12) include almeno un dispositivo emettitore (13) di radiazione luminosa a diodi LED, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo emettitore (13) della radiazione luminosa comprende almeno una piastra di base (17), realizzata almeno parzialmente in materiale conduttore, su cui sono montati un circuito elettronico (20) di controllo e gestione di una serie di LED (24) emettitori di potenza, una serie di specchi o riflettori longitudinali (21), che si sviluppano su piani paralleli tra loro e sostanzialmente ortogonali al piano su cui à ̈ direzionata detta radiazione luminosa, ed una serie di specchi o riflettori trasversali (22), che si sviluppano su piani paralleli tra loro e sostanzialmente ortogonali ai piani di sviluppo di detti specchi o riflettori longitudinali (21), a detta piastra di base (17) essendo connessi elementi dissipatori (19) di calore, contenuti all’interno di detto involucro (10, 12), a cui corrispondono rispettive feritoie o fessure (11) realizzate su detto involucro (10, 12) di contenimento.
- 2. Dispositivo di illuminazione pubblica come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti LED (24) sono raggruppabili in almeno due diverse tipologie, di cui una prima tipologia di LED (24A), comprendente la maggior parte di LED (24) presenti all’interno di detto dispositivo emettitore (13) di radiazione luminosa, incorporano una lente primaria di tipo asimmetrico e sono atti ad indirizzare la radiazione luminosa lontano dal dispositivo di illuminazione in una direzione longitudinale, mentre una seconda tipologia di LED (24B) incorporano una lente primaria di tipo simmetrico e sono atti ad indirizzare la radiazione luminosa in zone vicine al dispositivo di illuminazione.
- 3. Dispositivo di illuminazione pubblica come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti specchi o riflettori longitudinali (21) presentano almeno una superficie avente almeno un predeterminato angolo di inclinazione rispetto ad un piano ortogonale a detta piastra di base (17) di detto dispositivo emettitore (13).
- 4. Dispositivo di illuminazione pubblica come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti specchi o riflettori trasversali (22) presentano almeno una superficie avente almeno un predeterminato angolo di inclinazione rispetto ad un piano parallelo a detta piastra di base (17) del dispositivo emettitore (13).
- 5. Dispositivo di illuminazione pubblica come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti specchi o riflettori longitudinali (21) e/o trasversali (22) sono realizzati in materiale ad elevata riflettanza e sono dotati di vetro antiriflesso (23).
- 6. Dispositivo di illuminazione pubblica come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti elementi dissipatori (19) di calore sono alettati e sono posti lateralmente a detta piastra di base (17), in modo da cedere, per convezione (CV), il calore generato da detta piastra di base (17) e trasportato, per conduzione (CD), verso detti elementi dissipatori (19), al flusso d’aria (CVF) dell’ambiente esterno.
- 7. Dispositivo di illuminazione pubblica come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto circuito (20) include un alimentatore elettronico comprendente due convertitori di potenza (A1, A3-A4) posti in cascata, in cui un primo convertitore di potenza (A1), di ingresso, presenta uno stadio PFC, mentre un secondo convertitore di potenza (A3-A4) à ̈ un convertitore risonante, in grado di pilotare ad alta frequenza, tramite una rete risonante, almeno un trasformatore di isolamento (T), a valle di detto trasformatore di isolamento (T) essendo presente uno stadio di uscita (A4) raddrizzatore e di filtraggio, che alimenta in uscita (U) una pluralità di detti LED emettitori di potenza (24) collegati in serie, detto alimentatore comprendendo altresì almeno un primo microcontrollore (A6) di gestione e controllo dei parametri elettrici della rete elettrica, dei parametri elettrici e della temperatura di detti LED emettitori di potenza (24) e dei parametri elettrico/elettronici di detto secondo convertitore di potenza (A3-A4) di tipo risonante.
- 8. Dispositivo di illuminazione pubblica come alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto alimentatore elettronico comprende almeno un secondo microcontrollore (A5), che misura i parametri di detto stadio di uscita (A4) e li trasmette, mediante dispositivi di interfaccia (OP) e/o di comunicazione seriale, a detto primo microcontrollore (A6).
- 9. Dispositivo di illuminazione pubblica come alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto alimentatore elettronico comprende almeno un ricetrasmettitore radio (A7), atto a scambiare messaggi e/o dati con apparati e dispositivi esterni.
- 10. Dispositivo di illuminazione pubblica come alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto alimentatore elettronico comprende almeno un alimentatore di servizio (A2), di piccola potenza, che fornisce le alimentazioni ausiliarie a tutte le parti attive di detto dispositivo di illuminazione.
- 11. Dispositivo di illuminazione pubblica come alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto alimentatore elettronico include un radar a effetto doppler (A8), gestito da detto primo microcontrollore (A6) ed atto a verificare la presenza e la movimentazione del traffico su una sede stradale.
- 12. Dispositivo di illuminazione pubblica come alla rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che la temperatura di detti LED emettitori di potenza (24) Ã ̈ misurata tramite un sensore (NTC), collegato a detto secondo microcontrollore (A5) e montato su detta piastra di base (17) di detti LED (24), che misura direttamente la temperatura di detta piastra di base (17) e, di conseguenza, la temperatura di giunzione (Tj) dei LED (24).
- 13. Dispositivo di illuminazione pubblica come alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che la temperatura di detti LED emettitori di potenza (24) à ̈ misurata in modo indiretto da detto alimentatore elettronico effettuando una misura di tensione ai capi di almeno una pluralità di LED (24) collegati in serie e misurando, in fase di collaudo di detto dispositivo di illuminazione, la temperatura dell’ambiente ove detto dispositivo di illuminazione à ̈ posto, dopo che detto dispositivo di illuminazione à ̈ stato spento per un tempo sufficiente a raffreddare detta piastra di base (17) e detti LED emettitori di potenza (24), e la tensione ai capi di detti LED (24), nello stesso istante in cui detto primo microcontrollore (A6) ha acceso detti LED (24) mediante un breve impulso.
- 14. Dispositivo di illuminazione pubblica come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti LED emettitori di potenza (24) sono collegati in serie all’interno di rispettive stringhe (S1, S2, S3, S4, S5, S6), indipendenti tra loro, contenenti una pluralità di LED (24) ed anch’esse collegate in serie, in modo da consentire la continuità di funzionamento anche in caso di guasti e/o rotture di singoli LED (24).
- 15. Dispositivo di illuminazione pubblica come alla rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che dette stringhe (S1, S2, S3, S4, S5, S6) di LED (24) sono posizionate su detto circuito stampato (20) in direzione ortogonale a detti specchi o riflettori longitudinali (21).
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