ITBA20120076A1 - Illuminazione stradale led al alta potenza (superiore ai 38w) realizzato con microled con corrente inferiore a 60ma per illuminazione stradale. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Delllnvenzione Industriale dal Titolo:

ILLUMINATORE STRADALE LED AD ALTA POTENZA ( SUPERIORE AI 38W) REALIZZATO CON MICROLED) CON CORRENTE INFERIORE A 60mA PER ILLUMINAZIONE STRADALE.

STATO ANTERIORE DELLA TECNICA:

Definizioni: Si intende per illuminatore LED stradale un apparato per illuminazione stradale con potenza totale della matrice LED minima di 38W. composto dall'armatura stradale, dalla matrice LED e dell'alimentatore.

Watt: Unità di misura delia Potenza ( consumo energetico ) espresso in W/ora.

Ampere : Unità di misura della corrente.

Tutti gli illuminatori stradali prodotti e commercializzati, sono realizzati con tecnologia standard basala su LED da 1 W a 5W, con corrente da 300mA e oltre . Alcuni produttori, appongono anche su ogni 'high power' LED, lenti a fascio stretto per ottimizzare la direziono del flusso luminoso. Tutti i LED a luce bianca, sono costruiti partendo dal wafer in silicio drogato con di gallio. Il wafer in silicio viene posizionato all'interno del contenitore e collegato ai 'pin' di connessione esterna con due micro fili 'golden wire'. e successivamente ricoperto da un microstrato di fosforo e silicone che determinerà la colorazione del LED.

I tre componenti fondamentali. Wafer in silicio, qualità e tipologia del contenitore, qualità e sezione del microstrato di fosforo, determineranno efficienza luminosa, durata e qualità della luce, insieme alla sezione di alimentazione che dovrà mantenere una determinata quantità di corrente costante nel circuito.

I costruttori dei LED, come tutti i fabbricanti di componenti elettronici, indicano i dati di funzionamento dei vari modelli di LED, specificando corrente di lavoro, temperatura di esercizio e specifiche illuminotecniche.

I LED, inoltre, funzionano con temperature relativamente basse, rispetto alle tradizionali lampade, generalmente non devono superare 80 (gradi Celsius), fornendo correnti superiori a quelle indicate dai costruttori o non dotando i LED di sufficienti supporti di dissipazione termica , i LED supereranno i valori massimi di temperatura di esercizio specificate dai costruttori ( temperatura di giunzione ) con conseguente perdita progressiva di flusso luminoso emesso e rischi di rottura.

Quindi un sistema di illuminazione LED. deve necessariamente dissipare la temperatura generata con efficienti e sufficienti radiatori termici.

OBIETTIVO CHE L’INNOVAZIONE INTENDE RAGGIUNGERE:

La ricerca effettuata, analizzando nei più piccoli dettagli un grossa quantità di LED da different costruttori di LED, si e’ rilevato che alla base esiste un rapporto tra la dimensione della superficie del wafer in silicio, corrente nel circuito e efficienza luminosa.

Entrando nel dettaglio, molti costruttori di wafer in silicio, offrono ai vari costruttori di LED. per la produzione di High Power Led da 1 W ognuno, wafer ( generalmente un quadrato ) da 38 mil ( unità di misura della dimensione dei Wafer ) per LED che non possono superare 1 W di potenza e corrente fornita non superiore ai 350mA ( mi Ampere ); wafer da 45 mil per LED che non possono superare i 3W di potenza e corrente non superiore ai 750mA: wafer da 60 mil per LED che non possono superare i 5W ( consigliati 3W),

Analizzando al parametri relativi alla efficienza luminosa, si rileva che

LED 1 W 38 mil 350mA ( 1 W ) 90-100 Lumen j Efficienza 95 l.umen/Watt

LED 3W 45 mil 350mA ( 1 W ) 110-120 Lumen | Efficienza 115 Lumen/Watt

LED 3W 45 mil 700mA (2.5 W ) 170-190 Lumen | Efficienza 72 Lumen/Watt

LED 3W 60 mil 700mA ( 2.5 W ) 210 Lumen | Efficienza 84 Lumen/Watt

Oltre ad un rapporto di efficienza luminosa correlato tra la superfìcie del wafer in silicio e la corrente fornita, è stato anche studiato il rapporto tra efficienza luminosa, temperatura di funzionamento è vita del LED legato dalla regola che quanto più grande e' il wafer di silicio, tanto più bassa e' la corrente fornita. tanto maggiore e' l'efficienza luminosa e tanto più bassa sarà la temperatura di funzionamento e di conseguenza la vita del LED sarà maggiore.

Dalla analisi sulla ricerca su esposta, si intende raggiungere obbiettivi di superare l'efficienza dei LED da 1 W 3W utilizzati da tutti i costruttori di illuminatori stradali LED con una tecnologia in grado di allungare anche la durala e vita globale del sistema di illuminazione.

Il processo seguito, oggetto del brevetto, utile ai fini descritti, segue tre differenti profili di logica sulla determinazione costruttiva del wafer e de! contenitore del LED, correlati con le diverse soluzioni tecnologiche dei vari punti deboli dei LED.

1) Temperatura: a tale scopo sì e' ragionato con la logica di suddividere il wafer in silicio in micro LED. Con tale scelta la dissipazione termica avverrà su una superficie maggiore e semplifica anche taluni aspetti costruttivi dell'illuminatore LED.

2) Dimensione del Wafer: a tale scopo si e’ ragionalo con la logica inversa. Realizzare led con wafer in silicio di maggiore dimensione consegue una maggiore efficienza e permette di lavorare con temperature inferiori.

3) Utilizzare un contenitore di piccole dimensioni con sistema di dissipazione termica di massima efficienza a basso profilo.

Risultato della ricerca in tali direzioni e' la costruzione di un MICROLED con wafer in silicio di forma rettangolare che e' superiore o uguale 10x23 mil.

ANALISI DEL RISULTATO RAGGIUNTO:

I test eseguiti in laboratorio con misurazioni effettuate con sfera di Ulbricht forniscono i termini di maggiore efficienza rispetto allo standard utilizzato nella produzione di illuminatori LED. Ogni singolo microled sarà in grado di supportare correnti massimo di 60mA.

Se si considera la dimensione totale del wafer in silicio di High Power LED da 1 W della migliore qualità ( in grado di funzionare anche a 3W ) ha un substrato del wafer di silicio da 45x45 mil ovvero 2025 mil quadrati; Il microled progettato ha un substrato del wafer di silicio di 10x26 mil ovvero 260 mil quadrati; il numero di microled utilizzati per i test e’ di 18, la corrente fornita e' di 20rna, le misure effettuate nella sfera di Ulbricbt sono di 8,68 Lumen per 1 Microled.

Tavola A)

Riepilogando avremo:

High Power LED da 1 W ( max 3W) MICROLED

Numero LED : 1 Numero LED : 18

Corrente 350 ma Corrente : 20 ma

Tensione : 3.3V Tensione : 3,0 V

Consumo effettivo ; 1.15W Consumo effettivo : 1 ,08 W

Superficie wafer totale silìcio 45x45mil Superficie wafer silicio : 10x26mil Totale mil quadrati (45x45): 2025 Totale mil quadrati (10x26x18): 4680 Lumen max : 120 Lumen Lumen max ( 8,68* 18 ) : 156 Lumen Efficienza reale (120/1 , 15) 104 Lumen/ Watt Efficienza reale ( 156/1,08) : 144.4 Lumen/ Watt Temperatura di lavoro ; circa 75“C Temperatura di lavoro : circa 52''C

I dati illuminotecnici rilevati, attestano un considerevole incremento della efficienza luminosa da 104 Lumen/ Watt a 144,4 Lumen/W quindi superiore del 40% ed una consistente riduzione della temperatura di lavoro di molto inferiore ai limiti dei costruttori.

Ne consegue che aumentando, di quasi 3 volte, la superficie del wafer di silicio rispetto a quella di l High Power LED, il costo totale di LED sarà maggiore ma con specifiche illuminotecniche superiori.

Se si analizza un illuminatore stradale LED realizzato con la tradizionale tecnologia dei LED da 1W i LED stessi sono distribuiti sulla intera superficie disponibile per il vano matrice LED vedi TAV B. con la tecnologia a microled invece, bisognerà installare i microled su linee di circuiti stampati ( preferibilmente con base in alluminio } e successivamente posizionarli nel vano matrice led, anche per direzionare il flusso in base alle esigenze TAV. C.

Un imporrante beneficio della tecnologia a MICROLED per la costruzione di illuminatori stradali LED, consiste nella suddivisione del wafer in silicio . come già indicato, in MICROLED; tale suddivisione, impedisce la concentrazione in un unico punto dell'emissione di calore ma seguendo il principio della suddivisione del wafer, sarà ulteriormente suddivisa anche la emissione di calore in una area molto maggiore, mantenendo molto al di sotto dei valori critici, la temperatura de! singolo MICROLED.

Se si considera, per esempio, un illuminatore LED da 80 W e se si installano 18 MICROLED per compensare un singolo LED da 1 W, sarà necessario installare 1440 MICROLED.

La considerevole riduzione della dimensione del contenitore che ospita il wafer in silicio, comporta però talune limitazioni nella applicazione pratica delle lenti a fascio stretto. Per superare questo ostacolo, si sta realizzando un illuminatore LED stradale dotato di tecnologia Microled, opportunamente inclinato da direzionare il (lusso verso le aree interessate, anche se con risultati differenti ottenuti con le lenti a fascio stretto ma ugualmente efficiente per il maggiore raggio di diffusione del flusso. Vedi TAV D

Quindi ritenendo valido il principio della ricerca condotta, si può definire la tecnologia a MICROLED , una tecnologia che una superfìcie globale del wafer in silicio almeno doppia rispetto a quella tipica utilizzata per i 1 ed da 1 W e qui identificata in 45 mil quadrati. Questo wafer in silicio, di superficie doppia, potrà essere separato in MICROLED e si dovrà utilizzare una corrente inferiore o massimo di 60 mA per ogni singolo microled , per ottenere i benefìci della ottimizzazione della dissipazione termica.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI Dai dati dimostrati nei test, si evince che, una maggiore superficie di wafer in silicio in MICROLED, determina una maggiore intensità luminosa, e ottimizza la dissipazione termica. Si rivendica l'esclusivo utilizzo della tecnologia definita MICROLED, per la costruzione di illuminatori stradale (AD ALTA POTENZA SUPERIORI AI 38W) con tecnologia LED, stabilendo che è qui definita la tecnologia MICROLED una tecnologia che utilizza una superficie globale del wafer in silicio almeno doppia rispetto a quella tipica utilizzata per i led da 1 W e qui identificata in 45 mil quadrati. Questo wafer in silicio, di superfìcie doppia, potrà essere separato in MICROLED e si dovrà utilizzare una corrente inferiore o massima di 60 mA per singolo MICROLED, per ottenere i benefici della ottimizzazione della dissipazione termica. Utilizzando questa tecnologia costruttiva per i LED, e' possibile ottenere un flusso luminoso maggiore fino al 40% maggiore rispetto alla tradizionale tecnologia dei LED da 1 W con superficie del wafer di silicio di circa 45 mil quadrati, e quindi superare i 140 Lumen/Watt oggi non raggiungibili con la tecnologia LED da 1 W.