BRPI0709639A2 - sistema de conjunto de led, sistema de iluminação, e, método para produzir um sistema de conjunto de led - Google Patents

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Abstract

SISTEMA DE CONJUNTO DE LED, SISTEMA DE ILUMINAçãO, E, MéTODO PARA PRODUZIR UM SISTEMA DE CONJUNTO DE LED. A presente invenção se relaciona a um sistema de conjunto de LED (202) compreendendo pelo menos, um acondicionamento de LED (200), mencionado pelo menos um acondicionamento de LED compreendendo um LED (204) e sendo arranjado em um substrato (206) fornecido com meios (208) para fornecer o acondicionamento de LED (200) com uma voltagem de acionamento, onde mencionado pelo menos um acondicionamento de LED é imerso em um camada de suporte (212) cobrindo uma chapa de substrato (206). De modo a melhorar a eficiência óptica e reduzir o brilho, o acondicionamento de LED também compreende um refletor (220) tendo uma superficie reflexiva para colimar a luz emitida através do LED (204). A invenção também se relaciona a sistemas de iluminação compreendendo o sistema de conjunto de LED e um método para produzir o mencionado sistema de conjunto de LED.

Description

"SISTEMA DE CONJUNTO DE LEDj SISTEMA DE ILUMINAÇÃO, E,MÉTODO PARA PRODUZIR UM SISTEMA DE CONJUNTO DE LED"
A presente invenção se relaciona à diodos emissores de luz(LEDs) incorporados material tipo vidro.
Diodos emissores de luz (LEDs) incorporados em vidro sãoatualmente fabricados para elementos de emissão de luz arquitetônicos.
Nesses elementos, conjuntos de LED de duas dimensões são colocadas entreduas chapas de vidro que são laminadas por um polímero, usualmente PVB(polivinil butiral). Os LEDs são fixados em uma chapa de vidro nas quais umpadrão de condutores está presente para fornecer a corrente para os LEDs. Aconstrução acima é benéfica, já que ela dá durabilidade para a construção,através da qual o campo de uso aumenta.
Um problema que está presente para LEDs totalmente imersosem um meio tipo vidro é que reflexão interna total (TIR) ocorre na interfaceentre a superfície de vidro e o ar circundante. Uma conseqüência é que a luzcom maiores ângulos do que o ângulo crítico é totalmente refletida nainterface de vidro/ar. A luz totalmente refletida é contudo absorvida nosistema de vidro/PVB/vidro ( através de múltiplas reflexões internas). Nocaso de um LED isolado em uma grande pilha de vidro, toda luz totalmenterefletida é finalmente absorvida. Contudo, em densidades de LEDrelativamente altas (e.g. > 0.5 cm"2) a luz totalmente refletida poderia seespalhar em acondicionamentos vizinhos, levando a um acoplamento de luznão previsto.
Quando o sistema de LED sistema (como descrito acima) éusado para propósitos de iluminação, o desempenho é inaceitável porque aeficiência óptica é baixa e o brilho não é controlado; i. e. não há meios deparar a luz de excitar o sistema de conjunto de LED em direções nãodesejadas.
A presente invenção objetiva, eliminar os problemas acimafornecendo um sistema de conjunto de LED de acordo com a reivindicação 1compreendendo, pelo menos um LED na forma de um acondicionamento deLED arranjado em um substrato fornecido com meios, para fornecer oacondicionamento de LED com uma voltagem de acionamento, onde pelomenos um mencionado acondicionamento de LED está imerso em umacamada de suporte. O mencionado sistema de conjunto de LED écaracterizado no fato que o acondicionamento de LED também compreendeum com uma modalidade tendo uma superfície reflexiva para colimar a luzemitida pelo LED. O uso de um colimador reflexivo torna possível aumentara eficiência óptica reduzindo a reflexão interna total (TIR) que ocorre quandoa luz emitida a partir do LED imerso na camada de suporte, tendo um índicerefrativo maior do que 1, é para passar a interface entre a mencionada camadae a mídia circundante, geralmente, o ar. O com uma modalidade tambémtorna possível reduzir o brilho, isto é, conservar a luz emitida do sistema deconjunto de LED dentro de um intervalo de ângulo em tornos de uma direçãopreferida, que é preferível para fins de iluminação direta.
O sistema de conjunto de LED é preferencialmente fornecidocom uma camada de topo arranjada em tal uma maneira que coloca a camadade suporte entre a camada de topo e o substrato. A camada de topo pode servircomo uma proteção contra danos para aumentar o tempo de vida do sistemade conjunto de LED. A luminária transparente resultante é visualmenteatrativa e o dispositivo inventivo torna possível integrar elementos de emissãode luz com superfícies transparentes.
Em uma modalidade preferida, o substrato e a camada de toposão feitas de vidro e a camada de suporte é feita de polivinil butiral (PVB)tendo praticamente iguais índices de refração. A combinação de vidro e PVBé bem conhecida para vidro laminado.
A superfície reflexiva do mencionado colimadorpreferencialmente tem um seção transversal, ortogonal a uma normal de umacamada de suporte, que aumenta conforme a função da distância do LED e deacordo com uma modalidade a superfície reflexiva compreende um conetruncado se estendendo do LED. Um cone truncado não é o colimador idealmas a simplicidade da forma torna ele relativamente fácil e assim sendo custoeficiente no custo, para fabricação.
De modo a aumentar a eficiência óptica, a superfície reflexivapode compreender um concentrador parabólico de composto (CPC). Já queum CPC pode ser descrito de forma matemática, é possível utilizar técnicas derastreamento de raio, de modo a, mais precisamente, levar raiosdeformados,etc em consideração, e desta maneira a forma do CPC éotimizado usando técnicas de rastreamento de raio para encher aspropriedades desejadas da luz emitida do Sistema de conjunto de LED.
Uma cobertura transparente pode ser arranjada, essencialmenteem paralelo a uma camada de suporte, no topo do com uma modalidade e dovolume definido pelo LED, a superfície reflexiva e a cobertura transparentepodem ser enchidas com um meio gasoso. Este arranjo torna relativamentesimples pré-fabricar o acondicionamento de LED e armazená-lo sem risco dedanos das superfícies reflexivas e tais.
De acordo com uma modalidade, a superfície reflexiva épreferencialmente compreendida de um material reflexivo metálico e umrevestimento de interferência. O refletor pode consistir de um metal sólido oualgum outro material, tal como uma cerâmica, sendo revestida com ummaterial metálico. Um revestimento metálico é uma maneira direta deaumentar a refletância de uma superfície e a superfície reflexiva e orevestimento de interferência ainda a aumenta. Um refletor consistindo de ummaterial metálico pode ser bem robusto e fácil de manusear, e.g. no caso doalumínio, e em outros casos, tal como quando prata é usada, a superfíciereflexiva precisa ser selada usando, e.g., a mencionada cobertura transparenteacima.Em uma modalidade um primeiro volume adjacente eradialmente para fora de uma superfície reflexiva é enchido com um mídiatendo um índice de reflexão que é mais baixo do que aquele de um segundoradialmente para dentro da superfície reflexiva, através do qual a luz emitida apartir da reflexão total das experiências de LED na mencionada superfíciereflexiva. A reflexão total em uma interface entre mídias com diferentesíndices de refração é uma maneira de alcançar uma eficiência óptica máximapara o sistema. Este arranjo vai de forma geral, ter uma proporção de aspecto(altura dividida pela largura em relação a uma normal de direção para a chapado substrato) que é levemente maior do que para um caso mencionadopreviamente onde a superfície reflexiva é fornecida com um revestimento.Usar reflexão total neste contexto é por conseguinte adequado para aplicaçõesonde a eficiência óptica é de importância extrema enquanto um sistema deconjunto de LED levemente mais espesso pode ser aceito. O sistema deconjunto de LED resultante como um todo também será transparente para ummaior grau do que se a superfície reflexiva compreende um metal.Dependendo da aplicação a característica de maior grau de transparência podefornecer ambas as vantagens técnicas assim como valor estético.
A reflexão total é passível de obter se o primeiro volumecompreende um gás com um índice refrativo de 1 e o segundo volumecompreende um material transparente com um índice refrativo que éequivalente ao índice refrativo de uma camada de suporte, i. e. maior do que1. A última característica reduz o número de superfícies refratárias, reduz acomplexidade do sistema, e também aumenta a aparência transparente dosistema, embora obviamente a reflexão total interna ocorrerá para algunsângulos de visão.
Usando um sistema inventivo é possível para evitar reflexãointerna total e assim sendo aumenta a eficiência óptica assim comoconservando o brilho em um nível aceitável, pelo menos, abaixo 500 cd/m ,fora de um cone direcional desejado.
Em um outro aspecto a produção do sistema de conjunto deLED inventivo, basicamente compreende os seguintes passos:
- arranjar um acondicionamento de LED em uma chapa desubstrato fornecida com meios para fornecer o acondicionamento de LEDcom a voltagem de acionamento,
- aplicar uma camada de suporte de polímero sobre oacondicionamento de LED5
- aquecer a pilha enquanto aplicando uma pressão e assimimergindo o colimador completo no meio de polímero.
No método acima também pode compreender o passo depreencher o colimador com um polímero, a fim de melhorar o processamento.
Fig 1 é uma vista de seção transversal esquemática de umsistema de iluminação conhecido.
Fig 2 é uma vista de seção transversal esquemática de acordocom uma primeira modalidade da presente invenção.
Fig 3 é uma vista de seção transversal esquemática de acordocom uma segundo modalidade da presente invenção.
Fig 4 é uma vista de seção transversal esquemática de acordocom uma terceira modalidade da presente invenção.
Fig 5 é uma vista de seção transversal esquemática de acordocom uma quarta modalidade da presente invenção.
Fig 1 ilustra, de forma esquemática, uma parte de um sistema 2onde LEDs de Lambertian 4 é arranjada em um substrato de chapa de vidro 6.
Condutores transparentes 8, fornecendo corrente aos LEDs 4, estão presentesno substrato 6. O LED 4 é colocado entre o substrato 6 e a chapa de vidro detopo 10 e é imerso em um polímero 12, de forma geral, polivinil butiral(PVB), o qual polímero 12 também fornece para a força adesiva mantendo aschapas de vidro 6, 10 juntas. O índice refrativo do PVB é similar àquele dovidro e nos cálculos a serem descritos abaixo será configurado para 1.5. Aaltura aproximada, H, do sistema ensanduichado é de forma geral, cerca de 7-8 mm. O sistema é de forma geral, envolvido por ar 14. As setas A indicam luzdeixando o LED 4 e a seta A' indica luz experimentando reflexão internatotal.
A eficiência óptica, η, que é, a quantidade de luz deixando asuperfície de topo do vidro 10 dividida pela quantidade total de Iuza emitida apartir do LED 4, é baixa para o sistema acima. A baixa eficiência ópticaesperada quando LEDs são imersos em um polímero/pilha de vidro pode sercalculada completamente de forma fácil usando o conjunto de equação 1.
<formula>formula see original document page 7</formula>
ac angulo crítico
I0 intensidade do LED normal ao plano de emissão (cd)
η índice refrativo (η vjdro ~ η pvb = 1.50)
Para um índice refrativo de η -1.50, cerca de 60% da luz éabsorvida dentro do sistema para um LED de emissão de Lambertian.Somente luz dentro do assim chamado cone de escape (a < ac) contribui parao fluxo emitido a partir do LED. A maioria dos acondicionamentos de LEDproduz um feixe amplo (quase de Lambertian) e perdas são grandes quandoincorporados em mídia de índice alto.
Na situação acima o fluxo emitido é emitido sobre um ângulode espaço de 2π. Contudo, para fins de iluminação, o brilho é inaceitável.Neste contexto o brilho corresponde à luz emitida para fora de um cone deradiação preferido, definido por 2ψ nas figuras. Um guia geral é conservar aluminosidade do sistema de iluminação abaixo de 500 -1000 cd/m paraângulos ψ > 60 graus. Para um LED típico gerar 10 Im a partir de umasuperfície de 5 mm , a luminosidade sobre todo o hemisférico é ~1 Mcd/mcomo calculado usando a equação 2.
<formula>formula see original document page 8</formula>
Φ fluxo emitido pelo LED (Im)
S superfície de emissão(m2)
L luminosidade (cd/m )
A invenção fornece uma maneira para aumentar a eficiênciaóptica consideravelmente e para resolver a emissão de o brilho de formacompleta. A chave é projetar um acondicionamento de LED tendo paredesreflexivas internas especular com uma particular forma e baixa proporção deaspecto. Uma baixa proporção de aspecto implica em um sistema fino, quemelhora a impressa estética, reduz a quantidade de PVB que necessita serusado, e por meio disso, o custo. Também, um sistema mais fino reduz aabsorção de luz pelo PVB, prevenindo a absorção de luz de ser muitoacentuada.
A luz emitida pelo LED 4 deve ser colimada para otimizar aeficiência óptica e o brilho. A invenção propõe o uso de elementos reflexivospara compor esses parâmetros.
Uma primeira modalidade do sistema de conjunto de LEDinventivo 102 é mostrada in Fig. 2. As setas A ainda indicam a luz deixando oLED 104. Nesta modalidade, os acondicionamentos de LED 100 sãoarranjados em um substrato de chapa de vidro 106. Os condutorestransparentes 108 fornecem corrente de acionamento para os LEDs 104. Osacondicionamentos de LED 100 também compreendem paredes lateraisreflexivas 120, se estendendo dos LEDs 104 e sendo inclinadas de um ânguloradialmente para fora a partir do LED 104. As paredes laterais 120 de formageral, se estendem sobre uma altura, h, e um largura, w, e inclinadas atravésde um ângulo da parede, relativo a uma normal das camadas ensanduichadas.Os acondicionamentos de LED 100 são imersos in PVB 112 e uma chapa devidro de topo 110 é arranjada na camada de PVB camada 112. O objetivo éaumentar a eficiência óptica e reduzir o brilho e selecionando a proporção deaspecto apropriada (h/w) e ângulo da parede (Ow), a luz é colimada em taluma maneira que a reflexão interna total é evitada e o brilho é ausente. Osparâmetros h/w e Ow podem ser calculados para um caso de duas dimensões.O elemento de três dimensões (cônico, quadrado, hexagonal) pode então serconstruído. Compondo com precisão o ângulo de distribuição da luz é entãopossível usar técnicas de rastreamento de raio. Um ângulo de cunha Ow doselementos colimados pode ser calculado usando:
<formula>formula see original document page 9</formula>
N nr máximo de reflexões dentro do colimadorΨ angulo de saída (radianos)θ angulo de cunha do colimador (radianos)
A proporção de aspecto associada (h/w) do colimador é dado
<formula>formula see original document page 9</formula>onde
<formula>formula see original document page 9</formula>
h altura do colimador (m)
w largura do colimador (m)d tamanho de entrada do colimador (m)Como um exemplo, assuma que ψ = 60 graus (requerido paraproteção apropriada de o brilho), a proporção de aspecto (h/w) do colimador é1,18 no ângulo de cunha de θ = 13,7 graus. A luz escapa agora em um cone de120 graus. Ao mesmo tempo a reflexão interna total (TIR) é evitada nainterface entre o vidro 108 e o ar 114 já que
<formula>formula see original document page 10</formula>
A eficiência é alta porque TIR é evitado e nenhuma luz escapado vidro 108 em ângulos altos (>60 graus) (livre de o brilho). Em termos deeficiência óptica e desempenho uma forma de refletor mais favorável é aCPC. A CPC também é mais compacta, assim sendo reduzindo a altura dosistema ensanduichado.
Embora somente a função de um único acondicionamento deLED tem sido descrito, deve ser entendido que o Sistema de conjunto de LEDde forma geral, compreende vários acondicionamentos de LED.
Uma segunda modalidade de exemplo é mostrada na Fig. 3. Oscomponentes da estrutura geral são similares àqueles da primeira modalidade;um acondicionamento de LED 200 é imerso em uma camada de PVB 212colocada entre duas chapas de vidro 206, 208. Nesta modalidade, contudo, oacondicionamento de LED 212 compreende um CPC reflexivo 220 seestendendo do LED 204. Uma cobertura transparente 222 é fornecida no CPC220, tal que uma lacuna de ar 224 está presente na área definida pelo LED204, as paredes do CPC 220, e mencionada cobertura 222. OCPC 220consiste de alumínio sólido ou de cerâmica/de polímero metalizado e fornececolimação reflexiva da luz deixando o LED 204.
Fig. 4 ilustra um sistema inventivo de acordo com uma terceiramodalidade da invenção. De novo é somente o acondicionamento de LED 300que difere das modalidades anteriores. Nesta modalidade as paredes reflexivascompreende uma estrutura de CPC sólida 320 (e.g. PMMA ou vidro oucerâmica transparente) que pode ser arranjada diretamente no topo do LED304. O CPC 320 é basicamente uma inversão do CPC apresentado em relaçãoà segunda modalidade. A parede interna de uma lacuna concentrada 326define as superfícies reflexivas que de modo eficiente reflete a luz emitida doLED 304 por TIR. A invenção de acordo com esta modalidade serátransparente para um maior grau do que do que é o caso para as outrasmodalidades.
Fig. 5 mostra uma quarta modalidade da invenção. Nestamodalidade a cobertura transparente 222 da segunda modalidade foieliminada arranjando o acondicionamento de LED 400 de cima para baixo nachapa de vidro 406 no qual os condutores transparentes 408 são arranjados. Achapa de vidro 406 assim sendo serve como um substrato para oacondicionamento de LED 400 assim como uma cobertura transparente. Ocontato elétrico entre os condutores transparentes 408 e o acondicionamentode LED é fornecido através de fios 428. O acondicionamento de LED 400 écolado à chapa de vidro 406 usando adequados meios adesivos. A construçãoreduz a espessura do sistema quando comparado à segunda modalidade. Emum aspecto, os fios 428 são rígido o bastante para pressionar contra oscondutores transparente 408 uma vez que o acondicionamento de LED 400 écolado 430 à chapa de vidro 406. Isto vai assegurar o contato elétrico sem ouso de ligação/solda adicional, especialmente após o sistema completo 402ser laminado.
Aspectos tal como custo, complexidade e tamanho têm de serconsiderado quando escolhendo entre as várias soluções. Por exemplo, aterceira modalidade fornece para a melhor eficiência óptica mas também asolução que resulta nas maiores proporções de aspecto e correntementetambém uma solução relativamente cara quando comparada à solução descritaem relação à primeira modalidade.Uma comparação entre um dispositivo da arte anterior e a
segunda e terceira modalidade é mostrada na tabela 1.
Tabela 1: Comparação entre soluções da arte anterior e a presente invençãocomo calculado com técnicas de rastreamento de raio.
<table>table see original document page 12</column></row><table>
O método de fabricação é similar para todas as modalidades, adiferença sendo relacionada à construção do acondicionamento de LED. Osacondicionamentos de LED 100, 200, 300, 400 são fornecidos com os ópticosreflexivos 120, 220, 320, 420 e montados sobre a chapa de vidro 106, 206,306, 406 com as áreas condutivas transparentes aplicadas. Após aplicar oPVB, 112, 212, 312, 412 e a chapa de vidro superior 108, 208, 308, 408, apilha é in geral aquecida para tipicamente IOO0C enquanto aplicando apressão de -10 bar. O colimador completo 120, 220, 320, 420 é assim sendoimerso no meio de polímero 112, 212, 312, 412. Preenchendo o colimadorcom polímero pode melhorar o processamento.
Embora descrito em termos gerais há muitas áreas específicasonde o uso do sistema inventivo está previsto. Essas áreas incluem sistemasde iluminação tal como luminárias, vitrinas, telhas de teto de emissão de luz,iluminação automotiva (e.g. luzes de freio) e assim por diante. Também,outros materiais do que vidro, tal como várias cerâmicas, etc tendopropriedades ópticas adequadas, podem ser usadas para o sistema inventivo.

Claims (14)

1. Sistema de conjunto de LED (102; 202; 302; 402)compreendendo pelo menos, um acondicionamento de LED (100; 200; 300;400), mencionado pelo menos um acondicionamento de LED compreendendoum LED (104; 204; 304, 404) e sendo arranjado em um substrato (106; 206;306; 406) fornecido com meios (108; 208, 308; 408) para fornecer oacondicionamento de LED com a voltagem de acionamento, ondemencionado pelo menos um acondicionamento de LED é imerso em umacamada de suporte (112; 212; 312; 412), caracterizado pelo fato de que o pelomenos, um acondicionamento de LED compreende um refletor tendo umasuperfície reflexiva (120; 220; 320; 420) para colimar a luz emitida pelo LED(104; 204; 304; 404).
2. Sistema de conjunto de LED de acordo com a reivindicação-1, caracterizado pelo fato de que a camada de topo (110; 210, 310; 410) éarranjada em tal uma maneira que ele coloca a mencionada camada de suporte(112; 212; 312; 412) entre a camada de topo (110; 210, 310; 410) e osubstrato (106; 206; 306; 406).
3. Sistema de conjunto de LED de acordo com a reivindicação-2, caracterizado pelo fato de que o substrato (106; 206; 306; 406) e a camadade topo (110; 210, 310; 410) são feitos de vidro e a camada de suporte (112;-212; 312; 412) é feita de PVB.
4. Sistema de conjunto de LED de acordo com qualquerreivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que a mencionadasuperfície reflexiva (120; 220; 320) tem uma seção transversal, ortogonal auma normal de uma camada de suporte (112; 212; 312; 412), isto éaumentando conforme uma função da distância do LED (104; 204; 304; 404).
5. Sistema de conjunto de LED de acordo com qualquerreivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que a superfície reflexiva(120) compreende um cone trancado.
6. Sistema de conjunto de LED de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a superfície reflexiva(220; 320; 420) compreende um concentrador parabólico de composto.
7. Sistema de conjunto de LED de acordo com qualquerreivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que um volume (224,-424) definido através do LED (204; 404), da superfície reflexiva (220; 420) eda cobertura transparente (222; 406) arranjada essencialmente em paralelo auma camada de suporte (112; 212; 312; 412), é enchido com um meio gasoso.
8. Sistema de conjunto de LED de acordo com qualquerreivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que a superfície reflexiva(120; 220) compreende um metal reflexivo metálico.
9. Sistema de conjunto de LED de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que um primeiro volume(326) adjacente e radialmente para fora de uma superfície reflexiva é enchidocom uma mídia tendo um índice refrativo que é mais baixo do que de umsegundo volume radialmente para dentro da superfície reflexiva, através doqual a luz emitida do LED experimenta reflexão total na mencionadasuperfície reflexiva.
10. Sistema de conjunto de LED de acordo com areivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o primeiro volume (326)compreende um gás com um índice refrativo de 1 e o segundo volumecompreende um material transparente com um índice refrativo que éequivalente ao índice refrativo do material no qual o acondicionamento deLED é imerso.
11. Sistema de conjunto de LED de acordo com qualquerreivindicação precedente, caracterizado pelo fato de ser configurado paraconservar o brilho abaixo de 500 cd/m para fora de um cone direcionaldesejado 2ψ.
12. Sistema de iluminação, caracterizado pelo fato de incluirum sistema de conjunto de LED como definido em qualquer reivindicaçãoprecedente.
13. Método para produzir um sistema de conjunto de LEDcomo definido em qualquer uma das reivindicações precedentes,caracterizado pelo fato de compreender os passos de:- arranjar um acondicionamento de LED sobre um substratofornecido com meios para fornecer o acondicionamento de LED com avoltagem de acionamento,- aplicar uma camada de suporte de polímero sobre oacondicionamento de LED,- aquecer a pilha enquanto aplicando uma pressão e assimsendo imergindo o colimador completo no meio de polímero.
14. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizadopelo fato de que o colimador é preenchido com polímero a fim de melhorar oprocessamento.
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