IT201900006818A1

IT201900006818A1 - METHOD AND APPARATUS CONTROLLED VIA POWER LINE FOR THE DIMMABILITY OF LAMPS EVEN NOT DIMMABLE

Info

Publication number: IT201900006818A1
Application number: IT102019000006818A
Authority: IT
Inventors: Vincenzo Stornelli; Mirco Muttillo; Gianluca Barile; Alfiero Leoni; Giuseppe Ferri; Leonardo Pantoli; Domenica Paoletti; Giovanni Pasqualoni; Stefano Ricci; Andrea Pelliccione; Rubeis Tullio De; Dario Ambrosini
Original assignee: Vincenzo Stornelli; Stefano Ricci; Gianluca Barile; Giovanni Pasqualoni; Giuseppe Ferri; Leonardo Pantoli; Domenica Paoletti; Mirco Muttillo; Andrea Pelliccione; Alfiero Leoni; Rubeis Tullio De; Dario Ambrosini; SENSing srl
Priority date: 2019-10-14
Filing date: 2019-10-14
Publication date: 2021-04-14

Description

“METODO ED APPARATO CONTROLLATO VIA POWER LINE PER LA DIMMERABILITÀ DI LAMPADE ANCHE NON "METHOD AND APPARATUS CONTROLLED VIA POWER LINE FOR THE DIMMABILITY OF LAMPS EVEN NOT

DIMMERABILI” DIMMABLE "

DESCRIZIONE DESCRIPTION

L’assorbimento energetico dovuto all’illuminazione Energy absorption due to lighting

degli edifici è, ad oggi, responsabile per circa il 20% of buildings is currently responsible for about 20%

dei consumi complessivi. Tale dato giustifica gli of overall consumption. This data justifies the

sforzi che, negli ultimi anni, sono stati effettuati, efforts that have been made in recent years,

per ricercare tecnologie efficienti, in grado di to research efficient technologies, capable of

contribuire attivamente alla riduzione dei consumi actively contribute to the reduction of consumption

energetici. In questo contesto le elevate prestazioni energetic. In this context, the high performance

delle lampade LED (Light Emitting Diodes) hanno some LED (Light Emitting Diodes) lamps have

consentito una loro crescente diffusione, con conseguente diretta riduzione dei consumi energetici. Le lampade LED, oltre ad avere una maggiore efficienza luminosa rispetto alle lampade fluorescenti, consentono risparmi maggiori in fase di dimmeraggio. Con tale termine si indica la possibilità di variare l’intensità luminosa emessa dalla lampada che passa da un valore nullo (0%) ad un valore massimo di intensità (100%). allowed their growing diffusion, with consequent direct reduction of energy consumption. The LED lamps, in addition to having a higher luminous efficiency than fluorescent lamps, allow greater savings in the dimming phase. This term indicates the possibility of varying the light intensity emitted by the lamp which goes from a null value (0%) to a maximum intensity value (100%).

Infatti, ipotizzando un dimmeraggio al 50%, le lampade fluorescenti perdono il 24% di efficienza luminosa, mentre i LED l'1.3%. Pertanto, si può osservare che, in termini di energy efficiency, i LEDsono più idonei per il dimming, rispetto alle lampade fluorescenti. In tale contesto, i sistemi di controllo e gestione delle lampade, soprattutto in edifici già esistenti risultano ad oggi poco sviluppati. Infatti, tecniche e strategie di controllo dell’illuminazione rappresentano un argomento complesso, a causa del loro difficile processo progettuale, della compatibilità di un sistema di dimmeraggio con le lampade usate, della complessità installativa e della difficoltà di valutare con precisione i tempi di ritorno degli investimenti. Per tutti questi motivi, la diffusione dei sistemi di controllo delle sorgenti luminose artificiali viaggia ad una velocità minore, rispetto allo sviluppo di lampada e corpi illuminati. Ciononostante, la ricerca di sistemi di controllo dell’illuminazione continua da anni, con l’obiettivo di produrre diversi risultati. In alcuni casi, gli sviluppi scientifici mirano ad un upgrade delle tecnologie di controllo della luce. In altri casi, l’intento è ricercare un valido sistema di valutazione per la reale quantificazione dei risparmi energetici. Innumerosi lavori scientifici e brevetti vengono discussi i vari tipi di control systems, lo sviluppo delle relative tecnologie, il risparmio ottenibile dalla loro applicazione e i fattori che influiscono sulla loro performance. Inoltre, viene discusso il trend di sviluppo nel controllo dell'illuminazione e i possibili sviluppi futuri. Dettagliati studi su lighting control for daylighting and occupancy adaptation mostrano i diversi approcci adottabili. In molti lavori è proposto un sistema wireless con sensori multipli ed un controllo centrale, valutato tramite simulazione DIALux. In questo caso, viene sottolineato il fatto che le connessioni wireless sono più semplici delle connessioni filari (wired) e sono utili per ammodernare sistemi già esistenti. In diversi lavori il controllo della luce viene realizzato tramite digital dimming ballast (DALI protocol), mentre i nodi del sistema comunicano con il protocollo LonWorks. I risultati energetici ottenuti mostrano un risparmio di energia variabile dal 17% al 32%, considerando sia il consumo annuo di energia, sia il consumo energetico derivante dalle correnti parassite, dovuto a sensori e controllori. Ulteriori studi mostrano una valutazione di performance energetica per sistemi di illuminazione con 8 differenti strategie di controllo. La tecnologia impiegata si basa su sensori commerciali (OSRAMLS/PD MULTI 3), e un PLC (programmable logic controller). I risultati mostrano che l'applicazione di un generico controllo di gestione consente risparmi dell'ordine del 50%. La combinazione del controllo del compito visivo (task lighting) e dimmerabilità (dimming) consente di raggiungere valori di risparmio sino al 59%, sempre garantendo comfort per gli occupanti. Va sottolineato però come i sistemi di controllo dell’illuminazione, sebbene consentano notevoli riduzioni del consumo energetico, sono spesso affetti da complessità progettuale ed installativa, elevati costi, difficoltà di valutazione dei reali benefits energetici e problemi di gestione. Tali motivi determinano una loro minore diffusione, rispetto alle possibili aspettative. La diffusione dei sistemi di controllo dell’illuminazione è maggiore per gli edifici nuovi rispetto agli edifici esistenti. Questo aspetto incide quindi negativamente sui risultati di risparmio energetico complessivamente ottenibili dal settore dell’illuminazione. Per tali motivi, il principale obiettivo del presente trovato è rappresentato dall’invenzione di un nuovo sistema di controllo delle sorgenti luminose, in grado di controllare l’apporto di luce naturale (daylight) e occupancy adaptation, utilizzabile con differenti tipologie di lampade, quindi universale, pensato soprattutto per installazioni in edifici esistenti, grazie alla sua estrema semplicità installativa ed ai bassi costi di investimento. In fact, assuming a dimming at 50%, fluorescent lamps lose 24% of their luminous efficiency, while LEDs lose 1.3%. Therefore, it can be observed that, in terms of energy efficiency, LEDs are more suitable for dimming than fluorescent lamps. In this context, the control and management systems of the lamps, especially in existing buildings, are currently underdeveloped. In fact, lighting control techniques and strategies represent a complex topic, due to their difficult design process, the compatibility of a dimming system with the lamps used, the installation complexity and the difficulty of accurately evaluating the return times of the lamps. investments. For all these reasons, the diffusion of control systems for artificial light sources travels at a slower speed, compared to the development of lamps and illuminated bodies. Nonetheless, the search for lighting control systems has continued for years, with the aim of producing different results. In some cases, scientific developments aim at an upgrade of light control technologies. In other cases, the intent is to search for a valid evaluation system for the real quantification of energy savings. Numerous scientific papers and patents discuss the various types of control systems, the development of related technologies, the savings obtainable from their application and the factors that affect their performance. In addition, the development trend in lighting control and possible future developments is discussed. Detailed studies on lighting control for daylighting and occupancy adaptation show the different approaches that can be adopted. In many works a wireless system with multiple sensors and central control is proposed, evaluated by DIALux simulation. In this case, it is emphasized that wireless connections are simpler than wired connections and are useful for modernizing existing systems. In various works, the light control is achieved through digital dimming ballast (DALI protocol), while the system nodes communicate with the LonWorks protocol. The energy results obtained show an energy saving ranging from 17% to 32%, considering both the annual energy consumption and the energy consumption deriving from eddy currents, due to sensors and controllers. Further studies show an energy performance evaluation for lighting systems with 8 different control strategies. The technology used is based on commercial sensors (OSRAMLS / PD MULTI 3), and a PLC (programmable logic controller). The results show that the application of a generic management control allows savings of the order of 50%. The combination of visual task control (task lighting) and dimming (dimming) makes it possible to achieve savings of up to 59%, always guaranteeing comfort for the occupants. However, it should be emphasized that lighting control systems, although they allow significant reductions in energy consumption, are often affected by design and installation complexity, high costs, difficulties in evaluating real energy benefits and management problems. These reasons determine their lesser diffusion, compared to possible expectations. The diffusion of lighting control systems is greater for new buildings than for existing buildings. This aspect therefore negatively affects the overall energy saving results achievable by the lighting sector. For these reasons, the main objective of the present invention is represented by the invention of a new control system of the light sources, able to control the contribution of natural light (daylight) and occupancy adaptation, usable with different types of lamps, therefore universal, especially designed for installations in existing buildings, thanks to its extreme installation simplicity and low investment costs.

Il metodo e l’apparato oggetto dell’invenzione (100), con particolare riferimento alla Fig. 1, è composto da un sistema di controllo (101) dove vengono collegati un sensore di presenza e luminosità (102) e la lampada da dimmerare. Il sistema di controllo (101) a sua volta è collegato alla rete elettrica (103) per poi comunicare tramite powerline ad un sistema di controllo generale. The method and the apparatus object of the invention (100), with particular reference to Fig. 1, is composed of a control system (101) where a presence and brightness sensor (102) and the lamp to be dimmed are connected. The control system (101) in turn is connected to the electrical network (103) and then communicates via powerline to a general control system.

Analogamente, con riferimento al sistema sopra proposto, e in particolare con riferimento alla Fig. 2, lo schema generale sarà così composto: ogni lampada (202) (203) (204) (205) avrà su di essa montato un sistema (100) che comunica tramite powerline su rete elettrica (206) ad un sistema di controllo generale (201). Suddetto sistema sarà in grado di gestire i vari sistemi (100) nella fase di calibrazione iniziale e regolare funzionamento. Similarly, with reference to the system proposed above, and in particular with reference to Fig. 2, the general scheme will be composed as follows: each lamp (202) (203) (204) (205) will have a system (100) mounted on it which communicates via powerline on the electrical network (206) to a general control system (201). Said system will be able to manage the various systems (100) in the initial calibration phase and regular operation.

Entrando nel dettaglio, attenendosi alla Fig. 3, il sistema (100) viene descritto nei suoi componenti e collegamenti di cui è formato nel sistema (300). Tale sistema (300) ha come base fondamentale un microcontrollore (301) che è adibito alla gestione e sincronizzazione di tutti i componenti presenti nell’oggetto dell’invenzione. In particolar modo, sarà in grado di comunicare con il sistema di controllo generale (201) tramite powerline (302) utilizzando la rete elettrica (309). Questo tipo di comunicazione è di fondamentale importanza perché evita l’utilizzo di ulteriori cavi rendendo il sistema adatto a tutte le situazioni, anche per impianti obsoleti. Inoltre, il microcontrollore (301) è collegato al sensore (304), che rileva luminosità e presenza. Detto dispositivo comunica in modo digitale con il microcontrollore (301) per dargli in tempo reale i valori di luminosità e l’eventuale assenza di persone nella stanza per spegnere le lampade presenti. Grazie al sensore (304) che rileva la luminosità della stanza, è possibile regolare l’intensità della luce emessa in base alla luce naturale presente. Suddetto principio di funzionamento, come descritto precedentemente, permette di risparmiare energia integrando luce naturale e luce artificiale in modo automatico, nonché lo spegnimento delle luci in caso di assenza di persone. In aggiunta al sistema (300) vengono inseriti 3 sottosistemi fondamentali per il dimmeraggio della lampada. Il primo è il dimmer igbt (305) capace di regolare l’intensità della luce di tutte quelle lampade che incorporano sistemi di adattamento al dimming e quelle sprovviste di detto sistema. Il secondo sistema composto da un controllo dali (306), presente su lampade in grado di essere dimmerate tramite questo protocollo. L’ultimosistema è un controllo in DC (307) con una tensione che varia da 0V a 10V, per quelle lampade che presentano una regolazione proporzionale all’ingresso analogico in tensione presente in quest’ultima. In base al tipo di lampada (308) verrà abilitato dal microcontrollore il sistema adeguato. Infine, un circuito di alimentazione (303) provvederà a trasformare la tensione di rete alternata (309) in tensione continua e a generare i vari livelli di tensione da distribuire su tutto il sistema. Going into detail, following Fig. 3, the system (100) is described in its components and connections of which it is formed in the system (300). This system (300) has as its fundamental basis a microcontroller (301) which is used for the management and synchronization of all the components present in the object of the invention. In particular, it will be able to communicate with the general control system (201) via powerline (302) using the electrical network (309). This type of communication is of fundamental importance because it avoids the use of additional cables making the system suitable for all situations, even for obsolete systems. Furthermore, the microcontroller (301) is connected to the sensor (304), which detects brightness and presence. This device communicates digitally with the microcontroller (301) to give it the brightness values in real time and the possible absence of people in the room to turn off the lamps present. Thanks to the sensor (304) that detects the brightness of the room, it is possible to adjust the intensity of the light emitted based on the natural light present. This operating principle, as described previously, allows you to save energy by integrating natural and artificial light automatically, as well as switching off the lights in the absence of people. In addition to the system (300), 3 fundamental subsystems are inserted for lamp dimming. The first is the igbt dimmer (305) capable of adjusting the intensity of the light of all those lamps that incorporate dimming adaptation systems and those without this system. The second system consists of a dali control (306), present on lamps capable of being dimmed using this protocol. The latest system is a DC control (307) with a voltage ranging from 0V to 10V, for those lamps that have a regulation proportional to the voltage analog input present in the latter. According to the type of lamp (308) the appropriate system will be enabled by the microcontroller. Finally, a power supply circuit (303) will transform the alternating mains voltage (309) into direct voltage and generate the various voltage levels to be distributed throughout the system.

Per quanto riguarda il sensore (304), con riferimento alla Fig. 4, viene descritto dal sistema (400). Il sistema (400) è stato completamente progettato nella sua forma meccanica, e fa anch’esso parte dell’invenzione. Vengono riportate le quote, e il sistema sarà montato nelle immediate vicinanze della lampada e comunque dovrà essere collegato al microcontrollore tramite cavo su (401). Sulla parte superiore è montato un sensore di luminosità digitale (402) che comunica tramite protocollo I2C con il microcontrollore. Sempre sulla parte superiore è presente il sensore di presenza (403), su cui è possibile regolare la sensibilità tramite (404), che comunica tramite un segnale digitale che si porterà a livello logica alto in presenza di persone, e basso in assenza. As regards the sensor (304), with reference to Fig. 4, it is described by the system (400). The system (400) has been completely designed in its mechanical form, and is also part of the invention. The measurements are shown, and the system will be mounted in the immediate vicinity of the lamp and in any case must be connected to the microcontroller via cable on (401). On the upper part is mounted a digital brightness sensor (402) which communicates via I2C protocol with the microcontroller. Also on the upper part is the presence sensor (403), on which it is possible to adjust the sensitivity through (404), which communicates via a digital signal that will go to a high logic level in the presence of people, and low in absence.

Una forma esemplificativa del dimmer igbt è mostrata in Fig. 5 dal sistema (500). Per prima cosa è presente l’ingresso (502) che proviene dalla rete elettrica (509) e che a sua volta va nel rilevatore di zero (505). Detto dispositivo è fondamentale per il sincronismo con la rete elettrica per rilevare lo zero della forma d’onda alternata e farlo rilevare al microcontrollore tramite (507) un segnale. La tensione di rete va in ingresso ad un transistor igbt (501), controllato da una circuiteria (504) che grazie al segnale proveniente dal microcontrollore (508) disaccoppiato dall’optoisolatore (505) per evitare danneggiamenti della parte logica, permette di regolare la corrente che fluisce verso la lampada (506) e regolarne la luminosità. An exemplary form of the igbt dimmer is shown in Fig. 5 by the system (500). First, there is the input (502) which comes from the electrical network (509) and which in turn goes into the zero detector (505). This device is essential for synchronization with the power grid to detect the zero of the alternating waveform and have it detected by the microcontroller via (507) a signal. The mains voltage enters an igbt transistor (501), controlled by a circuitry (504) which, thanks to the signal coming from the microcontroller (508) decoupled from the optocoupler (505) to avoid damage to the logic part, allows to regulate the current flowing to the lamp (506) and adjust its brightness.

Il presente trovato permette dunque di creare un sistema per la regolazione della luminosità di qualsiasi lampada in base alla luce naturale presente nella stanza e alla presenza o meno delle persone tramite un sensore e di gestire il tutto in modo automatico. Questo sistema all’avanguardia oggetto dell’invenzione permetterà di risparmiare energia. The present invention therefore allows to create a system for adjusting the brightness of any lamp based on the natural light present in the room and on the presence or absence of people by means of a sensor and to manage everything automatically. This state-of-the-art system object of the invention will save energy.

Claims

“METHOD AND APPARATUS CONTROLLED VIA POWER LINE FOR THE DIMMABLE LAMPS EVEN NON-DIMMABLE " CLAIMS 1) Apparatus for adjusting the light intensity of each type of lamp consisting of a control system where a presence and brightness sensor and one or more lamps to be dimmed are connected. The microprocessor-based control system is in turn connected to the mains and then communicates via powerline to a general control system. Each lamp will have a system mounted on it that communicates via powerline on the electrical network with a general control system. The apparatus consists of: - a microcontroller that is used for the management and synchronization of all the components present in the object of the invention capable of communicating with the general control system via powerline using the electrical network. - One or more light and presence sensors connected to the microcontroller. This device communicates digitally with the microcontroller to give it the brightness values in real time and the possible absence of people in the room to turn off the lamps present. - An "igbt dimmer" system capable of regulating the intensity of the light of all those lamps that incorporate dimming adaptation systems and those without this system. - “dali” control system, present on lamps capable of being dimmed using this protocol. - DC control system with a voltage ranging from 0V to 10V, for those lamps that have a regulation proportional to the voltage analog input present in the latter. - Digital brightness sensor that communicates via I2C protocol with the microcontroller. - Presence sensor, on which it is possible to adjust the sensitivity from the microcontroller, which communicates via a digital signal that will go to a high logic level in the presence of people, and low in their absence.

2) Apparatus, according to the previous claim, in which there is a zero sensor of the alternating waveform and let it be detected by the microcontroller through a signal.

3) Apparatus according to the previous claim in which the mains voltage enters an IGBT transistor, controlled by a standard circuitry which, thanks to the signal coming from the microcontroller decoupled from an optocoupler to avoid damage to the logic part, allows to regulate the current flowing towards the lamp and adjust its brightness.

4) Method for adjusting the brightness of any lamp based on the natural light present in the room and the presence or absence of people.