СВЕТОДИОДНАЯ ЛАМПА

Полезная модель относится к области светотехники, в частности, к осветительным приборам и предназначена для использования в бытовых и производственных светильниках широкого назначения.
Основной отличительной особенностью светодиодной лампы является распределение ее светового потока в окружающем пространстве. При соблюдении общепринятых, для ламп накаливания, форм и габаритов светодиодная лампа имеет равномерно распределенный рассеянный свет, в отличии от большинства современных светодиодных ламп, угол свечения которых не соответствует заменяемым ими лампам.
Так, известна светодиодная лампа общего освещения, включающая цоколь, соединенный с ним переходной элемент (изолятор), изготовленный из диэлектрического пластика с дополнительной полостью в центре, в которой расположен блок питания для работы лампы в электрических сетях, соединенный со светодиодным модулем, выполненным на печатной плате с теплопроводным металлическим основанием, закрепленным на радиаторе, радиатор выполнен в виде стержневого профиля сложного сечения, имеющего боковые плоскости, направленные в разные стороны и на которых размещены светодиодные модули, при этом радиатор размещен внутри рассеивателя, выполненного из пластика, по оптическим характеристикам близкого к стеклу, в котором светодиодные модули на каждой грани радиатора размещены напротив участков рассеивателя, расположенных между радиальными выступами на этом рассеивателе (US 2012/0313518, H01K 1/62, H05K 13/00, H01J 61/52, опубл. 13.12.2012).
Процесс формирования в такой светодиодной лампе распределенного рассеянного света заключается в том, что световое излучение от светодиодных модуле проходит через тонкую стенку транспарантного пластика в окружающую среду, при этом часть этого светового излучения попадает на стенки радиальных выступов и отражается от их поверхности. Таким образом, обеспечивается комбинационное освещение пространства в зоне 360° вокруг рассеивателя.
Рассеиватель имеет сложную пространственную форму оболочки с радиальными ребрами, при этом в центре оболочки, на противоположной стороне от цоколя, выполнено сквозное отверстие для отвода тепла от радиатора. Но такой прием отвода тепла неэффективен, так как не обеспечивает теплоотвод со всей поверхности стержневого элемента, каковым является радиатор. При этом радиатор в нижней части компоновочно прилегает к расположенному в цоколе блоку питания светодиодных модулей. В связи с этим в нижней части радиатор имеет постоянный перегрев, а отвод с верхней части радиатора через отверстие постоянного сечения при помощи конвекции в рассеивателе мало эффективен. Наличие повышенного тепла в нижней части радиатора приводит к тому, что это тепло воздействует на пластик рассеивателя. Даже при использовании такого пластика как поликарбонат (светопроницаемость - прозрачность - до 86%), стойкого к широкому диапазону высоких температур (до 120°C) постоянный нагрев приводит к помутнению структуры материала, что отражается на качестве светорассеивания потока светового излучения светодиодов. Для поликарбоната используют специальные покрытия, снбижающие воздействие теплового излучения на структуру материала, но не всегда эти покрытия могут использоваться для светотехники.
Известно, что КПД мощных светодиодов на порядок выше, чем у ламп накаливания. В то же самое время, большая часть энергии, потребляемой светодиодами (около 75%), все-таки уходит в рассеиваемое тепло. С ростом светового потока от светодиодных источников растет тепловыделение. По оценкам некоторых международных и отечественных экспертов, обеспечение эффективного теплоотвода в светодиодной (LED) светотехнике - одна из наиболее актуальных задач, стоящих сегодня перед разработчиками и производителями данной продукции.
В отличие от традиционных ламп накаливания и газоразрядных ламп современные светодиоды чувствительны к высоким температурам:
- во-первых, при перегреве светодиода уменьшается его эффективность, падает световой поток, изменяется цветовая температура, а срок службы может сокращаться в разы;
- во-вторых, при температуре 80°C интенсивность свечения падает примерно на 15% в сравнении с интенсивностью при комнатной температуре. Как результат, светильник с двадцатью светодиодами при температуре 80°C может иметь световой поток, эквивалентный потоку от семнадцати светодиодов при комнатной температуре. При температуре перехода в 150°C, интенсивность света светодиодов может упасть на 40%.
- в-третьих, у светодиодов присутствует отрицательный температурный коэффициент прямого напряжения, т.е. при повышении температуры происходит уменьшение прямого напряжения светодиодов. Обычно этот коэффициент составляет от -3 до -6 мВ/К, поэтому прямое напряжение типичного светодиода может составлять 3,3 В при +25°C и не более 3 В при +75°C. Если источник питания не позволяет снижать ток на светодиодах, то это может привести к еще большему перегреву и выходу светодиодов из строя. Кроме того, многие источники питания для светодиодных светильников рассчитаны на температуру эксплуатации до +70°C.
Таким образом, для эффективной работы многих светодиодных устройств важно обеспечить температуру не более 80°C как в области p-n-перехода светодиодов, так и в области источника питания. Несоблюдение рекомендуемого температурного режима может приводить к потере количества и качества света, увеличению стоимости света от светодиодного устройства, а также сокращению жизни светотехнического прибора.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплуатационной надежности светодиодной лампы за счет обеспечения эффективного теплоотвода со всей поверхности радиатора по всей его высоте.
Указанный технический результат достигается тем, что в светодиодной лампе общего освещения, включающей цоколь, соединенный с ним переходной изоляторный элемент из диэлектрического пластика с полостью внутри, в которой расположен блок питания для работы лампы в электрических сетях, соединенный со светодиодными модулями, выполненными на печатной плате с теплопроводным металлическим основанием, и закрепленными на радиаторе, радиатор имеет центральную часть стержневого профиля сечения и ребра, при этом центральная часть радиатора выполнена с боковыми гранями, направленными в разные стороны на которых размещены указанные светодиодные модули и размещена внутри рассеивателя, выполненного из пластика, по оптическим характеристикам близкого к стеклу, рассеиватель выполнен с внешними поверхностными участками, протянутыми в направлении от цоколя и внутренними участками утоплено расположенными между поверхностями, напротив которых внутри рассеивателя размещены на гранях радиатора светодиодные модули, радиатор выполнен с продольно ориентированными ребрами, расположенными по крайней мере на части высоты радиатора и отходящими от поверхности центральной части радиатора между его гранями для формирования поверхностей теплоотвода, а рассеиватель представляет собой колпак, выполненный в виде продольно ориентированных сегментных оболочек, или рассеиватель выполнен в виде отдельных продольно ориентированных сегментных оболочек, каждая из которых расположена напротив светодиодных модулей одной грани центральной части радиатора и охватывает их с изолированием этих светодиодных модулей от светодиодных модулей на смежно расположенной грани, при этом продольно ориентированные ребра радиатора расположены между сегментными оболочками.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - общий вид светодиодной лампы для установки в стандартные электрические патроны (электропатроны) E27 (E14);
фиг. 2 - вид на лампу со стороны прозрачного участка рассеивателя на светодидные модули;
фиг. 3 - показано распределение тепла по температуре по высоте радиатора;
фиг. 4 - показано распределение тепла по температуре по поперечному сечению радиатора.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция светодиодной лампы общего освещения, выполненной для установки в стандартные электрические патроны (электропатроны) E27 (E26, E14, E12, E17, B22d, B15d). Эта лампа выполнена в стандартных (общепринятых/привычных) типоразмерах для замены соответствующих утилитарных источников света. Под рассеивателем, выполненным из светотехнического пластика, расположены осветительные модули, представляющие собой односторонние печатные платы повышенной тепловой проводимости с равномерно расположенными на них светодиодами, включенными по комбинированной схеме. Светодиоды в модулях расположены таким образом, что создается равномерное распределение светового потока от лампы по всем направлениям в пространстве (360°). В корпусе и цоколе лампы расположен блок питания, для работы в электрических сетях переменного тока 220 В/50 Гц. Основной задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью является создание светодиодной лампы, обладающей высокой эксплуатационной надежностью, повышенной эффективностью освещения (за счет равномерного распределения светового потока во всех направлениях).
Светодиодная лампа общего освещения (фиг. 1 и 2) включает в себя цоколь 1, соединенный с ним переходный изоляторный элемент 2 (изолятор) из диэлектрического пластика с полостью внутри, в которой расположен блок питания 3 для работы лампы в электрических сетях. Этот блок питания соединен со светодиодными модулями 4, выполненными на печатной плате с теплопроводным металлическим основанием, и закрепленными на радиаторе 5.
Радиатор 5 имеет центральную часть стержневого профиля сечения с боковыми гранями 6, направленными в разные стороны и на которых размещены указанные светодиодные модули 4.
Радиатор 5 размещен внутри рассеивателя 7, выполненного из пластика, по оптическим характеристикам близкого к стеклу. Радиатор выполнен с продольно ориентированными ребрами 8, расположенными, по крайней мере, на части высоты радиатора и отходящими от поверхности радиатора между гранями для формирования поверхностей теплоотвода. Радиатор выполнен в виде профиля сложного сечения с расположенными с внешней стороны продольно ориентированными ребрами, лежащими в плоскостях, проходящих через ось лампы. Предпочтительно радиатор выполнить из алюминия, или легких сплавов алюминия, меди или керамики.
Рассеиватель 7 представляет собой колпак, выполненный в виде продольно ориентированных сегментных оболочек 9, или рассеиватель выполнен в виде отдельных продольно ориентированных сегментных оболочек 9 различной формы (в зависимости от типа лампы), каждая из которых расположена напротив светодиодных модулей 4 одной грани 6 и охватывает их с изолированием этих светодиодных модулей от светодиодных модулей на смежно расположенной грани. Рассеиватель сложной формы в вертикальном сечении представляет собой форму общепринятой лампы (A60, C37, G45, P45 и т.д.), и выполнен из пластика, по оптическим характеристикам близкого к стеклу, например, поликарбонат.
А продольно ориентированные ребра 8 радиатора расположены между сегментными оболочками 9 так, чтобы часть радиатора со светодиодами была расположена внутри группы рассеивателей. Радиатор, выполненный в виде профиля сложного сечения с расположенными с внешней стороны продольно ориентированными ребрами, лежащими в плоскостях, проходящих через ось лампы, установлен в пазы корпуса, выполненного из диэлектрического пластика, и закреплен с ним механически, при этом корпус также механически соединен с изолятором цоколя. В изоляторе выполнены сквозные отверстия 10 для дополнительного отвода тепла из области размещения блока питания.
Светодиоды в светодиодной лампе разделены на несколько групп (модулей) соединенных между собой в последовательные или параллельные или последовательно-параллельные или параллельно-последовательные цепи. Светодиодные модули выполнены с теплопроводными металлическими основаниями и установлены на корпусе радиатора, при этом модули расположены таким образом, чтобы обеспечивать равномерное распределение светового потока во внутреннем объеме сегментов рассеивателя и, как следствие, общего светового потока лампы. Светодиоды на плате расположены таким образом, чтобы обеспечивать торцевую равномерную засветку материала рассеивателей.
Таким образом, особенностью светодиодной лампы по настоящей полезной модели является то, что светодиоды на каждой грани радиатора расположены в собственных транспарантных оболочках, направляют излучение на торцевую поверхность и на боковые поверхности оболочки. Но при этом следует учитывать, что наиболее распространенным способом отведения избыточного количества тепла от мощных светодиодов и микросхем является его передача на печатную плату (в том числе и платы с металлическим основанием - МС РСВ, AL РСВ, IM РСВ), подложку или другие конструктивные элементы электронного устройства. Также применяется установка радиатора на перегревающийся компонент (или перегревающегося компонента на радиатор), что увеличивает площадь лучистого и конвекционного обмена. Затем тепло передается в окружающую среду преимущественно при помощи конвекции. Но в реалиях, поверхности источника тепла и теплоприемника имеют шероховатости и неровности. При контакте плоскостей в большинстве случаев возникают зазоры (микрополости), в которых содержится воздух. Как результат - контакт между плоскостями происходит точечно, что существенно увеличивает тепловое сопротивление перехода. Важно помнить, что воздух имеет коэффициент теплопроводности около 0,02 Вт/м·К, что крайне мало, и примерно в 40 раз меньше, чем у типичных теплопроводящих паст. Таким образом, в связи с наличием воздуха между контактирующими поверхностями возникает высокое сопротивление тепловому потоку, и эффективность отвода тепла существенно падает. Чтобы избежать этого негативного эффекта от присутствия воздуха используют теплопроводящий материал, который заполняет зазоры. В этом случае тепло от модуля контактно переходит на радиатор. При этом теплоотвод осуществляется через ребра, которые выведены наружу и распложены вне сегментов. Таким образом, внутри сегментных оболочек отсутствует повышение температуры выше установлено нормы. Исследования показали (см. фиг. 3 и 4). что при длительной работе светодиодной лампы температура радиатора и его выведенных наружу ребер не превышает 61°C, а температура внутри сегментных оболочек находится примерно в области 40°C. Такие показатели указывают на отсутствие перегрева светодиодов на радиаторе. Таким образом, сохраняется эффективность светодиодов и световой поток, поддерживается на качественном уровне без изменения цветовой температура.