СВЕТОВОЙ ПРИБОР

Полезная модель относится к приборостроению, светотехнике и может быть использована при проектировании новых энергоэффективных полупроводниковых источников света, в том числе, линейных светодиодных ламп для прямой замены люминесцентных разрядных ламп низкого давления. Полезная модель направлена на повышение световой эффективности (общей светоотдачи) устройства.
Известен световой прибор, содержащий несколько светодиодов для формирования светового потока и несколько линз для управления световым потоком (LED Panel Light. Bulb Lamp LGI 100-240 V. Products Brochure LIGHT GREEN / Light Green International Co., Ltd., 2010)
Недостатком светового прибора является низкая световая эффективность, что обусловлено потерями энергии на разогрев кристалла и снижением светового потока при преобразовании энергии первичного излучения светодиода его слоем люминофора и повышении температуры p-n-перехода и частиц слоя люминофора.
Известен световой прибор, содержащий светодиодную матрицу для формирования светового потока и линзу для управления световым потоком (Продукция CREE. Каталог Rainbow Electronics / Rainbow Electronics, 2010).
Недостатком светового прибора является низкая световая эффективность, что обусловлено потерями энергии на разогрев кристалла и снижением светового потока при преобразовании энергии первичного излучения светодиода его слоем люминофора и повышении температуры p-n-перехода и частиц слоя люминофора.
Известен световой прибор, содержащий несколько светодиодов для формирования светового потока и несколько линз для управления световым потоком (Полупроводниковая светотехника. Каталог производственного альянса Контракт-Электроника / Контракт Электроника, 2010).
Недостатком светового прибора является низкая световая эффективность, что обусловлено потерями энергии на разогрев кристалла и снижением светового потока при преобразовании энергии первичного излучения светодиода его слоем люминофора и повышении температуры p-n-перехода и частиц слоя люминофора.
Известен световой прибор, содержащий несколько светодиодов для формирования светового потока и несколько линз для управления световым потоком (Инновационное светодиодное освещение. Каталог продукции / Завод Светорезерв, 2010).
Указанный световой прибор является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и выбран в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является низкая световая эффективность устройства (светового прибора), что обусловлено потерями энергии на разогрев кристалла и снижением светового потока при преобразовании энергии первичного излучения светодиода его слоем люминофора и повышении рабочей температуры p-n-перехода и частиц слоя люминофора.
Полезная модель направлена на решение задачи увеличения общей световой эффективности (общей светоотдачи) светового прибора, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что в световом приборе, содержащем один или несколько светодиодов или одну или несколько светодиодных матриц для формирования светового потока и одну или несколько линз для управления световым потоком, на поверхность или на часть поверхности, или в объем, или в часть объема линзы или линз введены частицы люминофора или смеси люминофоров.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение световой эффективности (общей светоотдачи) устройства, что обусловлено снижением потерь энергии на разогрев кристалла светодиода и ростом светового потока при преобразовании энергии первичного излучения светодиода слоем люминофора и снижении рабочей температуры p-n-перехода светодиода и частиц люминофора или смеси люминофоров.
Повышение световой эффективности (общей светоотдачи) светового прибора является полученным техническим результатом, обусловленным новым принципом преобразования энергии первичного излучения светодиода частицами люминофора или смеси люминофоров, введенных в обьем или в часть объема оптически прозрачного материала линзы или линз, особенностями новой конструкции светового прибора с удаленным люминофором, то есть отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого светового прибора являются существенными.
На рисунке приведена типовая конструкция заявляемого светового прибора.
Световой прибор содержит один или несколько светодиодов 1 или одну или несколько светодиодных матриц для формирования светового потока и одну или несколько линз 2 для управления световым потоком, на поверхность или на часть поверхности, или в объем, или в часть объема линзы или линз введены частицы люминофора 3 или смеси люминофоров.
Световой прибор в установившемся режиме работает следующим образом. Светодиод 1 (светодиодная матрица) через выводы подключается к источнику вторичного электропитания. При подаче питания на светодиод 1 он начинает излучать световую энергию за счет явления электролюминесценции и преобразования электрической энергии прямого тока в световую энергиию. При работе устройства часть энергии рассеивается, что приводит к разогреву элементов. Светодиод 1 или светодиодная матрица излучает свет определенных длин волн, который преобразуется частицами 3 люминофора или смеси люминофоров, введенных во внутренний объем или часть объема (или нанесенных на поверхности или части поверхностей) оптически прозрачного материала линзы 2. Оптически прозрачный материал линзы 2 выполняет роль связующего для частиц 3 люминофора или смеси люминофоров. Таким образом, источник света (световой прибор) становится более распределенным в пространстве и видоизменяется спектр его излучения в необходимом направлении. За счет преобразования первичного излучения светодиода 1 (матрицы) частицами 3 люминофором или смеси люминофоров светоотдача (отношение светового потока к потребляемой мощности, лм/Вт) устройства возрастает. Действительно, большая часть потребляемой устройством энергии преобразуется в энергию света. Это обусловлено снижением температуры p-n перехода светодиода 1 и частиц 3 люминофора или смеси люминофоров, снижением коэффициентов рассеяния и отражения света в заявляемой конструкции светового прибора. Линза (линзы) 2 одновременно перераспределяет световой поток светодиода, например, в меньший телесный угол и (или) изменяет форму светового пучка (кривой силы света).
Светодиоды (матрица или матрицы) 1 имеют, например, голубой цвет свечения (изготовлены на основе гетероструктур GaN, InGaN и других). Частицы 3 люминофора или смеси люминофоров при воздействии исходного излучения светодиода (1) излучают энергию в недостающих областях спектра (желто-зеленый или зеленый и красный части спектра видимого света). При смешивании излучений светодиода (1) и люминофора 3 образуется белый или близкий к нему свет. Светодиод 1 представляет собой полупроводниковый прибор, работающий, как отмечено выше, при прямом включении и преобразующий энергию электрического тока непосредственно в световое излучение за счет явления электролюминесценции. Драйвер питания устройства выполняется по любой из известных схем для регулируемого преобразования переменного тока в постоянный ток (с трансформацией уровня напряжения с помощью обычного трансформатора или без нее) или переменный ток при встречно-параллельном включении светодиодов 1 или ветвей светодиодной матрицы.
По сравнению с прототипом существенно возрастает световая эффективность (общая светоотдача) светового прибора. Светоотдача источника света (световая эффективность светового прибора) - это отношение светового потока к общей потребляемой мощности (лм/Вт). Световой поток светодиода уменьшается при нагреве кристалла, а эффективность фотолюминесценции снижается при нагреве частиц люминофора или смеси люминофоров. Связующее в виде оптически прозрачного материала линзы, в который вводятся или на который наносятся частицы люминофора или смеси люминофоров, эффективно охлаждает люминофор, а также положительно влияет на рассеяние и отражение света. В частности, при равенстве показателей (коэффициентов) преломления оптически прозрачного материала линзы и люминофора, введенного в объем, наиболее значительно уменьшаются коэффициенты рассеяния и отражения, что способствует увеличению светимости линзы. Нагрев кристалла светодиода обусловлен, в том числе, рассеиваемой в люминофоре и отраженной им энергией излучения (известные конструкции светодиодов с нанесенным непосредственно на кристалл слоем люминофора) p-n-перехода. При введении частиц люминофора во внутренний объем или в часть объема или на поверхности оптически прозрачного материала линзы потери энергии в люминофоре не влияют на дополнительный нагрев кристалла светодиода и не приводят к повышению его рабочей температуры и снижению исходного светового потока излучения светодиода. Более того, суммарный световой поток светодиода значительно возрастает (до 10%). Таким образом, для получения равного светового потока от светодиода требуется меньшая мощность источника вторичного электропитания. Одновременно «удаление» люминофора от кристалла светодиода приводит к снижению рабочей температуры частиц люминофора и повышению яркости. Световая эффективность (общая светоотдача) светового прибора возрастает. Частицы люминофора или смеси люминофоров в объеме или в части объема или на поверхности оптически прозрачного материала линзы в заявляемом световом приборе выполняют одновременно несколько функций (светорассеяние, снижение максимальной яркости, модификация спектра, увеличение суммарного светового потока излучения). В прототипе световой поток уменьшается за счет непроизводительных потерь энергии в слоях полупроводников светодиода. Это дополнительная причина снижения световой эффективности (общей светоотдачи) светового прибора, выбранного за прототип. Световая эффективность нового прибора может быть повышена на 15÷17% по сравнению с прототипом.
Дополнительно, по сравнению с прототипом, увеличиваются срок службы и надежность работы заявляемого светового прибора. Это достигается за счет комплексного снижения электрической нагрузки на источник вторичного электропитания для прибора и рабочей температуры p-n-перехода светодиода и частиц люминофора или смеси люминофоров. Уменьшается деградация структуры светодиода и кристаллов люминофора. Срок службы нового светового прибора согласно экспертным оценкам может быть увеличен в 1,5÷1,8 раза.
По сравнению с прототипом, дополнительно, коэффициент полезного действия нового устройства повышается на 3÷4% за счет уменьшения электрических потерь энергии в элементах, в том числе, в источнике вторичного электропитания, при одинаковом (заданном) световом потоке.
Может быть, по сравнению с прототипом, существенно упрощена конструкция и снижена цена светильников с заявляемым световым прибором за счет уменьшения потерь мощности в элементах источника вторичного электропитания и снижения их загрузки по току, следовательно, за счет возможности использования элементов источника вторичного электропитания на меньшую установленную мощность и с более низкой ценой, а также за счет упрощения и удешевления технологии изготовления всего светильника и уменьшения размеров используемых радиаторов.
По сравнению с прототипом могут быть снижены весогабаритные показатели заявляемого светового прибора (до 5%) и светильников на его основе за счет оптимизации конструкции (в том числе, радиатора), что также расширяет области применения устройств.