СВЕТОДИОДНАЯ ЛАМПА С ЛИТЫМ КОРПУСОМ-РАДИАТОРОМ

Область техники.
Заявленное решение относится к светотехнике, а именно к светодиодным лампам, питающимся непосредственно от сети переменного тока.
Известный уровень.
Известно, что светодиодные лампы нуждаются в отводе тепла от драйверов и, особенно, от светодиодов, поскольку примерно 50% электрической энергии, питающей светодиоды, превращается в тепло, которое вызывает перегрев светодиодов и выход их из строя, если не предусмотрен отвод тепла в окружающую среду. Особенно это касается ламп с мощностью более 7-8 Вт. Для таких ламп обычно создают специальные радиаторы, через которые тепло уходит в пространство. Эти радиаторы существенно усложняют конструкцию ламп и увеличивают их габариты. В то же время, в типовой конструкции ламп пространство под колбой заполнено воздухом, имеющим низкую теплопроводность ~0,02 Вт/К⋅м и материал самой колбы - поликарбонат (0,3 Вт/К⋅м) также фактически является тепловым изолятором, поэтому тепло, идущее от светодиодов в направлении излучения света, практически заблокировано.
Известна светодиодная лампа, содержащая металлический радиатор в виде многогранной призмы, на гранях которой размещены печатные платы, рассеиватель света, охватывающий упомянутую призму, торцевые заглушки, снабженные сквозными отверстиями для конвекционного теплообмена, при этом одна из заглушек снабжена средством соединения с сетью электропитания (WO 2015/129419 А1, МПК F21V 29/50, опубликовано 03.09.2015).
Недостатком аналога является необходимость в габаритном радиаторе, ограничивающим увеличение световой мощности лампы из-за возникновения проблем с отводом излишков тепловой энергии, выделяемой светодиодами.
Известна светодиодная лампа, содержащая рассеиватель света в виде отрезка стеклянной трубы круглого сечения, печатную плату, на монтажной поверхности которой смонтировано множество светодиодов, и которая обратной стороной платы прижата пружинными держателями к внутренней поверхности рассеивателя света для возможности теплообмена, торцевые заглушки, одна из которых снабжена средством для соединения с сетью электропитания (US 2016084482 А1, МПК F21V 19/00, опубликовано 03.24.2016).
Радиально изогнутая плата указанного аналога размещена на сегментной внутренней поверхности стеклянного рассеивателя так, что светодиодное излучение направлено на противолежащую внутреннюю стенку стеклянного рассеивателя, что ограничивает угол излучения, при этом отвод излишков тепла от светодиодов происходит с обратной стороны платы через две границы раздела сред: от светодиодов к плате и от платы к телу стеклянного рассеивателя, которые обе включают воздушный зазор.
Известна бескорпусная светодиодная лампа, содержащая герметичный рассеиватель света в виде стеклянной трубы круглого сечения, ряд продольно закрепленных на металлической арматуре филоментных источников света, заключенных в силиконовую оболочку, которая установлена в тепловом контакте с внутренней поверхностью рассеивателя света. Для улучшения теплоотвода между силиконовой оболочкой и стеклянным корпусом размещена теплоотводящая паста, заполняющая неизбежный воздушный зазор, при этом полость рассеивателя заполнена теплопроводным газом (US 20190331302, МПК F21K 9/232, опубликовано 31.10.2019).
Недостатком известного аналога является сложность конструкции лампы и сложность отвода излишков тепла от источников света через несколько границ раздела сред: от светодиодов к силикону, от силикона к стеклянному корпусу через заполненный теплопроводящей пастой зазор или от силикона через теплопроводящий газ к стеклянному корпусу, поэтому мощность таких ламп не превышает 7…10 Вт.
Техническим результатом заявленной конструкции является упрощение конструкции, улучшение теплоотвода и снижение трудоемкости изготовления мощных ламп общего применения, устойчивых к внешним воздействиям >IP65, и с минимальной себестоимостью и трудоемкостью.
Раскрытие полезной модели.
2
Заявленное решение характеризуется совокупностью следующих признаков: корпус-радиатор, выполненный в виде полого цилиндра, две крышки, соединенные с торцами цилиндра, причем одна крышка оканчивается цоколем, для соединения с электрической сетью, а вторая имеет серию отверстий по внешнему диаметру для заливки прозрачным материалом. Плоская гибкая печатная плата с установленными на ней светодиодами в одной части и смонтированным драйвером на другой части платы деформируется таким образом, что светодиоды оказываются на внешней стороне образованного печатной платой цилиндра, а часть платы с компонентами драйвера заворачивается вовнутрь цилиндра. На торцы цилиндра одеваются крышки с двух сторон, которые с помощью клея, вложенного в пазы крышек, надежно скрепляются с печатной платой, сетевые выводы, идущие от драйвера, соединяются с цоколем, который наворачивается на одну из крышек. Далее лампа вставляется в оправку, которая формирует корпус-радиатор и через верхнюю крышку заливается прозрачный (матовый) материал, это может быть оптический полиуретан или др., который заполняет пространство между внутренней цилиндрической поверхностью оснастки, печатной платой со светодиодами таким образом, чтобы над излучающей поверхностью светодиодов образовался слой полиуретана толщиной 0,2…0,5 мм. Этот слой определяется внутренним диаметром оправки, а ее центровка гарантирована специальными SMT компонентами, которые устанавливаются на платы по окружности через некоторое расстояние, и имеющие высоту более, чем высота светодиодов на величину толщины нужного слоя полиуретана над светодиодами. После отверждения полиуретана, лампа готова к эксплуатации. Для ускорения процесса отверждения лампа может быть включена в сеть и, соответственно, быть нагретой до определенной температуры. При высоте светодиодов 0,7 мм и слое полиуретана над ними ~0,4 мм, над монтажной поверхностью печатной платы образуется слой толщиной 1,1 мм. Для улучшения теплоотвода эту толщину можно уменьшить, либо уменьшая диаметр оправки оснастки в промежутках между светодиодами, либо деформируя печатную плату в промежутках между светодиодами. Первый вариант проще и надежнее в исполнении. Таким образом, можно изготовить лампы мощностью до 100 Вт и более, все зависит от площади корпуса-радиатора, который одновременно является и рассеивателем, и изолятором. В общем случае можно руководствоваться размером площади 7…12 см на один ватт мощности лампы. При большой мощности лампы в обеих пластмассовых крышках делаются отверстия и, таким образом, в систему охлаждения светодиодов включается еще и внутренняя поверхность печатной платы, которая изготовлена из мягкого алюминия, это существенно улучшает эффективность отвода тепла от корпуса.
Такая конструкция лампы пригодна для установки на мачты наружного освещения, в этом случае, при замене лампы в уже проработавший корпус осветителя, можно устанавливать светодиоды только на части площади печатной платы, например, на угле 90°, поскольку отражающие способности старых осветителей плохие и есть смысл экономии на светодиодах. В этом случае крышка с цоколем состоит из двух деталей, позволяющих ориентировать световой поток на дорогу после завинчивания лампы в патрон.
На рисунках представлены:
рис. 1. - объемное изображение варианта лампы в разборе;
рис. 2 - вид сбоку лампы, показанной на рис. 1, в сборе;
рис 3 - развертка варианта печатной платы лампы, показанной на рис. 1;
на рис. 4 и 5 - поперечные сечения сконфигурированной печатной платы в тело корпуса-радиатора.
Позициями на рисунках обозначены:
1 - тело светового корпуса-радиатора,
2 - развертка гибкой печатной платы,
3 - множество светодиодов,
4 - сконфигурированная гибкая печатная плата,
5 - источник вторичного питания,
6 - первая торцевая заглушка корпуса-радиатора,
7 - средство для соединения с сетью электропитания (цоколь),
8 - оппозитная заглушка корпуса-радиатора,
9 - край гибкой печатной платы,
10 - выступ на печатной плате.
На рис. 1 представлена лампа в разборе, а на рис. 2 - вид сбоку лампы в сборе. На рис. 3 показана развертка гибкой печатной платы 2, на монтажной стороне которой смонтировано множество светодиодов 3 и компоненты источника питания 5. Все компоненты устанавливаются на SMT автоматах за одну установку, для этого применяем секвентальный источник питания, не имеющий навесных компонентов (фильтров и т.д.) для установки в отверстия.
Развертка (рис. 3) гибкой печатной платы 2 конфигурируется путем гибки в трубку монтажной стороной наружу и устанавливается в литьевую форму, а в зазор между внутренней поверхностью литьевой формы, излучающей поверхностью светодиодов и монтажной поверхностью платы вводится прозрачный компаунд в жидкой фазе, после отверждения которого светодиоды оказываются погруженными в прозрачный компаунд, а монтажная поверхность печатной платы соединена с ним силами адгезии. Таким образом, прозрачный компаунд выполняет несколько функций: формирование корпуса лампы, радиатора охлаждения, рассеивателя и диэлектрика, изолирующего токоведущие части от соприкосновения.
Для заливки может быть использован прозрачный компаунд, обладающий высокой светопроницаемостью и температурной стойкостью, без деструкции выдерживающий тепловой контакт с корпусом светодиода, и не отравляющий светодиод. Из ряда известных прозрачных смол (акрил, эпоксид, полиуретан) наиболее пригодными являются компаунды на основе полиуретановой смолы, имеющие теплопроводность, которая при расстоянии менее 1 мм от светоизлучающей поверхности светодиода и до внешней поверхности рассеивателя, обеспечивает достаточный теплообмен с атмосферным воздухом.
Также теплопроводность и эффективность такого корпуса-радиатора весьма хороша ввиду хорошей адгезии полиуретана и отсутствия воздуха между печатной платой и окружающей средой.
Торцевые заглушки 6 и 8 могут быть приклеены. Оппозитная заглушка 8 может быть прозрачной, и тогда, при наличии в конфигурированной гибкой печатной плате 2 отгибов с установленными светодиодами, лампа обеспечит полный угол освещения. Наличие сквозных отверстий (не показаны на чертежах) в торцевых заглушках, обеспечивает эффективное конвекционное охлаждение обратной стороны гибкой печатной платы.
Светодиодная лампа имеет точечное излучение, что не очень хорошо для внутреннего освещения, но уменьшить этот эффект можно установкой светодиодов с малым шагом или заливкой зазора компаундом с добавленными частицами люминофора или рассеивателя, что одновременно улучшит передачу тепла от светодиодов на внешнюю поверхность теплообмена.
Для эффективного охлаждения целесообразно поддерживать температуру платы и рассеивателя на уровне 70-75°С, тогда имеет место и лучистое излучение тепла вместе с конвекционным. При применении эффективных светодиодов (>200 лм/Вт), реальная эффективность по световому потоку будет ~160-170 лм/Вт (потери в стекле ~5%, потери при нагреве светодиодов до температуры 85°С (кристалл) ~10%). Тогда при мощности 30 Вт на светодиодах световой поток может достигать 5000 лм. Общая же эффективность лампы будет ниже на величину эффективности драйвера (~0,89) и составит порядка 147 лм/вт.