ГИБРИДНАЯ ЛАМПА

Полезная модель относится к светотехнике и может быть использована при проектировании новых энергоэффективных источников света, в том числе, предназначенных для прямой замены ламп накаливания. Полезная модель направлена на расширение области применения гибридной лампы.
Известна лампа накаливания, содержащая сетевой цоколь и, сопряженную с ним механически, светоизлучающую колбу из оптически прозрачного материала с элементом накала, имеющим выводы, соединенным электрически через выводы с клеммами цоколя (Spectrum. Каталог ламп 2009/2010/ «GE Lighting», 2009, С.121).
Недостатками лампы накаливания являются: низкая световая эффективность, малый срок службы, неблагоприятный спектр излучения в видимой области (обедненность спектра излучения в сине-зеленой области), высокие пульсации светового потока (около 10%), перегрузки по току при включении лампы, что обусловлено принципом действия и конструкцией, значительным уровнем составляющих в спектре излучения, лежащих за пределами диапазона видимого света (инфракрасное излучение), недостаточной энергией излучения в синей и зеленой областях спектра.
Известен источник света, содержащий сетевой цоколь и, сопряженную с ним механически, светорассеивающую колбу из оптически прозрачного материала, с установленной внутри светоизлучающей колбой из оптически прозрачного материала с элементом накала, имеющим выводы, соединенным электрически через выводы с клеммами цоколя (Spectrum. Каталог ламп 2009/2010/ «GE Lighting», 2009, С.123).
Недостатками источника света (галогенной лампы накаливания) являются: низкая световая эффективность, малый срок службы, неблагоприятный спектр излучения в видимой области (обедненность спектра излучения в сине-зеленой части спектра), высокие пульсации светового потока (около 10%), многократные перегрузки по току и мощности при включении, высокая температура поверхности светоизлучающей колбы, неудобства при применении, что обусловлено принципом действия и конструкцией, значительным уровнем составляющих в спектре излучения, лежащих за пределами диапазона видимого света (ультрафиолетовое и инфракрасное излучение), недостаточной энергией излучения в синей и зеленой областях спектра.
Известна галогенная лампа накаливания, содержащая сетевой цоколь и, сопряженную с ним механически, светорассеивающую колбу из оптически прозрачного материала, с установленной внутри светоизлучающей колбой из оптически прозрачного материала с инфракрасным покрытием и элементом накала с выводами, имеющим выводы, соединенным электрически через выводы с клеммами цоколя (Источники света. Каталог Osram/«Osram», 2010, С.2.10).
Указанная галогенная лампа накаливания является наиболее близкой по технической сущности к полезной модели и выбрана в качестве прототипа.
Недостатками источника света являются: низкая световая эффективность, малый срок службы, неблагоприятный спектр излучения в видимой области (обедненность спектра излучения в сине-зеленой области), высокие пульсации светового потока (около 10%), многократные перегрузки по току и мощности при включении, высокая температура поверхности светоизлучающей колбы, неудобства при применении, что обусловлено принципом действия и конструкцией, значительным уровнем составляющих в спектре излучения, лежащих за пределами диапазона видимого света (ультрафиолетовое излучение) и не используемых, поглощением части световой энергии в объеме материала светорассеивающей колбы. Светоотдача известной галогенной лампы накаливания (источника света) с приемлемым спектром излучения, относящейся к типу 1RC (с покрытием, селективно отражающим инфракрасное излучение), достигает 35- 38 лм/Вт.
Полезная модель направлена на решение задачи расширения области применения источника света, что является целью полезной модели. Указанная цель достигается тем, что гибридная лампа:
1. содержит сетевой цоколь, между клеммами которого включена последовательная цепь из предохранителя, лампы накаливания, зашунтированной конденсатором и резистором, двух светодиодов или двух или нескольких светодиодных матриц, соединенных встречно-параллельно, и зашунтирован-ных вторым конденсатором, и токоограничивающего элемента;
2. гибридная лампа по п.1 снабжена однофазным мостовым выпрямителем на диодах, светодиоды или светодиодные матрицы и второй конденсатор включены параллельно в диагональ постоянного тока выпрямителя, диагональ переменного тока которого включена в последовательную цепь;
3. В гибридной лампе по п.2 диоды в двух смежных плечах выпрямителя зашунтированы дополнительными конденсаторами.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является расширение области применения за счет повышения световой эффективности, увеличения срока службы, низких пульсаций светового потока, снижения пусковых перегрузок, улучшения спектра излучения в видимой области (обогащение непрерывного спектра в синей и зеленой областях), что обусловлено новыми принципами преобразования электрической энергии в световую, сочетанием светодиодного и теплового излучения, эффективным использованием всех составляющих спектра излучения, удобства применения. Преимущества нового источника света следующие: сравнительно низкая стоимость, небольшие размеры, отсутствие сложной пускорегулирующей аппаратуры, малое время выхода на режим, отсутствие токсичных компонентов и, как следствие, необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации, возможность работы как на постоянном (любой полярности), так и на переменном токе, возможность изготовления ламп на разное напряжение (от долей до сотен вольт), отсутствие мерцания и шума при работе на переменном токе, низкий спад светового потока, практически непрерывный (смешанный) спектр излучения, устойчивость к электромагнитному импульсу, нормальная работа при низких температурах окружающей среды, возможность использования разработанных регуляторов яркости в широких пределах, надежность (срок службы до 6-8 тыс.час.), низкий коэффициент пульсаций светового потока. Гибридная лампа может быть использована во всех практических случаях, когда требуется энергосберегающий, надежный, удобный, экологически безопасный и качественный источник света, имеющий сравнительно низкую стоимость. Таким набором положительных свойств не обладает в настоящее время ни один из применяемых источников оптического излучения.
Расширение области применения является полученным техническим результатом, обусловленным новыми принципами действия, устройства лампы и преобразования электрической энергии в световое излучение, особенностями новой конструкции и новыми элементами, то есть, отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого источника света (гибридной лампы) являются существенными.
На фиг.1-4 приведены схемы вариантов устройства гибридной лампы со стандартным сетевым цоколем.
Гибридная лампа содержит сетевой цоколь 1, между клеммами которого включена последовательная цепь из предохранителя 2, лампы накаливания 3, зашунтированной конденсатором 4 и резистором 5, двух светодиодов или двух или нескольких светодиодных матриц 6, соединенных встречно-параллельно, и зашунтированных вторым конденсатором 7, и токоограничивающего элемента 8. Гибридная лампа (варианты) может быть также снабжена однофазным мостовым выпрямителем 9 на четырех диодах, а светодиоды и второй конденсатор включены параллельно в диагональ постоянного тока выпрямителя, диагональ переменного тока которого включена в последовательную цепь. Кроме того, диоды в двух смежных плечах выпрямителя могут быть заменены на третий и четвертый дополнительные конденсаторы 10, 11 или зашунтированы дополнительными конденсаторами.
Гибридная лампа в установившемся режиме работает следующим образом. Через сетевой цоколь 1 стандартного вида гибридная лампа подключается напрямую к обычной или специальной питающей сети переменного или постоянного тока. Предохранитель 2 совместно с конденсатором 4 и резистором 5 защищает элементы устройства при обрыве (перегорании) тела накала лампы накаливания 3. Лампа накаливания 3 имеет самый малый срок службы среди других элементов устройства. В нормальном режиме работы тело накала лампы накаливания 3 шунтирует конденсатор 4 и резистор 5 и они не оказывают влияние на работу устройства. При выходе из строя лампы накаливания 3 питание светодиодов (светодиодной матрицы или группы светодиодных матриц) 6 осуществляется через конденсатор 4 и резистор 5. Через резистор 5 стекает остаточный заряд с конденсатора 4 при обрыве тела накала лампы накаливания 3, что повышает безопасность устройства. Мощность излучения светодиодов 6 в рассмотренном (дежурном) режиме существенно ниже, чем в номинальном режиме работы, но остается достаточной для визуализации места нахождения гибридной лампы и «слабого» освещения. Работа с гибридной лампой, в этом случае, является достаточно удобной.
Излучение светодиодов 6 в коротковолновой (синей, голубой и зеленой) части спектра видимого излучения накладывается на относительно длинноволновое излучение (желто-оранжевый спектр) лапы накаливания 3.
Таким образом, совокупный спектр излучения нового источника света становится «смешанным» и состоит из сплошного спектра теплового излучения элемента накала лампы накаливания 3, непрерывного спектра излучения светодиодов 6 и резонансных линий люминофора или смеси люминофоров покрытия светодиодов 6. Спектр излучения гибридной лампы значительно улучшается (в том числе обогащается в сине-зеленой области спектра), а световая эффективность источника света значительно возрастает (за счет высокой световой отдачи светодиодов 6). Светодиоды 6 (ветви матриц или матрицы) в основном варианте применения могут быть включены встречно-параллельно (фиг.1). При этом ток через светодиоды 6 ограничивается сопротивлением элемента накала лампы накаливания 3. Второй конденсатор 7 незначительно смещает пик излучения светодиодов 6 относительно максимума мгновенного значения переменного напряжения сети (при питании на переменном токе 50-60 Гц). Но этого оказывается достаточно для эффективного уменьшения суммарных пульсаций светового потока гибрида.
Возможно включение последовательной электрической цепи из выводов светодиодов (матриц) 6, а также элемента накала лампы накаливания 3 по постоянному току (фиг.2-4, последний вариант не представлен). В этом случае схема дополняется диодным выпрямительным мостом (выпрямителем) 9 и, если необходимо, емкостным фильтром (10, 11). Светодиоды (матрицы) 6 при питании от постоянного напряжения соединяются параллельно. Второй конденсатор 7 также служит для фильтрации выпрямленного напряжения выпрямителя 9. Сглаживание выходного знакопостоянного напряжения выпрямителя 9 снижает коэффициент пульсаций светового потока гибрида.
В случае использования вариантов схемотехнических решений, представленных на фиг.3, 4 улучшается электромагнитная совместимость устройства с питающей сетью и снижаются коэффициент гармоник потребляемого от сети тока и коэффициент пульсаций светового потока.
Одновременно решение, приведенное на фиг.3 характеризуется повышенным коэффициентом полезного действия за счет снижения электрических потерь в диодах выпрямителя 9.
Токоограничивающий элемент 8 улучшает режим запуска гибридной лампы. Максимальный пусковой ток ограничивается на более низком уровне. Мягкий пуск повышает срок службы лампы-гибрида до 8 тыс.час.(за счет улучшения условий работы лампы накаливания 3). В простейшем случае токоограничивающий элемент 8 представляет собой термистор, сопротивление которого в холодном состоянии велико. По мере разогрева структуры термистора (8) его сопротивление уменьшается, а гибридная лампа выходит на номинальный уровень яркости. В общем случае токоограничивающий элемент 8 может быть выполнен на основе активного элемента, например, симистора или транзистора (со схемой управления). В этом случае заявляемая гибридная лампа становится диммируемым источником света.
В гибриде применима любая лампа накаливания 3, в том, числе галогенная. Галогенная лампа накаливания имеет преимущества перед обычной лампой.
В случае применения галогенной лампы накаливания рабочая температура элемента накала составляет, примерно, 3000 К. Галоген совместно с остаточным кислородом в колбе лампы накаливания 3 вступает в химическое соединение с испарившимися из тела накала атомами вольфрама. Этот процесс является обратимым. При высоких температурах соединение распадается на составляющие вещества. Испарившиеся атомы вольфрама высвобождаются, таким образом, либо на самом теле накала, либо вблизи него. Добавление галогенов (или их соединений) предотвращает осаждение вольфрама на оптически прозрачном материале колбы лампы накаливания 3, при условии, что температура материала выше 250-300°C. По причине отсутствия почернения колбы теплового источника света (фактически галогенной лампы накаливания) из-за обратимости галогенного цикла, ее можно изготавливать с очень компактными размерами. Сравнительно малый объем светоизлучающей колбы галогенной лампы накаливания 3 позволяет, с одной стороны, использовать большее (2-30 бар) рабочее давление (что опять же ведет к уменьшению скорости испарения материала тела накала) и, с другой стороны, без существенного увеличения стоимости, заполнять светоизлучающую колбу тяжелыми инертными (буферными) газами, например, ксеноном, что ведет к уменьшению потерь энергии за счет теплопроводности. Все это также удлиняет срок службы галогенной лампы накаливания (теплового источника света) 3 и повышает ее светоотдачу. Целесообразно заявляемую лампу-гибрид выполнить с применением IRC-галогенной лампой накаливания (с покрытием, отражающим тепловое излучение, «инфракрасное покрытие»).
На светоизлучающую колбу лампы накаливания 3, в этом случае, нанесено специальное (интерференционное) покрытие, которое пропускает видимый свет, но задерживает инфракрасное (тепловое) излучение и отражает его назад, к телу накала. То есть, часть энергии, которая, например, в обычных галогенных лампах накаливания преобразуется в невидимое инфракрасное излучение (более 60%), в лампах с инфракрасным покрытием (IRC) преобразовывается обратно в видимый свет. Указанное становится возможным благодаря структуре покрытия светорассеивающей колбы, которое возвращает инфракрасное излучение на элемент накала, где оно частично поглощается. Возврат тепла вызывает повышение температуры тела накала, вследствие чего подачу электроэнергии можно снизить. Именно за счет этого уменьшаются общие потери энергии и, как следствие, увеличивается светоотдача лампы накаливания 3 и всего устройства в целом. Одновременно удваивается срок службы IRC-лампы (по сравнению с обычной галогенной лампой накаливания). Спектр излучения существенно улучшается за счет преобразования в видимое излучение невидимых областей спектра (инфракрасное излучение), а также за счет «обогащения» спектра в синей и зеленой областях излучением (синими или ультрафиолетовыми) светодиодов 6 с частичным преобразованием его также (за счет люминофора) в видимое излучение в коротковолновой части спектра.
По сравнению с прототипом повышаются световая эффективность, срок службы гибридной лампы, улучшается спектр излучения источника света в видимой области. Общий спектр обогащается излучением в синей и зеленой областях за счет излучения светодиодов 6. Индекс цветопередачи нового источника света может достигать 98 при наивысшей световой эффективности (более 45 лм/Вт). Перегрузки по току при включении лампы снижаются в 7-10 раз. Это повышает надежность работы лампы накаливания 3 и гибрида в целом, а также уменьшает отрицательное влияние на питающую сеть. Лампа-гибрид также становится более удобной в работе, так как «дежурная» работоспособность сохраняется и при выходе лампы накаливания 3 из строя.
По сравнению с прототипом, дополнительно, существенно снижаются пульсации светового потока при сохранении всех преимуществ отдельных частей гибрида. Это обеспечивается за счет полного использования энергии составляющих спектров излучения лампы накаливания 3 и светодиодов 6, а также разнесенности во времени (на периоде) пиков яркости лампы накаливания 3 и светодиодов 6.
По сравнению с прототипом, за счет вышеперечисленных преимуществ расширяется область применения нового источника света. Он может быть, в частности, использован как прямая замена обычных ламп накаливания, а также галогенных ламп накаливания в различных системах освещения.
За счет оптимального сочетания свойств составляющих частей гибрида не только обеспечивается предельная светоотдача нового источника света, но и сохраняется малый временной спад светового потока при длительной эксплуатации устройства, что является дополнительным преимуществом и также расширяет область его применения.