СВЕТОДИОДНЫЙ ПРОЖЕКТОР

Изобретение относится к осветительным устройствам и может использоваться в разных областях, в том числе в качестве прожектора для железнодорожных локомотивов. Техническим результатом изобретения является формирование узкоградусного светового луча с высоким значением осевой силы света, повышение энергетической эффективности и улучшение тепловых параметров светового прибора.
Известны прожекторы локомотива, где используются лампы накаливания типа ПЖ 50-500, КГМ 75-600, КГМ 110-600, размещенные в фокусе отражателя прожектора. Такие прожекторы характеризуются низкой надежностью. Лампы часто выходят из строя, что в свою очередь сказывается на безопасности движения. Низкая надежность таких прожекторов обусловила требования ГОСТ 12.2.056-81 о необходимости предусмотреть возможность осуществления замены электролампы прожектора из кабины машиниста, что создает дополнительные трудности для машиниста.
Известен Патент DE 10216393 A1 на светодиодный световой сигнальный прибор, где светодиоды установлены попарно на плате, а в качестве фокусирующей системы используется оптическая система, содержащая множество оптических элементов. В этом приборе источник света на основе светодиодов адаптируется к старой электрической и оптической конструкции сигнального устройства на основе ламп накаливания. Недостатком такого светосигнального прибора является то, что он не позволяет формировать световые потоки большой интенсивности и узкой направленности.
Более универсальным является световой прибор, предложенный в Патенте RU 2274801, где в многоцветном комбинированном прожекторе-фаре, содержащем корпус с ребрами охлаждения и прозрачный защитный элемент, средства токопровода с внутренним размещением пластин-держателей с лампами и диодными излучателями в виде ИК-диодов, белых и цветных светодиодов, часть которых помещена в фокусы плоских линз Френеля, изготовленных в шахматном порядке на прозрачной пластмассовой пластине, установленной около выходного отверстия прожектора-фары. На каждом участке прозрачной пластмассовой пластины между четырьмя плоскими линзами Френеля в ее середине и между двумя линзами Френеля на ее краях установлены дополнительные излучатели. Однако и этот световой прибор не позволяет сформировать узконаправленный световой луч высокой интенсивности, поскольку не предназначен для работы с мощными светодиодными системами.
5
5
Технические параметры всех вышеуказанных световых устройств не соответствуют Межгосударственному стандарту ГОСТ 12.2.056-81 "Система стандартов безопасности труда. Электровозы и тепловозы колеи 1520 мм. Требования безопасности" (утв. постановлением Госстандарта СССР от 27 мая 1981 г. N2663), где указано, что номинальная осевая сила света должна быть (6,4-9,6)×10 кд, а схема включения прожектора должна предусматривать возможность включения яркого света, обеспечивающего номинальную осевую силу света, и тусклого света, обеспечивающего силу света в пределах (0,7-1,2)×10 кд. При этом угол рассеяния луча в вертикальной и горизонтальной плоскостях должен составлять ~3°
Целью настоящего изобретения является создание конструкции осветительного устройства с улучшенными оптическими характеристиками и высокой эффективностью, обусловленной оптимальной системой теплоотвода.
Указанная цель достигается за счет того, что в светодиодном прожекторе, содержащем защитный корпус с прозрачным колпаком, внутри которого размещены элементы схемы электрического питания, светоизлучающие диоды, установленные на плате, оптическую систему и радиатор, согласно предложенному плата выполнена в виде многослойной структуры, которая содержит последовательно расположенные слои диэлектрического материала и металла, на которых выполнена топология печатной платы, и которая расположена на теплоотводящей основе, размещенной на радиаторе.
Теплоотводящая основа печатной платы может быть выполнена из металла или теплопроводящей керамики, элементы схемы электрического питания установлены непосредственно на печатной плате и содержит электронную систему димирования для плавного регулирования осевой силы света прожектора. Оптическая система выполнена в виде плоской матрицы из линз Френеля с параллельными оптическими осями, при этом светодиоды установлены в фокусе линз. Оптическая система может быть выполнена в виде матрицы на основе асферических линз с параллельными оптическими осями, при этом светодиоды установлены в фокусе линз и выполнена из совокупности линз Френеля и асферических линз. Оптическая система имеет винтовое крепление, позволяющее одновременно осуществлять юстировку оптической системы. Количество линз в оптической системе равно количеству светодиодов.
Защитный корпус прожектора может иметь воздушные каналы для обеспечения охлаждения теплоотводящих элементов, при этом каналы защитного корпуса имеют сетки/фильтры для предотвращения загрязнения охлаждающей системы, а корпус прожектора имеет встроенную систему дополнительного принудительного охлаждения.
Прозрачный колпак имеет просветляющее покрытие, нанесенное на внутренней поверхности колпака, а также имеет упрочняющее покрытие, нанесенное на внешней поверхности колпака.
Сущностью изобретения является то, что в осветительном устройстве используются сверхяркие дискретные светодиоды или светодиодные кристаллы, установленные на многослойной плате с металлической (керамической) основой с однослойной, двуслойной (или с большим количеством слоев) топологией разделенных металлизированных слоев, что обеспечивает оптимальный отвод тепла от полупроводниковых кристаллов, выделяющегося во время работы светоизлучающих полупроводниковых структур, за счет высокой теплопроводности металлической (керамической) основы, выполненной из металла и/или керамики (металло-керамики) с высокой теплопроводностью. Улучшенный теплоотвод позволяет существенно увеличить максимально допустимые токи, протекающие через светодиодный кристалл. В случае использования дискретных светодиодов, установленных на многослойной плате с металлическим (керамическим) основанием, имеется возможность поднять рабочие токи на 30%, а в случае использования конструкции со светодиодными кристаллами, установленными непосредственно на многослойной плате на металлической (керамической) основе (Chip-on-Board (СОВ)-технология), - на величину более 50%. При увеличении рабочих токов увеличивается и яркость светодиодных кристаллов. Данная конструкция позволяет использовать мощные, сверъяркие светодиоды и светодиодные кристаллы. При этом, высокая тепловая стабилизация светоизлучающих кристаллов способствует высокой стабильности оптических характеристик светового устройства. Тепловой контакт многослойной платы с металлической (керамической) основой с теплоотводящими элементами, интегрированными в защитный корпус осветительного устройства, будут способствовать дополнительному повышению тепловой стабилизации светоизлучающих кристаллов и, следовательно, дополнительной стабилизации оптических характеристик светосигнального устройства. Система воздушного охлаждения теплоотводящих элементов защитного корпуса встречным потоком воздуха (при движении локомотива) позволяет обеспечить непрерывную работу осветительного устройства в течение долгого времени при различных температурах окружающей среды.
Многослойная топология металлизированных проводящих слоев платы с наличием проводящих перемычек между ними позволяет оптимизировать электрические коммутационные цепи и обеспечивает возможность расположения драйверов питания (источников тока) отдельных цепочек светодиодов, непосредственно на многослойной плате. Электронная система питания предусматривает возможность изменения (димирования) яркостных характеристик осветительного устройства в широких пределах.
Посадка светодиодных кристаллов в лунки на металлической (керамической) основе многослойной платы при использовании технологии СОВ (Chip-on-Board) или в лунку подложки дискретного светодиода способствует уменьшению геометрического размера источника изучения и упрощает формирование узкоградусного светового излучения осветительного устройства. В узкоградусных осветительных устройствах предлагается использовать цилиндрические лунки.
Для получения осветительного устройства белого цвета с заданными угловыми характеристиками, применяется конформное (равномерное) покрытие светоизлучающего кристалла слоем люминофора толщиной порядка 50-200 микрон с отклонениями не более 15%. Подобные конфорные слои люминофра на поверхности светоизлучающего кристалла формируются посредством применения метода осаждения люминофора из силикон-люминофорного компаунда за счет действия гравитационных или центробежных сил, а также посредством электрофорезного нанесения люминофора на поверхность кристалла, или каким-либо иным способом.
Совокупность светодиодных кристаллов или дискретных светодиодов с интегрированной индивидуальной оптикой, а также плоская оптическая система, выполненной в виде совокупности узкоградусных линз Френеля или асферических линз, либо сочетания обоих типов линз, обеспечивает получение требуемых значений осевой силы света светодиода в заданном пространственном угле.
Светодиоды или светоизлучающие кристаллы, устанавливаются на многослойной печатной плате различной формы в количестве, требуемом для формирования светового луча требуемой силы света в определенном телесном угле.
Плоская оптическая система крепится к многослойной печатной плате по крайней мере тремя крепежными приспособлениями, которые также выполняют функции юстировочного устройства для совмещения оптических осей линз плоской оптической системы с оптическими осями дискретных светодиодов.
Многослойная печатная плата на металлической (керамической) основе со светодиодами или светоизлучающими кристаллами, с установленной плоской оптической системой, располагаются в герметизирующем корпусе, имеющем контакты для подключения внешнего питания, интегрированные элементы теплоотвода, систему воздушного охлаждения за счет внешнего потока воздуха, и, при необходимости, принудительную систему охлаждения, а также отверстия для крепления изделия. Для изоляции источника излучения от воздействий внешней среды используется прозрачный колпак, крепящийся к корпусу и пропускающий свет в диапазоне длин волн от 400 нм до 1 мкм. Для уменьшения потерь света в результате отражения от поверхности колпака, на внутреннюю поверхность колпака может наноситься просветляющее покрытие. Одновременно, для увеличения устойчивости прозрачного колпака против абразивного воздействия частиц внешней среды, его наружняя поверхность покрывается упрочняющим слоем (например, наноматериалов), не ухудшающих оптические свойства колпака, но значительно упрочняющих его поверхность.
Техническое решение поясняется Рис.1, где позициями обозначены: 1 - корпус, 2 - печатная плата, 3 - светодиоды, 4 - оптический элемент (для ясности рисунка показан только сегмент с линзами Френеля), 5 - управляющие драйверы питания светодиодов, 6 - интегрированная в корпус теплоотводящая система (радиатор); 7 - крепежно-юстировочная система для оптического элемента 4; 8 - прозрачный колпак; 9 - каналы системы охлаждения посредством внешнего воздушного потока. Отверстия защищены сеткой. Воздушный поток показан голубыми стрелками; 10 - система контактов для подвода электропитания, управления яркостью осветительного устройства и включения принудительной системы охлаждения; 11 - система принудительного охлаждения.
Корпус 1 осветительного устройства выполнен из металала или композитного материала с интегрированными теплотводящими элементами (6), колпак (8) изготавливается из прозрачного полимерного материала или стекла. Возможно нанесение на внутреннюю поверхность колпака просветляющего покрытия и/или на внешнюю поверхность колпака упрочняющего покрытия. Для прозрачности в диапазоне 0.4-1 мкм при изготовлении колпака можно использовать поликарбонат (например, Макролон) или стекло. Нанесение просветляющего покрытия осуществляется по стандартной технологии. Для упрочнения поверхности стекла или полимерного материала используют, например, нанесение слоя наноалмаазных частиц или наночастиц двуокиси кремния методом холодного плазменного напыления. В случае возможности попадания на устройство прямых солнечных лучей, используются полимерные материалы с добавками, препятствующими деградации полимерного материала от действия ультрафиолетового излучения (например, Макролон марки ХХХ7) или стекло.
Оптическая система (4) может изготавливаться из полимерного материала (например, Макролона и др.) посредством литья в соответствующую литьевую форму или прессования.
Оптический элемент (4) крепится к печатной плате (2) посредством фиксирующих устройств (7), выполняющих также функции котировочных элементов, обеспечивающих совмещение оптических осей линз и светодиодов.
При использовании высокомощных светодиодов, которые требуют дополнительного отвода тепла, теплоотводящий элемент (6) выполняется в виде радиатора, который может быть различной конструкции (например, игольчатый или пластинчатый), что обеспечивает улучшенный теплоотвод. Печатная плата (2) со светодиодами (3) и драйверами питания (5) крепится к теплоотводящему элементу (6) с использованием теплопроводящей пасты и винтов. Радиатор (6) изготавливается из различных материалов, обладающих высокой теплопроводностью (например, медь, алюминий, теплопроводящая керамика и др.). Для обесепечения дополнительного эффективного отвода тепла, служит система воздушных каналов (9), защищенных сеткой (фильтром) для предотвращения попадания посторонних предметов в систему охлаждения и ее загрязнения. При движении транспортного средства, на котором установлено данное осветительное устройство, встречный воздушный поток обеспечит дополнительное охлаждение теплоотводящего элемента (6). В случае необходимости, также возможно применение дополнительной встроенной принудительной системы охлаждения (11). В этом случае, при недостаточном охлаждении встречным воздушным потоком, включается (посредством термодатчиков) принудительная система охлаждения, котороя может быть выполнена на основе различных принципов охлаждения (например, принудительная вентиляция, охлаждение за счет Пельтье элементов и др.).
Печатная плата, на которой размещаются дискретные светодиоды или светодиодные кристаллы, а также элементы драйвера электропитания, выполняется, например, из многослойного фольгированного стеклотекстолита на металлической (керамической) основе (МСРСВ).
Для получения узкоградусного белого излучения с заданными цветовыми координатами, необходимо обеспечить формирование, по возможности, небольшого источника белого излучения, который можно было бы рассматривать в оптической системе чип-люминофор-линза, как точечный источник. С целью уменьшения геометрических размеров источника света, необходимо использовать в светодиодах лунки с минимальным размером, требуемым для осуществления посадки светодиодного кристалла и осуществления электрической разводки с помощью золотых проводов. Для изготовления светодиода с узконаправленной диаграммой углового распределения силы света, следует использовать лунки, например, с вертикальными боковыми стенками для уменьшения геометрического размера источника излучения света.
Для создания источника излучения белого цвета используется известный подход, оснований на формировании белого цвета за счет смешивания излучения синего светодиодного кристалла и люминесценции желтого люминофора, возбуждаемого синим излучением кристалла. Для получения белого излучения с высокой степенью пространственной и угловой однордности по цветовым координатам, необходимо обеспечить получение заданного по толщине конформного слоя люминофора с небольшими отклонениями по толщине (не более 15%) по всей поверхности светодиодного кристалла.
В качестве люминофоров в светосигнальных устройствах могут использоваться различные люминофоры, такие как, например, YAG люминофоры, ортосиликатные, TAG люминофоры, теогаллаты, нитридные люминофоры и др., что определяется требованиями к оптическим параметрам осветительного устройства.
В качестве связующего вещества, помимо силикона (например, Wacker, Dow Corning и т.д.)), могут использоваться и другие полимерные (сополимерные) соединения, обеспечивающие оптимальное оптическое согласование внутри системы, а также гидроизоляцию светодиодного кристалла и люминофора.
Питание светодиодов осуществляется посредством использования драйверов питания (источников тока) в качестве которых могут использоваться, например, драйверы LM3404 National Semiconductor - источники тока, каждый из которых обеспечивает работу 4 мощных одноваттных светодиодов (например, Cree XPE). Драйверы устанавливаются непосредственно на печатной плате, что обеспечивает им надлежащий тепловой режим работы.
Осветительное устройство работает следующим образом. Напряжение от источника питание через питающий кабель (6) подается на печатную плату (2) и далее через драйверы (5) на светодиоды 3, где полупроводниковый кристалл преобразует электрическую энергию в световую. Излучение кристалла собирается оптическим элементом (4) в определенном телесном угле, обеспечивая формирование требуемого светораспределения с заданной кривой силы света (КСС), см. Рис.2.