Мощный светодиодный кластер с повышенной электрической изоляцией
POWERFUL LED CLUSTER WITH INCREASED ELECTRICAL INSULATION

Область техники
Решение относится к светодиодным осветительным устройствам для освещения дорог парков, скверов, пешеходных и велосипедных дорожек, стоянок автотранспорта, лестничных площадок, промышленных предприятий, складов и т.д.
Уровень техники
В настоящее время для создания направленного излучения производятся стеклянные и силиконовые линзы большого размера с диаметром до 110 мм и более, которые позволяют создавать излучатели на светодиодах или СОВ с мощностями до или более 100 Вт. Для таких излучателей нужен громоздкий источник питания (драйвер), который располагается, как правило, за пределами этих излучателей, поэтому их соединение требует дополнительных конструкций и средств соединения, которые невозможны без использования дорогостоящих разъемов, особенно для уличных осветителей с IP67.
С другой стороны, известны конструкции драйверов с малыми габаритами и не имеющие громоздких трансформаторов и фильтров, и которые могут располагаться на печатной плате с полностью автоматизированной SMT установкой компонентов без применения ручного труда (так называемые АС-direct драйверы).
Однако, наличие значительного числа компонентов и, особенно, наличие электролитических конденсаторов, возвышающихся над платой, не позволяет поместить данные источники питания (драйверы) в подлинзовое пространство совместно со светодиодами.
Известно осветительное устройство, содержащее полый стеклянный корпус, печатную плату светодиодов, линзу, накрывающую плату светодиодов, печатную плату драйвера, компоненты которого смонтированы на печатной плате так, что навесные элементы расположены в полости стеклянного корпуса (патент RU 2681952, МПК F21K 99/00, опубликован 14.03.2019).
Известно решение, раскрытое в полезной модели Китая CN 202419582 U (МПК F21V 29/00), опубликованный 05.09.2012, содержащей металлическую печатную плату светодиодов; источник питания (не показан); оптическую систему, снабженную линзами и закрепленную на монтажной поверхности платы; металлический радиатор, на поверхности которого размещен изолирующий слой, на котором установлена печатная плата. Состав и теплотехнические свойства изолирующего слоя в этом решении не раскрыты, также как и наличие или отсутствие у источника питания электроизоляции. Также известно осветительное устройство, содержащее печатную плату светодиодов, световой рассеиватель, металлический радиатор, на котором при помощи слоя теплопроводящей пасты закреплена печатная плата. Состав и теплотехнические свойства изолирующего слоя в этом решении не раскрыты, так же как и наличие или отсутствие у источника питания электроизоляции (DE 102010028764 А1, МПК F21V 3/04, опубликовано 10.11.2011).
Техническим результатом является уменьшение размеров конструкций компактных мощных светодиодных кластеров универсального применения, в которых путем смены линзы (с различными характеристиками распределения света) можно менять применимость данного кластера в различных сферах народного хозяйства. В случае применения AC-direct драйвера (иногда его называют секвентальным) все операции изготовления кластера могут быть автоматизированы. При этом, из-за наличия гальванической связи всей подлинзовой схемотехники, включая светодиоды и драйвер с электрической сетью, кластер имеет двойную изоляцию от сети, превышающую требования стандартов всех стран Мира, то есть алюминиевый радиатор, на котором базируется весь кластер, надежно защищен от промышленной сети и может быть установлен на любую теплопроводную поверхность без каких-либо осторожностей.
В рамках данного патента рассмотрено несколько вариантов построения таких кластеров, с двумя алюминиевыми платами, на которых установлены группа светодиодов (или СОВ) и компоненты драйвера, и варианты с двухсторонней алюминиевой платой, на одной стороне которой установлены светодиоды, а на другой - драйвер. Во всех случаях тепло от светодиодов и драйвера передается на основной алюминиевый радиатор, представляющий собой квадратную (или другой формы) алюминиевую пластину, которая при эксплуатации прикрепляется к нужному конструктиву для дополнительного отвода тепла.
Без дополнительного теплоотвода кластер может рассеять не более 10 Вт (при размере основного радиатора 10×10 см), что соответствует общей мощности осветителя примерно 15-17 Вт, а с дополнительным теплоотводом это может быть 60-80 Вт и более.
На рис. 1 показан один из вариантов конструкции кластера с двухсторонней печатной платой 1. На основной радиатор 12 наклеена изолирующая полиимидная пленка 3 с высоким напряжением пробоя > (100 кВ/мм) толщиной 40 мкм или более, на нее устанавливается алюминиевый цилиндр 2, на который устанавливается двухсторонняя печатная плата 1 со светодиодами 9, сверху на плату устанавливается фигурное кольцо 5 из силикона, далее устанавливается линза 4 и вся конструкция фиксируется на радиаторе 12 с помощью фланца 6 и саморезов или заклепок. Отверстия 7 служат для заливки герметизирующей жидкости (в одно отверстие заливается жидкость, а из другого выходит воздух).
На рис. 2 показана похожая конструкция кластера, с передачей тепла от платы светодиодов на основной радиатор через алюминиевый цилиндр, но применены две печатные платы, одна плата 1 со светодиодами 9, а вторая 14 с компонентами 8 драйвера, которая имеет форму кольца. Цилиндр 2 и плата 14 изолированы от основного радиатора полиимидной пленкой 3.
Печатная плата 1 со светодиодами 9 опирается на цилиндр 2, при этом силиконовое кольцо 5 сжимается под действием линзы 4, которая прижимает весь комплект с помощью фланца 6, который крепится к радиатору 12 с помощью саморезов или заклепок с винтами. Отверстия 7 также предназначены для заливки пространства драйвера.
На рис. 3 показана конструкция кластера с двумя печатными платами 1 и 14, но передача тепла от платы 1 светодиодов 9 производится алюминиевым кольцом 2, изолированным от радиатора пленкой, а плата 14 лежит на основном радиаторе 12 также через полиимидную пленку 3.
Все три варианта объединяет то, что линзы приподняты над основным радиатором и в образовавшееся пространство установлены компоненты драйвера вместе с электролитическими конденсаторами и во всех вариантах имеется двойная электрическая изоляция всей внутренней схемотехники от основного радиатора. Первый уровень изоляции - это препрег на печатных платах, который в зависимости от типа плат имеет величину до 5 кВ, а второй уровень изоляции - это полиимидная пленка, изолирующая основной радиатор от всех электронных компонентов, которая при толщине 40 мкм имеет пробойное напряжение - 4 кВ.
Отверстия 7 в основном радиаторе служат для заливки пространства драйвера теплопроводящим электроизолирующим компаундом, который улучшает теплоотвод и изолирует отверстия ввода проводов электрической сети.
На рис. 4 показан вариант с двухсторонней платой 1, опирающейся на металлическое кольцо, которое лежит на основном радиаторе 12 через полиимидную пленку 3, сверху на плату устанавливается амортизирующее, изолирующее фигурное кольцо 5 из силикона, далее устанавливается линза 4, а сверху вся конструкция крепится к основному радиатору 12 с помощью металлического фланца 6, с помощью саморезов или заклепок с винтами, отверстия 7 нужны также для заливки герметизирующей, изолирующей жидкости.
Вариант (рис. 3) предпочтителен, так как при теплоотводе используется все подлинзовое пространство (тепло от платы светодиодов идет на радиатор через кольцо 2, а тепло от платы драйвера также через пленку на другую поверхность радиатора).
Возможен вариант группового исполнения кластерного осветителя, когда несколько кластеров располагаются на одном большом радиаторе, тогда плата драйверов может быть общая для всех кластеров и их соединение (провода от промышленной сети и, если нужно, провода управления диммингом) могут также быть выполнены печатным методом на общей плате; в этом случае все свободные участки между кластерами, где есть медные проводники, должны быть защищены полиимидной пленкой (1 ступень изоляции) и каким-либо корпусом, создающим 2 уровень изоляции.
Преимущество таких конструкций кластеров в том, что они могут быть изготовлены заранее и в зависимости от требований заказчиков быстро собираться в окончательном варианте с количеством необходимых модулей в одной конструкции и с определенным законом распределения света (для этого следует применить соответствующую линзу без изменения конструкции).