Светодиодная лампа

Область техники
Полезная модель относится к области светотехники, конкретно к светодиодным лампам.
Уровень техники
Наиболее близким техническим решением (прототип) является светодиодная лампа (патент РФ №158205, дата публикации 27.12.2015). Основным элементом известного устройства является светодиодная линейная сборка. Светодиодная линейная сборка (далее - сборка) состоит из одного или нескольких светодиодов с диэлектрической подложкой каждый и общей металлической подложки. Каждый светодиод размещен на соответствующей ему диэлектрической подложке. Диэлектрические подложки изготовлены из сапфира. Диэлектрические подложки размещены на металлической подложке и закреплены на ней с помощью теплопроводящего клея. Вокруг каждого светодиода и противоположной по отношению каждому из них стороны металлической подложки нанесен слой смеси компаунда и люминофора (или смеси люминофоров).
Общий контур светодиодной лампы образуют цоколь и колба. Цоколь представляет собой конструктивную часть светодиодной лампы и служит для ее установки и обеспечения гальванической связи ее внутренних элементов с внешним электрическим источником. Цоколь выполнен, например, цилиндрической формы с внутренней полостью. Полость ограничена цилиндрической поверхностью, торцом, снабженным вторым контактом, и основанием ножки с противоположной стороны, напротив второго контакта. Цоколь соединен с колбой. В цоколе размещен блок питания. Колба представляет собой герметичную оболочку, имеющую закрытую полость. Полость заполнена газовым составом, под давлением в пределах 8-200 кПа. В газовый состав входит по крайней мере гелий или любой инертный газ, или азот, при этом исключается вариант включения в состав водорода.
В полости размещены: держатель, первый контакт, второй контакт, токопроводящие элементы, сборки (по крайней мере две или более). Первый контакт закреплен на держателе посредством одного или нескольких токопроводящих элементов. Второй контакт закреплен на держателе ближе к цоколю, по отношению к первому контакту. Второй контакт электрически соединен с соответствующим ему выводом блока питания. Первый контакт аналогично электрически соединен с соответствующим ему выводом блока питания посредством проводника, пропущенного через материал держателя и/или колбы к блоку питания.
Недостатком известного технического решения является низкий уровень светового потока от светодиодных линейных сборок в направлении оси симметрии светодиодной лампы, из чего следует неравномерность диаграммы направленности - с образованием затемненной зоны в центре освещаемой области, если она расположена по оси лампы.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение освещенности в направлении оси симметрии светодиодной лампы за счет изменения расположения единственной светодиодной линейной сборки - перпендикулярно ее оси симметрии.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в светодиодной лампе, содержащей колбу, выполненную светопроницаемой и снабженной полостью, цоколь, ножку, блок питания, первую опору и вторую опору, выполненные электропроводящими, светодиодную линейную сборку, состоящую из светодиодов, размещенных на одной стороне подложки, полость выполнена герметичной и заполнена газовым составом, включающим по крайней мере гелий, колба соединена с цоколем, снабженным первым контактом и вторым контактом, конец первой опоры, расположенный в полости, снабжен третьим контактом, а конец второй опоры, расположенный в полости, снабжен четвертым контактом, блок питания размещен в цоколе, ножка соединена с колбой и размещена в полости, на ножке закреплены электрически изолированно друг от друга первая опора и вторая опора, светодиодная линейная сборка закреплена на первой опоре и второй опоре и соединена соответственно с третьим контактом и четвертым контактом, расположена перпендикулярно оси симметрии колбы и электрически соединена с блоком питания посредством соответственно первой опоры и второй опоры, при этом входы блока питания соединены соответственно с первым контактом и вторым контактом, а вокруг каждого светодиода и противоположной по отношению каждому из них стороны подложки размещен дополнительный слой, содержащий смесь компаунда и люминофора, в первом частном случае светодиоды выполнены излучающими свет по крайней мере в сине-фиолетовой зоне видимого спектра, во втором частном случае светодиоды выполнены излучающими свет по крайней мере красный, зеленый и голубой, в третьем частном случае колба в месте соединения с цоколем снабжена кольцом из пластмассы, которым она соединена с цоколем, в четвертом частном случае светодиоды закреплены на подложке посредством теплопроводящего клея, в пятом частном случае светодиод выполнен однокристальным и с высокой степенью яркости, в шестом частном случае светодиод выполнен однокристальным из нескольких интегральных р-n переходов, соединенных между собой последовательно, и имеет прямое напряжение 10 В и более, в седьмом частном случае в состав газа входит любой инертный газ, в восьмом частном случае в состав газа входит азот, в девятом частном случае длина подложки меньше диаметра горла колбы.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется чертежами (фиг. 1, 2, 3), где на фиг. 1 приведено наглядное изображение светодиодной лампы; на фиг. 2 показана светодиодная линейная сборка, а на фиг. 3 изображено поперечное сечение светодиодной линейной сборки.
Раскрытие полезной модели
На фигурах обозначены: колба 1, светодиодная линейная сборка 2, полость 3, четвертый контакт 4, вторая опора 5, ножка 6, цоколь 7, первый контакт 8, второй контакт 9, блок питания 10, первая опора 11, третий контакт 12, контактная площадка 13, токопроводящая нить 14, светодиод 15, подложка 16, люминофор 17, дополнительный слой 18, клеевое соединение 19, рабочая плоскость 20.
Светодиодная лампа состоит из колбы 1, цоколя 7, первой опоры 11, второй опоры 5, ножки 6 и светодиодной линейной сборки 2. Светодиодная лампа внешне имеет вид тела вращения и имеет ось симметрии.
Колба 1 представляет собой герметичную оболочку, имеющую полость 3. Полость 3 заполнена газовым составом под давлением в пределах 8-200 кПа. В газовый состав входит по крайней мере гелий или любой инертный газ, или азот, при этом исключается вариант включения в состав водорода. Колба 1 имеет соединение с цоколем 7.
Цоколь 7 представляет собой конструктивный элемент светодиодной лампы и служит для ее установки в патрон и обеспечения гальванической связи ее внутренних элементов с внешним источником питания. Цоколь 7 выполнен, например, цилиндрической формы с внутренним пространством (полостью) и с одним открытым торцом. Таким образом цоколь 7 снабжен внутренним объемом. Цоколь 7 снабжен первым контактом 8 и вторым контактом 9, которые электрически изолированы друг от друга. Причем, как правило, второй контакт 9 расположен на торце цоколя 7 (с противоположной стороны от колбы 1), а первый контакт 8 расположен на цилиндрической поверхности цоколя 7. Внутри цоколя 7 может быть размещен блок питания 10, имеющий электрическое соединение с первым контактом 8, вторым контактом 9, а также с элементами светодиодной лампы.
В полости 3 (колбы 1) размещены: ножка 6, первая опора 11, вторая опора 5, третий контакт 12, четвертый контакт 4 и светодиодная линейная сборка 2. Ножка 6 представляет собой стержень, расположенный в полости 3 колбы 1. Ножка 6 одним концом прикреплена к колбе 1. Внутри ножки 6 расположены части первой опоры 11 и второй опоры 5. Причем сами первая опора 11 и вторая опора 5 выполнены жесткими, равной длины и токопроводящими. Т.е. первая опора 11 и вторая опора 5 выполнены стержнеобразными и выступающими из ножки 6. Причем первая опора 11 электрически соединена с первым контактом 8 с одной стороны и снабжена третьим контактом 12 с другой стороны, а вторая опора 5 аналогичным образом соединена со вторым контактом 9 и снабжена четвертым контактом 4, если блок питания 10 в самом устройстве отсутствует. При наличии такового первый контакт 8 и второй контакт 9 электрически соединены с соответствующими контактами входа блока питания 10, а третий контакт 12 и четвертый контакт 4 электрически соединены с соответствующими контактами выхода блока питания 10.
Светодиодная линейная сборка 2 состоит из: подложки 16; двух или более двух светодиодов 15, соединенных между собой последовательно токопроводящей нитью 14 (т.е. проводников), и дополнительного слоя 18. Подложка 16 может быть изготовлена из прозрачного диэлектрического материала, например, из лейкосапфира (оксида алюминия). Подложка 16 имеет прямоугольную форму. На подложке 16, на одной ее стороне - рабочей плоскости 20, расположены светодиоды 15 на равном или близком расстоянии друг от друга или иначе. Дополнительный слой 18, представляющий собой смесь компаунда и люминофора 17, покрывает каждый светодиод 15 на подложке вместе с областью под светодиодом 15 с обратной стороны подложки 16. Также на поверхности подложки 16 имеются контактные площадки 13, электрически изолированные друг от друга. Крайние светодиоды 15, по одному с каждой стороны подложки 16, имеют электрическое соединение токопроводящей нитью 14 с контактными площадками 13.
Первая опора 11 и вторая опора 5 прикреплены, например, ультразвуковой сваркой к краям подложки 16 светодиодной линейной сборки 2 со стороны ее меньших сторон. При этом рабочая плоскость 20 расположена поперек (например, перпендикулярна) оси симметрии светодиодной лампы. Рабочая плоскость 20 обращена в сторону, противоположную цоколю 7. Третий контакт 12 и четвертый контакт 4 электрически соединены с соответствующими им контактными площадками 13 светодиодной линейной сборки 2 посредством токопроводящей нити 14.
Светодиод 15 представляет собой полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом (р-n). Светодиоды 15 светодиодной линейной сборки 2 прикреплены к подложке 16 с помощью клеевого соединения 19. Клеевое соединение 19 прозрачное и термостойкое, например, теплопроводящего состава.
Осуществление полезной модели
В случае использования указанных выше элементов и средств, полезная модель реализуется следующим образом. Изготавливают колбу 1, например, сферической формы, переходящей в цилиндрическую, цоколь 7, первую опору 11, вторую опору 5, блок питания 10, ножку 6, токопроводящую нить 14, необходимое количество светодиодных линейных сборок 2, подложку 16 и светодиоды 15.
Из цельной пластины лейкосапфира или другого подходящего материала изготавливают подложку 16 прямоугольной формы. Размер подложки 16 зависит от количества и типа светодиодов 15, располагаемых на светодиодной линейной сборке 2. Следует отметить, что длина такой подложки 16 должна быть не больше диаметра горла колбы 1, т.е. входного отверстия колбы 1 до ее соединения с другими элементами устройства. Это обеспечит возможность беспрепятственного монтажа светодиодной линейной сборки 2 в полость 3 в горизонтальном положении (перпендикулярно оси симметрии светодиодной лампы), что упрощает изготовление устройства. На готовую подложку 16, с одной ее стороны, наносят контактные площадки 13, электрически изолированные друг от друга. Размер контактных площадок 13 подбирается достаточным для осуществления соединения пайкой токопроводящей нитью 14 светодиодов 15 (крайних к меньшим сторонам подложки 16) и соответствующих им третьего контакта 12 и четвертого контакта 4.
На подложке 16 закрепляют светодиоды 15. Следует отметить, что под светодиодом 15 может пониматься устройство, имеющее более одного р-n перехода на одной подложке 16 (в одной точке) или несколько единичных светодиодов 15, соединенных параллельно. Используют светодиоды 15 синего спектра (цвета свечения) с длиной волны 450-475 нм. Крепление светодиода 15 к подложке 16 осуществляется прозрачным термостойким клеем (клеевым соединением 19), обладающим свойством высокой теплопроводности. Закрепленные светодиоды 15 последовательно подключают между собой токопроводящей нитью 14. Токопроводящую нить 14 изготавливают из золота для обеспечения высокой стабильности электромеханических свойств при повышенных температурах или из другого подходящего металла. Включение светодиодов 15 в электрическую цепь осуществляют подключением токопроводящей нитью 14 крайних, по одному с каждой стороны подложки 16, светодиодов 15 к контактным площадкам 13. На завершающем этапе изготовления светодиодной линейной сборки 2 светодиоды 15 вместе с подложкой 16, охватывая зону под светодиодом 15, с обратной стороны подложки 16, покрывают дополнительными слоями 18, содержащими люминофор 17.
Наилучшим вариантом конструкции светодиодной линейной сборки 2 служит изготовление светодиодной линейной сборки 2 на подложке 16, выполненной из прозрачного сапфира. С размещением светодиодов 15 на одной стороне этой подложки 16 и с покрытием люминофором 17, входящего в состав дополнительного слоя 18, также с одной стороны - со стороны монтажа светодиодов 15 на подложке 16.
Применим следующий способ изготовления и сборки светодиодной лампы. Внутренний узел светодиодной лампы (ножку 6 с первой опорой 11, второй опорой 5 и светодиодной линейной сборкой 2) изготавливают из куска стеклянной трубки и стеклянного стержня (штабика), припаянного к спрессованной части трубки. В верхнюю часть штабика впаивают первую опору 11 и вторую опору 5 - элементы, например, из молибдена, в которых закрепляют светодиодную линейную сборку 2, образующую источник светового излучения. Контактные площадки 13 светодиодной линейной сборки 2 припаивают к соответствующим концам опор - к третьему контакту 12 первой опоры 11 и к четвертому контакту 4 второй опоры 5 посредством токопроводящей нити 14 или иначе. Другой конец первой опоры 11, противоположный третьему контакту 12, и другой конец второй опоры 5, противоположный четвертому контакту 4, выводят наружу колбы 1 и припаивают к цоколю 7. Затем такой вывод первой опоры 11 припаивают к первому контакту 8 цоколя 7, а вывод второй опоры 5, противоположный четвертому контакту 4, припаивают ко второму контакту 9 цоколя 7. После этого развернутую в виде воронки часть ножки 6 сваривают с горлом колбы 1. Откачка воздуха из колбы 1 светодиодной лампы после заварки ножки 6 в колбу 1 производят через специальную стеклянную трубочку (штенгель) диаметром, например, 3,6-4,6 мм, пропущенную через ножку 6 и вваренную одним концом в спрессованную часть этой ножки 6 (лопатку ножки 6) со специально сделанным отверстием (с целью сообщения через штенгель с колбой 1 светодиодной лампы). После откачки воздуха и наполнения колбы 1 инертным газом штенгель  оплавляют огнем с образованием «носика», выступающего из колбы 1 в нижней части (закрываемой цоколем 7), например, на 5-7 мм. Между первым контактом 8 и вторым контактом 9 цоколя 7 вставляют стеклянную "пуговицу" для изоляции этих контактов друг от друга. При необходимости, во внутренний объем цоколя 7 устанавливают блок питания 10.
При включении устройства напряжение от внешнего источника питания подают на первый контакт 8 (вход - ноль) и второй контакт 9 (вход - фаза). Напряжение от внешнего источника питания, при необходимости, понижается в блоке питания 10. Блок питания 10 преобразует напряжение внешнего источника питания в рабочее напряжение, необходимое для корректной работы светодиодной линейной сборки 2. При пропускании через полученную электрическую схему электрического тока в прямом направлении, светодиоды 15 создают оптическое излучение. Дополнительный слой 18 с люминофором 17 преобразует это излучение в свет в относительно широкой спектральной полосе с максимумом в области желтого. Излучение светодиода 15 и люминофора 17, смешиваясь, дают белый свет, включающий различные оттенки. Дополнительные слои 18, представляющие собой смесь эпоксидного компаунда и люминофора 17, нанесены на светодиод 15 с подложкой 16, охватывая ее при этом с обратной стороны монтажа светодиодов 15. Это позволяет улучшить диаграмму направленности излучаемого светодиодами света за счет процесса рассеяния. Кроме того, чем больше толщина дополнительного слоя 18 с люминофором 17, тем больше рассеяние в нем. Основное излучение света при этом испускается светодиодами 15 в направлении по малой оси симметрии единственной светодиодной линейной сборки 2. Световой поток испускается равномерно, и итоговая диаграмма направленности не содержит затемненных областей в центре освещаемой области. Отсутствие областей пониженной освещенности в центре освещаемой области позволяет снизить энергопотребление устройства относительно аналогов вследствие уменьшения электрической мощности устройства, необходимой для обеспечения требуемой освещенности по оси лампы. Вследствие этого, такую светодиодную лампу можно использовать в настольных светильниках, в декоративных элементах с образованием необходимой направленности света при низком энергопотреблении.
В данном устройстве могут быть использованы высоковольтные светодиоды 15, включаемые в сеть электропитания без блока питания в цоколе. При этом светодиоды 15, входящие в состав светодиодной линейной сборки 2, могут быть соединены последовательно или параллельно с обеспечением работоспособности от питающего их напряжения. Для нормализации тока и компенсации падения напряжения на р-n переходах могут быть использованы дополнительные электронные элементы с активным или реактивным сопротивлением.
Таким образом, выполнение устройства описанным выше образом обеспечивает увеличение освещенности в направлении оси симметрии светодиодной лампы за счет изменения расположения единственной светодиодной линейной сборки - перпендикулярно ее оси симметрии.