СВЕТОДИОДНАЯ ФИЛАМЕНТНАЯ ЛАМПА

Полезная модель относится к светотехнике и может быть использована при проектировании новых энергоэффективных источников оптического излучения с увеличенным сроком службы. Полезная модель направлена на расширение области применения светодиодной филаментной лампы.
Известна светодиодная филаментная лампа, содержащая цоколь, внутри которого установлен драйвер, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, и герметичную колбу, изготовленную из оптически прозрачного материала и заполненную изолирующим оптически прозрачным и химически инертным газообразным веществом, с опорной ножкой, имеющей штенгель, штабик с держателем, два электрода, и с двумя парами светодиодных филаментов внутри, соединенных электрически выводами в последовательную цепь через держатель, филаменты в парах соединены параллельно через дополнительные шины, а вторые выводы пар светодиодных филаментов последовательной цепи подключены к соответствующим выходным выводам драйвера через электроды (Thomson Filament - светодиодные лампы нового поколения / Электронный ресурс - http://geektimes.ru/medgadgets/blog/247172/).
В качестве изолирующего оптически прозрачного и химически инертного газообразного вещества в светодиодных филаментных лампах применяют, как правило, «легкие» газы (гелий, водород) или смеси указанных газов, или смеси их с азотом, неоном, аргоном или криптоном, имеющие давление от 0,3 до 0,9 бар при температуре окружающей среды 273 К и обладающие высоким коэффициентом теплопроводности и низкой вязкостью.
В качестве внешнего источника питания светодиодной филаментной лампы используется электрическая сеть переменного тока. Питание светодиодной лампы может осуществляться и от специального источника постоянного тока.
Преимуществами известной светодиодной филаментной лампы являются использование штабика с одним держателем и минимальное число вакуумплотных впаев (два электрода).
Недостатками светодиодной филаментной лампы является узкая область применения, что обусловлено особенностями конструкции (большим числом точек сварки, наличием дополнительных шин, нетехнологичностью устройства, невозможностью эффективной автоматизации процесса сборки, низкой надежностью работы, высокой ценой). Общее число точек сварки при четырех отдельных филаментах (две пары) в схеме равно 12. Количество дополнительных шин равно 4. Надежность работы светодиодной филаментной лампы в реальных условиях эксплуатации в значительной степени определяется общим числом сварных соединений (точек сварки). Надежность работы снижается также при увеличении количества ручных манипуляций с филаментами. Цена изделия зависит от числа ручных операций при ее сборке.
Известна светодиодная филаментная лампа, содержащая цоколь, внутри которого установлен драйвер, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, и герметичную колбу, изготовленную из оптически прозрачного материала и заполненную изолирующим оптически прозрачным и химически инертным газообразным веществом, с опорной ножкой, имеющей штенгель, штабик с двумя держателями, четыре электрода, и с двумя парами светодиодных филаментов внутри, соединенных электрически выводами в последовательную цепь через два электрода в объеме цоколя, филаменты в парах соединены последовательно через соответствующие держатели, а вторые выводы пар светодиодных филаментов последовательной цепи подключены к соответствующим выходным выводам драйвера через электроды второй пары электродов (Светодиодные лампы Filament Led, новинка 2015 / Электронный ресурс - http://led-obzor.ru>svetodiodnyie-lampyi-po-tehnologii.filament-led).
Достоинством известной светодиодной филаментной лампы является возможность использования эффективного драйвера малых габаритных размеров со сравнительно простой электрической схемой. Поэтому подобную конструкцию имеют большинство, так называемых, декоративных светодиодных филаментных ламп (свеча, свеча на ветру, шар малого диаметра и др.) с повышенными требованиями к размерам драйвера.
Недостатками светодиодной филаментной лампы является узкая область применения, что обусловлено особенностями конструкции (большим числом вакуум плотных впаев, сравнительно большим числом точек сварки, необходимостью соединения электрической цепи двух пар светодиодных филаментов свивкой и дополнительной сваркой, или пайкой и изоляцией электродов вне колбы, необходимостью электрической изоляции держателей, что требует размещения их в разных плоскостях в линзе штабика, сложностями изоляции электродов, нетехнологичностью устройства, невозможностью автоматизации процесса сборки, низкой надежностью, высокой ценой). Число вакуумплотных впаев в известной светодиодной филаментной лампе составляет 4 (четыре электрода). Общее число точек сварки (при четырех филаментах в схеме) равно 8. Количество дополнительных соединений двух электродов составляет 1. Надежность работы светодиодной филаментной лампы рассмотренной конструкции в реальных условиях эксплуатации определяется числом вакуумплотных впаев, общим числом сварных соединений (точек сварки, свивки) и электрической изоляцией электродов и держателей. Цена изделия зависит от общего количества ручных операций при сборке лампы.
Известна светодиодная филаментная лампа, содержащая цоколь, внутри которого установлен драйвер, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, и герметичную колбу, изготовленную из оптически прозрачного материала и заполненную изолирующим оптически прозрачным и химически инертным газообразным веществом, с опорной ножкой, имеющей штенгель, штабик с двумя держателями, четыре электрода, и с двумя парами светодиодных филаментов внутри, соединенных электрически выводами в последовательную цепь через два электрода в объеме цоколя, филаменты в парах соединены последовательно через соответствующие держатели, а вторые выводы пар светодиодных филаментов последовательной цепи подключены к соответствующим выходным выводам драйвера через электроды второй пары электродов (Разборка «Светодиодной лампы Эдисона» / Электронный ресурс - http://www.superfonarik.ru/article_info.php?articles_id=29).
Известная светодиодная филаментная лампа является наиболее близкой по технической сущности к полезной модели и выбрана в качестве прототипа.
Недостатком светодиодной филаментной лампы является узкая область применения, что обусловлено особенностями конструкции (большим числом вакуумплотных впаев, сравнительно большим числом точек сварки, необходимостью соединения электрической цепи двух пар светодиодных филаментов свивкой и дополнительной сваркой, или пайкой и изоляцией электродов вне колбы, необходимостью электрической изоляции держателей, что требует размещения их в разных плоскостях в линзе штабика, сложностями изоляции электродов, нетехнологичностью устройства, невозможностью автоматизации процесса сборки, низкой надежностью, высокой ценой). Число вакуумплотных впаев в известной светодиодной филаментной лампе составляет 4 (четыре электрода). Общее число точек сварки (при четырех филаментах в схеме) равно 8. При удвоении числа филаментов для увеличения мощности лампы в два раза и, соответственно, светового потока необходимо применение дополнительных шин (4 шт.). Число точек сварки возрастает до 16. Количество дополнительных соединений двух электродов составляет 1. Надежность работы светодиодной филаментной лампы рассмотренной конструкции в реальных условиях эксплуатации также определяется числом вакуумплотных впаев, общим числом сварных соединений (точек сварки, свивки) и электрической изоляцией электродов и держателей. Цена изделия зависит от общего количества ручных операций при сборке лампы.
Полезная модель направлена на решение задачи расширения области применения светодиодной филаментной лампы, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что в светодиодной филаментной лампе, содержащей цоколь, внутри которого установлен драйвер, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, и герметичную колбу, изготовленную из оптически прозрачного материала и заполненную изолирующим оптически прозрачным и химически инертным газообразным веществом, с опорной ножкой, имеющей штенгель, штабик с держателем, два электрода, и с двумя парами кассет с параллельным подключением светодиодных филаментов через сборные шины внутри, соединенных электрически в последовательную цепь через держатель, общие точки соединения кассет в парах образованы непосредственным соединением соответствующих шин пар, а шины, образующие выводы последовательной цепи, подключены к соответствующим выходным выводам драйвера через электроды.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является расширение области применения светодиодной филаментной лампы за счет улучшения конструкций ее основных узлов. В новой конструкции общее число точек сварки не зависит от числа филаментов в кассетах (минимально и равно 6). Конструкция штабика значительно упрощена. Штабик может выполняться с одним держателем. Кассета изготавливается как единый элемент в технологическом процессе изготовления самих филаментов (при сокращении числа технологических операций). Конструкция кассеты более жесткая и надежная (чем конструкция отдельного филамента). Стоимость кассеты значительно ниже общей цены комплекта из отдельных филаментов. Лампа имеет более высокую надежность работы за счет сокращения общего числа манипуляций с филаментами и уменьшения количества точек сварки. Новая лампа имеет наиболее технологичную конструкцию. Номенклатура ламп по мощности и световому потоку может быть расширена. Сборка светодиодной филаментной лампы достаточно эффективно автоматизируется.
В новой лампе минимально возможное число вакуумплотных впаев (2). Каждый вакуумплотный впай представляет собой ответственный элемент конструкции светодиодной филаментной лампы. От качества его выполнения зависит герметичность колбы. Требования к работе вакуумплотных впаев возрастают при применении в светодиодных филаментных лампах «легких» газов (гелий, водород), имеющих высокую проникающую способность. В светодиодной филаментной лампе также можно применить эффективный драйвер малых габаритных размеров с простой и надежной электрической схемой.
Расширение области применения светодиодной филаментной лампы достигается всей совокупностью отличительных признаков, в том числе новыми элементами и связями, новыми принципами выполнением узлов и элементов конструкции, схемой соединения узлов, то есть, за счет отличительных признаков полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемой светодиодной филаментной лампы являются существенными.
На рисунке изображена светодиодная филаментная лампа заявляемой конструкции в сборе (с колбой декоративной лампы шара).
Форма колбы светодиодной филаментной лампы может быть любой (например, кроме шара, свеча, свеча на ветру, грибок и др., аналогичные колбам ламп накаливания). Принципы работы и устройства лампы при этом не изменяются.
Светодиодная филаментная лампа содержит цоколь 1, внутри которого установлен драйвер 2, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, и герметичную колбу 3, изготовленную из оптически прозрачного материала и заполненную изолирующим оптически прозрачным и химически инертным газообразным веществом, с опорной ножкой, имеющей штенгель 4, штабик с держателем 5, два электрода 6, и с двумя парами кассет с параллельным подключением светодиодных филаментов 7 через сборные шины 8 внутри, соединенных электрически в последовательную цепь через держатель, общие точки соединения кассет в парах образованы непосредственным соединением соответствующих шин пар, а шины, образующие выводы последовательной цепи, подключены к соответствующим выходным выводам драйвера через электроды.
Светодиодная филаментная лампа в установившемся режиме работает следующим образом. Через цоколь 1 стандартного вида (Е14, Е27, В22 и др.) электрическая лампа подключается к обычной питающей сети переменного тока (внешнему источнику питания) непосредственно или к специальной сети (источнику) постоянного тока. Колба 3 из оптически прозрачного материала является основной частью конструкции светодиодной филаментной лампы, выполняющей несущую, защитную, светорассеивающую функции и функцию герметизации рабочего пространства. Колба 3 жестко механически соединена (сопряжена) с цоколем 1. Контакты цоколя 1 соединены с входными выводами платы драйвера 2. Цепь из последовательно соединенных кассет светодиодных филаментов 7 (или светодиоды, матрицы, или линейки, светоизлучающее тело) электрически соединена с выходными выводами платы драйвера 2 через электроды 6, впаянные в ножку. Вся конструкция (светоизлучающее тело) размещается внутри колбы 3 и изолирована от окружающей среды. Драйвер 2 преобразует напряжение (энергию) внешнего источника питания в напряжение (ток) заданного уровня и частоты, необходимое для электропитания светодиодных филаментов 7 (кассет) светоизлучающего тела. Питание светодиодных филаментов (7), в принципе, может осуществляться от драйвера 2 как на постоянном, так и на переменном токе (при питании на переменном токе пары филаментов 7 кассет электрически
соединяются параллельно). Питание на переменном токе может быть энергетически выгоднее. Число ступеней преобразования энергии в этом случае уменьшается, что, в целом, повышает надежность работы драйвера 2 и потери в нем. Увеличивается средний срок службы светодиодной филаментной лампы, и улучшаются ее энергетические характеристики. Однако конструкция (при сохранении принципа) несколько усложняется, что затрудняет использование стандартной конструкции исходных кассет филаментов 7. Светоизлучающее тело центрируется и поддерживается (закрепляется или фиксируется) во внутреннем пространстве колбы 3 с помощью штабика (5) и электродов 6. Для этого штабик снабжен линзой с держателем 5, концы которого отформованы специальным образом и могут иметь необходимые плоскости для прижима светодиодных филаментов 7 кассет (или светодиодных матриц, линеек) при сварке. Дополнительная поддержка кассет филаментов 7 цепи осуществляется за счет приварки ее выводов (сборных шин 8) к электродам (6). Формовка электродов (6) и держателя 5 может осуществляться в одной плоскости, перпендикулярной оси ножки, или в двух смежных (расположенных в непосредственной близости) плоскостях. Штабик лампы должен быть выполнен с минимально достаточной длиной. Формовка электродов (6) и держателя 5 в одной плоскости является предпочтительной.
Колба 3 заполнена изолирующим (буферным) газом. Откачка и заполнение внутреннего объема колбы 3 осуществляется через откачной (пустотелый) штенгель 4 опорной ножки. После заполнения колбы 3 изолирующим газом штенгель 4 отпаивается. В качестве буферного газа используют, например, смесь, содержащую более 15% азота, 20% гелия и менее 65% водорода при давлении от 0,3 до 0,9 бар. Состав изолирующего газа и его давление должны обеспечивать наилучший теплоотвод от элементов и узлов светодиодной филаментной лампы, установленных внутри колбы 3, и достаточную электрическую прочность. Добавки азота препятствуют диффузии
водорода и гелия внутрь материала и через стенки колбы 3, а также через вакуумплотные впаи в местах установки (ввода в колбу 3) электродов (6). Для лучшего теплоотвода необходимо использовать изолирующий газ, обладающий повышенной теплопроводностью и низкой вязкостью, и увеличивать его давление в колбе 3. Поэтому устанавливать в колбе 3 давление изолирующего газа ниже 0,3 бар неэффективно, а выше 0,9 бар технически трудно реализуемо (для заявляемой конструкции светодиодной филаментной лампы). Практически, оптимальное абсолютное давление для большинства модификаций светодиодных ламп заявляемой конструкции должно находится именно в пределах от 0,3 до 0,9 бар (что наиболее технологично и обеспечивает требуемые характеристики наполнения и теплоотвод). Водород и гелий обеспечивают хорошую теплопроводность, Добавки гелия ограничивают содержание водорода в смеси, не увеличивая существенно цену, и не снижая в больших пределах ее теплопроводности. Азот повышает электрическую прочность смеси. Объем колбы 3 и ее форма в лампе должны быть также оптимизированы с целью улучшения теплоотвода. Близкими к оптимальным являются стандартные формы и размеры колб (3), применяемых для серийных ламп накаливания. При этом светодиодные филаменты 7 и (или) матрицы светоизлучающего тела должны размещаться (по возможности) на минимальном расстоянии от стенок колб (3). При прохождении электрического тока через светодиоды филаментов 7 (матриц, линеек) они излучают световые волны, в частности, видимый свет. Возможно также, например, излучение в ультрафиолетовой области спектра, что обеспечивается типом применяемых в лампах светодиодов (7). За счет конструкции и соединения светодиодных филаментов 7 через сборные шины 8 кассет обеспечивается последовательно-параллельное соединение всех филаментов (7) в цепи. Непосредственное соединение сборных шин 8 пар кассет филаментов 7 в цепи может быть реализовано контактной сваркой, пайкой или склеиванием токопроводящим клеем. Непосредственное соединение соответствующих сборных шин 8 кассет филаментов 7 позволяет уменьшить общее количество точек сварки (соединений), обеспечить последовательное соединение пар кассет при использовании двух электродов 6 и, при необходимости, оптимизировать процесс автоматизированной сборки светодиодной филаментной лампы.
Число филаментов 7 в кассетах практически может быть любым. Максимальное (конкретное) число филаментов 7 в кассетах ограничивается характерными геометрическими размерами колбы 3.
Использование оптически прозрачных подложек для светодиодов филаментов 7 (и светодиодных матриц, линеек) светоизлучающего тела с повышенными теплопроводящими свойствами позволяет снизить потери энергии оптического излучения и уменьшить нагрев полупроводниковых структур светодиодов, что положительно сказывается на стабильности характеристик ламп и среднем сроке их службы (надежности работы).
На рисунке приведена конструкция с кассетами, содержащими по два параллельно подключенных (через сборные шины 8) светодиодных филамента 7. Сборные шины 8 представляют собой части рамки исходной кассеты, используемой в технологическом процессе изготовления светодиодных филаментов 7. Это наиболее технологично. Изготовление кассет с несколькими филаментами 7 осуществляется простой разрезкой исходной кассеты (обычно содержащей более 25 филаментов 7). Необходимые расстояния между филаментами 7 в кассетах обеспечиваются удалением промежуточных элементов или установленным шагом исходной кассеты. Кассета может быть получена и с использованием отдельных филаментов 7. Процесс изготовления кассет из отдельных филаментов 7 также можно автоматизировать. Но наиболее предпочтительным является использование исходных кассет, что упрощает и удешевляет технологию сборки ламп.
Использование кассет филаментов позволяет расширить (при сохранении технологии производства) номенклатуру ламп по мощности и, соответственно, по световому потоку. Число точек сварки и конструкция опорной ножки не зависит от числа филаментов 7 в кассетах.
По сравнению с прототипом существенно расширяется область применения светодиодной филаментной лампы.
Процесс сборки новой лампы может быть эффективно автоматизирован, что позволяет снизить производственные затраты, повысить производительность и снизить процент брака.
Новая конструкция светодиодной филаментной лампы позволяет разработать и применить драйверы постоянного (или переменного) тока с высокими техническими характеристиками, и обеспечить, как отмечено выше, качественную электрическую изоляцию электродов, держателя и самого драйвера. В новой лампе минимально возможное число вакуумплотных впаев (в два раза меньше, чем в прототипе). Используется один держатель. Отсутствуют проблемы изоляции держателей и обеспечения механической прочности линзы штабика. Штабик имеет более простую конструкцию, большую механическую прочность и более технологичен при изготовлении. Число точек сварки уменьшено в полтора раза (с 9 до 6) и не зависит от числа филаментов в кассетах. Отсутствует нетехнологичная и ненадежная скрутка электродов в объеме цоколя. Все это повышает надежность работы и увеличивает средний срок службы светодиодной филаментной лампы.
Повышение надежности работы и среднего срока службы лампы (по вышеперечисленным причинам), а также более высокая технологичность, снижение трудоемкости операций при изготовлении новой лампы, значительно расширяют область ее применения.
Использование рекомендуемых материалов для подложек светодиодов позволяет улучшить режимы их работы, обеспечивает стабильную и надежную работу светодиодной филаментной лампы.
Более высокая технологичность (по сравнению с лампой прототипом) снижает цену заявляемой лампы. Снижение цены (за счет улучшения конструкции) также расширяет область применения заявляемой электрической светодиодной лампы.
Цена новой лампы может быть снижена и за счет снижения цены наполнения колбы (использование водорода и азота). В частности, при реализации на некоторые мощности (за счет высокой теплопроводности водорода) газовая смесь может иметь существенно более низкую конечную цену.
Срок службы новой светодиодной филаментной лампы (согласно экспертной оценки и результатов анализа отказов опытных образцов при ускоренных испытаниях) может превышать срок службы лампы прототипа в 1,8…2,5 раза (для ламп повышенной мощности) за счет улучшения конструкции, уменьшения числа точек сварки, качественного отвода тепла, улучшения электроизоляции, возможности использования качественных драйверов с улучшенными характеристиками и повышенной надежностью работы.
Существенно может быть расширена номенклатура светодиодных филаментных ламп в сторону увеличения их мощности и светового потока. При этом практически не возрастает трудоемкость изготовления ламп более высоких мощностей.
Новая светодиодная филаментная лампа может быть эффективно использована в специальных и в новых ответственных областях применения.