LED-элемент решетчатого светоизлучающего массива

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к области светодиодных осветительных устройств с решетчатым или сетчатым расположением электрических проводов и, в частности, к светоизлучающему элементу решетчатого светодиодного массива.
Уровень техники
Существует ряд применений, в которых требуется равномерное освещение большой площади поверхности (от единиц до нескольких десятков квадратных метров) при относительно малой толщине осветительного устройства. К таким применениям можно отнести устройства подсветки и (или) освещения для потолков или стеновых панно, лайтбоксы и т.п. В таких осветительных устройствах особо выгодно использование светодиодов (LED) в виде LED-элементов упорядоченного двухмерного LED-массива, расположенного на образующих сетку или решетку электрических проводниках для подвода питания к этим LED-элементам.
Примечание - В тексте настоящего документа применительно к светоизлучающему массиву термин «LED-элемент» используется для определения твердотельного источника света в качестве элемента такого массива. Под твердотельными источниками света подразумеваются источники света, в которых свет создается посредством рекомбинации электронов и дырок. Примеры LED-элементов включают в себя светодиоды, светодиодные матрицы, светодиодные сборки, вместе с корпусом или платой и компонентами, на которой они размещены, или любые другие подобные твердотельные источники света.
Особо эффективно применение такого «оптически прозрачного» LED-массива в качестве активного облучателя пассивной отражающей поверхности, поскольку позволяет уменьшить толщину устройства с сохранением шага между элементами массива за счет удлинения пути распространения отраженного света.
Примечание - В контексте настоящего документа термин «оптически прозрачный» следует понимать, как «пропускающий, по меньшей мере, часть падающего светового излучения».
В ряде патентных источников раскрыты конструкции светоизлучающих массивов для использования в подобных осветительных устройствах. Так, известно устройство для создания световых эффектов (заявка на полезную модель DE 202005013148), в одном из вариантов реализации которого светодиоды размещены в узлах ортогональной решетки, образованной струнами из тонкой стальной проволоки. Струны, помимо обеспечения крепления LED, обеспечивают и пропускание через LED электрического тока, однако, из-за своей низкой электрической и тепловой проводимости, существенно ограничивают мощность применяемых LED.
Известна проекционная лампа с LED-матричной панелью (патент США на изобретение US 6767112), содержащая «оптически прозрачный» LED-массив в виде множества LED на поверхности панели, представляющей ортогональную решетку из двух слоев линейных металлических электродов, разделенных диэлектриком, причем упомянутые электроды обеспечивают также и отвод тепла, генерируемого LED. Однако, упомянутое решение может быть экономически не эффективным при использовании в LED-массивах большого формата.
Известна также сетка LED-массива и LED-компонент для использования в ней (LED array grid, method and device for manufacturing said grid and LED component for use in the same, патент США на изобретение US 7942551), представляющая «оптически прозрачный» сетчатый LED-массив в виде множества LED-компонентов, смонтированных в узлах сетки проводов для их питания, причем эти LED-компоненты содержат светодиоды, установленные на печатных платах с местами, предусмотренными для такого монтажа.
Примечание - Применительно к пространственной структуре электрических проводников, питающих LED-элементы массива, используемые в настоящем документе термин «сетчатый» и термин «решетчатый» обозначают разные варианты образования узла ячейки. Например, пара изогнутых непересекающихся проводников в виде двух символов >< образует «сетчатый узел», соответственно, пара прямолинейных перекрестных проводников в виде символа + образует «решетчатый узел». Упомянутые LED-компоненты, расположенные в узлах упомянутой сетки, выполняют, в смысле механики, роль соединительных звеньев между смежными, попеременно изогнутыми электропроводящими проволоками (проводами) сетки, на которые передается усилие растяжения сетки. Однако, указанное обстоятельство ограничивает прочностью таких LED-компонентов допустимую величину этого усилия. Так как зигзагообразную форму упомянутые провода приобретают в результате растяжения набора первоначально ровных проводов в составе сетки, то ограничение накладывается и на их толщину (как на параметр, влияющий на их жесткость и, соответственно, на величину усилия, требуемую для их гибки). Негативным следствием этого обстоятельства может быть неэффективный отвод тепла, выделяемого LED, поскольку теплоотводящая способность такой сетки может быть недостаточной из-за ограниченной толщины, и, соответственно, площади поперечного сечения упомянутых проводов, что, в свою очередь, может ухудшить температурный режим работы LED или потребовать дополнительных средств для охлаждения LED.
Известны осветительные устройства, содержащие подобную сетку LED-массива, в которых применены решения, частично устраняющие отмеченный выше недостаток за счет усложнения конструкции, например, улучшение механической прочности и способности рассеяния тепла проводного осветительного модуля путем придания LED-массиву трехмерной топографии и прикрепления такой трехмерной структуры к теплопоглотителю (патент на изобретение US 9395071), увеличение в светодиодном сетчатом устройстве отвода тепла за счет дополнительных теплопроводящих элементов, функционирующих в LED-элементах массива в качестве радиаторов (патент на изобретение US 9841170), однако, эти конструкции известного уровня техники, для того, чтобы осуществить отвод тепла в LED-массивах площадью в нескольких единиц или десятков квадратных метров, могут быть недостаточно простыми и прочными, при этом требуют дополнительных средств обеспечения теплообмена. Сущность полезной модели
Задача заявляемой полезной модели состоит в том, чтобы устранить, или, по меньшей мере, смягчить недостатки, отмеченные выше. В частности, задача заключается в обеспечении LED-элемента с улучшенной тепловой функциональностью для светоизлучающего массива большого формата.
Технический результат полезной модели - обеспечен LED-элемент, проявляющий в решетчатом светоизлучающем массиве эффективный отвода тепла, выделяемого LED.
Поставленная задача решается тем, что, в соответствии с полезной моделью, LED-элемент решетчатого светоизлучающего массива, содержит печатную плату (ПП), выполненную с возможностью размещения меж двух металлических электропроводных проволок (проводов) для подвода энергии к упомянутой ПП,
при этом упомянутая ПП содержит:
- подложку, снабженную теплопроводным слоем, по меньшей мере одним, и
- находящийся в тепловом контакте с упомянутым теплопроводным слоем твердотельный источник света, содержащий один или несколько LED, и
- первый и второй терминальный контакт электрической цепи питания упомянутого твердотельного источника света для присоединения к, соответственно, первому и второму проводу из числа упомянутых двух проводов, причем:
- упомянутый терминальный контакт, по меньшей мере один, содержит находящуюся в тепловом контакте с упомянутым теплопроводным слоем теплопроводную ламель, выполненную с возможностью протяженного на длину ПП соприкасания с ответным ей упомянутым проводом так, что обеспечивается тепловой канал от выделяющего тепло упомянутого твердотельного источника света через упомянутый теплопроводный слой и упомянутую ламель к упомянутому проводу, и
- упомянутая ПП выполнена с возможностью размещения в перекрестии между ортогонально расположенными прямолинейными упомянутыми проводами.
Вследствие возможности размещения ПП LED элемента в перекрестии между прямолинейными ортогонально расположенными проводами, можно добиться практически полного исключения воздействия на него силы натяжения этих проводов, которое отсутствует при прямолинейных проводах, но нарастает по мере увеличения их угла изгиба, характерного для проводов сетки LED-массива известного уровня техники, и полностью исключить необходимость формирования таких изгибов, и чем, в совокупности, предотвратить деформации LED-элемента, вызываемые изгибом и натяжением проводов и снять связанные с этим ограничения на силу натяжения, толщину и площадь сечения применяемых проводов (как на параметры, влияющие на их жесткость и, соответственно, на величину усилия, требуемую для их изгибания). Помимо того, не требуется электроизоляционное покрытие таких проводов (ухудшающее их теплоотводящую способность и «оптическую прозрачность»), так как возможность размещения LED-элемента в перекрестии между ортогонально расположенными электропроводными проволоками, позволяет добиться надежной межпроволочной изоляции при помощи ПП LED элемента. В общем, указанная возможность размещения снимает проблему ограничения теплоотводящей способности упомянутых проводов -поскольку, используя в соответствующем решетчатом LED-массиве провода надлежащего сечения, можно обеспечить с их помощью достаточный уровень отвода, переноса и рассеяния в пространстве тепла, выделяемого LED-элементами массива. Кроме того, при таком размещении механическая фиксация LED-элемента в массиве может быть достигнута без дополнительных компонентов, только за счет силы натяжения упомянутых перекрестных проводов. Однако, с точки зрения функциональности, может быть предпочтительным добавление в терминальный контакт прижимного элемента для прижима упомянутого провода к упомянутой ламели с целью обеспечения фиксации LED-элемента в перекрестии проводов независимо от силы их натяжения, и который, помимо этого, может дополнительно улучшить эффективность их теплового стыка.
Вследствие возможности протяженного на длину ПП соприкасания содержащейся в, по меньшей мере, одном, терминальном контакте теплопроводной ламели с ей ответным металлическим проводом (электропроводной проволокой, обычно медной), можно добиться их эффективного теплового стыка, теплопередача которого пропорциональна площади стыка, определяемой, в том числе, длиной такого соприкасания, чего добиться затруднительно в традиционно применяемых для сетки LED-массива известного уровня техники IDC-контактах (Insulation Displacement Contact), характерных созданием электрического соединения на острие лезвий смещающего (прорезающего) изоляцию тонкого контакта. Помимо того, благодаря упомянутой выше возможности увеличения толщины провода, и, соответственно, увеличения площади боковой поверхности, можно дополнительно получить прирост площади стыка за счет возрастания его ширины. Кроме того, с точки зрения функциональности, может быть предпочтительным наличие в ламели желобка - направляющей канавки (седловины) для приема провода и точной фиксации LED-элемента, что, в свою очередь, может обеспечить также и прирост ширины стыка.
В общем, заявляемая полезная модель основана на понимании того, что, применив в LED-элементе надлежаще сконструированные теплопроводную ламель и области сопряжения между выводами корпуса твердотельного источника света и теплопроводным слоем, теплопроводным слоем и теплопроводной ламелью и между теплопроводной ламелью и используемой в решетчатом LED-массиве тепло-, електропроводящей проволокой (проводом) надлежащего сечения, можно добиться эффективного отвода тепла от выделяющего тепло твердотельного источника света.
Заявляемая полезная модель осуществима для производства, так как может быть выполненной экономически эффективными методами массового производства и сборки печатных плат. Так, теплопроводный слой может быть образован фольгой и (или) изолированной металлической подложкой базового материала печатной платы, в свою очередь ламель может быть частью такого базового материала, например, печатным контактом проводящего рисунка или металлической подложкой, либо смонтированным на печатную плату компонентом, который может быть, например, отштампованным из меди или сплава меди. Ламель может быть выполненной с желобком - направляющей канавкой (седловиной) для приема провода, обеспечив тем самым точную механическую фиксацию провода или (и) дополнительно сниженное тепловое сопротивление стыка в силу увеличенной площади поверхности теплового контакта. Прижимной элемент, предпочтительно, может быть выполненным в виде плоской или фигурной пружины, отштампованной из пружинного, предпочтительно на медной основе, в форме листового материала или проволоки, сплава, причем может быть выполненным в виде компонента и установленным на печатную плату стандартными методами монтажа печатных плат, при этом несколько мест прижима, для улучшения его равномерности, могут быть созданными одной такой пружиной или несколькими такими пружинами, или компонентом, такую пружину или пружины содержащим.
Эти и дополнительные задачи, признаки и преимущества предлагаемой полезной модели будут подробно раскрыты в нижеследующем подробном описании, прилагаемой формуле полезной модели, а также показаны на чертежах.
Краткое описание чертежей
Вышесказанное, а также другие задачи, признаки и преимущества предлагаемой полезной модели будут более понятны благодаря нижеследующему иллюстративному и не ограничивающему подробному описанию предпочтительных вариантов осуществления этой полезной модели со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 иллюстрирует общий вид сетки LED массива предыдущего уровня техники;
Фиг. 2а, b представляют собой схематические общие виды одного (некоторого) варианта осуществления полезной модели (виды со стороны а и b соответственно);
Фиг. 3 схематично иллюстрирует примерное применение LED-элемента, показанного выше на фиг. 2, множество которых расположено в перекрестиях меж проводов для питания и образует решетчатый LED-массив;
Фиг. 4 представляет собой поперечный разрез одного (некоторого) варианта осуществления полезной модели, выполненный по осевой линии ламели. Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления полезной модели
На фиг. 2а, b схематично показан LED-элемент 100, где индексы -а, -b соответствуют его видам с противолежащих сторон, содержащий, согласно первому примерному варианту выполнения, печатную плату 110, на которой расположен твердотельный источник света 120, и, для присоединения к проводам для его питания, терминальные контакты 130, которые содержат теплопроводные ламели 131 с прижимными элементами 132, причем терминальные контакты расположены на противолежащих сторонах платы (130а и 130b, соответственно) и ориентированы так, чтобы обеспечивалась возможность протяженного соприкасания их ламелей (131а и 131b, соответственно) с ответными прямолинейными перекрестно расположенными проводами (201а и 201b, соответственно), которые также отображены на фиг. 2a, b (штрих-пунктиром, для справки).
Примечание - Здесь и далее по тексту и на чертежах, одинаковые цифровые обозначения относятся к идентичным частям устройства, кроме того, такие цифровые обозначения с индексами а и b указывают расположение таких частей на соответствующей стороне ПП. Например, оба терминальных контакта имеют цифровое обозначение 130, при этом терминальный контакт, расположенный на стороне b, имеет обозначение 130b, при этом если подразумевается пара контактов, то она обозначена как 130а-b. Следует отметить, что твердотельный источник света 120 показан в виде двух LED, симметрично расположенных относительно ламели, и что прижимные элементы 132а и 132b показаны в виде пар плоских пружин, ориентированных центральносимметрично ламели, однако их конструкция может быть обеспечена многими различными путями, ясными специалисту в области техники.
На фиг. 3 схематично показано примерное применение множества таких LED-элементов 100 (обозначение, для удобства чтения чертежа, присвоено только одному), которые заключены между прямолинейными металлическими проводами для питания (201а и 20lb - обозначения, для удобства чтения чертежа, присвоены только одной паре), расположенными перекрестно в двух наборах (200а и 200b, соответственно) с некоторым шагом, и образовали при этом решетчатый LED-массив. Следует отметить, что фиг. 3. представляет собой упрощенную иллюстрацию примера применения множества LED-элементов, показанных на фиг. 2, а также на фиг. 4 ниже, и что различные конструкции, такие как устройство крепления и натяжения проводов, источник электропитания или драйвер для активации LED-элементов особо не указаны, однако, такие конструкции могут быть обеспечены многими различными путями, ясными специалисту в области техники.
На фиг. 4 LED-элемент 100 (показанный выше на фиг. 2а, b и фиг. 3), в котором твердотельный источник света 120 состоит из двух LED, установленных на печатной плате (ПП) 110, показан в разрезе, выполненном по осевой линии, поперечной для ламели 131а, и, соответственно, продольной для ламели 131b, также установленными на этой ПП. Терминальные контакты 130а-b, содержащие упомянутые ламели 131а-b вместе с прижимными элементами 132а-Ь, размещены, соответственно, с противоположных сторон (а, b) ПП и ориентированы перекрестно друг другу, что делает возможным размещение этой ПП в перекрестии между двумя прямолинейными металлическими проводами 201а-Ь для подвода электрического питания.
LED типично содержит светоизлучающий полупроводниковый кристалл 121, вмещающий его корпус 122 и выводы 123 для электрического контакта и отвода тепла. Упомянутая ПП 110 содержит диэлектрическую подложку 111, снабженную с обеих сторон листами меди (фольги) 112. Типично из медной фольги 112 вытравлен проводящий рисунок ПП, при этом диэлектрическая подложка 111 обеспечивает электрическую изоляцию между проводниковыми дорожками электрических цепей ПП, и возможность такой изоляции между перекрестными металлическими проводами, местоположения которых обозначены штрихпунктиром (201а и 201b). Медная фольга 112 также образует и теплопроводный слой, размещенный с обеих сторон ПП 110, площадь которого может быть измененной в зависимости от проводящего рисунка ПП до тех пор, пока сохранен эффективный тепловой контакт между выводами 123 LED и ламелями 131а-b. Типичная толщина теплопроводного медного слоя - 35 микрометров, либо кратно больше, например, 70 или 105 микрометров. Кроме того, хотя теплопроводный слой в этом варианте осуществления полезной модели образован медной фольгой, в иных вариантах он может также быть образован изолированной металлической подложкой ПП.
Выводами 123 LED смонтирован на ПП 110 посредством пайки, причем этим ему обеспечены электрический и тепловой контакты, соответственно, с проводящим рисунком ПП и с участком фольги, составляющим теплопроводный слой этой ПП. То же реализовано и в отношении теплопроводных ламелей 131a-b, которые в этом варианте осуществления полезной модели выполнены в виде штампованных компонентов из меди или медного сплава, при этом для обеспечения возможности эффективного теплового стыка с металлическими проводами 201a-b, выполнены протяженными на длину ПП. Хотя в варианте осуществления, показанном на фиг. 4, упомянутые ламели смонтированы на ПП, как компоненты, они также могут быть выполненными в составе самой ПП из ее базового материала, например, в виде печатного контакта проводящего рисунка или в виде теплопроводящей изолированной металлической подложки, снабженной таким контактом. Как видно на поперечном разрезе, теплопроводные ламели 131, в соответствии с одним из вариантов реализации полезной модели, выполнены с желобком -направляющей канавкой (седловиной), обеспечив тем самым, помимо упрощения ориентации ответного провода, возможность получения большей ширины упомянутого теплового стыка, дополнительно способствующей теплопередаче.
Прижимные элементы 132 в этом варианте осуществления полезной модели выполнены в форме-образных пружин, отштампованных из листового материала, типично из пружинного сплава на медной основе и смонтированных на ПП 110 посредством пайки, причем попарно разнесенных по длине ламели для более равномерного распределения усилия прижима ответного провода, обеспечив, тем самым, помимо возможности дополнительной фиксации LED-элемента в перекрестии проводов, возможность улучшения эффективности теплопередачи упомянутого теплового стыка. Центрально симметричная ориентация прижимных элементов 132а-b, показанная выше на фиг. 2а, b и фиг. 3 и отображенная на фиг. 4 в поперечном разрезе, обеспечивает возможность замены LED-элемента 110 в решетчатом LED-массиве путем небольшого поворота вокруг перпендикулярной к плоскости ПП 110 оси упомянутой выше центральной симметрии с последующим увеличением просвета меж проводами 201a-b и выведением LED-элемента из перекрестия проводов.
Согласно другому варианту осуществления полезной модели прижимной элемент 132 может быть выполненным в виде одной пружины, имеющей два места для прижима, разнесенных по длине ламели, а не в виде пары пружин, показанных на фиг. 4. Согласно иному варианту осуществления прижимной элемент 132 может быть частью смонтированного на ПП компонента, содержащего такие пружины, при этом следует отметить, что фиг. 4. содержит упрощенную иллюстрацию примера выполнения терминальных контактов 130, и что различные части их конструкции, например, присоединительные участки прижимных элементов 132 особо не указаны, однако, их конструкции могут быть обеспечены многими различными путями, ясными специалисту в области техники.
При работе тепло, выделяемое LED, проводится от его выводов 123 через металлический припой к верхнему теплопроводному слою 112 и далее, в показанном на фиг. 4 варианте осуществления, передается через теплопроводную ламель 131а к проводу 201а и, в меньшей степени, через слой диэлектрика, к нижнему теплопроводному слою 112 и через теплопроводную ламель 131b к проводу 201b, а затем от проводов 201а и 201b рассеивается в окружающую среду.
Следует заметить, что возможность замены LED-элемента 100 в решетчатом LED-массиве, основанная на отсутствии растягивающего воздействия проводов на такой LED-элемент и описанная выше в одном (некотором) варианте осуществления полезной модели, может быть обеспеченной и при ином варианте конструкции прижимных элементов 132, например, при зеркально симметричном расположении пружин обеспечивается возможность замены путем двух, вдоль оси каждого из проводов 201a-b, смещений LED-элемента 100, с последующим увеличением просвета меж проводами 201a-b и выведением этого LED-элемента из перекрестия этих проводов.
Полезная модель была в основном описана выше со ссылкой на несколько вариантов осуществления. Эти варианты осуществления следует рассматривать только в качестве неограничивающих примеров. Однако, как легко понятно специалисту в области техники, в пределах объема полезной модели равным образом возможны и другие варианты осуществления, отличные от раскрытых выше, как определено прилагаемой формулой полезной модели. Необходимо отметить, что в целях ее применения и, в частности, в отношении приложенной формулы полезной модели, слово «содержащий» не исключает других составляющих, а «один» или «некоторый» не исключает множества, что само по себе будет очевидно специалисту в области техники.