Световой прибор
LIGHTING DEVICE

Изобретение относится к приборостроению, а именно к области светотехники, и может быть использовано при проектировании новых энергоэффективных полупроводниковых источников света, в том числе, линейных светодиодных ламп, предназначенных для прямой замены люминесцентных разрядных ламп низкого давления. Изобретение направлено на расширение области применения устройства.
Известен световой прибор, содержащий несколько светодиодов для формирования светового потока и несколько линз для управления световым потоком (LED Panel Light. Bulb Lamp LGI 100-240V. Products Brochure LIGHT GREEN/ Light Green International Co., Ltd., 2010).
Недостатком светового прибора является узкая область применения из-за низкой световой эффективности, обусловленной потерями энергии на разогрев кристалла и снижением светового потока при преобразовании энергии первичного излучения светодиода его слоем люминофора и повышении температуры р-n-перехода и частиц слоя люминофора, слепящего эффекта, вызванного повышенной яркостью точечного или точечных источников света, малого срока службы, высокой стоимости светодиодных компонентов и устройства в целом.
Известен световой прибор, содержащий светодиодную матрицу для формирования светового потока и линзу для управления световым потоком (Продукция CREE. Каталог Rainbow Electronics/ Rainbow Electronics, 2010).
Недостатком светового прибора является узкая область применения из-за низкой световой эффективности, обусловленной потерями энергии на разогрев кристалла и снижением светового потока при преобразовании энергии первичного излучения светодиода его слоем люминофора и повышении температуры р-n-перехода и частиц слоя люминофора, слепящего эффекта, вызванного повышенной яркостью точечного или точечных источников света, малого срока службы, высокой стоимости светодиодных компонентов и устройства в целом.
Известен световой прибор, содержащий несколько светодиодов для формирования светового потока и несколько линз для управления световым потоком (Полупроводниковая светотехника. Каталог производственного альянса Контракт- Электроника/ Контракт- Электроника, 2010).
Недостатком светового прибора является узкая область применения из-за низкой световой эффективности, обусловленной потерями энергии на разогрев кристалла и снижением светового потока при преобразовании энергии первичного излучения светодиода его слоем люминофора и повышении температуры р-n-перехода и частиц слоя люминофора, слепящего эффекта, вызванного повышенной яркостью точечного или точечных источников света, малого срока службы, высокой стоимости светодиодных компонентов и устройства в целом.
Известен световой прибор, содержащий несколько светодиодов для формирования светового потока и несколько линз для управления световым потоком (Инновационное светодиодное освещение. Каталог продукции / Завод Светорезерв, 2010).
Недостатком устройства является узкая область применения, что обусловлено низкой световой эффективностью устройства (светового прибора) из-за потерь энергии на разогрев кристалла и снижения светового потока при преобразовании энергии первичного излучения светодиода его слоем люминофора и повышении рабочей температуры p-n-перехода и частиц слоя люминофора, слепящего эффекта, вызванного повышенной яркостью точечного или точечных источников света, малого срока службы, высокой стоимости светодиодных компонентов и устройства в целом.
Известен световой прибор, содержащий один или несколько светодиодов или одну или несколько светодиодных матриц для формирования светового потока и одну или несколько линз для управления световым потоком, на поверхность или на часть поверхности, или в объем, или в часть объема линзы или линз введены частицы люминофора или смеси люминофоров (П. 106798 РФ, МКИ H01L 33\00. Световой прибор / Е.М. Силкин. - Заявл. 25.03.2011. - Опубл. 20.07.2011. - Бюл. №20).
Это устройство реализовано в соответствии с технологией «вынесенного» люминофора, в результате чего обеспечиваются повышенная световая эффективность и определенное снижение слепящего эффекта (действия).
Слепящий эффект или слепящее действие источника света (светового прибора, осветительной установки) характеризуется показателями ослепленности или дискомфорта. Указанные показатели устанавливаются соответствующими стандартами.
Для осветительных установок промышленных предприятий нормируется показатель ослепленности, зависящий от нормируемого отношения пороговых разностей яркости при наличии и отсутствии слепящих источников в поле зрения. По показателю ослепленности можно судить о степени ухудшения видимости при действии блеских источников света. Показатель ослепленности рассчитывается по специальной формуле через коэффициент ослепленности, равный отношению пороговых разностей яркости при наличии и отсутствии слепящих источников в поле зрения. При этом под пороговой разностью яркости понимается наименьшее заметное отличие яркости объекта и фона.
Для жилых и общественных зданий, административно-бытовых помещений вместо показателя ослепленности нормируется показатель дискомфорта. Показатель дискомфорта характеризует степень неудобства или напряженности при наличии в поле зрения источников повышенной яркости. Более точно, он определяет степень дополнительной напряженности зрительной работы, вызванной наличием значительной разницы яркостей в освещенном помещении. То есть показатель дискомфорта (аналог показателя ослепленности) - это критерий оценки дискомфортной блескости, вызывающей неприятные ощущения у наблюдателя при неравномерном распределении яркостей в поле зрения. В европейских нормах качества света используется также обобщенный показатель дискомфорта (UGR). Блескостью называется свойство ярких обьектов вызывать у наблюдателя неприятные ощущения (в частности, чувство ослепленности).
Для расчетов показателей ослепленности и дискомфорта (обобщенного показателя дискомфорта) разработаны специальные инженерные методики.
Указанный световой прибор (П. 106798 РФ, МКИ H01L 33\00. Световой прибор / Е.М. Силкин. - Заявл. 25.03.2011. - Опубл. 20.07.2011. - Бюл. №20) является наиболее близким по технической сущности к изобретению и выбран в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является узкая область применения, что обусловлено недостаточной световой эффективностью из-за значительных потерь энергии и относительно высоким слепящим эффектом (или действием) из-за рассеяния излучения светодиодов или светодиодных матриц, сравнительно высокой стоимостью устройства из-за значительного расхода люминофора, недостаточной надежностью и, следовательно, малым сроком службы, из-за нанесения люминофора на поверхность линз без связующего материала и повышенного нагрева кристалла или кристаллов светодиодов или светодиодных матриц энергией вторичного излучения частиц люминофора, недостаточной технологичности изготовления прибора из-за неудобства применения и большого расхода люминофора (или смеси люминофоров).
Изобретение направлено на решение задачи расширения области применения светового прибора за счет увеличения светоотдачи, снижения слепящего эффекта или действия (показателей ослепленности и дискомфорта), уменьшения расхода люминофора, повышения надежности и технологичности, что является целью изобретения и техническим результатом.
Указанная цель и технический результат достигаются тем, что в световом приборе, содержащем один или несколько светодиодов, или одну или несколько светодиодных матриц для формирования светового потока, излучающих в ультрафиолетовой или синей областях спектра оптического диапазона, и две или несколько вторичных удаленных линз, или мультилинз для управления световым потоком, установленных каскадно или каскадно и параллельно в направлении оптической оси излучения светодиода или нескольких светодиодов, или одной или нескольких светодиодных матриц, на поверхность или на часть поверхности в оптически прозрачном связующем материале, или непосредственно в объем, или в часть объема линз или мультилинз введены частицы люминофора или смеси люминофоров, преобразующие излучение светодиодов или светодиодных матриц в излучение недостающих частей спектра видимого диапазона или требуемых длин волн.
Существенным отличием, характеризующим изобретение, является расширение области применения за счет дальнейшего повышения световой эффективности, снижения слепящего эффекта, уменьшения стоимости и расхода люминофора, увеличения надежности и срока службы, и повышения технелогичности изготовления прибора. Повышение световой эффективности (общей светоотдачи) устройства достигается в результате уменьшения потерь энергии на разогрев кристалла светодиода и роста светового потока при преобразовании энергии первичного излучения светодиода слоем люминофора и снижении рабочей температуры p-n-перехода светодиода или светодиодов и частиц люминофора или смеси люминофоров, а также большей эффективностью преобразования исходного светового потока (излучения) светодиода или светодиодов частицами люминофора, помещенными в оптически прозрачный связующий материал, и снижения рассеяния света. Частицы различных люминофоров (смеси или смесей), при этом могут размещаться в различных прозрачных связующих материалах на различных линзах (или в объемах линз из различных материалов), что позволяет согласовать используемые материалы по коэффициентам преломления и просветлить, в частности, используемую оптическую систему. В результате, общие потери энергии излучения источников также значительно снижаются. Уменьшается и расход люминофора (смеси) за счет возможного качественного перенаправления (концентрирования) излучения источников и снижения рассеяния света. Вынесение люминофора за пределы конструкции светодиода (или светодиодной матрицы) в соответствии с предлагаемой технологией позволяет создать устройство (световой прибор) с еще более малым слепящим действием. Перенаправлять (концентрировать) первичное излучение светодиодов в высокоэнергетической части спектра оптического излучения (ультрафиолетовый, фиолетовый, синий, голубой свет) с помощью вторичных линз проще и эффективнее из-за более высоких коэффициентов преломления оптически прозрачных материалов для соответствующих длин волн. Конструкция нового светового прибора обеспечивает высокую надежность и технологичность (снижение, в частности, скорости деградации материалов, удобство и эффективность нанесения на поверхность или внесения в объем вторичных линз частиц люминофора или смеси люминофоров, уменьшение расхода материалов). Исполнение прибора может быть оптимальным для соответствующего применения, что достигается параллельной (как вариант) или каскадной, (либо смешанной, то есть каскадной и параллельной) установкой линз или мультилинз. Каскадная установка (соединение) вторичных линз означает последовательное размещение в пространстве линз в направлении оптической оси излучения светодиода или нескольких светодиодов, или одной или нескольких светодиодных матриц (в зависимости от того, что является источником излучения в конкретном варианте реализации прибора). Под мультилинзой понимается параллельное соединение нескольких линз в единую конструкцию или размещение их на одном основании (цель - получение распределенного источника белого или близкого к нему света).
Расширение области применения светового прибора за счет за счет увеличения светоотдачи, снижения слепящего эффекта или действия (показателей ослепленности и дискомфорта), уменьшения расхода люминофора, повышения надежности и технологичности является полученным техническим результатом, обусловленным новым принципом преобразования энергии первичного излучения светодиода частицами люминофора или смеси люминофоров, нанесенных на поверхность в оптически прозрачном связующем материале, или введенных в объем или в часть объема оптически прозрачного материала линз (или мультилинз), особенностями новой конструкции светового прибора с вынесенным люминофором (каскадная или смешанная - каскадная и параллельная установка вторичных линз или мультилинз), то есть отличительными признаками изобретения. Таким образом, отличительные признаки заявляемого светового прибора являются существенными.
На рисунке приведена типовая конструкция заявляемого светового прибора для случая выполнения с каскадной установкой вторичных линз и размещения частиц люминофора или смеси люминофоров в слое оптически прозрачного связующего материала.
Световой прибор содержит один или несколько светодиодов 1, или одну или несколько светодиодных матриц для формирования светового потока, излучающих в ультрафиолетовой или синей областях спектра оптического диапазона, и две или несколько вторичных удаленных линз 2, или мультилинз для управления световым потоком, установленных каскадно или каскадно и параллельно в направлении оптической оси излучения светодиода или нескольких светодиодов, или одной или нескольких светодиодных матриц, на поверхность или на часть поверхности в оптически прозрачном связующем материале, или непосредственно в объем, или в часть объема линз или мультилинз введены частицы люминофора 3 или смеси люминофоров, преобразующие излучение светодиодов или светодиодных матриц в излучение недостающих частей спектра видимого диапазона или требуемых длин волн.
Излучение в высокоэнергетической части спектра оптического диапазона соответствует ультрафиолетовому, фиолетовому или синему (и, в меньшей степени, голубому) свечению. Соответственно в приборе используются ультрафиолетовые, фиолетовые или синие светодиоды (как вариант, голубые светодиоды). Частицы люминофора или смеси люминофоров преобразуют высокоэнергетическое излучение, полностью или частично, в излучение недостающих частей спектра видимого диапазона или требуемых длин волн (в частности, для получения белого или, близкого к нему, света). Преобразование с помощью люминофоров излучения светодиодов в высоэнергетической части спектра оптического диапазона в белый (или близкий к нему) свет является наиболее эффективным.
Световой прибор в установившемся режиме работает следующим образом. Светодиод 1 (светодиодная матрица) через выводы подключается к источнику вторичного электропитания. При подаче электропитания на светодиод 1 он начинает излучать свет за счет явления электролюминесценции и преобразования электрической энергии прямого тока в световую энергию. При работе устройства часть энергии рассеивается, что приводит к разогреву элементов. Светодиод 1 или светодиодная матрица излучает световую энергию определенных длин волн (в ультрафиолетовой, фиолетовой, синей или, как вариант, голубой областях спектра оптического диапазона), который преобразуется частицами 3 люминофора или смеси люминофоров, введенных во внутренний объем или часть объема (или нанесенных на поверхности или части поверхностей в оптически прозрачном связующем материале) оптически прозрачного материала линзы 2 (линз, мультилинзы или мультилинз). Оптически прозрачный материал линз 2 выполняет роль связующего материала для частиц 3 люминофора или смеси люминофоров, если они вводятся непосредственно в объем линзы или линз (мультилинзы или мультилинз). Таким образом, источник света (световой прибор) становится более распределенным в пространстве и видоизменяется спектр его излучения в необходимом направлении. За счет преобразования первичного излучения светодиода 1 (матрицы) частицами 3 люминофора или смеси люминофоров, вынесенных из объема первичной линзы и удаленных от кристалла, светоотдача (отношение светового потока к потребляемой мощности, лм/Вт) устройства возрастает. Действительно, большая часть потребляемой устройством энергии преобразуется в энергию света. Это обусловлено снижением температуры p-n-перехода светодиода 1 и частиц 3 люминофора или смеси люминофоров, снижением коэффициентов рассеяния и отражения света в заявляемой конструкции светового прибора. Вторичная удаленная линза (линзы, мультилинза или мультилинзы) 2 одновременно перераспределяет световой поток светодиода, например, в меньший телесный угол и (или) изменяет форму светового пучка (кривой силы света). Каскадное размещение линз (мультилинз) 2 позволяет, в частности, уменьшить расход люминофора (смеси люминофоров). Действительно, линза 2, расположенная ближе к светодиоду 1, например, фокусирует первичное излучение светодиода 1 и направляет его в область размещения частиц люминофора (смеси люминофоров) 3 на поверхности удаленной линзы или линз (мультилинзы или мультилинз) 2 в оптически прозрачном связующем материале или непосредственно в объеме линзы или линз (мультилинзы или мультилинз) 2. Первичное излучение светодиода 1 или светодиодов, светодиодной матрицы или матриц не отражается обратно к полупроводниковому кристаллу (кристаллам), а вторичное излучение частиц люминофора (смеси люминофоров) 3 не может достигнуть светодиода (светодиодов, светодиодной матрицы или матриц) 1. В результате, дополнительный нагрев кристалла (кристаллов) и частиц люминофора 3 не происходит, что снижает потери энергии излучения и ограничивает деградацию частей устройства.
Внесение частиц люминофора (смеси люминофоров) 3 в оптически прозрачный связующий материал (например, силикон, пластмасса) повышает эффективность преобразования энергии излучения и технологичность изготовления прибора. Материал связующего легко дозируется и с ним удобно выполнять различные технологические операции, а также размещать в необходимом месте линзовой системы 2.
Светодиод или светодиоды (матрица или светодиодные матрицы) 1 генерируют, например, излучение в ультрафиолетовой, фиолетовой, синей или голубой областях спектра оптического диапазона (изготовлены на основе гетероструктур GaN, InGaN и других). Частицы 3 люминофора или смеси люминофоров при воздействии исходного излучения светодиода (1) вырабатывают энергию в недостающих областях спектра (например, желто-зеленый или зеленый и красный части спектра видимого света). При смешивании излучений светодиода (1) и люминофора 3 образуется белый или близкий к нему свет. Светодиод (светодиоды, светодиодная матрица или матрицы) 1 представляет собой полупроводниковый прибор (приборы), работающий, как отмечено выше, при прямом включении и преобразующий энергию электрического тока непосредственно в световое излучение за счет явления электролюминесценции.
Драйвер питания устройства выполняется по любой из известных схем для регулируемого преобразования переменного тока в постоянный ток (с трансформацией уровня напряжения с помощью обычного трансформатора или без нее) или переменный ток при встречно-параллельном включении светодиодов 1 или ветвей светодиодной матрицы.
По сравнению с прототипом существенно возрастает световая эффективность (общая светоотдача) светового прибора. Светоотдача источника света (световая эффективность светового прибора) - это отношение светового потока к общей потребляемой мощности (лм/Вт). Световой поток светодиода уменьшается при нагреве кристалла, а эффективность фотолюминесценции снижается при нагреве частиц люминофора (или смеси люминофоров). Связующее в виде, например, оптически прозрачного материала линзы, в который вводятся или на который наносятся частицы люминофора или смеси люминофоров в оптически прозрачном связующем материале, эффективно охлаждает люминофор, а также положительно влияет на рассеяние и отражение света. В частности, при равенстве показателей (коэффициентов) преломления оптически прозрачного материала линзы и люминофора, введенного в объем, наиболее значительно уменьшаются коэффициенты рассеяния и отражения, что способствует увеличению светимости линзы. Нагрев кристалла светодиода обусловлен, в том числе, рассеиваемой в люминофоре и отраженной им энергией излучения (известные конструкции светодиодов с нанесенным непосредственно на кристалл слоем люминофора) p-n-перехода. При введении частиц люминофора во внутренний объем или в часть объема или на поверхности оптически прозрачного материала линзы в оптически прозрачном связующем материале потери энергии в люминофоре не влияют на дополнительный нагрев кристалла светодиода и не приводят к повышению его рабочей температуры и снижению исходного светового потока излучения светодиода. Наиболее эффективно указанные эффекты проявляются при каскадной или смешанной (каскадной и параллельной) установке вторичных удаленных линз или мультилинз (светодиод или светодиоды могут выполняться с первичной герметизирующей линзой или, как вариант, без первичной линзы). Более того, суммарный световой поток светодиода значительно возрастает (до 10%). Таким образом, для получения равного светового потока от светодиода требуется меньшая мощность источника вторичного электропитания. Одновременно удаление частиц люминофора или смеси люминофоров от кристалла светодиода приводит к снижению рабочей температуры частиц люминофора и повышению яркости. Световая эффективность (общая светоотдача) светового прибора возрастает. Частицы люминофора или смеси люминофоров в объеме или в части объема или на поверхности оптически прозрачного материала линзы в оптически прозрачном связующем материале в заявляемом световом приборе выполняют одновременно несколько функций (светорассеяние, снижение максимальной яркости, модификация спектра, увеличение суммарного светового потока излучения). В прототипе световой поток уменьшается за счет непроизводительных потерь энергии в слоях полупроводников светодиода и частицах люминофора или смеси люминофоров, а также повышенного рассеяния и непроизводительных потерь световой энергии. Первичное излучение светодиода (светодиодов, матрицы или светодиодных матриц) в пространстве рассеивается не оптимально. Это дополнительная причина снижения световой эффективности (общей светоотдачи) светового прибора, выбранного за прототип. Параллельное (как вариант) или каскадное (смешанное, то есть каскадное и параллельное) размещение линз (мультилинз), просветление оптической системы позволяют снизить непроизводительные потери излучения. Световая эффективность нового прибора может быть повышена на 5÷10% по сравнению с прототипом.
Возрастание световой эффективности прибора расширяет область его применения. Новое устройство может быть использовано в энергосберегающих системах освещения.
За счет снижения рассеяния, снижения габаритной яркости и обеспечения оптимальной распределенности источника света в пространстве, эффективной и оптимальной установки вторичных удаленных линз (мультилинз), по сравнению с прототипом, значительно снижается слепящее действие (показателей ослепленности и дискомфорта) прибора.
Дополнительно, по сравнению с прототипом, увеличиваются срок службы и надежность работы заявляемого светового прибора. Это достигается за счет комплексного снижения электрической нагрузки на источник вторичного электропитания для прибора и рабочей температуры p-n-перехода светодиода и частиц люминофора или смеси люминофоров. Уменьшается деградация структуры светодиода и кристаллов люминофора. Размещение частиц люминофора или смеси люминофоров в оптически прозрачном связующем материале обеспечивает защиту люминофорного слоя (слоев) от неблагоприятных воздействий окружающей среды. Срок службы нового светового прибора согласно экспертным оценкам может быть увеличен в 1,3÷1,5 раза.
По сравнению с прототипом, дополнительно, коэффициент полезного действия нового устройства повышается на 3÷4% за счет уменьшения электрических потерь энергии в элементах, в том числе в источнике вторичного электропитания прибора, при одинаковом (заданном) световом потоке.
Повышается технологичность изготовления нового светового прибора, как отмечено выше, за счет удобства применения оптически прозрачного связующего материала и снижения расхода люминофора или смеси люминофоров.
Увеличение срока службы прибора, повышение его коэффициента полезного действия и технологичности производства светового прибора значительно расширяют область применения.
Снижается цена устройства за счет возможной экономии дорогостоящего люминофора или смеси люминофоров и повышения технологичности его изготовления, что также расширяет область применения нового светового прибора.
Может быть, по сравнению с прототипом, существенно упрощена конструкция и снижена цена светильников с заявляемым световым прибором за счет уменьшения потерь мощности в элементах источника вторичного электропитания и снижения их загрузки по току, следовательно, за счет возможности использования элементов источника вторичного электропитания на меньшую установленную мощность и с более низкой ценой, а также за счет упрощения и удешевления технологии изготовления всего светильника и уменьшения размеров используемых радиаторов. Это позволяет широко использовать заявляемые световые приборы в самых разных областях применения.
По сравнению с прототипом могут быть снижены весогабаритные показатели заявляемого светового прибора (до 5%) и светильников на его основе за счет оптимизации конструкции (в том числе, радиатора или радиаторов), что также расширяет область применения новых устройств.