МОДУЛЬНЫЙ СВЕТОДИОДНЫЙ ПРОЖЕКТОР

Изобретение относится к осветительным устройствам и может использоваться в разных областях, в том числе в качестве прожектора для железнодорожных локомотивов. Техническим результатом изобретения является формирование узкоградусного светового луча с высоким значением осевой силы света, повышение энергетической эффективности и улучшение тепловых параметров светового прибора.
Известны прожекторы локомотива, где используются лампы накаливания типа ПЖ 50-500, КГМ 75-600, КГМ 110-600, размещенные в фокусе отражателя прожектора. Такие прожекторы характеризуются низкой надежностью. Лампы часто выходят из строя, что в свою очередь сказывается на безопасности движения. Низкая надежность таких прожекторов обусловила требования ГОСТ 12.2.056-81 о необходимости предусмотреть возможность осуществления замены электролампы прожектора из кабины машиниста, что создает дополнительные трудности для машиниста.
Известен Патент DE 10216393 A1 на светодиодный световой сигнальный прибор, где светодиоды установлены попарно на плате, а в качестве фокусирующей системы используется оптическая система, содержащая множество оптических элементов. В этом приборе источник света на основе светодиодов адаптируется к старой электрической и оптической конструкции сигнального устройства на основе ламп накаливания. Недостатком такого светосигнального прибора является то, что он не позволяет формировать световые потоки большой интенсивности и узкой направленности.
Более универсальным является световой прибор, предложенный в Патенте RU 2274801, где в многоцветном комбинированном прожекторе-фаре, содержащем корпус с ребрами охлаждения и прозрачный защитный элемент, средства токопровода с внутренним размещением пластин-держателей с лампами и диодными излучателями в виде ИК-диодов, белых и цветных светодиодов, часть которых помещена в фокусы плоских линз Френеля, изготовленных в шахматном порядке на прозрачной пластмассовой пластине, установленной около выходного отверстия прожектора-фары. На каждом участке прозрачной пластмассовой пластины между четырьмя плоскими линзами Френеля в ее середине и между двумя линзами Френеля на ее краях установлены дополнительные излучатели. Однако и этот световой прибор не позволяет сформировать узконаправленный световой луч высокой интенсивности, поскольку не предназначен для работы с мощными светодиодными системами.
5
5
Технические параметры всех вышеуказанных световых устройств не соответствуют Межгосударственному стандарту ГОСТ 12.2.056-81 "Система стандартов безопасности труда. Электровозы и тепловозы колеи 1520 мм. Требования безопасности" (утв. постановлением Госстандарта СССР от 27 мая 1981 г. N2663), где указано, что номинальная осевая сила света должна быть (6,4-9,6)×10 кд, а схема включения прожектора должна предусматривать возможность включения яркого света, обеспечивающего номинальную осевую силу света, и тусклого света, обеспечивающего силу света в пределах (0,7-1,2)×10 кд. При этом угол рассеяния луча в вертикальной и горизонтальной плоскостях должен составлять ~3°
Целью настоящего изобретения является создание конструкции осветительного устройства с улучшенными оптическими характеристиками и высокой эффективностью, обусловленной оптимальной системой теплоотвода.
Указанная цель достигается за счет того, что оптическое осветительное устройство, включающее плату, светоизлучающие элементы, оптическую систему, герметизирующий защитный корпус с прозрачным колпаком, схему электрического питания, систему теплоотвода, - выполнено на основе совокупности отдельных модулей, каждый из которых содержит многослойную печатную плату на металлической, керамической основе с размещенными на ней светоизлучающими элементами, а оптическая система каждого модуля выполнена в виде матрицы узкоградусных оптических линз, корпус устройства имеет систему дополнительного охлаждения.
Сущностью изобретения является то, что в осветительном устройстве используются сверхяркие дискретные светодиоды или светодиодные кристаллы, установленные на многослойной плате с металлической (керамической) основой с однослойной, двуслойной (или с большим количеством слоев) топологией разделенных металлизированных слоев, что обеспечивает оптимальный отвод тепла от полупроводниковых кристаллов, выделяющегося во время работы светоизлучающих полупроводниковых структур, за счет высокой теплопроводности металлической (керамической) основы, выполненной из металла и/или керамики (металло-керамики) с высокой теплопроводностью. Улучшенный теплоотвод позволяет существенно увеличить максимально допустимые токи, протекающие через светодиодный кристалл. В случае использования дискретных светодиодов, установленных на многослойной плате с металлическим (керамическим) основанием, имеется возможность поднять рабочие токи на 30%, а в случае использования конструкции со светодиодными кристаллами, установленными непосредственно на многослойной плате на металлической (керамической) основе (Chip-on-Board (СОВ)-технология) - на величину более 50%. При увеличении рабочих токов увеличивается и яркость светодиодных кристаллов. Данная конструкция позволяет использовать мощные, сверъяркие светодиоды и светодиодные кристаллы. При этом, высокая тепловая стабилизация светоизлучающих кристаллов способствует высокой стабильности оптических характеристик. Тепловой контакт многослойной платы с металлической (керамической) основой с теплоотводящими элементами, интегрированными в защитный корпус осветительного устройства, будут способствовать дополнительному повышению тепловой стабилизации светоизлучающих кристаллов и, следовательно, дополнительной стабилизации оптических характеристик светосигнального устройства. Система воздушного охлаждения теплоотводящих элементов защитного корпуса встречным потоком воздуха (при движении локомотива) позволяет обеспечить непрерывную работу осветительного устройства в течение долгого времени при различных температурах окружающей среды.
Многослойная топология металлизированных проводящих слоев платы с наличием проводящих перемычек между ними позволяет оптимизировать электрические коммутационные цепи и обеспечивает возможность расположения драйверов питания (источников тока) отдельных цепочек светодиодов, непосредственно на многослойной плате. Электронная система питания предусматривает возможность изменения (димирования) яркостных характеристик осветительного устройства в широких пределах.
Посадка светодиодных кристаллов в лунки на металлической (керамической) основе многослойной платы при использовании технологии СОВ (Chip-On-Board) или в лунку подложки дискретного светодиода способствует уменьшению геометрического размера источника изучения и упрощает формирование узкоградусного светового излучения осветительного устройства. В узкоградусных осветительных устройствах предлагается использовать цилиндрические лунки.
Для получения осветительного устройства белого цвета с заданными угловыми характеристиками, применяется конформное (равномерное) покрытие светоизлучающего кристалла слоем люминофора толщиной порядка 50-200 микрон с отклонениями не более 15%. Подобные конфорные слои люминофра на поверхности светоизлучающего кристалла формируются посредством применения метода осаждения люминофора из силикон-люминофорного компаунда за счет действия гравитационных или центробежных сил, а также посредством электрофорезного нанесения люминофора на поверхность кристалла или каким-либо иным способом.
Совокупность светодиодных кристаллов или дискретных светодиодов с интегрированной индивидуальной оптикой, а также плоская оптическая система, выполненной в виде совокупности узкоградусных линз Френеля или асферических линз, либо сочетания обоих типов линз, обеспечивает получение требуемых значений осевой силы света светодиода в заданном пространственном угле.
Светодиоды или светоизлучающие кристаллы, устанавливаются на многослойной печатной плате различной формы в количестве, требуемом для формирования светового луча требуемой силы света в определенном телесном угле.
Плоская оптическая система крепится к корпусу модуля путем совмещения оптических осей линз плоской оптической системы с оптическими осями дискретных светодиодов.
Многослойная печатная плата на металлической (керамической) основе со светодиодами или светоизлучающими кристаллами, с установленной плоской оптической системой, располагаются в герметизирующем корпусе, имеющем контакты для подключения внешнего питания, а также отверстия для крепления изделия.
Печатная плата, на которой размещаются дискретные светодиоды или светодиодные кристаллы, а также элементы драйвера электропитания, выполняется по технологии МСРСВ.
Для изготовления прожектора с требуемыми световыми характеристиками применяется модульная конструкция. Совокупность определенного количества светодиодных модулей позволяет создать прожектор с требуемой силой света. Рис.1 демонстрирует принцип формирования мощного источника света на основе модульной светодиодной системы. Отдельные светодиодные модули 1 помещаются в корпус прожектора 2, который изготавливается из металла или композитного материала с высокой теплопроводностью. Корпус прожектора 2 играет роль дополнительного радиатора, для обеспечения отвода тепла. Каждый модуль имеет прямой тепловой контакт с корпусом прожектора (для простоты на рисунке не показано). Для защиты светодиодных модулей от влияния внешней среды, корпус прожектора закрыт прозрачным защитным колпаком, который изготавливается из стекла или полимерного материала, прозрачного в диапазоне 0,4-1 мкм. Колпак может иметь просветляющее покрытие с внутренней стороны для уменьшения потерь света и/или упрочняющее покрытие с наружной стороны, для уменьшения абразивного воздействия пыли на оптический элемент. В корпусе прожектора 2 имеются отверстия 4, 5 для обеспечения обдува модулей встречным потоком воздуха и обеспечения дополнительного охлаждения.
На Рис.2 показан отдельный светодиодный модуль, который используется для формирования светодиодного прожектора. Конструкция модуля включает в себя: 1 - корпус модуля, 2 - печатная плата, 3 - светодиоды, 4 - оптический элемент (для ясности рисунка показан только сегмент с линзами Френеля), 5 - управляющие драйверы питания светодиодов.
Корпус 1 светодиодного модуля выполнен из металла или композитного теплопроводящего материала. Оптическая система 4 может изготавливаться из полимерного материала (например, Макролона и др.) посредством литья в соответствующую литьевую форму или прессования. Оптический элемент 4 крепится к корпусу (1) посредством полимерных (например, силиконовых) клеев, которые позволяют произвести фиксацию и юстировку оптического элемента для обеспечения совмещения оптических осей линз и светодиодов.
Печатная плата 2 со светодиодами 3 и драйверами питания 5 крепится к теплоотводящему корпусу 1 с использованием теплопроводящей пасты и фиксирующих приспособлений. Питание модуля осуществляется через кабель 6.
Печатная плата, на которой размещаются дискретные светодиоды или светодиодные кристаллы, а также элементы драйвера электропитания, выполняется, например, из многослойной системы металлизированных слоев и изолирующих слоев (препрег) на металлической (керамической) основе.
Для получения узкоградусного белого излучения с заданными цветовыми координатами, необходимо обеспечить формирование, по возможности, небольшого источника белого излучения, который можно было бы рассматривать в оптической системе чип-люминофор-линза, как точечный источник. С целью уменьшения геометрических размеров источника света, необходимо использовать в светодиодах лунки с минимальным размером, требуемым для осуществления посадки светодиодного кристалла и осуществления электрической разводки с помощью золотых проводов. Для изготовления светодиода с узконаправленной диаграммой углового распределения силы света, следует использовать лунки, например, с вертикальными боковыми стенками для уменьшения геометрического размера источника излучения света.
Для создания источника излучения белого цвета используется известный подход, основаный на формировании белого цвета за счет смешивания излучения синего светодиодного кристалла и люминесценции желтого люминофора, возбуждаемого синим излучением кристалла. Для получения белого излучения с высокой степенью пространственной и угловой однордности по цветовым координатам, необходимо обеспечить получение заданного по толщине конформного слоя люминофора с небольшими отклонениями по толщине (не более 15%) по всей поверхности светодиодного кристалла.
В качестве люминофоров в светосигнальных устройствах могут использоваться различные люминофоры, такие как, например, YAG люминофоры, ортосиликатные, TAG люминофоры, теогаллаты, нитридные люминофоры и др., что определяется требованиями к оптическим параметрам осветительного устройства.
В качестве связующего вещества, помимо силикона (например, Wacker), могут использоваться и другие полимерные (сополимерные) соединения, обеспечивающие оптимальное оптическое согласование внутри системы, а также гидроизоляцию светодиодного кристалла и люминофора.
Питание светодиодов осуществляется посредством использования драйверов питания (источников тока) в качестве которых могут использоваться, например, драйверы LM3404 National Semiconductor - источники тока, каждый из которых обеспечивает работу 4 мощных одноваттных светодиодов (например, Cree XPE). Драйверы устанавливаются непосредственно на печатной плате, что обеспечивает им надлежащий тепловой режим работы.
Осветительное устройство работает следующим образом (см. Рис.2). Напряжение от источника питание через питающий кабель 6 подается на печатную плату 2 и далее через драйверы 5 на светодиоды 3, где полупроводниковый кристалл преобразует электрическую энергию в световую. Излучение кристалла собирается оптическим элементом 4 в определенном телесном угле, обеспечивая формирование требуемого светораспределения с заданной кривой силы света (КСС).
6
Пример исполнения светодиодного прожектора: в собранных образцах осветительных устройств использовались 16 сверхъярких белых светодиодов (например, светодиоды Cree XPE) мощностью 1 ватт, рабочий ток 350 mA, питание которых обеспечивали 4 драйвера LM3404 National Semiconductor - источника тока. Оптический элемент содержал 16 линз Френеля. Данное осветительное устройство позволяло обеспечить осевую силу света свыше 10 кандел при угле рассеяния луча ~3°. Угловое распределение кривой силы света показано на Рис.4. Наличие электронной схемы димирования позволяла плавно менять осевую силу света в широких пределах (более чем на порядок).
Помимо основного светового луча с расхождением ~3°, формировалась также световая составляющая с углом около 40°. Данная световая составляющая осветительного устройства позволяет обеспечить освещение области, которая находится вне основной зоны освещения. Например, при использовании данного осветительного устройства в качестве прожектора на локомотиве, боковая составляющая позволяет обеспечить подсветку территории, прилегающей к железнодорожному полотну в непосредственной близости от локомотива, а также подсветку подвесной линии питающих электропроводом и непосредственно самого железнодорожного полотна, что повышает уровень внешнего контроля, осуществляемого машинистом, и увеличивает безопасность движения.
Наличие в оптическом элементе отдельных линз со смещенной (отклоненной под определенным углом) оптической осью позволит формировать дополнительные световые реплики или же регулировать уровень силы света в боковой световой составляющей. Также, для расширения функциональных и оптических характеристик осветительного устройства возможно сочетание в одном оптическом элементе (4) линз с различными оптическими характеристиками, что позволит формировать световой луч с любым требуемым угловым распределением.
Пример исполнения предлагаемого светодиодного прожектора, непосредственно установленного на электровозе, показан на Рис.4 и Рис.5.