ЗАЩИЩЕННЫЙ ОСВЕТИТЕЛЬ НА МОЩНЫХ СВЕТОДИОДАХ
PROTECTED HIGH OUTPUT LED SPOTLIGHT

Предлагаемое изобретение относится к светотехнике, в частности к защищенным осветителям прожекторного типа /прожекторам, фарам/ или светильникам на мощных светодиодах, в том числе взрывозащищенного исполнения, работающих с радиаторами охлаждения в ИК- и видимой области спектра, а также с возможностью переключения вида излучения.
Осветители предназначены для освещения удаленных объектов в видимом и/или ближнем ИК-диапазонах спектра и при эксплуатации устанавливаются преимущественно на транспортных средствах бронетанковой техники, вертолетах, самолетах, например, во взрывозащищенном исполнении для освещения процедуры дозаправки горючим в воздухе, а также для применения в подразделениях МЧС.
Вместе с тем, осветители могут быть использованы для охранного, архитектурного освещения и других применений.
Известен, многоцелевой комбинированный прожектор для бронетанковой техники [1], использующий традиционный источник света /газоразрядную лампу или лампу накаливания/ в комбинации со светодиодными модулями с элементами вторичной оптики, установленными на радиаторах охлаждения, в том числе с кондуктивной передачей тепла на стенки корпуса прожектора.
К недостаткам аналога следует отнести увеличенные габариты из-за применения параболоидного отражателя для формирования узкого пучка излучения и сложных средств преобразования излучения в виде ИК-фильтра, поглощающего более 40% излучения источника света, а также сложной конструкции источника питания и управления прожектора.
Известен защищенный световой прибор - осветитель прожекторного типа [2] с оптическим модулем на относительно мощных светодиодах, работающих с радиаторами охлаждения, на основе которого разработаны взрывозащищенные фары ФР-ВС "Экотон-3" и ФС-ВСМ "Экотон-5" [3].
Осветитель содержит защищенный вогнутый корпус из теплопроводного материала с выходным отверстием, перекрытым оправкой с защитным стеклом и установленным внутри на радиаторе охлаждения оптическим модулем на светодиодах с параллельными оптическими осями, сопряженный с элементом вторичной оптики оптической решеткой из квадратных ячеек с дисковыми линзами Френеля с прямым несущим слоем.
Недостатки прототипа обусловлены тем, что угол охвата каждой линзы решетки не превышает 30°, что затрудняет применение более мощных современных светодиодов с несколькими кристаллами и углами рассеяния излучения 2θ≃90-140°.
Кроме того, не решена проблема охлаждения осветителя с такими светодиодами мощностью 2-3 Вт и более.
Целью изобретения является создание защищенного осветителя на мощных светодиодах с улучшенными теплофизическими и оптическими характеристиками, обеспечивающего высокую концентрацию светового излучения на освещаемых объектах при уменьшенных габаритах выходного отверстия, с расширенными функциональными возможностями.
Поставленная цель достигается тем, что в защищенном осветителе на мощных светодиодах, содержащем вогнутый корпус из теплопроводного материала, по крайней мере частично оребренный с тыльной стороны, с круглым, овальным или прямоугольным выходным отверстием, перекрытым защитным стеклом или линзовым оптическим элементом, с собранными внутри на радиаторе охлаждения светодиодами с оптическими осями, обращенными на выходное отверстие, и подключенными к источнику питания с блоком управления, установленному в защищенной камере, на внутренних боковых стенках указанного корпуса выполнен каскад ступенек, коаксиально расположенных и повторяющих форму выходного отверстия, на которых установлены в тепловом контакте рамки из теплопроводного материала, образующие ребра внутреннего радиатора кондуктивного теплоотвода, на обращенной к выходному отверстию стороне которых смонтированы в тепловом контакте светодиодные модули, линейки со светодиодами или отдельные светодиоды со смещенными в сагиттальных и меридиональных плоскостях параллельными между собой оптическими осями.
Цель достигается и тем, что на ступеньках каскада корпуса собраны в тепловом контакте цельные или составные фигурные рамки со светодиодными модулями, линейками со светодиодами или отдельными светодиодами с установленными на них элементами вторичной оптики /линзами/, формирующими единый пучок излучения осветителя.
Достижению цели способствует и то, что боковые стенки корпуса имеют форму стенок усеченного конуса или граней правильной усеченной пирамиды с ребрами охлаждения на наружной поверхности и каскадом равноудаленных между собой ступенек на внутренних стенках, причем малое основание усеченных конуса или пирамиды сопряжены с защищенной камерой с установленным в ней источником питания с блоком управления, выполненным в виде моноблока, залитого теплопроводным электроизоляционным компаундом.
Цель достигается также тем, что цельные или составные рамки со светодиодными модулями, линейками или отдельными светодиодами имеют Г-образный профиль и механически прижаты на ступеньках каскада корпуса в тепловом контакте к лицевой и боковой части каждой ступеньки при помощи винтового крепления или теплопроводного клеющего компаунда.
Поставленная задача решается и тем, что установленные в защищенном корпусе светодиодные модули или линейки со светодиодами выполнены на платах, с алюминиевым основанием с закрытым монтажом светодиодов, причем платы подключены между собой и с источником питания с блоком управления взрывобезопасными гермофродитными разъемами, а камера для источника питания с блоком управления и средствами подключения питающей сети выполнена взрызонепроницаемой с резьбовым кабельным вводом и взрыв-каналом, изготовленным по защищенной резьбе.
В одном из вариантов исполнения цель достигается также тем, что в осветителе применены светодиодные модули или линейки со светодиодами видимого свечения и ближнего ИК-излучения, установленные на рамках каскада корпуса или смонтированные непосредственно в указанных модулях или линейках с чередованием вида излучения и независимо подключенные к источнику питания с блоком управления с возможностью раздельной эксплуатации с выбранным видом излучения.
Предпочтительные варианты исполнения осветителей на мощных светодиодах согласно изобретению показаны на чертежах.
Фиг.1. Защищенный осветитель с каскадов кольцевых ступенек и фигурных рамок со светодиодами и линзами в корпусе в форме усеченного конуса, вид сбоку, частично в разрезе.
Фиг.2. То же, что и на фиг.1, вид спереди, без оправки с защитным стеклом.
Фиг.3. Взрывозащищенный осветитель с каскадом ступенек и прямоугольных фигурных рамок со светодиодами и линзами в корпусе в форме правильно усеченной пирамиды, вид сбоку, частично в разрезе.
Фиг.4. То же, что и на фиг.3, вид спереди, без оправки с защитным стеклом.
Фиг.5а, б, с. Фрагмент механического крепления рамки со светодиодами на ступеньке каскада корпуса.
Фиг.6. Блок-схема подключения осветителя к источнику питания с блоком управления видом излучения.
Показанный на фиг.1 и 2 первый вариант защищенного осветителя на мощных светодиодах содержит вогнутый корпус 1 из теплопроводного материала, преимущественно на основе алюминиевых сплавов с круглым выходным отверстием, перекрытым термозакаленным силикатным защитным стеклом 2 или выполненным из оптически прозрачного ударопрочного поликарбоната, установленным герметично в оправке 3, соединяемой с корпусом винтами через уплотнение 4.
На тыльной стороне корпуса 1 выполнены ребра 5 охлаждения осветителя, а на внутренних боковых стенках корпуса выполнен каскад ступенек 6 в виде коаксиально расположенных и повторяющих форму выходного отверстия кольцевых ступенек разного диаметра, параллельных и равноудаленных между собой. При этом стенки корпуса имеют форму стенок усеченного кругового конуса 7, большое основание которого является выходным отверстием осветителя.
На каждой кольцевой ступеньке 6 каскада корпуса установлены в тепловом контакте кольцевые цельные или составные рамки 8 из теплопроводного материала, преимущественно фигурные рамки с полукруглыми вырезами /см. также. фиг.5б/, образующие ребра внутреннего радиатора кондуктивного теплоотвода, на обращенной к выходному отверстию стороне которых смонтированы в тепловом контакте светодиодные модули 9, кольцевые линейки со светодиодами 10 или отдельные светодиоды с параллельными оптическими осями.
Наклон образующих усеченного конуса - стенок корпуса 7 выбран таким, чтобы плоский угол раствора указанного конуса был не менее двойного /полного/ угла рассеяния излучения применяемых светодиодов видимого и/или ИК-излучения для минимизации потерь при эксплуатации осветителя без применения элементов вторичной оптики.
В одном из вариантов исполнения осветителя на каждый светодиод 10 модуля или кольцевой линейки установлены индивидуальные элементы вторичной оптики /линзы/ 11, формирующие единый пучок излучения с меньшим углом рассеяния, т.е. преобразующие излучение светодиодов с углами рассеяния 2θ≃90-140° в более узкие пучки, преимущественно в пределах от 3 до 60°.
Светодиоды 10 с линзами 11, установленные в модулях, кольцевых линейках или непосредственно на рамках каскада корпуса с параллельными оптическими осями, максимально приближены между собой в плоскости выходного отверстия осветителя без ухудшения его тепловых параметров за счет смещения названных несущих элементов, а значит смещения оптических осей светодиодов в сагиттальных и меридиональных плоскостях, соответствующих положениям кольцевых рамок на аксиально смещенных ступеньках каскада корпуса, и выполнения этих рамок фигурными с вырезами, близкими по диаметру каждой линзы.
2
3
Светодиодные модули или кольцевые линейки со светодиодами 10 выполнены на печатных платах с алюминиевым основанием или на теплопроводных керамических платах, например, на основе рубалита /AlO/ или алюнита /AN/ с интерметаллическим креплением кристалла светодиода, обеспечивающим высокий кондуктивный теплоотвод на плату модуля или линейки.
В свою очередь тепловой контакт модуля 9 или линейки со светодиодами 10 с плоской лицевой частью фигурной рамки 8 и/или ступеньки 6 каскада корпуса /см. фиг.1 и 5/ достигается за счет сжатия их винтами 12. Возможно также применение для крепления модулей или линеек со светодиодами на рамках и/или на ступеньках каскада корпуса теплопроводного клеющего компаунда.
Выполненный в форме усеченного конуса корпус 1 осветителя малым основанием /тыльной частью/ сопряжен с защищенной камерой 13 с кабельным вводом 14 питащей сети, в которой установлен источник питания 15 с блоком управления режимами работы светодиодов.
Модули или линейки со светодиодами подключены между собой и с источником питания с блоком управления разъемами 16 или безвинтовыми клеммными колодками.
Источник питания 15 с блоком управления может быть выполнен в виде моноблока, залитого керамикополимерным теплопрводным диэлектрическим компаундом.
На тыльной части корпуса 1 установлена лира 17 для крепления осветителя на объекте.
На фиг.3, 4 и 5а, б, в показан второй вариант защищенного осветителя на мощных светодиодах во взрывобезопасном исполнении, предназначенный, например, для освещения операции дозаправки горючим самолетов в воздухе.
Осветитель содержит частично оребренный с тыльной стороны протяженный вогнутый корпус 18 из теплопроводного материала с прямоугольным выходным отверстием, перекрытым защитным стеклом 19, герметизированным в оправке 20, стянутой болтами через уплотнение 21 с фланцем корпуса.
Боковые стенки корпуса 18 имеют форму граней правильной усеченной четырехугольной пирамиды с ребрами 22 охлаждения на наружной поверхности, большое основание которой образует прямоугольное выходное отверстие осветителя.
Внутренние боковые стенки корпуса 18 выполнены в виде каскада протяженных, равноудаленных между собой ступенек 23, преимущественно прямоугольного сечения, коаксиально расположенных в корпусе 18 и имеющих прямоугольную форму, подобную выходному отверстию осветителя.
На каждой ступеньке каскада корпуса установлены цельные или составные прямоугольные рамки 24, которые могут быть выполнены фигурными, т.е. с полукруглыми вырезами /см. фиг.5б/. Рамки 24 изготовлены из теплопроводного материала шириной, превышающей ширину ступеньки 23, имеют преимущественно Г-образный профиль и собраны в тепловом контакте с лицевой и боковой частью ступеньки /см. фиг.5а, б/ при помощи винтового 25 крепления или теплопроводного клеющего компаунда.
Таким образом, установленные на ступеньках 23 каскада корпуса рамки 24 образуют ребра внутреннего радиатора кондуктивного теплоотвода для охлаждения собранных на них в тепловом контакте светодиодных модулей или протяженных линеек 26 со светодиодами 27 с параллельными оптическими осями О-О.
Для повышения концентрации излучения в выходном отверстии осветителя светодиоды 27 максимально близко располагают между собой, с параллельным смещение оптических осей О-О в меридиональной плоскости относительно светодиодов, расположенных на соседней параллельной, аксиально смещенной ступеньке, соответствующей другой сагиттальной плоскости, рассекающей корпус осветителя перпендикулярно его оптической оси Z-Z.
Выполненный в форме усеченной пирамиды корпус I8 малым основанием сопряжен с протяженной камерой 28, в которой установлен источник питания 29 с блоком управления, выполненный в виде моноблока, залитого теплопроводным керамикополимерным компаундом, со встроенной клеммной колодкой WAGO или взрывобезопасным гермофродитным разъемом типа poke-in компании Тусо Electronics /Германия/ с заполнением контактной системы силиконовым гелем [4].
Камера 28 герметизирована установленной через уплотнение на болтах крышкой 30, в которой выполнен по защищенной резьбе 31 кабельный ввод 32 для подключения питающей сети к осветителю.
Защищенная кольцевым уплотнением 33 резьба кабельного ввода 32 формирует взрыв-канал 31, обеспечивающий взрывозащиту камеры 28.
Транзитные кабельные вводы, выполняемые для групповой эксплуатации осветителей без применения разветвительных коробок и схем, например, при архитектурном или общепромышленном освещении могут быть изготовлены на боковых стенках камеры 28 /на фиг. не показало/.
Светодиодные модули или протяженные линейки 26 со светодиодами выполнены на платах с алюминиевым основанием с защищенным монтажом средств подключения светодиодов 27 между собой. При этом светодиодные модули или линейки со светодиодами подключают между собой вышеуказанными взрывозащищенными гермопродитными разъемами, а с источником питания с блоком управления защищенным кабелем, герметично установленным в отверстии ниппеля, соединяющего осветитель со взрывонепроницаемой камерой 28 /на фиг. не показано/.
Для формирования заданной формы, ширины пучка и силы света в выбранных направлениях каждый светодиод модуля или линейки сопряжен с элементом вторичной оптики, т.е. на светодиоды 27 устанавливают линзы 34, формирующие единый пучок излучения осветителя с преобразованием его круглосимметричной формы с полным углом рассеяния 2θ≃115° например, для светодиодов серии ХР-Е фирмы CREE [5] в пучок излучения с 2θ≃6° при использовании линзы типа LXP-RSFА 10661 фирмы LEDIL например, для транспортных средств, или преобразующий круглосимметричный пучок излучения, светодиодов серии XR-E с 2θ≃120° в овальный пучок с 2θ≃41°×10° при использовании линзы 10203 Elliptical компании CAERCLO для самолетных осветителей.
Указанные линзы имеют габаты ⌀21,6×14,6 мм и ⌀21,5×12,5 мм соответственно и сопрягаются со светодиодными модулями или линейками основанием на клеевой основе или специальными держателями-фиксаторами с максимально возможным приближением между собой при монтаже в корпусе осветителя, в частности, за счет выполнения рамок 24 фигурными с полукруглыми вырезами /см. 4 и 5/, в которых они размещены.
В одном из вариантов исполнения для расширения функциональных возможностей защищенного осветителя в нем применены установленные на рамках каскада корпуса или смонтированные непосредственно в модулях или линейках светодиоды мощностью 1 - 5 Вт видимого излучения упомянутых выше серий, а также серии XP-G в комбинации со светодиодами ближнего ИК-излучения аналогичной мощности в спектральном интервале 800-950 нм, например, со светодиодами серии HPLigting типа HPL- Н77FjIBA /Тайвань/ [6], генерирующих излучение мощностью 140-150 мВт в угле рассеяния 2θ≃120°, на которые могут быть установлены те же линзы, что и на светодиоды белого свечения серии XP-E и ХР-G.
Светодиоды устанавливают в модулях или линейках с чередованием вида изучения /видимое - ИК/ и независимо подключают /см. фиг.6/ к источнику питания с блоком управления с возможностью раздельной эксплуатации с выбранным видом излучения при помощи коммутатора.
Указанные режимы работы осветителя используются при его эксплуатации, например, на объектах бронетанковой техники при выходе из строя приборов ночного видения.
Таким образом, разработанные варианты защищенного осветителя на мощных светодиодах обладают улучшенными теплофизическими и оптическими характеристиками, обеспечивают высокую концентрацию оптического излучения на освещаемых объектах при уменьшенных в 1,5-2 раза габаритах выходного отверстия за счет более плотной компоновки и увеличенной мощности применяемых светодиодов без ухудшения тепловых параметров.
Расширены также функциональные возможности осветителя за счет выполнения его взрывозащищенным и с обеспечением функции управления видом излучения.
Литература
1. Сысун В.В. Комбинированный прожектор. Пат. РФ №2245488. Кл. F21S 8/00, опубл. 27.01.2005 г., Бюл. №3.
2. Коган Л.М. и др. Световой прибор на светодиодах. Пат. РФ №2202731. Кл. F21V 5/00, опубл. 20.04.2003 г., Бюл. №11.
3.Басов Ю.Г. и др. Специальная светотехника Линек, "ИЦ БГУ", 2008, стр.379-380.
4. Слободенюк А. Обзор разъемов Тусо Electronics для светодиодной техники. Ж. Полупроводниковая светотехника, 2010, №3, стр.21.
5. Каталог фирмы PROSOFT. Мощные светодиоды и вторичная оптика. 2009. стр.9, 52.
6. Каталог фирмы “Neon”. Электронные компоненты. СПб., 2010, стр.9.