СВЕТОДИОДНЫЙ ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к средствам светоизлучения и может быть использована в системах освещения.
Основными преимуществами полупроводниковых светодиодных источников излучения над остальными источниками света являются:
надежность - в настоящий момент светодиоды различных конструкций имеют срок службы до 50000 часов и более, в то время, как лампы накаливания и люминесцентные лампы имеют срок службы не более 1000 часов;
световая отдача светодиодов в настоящий момент превышает 120 лм/Вт и постоянно растет, тогда как световая отдача ламп накаливания и люминесцентных находится в пределах 10-120 лм/Вт.
В общем виде, светодиодная лампа состоит из платы с определенным количеством штатных светодиодов, с параллельно-последовательным соединением, определяющим номинальное значение напряжения и световой поток; схемы управления, в основном работающей на понижение напряжения с 220 В до значения, определяемого последовательно-параллельным соединением светодиодов, и, как правило, работающей в импульсном режиме для увеличения тока через излучающие элементы; цоколя, размеры которого соответствуют аналогичным лампам накаливания; тела лампы в виде радиатора, размеры которого должны соответствовать мощности, потребляемой лампой. Анализ существующего производства различных типов осветительных приборов (ОП) показывает, что световая часть современных светодиодных светильников в основном изготавливается на базе дискретных светоизлучающих диодов (СИД) и приборов для поверхностного монтажа (SMD-монтаж).
Опыт применения полупроводниковых светодиодных источников излучения в различных системах освещения подтвердил вышеперечисленные преимущества таких источников над традиционными лампами накаливания, однако и выявил ряд специфических недостатков, обусловленных особенностями конструкции, а именно - необходимость постоянного отвода тепла от области P-N перехода для обеспечения стабильной работы источника излучения. Действительно, расчет тепловых сопротивлений для кристалла излучателя с помощью метода эквивалентов (Захаров А.П., Асвадурова Е.И., Расчет тепловых параметров полупроводниковых приборов: Метод эквивалентов. - М.: Радио и связь, 1983. - 184 с), а также расчет остальных тепловых сопротивлений на основе известных данных по теплопроводности слоев и геометрии излучателя с использованием известного уравнения теплопередачи
где:
Q - рассеиваемая мощность, Вт;
k - теплопроводность, Вт/см·K;
2
A - площадь радиатора, см;
T - температура, K;
2
2
показал, что основная величина, определяющая отток тепла от кристалла излучателя на воздух это площадь радиатора. Тепловое сопротивление на воздух любого излучателя площадью 1 см при свободной конвекции составляет ≈200 K/Вт. Таким образом, для эффективного отвода тепла от кристалла, площадь радиатора должна составлять не менее 100 см.
Существующие способы отвода тепла от области P-N перехода заключаются либо в естественной конвекции с применением радиаторов и тепловых труб, либо применение импульсных источников питания. Однако, увеличение тока через излучающий элемент в импульсных системах питания приводит к увеличению плотности тока и, как следствие, к резкому увеличению Оже-рекомбинации.
Частично проблема отвода тепла решена в известном из патента РФ на изобретение №2170995 светодиодном источнике излучения, содержащем несколько полупроводниковых излучателей света оптического диапазона, объединенных электрической цепью, в по меньшей мере, один базовый элемент, держатель базового элемента с присоединительными выводами, покровную линзу и радиатор для отвода тепла от базового элемента. Однако, недостатком подобного источника излучения является наличие схем управления непосредственно в корпусе светодиодной лампы, работающих в импульсном режиме, что не позволяет во-первых, в полной мере реализовать высокий внешний квантовый выход источника излучения, во-вторых, удорожает продукт, и в-третьих, снижает надежность лампы в целом, что видно на примерах светодиодных ламп и энергосберегающих ламп на основе паров ртути, когда причиной выхода лампы из строя является выход из строя элементов схемы.
Задача, решаемая при создании настоящей полезной модели, состоит в создании светодиодного излучающего устройства, эксплуатационные возможности которого с одной стороны сочетают в себе все достоинства ламп накаливания (например, величина светового потока), а с другой, имеют значительно больший ресурс, присущий светодиодным источникам излучения. Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, состоит в создания источника излучения, являющегося аналогом лампы накаливания со всеми достоинствами полупроводниковых излучателей света.
Для достижения поставленного результата предлагается в светодиодном источнике излучения, содержащем корпус с установленными в нем несколькими (например, по меньшей мере, четырьмя) полупроводниковыми излучателями света оптического диапазона, объединенными электрической цепью, в, по меньшей мере, один базовый элемент, выполненный в виде двухполупериодного моста с нагрузкой из, по меньшей мере, двух из упомянутых полупроводниковых излучателей света, держателем базового элемента с присоединенными выводами и покровной линзой, электрическая цепь дополнительно дополнить последовательно включенным на номинальное действующее напряжение конденсатором, в случае его пробоя или короткого замыкания схема шунтируется параллельно включенным в электрическую цепь супрессором с последующим предохранителем, а корпус служит радиатором для отвода тепла от базового элемента.
Предпочтительные, но не обязательные варианты конструктивного исполнения заявленного источника предполагают, что для увеличения мощности излучения, параллельно каждому источнику излучения подключается не менее одного источника излучения; полупроводниковые излучатели света могут выполнены одноцветного либо разноцветного излучения; что покровная линза и излучатели света могут быть установлены с зазором друг относительно друга, в котором размещен прозрачный или рассеивающий герметизирующим эластичный компаунд, при этом герметизирующий компаунд имеет коэффициент преломления ≥1,3; покровная линза может быть выполнена плоской, сферической или в виде линзы Френеля; полупроводниковые излучатели могут быть выполнены ультрафиолетового и/или синего цвета свечения и покрыты люминофором для трансформации синего излучения в белый цвет; отношение несветящейся части источника к светящейся может лежать в пределах от 15 до 40%.
Предлагаемая согласно полезной модели конструкция, для увеличения количества излучающих элементов предполагает возможность параллельного присоединения к каждому источнику излучения еще одного источника излучения.
Таким образом, базовый элемент может состоять из шести, двенадцати, восемнадцати и т.д. источников излучения. В предлагаемой электрической схеме нет необходимости в стабилизирующих ток резисторах - система регулирует ток в зависимости от вида вольтамперной характеристики в области оптимальных токов через источники излучения. Для примера - базовый элемент, состоящий из шести чипов, в любой полуволне состоит из четырех чипов, следовательно, прямое падение на каждом чипе не может быть более 3,5 В и менее 2,5 В, а при тщательном подборе чипов по прямому напряжению и токе 0,3 А, этот разброс можно уменьшить до 10%.
Полезная модель поясняется рис. 1, 2, 3 с принципиальными примерами электрических цепей светодиодного излучателя с одним (рис. 1) и несколькими (рис. 2 и 3) базовыми элементами, а на рис. 4 приведен общий вид заявляемого светодиодного источника излучения
В общем виде, заявленный светодиодный источник излучения содержит полупроводниковые излучатели света одноцветного или разноцветного излучения, покрытые люминофором, трансформирующим излучение полупроводниковых излучателей света в излучение белого цвета. Излучатели света размещены на стеклотекстолитовой плате с топологией (электрической цепью), объединяющей полупроводниковые излучатели света в базовый элемент.
III
V
2
Базовый элемент - четыре последовательно соединеных кристалла излучающих элементов, в каждой полуволне, на основа гетероструктур AB, размером 1×1 мм и прямом падении напряжения от 2,8 до 3,5 В при номинальном токе 0,35 А. Для стабилизации тока через излучающие элементы, последовательно, может быть включено сопротивление. Надежность подобно собранных ламп определяется надежностью представленных элементов и составляет порядка 50000 часов. Размер светодиодных источников излучения определяется мощностью потребляемой лампой исходя из соотношения размеров радиатора от рассеиваемой мощности - 20 см площади на 1 Вт потребляемой мощности. Необходимо отметить, что методы изготовление радиаторов(механическая обработка, литье) составляет наибольший процент в технологии производства светодиодных ламп.
Конструкция включает также штатный патрон для ламп освещения и корпус, одновременно являющийся радиатором для отвода тепла от излучателей света, которые сверху накрыты покровной линзой, выполняемой плоской, сферической или в виде линзы Френеля. Покровная линза и излучатели света могут быть установлены с зазором друг относительно друга, предполагающим размещение в нем прозрачного или рассеивающего герметизирующего эластичного компаунда с коэффициентом преломления ≥1,3.
Вариант конструкции источника излучения предполагает исполнение его таким образом, что отношение его не святящейся части к светящейся составляет от 15 до 40%. Под не светящейся частью следует понимать площадь окружности с диаметром d (рис. 2), под светящейся - площадь кольца с наружным диаметром D и внутренним d.
2
Заявленный светодиодный источник излучения питается напряжением, 220 В. Наличие полупроводниковых излучателей света размером 1×1 мм, с высоким значением кпд преобразования электрической энергии в световую, специальный радиатор, позволяющих эффективно отводить тепло от кристаллов, принципиальная электрическая схема и соотношение основных параметров базового элемента позволяют сохранить кпд и повысить эффективность светодиодного источника излучения.