СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТИЛЬНИК
LIGHT-EMITTING DIODE LIGHTING FIXTURE

Изобретение относится к осветительным устройствам на мощных светодиодах и может быть использовано для уличного, промышленного, бытового и архитектурно-дизайнерского освещения.
Температура светодиода - один из наиболее важных параметров в жизненном цикле светодиодного светильника. Известно, что большинство светодиодов не способны сохранять свою работоспособность при температуре на подложке светодиода свыше 80 C. Поэтому одной из основных задачей при создании осветительного прибора на основе мощных светодиодов является эффективное отведение тепла от светодиодов. Большинство производителей светодиодной продукции пытаются решить данную задачу путем установки радиаторов с оребрением различных конструкций и выполненных из различных теплопроводящих материалов. Недостатками радиаторов с оребрением являются: пересечение тепловых полей между светодиодами, сравнительно большой вес радиатора, трудоемкость в изготовлении.
Известны светодиодные светильники RU №№27852, 83587, 88769, 98532, 99104, 99107, 102748, 105968, 114505, 117055, 118397, 118398, 124361, 2473006, 2476764, 2485396, US №№7976197, 8025428, 8262263, 8322881, 8360599, 8414155, 8444292, 8444303, DE №10216393.
Известен светильник, имеющий корпус со светоизлучающими элементами, светорассеивающую панель, в качестве светоизлучающих элементов используют светоизлучающие диоды, различающиеся между собой цветом излучаемого света, установленные на платах. Светильник снабжен системой управления, имеет светорассеивающую панель, а в качестве светоизлучающих элементов используют матричные светодиодные панели (RU №27852).
Данный светильник непригоден для использования мощных светодиодов с мощностью свыше 1 Вт, так как они имеют температуру на подложке светодиода свыше 80 С° и их тепловыделение не приемлемо в данной конструкции с плотным размещением и отсутствием воздухообмена с окружающей средой (атмосферой).
Поэтому возможность применения их для уличного освещения или освещения крупного объекта отсутствует.
Известен светильник светодиодный, закрепляемый на опоре, содержащий корпус с источником света, установленным внутри корпуса, и блок питания, причем вся поверхность корпуса является охлаждающим радиатором, выполненным в виде пластин оребрения, установленных с трех сторон по периметру корпуса, источник света выполнен в виде светодиодного модуля, в котором светоизлучающие элементы объединены, по меньшей мере, в четыре параллельные линейки последовательно соединенных сверхмощных светодиодов, при этом каждый из светодиодов крепится не только за счет пайки контактных выводов, но и за счет пайки теплоотводящей пятки светодиода к специальным электрически нейтральным контактам печатной платы. Печатная плата может быть изготовлена на металлической пластине из алюминия, жестко закрепленной на корпусе, к которой с помощью предварительно пропитанной смолами стеклоткани прикреплена медная фольга. В иных случаях печатная плата изготовлена на подготовленной поверхности корпуса, к которой с помощью предварительно пропитанной смолами стеклоткани прикреплена медная фольга (RU №83587).
Известен осветитель на мощных светодиодах, содержащий 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 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 обращенных к выходному отверстию сторонах 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. (RU №2476764, прототип).
Недостатками известных светильников на мощных светодиодах являются сложность конструкции специального корпуса и радиатора, связанные с этим большие габариты и масса за счет сложности организации теплоотвода с использованием оребренного радиатора, или трубы с принудительным движением воздуха, или иных специальных средств.
Техническая задача изобретения состоит в создании эффективного светодиодного светильника и расширении арсенала светодиодных светильников, пригодных для уличного, промышленного, бытового и архитектурно-дизайнерского освещения.
Технический результат заключается в упрощении конструкции и сокращении габаритов и массы за счет обеспечения эффективного теплоотвода без использования оребренного радиатора или трубы с принудительным движением воздуха или иных специальных средств, а также без формирования специального корпуса, кроме того, расширяется температурный диапазон безотказной работы светодиодов и, следовательно, допустимый температурный диапазон применения светильника.
2
Сущность изобретения состоит в том, что светодиодный светильник содержит в качестве источников света несколько светодиодов, каждый из которых выполнен с подложкой теплоотвода, размещенных с промежутками на печатной плате с одной стороны несущей пластины и подключенных к, по меньшей мере, одному драйверу тока, а также оптический рассеиватель света для установки на несущую пластину со стороны размещения светодиодов, причем величина промежутков между последними выбрана из условия обеспечения под каждый светодиод не менее 7 см окружающей площади несущей пластины, которая выполнена с возможностью обтекания атмосферным воздухом со стороны, противоположной стороне установки печатной платы со светодиодами.
Предпочтительно светодиоды соединены между собой последовательно и подключены гибким кабелем к драйверу тока.
В частных случаях реализации светильник выполнен с несколькими группами светодиодов, в каждой из которых светодиоды соединены между собой последовательно и подключены гибким кабелем драйверу тока.
Предпочтительно оптический рассеиватель света выполнен в виде панели с прозрачными линзами для каждого из светодиодов.
При этом оптический рассеиватель света с линзами может быть выполнен монолитным или оптический рассеиватель света с линзами выполнен в виде составной панели.
Предпочтительно оптический рассеиватель света с линзами выполнен из прозрачного поликарбоната, каждый драйвер тока закреплен на дополнительно выполненным участке несущей пластины со стороны размещения светодиодов и снабжен съемным кожухом, закрепленным на несущей пластине через влагостойкую прокладку.
Как правило, светильник содержит светодиоды с мощностью не менее 1 Вт, размещенные с постоянным шагом на несущей пластине, выполненной из материала с коэффициентом теплообмена не менее 5,2.
Предпочтительно несущая пластина выполнена с возможностью крепления с зазором к элементам несущих конструкций, а также несущая пластина снабжена средствами крепления к элементам несущих конструкций, размещенными на участке расположения драйвера тока.
На чертеже фиг. 1 изображен общий вид светодиодного светильника (россыпью) в аксонометрической (объемной) проекции, на фиг. 2 - схематичный вид сбоку, на фиг. 3 - схематичный вид со стороны размещения светодиодов, на фиг.4 - участок несущей пластины с одним светодиодом, на фиг. 5 - сегмент печатной платы.
2
Светодиодный светильник содержит в качестве источников света несколько мощных светодиодов 1, каждый из которых выполнен с подложкой 6 теплоотвода, равномерно (рядами или в шахматном порядке) размещенных с промежутками на печатной плате (не обозначена) с одной стороны несущей пластины 2 и подключенных к, по меньшей мере, одному драйверу 4 тока с защитным кожухом 5, а также защитный оптический рассеиватель 3 света для установки на несущую пластину 2 со стороны размещения светодиодов 1. Могут применяться мощные светодиоды 1, например, типа emitter, cree-xp, xml и др. с различными светотехническими и мощностными характеристиками, Каждый светодиод 1 крепится за счет пайки своей контактной площадки к контактам печатной платы. Величина промежутков между светодиодами 1 выбрана из условия обеспечения под каждый светодиод 1 не менее 7 см окружающей площади несущей пластины 2, которая выполнена с возможностью свободного обтекания атмосферным воздухом со стороны подвешивания или иного крепления, например, к потолочной опоре (не изображена), противоположной стороне установки печатной платы со светодиодами 1.
Светодиоды 1 соединены между собой последовательно и подключены гибким кабелем (не обозначен) к драйверу 4 тока.
Светильник может быть выполнен с несколькими группами светодиодов 1, в каждой из которых светодиоды 1 соединены между собой последовательно и подключены гибким кабелем драйверу 4 тока.
Оптический рассеиватель 3 света выполнен в виде панели с прозрачными оптическими линзами (не обозначены) для каждого из светодиодов 1, т.е. каждая из линз размещена соосно одному из светодиодов 1.
Оптический рассеиватель 3 света закреплен к пластине 2 при помощи винтов через герметичную температуро- и влагостойкую прокладку (не изображено).
Оптический рассеиватель 3 света с линзами может быть выполнен монолитным.
Оптический рассеиватель 3 света с линзами может быть выполнен в виде составной панели.
Оптический рассеиватель 3 света с линзами предпочтительно выполнен из прозрачного оптического поликарбоната.
Поверхность пластины 2 условно можно разделить на два участка - передний первый со светодиодами 1 и задний второй. Каждый драйвер 4 тока закреплен на дополнительно выполненном втором участке несущей пластины 2 с той же стороны пластины 2, как и светодиоды 1, и снабжен съемным защитным кожухом 5, закрепленным на несущей пластине 2 через влагостойкую прокладку (не обозначена).
Предпочтительно светодиодный светильник содержит светодиоды с мощностью не менее 1 Вт (допустимой величиной тока не менее 350 мА), размещенные с постоянным шагом на несущей пластине, выполненной из материала (предпочтительно из металла - алюминия и сплавов на его основе).
Несущая пластина 2 выполнена с возможностью крепления с зазором к элементам несущих конструкций (потолку или к консоли) и снабжена средствами крепления к элементам несущих конструкций (не изображены), размещенными на участке расположения драйвера 4 тока.
Светодиодный светильник работает следующим образом.
Пластина 2 закрепляется с зазором к элементам несущих конструкций (потолку или к консоли) с помощью средств крепления к элементам несущих конструкций размещенных на участке расположения драйвера 4 тока. Драйвер 4 тока подключается к электрической сети на окружающей территории. После включения питания светодиодов 1 от драйвера 4 тока осуществляется освещение территории.
При подключении светильника к электросети один или несколько драйверов 4 тока подают напряжение на светодиоды 1. В режиме работы происходит выделение тепла, которое рассеивается выполняющей функции корпуса и безреберного радиатора пластиной 2. Рассеиватель 3 света обеспечивает защиту светодиодов 1 от внешних воздействий и равномерное освещение на достаточно большом участке поверхности - зоне освещенности. Драйвер 4 тока обеспечивает подачу постоянного значения тока на светодиоды 1 при возможных колебаниях питающей сети. Последовательное соединение светодиодов 1 на печатной плате позволяет обеспечить минимальное потребление электроэнергии светильником в целом.
Применение наиболее эффективных мощных светодиодов 1 с мощностью не менее 1 Вт (допустимой величиной тока не менее 350 мА неизбежно сопровождается существенным тепловыделением.)
В рассматриваемой конструкции светильника теплопроводность и градиент температур пластины 2 не рассматривается, т.к. теплопроводность алюминия и сплавов на его основе имеет достаточный порядок коэффициента теплопроводности, чтобы за незначительный промежуток времени пластина 2 была нагрета равномерно. А так же пластина 2 из алюминия и сплавов на его основе позволяет считать ее равномерно нагретой, т.к. источники тепла (светодиоды 1) распределены на поверхности равномерно и пластина 2 не имеет оребрения.
Рассмотрим элементарный участок подложки 6 со светодиодом (фиг. 4) с характерными размерами, необходимыми для отведения тепла от подложки 6 светодиода 1 на столько, чтобы светодиод 1 не перегревался.
Температура на подложке 6 светодиода 1 не должна превышать 85°C. Максимальная температура воздуха в ночное время суток по России 45°C. Соответственно разность температур ΔT=85-45=40°C. В качестве условия работоспособности светильника взята формула для расчета площади теплоотводящей пластины для конвективного теплообмена с плоской пластины 2, расположенной горизонтально (ф1), где Q - общий тепловой поток (в нашем случае 1 Вт), α - коэффициент теплообмена (теплоотдачи от поверхности тела к жидкости или к газу).
Для расчета коэффициента теплообмена воспользуемся формулой (ф2) (λ - коэффициент теплопроводности  для воздуха при 40°C и давлении 1 атм). Где критерий Нуссельта рассчитаем по формуле (ф3), причем критерием Прандтля можно пренебречь, т.к. скорость потока (рассматривается преимущественно конвективный теплообмен) и разность температур малы, соответственно принимаем Pr≤1.
-10
Найдем критерий Нуссельта, предварительно рассчитав критерий Гразгофа по формуле (ф4) (ν - вязкость кинематической вязкости воздуха (2∗10)). Параметр l=1 м взят с учетом стандартных характерных размеров уличного светильника.
Отсюда:
10
0.25
Nu=0.75∗(0.6∗10∗1)=210
2
2
2
2
Соответственно расчетная максимальная площадь, необходимая для эффективного охлаждения одного одноваттного светодиода, 24 см. То есть минимальное достаточное расстояние между светодиодами 1 должно составлять 2.7 см. Также если учесть что количество выделяемого тепла от одноваттного светодиода 1 экспериментально определенно как 0.7 Вт, то из формулы (1) следует что достаточная максимальная площадь, отводимая под светодиод 1, уменьшается до 16 см, соответственно минимальное расстояние между светодиодами 1 уменьшается до 2.3 см. Если также учесть что в средней полосе России температура в ночное время суток не превышает 30°C, то достаточная для эффективного теплоотвода площадь под светодиод 1 уменьшается до 11 см. Выше при расчетах учитывался только конвективный теплообмен, в действительности мы имеет место обтекание пластины 2 воздухом, что значительно интенсифицирует теплообмен. Экспериментальным путем при температуре окружающей среды 25°C и давлении 1 атм было подтверждено, что минимальная эффективная площадь пластины 2 под одноваттный светодиод, достаточная для отвода тепла и стабилизации температуры пластины 2 со светодиодами 1 (с подложкой 6 теплоотвода) в допустимых пределах равняется 7 см.
Оптимальная температура работы мощного светодиода 1, простота конструкции и небольшой вес светильника достигается применением плоской несущей пластины 2 из алюминиевого сплава, где под каждый мощный светодиод 1 отведен достаточный участок корпуса-пластины 2, необходимый для эффективного отведения тепла с подложки 6 светодиода и стабилизации температуры работающего светильника в допустимых пределах. Хороший теплоотвод обеспечивается тем, что температурные поля от соседних работающих светодиодов 1 не пересекаются и не влияют друг на друга, в связи с тем что лишний тепловой поток успевает перейти в окружающую среду непосредственно от каждого светодиода 1, а не накапливается в подложке 6 и теплоотводящей пластине 2.
Благодаря этому достигается упрощение конструкции и сокращение габаритов и массы за счет обеспечения эффективного теплоотвода без использования оребренного радиатора или трубы с принудительным движением воздуха или иных специальных средств, а также без формирования специального корпуса, кроме того, расширяется температурный диапазон безотказной работы светодиодов и, следовательно, допустимый температурный диапазон применения светильника.