Плоский светодиодный осветитель с большой площадью светоизлучающей поверхности
FLAT LED ILLUMINATOR WITH A LARGE AREA OF THE LIGHT-EMITTING SURFACE

Область техники
Изобретение относится к светотехнике, а именно к осветительным устройствам на основе световода с торцевой засветкой, которые могут быть использованы для общего или местного освещения, а также для создания декоративных, дизайнерских и рекламных световых панелей.
Известный уровень техники
Торцевая подсветка (Edge lighting) в настоящее время применяется повсеместно, поскольку позволяет получить абсолютно равномерное освещение, а сам осветитель не имеет характерных точек, присущих светодиодному освещению и позволяет получить очень тонкий осветитель, что невозможно в осветителях со светодиодами на просвет.
Известна конструкция осветителя с характерным для лампы корпусом (патент РФ 2706799 (публикация международной заявки WO2020106183) «Плоский светодиодный осветитель с широким диапазоном мощности света и внутренней подсветкой» автор Соколов Ю.Б.), который может быть заменой ламп типа Spot, имеющих очень широкое распространение по всему Миру. Однако, конструкция достаточно сложна и не позволяет получить высокий световой поток, что необходимо для излучателей большого формата ввиду ограниченного количества светодиодов, помещающихся на длине кольца осветителя. Наличие громоздкого корпуса ограничивает применение таких ламп.
Техническое решение
При разработке осветителя стояла задача создания такой конструкции, которая была бы проста в изготовлении, была максимально плоская (малая высота), универсальна, в смысле возможности встраивания в декоративный потолок, зачастую в уже имеющиеся отверстия, имела возможность трансформации по мощности, т.е. пригодна для больших форматов осветителей вплоть до квадратного метра и более, имела возможность встраивания в различного рода осветительные поверхности разной конфигурации, работающая в качестве подвесных и накладных осветителей.
Предлагаемое устройство решает проблему создания большой светоизлучающей поверхности, имеющей равномерное свечение и способное создавать как равномерный световой поток, так и участки с требуемой яркостью излучения. Под равномерностью понимается заданная световая отдача с поверхности излучения. В качестве среды для передачи светового излучения использован плоский световод.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение равномерности светового потока, создаваемого на большой светоизлучающей поверхностью.
Для достижения указанного технического результата предлагается осуществлять ввод светового излучения через торцевую поверхность отверстия, выполненного в виде паза, ширина и длина которого достаточна для размещения ряда светодиодов, направленных в торцевые поверхности упомянутого паза в световоде. Комбинация расположения пазов позволяет получить равномерную передачу светового излучения по световоду по всем направлениям. Вывод излучения из световода осуществляется в комбинации с созданием точек оптической неоднородности на светоизлучающей поверхности световода.
Плоский осветитель с большой светоизлучающей поверхностью, содержит плоский световод, имеющий, по меньшей мере, одно сквозное отверстие, цилиндрическая поверхность которого конфигурирует торцовую поверхность отверстия; печатную плату, на которой смонтированы светодиоды, позиционированные так, чтобы освещать торцевую поверхность отверстия плоского световода, при этом сквозные отверстия в плоском световоде имеют форму прямых пазов, расположенных так, чтобы упомянутые пазы не пересекали друг друга, а печатная плата имеет отогнутые прямые фрагменты, на которых расположены светодиоды, при этом фрагменты печатной платы расположены в сквозных прямых пазах плоского световода, которые расположены так, чтобы они не пересекали друг друга.
Сквозные пазы могут быть сконфигурированы в группу и расположены подобно сторонам простого N-угольника, где N-натуральное число, выбранное из неравенства N>3. На поверхности печатной платы, ограниченной отогнутыми фрагментами, смонтирован источник питания.
На пересечении направления соседних сквозных пазов может быть расположено сквозное отверстие для размещения отогнутого фрагмента печатной платы со светодиодом, направленным в сторону, противоположную направлению излучения светодиодов, расположенных в прямых сквозных пазах.
В зависимости от размеров плоского световода по всей его поверхности могут быть расположено две и больше плат светодиодов, установленных в указанном порядке.
Печатная плата (1) может быть выполнена в виде квадрата, внутри которого на отогнутых П-образных вырезах (14) расположена первая группа светодиодов (8), которая в свою очередь состоит из 6 подгрупп выстроенных в виде шестиугольника. Это группа светодиодов направлена в пространство по внешнюю сторону параллельно плоскости платы. Между группами этого шестиугольника расположена вторая группа (13) светодиодов (9) которые направлены в сторону центра шестиугольника. В этом же шестиугольнике в центре платы расположен источник питания, который питает все светодиоды (обеих групп). Как правило, в данной конструкции применяется так называемый секвентальный источник питания (12), поскольку он состоит из SMT компонентов без применения крупных компонентов устанавливаемых в отверстия. Эта плата полностью выполняется на SMT автоматизированных линиях без применения ручного труда. На рис. 2 приведен общий вид осветителя.
На поверхность печатной платы (1), обратной стороне установки электронных компонентов, установлен лист алюминиевого радиатора (20) покрытого изолирующей пленкой (17), сверху установлена крепежная деталь (16) и вся эта конструкция со световодом (5) и рассеивателем (23) сжимается единственным винтом (21) в центре (26) осветителя с упором на цилиндрические втулки (10, 11), одетые на крепежный винт после установки на него световода и рассеивателя.
По периметру осветителя рассеиватель и световод с отражателем скреплены заклепками 25 и на них по периметру одета белая обечайка из силикона, выполняющая роль отражателя и придающая осветителю законченную конструкцию. Последовательность сборки следующая: на винт (21) одеваются отражатель (23), световод (5) после этого две втулки (10) и (11), а также прокладка с втулками (3), на которых устанавливается печатная плата (1). Поскольку световод (5) имеет такую же конфигурацию вырезов, как и отогнутые участки платы со светодиодами (вырезы 22.1, 22.2, рис. 3), то при установке печатной платы в конструкцию, светодиоды оказываются точно напротив внутреннего торца световода, при этом излучение группы 1 светодиодов направлено от центра световода к периферии, а излучение группы 2 направлено к центру осветителя. Далее на печатную плату (1) накладывается плоский лист алюминия - радиатор (20), который является дополнительным рассеивателем тепла от печатной платы, при малой мощности осветителя (до 10 Вт) сама печатная плата может рассеивать тепло, если ее площадь достаточна. Поскольку в данной конструкции применен секвентальный драйвер, который не изолирован от сети переменного тока, необходимо дополнительно изолировать радиатор (20) от соприкосновения, обеспечивая безопасность персонала, устанавливающего осветитель, для этого, на радиатор (20) накладывается изолирующая пленка (17) (края которой заворачиваются внутрь, что не показано) обеспечивающая пробойное напряжение 4 кВ. Таким образом создается двойная изоляция металлических деталей от сети переменного тока. Первый уровень изоляции - это препрег на печатной плате, а второй уровень изоляции это пленка (17) с высоким пробойным напряжением. Далее, на винт (21) одевается металлическая деталь (16), которая с помощью гайки (18 рис. 2) прижимает радиатор (20) к печатной плате (1), обеспечивая тепловой контакт между ними. Высота упора 3 на прокладке (3.1) определяется самым высоким компонентом драйвера, чем ниже эти компоненты, тем меньше может быть высота втулки (3) и тем более плоским будет осветитель. Кроме этого, упор 3 обеспечивает зазор между радиатором (20) и световодом, что способствует лучшему теплоотводу, так как работает не только внешняя (верхняя) поверхность радиатора, но и нижняя. Поскольку пленка (17) имеет малую толщину (40…60 мкм), то она практически не препятствует излучению тепла, поскольку тепловые потери на пленке составляют не более 2…3 градусов Цельсия. В детали (16) имеются соответствующие отверстия, позволяющие поставить пружины для крепления в потолочное отверстие или два фигурных выреза для крепления на стену (рис. 4). На рис. 4 показан осветитель в разборе для случая круглой конфигурации осветителя. Фактически его размеры и форма может быть различной. При большой мощности и больших размерах возможен только подвесной вариант, когда подвес производится за отверстия (7 рис. 4). В общем случае, по периметру весь пакет осветителя скрепляется заклепками (25) вставленными в отверстия (7.1 рис. 4). На этом рисунке втулка (3) показана как деталь квадратной формы определенной толщины с фигурным большим отверстием, позволяющим установить плату с компонентами. В принципе отгибы в плате под светодиоды могут быть по любому многоугольнику. Чем больше углов, тем более сложная плата (больше отгибов), чем меньше углов (минимум треугольник), тем более вероятны темные места на рассеивателе вблизи светодиодов первой группы.
Периметр осветителя может иметь различную, как симметричную (многоугольник, круг, эллипс, ромб и т.д.), так и несимметричную форму с определенными ограничениями. Для того чтобы осветитель работал, на поверхность световода наносятся дефекты (точки, черточки и т.д.), которые фактически являются вторичными излучателями света. Свет от этих дефектов выходит в обе плоскости световода, если вверх освещения не требуется, то всю поверхность световода покрывают отражательной пленкой (7).
Если отражателя (7) нет, то свет будет выходить в обе стороны световода и его лучи, обращенные вверх, буду освещать потолок. Свет, распространяется по световоду и, дойдя до периметра, выйдет из осветителя, поэтому по периметру устанавливается белая обечайка (20 рис. 4), которая отражает свет обратно в световод и придает осветителю законченную конструкцию.
Конструкция осветителя универсальна в том смысле, что он может иметь различную мощность и внешние размеры. Чем больше мощность, тем больше должна быть площадь печатной платы и алюминиевого радиатора и, соответственно, могут быть больше внешние размеры осветителя. До диаметра 300…350 мм осветитель может быть установлен с помощью пружин в отверстия потолка. При больших размерах целесообразна подвесная или накладная установка осветителя.
На рисунке 5 показана конструкция печатной платы, в которой вырезы идут по восьмиугольнику, эта плата большего размера, на ней установлено большее количество светодиодов, и такая конструкция больше подходит для осветителя большого размера с условным диаметром до 1 м и более. Однако конструкция аналогична.
На рис. 3 показаны 4 отверстия (24), которые, как правило, отсутствуют и нужны только тогда, когда хотят сократить толщину осветителя на толщину листа световода, как правило, на 4 мм, тогда самые высокие компоненты (электролитические конденсаторы) входят в эти отверстия до упора с рассеивателем. При этом образуются темные круги на осветителе, которые будут заметны.
Ввиду бокового свечения светодиодов, по контуру n-угольника печатной платы будет повышенное свечение, которое будет видно на рассеивателе. Для минимизации этого, на внутреннюю поверхность рассеивателя может быть нанесено кольцо краски, уменьшающее перепад освещения в зонах бокового излучения светодиодов.
На основе такой конструкции могут быть построены осветители очень большого формата (в пределах размеров листа PC или ПММА), до 2×3 м с несколькими центрами освещения. На рис. 6 для примера показан осветитель с двумя центрами освещения в виде эллипса. Необходимо отметить, что принцип Edge lighting основан на том, что на световод с помощью лазера или принтера наносят микроскопические дефекты, которые в осветителе являются точками излучения. Поэтому при проектировании осветителей с несколькими центрами освещения необходимо с помощью специальных программ рассчитывать плотность нанесения дефектов, иначе поверхность осветителя не будет иметь равномерное освещение по всей поверхности, и это будет визуально восприниматься как дефект осветителя. В то же время при больших размерах осветителя, при правильно выбранной программе нанесения дефектов, эта неравномерность освещения может восприниматься как дизайнерский прием и хорошо приниматься экспертами. Также при больших размерах осветителя при наличии нескольких центров освещения, дефекты на световод могут наноситься таким образом, что они будут образовывать рисунок задуманный дизайнером, например звезду, круг, n-угольник и др. произвольные рисунки и все эти дефекты, нанесенные по определенному закону, будут светиться и создавать впечатление светящейся картины. Там где нет дефектов, будет темная зона. И это будут не просто светящиеся образы, а образы, которые освещают пространство как осветители.