Электрическая лампа

Полезная модель относится к светотехнике и может быть использована при проектировании новых энергоэффективных и надежных источников оптического излучения (электрических ламп) с повышенным сроком службы. Полезная модель направлена на расширение области применения электрической (светодиодной) лампы за счет повышения светоотдачи, уменьшения веса и расхода материалов, улучшения технологичности конструкции, а также возможного снижения слепящего эффекта (или действия).
Известна электрическая лампа, содержащая герметичную колбу с колпачковым цоколем для подключения к внешнему источнику питания, заполненную изолирующим оптически прозрачным газообразным веществом, изготовленную из оптически прозрачного материала, со светоизлучающим телом в виде вольфрамовой нити и опорной ножкой внутри, имеющей корпусную тарелку с разверткой, пустотелый штенгель для откачки, штабик и два проволочных электрода для электрического соединения внутренних и наружных частей, электроды соединены с контактами цоколя и контактами светоизлучающего тела (Характеристики ламп накаливания. Каталог / «ГУП РМ Лисма», 2011, С. 32).
В качестве изолирующего газообразного вещества (наполнение колбы) используют смесь аргона с азотом (88 на 12%), имеющую абсолютное давление от 0,6 до 0,8 бар при температуре окружающей среды 273 К.
Все серийно выпускаемые лампы такого типа с различными видами колб и наполнения, в зависимости от назначения, имеют, в основном, стандартные «колпачковые» цоколи типов Е12, Е14, Е26, Е27, Е40, В15, В22 (и другие, аналогичные). В обозначении цоколя цифра определяет диаметр изделия.
Колбы известной лампы - это стеклянные баллоны специальной формы, в которые герметично впаивают смонтированные (опорные) ножки.
Назначение колбы - защищать тело накала от атмосферного воздуха, в максимальной степени пропускать оптическое излучение в течение срока службы лампы, выполнять роль конструктивного остова, связывая с собой заданным образом опорную ножку и цоколь, в ряде случаев обеспечивать функции оптической системы и выполнять некоторые эстетические функции.
Исполнения известной электрической лампы включают, в том числе, изделия с каплеобразной (А 45, А 50, А 55, А 60, А 65 и другие), шаровой (G 45), грибообразной (К 50, К 55, Е 50, Е 60, Е 75), свечеобразной (В 35, С 35), цилиндрической (Т 26, Т 38), параболической (R 50, R 63) колбами, применяющиеся для общего и местного освещения и характеризующиеся относительно компактными размерами. В обозначении колбы цифра определяет внешний диаметр в расширенной части (нижняя зона) в соответствии со стандартом (элемент классификации изделия). Лампы с указанными колбами могут также изготавливаться с наполнением из смеси криптона с азотом (86 на 14%), что повышает светоотдачу. Грибообразные колбы, в частности, первоначально были предназначены именно для криптоновых ламп.
Площадь горловины колбы связана определенным отношением с площадью (обьемом) шаровой (или считающейся таковой) частью колбы. Горловина заваренной колбы заданным образом формуется (с установленными размерами в месте соединения горловины с опорной ножкой). Формовка обеспечивает последующую установку на применяемую колбу колпачкового цоколя определенного типа с помощью, например, специальной цоколевочной мастики. Как правило, с колбой одного вида используется (или может использоваться) несколько типов цоколей. Таким образом, каждая конкретная колба имеет соответствующие геометрические и технические (технологические) параметры и предназначена для применения определенного типа цоколя (или нескольких цоколей). Например, колбы вида К 50 и К 55 (Е 50, Е60, Е 75) в настоящее время серийно используются только с одним типом цоколей (Е27), а колба В 35 (С 35, С А 35, CF 35) предназначена для применения с цоколями Е14 и Е27.
Ножкой называется неразъемный узел электрической лампы, включающий в себя корпусную тарелку с разверткой, штенгель, стеклянный штабик и электроды, которые соединены в единую цельную конструкцию посредством расплавления и последующей формовки стеклянных элементов в виде лопатки. Во время формирования лопатки осуществляется продувка штенгеля, в результате чего образуется откачное отверстие.
Все конструктивные размеры опорной ножки должны по требованиям технологии быть оптимально согласованы с параметрами колбы (и ее горловины, в том числе), а также с размерами устанавливаемого цоколя.
В качестве внешнего источника питания известной электрической лампы, относящейся к лампам накаливания, используется электрическая сеть переменного тока. Питание лампы накаливания может осуществляться и от иного источника постоянного или переменного тока.
Недостатком электрической лампы накаливания является сравнительно узкая область применения, что обусловлено, в том числе, невысокой светоотдачей, низкой надежностью работы и малым сроком службы (из-за испарения материала нити накала при высокой рабочей температуре с последующим обрывом нити). Средний срок службы лампы накаливания обычно не превышает 1000 час. Светоотдача известной электрической лампы накаливания составляет около 10 лм/Вт. Таким образом, лампа накаливания не является достаточно энергоэффективным электротехническим устройством, что, в основном, и ограничивает область ее применения.
Известна электрическая лампа, содержащая герметичную колбу с колпачковым цоколем для подключения к внешнему источнику питания, заполненную изолирующим оптически прозрачным газообразным веществом, изготовленную из оптически прозрачного материала, со светоизлучающим телом в виде одной или нескольких светодиодных линеек на прозрачной подложке, электрически соединенных последовательно или последовательно и параллельно, и опорной ножкой внутри, имеющей корпусную тарелку с разверткой, пустотелый штенгель для откачки, и два или более проволочных электрода для электрического соединения внутренних и наружных частей, драйвер, устанавливаемый внутри цоколя, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, а выходные выводы подключены к контактам светоизлучающего тела (3. RU 2013114922/12. Светодиодная лампа (варианты)/ Чжэцзян Ледисон Оптоэлектроникс Ко., ЛТД (CN) // Опубл. 20.10.2014, Бюл. №37).
В качестве изолирующего газообразного вещества в известной лампе используют водород или гелий, или смесь водорода с гелием, имеющую давление от 0,1 до 2,0 бар при температуре окружающей среды около 293 К.
Известная лампа относится к типу светодиодных источников света. Исполнения светодиодной лампы включают изделия с различными видами колб (шарообразные, свечеобразные, зеркализованные, в том числе, декоративные, например, В 35 и А 45) и цоколей (Е14, Е27, В22). Грибообразные колбы типа К 50 или К 55 (Е 50, Е 60, Е 75) для известной лампы не используются.
Недостатком электрической (светодиодной) лампы является сравнительно узкая область применения, что обусловлено ограниченностью возможной и технически обоснованной номенклатуры, низкой светоотдачей, в первую очередь, для ламп с колбами малых геометрических размеров, возможным слепящим действием, недостатками конструкции и используемого наполнения колбы, а также высокой ценой. Конструкция светоизлучающего тела ограничена применением только светодиодных линеек на прозрачных подложках, что не позволяет обеспечить высокие световые потоки, в том числе, в направлении оптической оси лампы (в нижнюю зону) и ограничивает диапазон возможных мощностей. Использование стандартных колб с зеркализацией, предназначенных для другого типа ламп, не является в достаточной степени эффективным. Коэффициент полезного действия зеркальных светодиодных ламп известной конструкции является низким из-за большей распределенности светоизлучающего тела на светодиодных линейках в пространстве и больших потерь на отражение. Конструкция лампы ограничена установкой драйвера только внутри цоколя, что снижает степень защиты, не позволяет обеспечить качественные технические характеристики из-за ограниченности объема, сужает диапазон возможных мощностей и световых потоков. Водород фактически не является химически инертным газом для используемых материалов колб, взрыво- и пожароопасен. Чистый водород в таких лампах применять не достаточно эффективно и надежно. Его содержание в колбе должно по возможности быть ограниченным. Кроме того, технология применения чистого водорода является сравнительно дорогостоящей. Гелий имеет высокую цену и обладает значительной проникающей способностью через технические стекла. Последнее может приводить к снижению надежности работы лампы и к нестабильности (и не повторяемости) технических характеристик. Гелий и его смеси с водородом и, в некоторой степени, чистый водород обладают также сравнительно низкой электрической прочностью (что сужает возможную номенклатуру ламп и, соответственно, область применения). Гелий - инертный газ. Однако, являясь самым «легким» из инертных газов, он практически не препятствует диффузии водорода в применяемые материалы колбы (если используется смесь водорода с гелием) и ходу возможных химических реакций. Реакции с водородом, например, имеют место в стеклах при повышенной температуре герметизации (заварке, отпайки) колб. При применении смесей с гелием и водородом необходимо введение в их состав третьей компоненты (трехкомпонентная смесь, например, с добавкой азота). Использование более «тяжелых» инертных газов (неон, аргон и другие) эту проблему снимает. Диапазон давлений газообразного вещества в известной лампе технически ограничен. Низкое давление (0,1 бар) может приводить к интенсивному испарению материалов, используемых при изготовлении светодиодных линеек, в диапазоне рабочих температур для элементов ламп. Испаряющиеся материалы, осаждаясь на поверхности колб, снижают их прозрачность и уменьшают световой поток. При снижении давления эффективность отвода тепла от светодиодов снижается. Срок службы лампы сокращается, а ее технические характеристики ухудшаются. Таким образом, наполнение колбы в известной конструкции, в целом, не является оптимальным. Использование большого числа проволочных электродов (и вакуумплотных впаев, соответственно) снижает надежность, повышает вероятность ухода из колбы используемого газообразного вещества и делает конструкцию ламп нетехнологичной и более трудоемкой и дорогостоящей.
Слепящий эффект или слепящее действие источника света характеризуется показателями ослепленности или дискомфорта. Указанные показатели устанавливаются соответствующими стандартами. Для осветительных установок промышленных предприятий нормируется показатель ослепленности, зависящий от нормируемого отношения пороговых разностей яркости при наличии и отсутствии слепящих источников в поле зрения. По показателю ослепленности можно судить о степени ухудшения видимости при действии блеских источников света. Показатель ослепленности рассчитывается по специальной формуле через коэффициент ослепленности, равный отношению пороговых разностей яркости при наличии и отсутствии слепящих источников в поле зрения. При этом под пороговой разностью яркости понимается наименьшее заметное отличие яркости объекта и фона. Для жилых и общественных зданий, административно-бытовых помещений вместо показателя ослепленности нормируется показатель дискомфорта. Показатель дискомфорта характеризует степень неудобства или напряженности при наличии в поле зрения источников повышенной яркости. Более точно, он определяет степень дополнительной напряженности зрительной работы, вызванной наличием значительной разницы яркостей в освещенном помещении. То есть, показатель дискомфорта (аналог показателя ослепленности) представляет собой критерий оценки дискомфортной блескости, вызывающей неприятные ощущения у наблюдателя при неравномерном распределении яркостей в поле зрения. В европейских нормах качества света используется также обобщенный показатель дискомфорта (UGR). Блескостью называется свойство ярких объектов вызывать у наблюдателя неприятные ощущения (в частности, чувство ослепленности). Для расчетов показателей ослепленности и дискомфорта (обобщенного показателя дискомфорта) разработаны специальные инженерные методики.
Известна электрическая лампа, содержащая герметичную колбу с колпачковым цоколем для подключения к внешнему источнику питания, заполненную изолирующим оптически прозрачным и химически инертным газообразным веществом, изготовленную из оптически прозрачного материала, со светоизлучающим телом в виде светодиода или нескольких светодиодов, или одной, или нескольких светодиодных матриц, соединенными в соответствии с требуемой электрической схемой, и опорной ножкой внутри, имеющей корпусную тарелку с разверткой, пустотелый штенгель для откачки и два проволочных электрода для электрического соединения внутренних и наружных частей, драйвер, устанавливаемый внутри колбы, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, а выходные выводы подключены к контактам светоизлучающего тела (П. RU 153191. Светодиодная лампа / Е.М. Силкин / Опубл. 10.07.2015, Бюл. №19).
Недостатком электрической светодиодной лампы является сравнительно узкая область применения, что обусловлено ограниченностью возможной номенклатуры изделий и определенными недостатками конструкции, снижающими надежность работы и сокращающими срок службы. Установка драйвера только внутри колбы (в известной конструкции) сужает диапазон мощностей и предельных световых потоков ламп. В известной лампе ограничено и число вариантов конструкций светоизлучающего тела. Имеет место значительное непроизводительное рассеяние световой энергии. Лампа характеризуется сравнительно низкой силой света в направлении оптической (и геометрической) оси, малым световым потоком, излучаемым в нижнюю зону, возможным высоким слепящим действием. Используется широкая номенклатура опорных ножек, что ухудшает технологичность изделия.
Известна электрическая лампа, содержащая герметичную колбу с колпачковым цоколем для подключения к внешнему источнику питания, заполненную изолирующим оптически прозрачным и химически инертным газообразным веществом, изготовленную из оптически прозрачного материала, со светоизлучающим телом в виде четного числа светодиодной матриц, электрически соединенных парами последовательно, и опорной ножкой внутри, имеющей корпусную тарелку с разверткой, пустотелый штенгель для откачки, штабик с проволочным держателем и два проволочных электрода для электрического соединения внутренних и наружных частей, драйвер, устанавливаемый внутри цоколя, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, а выходные выводы подключены к контактам светоизлучающего тела (П. RU 152823. Электрическая осветительная лампа / Е.М. Силкин // Опубл. 20.06.2015, Бюл. №17).
В качестве изолирующего газообразного вещества используют азот или смесь азота с неоном от 4 до 96%, имеющую давление от 0,3 до 3,3 бар при температуре окружающей среды 273 К.
Подобную конструкцию имеют в настоящее время большинство электрических ламп со светодиодами, светодиодными матрицами и светодиодными линейками (в частности, филаментные лампы). Такая лампа не является полностью герметичной для всех ответственных частей. Степень защиты ее не выше IP21. Драйвер в известной лампе не изолирован от внешней среды и подвержен ее влиянию. Некоторые ответственные элементы (части) лампы, таким образом, находятся в среде окружающего воздуха, который может содержать пары воды, агрессивные вещества в недопустимых концентрациях, механические примеси и пыль. Все это снижает надежность работы известной электрической (светодиодной) лампы и может значительно уменьшить средний срок ее службы. Возможные конструкции светоизлучающего тела не позволяют обеспечить высокую силу света в направлении оптической оси лампы и высокий световой поток, излучаемый в нижнюю зону, из-за значительного непроизводительного рассеяния световой энергии. В известной электрической лампе применяются различные типы колб (А 45, А 50, А 60, В 35), кроме грибообразных К 50, К 55 (Е 50, Е 60), что обусловлено особенностями конструкции опорной ножки, не позволяющей оптимально разместить и обеспечить требуемый режим работы светоизлучающего тела в существующих конструкциях колб грибообразной формы. В лампе устанавливаются цоколи Е14, Е27, В22. Для всех используемых видов колб и цоколей разработаны оригинальные конструкции опорной ножки (и светоизлучающего тела) с различающимися геометрическими и конструктивными параметрами, что ухудшает технологичность изделия. Рассмотренные недостатки известной электрической (светодиодной) лампы сужают область ее применения.
Известна электрическая лампа, содержащая герметичную колбу с колпачковым цоколем для подключения к внешнему источнику питания, заполненную изолирующим оптически прозрачным и химически инертным газообразным веществом, изготовленную из оптически прозрачного материала, со светоизлучающим телом в виде светодиода или нескольких светодиодов, или одной, или нескольких светодиодной матриц, или одной, или нескольких светодиодных линеек, электрически соединенных последовательно или параллельно, или последовательно и параллельно, и опорной ножкой внутри, имеющей корпусную тарелку с разверткой, пустотелый штенгель для откачки, штабик и два проволочных электрода для электрического соединения внутренних и наружных частей, драйвер, устанавливаемый внутри цоколя или внутри колбы, или разделенный на две части, устанавливаемые внутри цоколя и колбы, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, а выходные выводы подключены к контактам светоизлучающего тела (П. RU 159154. Электрическая лампа / Е.М. Силкин / Опубл. 10.02.2016, Бюл. №4).
В качестве изолирующего газообразного вещества в рассматриваемой электрической (светодиодной) лампе используют смесь водорода с инертным газом или смесь водорода с азотом, или смесь водорода, инертного газа и азота (трехкомпонентная смесь), имеющую абсолютное давление от 0,3 до 2,5 бар при температуре окружающей среды 273 К. Возможность установки драйвера (или его частей) внутри колбы и цоколя позволяет оптимизировать конструкцию изделия для каждого применения.
Известная электрическая (светодиодная, светодиодная филаментная, осветительная) лампа является наиболее близкой по технической сущности к полезной модели и выбрана в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является сравнительно узкая область применения, что обусловлено ограниченностью возможной номенклатуры изделий, недостаточной светоотдачей, сравнительно низкой силой света в направлении оптической оси лампы, малым световым потоком, излучаемым в нижнюю зону, возможным повышенным слепящим действием (эффектом), нетехнологичностью конструкции. В известной лампе ограничено число вариантов конструкции светоизлучающего тела, а также колбы, цоколя и драйвера. Недостатком электрической (светодиодной) лампы рассмотренного типа является и сравнительно малый срок службы, что обусловлено повышенным нагревом светодиодов и электронных элементов и узлов устройства (из-за малого полезного внутреннего объема, заполняемого изолирующим газообразным веществом, особенно в лампах с малыми габаритными размерами), что затрудняет применение изделия в закрытых световых приборах, относительной технической и технологической сложностью, снижающей надежность работы и сужающей область применения. Увеличен расход материала на опорную ножку (и, соответственно, вес изделия). В известной лампе также устанавливаются цоколи ограниченной номенклатуры (Е14, Е27, В22). При этом для всех используемых видов колб и цоколей разработаны оригинальные конструкции опорной ножки (и светоизлучающего тела) с различающимися геометрическими и конструктивными параметрами, что ухудшает технологичность изделия (отсутствие унификации). Отмеченные факторы дополнительно сужают область применения, а также снижают срок службы известной электрической (светодиодной) лампы. В известной электрической лампе применяются различные типы колб (А 45, А 50, А 60, В 35), кроме грибообразных К 50 или К 55 (Е 50, Е 60, Е 75), что обусловлено особенностями конструкции опорной ножки, не позволяющей оптимально разместить и обеспечить режим работы светоизлучающего тела в существующих конструкциях колб грибообразной формы.
Полезная модель направлена на решение задачи расширения области применения электрической лампы за счет повышения светоотдачи, уменьшения веса и расхода материалов, улучшения технологичности конструкции, а также возможного снижения слепящего эффекта или действия (показателей ослепленности и дискомфорта), что является целью полезной модели.
Улучшение технологичности конструкции, уменьшения веса и расхода материалов, связанные причинно-следственной связью и обьективно проявляющиеся технические эффекты, представляют собой полученный технический результат(ы).
Указанные цель и технический результат достигаются тем, что в:
1. Электрической лампе, содержащей герметичную колбу с колпачковым цоколем для подключения к внешнему источнику питания, заполненную изолирующим оптически прозрачным и химически инертным газообразным веществом, изготовленную из оптически прозрачного материала, со светодиодным светоизлучающим телом и опорной ножкой внутри, имеющей корпусную тарелку с разверткой, пустотелый штенгель для откачки, штабик и электроды для электрического соединения внутренних и наружных частей, драйвер, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, а выходные выводы подключены к контактам светоизлучающего тела, для отношения максимального диаметра к минимальному диаметру устанавливаемого цоколя, не превышающего величину 2,17, отношение диаметра тарелки к минимальному диаметру цоколя составляет от 0,55 до 0,75, а отношение диаметра развертки к минимальному диаметру цоколя составляет от 0,93 до 1,07;
2. Электрической лампе по п. 1 драйвер установлен внутри цоколя или внутри колбы, или разделен на две части, устанавливаемые внутри цоколя и колбы;
3. Электрической лампе по п. 1 или 2 часть поверхности колбы выполнена светоотражающей или светорассеивающей, или светоотражающей и светорассеивающей.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является расширение области применения электрической (светодиодной) лампы с наполнением и герметичной колбой за счет улучшения технических параметров, совершенствования конструкции (унификации ответственных узлов) и увеличения возможной номенклатуры изделий. Светоотражение, например, обеспечивает, в ряде случаев, меньшее непроизводительное рассеяние световой энергии, лучший вывод излучения, оптимальное перераспределение светового потока (за счет выполнения части колбы светоотражающей). Свето-рассеивание снижает габаритную яркость и слепящее действие. Предложенные (для отношения максимального диаметра к минимальному диаметру устанавливаемого цоколя, не превышающего величину 2,17) отношения диаметра тарелки к минимальному диаметру цоколя (от 0,55 до 0,75) и диаметра развертки к минимальному диаметру цоколя (от 0,93 до 1,07) являются оптимальными и позволяют унифицировать конструкции ножек и светоизлучающего тела, улучшить технологичность конструкции, расширить номенклатуру изделий по числу используемых видов колб и цоколей. Например, для колбы А 50, в принципе, могут быть применены колпачковые цоколи Е12, Е14, Е26, В15, В22 (минимальный диаметр цоколя 12 мм). При этом может быть использована одна унифицированная конструкция опорной ножки (и светоизлучающего тела), изготавливаемая из дрота диаметром от 6,60 до 9,00 мм (тарелка) с разверткой от 11,16 до 12,84 мм (отношение максимального диаметра (26 мм, Е26) к минимальному диаметру (12 мм, Е12) устанавливаваемого цоколя составляет менее 2,167). Ножка данной конструкции без каких-либо изменений может быть также использована, в том числе, и для электрических (светодиодных) ламп с колбами А 45, А 55, G 45, В 35, Т 26, Т 38, К 50, Е 50, R 50, R 63 (и других, аналогичных применяемым для ламп накаливания) с рассмотренными типами цоколей (Е12, Е14, Е26, В15, В22). Лампа, выбранная за прототип, в колбе А 50 изготавливается только с цоколями Е27 (Е26) и ножками с диаметрами тарелки от 11,75 до 12,25 мм и развертки 17,5 и 18 мм. Изготовление ее с другими типами цоколей и видов колб выполняется со значительными изменениями конструкции ножки и светоизлучающего тела (отсутствие унификации). Установленные отношения размеров в заявляемой лампе позволяют качественно изготовить опорную ножку и светоизлучающее тело и осуществить надежную герметичную заварку колбы лампы в ходе технологического процесса. Устанавливаемые отношения параметров обеспечивает наибольший полезный внутренний обьем колбы и технологически обоснованы. Обьем увеличивается на 3…8% (для ламп с малыми габаритными размерами), что улучшает охлаждение светодиодов и элементов драйвера (части драйвера, размещаемой в колбе) и повышает светоотдачу. Снижается вес опорной ножки и лампы, а также уменьшается расход материала. Положительный эффект достигается во всем устанавливаемом диапазоне (диапазонах) значений, учитывающем, кроме того, технологические допуски. Коэффициент усиления светового потока заявляемой лампы (вариант выполнения колбы со светоотражающей поверхностью), изучаемого в нижнюю зону, может лежать в пределах от 2 до 10. Может быть снижено и слепящее действие лампы (в том числе, вариант исполнения со светорассеивающей поверхностью). В новой лампе также возможно эффективное изолирование ответственных элементов и узлов от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды, улучшение условий работы светодиодов и элементов драйвера, улучшение условий охлаждения элементов и узлов, качественная электрической изоляция драйвера, выполнение драйвера и его частей с более высокими техническими характеристиками. Таким образом, возможно улучшение светотехнических характеристик, повышение степени защиты, надежности работы и среднего срока службы лампы.
Расширение области применения электрической лампы за счет повышения светоотдачи и силы света в направлении оптической оси, увеличения светового потока, излучаемого в нижнюю зону, уменьшения веса и расхода материалов, возможного снижения слепящего действия, а также улучшения технологичности конструкции, обеспечиваемого повышения степени защиты, надежности работы и среднего срока службы достигается всей совокупностью признаков, в том числе, новыми вариантами конструкции, геометрическими и конструктивными параметрами, то есть, за счет отличительных признаков полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемой электрической (светодиодной) лампы являются существенными.
На рисунке приведена типовая конструкция заявляемой электрической лампы со стандартным сетевым цоколем класса Е27 (Е14, Е40). Изображен вариант реализации электрической (светодиодной) лампы с драйвером, разделенным на две части (устанавливаемые внутри цоколя и внутри колбы), и светоизлучающим телом на основе светодиодных линеек (филаментов).
Электрическая лампа содержит герметичную колбу 1 с колпачковым цоколем 2 для подключения к внешнему источнику питания, заполненную изолирующим оптически прозрачным и химически инертным газообразным веществом, изготовленную из оптически прозрачного материала, со светодиодным светоизлучающим телом 3 (в виде светодиода или нескольких светодиодов, или одной, или нескольких светодиодной матриц, или одной, или нескольких светодиодных линеек, электрически соединенных последовательно или параллельно, или последовательно и параллельно) и опорной ножкой внутри, имеющей корпусную тарелку 4 с разверткой 5, пустотелый штенгель 6 для откачки, штабик 7 и электроды 8 для электрического соединения внутренних и наружных частей, драйвер 9, устанавливаемый внутри цоколя (или внутри колбы, или разделенный на две части, устанавливаемые внутри
цоколя и колбы), входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, а выходные выводы подключены к контактам светоизлучающего тела, для отношения максимального диаметра к минимальному диаметру устанавливаемого цоколя, не превышающего величину 2,17, отношение диаметра тарелки к минимальному диаметру цоколя составляет от 0,55 до 0,75, а отношение диаметра развертки к минимальному диаметру цоколя составляет от 0,93 до 1,07. Как варианты исполнения электрической лампы, часть поверхности колбы может быть выполнена светоотражающей и (или) светорассеивающей.
Электрическая лампа в установившемся режиме работает следующим образом. Через колпачковый цоколь 2 стандартного вида (Е12, Е14, Е26, Е27, Е40, В15, В22) электрическая лампа подключается к обычной питающей сети переменного тока (внешнему источнику питания) непосредственно или к специальной сети (источнику) постоянного или переменного тока. Колба 1 из оптически прозрачного материала является основной частью конструкции электрической лампы, выполняющей несущую, защитную, светораспределяющую, светорассеивающую функции и функцию герметизации рабочего пространства. Колба 1 жестко механически соединена (сопряжена) с цоколем 2 (непосредственно или, например, через специальную вставку из пластика, в которой, в частности, может быть размещен и драйвер 9, или его часть). Контакты цоколя 2 через электроды 8, впаянные в ножку, соединены с входными выводами платы драйвера 9 (или части драйвера 9 через вторую часть драйвера 9, либо через драйвер 9, при размещении его внутри цоколя 2, соединены с контактами светоизлучающего тела 3). Светодиодная матрица (светодиод или несколько светодиодов, или светодиодные матрицы, светодиодная линейка или линейки) светоизлучающего тела 3 электрически соединена с выходными выводами платы драйвера 9 (части драйвера 9). Ножка имеет корпусную тарелку 4 с разверткой 5 заданного размера в основании. Геометрические и конструктивные параметры ножки и тарелки 4 с разверткой 5 должны быть (по требованиям технологии) оптимально согласованы с
параметрами колбы 1 (в том числе, ее горловины), светоизлучающего тела 3 (геометрические параметры, мощность) и цоколя 2. Диаметр колбы 1 определяет диаметр ее горловины и, следовательно, габаритные размеры светоизлучающего тела 3 и драйвера 9 (части драйвера 9, размещаемой внутри колбы 1). Неправильное согласование геометрических и конструктивных параметров приводит, в частности, к браку при герметизации (заварке) колбы 1. Вся конструкция (ножка, светоизлучающее тело 3, драйвер 9 или его часть) размещается внутри колбы 1 и изолирована от окружающей среды. Для электрических (светодиодных) ламп рассматриваемого типа (герметичные лампы, аналоги, прототип, заявляемая лампа) применяются, в основном, колпачковые цоколи (2) Е12, Е14, Е26, Е27, В15, В22. Может быть также использован цоколь (2) Е40 (лампы повышенной мощности). Основные виды применяемых колб (1) следующие: А 45, G 45, А 50, А 55, А 60, В 35, Т 26 (возможно использование колб (1) К 50, К 55, Т 38, А 65, А 68, А 90). Перечисленные виды колб (1) применяются также для изготовления ламп накаливания. Используя предлагаемые отношения диаметров тарелки 4 (0,55... 0,75) и развертки 5 (0,93... 1,07) к минимальному диаметру устанавливаемого цоколя 2 (для отношения максимального диаметра к минимальному диаметру устанавливаемого цоколя 2, не превышающего величину 2,17), унифицируют опорные ножки (и конструкцию светоизлучающего тела 3) для определенных рядов колб (1) и цоколей (2). Например, одна конструкция ножки (и светоизлучающего тела 3) может быть использована для ламп с колбами (1) А 45, G 45, А 50, А 55, А 60, В 35, Т 26, К 50, К 55, Т 38, А 65 и устанавливаемыми цоколями (2) Е14, Е26, Е27, В15, В22, для ламп с колбами (1) К 55, А 65, А 68, А 90, Т 60 и цоколями (2) Е26, Е27, Е40, В 22, для ламп с колбами (1) А 45, G 45, А 50, А 55, А 60, В 35, Т 26, К 50, К 55, Т 38 и цоколями (2) Е12, Е14, Е26, В15, В22. В настоящее время для освоенных в производстве типоисполнений (колбы (1) А 45, G 45, А 50, А 55, А 60, В 35, Т 26, цоколи (2) Е14(Е12), Е27 (Е26), В15, В22) ламп применяются оригинальные опорные ножки (и конструкции светоизлучающего тела 3) с различающимися геометрическими и конструктивными параметрами. Драйвер 9 преобразует напряжение (энергию) внешнего источника питания в напряжение (ток) заданного уровня и частоты, необходимое для электропитания светодиодов светоизлучающего тела 3. Питание светодиодов (3) может осуществляться от драйвера 9 как на постоянном, так и на переменном токе. В случае питания на переменном токе электрическая схема соединения светодиодов светоизлучающего тела 3 отличается от схемы на постоянном токе. При прохождении электрического тока через светодиоды матриц (3) они излучают световые волны, в том числе, видимый свет. Возможно также, например, излучение в ультрафиолетовой (или инфракрасной) области спектра, что обеспечивается типом применяемых в лампах светодиодов (3). Питание на переменном токе может быть энергетически выгоднее. Число ступеней преобразования энергии в этом случае уменьшается, что, в целом, повышает надежность работы драйвера 9 и снижает потери в нем. Увеличивается средний срок службы лампы, и улучшаются ее энергетические характеристики. Светоизлучающее тело 3 центрируется и поддерживается (закрепляется или фиксируется) во внутреннем пространстве колбы 1 с помощью штабика 7. Для этого штабик 7 может быть снабжен линзой и одним (или несколькими) проволочным (или иным) держателем из токопроводящего (или диэлектрического) материала, или иметь отформованный специальным образом конец, например, с необходимыми плоскостями для прижима светодиодов или светодиодных матриц (линеек) светоизлучающего тела 3. Штабик 7 также может иметь и конструктивные элементы для установки и фиксации драйвера 9 (части драйвера 9). Штабик 7 не является строго обязательным элементом ножки и может отсутствовать в конструкции. Наличие и отсутствие штабика 7 в конструкции зависит от исполнения светоизлучающего тела 3. Принцип функционирования электрической (светодиодной) лампы при этом не изменяется. Колба 1 заполнена изолирующим (буферным) газом (изолирующим оптически прозрачным газообразным веществом). Откачка и заполнение внутреннего объема колбы 1 осуществляется через откачной (пустотелый) штенгель 6 опорной ножки. После заполнения колбы 1 изолирующим газом штенгель 6 отпаивается. В качестве буферного газа используют, например, смесь, содержащую более 15% азота, 20% гелия и менее 65% водорода при давлении от 0,3 до 2,5 бар (при температуре окружающей среды 273 К). Состав изолирующего газа и его давление должны обеспечивать наилучший теплоотвод от элементов и узлов светодиодной лампы, установленных внутри колбы 1, и достаточную электрическую прочность. Добавки азота препятствуют диффузии водорода и гелия внутрь материала и через стенки колбы 1, а также через вакуумплотные впаи (8) и повышают электрическую прочность газовой смеси. Для лучшего теплоотвода необходимо использовать изолирующий газ, обладающий повышенной теплопроводностью, и увеличивать его давление в колбе 1. Поэтому устанавливать в колбе 1 давление изолирующего газа ниже 0,3 бар неэффективно, а выше 2,5 бар технически трудно реализуемо. Практически, оптимальное абсолютное давление для большинства модификаций ламп заявляемой конструкции должно находится именно в пределах от 0,3 до 2,5 бар (что наиболее технологично и обеспечивает требуемые характеристики наполнения и теплоотвод). Водород и гелий имеют хорошую теплопроводность. Добавки гелия ограничивают содержание водорода в смеси, не увеличивая существенно цену и не снижая в больших пределах ее теплопроводности. Обьем колбы 1 и ее форма должны быть также оптимизированы с целью улучшения теплоотвода. Близкими к оптимальным являются, как отмечено, стандартные виды (формы) и существующие размеры колб (1), применяемых для серийных ламп накаливания (в том числе, грибообразных К 50, К 55). При этом светодиоды и (или) матрицы (линейки) светоизлучающего тела 3 должны размещаться на минимальном расстоянии от стенок колбы (1). Диаметр тарелки 4 должен быть минимальным, но удовлетворяющим технологическим требованиям, что обеспечивает наибольший (при заданных размерах колбы 1) полезный внутренний обьем колбы 1, заполненный изолирующим газом. Увеличение объема улучшает условия охлаждения светодиодов (3), а также элементов драйвера 9 (части драйвера 9) при размещении последнего в колбе 1. Повышается светоотдача лампы, сила света в направлении оптической (и геометрической) оси, увеличивается световой поток в нижнюю зону, улучшается технологичность изделия, в том числе, за счет унификации. За счет выполнения части поверхности (внутренней или внешней) колбы 1 светоотражающей (например, зеркализация, покрытие светлым отражающим составом) повышается сила света в направлении оси лампы, увеличивается световой поток, излучаемый в нижнюю зону, и снижается слепящее действие источника света. Снижение слепящего эффекта достигается также выполнением части поверхности колбы 1 светорассеивающей.
В таблице представлены значения коэффициентов теплопроводности изолирующих (буферных) газов при температуре близкой к 273 К (кроме элегаза, которые принципиально могут быть применены в новых электрических (светодиодных) лампах. С повышением температуры теплопроводность газов возрастает (для рабочих температур элементов лампы, приблизительно, на 30%). Из таблицы следует, что из инертных газов лучшей теплопроводностью обладает гелий, а из молекулярных - водород. Однако в качестве оптически прозрачного материала колб, обеспечивающего требуемую их герметичность (а также из-за технических, технологических и экономических ограничений), в электрических (светодиодных) лампах следует использовать технические стекла, аналогичные применяемым для ламп накаливания. Для таких стекол значение имеет их проницаемость по водороду и гелию (проницаемость других газов ничтожно мала и ей обычно пренебрегают). Проницаемость гелия через технические стекла примерно в 10 раз больше, чем водорода, несмотря на то, что атомный радиус гелия практически в 1,5 раза больше молекулярного радиуса водорода. Это объясняется тем, что при проникновении химически активного при повышенных температурах водорода через стекла могут образовываться гидроксильные группы, препятствующие потоку водорода.
* Справочно.
Наибольшей газопроницаемостью по водороду и гелию обладает, в частности, кварцевое стекло, а наименьшей - алюмосиликатное.
Использовать технически чистый гелий в качестве изолирующего газа для новых светодиодных ламп затруднительно (из-за возможного ухода через стенки колбы 1 и вакуумплотные впаи электродов 8, а также низкой электрической прочности) и не целесообразно (из-за относительно высокой цены и сложной технологии получения и очистки).
Водород, как отмечено, горючий (пожароопасный) и взрывоопасный газ. Его применение (по сравнению с гелием) не дает заметного выигрыша и по теплопроводности. Водород имеет низкую вязкость и также сравнительно высокую проникающую способность через технические стекла. Чистый водород для используемых материалов колб 1 и рабочих температур может быть и химически активным. Поэтому заполнять им (или двухкомпонентными смесями водорода с гелием) колбы 1 в электрических (светодиодных) лампах предлагаемой конструкции хотя и возможно, но также не рекомендуется. Однако диффузии водорода в материал и через стенки колбы 1 (и через вакуумплотные впаи 8) и химическим реакциям может препятствовать «тяжелый» инертный газ или азот. Применение дополнительных газовых компонентов ограничивает предельное содержание водорода в смеси и, в значительной мере, нивелирует его недостатки. При этом водород имеет более низкую цену, чем, гелий. Многокомпонентные смеси водорода с азотом, а также с инертными газами и азотом наиболее эффективны и безопасны. Поэтому заявляемые составы наполнения колб 1 рекомендуются к использованию в новых электрических (светодиодных) лампах с повышенными техническими характеристиками, высокой надежностью работы и низкой ценой.
Элегаз является наиболее «тяжелым» из всех известных газов (приблизительно в 5 раз тяжелее воздуха). А значение коэффициента теплопроводности элегаза в таблице соответствует высокой температуре (около 1300 К). При рабочих температурах новой электрической (светодиодной) лампы теплопроводность элегаза ниже теплопроводности воздуха и азота. То есть, он менее эффективен (и очень дорог). Однако этот газ обладает хорошими электроизоляционными свойствами. В принципе, элегаз можно использовать в качестве компонента теплоотводящей смеси в электрической лампе.
Криптон и ксенон имеют сравнительно малую теплопроводность. Кроме того, криптон и, в еще большей степени, ксенон являются «дорогими» газами. В отличие от ламп накаливания, применение указанных газов в новых электрических (светодиодных) лампах возможно, но не очень оправдано (не эффективно и не рентабельно).
Необходимость в применении заявляемых смесей газов (водород с азотом, водород с инертным газом и азотом), продиктована требованиями по электрической прочности изолирующего наполнения, достаточной теплопроводности, ограничения диффузии гелия (при его использовании в составе смеси) через стенки и внутрь материала колбы 1, через вакуумплотные впаи (8), а также, в ряде случаев, экономическими причинами. Электрическая прочность смесей возрастает с ростом давления. Цена используемых газов и газовых смесей также имеет значение, так как влияет на конечную цену изделия при серийном (массовом) производстве. В этой связи перспективным является применение в заявляемой электрической светодиодной лампе водорода, гелия, азота, неона и аргона (в смесях).
Неон также обеспечивает относительно хороший отвод тепла от элементов конструкции и достаточную надежность работы электрической (светодиодной) лампы. Однако он имеет сравнительно высокую вязкость.
Технически чистый воздух (осушенный, без механических примесей и пыли) также возможно применить в качестве изолирующего газа (добавок к смесям) в электрических (светодиодных) лампах (как и азот). Принципиально его можно использовать в смесях вместо азота. Теплопроводность воздуха приблизительно в 2,6 раза выше теплопроводности криптона, что также позволяет снизить температуру внутри колбы 1. Теплопроводность азота близка к теплопроводности воздуха. Азот (воздух) может значительно повысить электрическую прочность газовой смеси наполнения колбы 1.
Использование оптически прозрачных подложек для светодиодов и светодиодных матриц светоизлучающего тела 3 с повышенными теплопроводящими свойствами позволяет снизить потери энергии оптического излучения и уменьшить нагрев полупроводниковых структур светодиодов, что положительно сказывается на стабильности характеристик ламп и среднем сроке их службы.
Разделение драйвера 9 на две части, устанавливаемые внутри цоколя 2 и колбы 1, позволяет выполнить драйвер 9 на большие мощности и с более высокими техническими характеристиками, обеспечить качественную изоляцию и улучшить охлаждение ответственных элементов драйвера 9.
По сравнению с прототипом существенно расширяется область применения электрической (светодиодной) лампы.
Действительно, если рассматривать электрическую (светодиодную) лампу как электротехническое изделие, то заявляемая лампа также может характеризоваться наивысшей степенью защиты (IP68). Изоляция ответственных элементов и узлов электрической (светодиодной) лампы от воздействия окружающей среды обеспечивает стабильную и надежную работу всего устройства в любых, в том числе, в жестких условиях эксплуатации. Новая лампа также может эффективно использоваться как для внутреннего, так и для наружного освещения. Однако за счет оптимизации конструкции, улучшения условий охлаждения светодиодов заявляемая электрическая лампа имеет более высокую светоотдачу, чем лампа, выбранная за прототип. Увеличивается сила света в направлении оптической оси лампы, возрастает световой поток, излучаемый в нижнюю зону, может быть снижено слепящее действие источника света (оптимизация формы колбы, выполнение части поверхности светоотражающей и (или) светорассеивающей). Новая электрическая лампа имеет более технологичную конструкцию, допускающую высокую унификацию ответственных комплектующих изделий, обеспечивающую надежность и качество применяемого технологического процесса, и выполнение изделия с различными типами цоколей, в том числе, малогабаритных (Е12, Е14, В15, BY15), использование перспективных грибообразных колб К 50, К 55 (Е 50, Е 60, Е 75) и иных видов колб, ранее не применявшихся. Для рассмотренного вида колб (К 50, К 55) из-за технологических ограничений серийно малогабаритные цоколи не использовались. Предлагаемые отношения диаметров тарелки (от 0,55 до 0,75) и развертки (от 0,93 до 1,07) к минимальному диаметру устанавливаемого цоколя для отношения максимального диаметра к минимальному диаметру устанавливаемого (для ряда типопредставителей) цоколя (не превышающего величину 2,17) технологически достижимые и наиболее оптимальные. Например, при серийном производстве электрических (светодиодных филаментных) ламп на мощность 4 Вт в колбах А 45 и В 35 с цоколями Е 14 и Е 27 использованы 4 типоразмера опорной ножки и конструкции светоизлучающего тела. Расширение номенклатуры и организация выпуска ламп с колбой К 50 потребовало разработки еще 2 типоразмеров ножек и конструкций светоизлучающего тела (известное техническое решение). Применение новой конструкции электрической (светодиодной) лампы позволяет применить всего 1 типоразмер опорной ножки (и светоизлучающего тела) для всех 6 типопредставителей серии (колбы А 45, В 35, К 50, устанавливаемые цоколи Е14, Е27). За счет именно обеспечиваемой указанными соотношениями унификации ножек и улучшается, в частности, технологичность конструкции новой электрической (светодиодной) лампы. Технологичность конструкции изделия оказывает существенное влияние на снижение затрат труда, материалов и энергии, связанных с его изготовлением, эксплуатацией, техническим обслуживанием, ремонтом и утилизацией. Технологичность (конструкции) - это совокупность свойств конструкции с заданными эксплуатационными характеристиками, обеспечивающих наименьшие затраты при ее производстве, техническом обслуживании и ремонте (приспособленность продукции к изготовлению применительно к освоенным технологическим процессам и оборудованию при оптимальных затратах материалов и сроках изготовления, минимальной трудоемкости и стоимости), одна из комплексных характеристик технического устройства (изделие, прибор, аппарат), которая выражает удобство его производства, ремонтопригодность и эксплуатационные качества. Обеспечение технологичности конструкции изделия осуществляется на уровне деталей, сборочных единиц и изделия в целом. Технологичность закладывается в конструкцию изделия при соответствующем назначении параметров деталей (их материала, размеров и их отклонений, шероховатости и тому подобное), форм и взаимного расположения поверхностей их элементов. Технологичность же изделия выражает не функциональные свойства изделия, а его конструктивные особенности: состав и взаимное расположение узлов; форму и расположение поверхностей деталей и соединений, их состояние, размеры; вид используемых материалов; количество деталей в машине или узле; качество их изготовления и так далее.
Технологичность (производственная, эксплуатационная) базируется на стандартизации, унификации и преемственности. Область применения электрической (светодиодной) лампы расширяется. Номенклатура типоисполнений изделия возрастает также в несколько раз (без существенных технологических сложностей).
Новая конструкция электрической (светодиодной) лампы позволяет разработать и применить драйверы постоянного или переменного тока с высокими техническими характеристиками и обеспечить, как отмечено выше, качественную электрическую изоляцию драйвера (или его частей). Это повышает надежность работы и увеличивает средний срок службы электрической (светодиодной) лампы. Повышение надежности работы и среднего срока службы лампы (по вышеперечисленным причинам) обеспечивают широкую область ее применения. Новая электрическая лампа может быть использована в специальных и в новых ответственных областях применения.
Использование рекомендуемых материалов для подложек светодиодов позволяет улучшить режимы их функционирования, обеспечивает стабильную и надежную работу электрической (светодиодной) лампы.
Новая лампа может быть выполнена на большую мощность и больший световой поток (до 8 … 22 Вт и до 1400 … 2300 лм). Лампа, выбранная за прототип, в исполнениях с малогабаритными (декоративными) колбами имеет ограничение на мощность (до 5 Вт) и световой поток (до 550 лм).
Дополнительно, новая лампа, являясь более технологичной (по сравнению с лампой, выбранной за прототип), может быть и более надежной и иметь при серийном производстве более низкую цену. Снижение цены и увеличение надежности (и, соответственно, срока службы) за счет улучшения конструкции и технологии изготовления расширяют область применения заявляемой электрической (светодиодной) лампы.
Срок службы новой электрической светодиодной лампы (согласно экспертной оценки и результатов анализа отказов) может превышать срок службы
лампы, выбранной за прототип, в 1,2 … 1,5 раза (для ламп повышенной мощности) за счет улучшения условий работы светодиодных матриц (светодиодов) светоизлучающего тела и драйвера, качественного отвода тепла и улучшения электроизоляции. Это также расширяет область применения электрической лампы.
В новой лампе используется оптимальный и технически обоснованный диапазон давлений наполнения колбы (от 0,3 до 2,5 бар при температуре окружающей среды 273 К), обеспечивающий стабильность характеристик и надежность работы устройства в целом. Стабильная и надежная работа расширяет область применения новой электрической (светодиодной) лампы.
Аналогично заявленной для электрических (светодиодных) ламп, подобная конструкция может быть использована и для обычных электрических ламп накаливания, что также повысит технологичность и улучшит и их технические параметры и надежность.