СВЕТОДИОДНАЯ ЛАМПА
LED LAMP

Изобретение относится к светодиодным источникам излучения.
Из уровня техники известна светодиодная лампа по патенту RU 2465688 C1, содержащая светодиодный модуль, выполненный в виде основания с закрепленными на нем единичными светодиодами, содержащими группу последовательно соединенных светодиодных кристаллов, радиатор, поверх которого размещено основание светодиодного модуля, преобразователь напряжения, электрически соединенный со светодиодным модулем, а также выполненное в виде цоколя средство токоподвода, электрически соединенное с преобразователем напряжения. Недостатком такой лампы является узконаправленное излучение света, что создает световой дискомфорт при использовании лампы в быту и не позволяет получить освещение, аналогичное освещению от классических ламп накаливания.
Известна светодиодная лампа по патенту RU 2508498, содержащая источник света, состоящий из множества светодиодов, установленных на печатной плате, расположенной внутри колбы. Печатная плата соединена с радиатором. Внешняя поверхность колбы сформирована из частей, пропускающих свет, и частей, являющихся элементами радиатора. Такая конструкция колбы предусматривает улучшение пространственного распределения света, но, однако, также не обеспечивает свечения, близкого к классической лампе накаливания.
Известна светодиодная лампа по заявке US 2013/0307492 A1, выбранная авторами в качестве ближайшего аналога. Устройство содержит светоизлучающий элемент, выполненный на дискретных светодиодах, отражающие элементы, которые могут быть выполнены из фольги, диффузионный колпак, теплоотводящий элемент и др. Данное устройство, имеющее довольно сложную конструкция системы отражения, позволяет улучшить световое распределение по сравнению со стандартными светодиодными лампами, но не обеспечивает полную взаимозаменяемость с классическими лампами накаливания.
Целью изобретения является создание светодиодной лампы, которая позволяет формировать различные диаграммы излучения, в том числе и максимально близкие излучению классической лампы накаливания по пространственному распределению света, при этом результат, полученный при создании такой лампы, состоит в улучшении оптических характеристик в широком спектральном диапазоне, повышении эффективности светоизлучающего элемента за счет оптимизации системы теплоотвода, а также увеличении уровня защиты конструкции от влияния негативных факторов окружающей среды.
Поставленный результат достигается тем, что в светодиодной лампе, содержащей светодиодный модуль, конструкция которого представляет из себя COB (chip-on-board) элемент, размещенный внутри двояковыпуклой, двояковогнутой, выпукло-вогнутой, выпукло-плоской или вогнуто-плоской объемной линзы, выполненной из светопрозрачного материала, COB-элемент содержит светодиодные кристаллы, посаженные на печатную плату и имеющие электрическое соединение с печатной платой, а объемная линза имеет поднутрение, в котором располагается герметизированный компаундом COB-элемент со светодиодными кристаллами. Двояковыпуклая, двояко-вогнутая, выпукло-вогнутая, выпукло-плоская или вогнуто-плоская объемная линза может иметь сложную форму поверхности, различные сегменты с отличающейся кривизной, а также дополнительные конструктивно интегрированные оптические конструктивные элементы, выполненные в области поднутрения и обеспечивающие полное внутреннее отражение падающего на них бокового излучения кристалла. Материал линзы может содержать светорассеивающий материал (диспергатор). Конструкция светодиодной лампы способствует формированию различных диаграмм излучения, в том числе и максимально близкой к диаграмме излучения лампы накаливания, высокой эффективности излучения и отсутствию дополнительных световых потерь, связанных с использованием защитного колпака, поскольку данная лампа может работать без защитного колпака.
В частном случае, двояковыпуклая линза может представлять из себя сферу, что способствует формированию излучателя света с пространственным распределением излучения близким к классической лампе накаливания.
В частном случае, диаметр линзы более чем на порядок превосходит размеры светоизлучающего кристалла.
В частном случае, поднутрение линзы имеет светоотражающие элементы, работающие на принципе полного внутреннего отражения, способствующие более эффективному выводу бокового излучения светоизлучающего кристалла.
В частном случае, материал линзы содержит светорассеивающие частицы (диспергатор), способствующие формированию равномерного светового потока от лампы и устранению эффекта ослепления (блесткости).
В частном случае, светоизлучающий кристалл герметизирован компаундом, представляющим из себя смесь силикона и люминофора.
В частном случае, герметизирующий компаунд также содержит светорассеивающие частицы (диспергатор).
В частном случае, светоизлучающий кристалл имеет интегрированный слой люминофора.
Предпочтительно, чтобы поднутрение линзы содержало направляющие прорези для установки COB-элементов внутрь линзы.
Предпочтительно, чтобы направляющие прорези в поднутрении линзы имели геометрию, обеспечивающую плотную посадку COB-элементов.
Заявленные конструктивные варианты поясняются следующими чертежами:
Рис. 1 - ранее известная светодиодная лампа, описанная в US 2013/0307492 A1.
Рис. 2 - вертикальное сечение варианта осуществления светодиодного COB-элемента с первичной оптикой.
Рис. 3 - вертикальное сечение светоизлучающего модуля на основе COB-элементов и двояковыпуклой линзы, выполненной в виде сферы с поднутрением.
Рис. 4 - вертикальное сечение двояковыпуклых и выпукло-вогнутных объемных линз различной геометрии с поднутрением.
Рис. 5 - конструктивные чертежи двояковыпуклой линзы, выполненой в виде сферы с поднутрением, с направляющими прорезями для COB-элементов и оптическими конструктивными элементами с эффектом полного внутреннего отражения.
Рис. 6 - конструкция светоизлучающего модуля, где А) - сферическая линза с поднутрением и направляющими прорезями, Б) - собранный светодиодный модуль, содержащий объемную линзу в виде сферы и COB-модуль.
Рис. 7 - фотография рамки из отдельных элементов печатных плат для изготовления COB-элементов.
Рис. 8А - фотографии COB-элемента и объемной линзы в виде сферы с поднутрением; рис. 8Б - реальный рабочий прототип светоизлучающего модуля в сборе.
Рис. 9 - фотографии светодиодного модуля в сборе с радиатором, где А) - светоизлучающий модуль с прозрачной сферической линзой из чистого полимерного материала, Б) - светодиодный модуль с линзой, содержащей диспергирующий компонент в виде частиц кварца.
Рис. 10А - макетный чертеж лампы с декоративным защитным колпаком, рис. 10Б - действующий прототип лампы описываемой конструкции.
Рис. 11 - Графики углового светового распределения кривой силы света (КСС) для классической лампы накаливания - а) и для предлагаемой светодиодной лампы - б).
В основу достижения поставленного результата в заявленных вариантах положена известная технология посадки светодиодного кристалла непосредственно на печатную плату, называемая Chip-on-Board (COB)-технология, позволяющая обеспечить улучшенный отвод тепла и создавать световые системы повышенной яркости. Данная технология наиболее перспективна с точки зрения формирования эффективных светодиодных модулей (кластеров). Такой подход к технологии корпусирования светодиодов с использованием специальной оптики позволяет создавать различные светодиодные модули со специальной первичной оптикой. Для формирования требуемого спектра излучения светодиодного модуля допускается, чтобы герметизирующий компаунд содержал смесь светопрозрачного полимерного материала с по крайней мере одним люминофором. Возможно добавление в упомянутый светопрозрачный герметизирующий компаунд светорассеивающего материала (диспергатора). Светоизлучающие кристаллы могут быть разного типа, разного размера и имеющие различный спектр излучения.
На Рис. 2 показан принципиальный вариант выполнения заявленного светодиодного модуля на основе COB-технологии, содержащего печатную плату 1, имеющую теплоотводящую основу, выполненную из металла и/или теплопроводящей керамики, электроизолирующий слой (препрег или стеклотекстолит) 2 (в случае использования керамической теплоотводящей основы этот слой может не использоваться) и металлический слой 3 с выполненной на нем топологией/трассировкой печатной платы. Светодиодный модуль также содержит по крайней мере один светоизлучающий кристалл 4 с электрическими контактами, соединенный электрическими проводами 5 с металлическим слоем 3, и защищенный светопрозрачным герметизирующим компаундом 6, в качестве которого может быть использован инкапсулирующий материал, например, оптически прозрачный силикон. Область светоизлучающего кристалла 4 покрыта оптической линзой 7 с заданными характеристиками, выполненной с поднутрением, в котором заключен упомянутый светопрозрачный герметизирующий компаунд 6, формируя тем самым единую оптическую систему со светоизлучающим кристаллом 4. Линза 7 может иметь крепежные пины (см. далее), с помощью которых она закреплена и выровнена на печатной плате. Введение различных люминофоров в компаунд дополнительно позволяет получать различные спектры излучения светодиода. Также в компаунд могут добавляться различные светорассеивающие материалы, что способствует формированию желаемого углового распределения света. Линза крепится к печатной плате посредством развальцовки пинов (например, терморазвальцовка поликарбоната), которые дополнительно выполняют функцию пространственной юстировки линзы, что способствует ее правильной установке.
При приложении напряжения к светодиодному кристаллу 4 через провод 5 и трассировку слоя 3 печатной платы, кристалл 4 начинает излучать свет с определенной длиной волны. Оптическая согласованная система, состоящая из линзы 7 и компаунда 6 обеспечивает вывод излучения от светодиодного кристалла и формирование определенного углового распределения света. Тепло, выделяемое в светодиодном кристалле 3, отводится на основание платы 1 и, далее, на радиатор светодиодного устройства, что способствует эффективному рассеиванию тепла. Улучшенный теплоотвод позволяет значительно поднять по сравнению со стандартным дискретным светодиодом максимальный ток, проходящий через светодиодный кристалл (по крайней мере, на 50%), что, соответственно, позволяет увеличить интенсивность светового излучения кристалла. Для обеспечения лучшего теплоотвода от светодиодных модулей возможно использование печатных плат с металлической (например, Al или Cu) или керамической (например, нитридная керамика) основой. В настоящее время разработано большое количество композиционных керамических материалов, которые имеют высокую теплопроводность, сохраняя электроизоляционные свойства. Использование этих материалов в качестве теплоотводящей основы платы позволяет существенно упростить конструкцию платы. В случае использования печатной платы на теплоотводящей основе, являющейся электрическим изолятором, топология печатной платы, например, медная трассировка, располагается непосредственно на поверхности платы.
На основе вышеуказанного подхода можно формировать светодиодные лампы любого размера и геометрии, которые могут содержать любое количество светодиодных кристаллов. Рис. 3 иллюстрирует воплощение конкретного варианта такой лампы согласно изобретению. Показано сечение светоизлучающего модуля на основе COB-элемента, выполненного в виде двусторонней платы или двух сопряженных плат с двумя светоизлучающими светодиодными кристаллами 4, установленными с противоположенных сторон планы. COB-элемент помещен внутри поднутрения 8 двояковыпуклой (выпукло-вогнутой и др.) линзы 7. В частном случае двояковыпуклая линза может быть шаровидной, как это и показано на Рис. 3. Поднутрение 8 заполняется светопрозрачным компаундом, например силиконом, который может содержать добавки в виде люминофора, диспергатора и т.д. Шаровидная линза способствует, в частности, формированию светового излучения, которое является близким по пространственному распределению излучения стандартной лампы накаливания.
Для получения желаемого пространственного распределения света можно использовать объемные линзы различного вида и конструкции, содержащие поднутрения для помещения туда светодиодного COB-элемента. На Рис. 4, в качестве примера, показан ряд линз различной конструкции, содержащих поднутрения 8. Использование объемных линз различной конструкции позволяет получить разнообразные диаграммы распространения света и формировать лампы для применения в различных областях.
В качестве еще одного примера светодиодной лампы согласно изобретению, обеспечивающей диаграмму излучения, близкую к классической лампе накаливания, рассмотрим лампу с двояковыпуклой линзой в виде сферы с поднутрением согласно рис. 5. Линза 7 в виде сферы имеет поднутрение 8, в котором размещается COB-элемент. В верхней части поднутрения выполнена область 9, в которой размещаются светоизлучающие кристаллы, посаженные на печатную плату COB-элемента. Светодиодные кристаллы имеют свою диаграмму направленности излучения и значительную часть излучения (до 15%) составляет боковое излучение, типичное для классических светодиодных кристаллов типа "face-up" на сапфировой подложке, которая выполняет роль световода. Обычно боковое излучение кристалла теряется в оптической системе светодиода. Для устранения такого недостатка и более эффективного вывода излучения светоизлучающего кристалла, в рассматриваемом варианте конструкции лампы предусмотрено использование светоотражающего элемента 10, выполненного в виде конуса вращения и работающего на принципе полного внутреннего отражения. Для помещения и фиксации COB-элемента внутри линзы, в поднутрении, имеются направляющие прорези 11, имеющие переменное сечение, сужающееся в конце поднутрения, что способствует лучшей фиксации COB-элемента внутри линзы, а также лучшему тепловому контакту двух печатных плат, в том случае, когда COB-элемент формируется из двух печатных плат.
Линза обычно изготавливается из различных светопрозрачных материалов, например поликарбоната «Макролон», устойчивого к воздействию УФ-излучения. Также могут быть использованы другие материалы, такие как акрил, сополимеры, силиконы и др. Размер линзы обычно как минимум на порядок превышает размер используемого светоизлучающего кристалла. В некоторых случаях линза (см. рис. 6) может иметь пины 12, которые могут быть использованы для крепления линзы и ее пространственной юстировки. В этом случае крепление осуществляется за счет термической развальцовки пинов. На рис. 6a и 6B показан общий вид такой конструкции, содержащей печатную плату 1, посаженный светоизлучающий кристалл, размещенный в верхней области 1′ печатной платы, отверстие 12, служащее для крепления светоизлучающего модуля к теплоотводящему радиатору и контактные отверстия 13 для пайки проводов, обеспечивающих электропитание светоизлучающего модуля. Поднутрение 8 линзы заполняется жидким светопрозрачным компаундом, например силиконом, который может также содержать различные добавки, такие как люминофор (смесь люминофоров), диспергаторы и др. COB-элемент вдвигается в поднутрение 8 линзы вдоль фиксирующих направляющих прорезей 11, при этом из поднутрения вытесняются излишки компаунда, которые впоследствии удаляются. После этого компаунд подвергается процессу полимеризации, который может проходить как при комнатной температуре в течение определенного времени, так и при повышенной температуре в термокамере, что позволяет обеспечить полимеризацию в течение более короткого времени. После полимеризации компаунда получается светоизлучающий модуль (лампу) с заданными оптическими параметрами, имеющий хорошую защиту от воздействия внешних негативных факторов, таких как воздействие влаги, пыли и т.д.
Способ изготовления COB-элемента поясняется рис. 7. Для автоматизации изготовление COB-элементов используется коллективная печатная плата 1-1, состоящая из отдельных «кадров» 1-2, из которых формируется COB-элементы. На машине по посадке кристаллов (например, машины AD830, фирмы ASM Pacific Technology) осуществляется приклейка кристаллов на каждый отдельный «кадр». Далее машина по разварке кристаллов золотой проволокой (например, машина iHawkXtreme фирмы ASM Pacific Technology), осуществляет электрическое соединение каждого кристалла с топологическими элементами печатной платы за счет золотых проволочек. После этого, коллективная печатная плата механически разделяется на отдельные «кадры» - COB-элементы. Два таких элемента соединяются обратными сторонами между собой и формируют источник света, имеющий двустороннее излучение. Для лучшего теплового контакта, COB-элементы могут соединяться между собой за счет теплопроводящей пасты. Следует отметить, что на отдельных кадрах также могут располагаться различные другие электронные компоненты поверхностного монтажа, например, резисторы, диоды Зенера и др. Сформированный в результате источник света показан на Рис 8A и 8B.
2
2
3
4
Рис 9. демонстрирует светоизлучающий модуль, присоединенный к корпусу радиатора лампы. Рассеивание света в подобной линзе обеспечивает более плавную диаграмму света и отсутствие ослепляющего эффекта от светодиодного кристалла. В качестве диспергатора может также использоваться TiO, AlO, BaSO и т.д. Размер частиц диспергатора должен быть сравним с длиной волны и составляет 0,5÷10 мкм. Концентрация частиц диспергатора составляет 0,1÷2% весовых частей.
Предложенная конструкция лампы позволяет получить комфортное, привычное угловое световое распределение, близкое к тому, что дает классическая лампа накаливания. Это подтверждают измерения углового светового распределения (КСС - кривой силы света) классической лампы накаливания и предлагаемой в данном изобретении светодиодной лампы, которые показаны на Рис. 11.
Отметим, что в светодиодном модуле в качестве источника света может использоваться готовый корпусированный светодиод. В этом случае он устанавливается непосредственно на печатной плате, которая помещается в поднутрение объемной линзы.