СВЕТОДИОДНАЯ ЛАМПА БЕЛОГО СВЕЧЕНИЯ
WHITE LIGHT-EMITTING DIODE LAMP

Предлагаемое изобретение относится к светотехнике, в частности к источникам оптического излучения - лампам на полупроводниковых светодиодах ультрафиолетового /УФ/, фиолетового, голубого и синего диапазона оптического спектра излучения с преобразованием его в белое свечение при помощи люминофоров.
Лампы белого свечения предназначены для освещения, в том числе в составе осветительных приборов промышленного и бытового назначения.
Известны оптические модули /кластеры/ /1/ и светодиодные лампы /2/ белого свечения. В них использованы преимущественно мощные светодиоды белого свечения, выполненные с применением светодиодов голубого или синего свечения на кристаллах InGaN/GaN и люминофоров на основе алюмоиттриевого граната.
При этом в светодиодах один или несколько кристаллов с р-n переходами и контактными структурами окружают взвесью порошка люминофора в оптически прозрачной эпоксикремнийорганической смоле, и таким образом при эксплуатации синее излучение с доминирующей длиной волны ~460 нм преобразуется в белое свечение люминофора в более широкой полосе оптического спектра с максимумом при λ ~655 нм, частично смешиваясь с излучением светодиодного кристалла.
В этом случае существует проблема равномерного распределения плотности люминофора при его нанесении на кристалл, а также влияния повышенной температуры /особенно в составе ламп и кластеров/, вызывающей более высокую скорость деградации параметров люминофоров, чем р-n переходов кристаллов светодиодов белого свечения.
Известно также, что для возбуждения люминофора и получения белого свечения возможно также использование светодиодов, излучающих в УФ и фиолетовой областях спектра /3/.
Вместе с тем мощные светодиоды белого свечения и особенно компактные лампы и оптические модули на их основе имеют существенные недостатки, связанные с проблемами отвода тепла от р-n переходов в кристаллах с температурой, превышающей 125°С, в том числе при использовании радиаторов охлаждения приемлемых размеров, что влияет на светоотдачу и срок службы светодиодов, приводит к ускоренному изменению световых характеристик, преимущественно из-за деградации люминофоров, приводящих к изменению индекса цветопередачи, уменьшению показателя светопропускания оптической системы каждого светодиода лампы.
В изобретениях /2/ и /4/ сделаны попытки решения проблемы теплоотвода за счет применения в лампах специальных радиаторов охлаждения, а в /5/ и /6/ - за счет удаления люминофора от поверхности кристалла светодиода на некоторое расстояние, уменьшающее воздействие тепла.
Известна компактная лампа на светодиодах, в том числе белого излучения /7/, работающая без радиаторов охлаждения, содержащая светодиоды, собранные на печатных платах разного диаметра, установленных параллельно между собой, с подключением к преобразователю питающей сети, и имеющая средства токоподвода. Сборка светодиодов может быть установлена в защищенной оболочке с оптически прозрачной колбой.
Известна компактная лампа на мощных светодиодах /4/, установленных в тепловом контакте на гранях правильного многогранника - радиатора охлаждения с оптическими осями светодиодов, перпендикулярными плоскости монтажа.
Недостатки аналогов применительно к лампам белого излучения обусловлены перегревом и ускоренной деградацией люминофоров, покрывающих кристалл с р-n переходом светодиода, что ограничивает возможности увеличения мощности белых светодиодов, требует применения более громоздких радиаторов охлаждения.
Известна светодиодная лампа белого свечения /5/, содержащая по крайней мере один светодиод голубого или синего излучения, преимущественно в спектральном диапазоне 420-500 нм, установленный на одном конце полого трубчатого светопровода, противоположный конец которого сопряжен с рассеивателем в форме сферической линзы, покрытой люминофором, преобразующим голубое или синее излучение светодиода в белое свечение.
Недостатки устройства связаны с низким кпд преобразования излучения из-за потерь на стенках трубчатого светопровода и линзы, трудностями применения совокупности мощных светодиодов, работающих с радиаторами охлаждения, из-за сложности конструкции.
В качестве прототипа использовано устройство для создания белого свечения /6/, содержащее протяженный корпус, с пропускавшей свет гранью, внутри которого установлен светоизлучающий узел /оптический модуль/ со светодиодами, излучающими на длине волны, выбранной в пределах 300-420 нм, размещенными на плате. Пропускающая свет грань корпуса покрыта связующим компаундом, в котором содержится взвесь порошка фотолюминофора, преобразующего большую часть коротковолнового излучения светодиодов в белое свечение указанной грани, рассеиваемое в окружающее пространство в угле 20~160°, а также внутрь корпуса устройства со вторичным отражением от его стенок.
Недостатки прототипа обусловлены невозможностью формирования кругового светораспределения в пространстве полусферы и более, трудностями повышения светового потока без существенного увеличения габаритов, низкого кпд устройства из-за потерь излучения на стенках корпуса.
Целью предлагаемого изобретения является устранение перечисленных недостатков, создание светодиодной лампы с компактным светящим телом белого свечения, генерирующей равномерное светораспределение более чем в полусферу с высокой однородностью цветности излучения, с более высоким кпд, повышенной светоотдачей и долговечностью.
Поставленная цель достигается тем, что светодиодная лампа белого свечения, содержащая колбу с оптически прозрачными стенками, покрытую одним или смесью нескольких люминофоров, с собранными в ней светодиодами, излучающими в ультрафиолетовой, фиолетовой, голубой или синей областях оптического спектра, подключенными к преобразователю питающей сети, и средства токоподвода, указанные светодиоды образуют компактно светящее тело с оптическими осями светодиодов, ориентированными по меньшей мере в пространстве полусферы и перпендикулярно покрытым люминофором стенкам колбы, а светящие тела светодиодов равноудалены от указанных стенок.
Цель достигается также тем, что использованы мощные светодиоды, установленные в тепловом контакте на зеркализованных гранях правильного многогранника - держателя из теплопроводного материала с оптическими осями, перпендикулярными одновременно плоскости монтажа и покрытым люминофором стенкам колбы.
Цель достигается и тем, что светодиоды смонтированы равноудаленно, преимущественно на периферии параллельно установленных между собой круглых или многоугольных печатных плат разного диаметра с радиально ориентированными оптическими осями, перпендикулярными покрытым люминофором стенкам колбы.
Поставленная задача решается также тем, что в колбе лампы установлены светодиоды, излучающие в ультрафиолетовой или фиолетовой областях спектра с кристаллами на основе нитрида галлия с алюминием /AlGaN/ или нитрида галлия с индием /InGaN/, а нанесенные на внутренние стенки колбы люминофоры выбраны, например, на основе галофосфата кальция, активированного сурьмой и марганцем, причем указанная колба содержит остаточное давление воздуха 5-10 Па или заполнена инертным газом под давлением 400-800 Па.
Достижению цели способствует и то, что светодиоды индивидуально или группами шунтированы стабилитронами и подключены к преобразователю питающей сети, собранному в сопряженной с колбой или кольцевым радиатором охлаждения камере с подключением к стандартному цоколю типа Е14, Е27 или Су9,5, выполняющему функцию средств токоподвода.
Наиболее предпочтительные варианты исполнения ламп согласно изобретению показаны на чертежах.
Фиг.1 - лампа белого свечения на мощных светодиодах с радиатором охлаждения, вид сбоку, частично в разрезе.
Фиг.2 - сечение /А-А/ излучающей части лампы.
Фиг.3 - лампа белого свечения на светодиодах, работающих без радиаторов охлаждения. Вид сбоку, частично в разрезе.
Фиг.4 - то же, что и на фиг.3, вид сверху, сечение лампы /А-А/.
Показанный на фиг.1 и 2 вариант исполнения светодиодной лампы белого свечения содержит колбу 1 в форме части сферы из оптически прозрачного материала, например из кварцевого или силикатного стекла, стенки которой покрыты преимущественно изнутри слоем одного или смесью нескольких люминофоров 2 в виде взвеси частиц /порошка/, введенных в оптически прозрачный связующий компаунд с удовлетворительными адгезионными свойствами, например на основе эпоксидных смол, к материалу колбы.
3
5
12
Внутри колбы 1 установлены мощные светодиоды 3, например, на основе нитрида галлия с алюминием или индием, мощностью 0,6-3 Вт и более, выбранные из группы светодиодов, излучающих в ультрафиолетовой фиолетовой, голубой или синей областях спектра на длинах волн в диапазонах 200-320 нм, 380-400 нм, 440-460 нм, например с доминирующей длиной волны ~460 нм /синее излучение/, возбуждающих белое свечение люминофоров на основе алюмоиттриевого граната /YAlO/, легированного редкоземельным элементом церием, в более широкой полосе оптического спектра с максимумом при λ ~655 нм.
Поскольку слой люминофора, наряду с преобразованием излучения, частично пропускает синее излучение светодиодов, то цветовая температура светодиодной лампы белого свечения при этом определяется суммарным излучением и зависит от состава применяемых люминофоров,
Светодиоды 3, излучающие в коротковолновой области оптического спектра, образуют компактное светящее тело 4 /показано пунктиром на фиг.1/ с оптическими осями 00 светодиодов, ориентированными преимущественно в пространстве полусферы или более чем полусферы, и перпендикулярно покрытым люминофором 2 стенкам колбы 1.
При этом светящие тела /р-n переходы кристаллов не показаны/ светодиодов 3 равноудалены от указанных стенок колбы 1 и люминофора 2.
Последнее обстоятельство, наряду с конфигурацией светящего тела и при заданном полном угле рассеяния излучения /20/ каждого светодиода 3 и рассчитанном расстоянии между ними, обеспечивает равномерное распределение излучения на поверхности люминофора, а значит плавную индикатрису светораспределения лампы, что устраняет дискомфорт при ее эксплуатации.
Возможность использования при этом в лампе мощных светодиодов 3 допустима только при условии монтажа /установки/ их в тепловом контакте на гранях 5 правильного многогранника-держателя 6, выполненного и теплопроводного материала, например, на основе алюминиевых сплавов. Держатель 6 светодиодов наряду с обеспечением заданной ориентации из оптических осей в пространстве выполняет функции радиатора охлаждения. Оптические оси 00 светодиодов 3 при этом перпендикулярны одновременно плоскости монтажа и покрытым люминофором 2 стенкам колбы 1.
Для повышения КПД лампы грани 5 держателя 6 светодиодов предпочтительно выполняют зеркализованными, например покрытыми в вакууме слоем алюминия, защищенными окислами кремния.
Таким образом, к суммарному излучению люминофора и светодиодов, выходящему из колбы лампы, добавляется отраженная от держателя 6 часть излучения люминофора, поступающая внутрь колбы 1.
Покрытая люминофором колба лампы установлена и герметизирована мастикой, например, на основе эпоксикремнийорганической смолы с пластификатором, на выступающем из нее в окружающее пространство кольцевом радиаторе 7 охлаждения из теплопроводного материала, сопряженном внутри колбы в тепловом контакте с несущим светодиоды 3 держателем 6 - радиатором охлаждения.
Для варианта исполнения лампы белого свечения с установленными в колбе 1 светодиодами 3, излучающими в ультрафиолетовой или фиолетовой области спектра с кристаллами на основе нитрида галлия с алюминием /AlGaN/ или нитрида галлия с индием /InGaN/, и нанесенными на внутренние стенки колбы 1 люминофорами 2, например, на основе галофосфата кальция, активированного сурьмой и марганцем, указанная колба, вакуум-плотно установленная на кольцевом радиаторе 7, перекрывающем совместно с держателем ее горловину, содержит остаточное давление воздуха 5-10 Па или заполнена инертным газом под давлением 400-800 Па.
Светодиоды 3 лампы индивидуально или группами шунтированы стабилитронами 8, собранными на печатной плате 9, и подключены к преобразователю 10 питающей сети, позволяющему, например, эксплуатировать лампу в промышленной сети переменного тока.
Преобразователь 10 собран в сопряженной с колбой 1 и/или кольцевым радиатором 7 камере 11 с подключением к стандартному цоколю 12 типа E14, Е27 или Су9,5, выполняющему функцию средств токоподвода и монтажа лампы в патроне светильника.
В варианте исполнения светодиодной лампы белого свечения, показанной на фиг.3 и 4, колба 13 выполнена в форме колокола, имеющего цилиндрические боковые стенки 14 и купольную часть 15 в форме полусферы.
Изнутри стенки колбы покрыты слоем одного или нескольких люминофоров 16 по технологии, описанной для первого варианта исполнения.
В колбе 13 равноудаленно между собой и от продольной оси ZZ лампы, а также от покрытых люминофором 16 стенок колбы, преимущественно на периферии параллельно установленных между собой и разделенных проставками 17 круглых или многоугольных печатных плат 18 разного диаметра, смонтированы светодиоды 19, работающие без радиаторов охлаждения преимущественно с прямыми токами 20-40 мА.
Оптические оси 00 светодиодов 19 радиально ориентированы на платах, как в купольной 15, так и в цилиндрической 14 частях колбы и перпендикулярны покрытым люминофором 16 стенкам колбы.
Светодиоды 19 с последовательным или параллельно-последовательным подключением между собой индивидуально или группами шунтированы стабилитронами, собранными на платах монтажа или на отдельной печатной плате 20 и подключены к преобразователю 21 питающей сети, установленному в сопряженной с колбой камере 22 со средствами токоподвода 23 в виде стандартного цоколя Су9,5.
Камера 22 защищена зеркализованым экраном 24, возвращающим боковое излучение светодиодов и часть рассеянного светового потока на внутренние стенки колбы»
Предложенные варианты исполнения ламп, выполненные, например, с применением отечественных светодиодов синего излучения типа У-266С с λ=455±5 нм фирмы НПЦ "ОПТЭЛ", Россия, работающих с радиатором охлаждения, и люминофора на основе алюмоиттриевого граната, легированного церием, позволяет создать лампу белого свечения с компактным светящим телом со световым потоком 600-800 лм с равномерным светораспределением более чем в полусферу, с высокой однородностью цветовой температуры, повышенной светоотдачей и долговечностью.
Литература
1. Каталог продукции "Прософт". Электронные компоненты. Полупроводниковая электроника, вып.3, 2007/08 гг.
2. Заявка на Изобретение РФ № 2007114370/28 от 17.04.2007 г. "Лампа на мощных светодиодах. Решение о выдаче патента на Изобретение от 26.06.2008 г.
3. Шуберт Ф. "Светодиоды". Изд. М.: "Физматлит", 2008, стр.425.
4. Патент на Изобретение РФ № 2158876, кл. F21S 8/10. Приор. от 10,06.1999 г. Опубл. Бюл. №31 от 10.11.2000 г. "Лампа на светоизлучающих диодах".
5. Патент США № 6350041, Опубл. 26. 02.2002 г. Cree Lightihg Co. “High output radial disparsing lamp using a solid state light Source”.
6. Патент на Изобретение РФ №2301475, кл. H01Y 63/06. Приор. от 09.12.2005 г. Опубл. Бюл. №17 от 20.04.2007 г. "Светоизлучающий узел".
7. Патент на Изобретение РФ №2245489, кл. F21S 8/00. Приор. от 06.06.2008 г. Опубл. Бюл. №3 от 27.01.2006 г. "Компактная лампа на светодиодах".