СВЕТОДИОДНАЯ ЛАМПА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области светотехники, в частности, к осветительным приборам и предназначена для использования в бытовых и производственных светильниках широкого назначения.
Известна светодиодная лампа, содержащая цоколь, жестко скрепленный с ним переходный элемент, установленные на нем радиатор и светодиодный источник света, представляющий собой плату, на которой размещены светодиоды, соединенные с блоком питания. Радиатор выполнен в виде стакана с круглым основанием и цилиндрической частью, внешняя поверхность которого по всей окружности выполнена ребристой, а на внешней стороне основания радиатора установлена плата со светодиодами и рефлекторный колпак в форме усеченного конуса (RU 101269, H01L 33/00, опубл. 10.01.2011)
Недостатком светодиодной лампы является сложность конструкции радиатора и необходимость дополнительного крепления радиатора к переходному элементу.
Известна светодиодная лампа, содержащая модуль светодиодного излучателя, включающий печатную плату со светодиодами, радиатор, выполненный в виде шайбы, на которой закреплен полый цилиндрический корпус. В корпусе установлена плата преобразования напряжения и задания тока, подключенная к модулю светодиодного излучателя. К корпусу присоединен цоколь. Наружная поверхность шайбы радиатора выполнена ребристой, причем ребра могут быть выполнены различной формы: (остроугольные, волнистые, полуцилиндрические и др). (RU 71032, H01L 33/00, опубл. 20.02.2008)
Недостатком светодиодной лампы является сложная конструкция радиатора, требующая изготовления методом литья под давлением из алюминиевого сплава, с необходимостью нанесения на наружную поверхность электроизоляционного покрытия, что приводит к повышению ее себестоимости.
Известна светодиодная лампа, содержащая светодиодный модуль, выполненный в виде основания с закрепленными на нем единичными светодиодами, радиатор, преобразователь напряжения, средство токоподвода, выполненное в виде цоколя, при этом основание светодиодного модуля расположено, поверх радиатора, а преобразователь напряжения электрически соединен соответственно с основанием светодиодного модуля и с цоколем. Радиатор выполнен в виде протяженного полого тела, снабженного ребрами, расположенными на его внешней боковой поверхности, преобразователь напряжения помещен в полости радиатора, цоколь скреплен с радиатором. Внешняя боковая поверхность радиатора покрыта кожухом (RU 108693, H01L 33/00, опубл. 20.09.2011).
Недостатком светодиодной лампы также является сложная конструкция радиатора, требующая дорогостоящего, многоуровневого и сложного изготовления методом литья под давлением из алюминиевого сплава. При данном исполнении светодиодной лампы необходима дополнительная электроизоляция блока питания, а также наличие дополнительного переходного элемента для крепления цоколя к радиатору, что усложняет конструкцию светодиодной лампы в целом и приводит к повышению ее себестоимости.
Наиболее близким к заявленному является известная светодиодная лампа, содержащая светодиодный модуль, выполненный в виде основания с закрепленными на нем светодиодами, рассеиватель, имеющий форму части сферического тела, корпус, имеющий форму тела вращения с размещенным внутри него радиатором с продольными ребрами, блок питания, соединенный со светодиодным модулем, а также цоколем, корпус выполнен из диэлектрического пластика с дополнительной полостью в центре и с продольными ребрами и чередующимися окнами между ними на боковой поверхности, и с зазором между продольными ребрами и дополнительной полостью, в котором размещен радиатор с продольными ребрами, ответными окнам продольных ребер корпуса, а блок питания установлен в дополнительной полости корпуса (RU 119166, H01L 33/00, опубл. 10.08.2012).
Данное решение принято в качестве прототипа для обоих заявленных объектов.
В данной светодиодной лампе радиатор (единственный элемент, осуществляющий отвод тепла от светодиодов и блока питания) расположен внутри корпуса, выполненного с радиальными ребрами. Отвод тепла осуществляется через окна между ребрами. Такое исполнение не позволяет должным образом поддерживать нормальный температурный режим внутри корпуса при длительной эксплуатации включенной лампы, так как отвод тепла проходит конвективным способом, то есть естественным выходом тепла через окна. Внутри корпуса всегда сохраняется повышенная температура, которая негативно сказывается на эксплуатационной надежности лампы.
Кроме того, выполнение печатной плате с теплопроводным металлическим основанием, посаженной непосредственно на радиатор, утопленный в корпусе ухудшает условия отвода тепла от светодиодной платы из-за технологических неточностей изготовления частей корпуса и неравномерного прилегания основания к радиатору, а также из-за ненулевого теплового сопротивления прокладки. Измеренный перепад температур составляет примерно 8 K. Так как весь допустимый перепад температур между кристаллом светодиодов (СД) и окружающей средой составляет примерно 25…30 K, а также потому, что на пути тепла имеются еще несколько тепловых сопротивлений, а именно - сопротивления «кристалл СД-корпус СД», «корпус СД-плата СД», «плата СД-радиатор в корпуса лампы», то данное тепловое сопротивление блокирует передачу до 50%, а, возможно, и больше 50% тепла на радиатор в корпусе лампы.
Вопрос теплоотвода для светодиодной лампы имеет серьезное значение.
Дело в том, что даже эффективность 100 Люмен на Ватт означает «только» 25% преобразования подводимой электрической энергии в световую. Если сравнивать с обычной лампой накаливания, у которой эффективность составляет примерно 3%, то оставшиеся 75% выделяются в виде тепла, и это тепло должно быть эффективно отведено от кристалла СД. Светодиоды уменьшают свою эффективность с ростом температуры кристалла. Также, начинает уменьшаться срок жизни светодиода. Руководство по разработке светодиодных светильников фирмы CREE рекомендует ограничивать температуру кристалла СД «потолком» в 80°C. В то же время, температура окружающей среды, при которой лампа должна нормально долгое время, обычно 50000 часов, функционировать, берется равной 55°C (офисное здание с вентилируемым потолком). Ясно, что офисный или домашний подвесной потолок может быть и не вентилируемым, так что температура в 55°C не кажется чрезмерной. Лучше даже выбрать, как целевую, температуру за потолком 60°C. Итого, весь перепад температур «кристалл СД-окружающая среда» составляет 20°C.
Вроде бы, пока - все неплохо, но нужно учесть следующие факторы. Во-первых, тепловое сопротивление корпуса СД 8°C/Вт является достижением именно фирмы CREE. У других производителей это сопротивление обычно выше, и составляет 9-12°C/Вт. Во-вторых, СД требуют низковольтного питания.
При типовом напряжении на переходе СД, равном 3,1 В, при соединении 16-ти СД в последовательную цепь получаем «50 В напряжения питания при постоянном токе 0,3 А. То есть, мощность, потребляемая СД, составляет 15 Вт. Существующие блоки питания, преобразующие переменное напряжение 110 В или 220 В в постоянное напряжение, скажем, 50 В, и при этом стабилизирующие ток СД (что необходимо для их долгой и стабильной работы), имеют КПД не выше 85%. Типовым является значение 75%. То есть, для того, чтобы подать на цепь из СД мощность 15 Вт, блок питания «заберет» из сети 15/КПД=20 Вт. Разницу в 5 Вт в потребленной от сети и выделенной на СД мощности также должен рассеять в окружающем пространстве корпус лампы.
Для уменьшения общего теплового сопротивления «кристалл СД-окружающая среда» необходимо использовать комплекс мер, но главное (если не рассматривать такие экзотические, хотя и применяемые в ряде разработок решения, как принудительный обдув радиатора СД при помощи вентилятора, а именно - веерообразного вентилятора, приводимого в действие, например, сегнетоэлектрической пластиной, колеблющейся в случае приложения к ее обкладкам переменного напряжения, и «сдувающего» пограничный слой воздуха с радиатора (US 7213940) - нужно увеличить полезную площадь радиатора (корпуса). Чтобы это сделать, необходимо выполнить корпус лампы в виде радиатора с увеличенной рабочей поверхностью теплоотвода. При этом, тепловое сопротивление теплоотвода уменьшается примерно в 1,8-2 раза, что позволит или уменьшить размеры и вес корпуса лампы, или применить дешевые СД с большим тепловым сопротивлением корпуса, или позволит увеличить количество СД, а значит - светоотдачу лампы, или можно сделать и то, и другое, и третье. Учитывая, что стоимость корпуса и блока питания лампы составляют до 80% от стоимости всей лампы, увеличение количества СД не сильно скажется на ее общей цене, но, зато, позволит получить больше света от одного светильника, и, возможно, позволит уменьшить общее количество используемых светильников, а это уже прямой путь к экономии средств.
Кроме того, в известной лампе сделана попытка повторить форму обычной лампы, что привело к сложности изготовления рассеивателя, цоколя и корпуса.
Основной задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью является создание светодиодной лампы, обладающей высокой надежностью, повышенной эффективностью освещения (за счет использования комбинированной засветки рассеивателя) и уменьшенными габаритными размерами (за счет использования внутреннего объема радиатора для размещения в нем цоколя).
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплуатационных характеристик лампы, уменьшении ее габаритов и повышении долговечности за счет оптимизации тепловых режимов путем вывода радиатора из корпуса.
Указанный технический результат достигается тем, что в светодиодной лампе, включающей цоколь, соединенный с ним переходной элемент, изготовленный из диэлектрического пластика с дополнительной полостью в центре, в которой расположен блок питания соединенный со светодиодным модулем, выполненным на печатной плате с теплопроводным металлическим основанием, закрепленный на радиаторе, светодиоды на плате расположены таким образом, чтобы обеспечивать равномерное распределение светового потока во внутреннем объеме рассеивателя, а также обеспечивать торцевую подсветку непосредственно самого материала рассеивателя, при этом рассеиватель, выполнен в виде стакана с основанием и цилиндрической частью, отличающейся тем, что выполнен из пластика, по оптическим характеристикам близкого к стеклу, например, поликарбоната, причем радиатор, выполненный в форме цилиндра с расположенными с внешней стороны продольно ориентированными ребрами, лежащими в плоскостях, проходящих через ось лампы, имеет внутри полость, в которой размещается цоколь, при этом цоколь целиком скрыт внутри радиатора, что позволяет сократить общий габаритный размер лампы.
Указанный технический результат достигается тем, что в светодиодной лампе, содержащей цоколь и соединенный с ним корпус из диэлектрического материала с полостью в центре, в которой расположен блок питания, соединенный со светодиодным модулем, представляющем собой печатную плату с закрепленными на одной ее стороне светодиодами, а на другой стороне которой установлено теплопроводное металлическое основание, посредством которого светодиодный модуль закреплен на цилиндрическом радиаторе, выполненном с внешним оребрением, а так же рассеиватель из транспарантного материала, закрепленный на корпусе со стороны светодиодов, рассеиватель выполнен в виде стакана и со скошенным торцем боковой стенки в зоне примыкания к корпусу, светодиоды на круглой в плане печатной плате расположены по радиальным направлениям и равномерно в окружном направлении на расстоянии друг от друга для обеспечения распределения светового потока во внутреннем объеме рассеивателя и подсветки его боковой стенки путем подачи светового излучения на скошенную поверхность торца рассеивателя, радиатор размещен снаружи корпуса, а цоколь на корпусе размещен внутри радиатора, выполненного из по крайней мере двух цилиндрических частей, одна из которых размещена внутри первой или является съемным продолжением первой части по длине последней.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретными примерами исполнения, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - внешний вид светодиодной лампы;
фиг. 2 - продольный разрез лампы по фиг. 1, первый пример исполнения;
фиг. 3 - светодиодная лампа по фиг. 2 в разобранном виде;
фиг. 4 - лампа по фиг. 1, вид в аксонометрии со стороны рассеивателя;
фиг. 5 - вид в плане на печатную плату со стороны светодиодов;
фиг. 6 - вид на лампу со стороны цоколя;
фиг. 7 - второй пример исполнения светодиодной лампы, вид в аксонометрии;
фиг. 8 - продольный разрез лампы по фиг. 7;
фиг. 9 - третий пример исполнения светодиодной лампы, продольный разрез;
фиг. 10 - светодиодная лампа по фиг. 9 в разобранном виде;
фиг. 11 - общий вид лампы по четвертому примеру исполнения;
фиг. 12 - продольный разрез лампы по фиг. 11;
фиг. 13 - светодиодная лампа по фиг. 11 в разобранном виде.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция светодиодной лампы, обладающей высокой надежностью, повышенной эффективностью освещения (за счет использования комбинированной засветки рассеивателя) и уменьшенными габаритными размерами (за счет использования внутреннего объема радиатора для размещения в нем цоколя). Светодиодная лампа выполнена для установки в стандартные электрические патроны (электропатроны) Е27 (Е14). Лампа имеет небольшие габаритные размеры за счет использования места вокруг электропатрона светильника, в который будет установлена эта лампа.
На фиг. 1-8 следующими позициями обозначены основные элементы светодиодной лампы: 1 - рассеиватель, 2 - светодиодный модуль, 3 - основание, 4 - блок питания, 5 - радиатор, 6 - основание цоколя, 7 - цоколь, 8 - изолятор центрального контакта (переходной элемент из диэлектрического материала), 9 - центральный контакт.
Светодиодная лампа содержит цоколь 7 и соединенный с ним закрепленный в корпусе 10 переходной элемент из диэлектрического материала с полостью в центре, в которой расположен блок питания 4. Блок питания 4 предназначен для работы в электрических сетях переменного тока 220 В / 50 Гц и подачи напряжения электрически соединенному с ним светодиодному модулю 2. Блок питания обеспечивает выпрямление и стабилизацию тока, поступающего от источника питания (электрическая сеть переменного тока).
Светодиодный модуль 2 представляет собой печатную плату с закрепленными на одной ее стороне светодиодами 11, а на другой стороне которой установлено (закреплено или выполнено заодно) теплопроводное металлическое основание 3. Светодиоды 11 в светодиодной лампе расположены равномерно по поверхности платы и могут быть соединены в последовательные или параллельные или последовательно-параллельные или параллельно-последовательные цепи. Светодиоды на круглой в плане печатной плате расположены на по крайней мере одной окружности (на концентрических окружностях) дистантно относительно друг друга. Светодиодный модуль через теплопроводное металлическое основание 3 закреплен (прижат) на радиаторе 5, выполненном в виде металлического цилиндра с внешним оребрением. Радиатор размещен снаружи корпуса 10, а цоколь с переходным элементом размещены внутри радиатора. Цоколь может быть полностью размещен внутри радиатора. На наружной поверхности радиатора ребра 12 выполнены продольно ориентированными и лежащими в плоскостях, проходящих через продольную ось корпуса лампы. Радиатор может быть выполнен из алюминия, или легких сплавов алюминия, или меди, или керамики, то есть из материала, хорошо воспринимающего (легко нагревающегося) тепло и конвективно отдающего тепло в окружающую среду. Радиатор зафиксирован на корпусе с натягом. Расположение ребер продольно ориентированными вдоль продольной оси лампы обеспечивает свободный (беспрепятственный) проход теплового потока в направлении вверх. При небольшом габарите самой лампы охлаждающие ребра радиатора расположены таким образом, что обеспечивается достаточный (площадь рассеивания = 380 кв.см.) теплоотвод, обеспечивая тем самым номинальный тепловой режим работы излучающих светодиодов и блока питания. На фиг.2 показан пример исполнения лампы с радиатором, у которого ребра 12 выполнены в плане прямоугольными, то есть упираются в верхнюю отборотовку 13. А на фиг. 7 и 8 показан тот же вариант исполнения лампы, у которой верхняя часть цилиндрического радиатора переходит в "полусферу" 14.
Рассеиватель 1 выполнен из транспарантного материала (светотехнического пластика прозрачного или матового), закрепленный на корпусе со стороны светодиодов и выполнен в виде стакана. При этом в зоне примыкания к корпусу транспарантный стакан выполнен со скошенным торцем 15 боковой стенки. Корпус может быть выполнен из электроизоляционного теплопроводящего материала или с перфорацией для вывода тепла от блока питания. Под рассеивателем расположен осветительный модуль, представляющий собой одностороннюю печатную плату повышенной тепловой проводимости с равномерно расположенными на ней светодиодами, включенными, например, по комбинированной схеме. Светодиоды в модуле расположены таким образом, что создается смешенная засветка рассеивателя (торца и внутренней плоскости), что обеспечивает качественное и равномерное свечение лампы. Светодиоды на круглой в плане печатной плате расположены дистантно относительно друг друга по окружности или по нескольким концентрически расположенным окружностями для обеспечения распределения светового потока во внутреннем объеме рассеивателя и подсветки его боковой стенки путем подачи светового излучения на скошенную поверхность торца рассеивателя. Форма рассеивателя обеспечивает равномерную засветку помещения, аналогичную утилитарным источникам света, превосходя их по световой эффективности (или количеству и качеству света).
Дополнительно лампа может быть оснащена вставкой-переходником, позволяющей устанавливать ее в компактных светильниках и люстрах (там, где не достаточно места вокруг цоколя для ее стандартного размещения).
Целесообразно переходный элемент, рассеиватель и радиатор выполнить в форме осесимметричного тела.
Устройство работает следующим образом.
Осуществляют подключение светодиодной лампы к источнику электропитания. В частности, устанавливают цоколь лампы в патрон, соединенный со стандартной сетью электропитания. При подключении светодиодной лампы к источнику электропитания, в частности, к стандартной электрической сети, по ее электрической цепи, включающей светодиоды светодиодного модуля, протекает электрический ток. При протекании тока через светоизлучающие кристаллы, светодиоды излучают свет. Световое излучение выводится из устройства через рассеиватель, который выполняет световыводящую и защитную функции, обеспечивая равномерность излучения в широком угловом диапазоне.
Благодаря тому, что радиатор может быть выполнен из алюминия, или легких алюминиевых сплавов, или керамики, появляется возможность эффективного и прямого отвода тепла непосредственно в окружающее пространство.
Однако, не всегда складываются условия, при которых радиатор 5 обеспечивает достаточный теплоотвод. В этом случае целесообразно увеличить площадь теплоотвода за счет выполнения радиатора комбинированным, то есть состоящим из по крайней мере двух соединяемых между собой частей 16 и 17.
На фиг. 9 и 10 показан пример исполнения светодиодной лампы, у которой основной радиатор выполнен, как и в первом примере исполнения по фиг. 2 и 8, в виде металлического цилиндра с внешним оребрением. На наружной поверхности радиатора ребра выполнены продольно ориентированными и лежащими в плоскостях, проходящих через продольную ось корпуса лампы. При этом этот основной радиатор монтируется снаружи корпуса. А внутри него расположен второй (дополнительный) радиатор, выполненный виде металлического цилиндра с внутренним оребрением. Второй (дополнительный) радиатор монтируется верхней части первого радиатора. Напротив второго радиатора в стенке корпуса, обрамляющей полость, где уложен блок питания, выполнены отверстия или прорези (окна) для отвода тепла из полости в направлении к радиаторам.
Такая светодиодная лампа (фиг. 9 и 10) может быть описана следующей совокупностью конструктивных особенностей. Эта лампа содержит цоколь и соединенный с ним корпус из диэлектрического материала с полостью в центре, в которой расположен блок питания, соединенный со светодиодным модулем, представляющем собой печатную плату с закрепленными на одной ее стороне светодиодами, а на другой стороне которой установлено теплопроводное металлическое основание, посредством которого светодиодный модуль закреплен на цилиндрическом радиаторе, выполненном с внешним оребрением. Транспарантный рассеиватель выполнен в виде стакана и со скошенным торцем боковой стенки в зоне примыкания к корпусу. Светодиоды на круглой в плане печатной плате расположены по радиальным направлениям и равномерно в окружном направлении на расстоянии друг от друга для обеспечения распределения светового потока во внутреннем объеме рассеивателя и подсветки его боковой стенки, как это выполнены в лампе по первому примеру исполнения. В этой лампе радиатор размещен снаружи корпуса, а цоколь на корпусе размещен внутри радиатора. Радиатор выполнен из по крайней мере двух цилиндрических частей, одна из которых размещена внутри первой, как это показано на фиг. 9 и 10, или может являться съемным продолжением первой части по длине последней (этот пример не показан иллюстративно).
Вопросы соединения двух частей радиатора не рассматриваются, так как не представляют интереса в части придания лампе новизны.
Кроме того, рассмотренные лампы созданы для того, чтобы вкручиваться встандартные электрические патроны (электропатроны) Е27 (Е14). При этом при установке лампы радиатор располагается снаружи патрона. Но данный вариант может не подойти к некоторым конструкциям светильников в силу их особенного исполнения. В этом случае радиатор упрется в основание и лампу будет невозможно вкрутить в гнездо патрона. Для решения этой проблемы лампа оснащается переходником в виде удлинителя 18, представляющего собой дополнительный цоколь, выполненный с возможностью накручивания на цоколь лампы и обеспечивающий электрический контакт между цоколями. Этот пример показан на фиг. 11-13.
Лампа получается легкой и малогабаритной, недорогой в производстве и может найти широкое применение в бытовых и производственных светильниках широкого назначения.