СВЕТОДИОДНАЯ ФИЛАМЕНТНАЯ ЛАМПА

Полезная модель относится к светотехнике и может быть использована при проектировании новых энергоэффективных источников оптического излучения с повышенным сроком службы и надежностью работы, универсальных, предназначенных как для внутреннего, так и для наружного освещения. Полезная модель направлена на расширение области применения светодиодной филаментной лампы за счет повышения светоотдачи, коэффициента полезного действия, надежности работы, срока службы, эксплуатационного ресурса, технологичности, а также в результате обеспечения и поддержания уровня и стабильности светового потока, снижения электрических потерь и рабочей температуры элементов. Технический результат заключается в обеспечении и поддержании уровня и стабильности светового потока.
Известна светодиодная филаментная лампа, содержащая негерметизированную колбу без светоотражающего покрытия, изготовленную из оптически прозрачного материала и заполненную воздухом с давлением 1,0 бар при температуре 298 К, с размещенным внутри светоизлучающим телом на филаментах, выполненных в виде наборов светодиодов на подложках, состоящим из одного или нескольких филаментов, соединенных в электрическую цепь последовательно или параллельно, или последовательно и параллельно, а также цоколь, цоколь механически соединен с колбой непосредственно, и драйвер недиммируемый в виде печатного узла на плате, входные выводы драйвера электрически соединены с контактами цоколя через защитный элемент, размещенный внутри цоколя, выходные выводы драйвера соединены с электрической цепью, филаменты установлены непосредственно на плату, плата размещена в основании колбы в плоскости сопряжения колбы и цоколя и разделяет внутренние объемы колбы и цоколя (П. 158403. Электрическая лампа / Е.М. Силкин // Заявл. 09.06.2015. Опубл. 27.12.2015 Бюл. №36).
Подобную конструкцию (принцип устройства) имеют большинство светодиодных ламп, в том числе, и традиционных исполнений (не филаментных), использующих в качестве светоизлучающего тела дискретные светодиоды, модули, матрицы или линейки. Драйвер из одной части в известной лампе размещается в цоколе и колбе. Драйвер может быть выполнен и диммируемым, или допускающим применение со стандартными диммерами для ламп накаливания (с функцией диммирования). В этом случае необходимо использовать дополнительную соединительную корпусную вставку для сопряжения цоколя с колбой и увеличения рабочего объема для размещения драйвера или частей драйвера.
Недостатком известной светодиодной филаментной лампы является узкая область применения. Лампа характеризуется сравнительно низкой светового потока. Известная конструкция может быть использована только для ограниченного (в том числе, по мощности и габаритным размерам) ряда типоисполнений из-за недостаточно эффективного охлаждения филаментов. Для обеспечения нормального режима эксплуатации размеры колбы (внутренний обьем) светодиодной филаментной лампы должны быть завышенными. Известная лампа имеет и относительно низкую надежность работы, малые средний срок службы и эксплуатационный ресурс. Лампу невозможно использовать в открытых светильниках при низких температурах окружающей среды (низкая степень защиты). Известное устройство не обладает высокой светоотдачей (высоким световым потоком), необходимой для некоторых вариантов использования. Вышеперечисленные недостатки сужают область применения данного источника оптического излучения с негерметизированной колбой.
Известна светодиодная филаментная лампа, содержащая герметизированную колбу без светоотражающего покрытия, изготовленную из оптически прозрачного материала и заполненную воздухом с давлением 1,0 бар при температуре 298 К, с размещенным внутри светоизлучающим телом на филаментах, выполненных в виде наборов светодиодов на подложках, состоящим из одного или нескольких филаментов, а также цоколь, цоколь механически соединен с колбой непосредственно, и драйвер недиммируемый в виде печатного узла на плате, входные выводы драйвера электрически соединены с контактами цоколя через защитный элемент, размещенный внутри цоколя, выходные выводы драйвера соединены с электрической цепью, филаменты установлены непосредственно на плату, плата размещена в основании колбы в плоскости сопряжения колбы и цоколя и разделяет внутренние объемы колбы и цоколя, соответствующая сторона печатного узла изолирована от внутреннего объема цоколя заливкой слоем или слоями герметика или клея, или лака, или другого влагостойкого материала, или компаунда, обеспечивающего герметизацию, с электроизолирующими и теплопроводящими свойствами и температурой размягчения не менее 330 К (П. 158403. Электрическая лампа / Е.М. Силкин // Заявл. 09.06.2015. Опубл. 27.12.2015 Бюл. №36).
В данной известной конструкции может быть повышена степень защиты и, в определенных пределах, стабильность светового потока надежность работы. Драйвер светодиодной филаментной лампы размещается аналогично (в цоколе и колбе), и также может быть выполнен диммируемым или допускающим применение со стандартными диммерами. В этом случае необходимо использовать соединительную корпусную вставку для сопряжения цоколя с колбой и увеличения объема для размещения драйвера или его частей.
Недостатком известной светодиодной филаментной лампы является узкая область применения. Известная конструкция может быть использована только для ограниченного (в том числе, по мощности и габаритным размерам) ряда типоисполнений из-за недостаточно эффективного охлаждения филаментов воздухом. В устройстве не поддерживаются необходимый уровень и стабильность светового потока. Для обеспечения нормального режима эксплуатации размеры колбы (внутренний объем) лампы должны быть существенно завышенными. Известная лампа, по этой причине, имеет недостаточно высокую надежность работы, малые средний срок службы и эксплуатационный ресурс. Лампу также затруднительно использовать в открытых светильниках и при низких (или повышенных) температурах окружающей среды. Известная светодиодная филаментная лампа не обладает высокой светоотдачей (световым потоком), необходимой для некоторых вариантов использования. Вышеперечисленные недостатки сужают область применения известного источника оптического излучения с герметизированной колбой.
Известна светодиодная филаментная лампа, содержащая герметичную колбу без светоотражающего покрытия, изготовленную из оптически прозрачного материала и заполненную технически чистым воздухом или гелием, или неоном, или аргоном, или азотом, или бинарной смесью аргона и азота с давлением от 0,4 до 30 бар при температуре 273 К, с опорной ножкой внутри, имеющей штенгель и электроды, с размещенным внутри светоизлучающим телом на филаментах, выполненных в виде наборов светодиодов на подложках, состоящим из одного или нескольких филаментов, а также цоколь, цоколь механически сопряжен с колбой непосредственно, и драйвер в виде печатного узла на плате, входные выводы драйвера электрически соединены с контактами цоколя через электроды, выходные выводы драйвера соединены с электрической цепью, драйвер размещен внутри колбы, светодиодные филаменты установлены непосредственно на плату (П. 153400. Электрическая лампа / Е.М. Силкин // Заявл. 12.01.2015. Опубл. 22.07.2015 Бюл. №20).
Подобную конструкцию могут иметь газонаполненные светодиодные лампы с дискретными светодиодами или светодиодными матрицами, в том числе, линейными, имеющие высокие степени защиты. Известная лампа также относится к типу, так называемых, светодиодных филаментных ламп, но, это газонаполненная лампа. Светоизлучающее тело (комплект светодиодных филаментов или матриц) и драйвер в такой лампе полностью изолированы от внешней среды и не подвержены ее влиянию.
Недостатком известной светодиодной филаментной лампы рассмотренной конструкции является узкая область применения из-за ограниченности возможной номенклатуры (по мощности и габаритным размерам) типоисполнений, низкой надежности работы, сравнительно малого срока службы (из-за повышенного нагрева светодиодов и электронных элементов и узлов устройства, что делает затруднительным использование в замкнутых осветительных приборах), технической и технологической сложности (сравнительно низкая технологичность конструкции, технологический процесс плохо поддается механизации и автоматизации), снижающей надежность работы и повышающей конечную цену изделия. Лампа имеет относительно низкие светоотдачу (около 100 лм/Вт), уровень и стабильность светового потока, что объясняется недостаточно эффективным теплоотводом за счет использованного (не оптимального для конкретного применения) состава изолирующего газообразного вещества и дополнительного нагрева внутреннего объема колбы от элементов драйвера. Драйвер с размещением только внутри колбы сложно выполнить с оптимальной конструкцией и совокупностью необходимых параметров. Вышеперечисленные недостатки известной светодиодной филаментной лампы значительно снижают надежность работы и сужают область ее применения.
Известна светодиодная филаментная лампа, содержащая герметичную колбу без покрытия, изготовленную из оптически прозрачного материала и заполненную неоном или азотом, или бинарной смесью перечисленных газов с содержанием компоненты от 4 объемных процентов и с давлением от 0,3 до 3,3 бар при температуре 273 К, с опорной ножкой внутри, имеющей штенгель, штабик и два электрода, и с размещенным внутри светоизлучающим телом на филаментах, выполненных в виде наборов светодиодов на подложках, состоящим из одного или нескольких филаментов, соединенными в электрическую цепь последовательно и параллельно, штабик выполнен с одним держателем из проводящего электрический ток материала, являющимся элементом электрической цепи, а также элемент токоподвода, элемент токоподвода выполнен в виде стандартизованного цоколя и механически сопряжен с колбой непосредственно, и драйвер недиммируемый, входные выводы драйвера электрически соединены с контактами цоколя, выходные выводы драйвера соединены с электрической цепью, драйвер размещен внутри цоколя, электроды соединяют части лампы, установленные внутри колбы, с соответствующими внешними частями лампы (П. 152823. Электрическая осветительная лампа / Е.М. Силкин // Заявл. 10.02.2015. Опубл. 20.06.2015 Бюл. №17).
Рассмотренная светодиодная филаментная лампа является наиболее близкой по технической сущности к полезной модели и выбрана в качестве прототипа.
Недостатком известной светодиодной филаментной лампы (прототипа) является сравнительно узкая область применения. Это обусловлено ограниченностью возможной номенклатуры типоисполнений. Лампа характеризуется относительно малым световым потоком (ограничение по мощности) и сравнительно низкой его стабильностью. Возможности по увеличению светового потока (за счет увеличения числа светодиодных матриц) отсутствуют из-за ограниченности применяемой конструкции. Лампа может иметь и недостаточно высокую светоотдачу (менее 100 лм/Вт) из-за повышенного нагрева светодиодов при неэффективном теплоотводе за счет используемого состава изолирующего газа. Отсутствие регулирования светового потока делает невозможным использование лампы в целом ряде осветительных систем. Известная лампа имеет низкую надежность работы и малые средний срок службы и эксплуатационный ресурс (также из-за повышенного нагрева светодиодов в рабочем режиме). Состав изолирующего газа и его давление не являются оптимальными для данного устройства из-за сравнительно низкой теплопроводности примененных газов и газовой смеси. Возможности использования в конструкции качественных драйверов с необходимым набором технических и эксплуатационных параметров также ограничены (из-за его размещения только внутри цоколя лампы).
Полезная модель направлена на решение задачи расширения области применения светодиодной филаментной лампы за счет повышения светоотдачи, коэффициента полезного действия, надежности работы, срока службы, эксплуатационного ресурса, качества и технологичности, снижения электрических потерь в элементах и узлах лампы, предельных рабочих температур элементов и, в том числе, обеспечения и поддержания уровня и стабильности светового потока, что является целью полезной модели.
Технический результат заключается в обеспечении и поддержании уровня и стабильности светового потока светодиодной филаментной лампы в процессе ее эксплуатации за счет использования оптимальных соотношений для параметров лампы, что снижает, в том числе, электрические потери в элементах конструкции, нагрев элементов и узлов лампы и гарантирует, в предпочтительных вариантах изготовления, изоляцию элементов от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды и достаточный для надежной работы устройства на светодиодных филаментах, или кассетах с их использованием, теплоотвод.
Указанная цель и технический результат достигается тем, что в светодиодной филаментной лампе, содержащей
3
1. колбу, изготовленную из оптически прозрачного материала и заполненную оптически прозрачным и химически инертным изолирующим газообразным веществом, с размещенным внутри светоизлучающим телом на филаментах, выполненных в виде наборов светодиодов на подложках, а также элемент токоподвода и драйвер, входные выводы драйвера электрически соединены с контактами элемента токоподвода, выходные выводы драйвера соединены с контактами светоизлучающего тела, колба выполнена с внутренним удельным объемом от 7 до 80 см на 1 Вт установленной мощности светоизлучающего тела, а максимальное прямое напряжение светоизлучающего тела составляет величину от 0,21 до 0,96 от величины амплитуды минимального напряжения питания лампы.
2. Колба по п. 1 выполнена без покрытия или с частичным внутренним или наружным светоотражающим покрытием, а также без матирования или с матированием, подложки выполнены из стекла или ситалла, или пластика, или композита, или керамики, или хрусталя, или корунда, или алмаза, или металла, или сплава с одним или с несколькими покрытиями, светоизлучающее тело выполнено, по крайней мере, из одного филамента, или, по крайней мере, из одной кассеты с параллельным соединением филаментов, филаменты или кассеты, или их комбинации соединены в электрическую цепь последовательно или параллельно, или последовательно и параллельно, элемент токоподвода выполнен в виде стандартизованного цоколя, механически сопряженного с колбой непосредственно или через соединительную корпусную вставку, драйвер выполнен недиммируемым или диммируемым и состоит, по крайней мере, из одной части, драйвер или его части размещены в цоколе или в колбе, или в соединительной корпусной вставке, или в цоколе и в соединительной корпусной вставке, или в цоколе и в колбе, или в колбе и в соединительной корпусной вставке.
3. Колба по п. 2 выполнена негерметизированной.
4.  Колба по п. 2, отличающаяся тем, что колба выполнена герметизированной.
5. По п. 3 или 4, драйвер размещен в колбе и соединительной корпусной вставке или в соединительной корпусной вставке и цоколе, или в колбе, соединительной корпусной вставке и цоколе.
6. По п. 5, драйвер выполнен герметизированным.
7. Колба по по п. 2 выполнена герметичной с ножкой внутри, имеющей штенгель, штабик и электроды, электроды электрически соединяют части лампы, установленные внутри колбы, с внешними частями лампы.
8. Колба по п. 7 заполнена оптически прозрачным и химически инертным газообразным изолирующим веществом, включающим воздух или водород, или гелий, или неон, или аргон, или азот, или гексафторид серы, или бинарную, или трехкомпонентную смесь перечисленных газов с содержанием компоненты от 0,1 об.% и с давлением от 0,15 до 31,0 бар при температуре 298 К, штабик выполнен, по крайней мере, с одним держателем из диэлектрического или проводящего электрический ток материала, или их комбинации при числе держателей более одного, а держатели из проводящего электрический ток материала не выполнены или выполнены частью, или выполнены все вместе элементами электрической цепи.
9. По п. 7 драйвер выполнен герметизированным.
10. По 8 драйвер выполнен герметизированным.
Уровень и стабильность светового потока зависят, в частности, от теплового режима элементов, в первую очередь, светодиодов светоизлучающего тела, а также и относительной величины амплитуды напряжения питания лампы и может условно характеризоваться спадом светового потока при включении устройства на интервале времени стабилизации (нормируемая величина) и в процессе длительной эксплуатации (коэффициент снижения светового потока), а также и (известными из литературы и нормативных документов) коэффициентами стабильности и пульсации светового потока.
Филамент представляет собой светодиодную матрицу (линейку) предназначенную для эксплуатации в условиях естественной конвекции в окружающей газовой среде без использования дополнительных средств и приемов, в частности, вспомогательных радиаторов для отвода тепла от филаментов (или кассет филаментов). При эксплуатации в замкнутых обьемах внутри колбы температурный режим зависит от свойств среды и величины свободного внутреннего (рабочего) обьема. При малых величинах рабочего обьема необходимый отвод тепла, очевидно, не обеспечивается. Такая лампа является потенциально ненадежной в работе.
3
3
3
3
Снижение величины внутреннего удельного обьема (см/Вт) при существующих (и достаточно качественно оптимизированных) конструкциях филаментов приводит к резкому ухудшению условий теплоотвода, повышению температуры и возможному перегреву светодиодов и люминофорных слоев, а, следовательно, к большему (текущему) спаду светового потока в интервале времени стабилизации и интенсивной деградации светодиодов и люминофоров в процессе длительной эксплуатации, и сопутствующему необратимому снижению светового потока. Например, для герметизированной светодиодной филаментной лампы (наихудший случай) любого типового исполнения снижение внутреннего удельного обьема колбы ниже 7 см/Вт приводит к спаду светового потока при включении, превышающему нормируемые величины, и снижению эксплуатационного ресурса (в том числе, за счет недопустимого ухудшения коэффициента снижения светового потока). Выпуск, в частности, газонаполненных филаментных ламп в колбах В 35 (свечеобразная колба, рабочий внутренний обьем менее 40 см) на мощность более 5,5…6 Вт (мощность светоизлучающего тела) невозможен, так как конструкции не обеспечивают требуемой стабильности светового потока и надежности работы (что проверено экспериментальными исследованиями) при любом газовом наполнении (оптически прозрачное и химически инертное изолирующее газообразное вещество) колбы. Увеличение обьема выше определенной величины не дает последующего улучшения условий теплоотвода (насыщение). Дальнейшее увеличение обьема является технически необоснованным и приводит только к снижению других характеристик лампы (в частности, к ухудшению технологичности конструкции, увеличению материалоемкости и росту весогабаритных показателей) и, поэтому, недопустимо. Например, при увеличении внутреннего удельного обьема колбы свыше 80 см/Вт для газо-наполняемых светодиодных филаментных ламп (также наихудший случай) изменение в текущем спаде светового потока при включении (в интервале времени стабилизации) становится практически незаметным, а коэффициенты стабильности и снижения светового потока в процессе длительной эксплуатации более не зависят от величины внутреннего удельного обьема.
Питание лампы может осуществляться от источника постоянного напряжения (в частности, выпрямленного без фильтрации) или от источника переменного синусоидального напряжения (стандартной электрической сети). Питание от любых других типов источников электроснабжения может быть сведено (принцип) к указанным двум видам источников. Величина амплитуды минимального постоянного напряжения питания, соответствует (сглаженное напряжение) величине этого постоянного напряжения. Величина амплитуды минимального (сетевого) напряжения питания (и выпрямленного напряжения без фильтрации) соответствует величине амплитуды сетевого напряжения для допустимого стандартом минимального напряжения сети (для стандартной бытовой сети 230 В, например, амплитуда минимального напряжения питания составляет: 230×1,41×(0,85)0,9=(276)292 В, для возможного или допустимого снижения напряжения питающей сети на 10…15%). Прямое напряжение светоизлучающего тела определяется общим числом последовательно соединенных светодиодов в эквивалентной электрической цепи. При этом изготовителями устанавливается технологический допуск на величину прямого напряжения филамента (как правило, 3…8%). Питание светоизлучающего тела (его части) на основе светодиодов в любом случае осуществляется постоянным (знакопостоянным) током. При сглаживании выпрямленного напряжения драйвером сохраняются пульсации уровня напряжения (и соответствующие пульсации выходного напряжения драйвера). Если мгновенная величина напряжения питания (из-за пульсации) окажется ниже прямого напряжения светоизлучающего тела (с учетом падения или потери напряжения в драйвере), светоизлучающее тело отключится и перестанет излучать свет (ток через филаменты прекратится, прервется). При этом резко возрастет коэффициент пульсации светового потока. Для исключения указанного явления устанавливают (в полезной модели) предел для максимального прямого напряжения светоизлучающего тела на уровне величины (до) 0,96 от величины амплитуды минимального напряжения питания лампы. Предел учитывает возможности использования распространенных типовых элементов и узлов для реализации драйвера светодиодной филаментной лампы. С одной стороны, максимальное прямое напряжение светоизлучающего тела должно быть по величине как можно ближе к величине амплитуды минимального напряжения питания лампы (с целью снижения электрических потерь в драйвере и обеспечения высокого светового потока), а, с другой стороны, идеально сгладить выпрямленное напряжение в драйвере невозможно (а сгладить с достаточно высоким коэффициентом сглаживания, как правило, нетехнологично или, в некоторых случаях, также невозможно). Кроме того, при диммировании лампы величина уровня напряжения питания может снижаться. Поэтому прямое напряжение на светоизлучающем теле уменьшают относительно величины амплитуды минимального напряжения питания лампы. Вероятность роста пульсации светового потока, в этом случае, также уменьшается. Однако снижение максимального прямого напряжения светоизлучающего тела до уровня менее 0,21 от величины амплитуды минимального напряжения питания лампы приводит к значительному росту электрических потерь в драйвере (использование типовых принципов и приемов изготовления драйверов и существующей элементной базы), интенсивной деградации его характеристик, возможному снижению выходной мощности и, как следствие, снижению светового потока, а также к комплексному снижению предельных энергетических характеристик и надежности работы. В частности, коэффициент полезного действия драйвера для типовых мощностей ламп может снизиться на 5…7%, а лампы в целом на 8…9% (если прямое напряжение светоизлучающего тела уменьшится с 0,96 до 0,21 от величины амплитуды минимального напряжения питания лампы). Выполнение драйвера с требуемыми характеристиками, соответствующими более низкому прямому напряжению светоизлучающего тела, не позволяет обеспечить необходимый уровень и стабильность светового потока лампы, нетехнологично и нецелесообразно (а в большинстве случаев и невозможно).
3
3
Реализация ламп с параметрами, соответствующими заявляемым пределам по величинам внутреннего удельного объема колбы (7…80 см/Вт - на 1 Вт установленной мощности светоизлучающего тела) и максимального прямого напряжения светоизлучающего тела (0,21…0,96 от величины амплитуды минимального напряжения питания лампы), установленным отличительными признаками полезной модели, является эффективным технико-технологическим приемом, обеспечивающим безусловное достижение технического результата наиболее гарантированным и оптимальным образом. Целесообразность и обоснованность выбранных пределов (внутренний удельный объем колбы от 7 до 80 смна 1 Вт установленной мощности светоизлучающего тела, максимальное прямое напряжение светоизлучающего тела от 0,21 до 0,96 от величины амплитуды минимального напряжения питания лампы) подтверждена экспериментами с использованием аттестованных (поверенных) специальных измерительных комплексов.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является расширение области применении светодиодной филаментной лампы за счет оптимизации вариантов технических и технологических решений, обеспечения возможности значительного увеличения номенклатуры типоисполнений для соответствующих применений лампы, увеличения надежности работы, среднего срока службы и эксплуатационного ресурса для конкретных областей, условий использования и режимов функционирования, снижения цены при выполнении лампы на заданные световой поток и мощность, снижения температуры нагрева частей устройства, электрических потерь и улучшения условий эксплуатации лампы, в том числе, в замкнутых световых приборах ограниченного объема, возможности перераспределения и регулирования светового потока, повышения (оптимизации) степени защиты, расширения диапазона температур эксплуатации, эффективного увеличения светоотдачи и светового потока, коэффициента полезного действия, а также, обеспечения и поддержания уровня и стабильности светового потока светодиодной филаментной лампы в процессе ее эксплуатации. Расширение области применения обусловлено новыми принципами устройства, новой конструкцией лампы и ее вариантами, новой электрической схемой соединения светодиодных матриц (филаментов) и кассет, исполнениями драйвера, новыми элементами и связями, установленными оптимизированными внутренними объемами колбы, соотношением прямого напряжения светоизлучающего тела и величины амплитуды минимального напряжения питания лампы, заявленными составами и давлениями изолирующего (наполняющего) газа (газообразного вещества), использованием качественных материалов подложек матриц (филаментов) и кассет, то есть, отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемой светодиодной филаментной лампы являются существенными, обеспечивают решение технической проблемы (достижение цели полезной модели) и достижение заявленного технического результата.
На рисунке (фигуре) приведена типовая конструкция новой светодиодной филаментной лампы со стандартным элементом внешнего токоподвода (внешним сетевым цоколем класса Е14 или Е27, вариант исполнения с герметичной колбой - газонаполненная лампа).
Светодиодная филаментная лампа, содержит колбу 1, изготовленную из оптически прозрачного материала и заполненную оптически прозрачным и химически инертным изолирующим газообразным веществом, с размещенным внутри светоизлучающим телом 2 на филаментах, выполненных в виде наборов светодиодов на подложках, а также элемент токоподвода 3 и драйвер 4, входные выводы драйвера электрически соединены с контактами элемента токоподвода, выходные выводы драйвера соединены с контактами светоизлучающего тела. Колба выполнена с внутренним удельным объемом от 7 до 80 кубических сантиметров на 1 ватт установленной мощности светоизлучающего тела, а максимальное прямое напряжение светоизлучающего тела составляет величину от 0,21 до 0,96 от величины амплитуды минимального напряжения питания лампы. Колба может быть выполнена без покрытия или с частичным внутренним или наружным светоотражающим покрытием, а также без матирования или с матированием. Подложки филаментов, в частности, выполнены из стекла или ситалла, или пластика, или композита, или керамики, или хрусталя, или корунда, или алмаза, или металла, или сплава с одним или с несколькими покрытиями. Светоизлучающее тело выполнено, по крайней мере, из одного филамента, или, по крайней мере, из одной кассеты с параллельным соединением филаментов, филаменты или кассеты, или их комбинации соединены в электрическую цепь последовательно или параллельно, или последовательно и параллельно. Элемент токоподвода, в частном случае реализации, выполнен в виде стандартизованного цоколя, механически сопряженного с колбой непосредственно или через соединительную корпусную вставку 5. Драйвер может быть выполнен недиммируемым или диммируемым и состоять, по крайней мере, из одной части. Драйвер или его части размещены в цоколе или в колбе, или в соединительной корпусной вставке, или в цоколе и в соединительной корпусной вставке, или в цоколе и в колбе, или в колбе и в соединительной корпусной вставке. Колба, в частных случаях реализации, выполнена негерметизированной или герметизированной. Драйвер в этих случаях может быть размещен в колбе и соединительной корпусной вставке или в соединительной корпусной вставке и цоколе, или в колбе, соединительной корпусной вставке и цоколе, и быть выполненным герметизированным. Колба также может быть выполнена также герметичной с ножкой внутри, имеющей штенгель 6, штабик 7 и электроды 8, электроды электрически соединяют части лампы, установленные внутри колбы, с внешними частями лампы. Колба в частных случаях реализации заполнена оптически прозрачным и химически инертным газообразным изолирующим веществом, включающим воздух или водород, или гелий, или неон, или аргон, или азот, или гексафторид серы, или бинарную, или трехкомпонентную смесь перечисленных газов с содержанием компоненты от 0,1 объемного процента и с давлением от 0,15 до 31,0 бар при температуре 298 К. Штабик может быть выполнен, по крайней мере, с одним держателем из диэлектрического или проводящего электрический ток материала, или их комбинации (при числе держателей более одного), а держатели из проводящего электрический ток материала - быть не выполнены или выполнены частью, или выполнены все вместе элементами электрической цепи. Драйвер в частных случаях реализации лампы с герметичной колбой также может быть выполнен герметизированным.
В варианте (примере) исполнения светодиодной (газонаполненной) филаментной лампы, приведенном на рисунке, драйвер 4 состоит из одной части, размещенной внутри цоколя (элемента токоподвода) 3. Штабик 7 выполнен с линзой и с одним держателем 9 из проводящего электрический ток материала (металлическая проволока), являющимся элементом электрической цепи (электрически соединяет цепи филаментов светоизлучающего тела 2). Колба 1 лампы изготовлена из оптически прозрачного материала в варианте исполнения без светоотражающего покрытия и матирования. Колба 1 реализована газонаполненной и герметичной, имеет штенгель 6 для откачки и два электрода 8 для соединения электрической цепи из светодиодных филаментов (2) с выходными выводами внешнего драйвера 4.
Элемент токоподвода 3 лампы может иметь любое известное устройство (например, быть состоящим из гибких проводов, соединенных с входными выводами драйвера, что реализуется в некоторых типах капсульных светодиодных ламп) и, в частности, иметь форму стандартизованного цоколя (приведено на рисунке).
3
3
Светодиодная газонаполненная филаментная лампа (один из предпочтительных примеров реализации) выполняется и в установившемся режиме работает следующим образом. Через цоколь 3 стандартного вида (например, Е14, Е27 или В22) светодиодная филаментная лампа подключается к обычной питающей сети переменного тока (внешнему источнику питания) непосредственно или к специальной сети (источнику) постоянного тока. Колба 1 из оптически прозрачного материала без покрытия или с частичным внутренним или наружным светоотражающим покрытием, не матированная или матированная является основной частью конструкции осветительной лампы, выполняющей несущую, защитную, светорассеивающую, светораспределяющую или светорегулирующую функции и функцию, в том числе, герметизации рабочего пространства, в котором размещены светодиодные филаменты (кассеты) светоизлучающего тела 2 (матрицы электрической цепи) и, возможно, драйвер 4 или часть (части) драйвера 4. Колба 1 жестко механически соединена (сопряжена) с цоколем 3. Колба 1 изготавливается, например, из лампового стекла или из оптически прозрачного пластика. Частичное светоотражающее покрытие колбы 1 применяют, в частности, в светодиодных филаментных лампах направленного света (в том числе, зеркальных). Светоотражающее покрытие может быть нанесено на наружную или внутреннюю поверхность колбы 1. В зеркальных лампах за счет покрытия осуществляется перераспределение светового потока филаментов (2). Филаменты (2), при этом, ориентируются в пространстве определенным (заданным) образом для снижения потерь световой энергии. Внутренний удельный объем колбы 1 должен быть не менее 7 кубических сантиметров на 1 ватт мощности светоизлучающего тела 2, что обеспечивает (при применении наполняющего газа с высокой теплопроводностью) нормальный (допустимый) тепловой режим светодиодов (2). Расчетный внутренний удельный объем колбы 1, в конкретном применении, зависит от типа наполняющего газа или смеси (для водорода и гелия минимальный объем равен 7 см/Вт, а оптимальный внутренний удельный объем составляет от 20 до 35 см/Вт). Занижение внутреннего объема колбы 1 может привести к перегреву светодиодов (2), а превышение является неэффективным и вызывает, в том числе, перерасход дорогостоящего наполняющего газа. В лампах с негерметизированными и герметизированными колбами 1 наполняющим газом (газовой смесью или оптически прозрачным и химически инертным изолирующим газообразным веществом) является обычный или технически чистый воздух (в лампах с негерметизированной колбой 1 давление наполняющего газа равно текущему атмосферному давлению). Это наиболее дешевый вариант наполнения колбы 1, однако, из-за низкой теплопроводности воздуха светодиодные филаментные лампы с таким наполнением могут иметь только относительно невысокую мощность. Колбу 1 в светодиодной филаментной лампе, кроме воздуха, водорода или гелия, заполняют также неоном или аргоном, или азотом, или гексафторидом серы, или бинарной, или трехкомпонентной смесью перечисленных газов с содержанием компоненты от 0,1 объемного процента и с давлением от 0,15 до 31,0 бар (при температуре 298 К). Светодиодные филаментные лампы с контролируемым газовым наполнением (газонаполненные) изготавливаются с герметичной колбой 1. Откачка и заполнение внутреннего объема колбы 1 осуществляется через откачной штенгель 6 (опорной) ножки. После заполнения колбы 1 изолирующим газом штенгель 6 отпаивается. Состав изолирующего газа и его давление должны обеспечивать наилучший (оптимальный) теплоотвод от элементов и узлов светодиодной лампы, установленных внутри колбы 1, и достаточную электрическую прочность. Для лучшего теплоотвода необходимо использовать изолирующий газ, обладающий повышенной теплопроводностью, низкой вязкостью, и увеличивать его давление в колбе 1. Поэтому устанавливать в колбе 1 давление изолирующего газа ниже 0,15 бар неэффективно. Практически, абсолютное давление для большинства модификаций светодиодных ламп заявляемой конструкции должно находится в пределах от 0,5 до 2,5 бар (что наиболее технологично). Кроме объема и форма колбы 1 должна быть также оптимизирована с целью улучшения теплоотвода. Близкими к оптимальным являются стандартные формы и размеры колб (1), применяемых для серийных ламп накаливания. При этом светодиоды филаментов (или матриц) светоизлучающего тела 2 должны размещаться на минимально возможном расстоянии от стенок колбы 1.
При прохождении электрического тока через светодиоды филаментов (2) (матриц) или кассет они излучают световые волны, в частности, видимый свет. Возможно также, например, излучение ламп подобной конструкции и в ультрафиолетовой или инфракрасной областях спектра, что обеспечивается типом применяемых в лампах светодиодов (2) и оптических преобразователей.
В таблице представлены значения коэффициентов теплопроводности изолирующих (буферных) газов и воздуха при температуре близкой к нулю градусов по Цельсию (273 К, кроме элегаза), которые могут быть эффективно применены в новых газонаполненных светодиодных филаментных лампах самостоятельно или в составе бинарных или трехкомпонентных газовых смесей.
*
Справочно.
Из таблицы следует, что из газов лучшей теплопроводностью обладает водород, а из инертных газов самый высокий коэффициент теплопроводности имеет гелий. Однако в качестве оптически прозрачного материала колб 1, обеспечивающего требуемую их герметичность (а также из-за технических, технологических и экономических ограничений), в светодиодных филаментных 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 десять раз больше, чем водорода, несмотря на то, что атомный радиус гелия практически в полтора раза больше молекулярного радиуса водорода. Это объясняется тем, что при проникновении химически активного водорода через стекла могут образовываться гидроксильные группы, препятствующие потоку водорода. Наибольшей газопроницаемостью по водороду и гелию обладает, в частности, кварцевое стекло, а наименьшую газопроницаемость имеет алюмосиликатное стекло. Проникновение «легких» газов возможно также через вакуумплотные впаи электродов 8. В конструкции газонаполненной светодиодной филаментной лампы число электродов, по этой причине, должно быть минимальным (обычно два или четыре). Качество изготовления колбы 1 газонаполненной светодиодной филаментной лампы необходимо обеспечивать достаточно высоким.
Водород является горючим (пожароопасным) и взрывоопасным газом (технологическое ограничение). Его применение (по сравнению с гелием) не дает заметного выигрыша и по теплопроводности. Из-за сравнительно высокой вязкости водорода отвод тепла в светодиодных филаментных лампах с водородом может быть даже менее эффективен, чем в лампах с гелием (отвод тепла определяется теплопроводностью и процессами конвекции газа). Поэтому заполнять водородом колбу 1 в газонаполненной светодиодной филаментной лампе предлагаемой конструкции рекомендуется, в основном, с целью снижения цены.
Использование гелия в качестве изолирующего (наполняющего) газа для новых светодиодных филаментных ламп ограничивается только его сравнительно высокой ценой.
Элегаз является наиболее «тяжелым» из всех известных газов (приблизительно в пять раз тяжелее воздуха). А значение коэффициента теплопроводности элегаза в таблице соответствует высокой температуре (около 1000 градусов по Цельсию). При рабочих температурах новой газонаполненной светодиодной филаментной лампы теплопроводность элегаза даже несколько ниже теплопроводности воздуха и азота. То есть, он менее эффективен для отвода тепла (и сравнительно дорог). Однако этот газ обладает хорошими электроизоляционными свойствами.
Необходимость в применении смесей газов продиктована требованиями по электрической прочности изолирующего наполнения, а также, в ряде случаев, экономическими причинами. Электрическая прочность возрастает с ростом давления. Также с ростом давления конвекция в газах и в бинарных смесях становится более интенсивной, что улучшает теплоотвод. В трехкомпонентной смеси (оптически прозрачное и химически инертное изолирующее газообразное вещество) возможно проявление «аномальной» конвекции, существенно улучшающей теплоотвод. Цена используемых газов и газовых смесей имеет исключительно важное значение, так как влияет на конечную цену изделия при производстве. В этой связи перспективным является применение в заявляемой светодиодной филаментной лампе неона. Неон обеспечивает относительно хороший отвод тепла от элементов конструкции и достаточную надежность работы светодиодной филаментной лампы. Неон может использоваться и в смесях с другими газами, обеспечивающими сравнительно эффективный отвод тепла, требуемую электрическую прочность и имеющими низкую цену. Нижнее содержание компоненты в газовой смеси ограничивается величиной 0,1 объемного процента (при этом смесь считается для целей полезной модели смесью газов). Кроме прочего, в трехкомпонентных газовых смесях легких, средних и тяжелых газов возможно возникновение явления, упомянутой выше, аномальной конвекции, что может значительно улучшить отвод тепла от внутренних элементов колбы 1. Примерами таких смесей могут быть, например, смесь неона, азота и элегаза или смесь водорода, азота и аргона, или смесь гелия, азота и аргона.
Технически чистый воздух (осушенный, без механических примесей и пыли) также возможно применить в качестве изолирующего газа в газонаполненных светодиодных лампах (как и азот). Теплопроводность воздуха приблизительно в полтора раза выше теплопроводности аргона, что также позволяет снизить температуру внутри колбы 1. Теплопроводность азота близка к теплопроводности воздуха.
Давление наполняющего газа (или смеси газов) в колбе 1 светодиодной филаментной лампы более 31 бар обеспечить технологически достаточно сложно. Дальнейшее повышение давления наполняющего газа также и мало эффективно.
Герметичность (герметизация) колбы 1 светодиодной филаментной лампы обеспечивает изоляцию филаментов и кассет светоизлучающего тела 2 от неблагоприятного воздействия окружающей среды и способствует поддержанию уровня и стабильности светового потока.
Большое значение имеет конструкция применяемых в лампах светодиодов и филаментов (светодиодных матриц, кассет филаментов) светоизлучающего тела 2. Кассеты из филаментов (2) позволяют повысить технологичность конструкций светодиодных филаментных ламп. Трудоемкость и цена конечного изделия при применении кассет филаментов (2) значительно снижаются. При этом обеспечиваются более широкие возможности по механизации и автоматизации технологических процессов производства ламп. Светодиодная филаментная лампа выполняется с одним или с несколькими светодиодными филаментами (2), или с одной или с несколькими кассетами из светодиодных филаментов, соединенными в электрическую цепь последовательно или параллельно, или последовательно и параллельно. Филаменты (2) изготавливаются на подложках из стекла или ситалла, или пластика, или композита, или керамики, или хрусталя, или корунда, или алмаза, или металла, или сплава с одним или с несколькими покрытиями.
Стекла являются наиболее дешевым материалом. Однако теплопроводность стекол является сравнительно малой. Подложки из стекла также имеют низкую механическую прочность и хрупкость.
Ситаллы обладают преимущественно поликристаллической структурой и более высокими электроизоляционными, прочностными, температурными (жаропрочность) и теплопроводящими свойствами, а также химостойкостью, чем широко используемые в ламповой промышленности стекла. Они хорошо шлифуются (до чистоты поверхности 13-14 класса), что обеспечивает достаточную технологичность и качество при производстве филаментов (2) и светодиодных матриц по технологии СОВ и МСОВ.
Целесообразно применять оптически прозрачные подложки для филаментов (2) и кассет, что значительно снижает потери световой энергии.
Оптически прозрачными ситаллами являются, например, цельзиановые, сапфириновые, пироксеновые.
Оптически прозрачной керамикой считается, в частности, корундовая керамика (поликор, лукалокс). Корундовая керамика применяется для изготовления колб металлогалогенных ламп и является достаточно распространенным материалом.
Кристаллический кварц (хрусталь) характеризуется повышенными оптическими, теплопроводящими и прочностными свойствами.
Хорошими теплопроводящими свойствами обладает и сапфир (разновидность корунда). Лейкосапфир нашел применение при производстве разрядных трубок для натриевых ламп высокого давления.
Очень хорошими теплопроводящими свойствами обладает алмаз. Однако искусственный алмаз достаточно дорогой материал.
Использование оптически прозрачных подложек для светодиодов и светодиодных матриц с повышенными теплопроводящими свойствами позволяет, как уже отмечалось, снизить потери энергии оптического излучения и уменьшить нагрев полупроводниковых структур светодиодов, что положительно сказывается на стабильности характеристик ламп и среднем сроке их службы. В этом случае эффективнее обеспечиваются и поддерживаются уровень и стабильность светового потока лампы.
Пластики и композиты для подложек филаментов (2) позволяют повысить технологичность и снизить цену изделий. Теплопроводность композитов может быть достаточно высокой.
Металлы и металлические сплавы обладают наибольшей теплопроводностью и хорошо отводят тепло от кристаллов светодиодов (2).
Для обеспечения требуемых свойств и повышения технологичности подложки могут выполняться с различными покрытиями, в том числе, многослойными (согласование коэффициентов линейного расширения, обеспечение качественных и надежных электрических соединений, антикоррозионные свойства, снижение цены).
Штабик 7 (опорной) ножки газонаполненной лампы изготавливается (в вариантах реализации) как без держателя (9), так и с одним или с несколькими держателями 9 из диэлектрического (в частности, это может быть и элемент линзы штабика 7) или из электропроводящего материала (например, металлическая проволока), не являющимися или являющимися (частично или все вместе) элементами электрической цепи. Держатель 9 из диэлектрического материала может, например, обеспечивать фиксацию (поддержку) шины кассеты филаментов светоизлучающего тела 2 и предотвращать смещение указанной кассеты в любом направлении при ударных или вибрационных воздействиях на лампу. Держатель 9 из электропроводящего материала (рисунок) электрически соединяет филаменты (2) цепи и также удерживает их в заданном положении во внутреннем пространстве (объеме) колбы 1.
Внешний цоколь 3 механически сопряжен с колбой 1 непосредственно или через соединительную корпусную вставку 5.
Входные выводы драйвера 4 электрически соединены с контактами цоколя 3, выходные выводы драйвера 4 соединены с электрической цепью из филаментов (кассет) светоизлучающего тела 2. Драйвер 4 размещен внутри цоколя 3 или колбы 1, или соединительной корпусной вставки 5, или может быть разделен, в частности, на две или на три части, установленные, соответственно, внутри цоколя 3 и колбы 1 или цоколя 3 и соединительной корпусной вставки 5, или соединительной корпусной вставки 5 и колбы 1, или цоколя 3, соединительной корпусной вставки 5 и колбы 1. В вариантах выполнения светодиодной филаментной лампы с негерметизированной или герметизированной колбой 1 драйвер 4 может также располагаться в колбе и соединительной корпусной вставке или в соединительной корпусной вставке и цоколе, или в колбе, соединительной корпусной вставке и цоколе (если внутренние обьемы элементов конструкции не разделены, а драйвер 4 обладает относительно большими габаритными размерами и имеют место какие-либо конструктивные особенности). Таким образом, число вариантов размещения драйвера 4 или его частей в последних реализациях возрастает.
Электроды 8 соединяют части лампы, установленные внутри колбы 1, с соответствующими внешними частями лампы (3, 4).
Питание светодиодов филаментов (2) или кассет филаментов может осуществляться от драйвера 4 как на постоянном, так и на переменном токе. При питании на переменном токе электрическая схема соединения электрической цепи филаментов светоизлучающего тела 2 отличается от схемы на постоянном токе. Однако принцип работы светодиодной филаментной лампы при этом не изменяется. Питание на переменном токе может быть энергетически выгоднее. Число ступеней преобразования энергии уменьшается, что, в целом, повышает надежность работы драйвера 4 и светоотдачу лампы, а также может снизить нестабильность светового потока лампы. Увеличивается средний срок службы светодиодной филаментной лампы. Драйвер 4, при этом, обладает меньшими габаритными размерами. Уменьшение габаритных размеров драйвера 4 для светодиодных филаментных ламп имеет большое значение.
Драйвер 4 может быть выполнен недиммируемым или диммируемым (в том числе, обеспечивающим работу со стандартными диммерами для ламп накаливания). Диммирование позволяет расширить область применения газонаполненной светодиодной филаментной лампы (в настоящее время серийно такая лампа не выпускается). Однако габаритные размеры диммируемого драйвера (4) больше, что не позволяет его разместить, например, только в объеме цоколя 3 или в объеме колбы 1. Для реализации качественного (в том числе, диммируемого) драйвера 4 его разделяют, в том числе, на две или на три части (с размещением отдельных частей в цоколе 3, соединительной корпусной вставке 5 и колбе 1). Разделение драйвера 4 позволяет, в частности, выполнить светодиодную филаментную лампу с высоким коэффициентом мощности. Кроме того, применение дополнительной корпусной вставки 5 позволяет в некоторых случаях улучшить теплоотвод от элементов лампы и, в частности, более качественно обеспечить и поддержать уровень и стабильность светового потока лампы.
Использование оптимального соотношения между максимальным прямым напряжением светоизлучающего тела и величиной амплитуды минимального напряжения питания лампы (от 0,21 до 0,96) позволяет создать качественный драйвер с высоким коэффициентом полезного действия, снизить электрические потери в устройстве, обеспечить надежную и устойчивую работу с требуемым уровнем и стабильностью светового потока лампы.
По сравнению с прототипом существенно расширяется область применения светодиодной филаментной лампы.
Действительно, новая лампа может более эффективно использоваться как для внутреннего, так и наружного освещения, а также в закрытых светильниках ограниченного объема.
Расширяется номенклатура возможных типоисполнений ламп. Каждое типоисполнение (для конкретного применения) может быть реализовано наиболее оптимальным образом, иметь качественные характеристики и низкую цену.
В новой лампе более эффективно обеспечивается и поддерживается уровень и стабильность светового потока (снижается спад светового потока при включении лампы в интервале времени стабилизации, повышается коэффициент стабильности светового потока, уменьшаются коэффициенты снижения светового потока и пульсации светового потока.
Новая конструкция лампы является более технологичной и позволяет изготавливать устройства с большими световыми потоками, используя унифицированные светодиодные филаменты (матрицы) на минимальную мощность.
В лампе, являющейся прототипом, световой поток может быть увеличен только в ограниченных пределах за счет применения светодиодных филаментов (матриц) или кассет повышенной мощности. Однако световая эффективность и стабильность светового потока лампы, выбранной за прототип, при этом, снизится из-за ухудшения теплового режима светодиодов. В новой лампе снижение светоотдачи, уровня и стабильности светового потока с ростом мощности (и требуемого светового потока) может быть выражено значительно слабее.
За счет более низкой рабочей температуры светодиодов, обеспечиваемой в конкретных вариантах реализации, существенно повышается надежность работы лампы и ее светоотдача (при выполнении на заданный световой поток). Упрощается и удешевляется обслуживание осветительных установок с заявляемыми светодиодными филаментными лампами.
Новая конструкция лампы позволяет разработать и применить драйверы постоянного (или переменного) тока с гораздо более высокими техническими характеристиками, чем в лампе, выбранной за прототип. Это также, в целом, повышает надежность работы и увеличивает средний срок службы и эксплуатационный ресурс светодиодной филаментной лампы, обеспечивает требуемый уровень и стабильность светового потока лампы. Лампа выполняется недиммируемой или диммируемой, что обеспечивается возможностями конструкции драйвера.
Дополнительно, так как конструкция новой лампы более технологична, может быть снижена ее цена (при выполнении на заданный световой поток и конкретном типоисполнении).
Световая отдача заявляемой лампы может быть на 20% (и более) выше, чем светоотдача лампы, выбранной за прототип (для каждого заданного типоисполнения).
Средний срок службы новой светодиодной филаментной лампы (согласно экспертной оценки), в частности, превышает срок службы известной лампы в 1,3 раза (за счет улучшения условий работы светодиодных филаментов или матриц, кассет филаментов и драйвера).
Снижение цены и увеличение среднего срока службы и эксплуатационного ресурса, более высокая достигаемая светоотдача конкретного типоисполнения, качественное обеспечение и поддержание уровня и стабильности светового потока, как и возможность реализации функции диммирования расширяют область применения заявляемой светодиодной филаментной лампы.