ЛАМПА НА СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДАХ
LIGHT-EMITTING DIODE-BASED LAMP

Изобретение относится к светотехнике, в частности к источникам света - лампам на светоизлучающих диодах (СИД), генерирующим оптическое излучение с длиной волны в видимом диапазоне длин волн 0,4-0,7 мкм, предназначенным для применения в световых приборах и устройствах, используемых для местного и общего освещения жилых помещений, объектов социальной сферы (школ, больниц, учреждений культуры), кафе, ресторанов, номеров гостиниц и других объектов.
Известна лампа на светоизлучающих диодах [Пат. Франции N 2714956, кл. F21Q 3/02, опубл. 13.07.95 г.], содержащая равноудаленные от ее продольной оси группы светоизлучающих диодов, установленных на периферии выполняющих функции держателя одинаковых дисков с осевыми отверстиями, образующими цилиндрическую конфигурацию светящего тела, и подключенных к токоведущим элементам стандартного цоколя.
Недостатком лампы является неудовлетворительная конфигурация светящего тела лампы, не обеспечивающая перераспределение светового потока вдоль оси и исключающая возможность получения равномерного светораспределения в полусфере и эффективного согласования лампы с элементами отражательной и преломляющей оптики.
Известна лампа на СИД, содержащая равноудаленные от продольной оси группы светоизлучающих диодов, установленных на держателе, выполненном в виде полого выпуклого многогранника, вписанного в кривую поверхность части шара таким образом, что его боковые грани перпендикулярны прямым, исходящим из единого светового центра, совпадающего с центром шара [Пат. РФ N 2158876, кл. F21S 8/10, опубл. 11.10.2000 г.]. На каждой грани многогранника установлено одно или более количество светодиодов с оптическими осями, перпендикулярными этой грани, причем оптическая ось одного из светодиодов проходит через упомянутый световой центр. Выпуклый многогранник может быть выполнен в виде совокупности сопряженных между собой основаниями полых правильно усеченных пирамид, вписанных в кривую поверхность шарового пояса. При этом верхнее основание верхней усеченной пирамиды выполнено в виде плоской платы с установленными на ней светодиодами, а противоположное основание нижней пирамиды механически закреплено на ножке с токоведущими элементами цоколя лампы.
Эта лампа позволяет повысить равномерность светораспределения. Недостатком лампы являются невозможность увеличения силы светового потока и мощности лампы из-за невозможности эффективного отвода тепла. Кроме того, сложность конструкции и монтажа СИД, их распайки требует использования большого количества ручного труда, приводит к высокой трудоемкости изготовления и стоимости всей лампы в целом, что делает невозможным выпуск этих ламп в массовом количестве в серийном производстве.
Известна также лампа на СИД (прототип), способная работать при стандартных сетевых напряжениях, включающая трубчатую оптически прозрачную колбу и расположенные внутри колбы средство питания, множество СИД, соединенных последовательно, установленных на протяженных вдоль оси печатных платах и подключенных к токоведущим элементам стандартного цоколя [Патент США N 5463280, кл. Н05В 37/02 (нац. кл. 315/187), опубл. 31.10.95 г.]. В известной лампе на СИД подробно рассмотрены схемы электропитания СИД и описано конструктивное решение по размещению СИД на печатных платах.
К числу недостатков прототипа относятся следующие:
- не решен вопрос охлаждения корпусов СИД, что особенно важно для ламп с большим количеством СИД и когда в качестве источника света используются СИД повышенной мощности;
- свет от лампы распределяется в пространстве неравномерно, что приводит к образованию слабо освещенных или «мертвых» зон на удалении от лампы на СИД по причине нерационального расположения СИД;
- высокие рабочие температуры СИД влияют на температуры переходов у кристаллов СИД, что снижает их долговечность и уменьшает световые характеристик;
- уменьшение рабочего тока СИД уменьшает эффективность светоотдачи на единицу мощности СИД и уменьшает совокупную суммарную мощность лампы, что ограничивает функциональные возможности лампы на СИД.
Задачей предлагаемого изобретения является улучшение теплоотвода, обеспечение равномерного освещения лампой на СИД, снижение рабочей температуры СИД, обеспечение эффективной светоотдачи на единицу мощности диода и совокупной суммарной мощности лампы, повышение долговечности СИД и совокупной суммарной мощности лампы, повышение долговечности работы лампы на СИД, расширение функциональных возможностей лампы.
Поставленная задача достигается тем, что в лампе на светоизлучающих диодах (СИД), содержащей оптически прозрачную, со 100% пропускной способностью колбу, стандартный цоколь, соединенный с ним преобразователь напряжения питающей сети, множество светоизлучающих диодов, установленных на печатных платах вдоль ее оси, в прозрачной колбе соосно цоколю установлен металлический держатель, укрепленный торцом на металлическом радиаторе, соединенном с цоколем через изолирующую втулку, а печатные платы выполнены из керамических подложек с металлическими основаниями и размещены на гранях металлического держателя, при этом на поверхности колбы размещены светорассеивающие элементы, расположенные перед светоизлучающими диодами таким образом, что их оптические оси перпендикулярны светорассеивающим элементам.
Светорассеивающие элементы колбы могут быть выполнены в виде утолщений стенок колбы, образующих плосковыпуклые коллимирующие рассеивающие линзы.
Светорассеивающие элементы могут быть выполнены в виде светопроводов, внутренние поверхности которых отполированы, а внешние матированы.
Светорассеивающие элементы могут быть выполнены на цилиндрической и торцевой поверхностях колбы в виде микролинз.
Светорассеивающие элементы могут быть выполнены на цилиндрической и торцевой поверхностях колбы в виде микрорастра.
Микрорастр может быть треугольного, прямоугольного, трапециевидного или полукруглого профиля.
Светорассеивающие элементы колбы могут быть выполнены на боковой цилиндрической поверхности и на торце колбы в виде линз Френеля.
Колба может быть выполнена из полупрозрачного стекла или пластмассы с пропускной способностью 80-90%.
Печатные платы могут быть выполнены из керамических подложек на основе окиси алюминия, окиси бериллия, нитрида алюминия, карбида кремния или нитрида бора.
Печатные платы могут быть выполнены в виде металлического основания с нанесенным слоем диэлектрика.
Металлические основания могут быть выполнены корытообразной формы, внутренние поверхности которых имеют зеркальное покрытие.
Металлический держатель печатных плат может быть выполнен в виде многогранника с числом сторон 3, 4, 5, 6 или 8.
Металлический держатель может быть выполнен в виде многогранника с нанесенным слоем диэлектрика.
Радиатор выполнен из алюминиевого сплава, поверхность радиатора, расположенная внутри колбы, отполирована, а на внешнюю, оребренную часть радиатора нанесено покрытие черного цвета.
Соединения колбы, держателя и изолирующей втулки с радиатором, а также изолирующей втулки и цоколя выполнены разъемным.
Изолирующая втулка, расположенная между цоколем и радиатором, может быть выполнена из керамики с высоким коэффициентом теплопроводности черного цвета.
Предлагаемое изобретение пояснено чертежами, где на фиг.1 показан вид спереди лампы на СИД в разрезе. На фиг.2 представлен вид лампы сверху, разрез А-А.
Предлагаемая лампа (фиг.1 и 2) содержит цоколь 1, включающий изолятор 2 и нижний торцевой контакт 3. К противоположному от контакта торцу цоколя прикреплена втулка 4 из изоляционного материала с резьбой, выполненной на обоих концах, причем одним концом втулка ввинчивается в цоколь, а вторым - в радиатор 5. К противоположной стороне радиатора присоединена оптически прозрачная со светорассеивающими элементами колба 6, внутри которой размещен держатель 7 с печатными платами 8, выполненными из керамических подложек с металлическими основаниями 9. На керамические подложки нанесен металлизационный рисунок (на фиг. не показан) с припаянными СИД 10, которые подключены низковольтными проводами 11 к расположенному изолирующей внутри втулки преобразователю 12, преобразующему переменное напряжение сети 220 В в постоянное напряжение 3-12 В. Преобразователь токоведущими проводами 13 подключен к питающей сети 220 В через боковую цилиндрическую с резьбой стенку и нижний контакт цоколя лампы. При вкручивании цоколя лампы в стандартный патрон осуществляется ее подсоединение к переменному напряжению сети 220 В.
В качестве СИД на боковых сторонах держателей-многогранников были применены мощные ультраяркие светодиоды белого свечения со световым потоком 250 лм типа XR-E фирмы «CREE» в бескорпусном исполнении размером 7,0×9,0 мм и на торцевой стороне держателя мощные ультраяркие светодиоды белого свечения серии OSTAR-Lighting фирмы OSRAM Opto Semiconductors типа LE UW Е3В с 6 светодиодами в одном малом плоском корпусе со световым потоком 730 лм мощностью 15 Вт.
Лампа на СИД работает следующим образом.
После ввинчивания лампы в стандартный патрон осуществляется подключение ее к питающей сети переменного напряжения 220 В, при этом через боковую поверхность цоколя 1 и контакта 3 по проводам 13 подается напряжение к электронному преобразователю 12, который преобразовывает переменное напряжение 220 В в пониженное постоянное напряжение 3-12 В. С помощью проводников 11 и металлизационного рисунка, сформированного на печатных платах 8 из керамических подложек, присоединенных к металлическим основаниям 9, подключаются СИД 10, которые загораются и излучают белый свет. Ультрасверхъяркие световые лучи СИД направляются на светорассеивающие элементы колбы 6, где концентрируются, преломляются, рассеиваются и распространяются в окружающем пространстве, в радиальном, перпендикулярном оси лампы, и фронтальном осевом направлении, создавая равномерный световой поток и круговое светораспределение. Тепло, выделяемое СИД 10, передается через печатную плату 8 из керамической подложки и металлического основания 9 сначала на металлический держатель 7, а затем на радиатор 5, с поверхности которого в дальнейшем за счет излучения и конвекции рассеивается в окружающее пространство.
Таким образом, установление в колбе соосно цоколю металлического держателя, укрепленного одним торцом на металлическом радиаторе, соединенном с цоколем через изолирующую втулку и выполнение печатных плат из керамических подложках с металлическими основаниями и размещение их на гранях держателя позволило значительно расширить возможность наращивания как количества, так и мощности отдельных СИД.
Наличие на стенках колбы множества вариантов светорассеивающих элементов, расположенных перед светоизлучающими диодами так, что их оптические оси перпендикулярны светорассеивающим элементам, позволило разнообразить светорассеяние и создать круговое светораспределениие.
Предлагаемая в изобретении лампа на СИД обладает рядом преимуществ по сравнению с прототипом, которые вытекают из многовариантности конструкции держателя печатных плат с СИД, более высокого КПД колбы, рассеивающей световой поток в окружающее пространство, применения ультрасверхъярких, мощных СИД в бескорпусном исполнении, генерирующих более мощный световой поток и имеющих более высокую светоотдачу, а также более эффективный теплоотвод за счет использования радиатора, который позволяет отводить тепло из замкнутого объема колбы в окружающее пространство и неограниченно наращивать количество светодиодов. Обеспечение надежного теплового контакта за счет припайки СИД и эффективного отвода тепла позволили обеспечить возможность увеличения силы света и мощности СИД в необходимых направлениях. Благодаря предложенному в изобретении конструктивному решению, отвод тепла осуществляется двумя путями: кондуктивным путем (за счет теплопроводности материалов подложки, металлического основания, держателя печатных плат и радиатора) и путем конвекции и излучения от оребренной внешней поверхности радиатора. Кроме того, полирование внутренней поверхности радиатора позволяет дополнительно отражать свет от СИД в колбе и направлять часть отраженного от полированной поверхности светового потока параллельно оси на торцевое утолщение колбы, что способствует более полному использованию излучаемого СИД света. Нанесение черного покрытия на оребренную часть радиатора позволяет улучшить охлаждение корпусов СИД за счет увеличения излучательной способности, что в сочетании с конвекцией позволяет повысить эффективность отвода тепла от радиатора. Такое комплексное решение вопроса теплоотвода позволило обеспечить нормальный тепловой режим всей лампы, не превышать предельно допустимых температур работы СИД и сохранить яркость СИД на более длительный срок.
Возможность размещать внутри колбы держатель в виде многогранника с различным количеством сторон создало возможность за счет увеличения количества сторон и длины держателя увеличивать количество размещаемых СИД, что в совокупности с увеличением мощности и силы света каждого отдельного светодиода позволило получить неограниченные возможности по наращиванию светоотдачи на единицу мощности и совокупной суммарной мощности лампы.
Использование в качестве печатных плат керамических подложек с металлическим основанием также позволило улучшить теплоотвод, так как керамическая подложка имеет более высокий коэффициент теплопроводности, а металлическое основание такой печатной платы является в лампе первичным теплорастекателем тепла, выделяемого СИД.
Таким образом, обеспечение комплексного решения вопроса эффективного отвода тепла позволило существенно расширить возможности в части наращивания мощности лампы.
Наличие утолщений на внутренних поверхностях колбы как на боковой цилиндрической, так и на нижней выпуклой торцевой части позволило создать плосковыпуклые коллимирующие светорассеивающие линзы, сформировать концентрированное в вертикальной и горизонтальной плоскостях круглосимметричное светораспределение, а также повысить его равномерность и КПД лампы в целом за счет того, что упомянутые утолщения одновременно выполняют функцию линзы и светопровода. Применение оптически прозрачной колбы с утолщениями, образующими плосковыпуклые линзы позволило без потерь рассеивать световой поток в окружающее пространство.
Однако в тех случаях, когда лампа располагается в непосредственной близости с органами зрения пользователя, прямое попадание излучаемого яркого света может слепить глаза, что приводит к дискомфорту у пользователя лампы. Поскольку в настоящее время не изучено и не известно влияние на здоровье человека воздействие прямых лучей СИД, для получения более мягкого света колба выполняется из пластмассы (поликарбонат, акрил) или стекла (например, дымчатого, матового или молочного цвета, или с различными растрами и линзами) с пропускной способностью 80-90%, которое размывает и рассеивает световое излучение, исключая попадание ярких лучей в глаза.
Выполнение соединения колбы с радиатором разъемным создало возможность установки различных видов колб в зависимости от типа держателя и количества граней у держателя печатных плат СИД, обеспечивать ремонт как на стадии изготовления, так и на стадии эксплуатации лампы, тем самым улучшить ремонтопригодность лампы, что необходимо в связи с высокой ценой применяемых СИД. Кроме того, наличие разъемного соединения колбы с радиатором позволило в зависимости от требований эксплуатации использовать колбы с различными вариантами светорассеивающих элементов, расположенных на ее стенках.
Использование полученных за счет утолщений вдоль колбы и на торце плосковыпуклых коллимирующих линз позволило обеспечить формирование в пространстве направленного в виде полусферы светового потока с необходимыми световыми параметрами.
Использование керамических подложек с металлическими основаниями позволило улучшить отвод тепла, а изготовление подложек белого цвета - повысить отражательную способность, что обеспечило переотражение внутри колбы излучаемого СИД света и более полное его использование для освещения окружающего пространства.
Изготовление втулки из изоляционного материала между цоколем и радиатором из керамики с более высоким коэффициентом теплопроводности и имеющей черный цвет позволило еще более повысить кондуктивную и излучательную составляющие теплообмена и в целом отвод тепла от СИД в лампе за счет образования дополнительного канала отвода тепла и дополнительной поверхности теплообмена.
Наличие на стенках колбы микролинзового растра или микрорастра различного профиля позволяет перераспределить за счет растра интенсивность света, излучаемого светодиодами.
Предложенная конструкция лампы обеспечивает эффективный отвод тепла от СИД, имеет высокую технологичность монтажа за счет выполнения всех соединений между узлами и отдельными частями лампы разъемными и возможности осуществления ремонта лампы как на стадии изготовления, так и на стадии эксплуатации. Применение керамической подложки с близкими к корпусам СИД температурным коэффициентам линейного и объемного расширения позволяет исключить проблему термомеханических напряжений, возникающих в условиях циклически изменяющихся рабочих температур СИД и температуры окружающей среды. Главным преимуществом предложенной конструкции лампы является долговечность и эффективность. Монтаж СИД на керамические подложки с металлическим основанием и последующая установка этих узлов на металлический держатель позволяет минимизировать тепловое сопротивление участка «корпус СИД - радиатор» и обеспечить оптимальный тепловой режим лампы. Все СИД смонтированы на керамических платах с металлическим основанием, прикрепленным к держателю из алюминиевого сплава, который обеспечивает низкое тепловое сопротивление между корпусом СИД и радиатором, что позволяет значительно расширить рабочий температурный диапазон эксплуатации лампы от -40 до +85°С и обеспечить нормальный тепловой режим работы.
Таким образом, обеспечен эффективный отвод тепла, равномерное освещение, снижена рабочая температура СИД, обеспечена возможность использования мощных ультрасверхъярких светодиодов с высокой светоотдачей на единицу мощности, повышена суммарная мощность лампы, обеспечена ее долговечность, расширены функциональные возможности лампы на СИД.