СВЕТОДИОДНАЯ ЛАМПА ДЛЯ УЛИЧНОГО ОСВЕЩЕНИЯ
LED LAMP FOR STREET LIGHTING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение представляет собой светодиодную лампу (LED), цель которой заменить традиционные лампы уличных осветительных приборов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно, что технология генерации света с помощью светодиодов (LED, Light Emitting Diode) обеспечивает существенную экономию энергии по сравнению с прочими существующими осветительными технологиями благодаря тому, что светодиоды вырабатывают свет из электрической энергии с большей световой отдачей в люменах на ватт и с лучшей цветопередачей. Более того, срок службы данных ламп больше, чем других существующих на настоящий момент.
Ввиду перечисленных достоинств существует множество разработок для решения различных осветительных задач с помощью светодиодных устройств.
Одной из возможных областей применения является их использование в уличных осветительных приборах: общественных местах, улицах, парках, парковках и т.д.
Традиционный подход к проекту по внедрению светодиодного уличного освещения связан с установкой новых осветительных приборов, разработанных для данной технологии и заменяющих уже существующие традиционные осветительные приборы. Необходимость замены объясняется специальными термическими и оптическими требованиями к светодиодным источникам света. Замена всех осветительных приборов связана с высокими затратами, которые во многих случаях не компенсируются за счет энергосбережения от использования светодиодов.
Было предпринято множество попыток разрешить данную проблему с помощью приспособления осветительных приборов, изготовленных по другим технологиям, к светодиодам. Идея всех попыток свелась к разработке светодиодной лампы, которая могла бы быть использована в существующих осветительных приборах, заменив традиционную лампу. Поэтому данные лампы называют светодиодными лампами для замены.
Бытовые светодиодные лампы для замены уже разработаны и имеются в продаже.
Однако в сфере уличного освещения, несмотря на наличие в продаже светодиодных ламп для замены, существует ряд недостатков и проблем, ограничивающих их использование. Среди основных трудностей, возникающих при разработке светодиодных ламп для замены для уличного освещения, выделяют:
- традиционные лампы, используемые для уличного освещения, имеют очень высокие значения светового потока. Для достижения такого же значения со светодиодными устройствами потребуется электрическая мощность больше, чем для домашних светодиодных ламп, но меньше, чем для традиционных ламп уличного освещения. Несмотря на высокую эффективность технологии LED светодиодные лампы не работают при температурах выше 80°C или 90°C из-за снижения светоотдачи и уменьшения срока службы, с учетом ограничений традиционных осветительных приборов для рассеяния вырабатываемого тепла можно сделать вывод, что на сегодняшний день не изобретены достаточно эффективные и надежные светодиодные лампы для замены ламп, используемых в уличном освещении;
- традиционные уличные осветительные приборы имеют светоотражатели, предусмотренные для ламп, имеющих всенаправленное излучение. Данная характеристика обеспечивает преимущество при разработке специальных светодиодных осветительных приборов, так как использование светоотражателей не требуется, но представляет проблему при разработке светодиодных ламп замены;
- светодиодная технология требует, помимо собственно светодиодного устройства, использования преобразователя питания, адаптирующего подводимое напряжение, обычно переменное, к требуемому полупроводниковыми светодиодными устройствами, которое, как известно, представляет собой постоянный ток. Традиционные осветительные приборы не имеют данного преобразователя питания, который необходимо устанавливать в осветительном приборе или в самой лампе, что более выгодно с учетом простоты установки, но для чего необходимо, чтобы преобразователь питания работал в условиях повышенных температур, что может негативно сказаться на его работе.
Существуют изобретения, ставящие своей задачей разрешить указанные неудобства, но они не показывают удовлетворительных результатов или не применимы для уличного освещения.
В качестве примера приведем международную заявку на патент WO 2011/135151, описывающий лампу для замены, основной недостаток которой заключается в отсутствии рассеивателей, подходящих для рассеяния тепла. Представленные рассеиватели обладают невысокой эффективностью из-за расположения внутри биконической области с небольшим отверстием. Другое неудобство связано с тем, что излучение от светодиодов рассеивается и отражается от конических металлических рефлекторов, подверженных окислению, что снижает их оптические свойства. Более того, описанная лампа не имеет встроенного преобразователя питания, что потребует подключения внешнего устройства.
Также стоит указать заявку на патент США US 2009/0267509, описывающий лампу для замены, в которой излучающие светодиодные элементы находятся внутри стеклянной колбы, что препятствует рассеянию тепла, генерируемого светодиодными устройствами. Свет излучается только в одном направлении, что делает невозможным использование лампы в уличном освещении.
Также можно указать заявку на патент США US 2010/0134046. В ней описано решение для адаптации традиционных уличных осветительных приборов к светодиодному освещению, однако изобретение не может считаться лампой для замены из-за необходимости внесения серьезных изменений в осветительные приборы: лампа не подключается к существующему патрону и нуждается в дополнительном механическом креплении.
Заявка на патент США US 2011/0134239 описывает лампу для замены, излучающую свет только в одном направлении, в связи с чем ее использование невозможно в осветительных приборах со всенаправленными лампами. Рассеивающий элемент не является модульным, а состоит из единого блока, установленного на панели со светодиодами, что снижает полезную площадь рассеивателя. Эффективность рассеивателя зависит от его местоположения: между панелью со светодиодами и источником питания - элементами, препятствующими движению воздуха по рассеивателю.
CN 202203704 U (QINZHENG HUANG) - это наиболее близкий к изобретению документ, в котором описывается светодиодная лампа для освещения, состоящая из цоколя для закрепления в патроне осветительного прибора и подключения к электричеству, а также из преобразователя переменного тока в постоянный ток, необходимого для светодиодов. Светодиодная лампа, описанная в этом документе, также включает ряд теплорассеивающих модулей, установленных на основании для охлаждения лампы. Однако в данных модулях не предусмотрена установка по периметру несущих плат со светодиодами, что упрощает их внедрение.
Однако в документе CN 202091825 (DUJIANGYAN HUAGANG ELECTRONIC TECHNOLOGY СО LTD) от 28.12.2011 описано внедрение ряда теплорассеивающих модулей, установленных на основании и предусматривающих установку по периметру по крайней мере одной монтажной платы с рядом светодиодов, также данные модули включают в себя ряд охлаждающих ребер (Фиг. 1), но в этом документе не предусмотрена установка платы со светодиодами на сопряженные рассеивающие модули, с использованием принципа монтажа данных рассеивающих модулей.
Изобретение обеспечивает новую конфигурацию рассеивающих модулей, позволяющую монтировать платы со светодиодами одновременно с рассеивающими модулями, что упрощает его производство.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для достижения задач и разрешения вышеуказанных проблем, изобретение состоит из лампы уличного освещения, направленной на замещение традиционных ламп уличных осветительных приборов, которая, как и лампы, описанные в предпосылке изобретения, состоит из основания с цоколем для закрепления в патроне осветительного прибора, при этом цоколь обеспечивает связь с электросетью. Изобретение также включает в себя серию сборных между собой теплорассеивающих модулей, формирующих ряд теплорассеивающих модулей, крепящихся на основании. Рассеивающие модули имеют серию охлаждающих ребер, сгруппированных так, что N отдельных секторов, располагающихся на некотором расстоянии, формируют N разделяющих секторов для циркуляции воздуха между секторами охлаждающих ребер. Рассеивающие модули также имеют центральную деталь с радиальными выступами, к которым присоединены охлаждающие ребра, формирующие сектора охлаждающих ребер, свободные концы радиальных выступов оснащены средствами монтажа различных рассеивающих модулей и средствами монтажа платы светодиодов для установки платы со светодиодами на каждом секторе охлаждающих ребер; где ребра образованы боковыми выступами с одной или с обеих сторон радиальных выступов; боковые концы данных боковых выступов каждого сопряженного радиального выступа отделены друг от друга для формирования секторов охлаждающих ребер и отделяющих секторов. Внутри основания расположен преобразователь переменного тока в постоянный ток, что является обязательным условием для работы светодиодов. Данный преобразователь соединен с цепью для управления подачей напряжения питания к светодиодам, которая также установлен внутри основания.
Главное нововведение изобретения заключается в том, что свободные концы радиальных выступов оканчиваются вертикальной поверхностью, проходящей вверх и вниз относительно данных радиальных выступов. Один из концов вертикальной поверхности имеет внутреннюю ступенчатую конструкцию, к которой присоединяется противоположный конец вертикальной поверхности рассеивающего модуля непрерывного действия. Данные концы вертикальной поверхности имеют отверстия, которым соответствуют отверстия платы светодиодов. Данные отверстия служат для монтажа сопряженных рассеивающих модулей и, одновременно, установки платы светодиодов на вертикальную поверхность, образованную группой модулей охлаждения, таким образом, обеспечивая крепление элементов монтажа между сопряженными рассеивающими модулями и между платой светодиодов и вертикальной поверхностью. В этом случае плата светодиодов имеет удлиненную форму и ширину, равную ширине вертикальных поверхностей или меньше. Поскольку вертикальная поверхность проходит выше верхней и нижней частей радиальных выступов при соединении между собой различных рассеивающих модулей, модули отделены друг от друга, что обеспечивает циркуляцию воздуха между ними и более эффективное охлаждение. Согласно данной конфигурации на сопряженные рассеивающие модули может устанавливаться только одна плата светодиодов, которая крепится через отверстия в рассеивающих модулях, что не встречается в документах уровня техники.
Поэтому плата светодиодов установлена по периферии ряда соединенных между собой рассеивающих модулей. Предпочтителен вариант радиально симметричной установки секторов порядка 3, однако они могут иметь любую другую конфигурацию с N-м количеством отделительных секторов. Предпочтителен вариант изобретения с количеством плат светодиодов, равным количеству радиальных выступов и секторов ребер рассеивающих модулей.
Каждое из радиальных выступов рассеивающего модуля с одной или с обеих сторон снабжено боковыми выступами, направленными к прилегающим радиальным выступам того же модуля, при этом боковые выступы двух прилегающих радиальных выступов одного модуля не соприкасаются, потому что они отделены указанным выше отделительным сектором.
Предусмотрено, что центральная деталь имеет форму кольца, через него происходит циркуляция воздуха.
Предпочтительный вариант изобретения предполагает также, что боковые выступы охлаждающих ребер имеют вытянутую деталь, один из концов которой закреплен поперек на боковой или лицевой стороне радиальных выступов. Вытянутая деталь с боковыми выступами охлаждающих ребер имеет также вертикальные охлаждающие выступы, выступающие сверху и снизу. Радиальные выступы сверху и внизу также имеют множество вертикальных охлаждающих выступов, равных количеству выступов в вытянутой детали, которые составляют боковые выступы охлаждающих ребер, получая на выходе устройство с высокой степенью охлаждения.
Изобретение предусматривает, что вытянутые детали боковых выступов охлаждающих ребер имеют криволинейную форму и располагаются параллельно друг другу. Длина вытянутых деталей каждого сектора увеличивается от внутреннего к внешнему, формируя кольцеобразные сектора охлаждающих ребер.
Для способствования охлаждению радиальные выступы имеют определенную ширину, а также расположенное по центру радиальное отверстие, через которое происходит циркуляция воздуха.
Для защиты светодиодов устройство, согласно настоящему изобретению, оснащено прозрачной крышкой, состоящей из полупустотелой продолговатой детали, имеющей с продольных сторон крепежи-зажимы, фиксируемые на вертикальной поверхности, расположенной на свободном конце радиальных выступов. Прозрачная крышка устанавливается скольжением по задней стороне вертикальных поверхностей, расположенных на свободных концах, она закрывает и защищает светодиоды, находящиеся на плате, и в то же время позволяет им излучать свет сквозь прозрачную крышку. Данная крышка также может быть полупрозрачной, если необходимо добиться большего рассеяния света.
Изобретение предполагает, что концевой рассеивающий модуль, размещенный на противоположном от основания конце, оснащен внешней стороной, подготовленной для установки концевой платы светодиодов так, чтобы на данном конце также излучался свет. В варианте реализации изобретения, если сектора охлаждающих ребер формируют кольцевые сектора, данная концевая плата имеет кольцеобразную форму с числом светодиодов, равным числу секторов радиальных ребер.
В одном из вариантов реализации изобретения плата светодиодов или платы светодиодов оснащены датчиком температуры, соединенным с цепью управления, которая в свою очередь регулирует питание светодиодов в зависимости от улавливаемой датчиком температуры, не допуская перегрева светодиодов, например, когда лампа горит в течение всего дня, а светильник сильно нагревается на солнце, или, в случае если рассеиватель лампы загрязнен и не рассеивает тепло надлежащим образом.
Другая отличительная особенность изобретения состоит в том, что лампа имеет коммуникационный модуль, который может размещаться на основании. Данное коммуникационное устройство может быть беспроводным или передавать сигнал через электрические проводники энергии, в любом случае обеспечивая возможность дистанционного управления лампой для регулировки напряжения, контроля включения/ выключения или контроля ее состояния.
Стоит отметить, что цепь управления может быть соединена с управляющим устройством для ручной настройки яркости светодиодов, что позволяет использовать одну модель ламп для замещения традиционных ламп различной мощности путем регулировки силы тока в светодиодных устройствах.
Описанная конфигурация обеспечивает большую поверхность контакта с воздухом, что способствует рассеянию тепла от светодиодов в воздух, окружающий лампу.
Далее, для прояснения настоящего описания представлен ряд чертежей, являющихся неотъемлемой частью данного описания, на которых проиллюстрировано данное изобретение.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фигура 1. Представлен вид в перспективе возможного варианта реализации лампы согласно настоящему изобретению.
Фигура 2. Представлена вертикальная проекция лампы, изображенной на предыдущем чертеже.
Фигура 3. Представлен вид в перспективе рассеивающего модуля для изготовления лампы, изображенной на предыдущих чертежах.
Фигура 4. Представлена вертикальная проекция рассеивающего модуля, изображенного на предыдущем чертеже.
Фигура 5. Представлен вид сверху рассеивающего модуля, изображенного на Фигуре 3.
Фигура 6. Представлен вид в перспективе варианта реализации платы светодиодов.
Фигура 7. Представлен вид в перспективе соединения двух рассеивающих модулей и установки на них плат светодиодов.
Фигура 8. Представлен вид в перспективе прозрачной крышки, защищающей платы светодиодов.
Фигура 9. Представлен вид сверху концевого рассеивающего модуля, на крайнюю верхнюю сторону которого установлена плата светодиодов для излучения света из данной точки.
Фигура 10. Представлена электронная функциональная блок-схема лампы.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА
Далее представлено описание изобретения, основанное на прокомментированных выше чертежах.
Лампа согласно настоящему изобретению состоит из основания 1 с традиционным цоколем 2 - в предпочтительном варианте используется цоколь Е40 - для механической установки в патрон светильника и, одновременно, для соединения лампы с электрической сетью.
В основание 1 входит множество сборных между собой рассеивающих модулей 3 для формирования ряда рассеивающих модулей 3, соединенных друг с другом и закрепленных в основании 1.
Рассеивающие модули 3 выполнены из алюминия для улучшения рассеяния тепла.
Каждый из рассеивающих модулей содержит центральную трубкообразную деталь 4 с радиальными выступами 5, на которых закреплены многочисленные охлаждающие ребра 6, состоящие из боковых выступов, предусмотренных с обеих боковых сторон радиальных выступов 5. Точнее, боковые выступы, образующие охлаждающие ребра 6, содержат вытянутую деталь 6а, один из концов которой закреплен поперек на боковой стороне радиальных выступов 5. Вытянутая деталь 6а имеет вертикальные выступы 6b, выступающие вверх и вниз от вытянутой детали 6а. Данная вытянутая деталь имеет криволинейную форму, а длина ее увеличивается от внутренней части наружу, формируя кольцеобразные сектора. В примере реализации изобретения три отдельных кольцеобразных сектора образуют угол в 120° и разделены отделительными секторами. В предпочтительном варианте реализации изобретения рассеивающие модули 3 в количестве N штук (в примере реализации N=3) установлены радиально симметрично, а охлаждающие сектора занимают 100° и 20° и соответствуют площади, которую занимают отделительные сектора. Следовательно, вместо трех кольцеобразных секторов можно применять четыре, пять или шесть так, что радиальные выступы 5 будут отделены друг от друга на 90°, 72° или 60° соответственно.
Радиальные выступы 5 имеют определенную ширину, на верхней и нижней сторонах располагаются множество вертикальных охлаждающих выступов 5а.
Для соединения различных рассеивающих модулей 3 свободный конец радиальных выступов 5 имеет вертикальную поверхность 7, которая проходит вверху и внизу от радиальных выступов 5, с внутренней ступенчатой конструкцией 8, позволяющей соединять вертикальные поверхности 7 рассеивающих модулей. Разные вертикальные поверхности 7 отдельных рассеивающих модулей 3 расположены продольно, поэтому остальные описанные элементы, входящие в состав каждого из рассеивающих модулей 3, также расположены продольно. В описанной схеме вертикальные выступы 6b и 5а различных модулей охлаждения 3 отделены друг от друга для обеспечения циркуляции воздуха между различными модулями охлаждения 3.
Расположение вертикальных поверхностей 7 позволяет установить на каждой из них монтажную плату с множеством светодиодов 10. Для выполнения данной установки и соединения различных рассеивающих модулей 3 между собой вертикальные поверхности 7 имеют на концах отверстия 11, которым соответствуют отверстия 12 платы 9, таким образом, точка соединения рассеивающих модулей 3 является также точкой стыка с платой 9 светодиодов 10, которые соединяются при помощи винта 14 с выводом его через отверстия 12 платы и отверстие 11 вертикальной поверхности 7 наружу и ввинчивания в отверстие 11, предусмотренное в ступенчатой конструкции 8 сопредельной вертикальной поверхности 7, тем самым механически фиксируя конструкцию и обеспечивая давление платы 9 светодиодов 10 на рассеиватель, что способствует надлежащему термическому контакту между платой 9 светодиодов и рассеивающими модулями 3. Монтаж группы различных рассеивающих модулей 3 к основанию осуществляется аналогичным образом, то есть на основании 1 устанавливаются вертикальные поверхности 7, не изображенные, для монтажа вертикальной поверхности 7 модуля, закрепляемого на основании; монтаж можно выполнить любым другим способом.
Радиальные выступы 5 имеют отверстие 13, которое тянется вдоль различных рассеивающих модулей 3, именно данное отверстие, расположенное радиально относительно оси лампы, обеспечивает ее охлаждение.
Описанная схема обеспечивает наличие большой поверхности контакта с воздухом, что способствует рассеянию тепла, вырабатываемого светодиодами 10 в воздух, окружающий лампу.
Платы 9 светодиодов 10 защищены прозрачной крышкой 15, изолирующей их от непогоды и изготовленной в виде продолговатой полутрубки, по продольным сторонам крышки размещены крепления-зажимы 16, позволяющие фиксировать крышку на вертикальной поверхности 7. Фиксация прозрачной крышки 15 осуществляется скольжением по вертикальным поверхностям 7 после того, как рассеиватели соединены с помощью винтов 14, как описано ранее.
Если необходимо, чтобы лампа излучала световой поток вдоль своей оси, предусмотрена установка концевой платы 17 светодиодов 10 на самом удаленном от основания 1 рассеивающем модуле 3, что в примере реализации изобретения представлено в виде кольцевой схемы, в которую входят три светодиода, расположенные в соответствии с каждым из радиальных выступов 5, может быть использовано любое другое число светодиодов.
Внутри основания 1 расположена цепь 18 управления, которая с помощью фильтра 19 и преобразователя 20 переменного тока в постоянный ток подключается к сети, регулируя подачу постоянного электрического тока на светодиоды 10.
Фильтр 19 и преобразователь 20 также располагаются внутри основания 1, в связи с чем нет необходимости использовать другой внешний элемент преобразования.
Плата 9 светодиодов 10 оснащена датчиком 23 температуры для обеспечения тепловой защиты, датчик соединен с цепью управления, которая в свою очередь регулирует питание светодиодов в зависимости от улавливаемой датчиком температуры. Таким образом, происходит предотвращение перегрева, который мог бы оказать разрушительное влияние на лампу, как уже было отмечено в описании изобретения.
Цепь 18 управления соединена с управляющим устройством 22 для ручной регуляции яркости светодиодов. Управляющее устройство 22 может представлять собой, например, переменный резистор или реостат.
Цепь 18 управления соединена с коммуникационным модулем 21, представленным в примере реализации беспроводным высокочастотным коммуникационным модулем, благодаря чему работу лампы можно контролировать с помощью дистанционного устройства, управляя ее включением/выключением, регулируя яркость и проверяя ее состояние. Коммуникационный модуль 21 может также осуществлять передачу по собственным электрическим проводам.
Контрольный модуль 21 также расположен внутри основания 1, а управляющее устройство 22 регуляции яркости может располагаться непосредственно в основании 1, в доступном для пользователя месте.