СВЕТОДИОДНАЯ ФАРА ГОЛОВНОГО СВЕТИЛЬНИКА

Светодиодная фара головного светильника относится к области индивидуального осветительного оборудования и может быть использована в качестве индивидуального осветительного прибора для подземных выработок шахт и рудников, опасных по газу и пыли, и в местах, отличных от шахт, содержащих взрывоопасные газы, а также при проведении аварийно-спасательных операций, при тушении пожаров и для освещения в любых условиях, в том числе и там, где требуется повышенная герметичность фонаря, высокая сила света и ограниченный источник электроэнергии.
Известна фара головного светильника (см. патент Великобритании №2097521, МПК F 21 L 11/00, опубликован 03.11.1982 г.), содержащая герметичный корпус, линзовое кольцо с защитной пластиковой линзой, кварцевую галогенную лампу и люминесцентную лампу дневного света, которые индивидуально подключают к источнику электропитания. Люминесцентная лампа создает широкий конус света, а кварцевая галогенная лампа обеспечивает получение яркого светового пятна.
Использование лампы накаливания в известной фаре приводит к значительному энергопотреблению. Кроме того, использование ламп накаливания в головных рудничных светильниках является потенциально опасным. В первую очередь, это связано с тем, что места контакта лампы с подводящими к ней проводами могут служить источником возникновения искры. В аварийных условиях загазованности воздушной атмосферы шахты это может привести к взрыву или пожару. Кроме того, разогретая до высокой температуры спираль в случае разрушения корпуса лампы накаливания также несет в себе опасность взрыва или возникновения пожара.
Известна фара головного светильника (см. патент РФ на полезную модель №20365, МПК F 21 L 4/00, опубликован 27.10.2001 г.) содержащая
корпус, параболический отражатель с размещенным в его фокусе источником света и защитную линзу, выполненную из термопластического линейного полимера, выбранного из ряда поликарбонатов, при этом отражающая поверхность отражателя увеличена на величину д5, которую определяют расчетным путем.
Использование увеличенной поверхности отражателя в такой конструкции фары способствует лучшему собиранию и фокусированию излучения лампы. Основным недостатком использования лампы накаливания в такой фаре является ее низкая светоотдача, которая составляет всего лишь ~10-12 лм/Вт и малый срок эксплуатации (~1000 час.). Это обуславливает низкий коэффициент полезного действия источника излучения и, как следствие этого, повышенное энергопотребление. Обычно в горно-рудничных светильниках используют лампы накаливания, которые имеют потребляемую мощность ~3,75 Вт при токе 1 А и напряжении 3.75 В. В результате, емкости обычно используемой аккумуляторной батареи едва хватает на одну рабочую смену. Недостатком применяемой в известной фаре лампы накаливания является и невозможность эффективного использования энергии, запасенной в аккумуляторной батарее. Хотя в самой аккумуляторной батарее после рабочей смены еще сохраняется запас энергии, но лампа накаливания при уменьшении потребляемого тока до величины 0,6-0,7 А уже практически перестает излучать в видимой области спектра. Такой недостаток лампы накаливания сильно затрудняет нахождение персонала в шахте в случае, например, необходимости по каким-то причинам задержки в забое дольше рабочей смены, и становится опасным для жизни в аварийных ситуациях, когда отключается общее освещение в выработке.
Известна светодиодная фара (см. патент США №6685336, МПК F 21 L 3/00, опубликован 03.02.2004 г.), включающая по меньшей мере один светодиод (СИД), помещенный в полый конический отражатель так, что излучение СИД падает на внутреннюю коническую поверхность отражателя и затем отражается в противоположном направлении.
Использование СИД в известной фаре обеспечивает большую, чем у лампы накаливания светоотдачу, которая достигает величины ~30 лм/Вт, и имеет большой срок эксплуатации, превышающий 100 000 час. Повышенная светоотдача позволяет уменьшить в ~3 раза энергопотребление фонаря по сравнению с лампой накаливания и, соответственно, при той же емкости аккумуляторной батареи в ~3 раза увеличить продолжительность работы светильника. Кроме того, СИД, в отличие от лампы накаливания имеют свойство продолжать излучать видимый свет при очень малых значениях тока вплоть до значений 10-20 мА. Оценки показывают, что продолжительность горения светильника в аварийной ситуации в шахте за счет малого потребления энергии может быть увеличена до 10 дней. Несомненным достоинством применения СИД в качестве источника света является и тот факт, что их использование делает светильник абсолютно взрыво- и пожаробезопасным. В отличие от лампы накаливания, СИД не имеют разогретой до высокой температуры спирали, а в местах контактов электродов СИД с подводящими проводами невозможно возникновение искрения.
Недостатком известной светодиодной фары является то, что в такой конструкции существуют неоправданные потери света за счет рассеяния при отражении от поверхности отражателя. Это вызвано тем, что даже на хорошо полированных поверхностях трудно добиться величины коэффициента отражения света больше 0,7. Т.Е. до 30% излучаемого СИД света бесполезно теряется.
Известна фара универсального головного светодиодного светильника (см. патент РФ №2194212, МПК A 21 L 17/00, опубликован 10.12.2002 г.), совпадающая с заявляемым решением по наибольшему числу существенных признаков и принятая за прототип.
Известная фара-прототип содержит защитный корпус, в котором размещены источники света, рефлектор и оптическая система. Оптическая система содержит коллиматор, световод и линзу, в качестве источников света использованы СИД, расположенные на плате, изогнутой в виде параболоида так, что световой поток СИД
сконцентрирован на коллиматоре. При этом СИД вместе с платой расположены в сплошном отражающем пластмассовом корпусе, представляющем собой подобие сектора, выпуклая сторона которого имеет вид параболы, а узкая сторона усечена и сочленена с коллиматором или линзой.
Несмотря на несомненные преимущества использования СИД в известной фаре, позволяющие снизить расход электроэнергии, повысить безопасность и надежность ее работы, известная конструкция фары головного светильника имеет и серьезные недостатки. Значительная часть излучения, испускаемого полупроводниковым кристаллом СИД, распространяется в боковом направлении, не попадает в апертуру фокусирующей линзы и бесполезно теряется. В результате не обеспечивается необходимая сила света светильника при использовании одного СИД. Чтобы компенсировать потери света и достичь требуемых светотехнических параметров, предъявляемых, например, к рудничному светильнику, (сила света ~1200 кд. и угол излучения 4-5°) в конструкции фары известной необходимо использовать несколько СИД. Использование большого количества СИД для изготовления светильника приводит к увеличению площади излучающей поверхности и, как следствие этого, увеличение геометрических размеров, сложности и стоимости изготовления светильника.
Задачей заявляемого технического решения являлась разработка такой светодиодной фары головного светильника, которая бы имела более простую конструкцию при повышенной эффективности использования светового потока, испускаемого СИД.
Поставленная задача решается тем, что светодиодная фара головного светильника включает защитный корпус с прозрачным окном, размещенный в защитном корпусе источник света, выполненный на основе светоизлучающего диода, включающего полупроводниковый светоизлучающий кристалл, помещенный в сплошной прозрачный отражающий корпус, выполненный в форме эллиптического параболоида с плоской световыводящей поверхностью, при этом полупроводниковый
cр
cp
светоизлучающий кристалл расположен в центре его фокальной плоскости, а прозрачный отражающий корпус выполнен из материала с показателем преломления n≥n, где n - показатель преломления окружающей среды.
Для присоединения светодиодной фары к защитной каске она может быть снабжена скобой, закрепленной на внешней поверхности защитного корпуса.
Защитный корпус светодиодной фары может быть выполнен из полимерного материала, например из поликарбоната.
Защитный корпус светодиодной фары может быть выполнен герметичным.
Прозрачное окно может быть выполнено в виде съемной крышки защитного корпуса.
Съемная крышка может быть выполнена, например, в виде навинчиваемой на защитный корпус гайки, внутренняя полость которой перекрыта стеклом из прозрачного поликарбоната, при этом гайка может быть снабжена кольцевым уплотнением.
Полупроводниковый светоизлучающий кристалл может быть покрыт слоем люминофора для получения белого света и снабжен теплоотводящим элементом, выполнен, например, в виде металлической пластины.
Отражающий корпус может быть выполнен из светопрозрачного полимера, например, из поликарбоната, эпоксидного оптического компаунда, полиметилметакрилата.
Отражающий корпус может быть выполнен усеченным по фокальной плоскости, параллельной его широкому основанию. В этом случае основание светоизлучающего кристалла располагается в этой фокальной плоскости, что упрощает изготовление фары.
Такая конструкция светодиодной фары головного светильника позволяет изготовить осветитель, удовлетворяющий требованиям, предъявляемым к светотехническим параметрам горнорудного светильника, без использования внешних оптических фокусирующих
систем, при этом в конструкции светильника используется только один СИД.
cр
cр
Выполнение прозрачного отражающего корпуса в форме сплошного эллиптического параболоида с плоской световыводящей поверхностью, изготовление его из материала с показателем преломления n≥n, где n - показатель преломления окружающей среды, и расположение светоизлучающего кристалла в центре фокальной плоскости параболоида, обеспечивает полное отражение света (исключая всякое преломление и тем самым какие-либо потери), излучаемого полупроводниковым кристаллом, от боковой, не выводящей излучение, поверхности отражающего корпуса. В этом случае направление распространения света, выходящего из светоизлучающего кристалла, образует в точке падения на боковой поверхности отражающего корпуса угол с касательной плоскостью к этой точке, больше угла полного внутреннего отражения. При выполнении этого условия свет, выходящий из излучающего кристалла, испытывает только отражение и полностью выводится через плоскую световыводящую часть поверхности корпуса. В случае использования для изготовления отражающего корпуса СИД широко распространенного в настоящее время прозрачного эпоксидного оптического компаунда с показателем преломления n~1,5 этот угол составляет ~40°. В общем случае уравнение кривой, удовлетворяющей условиям получения полного внутреннего отражения света в любой точке, представлено в виде установленного в патенте (см. патент РФ №2055420, МПК H 01 L 33/00, опубликован 27.02.1996) соотношения. Чтобы эффективно использовать в осветителе весь свет, излучаемый полупроводниковым кристаллом, необходимо не только эффективное собирание, но и его фокусировка. Расположение светоизлучающего кристалла в центре фокальной плоскости параболоида обеспечивает наилучшую фокусировку излучаемого света. При этом регулировку угла излучения СИД легко осуществлять путем изменения места расположения излучающего кристалла на оси симметрии параболоида.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:
на фиг.1. приведен вид сбоку светодиодной фары головного светильника в продольном разрезе;
на фиг.2. показана светодиодная фара, вид спереди:
на фиг.3. изображен в продольном разрезе один из вариантов отражающего корпуса и помещенного в него светоизлучающего кристалла;
на фиг.4 показан вид спереди отражающего корпуса, изображенного на фиг.3;
на фиг.5. изображен в продольном разрезе отражающий корпус с усеченной по фокальной плоскости вершиной и помещенный в него светоизлучающий кристалл;
на фиг.6 показан вид спереди отражающего корпуса, изображенного на фиг.5.
cp
cp
Светодиодная фара головного светильника включает (см. фиг.1, фиг.2) защитный корпус 1 с прозрачным окном 2, размещенный в защитном корпусе 1 источник света 3 (см. фиг.3-фиг.6), выполненный на основе светоизлучающего диода, включающего полупроводниковый светоизлучающий кристалл 4, помещенный в светопрозрачный отражающий корпус 5, выполненный в форме сплошного эллиптического параболоида с плоской световыводящей поверхностью 6. Отражающий корпус 5 выполнен из прозрачного для излучения источника света 3 полимера, например, из поликарбоната или эпоксидного оптического компаунда. Полупроводниковый светоизлучающий кристалл 4 расположен в центре 7 его фокальной плоскости. Отражающий корпус 5 выполнен из материала с показателем преломления n≥n, где п - показатель преломления окружающей среды. Прозрачное окно 2 выполнено в виде съемной крышки защитного корпуса 1, состоящей из навинчиваемой на защитный корпус 1 гайки 8, внутренняя полость которой перекрыта стеклом 9, прозрачным для излучения источника света 3. Стекло 9 выполняют, например, из прозрачного поликарбоната. Отражающий корпус 5 может быть усечен по фокальной плоскости,
параллельной его широкому основанию, являющемуся плоской световыводящей поверхностью 6 (см. фиг.5). Защитный корпус 1 может быть выполнен герметичным, для чего гайка 8 снабжается кольцевым уплотнением 10. Корпус 1 может быть изготовлен из полимерного материала, например, из поликарбоната. На внешней поверхности защитного корпуса 1 винтом 11 закреплена скоба 12, предназначенная для присоединения фары к защитной каске. Светоизлучающий кристалл 4 может быть покрыт слоем люминофора 13 для получения белого света. Светоизлучающий кристалл 4 может быть снабжен теплоотводящим элементом 14. выполненным, например, в виде металлической пластины (см. фиг.5). Напряжение к светоизлучающему кристаллу 4 подают через контакты 15 и 16, соединенными соответственно с отрицательной клеммой 17 и положительной клеммой 18, соединенной, в свою очередь, с герметизированной контактной втулкой 19. Теплоотводящий элемент 14 источника света 3 прикреплен посредством винта 20 к металлической пластине 21, которая, в свою очередь, закреплена в корпусе 1 винтом 11 и положительной клеммой 18. Боковую поверхность 22 отражающего корпуса 5 полируют.
Светодиодная фара головного светильника действует следующим образом. При подаче напряжения от источника электропитания, например, аккумулятора, через отрицательную клемму 17 и контакт 15, положительную клемму 18 и контакт 16 на кристалл 4, он начинает излучать свет, который распространяется в сплошной среде отражающего корпуса 5 и не испытывает никакого преломления до достижения границы корпуса 5 с воздухом. При этом свет, распространяющийся в боковом направлении, отражается от боковой поверхности 22 корпуса 5 и, так как излучающий кристалл 4 расположен в центре 7 фокальной плоскости корпуса 5, выходит сфокусированным пучком, близким к параллельному, через плоскую световыводящую поверхность 6. В такой оптической системе отсутствуют потери на рассеяние света за счет преломления на двух границах раздела с воздухом. Так как боковая поверхность 22 корпуса 5 выполнена гладко-полированной,
то весь свет, излучаемый полупроводниковым кристаллом 4, практически без потерь, выводится из корпуса 5 через поверхность 6. В случае расположения полупроводникового кристалла 4 в центре 7 фокальной плоскости отражающего корпуса 5, такая система позволяет получить, в зависимости от геометрических размеров корпуса 5, достаточно узкие углы излучения ~2-3°. При этом заданный угол излучения в фаре довольно просто получить, изменяя лишь месторасположение кристалла на оси симметрии корпуса 5.
Все вышеприведенные преимущества заявляемой конструкции светодиодной фары при изготовлении горно-рудничного светильника в полной мере обеспечили получение требуемых светотехнических параметров (силы света ~1200 кд и угол излучения 5°) и создать при том же энергопотреблении светильник на основе всего лишь одного СИД белого света. Это позволило значительно упростить конструкцию светильника, уменьшить стоимость его изготовления и геометрические размеры.