Светоизлучающий модуль для линейной светодиодной лампы или светильника
LIGHT EMITTING MODULE FOR LINEAR LED LAMP OR LUMINAIRE

Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано при проектировании новых универсальных, энергоэффективных и технологичных конструкций полупроводниковых источников оптического излучения на основе дискретных светодиодов или СОВ- и МСОВ-матриц, в том числе предназначенных для прямой замены линейных люминесцентных (двухцо-кольных) газоразрядных ламп низкого давления, используемых для освещения и синтеза ультрафиолета, и светодиодных линеек стандартных видов для светильников. Изобретение направлено на расширение области применения светоизлучающего модуля.
Известен светоизлучающий модуль для линейной светодиодной лампы, содержащий протяженную печатную плату прямоугольной формы с установленным на ней, как минимум, одним светодиодом, и две пары контактных площадок на ее противоположных концах для подключения электропитания (П. 103673 РФ, МКИ H01L 33\00. Линейная светодиодная лампа\ Силкин Е.М. - Заявл. 15.11.2010, Опубл. 20.04.2011, Бюл. №11).
Недостатком светоизлучающего модуля для линейной светодиодной лампы является узкая область применения, что обусловлено недостатками конструкции, низкой световой эффективностью, работой кристаллов светодиодов в режимах с повышенной температурой, приводящей к спаду светового потока и их ускоренной неравномерной деградации, значительными потерями энергии оптического излучения, малым сроком службы, невозможностью эффективного использования в установках для синтеза ультрафиолетового излучения.
Известен светоизлучающий модуль для линейной светодиодной лампы, содержащий протяженную печатную плату прямоугольной формы с установленными на ней светодиодами и электронным узлом, две пары штырьковых клемм на ее противоположных концах для подключения электропитания (П. 108213 РФ, МКИ H01L 33\00. Линейная светодиодная лампа\ Силкин Е.М. - Заявл. 06.04.2011, Опубл. 10.09.2011, Бюл. №25).
Недостатком светоизлучающего модуля для линейной светодиодной лампы является узкая область применения, что обусловлено недостатками конструкции, низкой световой эффективностью, работой кристаллов светодиодов в режимах с повышенной температурой, приводящей к спаду светового потока и их ускоренной неравномерной деградации, значительными потерями энергии оптического излучения, низкой надежностью работы, перегревом печатной платы в области размещения электронного узла, невозможностью эффективного использования в установках для синтеза ультрафиолетового излучения, сложностью и нетехнологичностью конструкции, наличием дополнительного элемента, недостаточной жесткостью печатного узла при применяемой толщине печатной платы.
Известен светоизлучающий модуль для линейной светодиодной лампы, содержащий протяженную печатную плату прямоугольной формы с установленным на ней, как минимум, одним светодиодом, и две пары штырьковых клемм на ее противоположных концах для подключения электропитания (П. 103671 РФ, МКИ H01L 33\00. Линейная светодиодная лампа\ Силкин Е.М. -Заявл. 15.11.2010, Опубл. 20.04.2011, Бюл. №11).
Светоизлучающий модуль по п. №103671 может быть применен в светодиодных лампах, а также в светильниках различных конструкций.
Указанный светоизлучающий модуль является наиболее близким по технической сущности к изобретению и выбран в качестве прототипа.
Недостатком светоизлучающего модуля является узкая область применения, что обусловлено конструкцией, низкой световой эффективностью, работой кристаллов светодиодов в режимах с повышенной температурой из-за критичных условий охлаждения, приводящих к спаду светового потока и ускоренной неравномерной деградации структур светодиодов, значительными потерями энергии оптического излучения, недостаточно жесткостью печатного узла, нетехнологичностью, малым сроком службы, невозможностью эффективного использования в установках для получения ультрафиолетового излучения.
Изобретение направлено на решение задачи расширения области применения, что является целью изобретения.
-8
F
F
Указанная цель достигается тем, что в светоизлучающем модуле для линейной светодиодной лампы или светильника, содержащем протяженную печатную плату с прямоугольной разверткой шириной h и длиной  с установленным на ней, как минимум, одним светодиодом, и две пары штырьковых клемм для подключения электропитания, размещенных на ее противоположных концах, оси симметрии которых параллельны и лежат в одной плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии платы по ее длине  отличающийся тем, что плата выполнена с шириной развертки h=10…120 мм и длиной  из ламината с металлическим основанием, имеющим коэффициент теплопроводности не менее 110 Вт/ (м К) и толщину не менее 0,3 мм, с толщиной слоя металлизации не менее 0,017 мм, имеющим удельное сопротивление не более 1,8×10 Ом м, и толщиной изолирующего слоя не более 0,1 мм с коэффициентом теплопроводности не менее 0,25 Вт/ (м К), плата по ширине h разделена на три зоны, светодиод установлен в центральной части средней зоны, имеющей ширину z=(0,3…0,5)h, крайние зоны равной ширины s=(0,25…0,35)h отогнуты относительно плоскости поверхности средней зоны в направлении оптической оси светодиода на угол 5…60 градусов, по меньшей мере поверхности крайних зон платы со стороны установки светодиода выполнены со светоотражающим покрытием, расчетный рабочий прямой ток светодиода установлен в пределах 0,4…0,92 от номинального паспортного прямого тока I, а расчетное максимальное прямое напряжение на светодиоде ограничено уровнем 0,96…0,99 от номинального паспортного прямого напряжения V, пары клемм установлены в средней зоне, клеммы каждой пары размещены симметрично относительно плоскости симметрии платы по ее длине  а оси симметрии клемм каждой пары разнесены на расстояние в миллиметрах y=5α±0,25 мм, где α∈{1; 2,6}, как минимум одна клемма каждой пары имеет электрическое соединение с соответствующим выводом светодиода, диаметр клемм составляет 1,5…2,5 мм, а длина выступающей относительно соответствующего конца платы части каждой клеммы равна, по меньшей мере, 10 мм.
Существенным отличием, характеризующим изобретение, является расширение области применения светодиодной лампы, что обусловлено новым принципом устройства и новыми элементами в конструкции светоизлучающего модуля, работой кристаллов светодиодов в режимах с более низкой предельной температурой, строго выравниваемой по длине печатного узла, обеспечивающей замедление и стабилизацию процессов их деградации, повышением световой эффективности (светоотдачи) за счет улучшения условий охлаждения, оптимизации параметров элементов и свойств применяемых материалов, а также возможности перенаправления потока излучения светодиодов, повышением жесткости конструкции за счет формирования ребер жесткости, созданием в единой конструкции оптимальных защитных углов, возможностью использования новых светоизлучающих модулей в установках синтеза ультрафиолетового излучения без дополнительных изолирующих элементов конструкций, повышением технологичности изготовления световых приборов и их эксплуатации.
Расширение области применения светоизлучающего модуля для линейной светодиодной лампы или светильника, является полученным техническим результатом, обусловленным новым принципом устройства, особенностями новой конструкции и новыми элементами, и связями, совокупностью особенностей (частных технических результатов), установленными пределами контролируемых свойств, то есть, отличительными признаками изобретения. Таким образом, отличительные признаки заявляемого светоизлучающего модуля для линейной светодиодной лампы или светильника являются существенными.
На фиг. 1 приведен пример типовой конструкции заявляемого светоизлучающего модуля для линейной светодиодной лампы или светильника, на фиг. 2 изображен фрагмент сборки (печатного узла), поясняющий принцип устройства действующего образца изделия (рабочего элемента светодиодного светильника).
-8
F
F
Светоизлучающем модуль для линейной светодиодной лампы или светильника, содержит протяженную печатную плату 1 с прямоугольной разверткой шириной h и длиной  с установленным на ней, как минимум, одним светодиодом 2, и две пары штырьковых клемм 3, 4 и 5, 6 для подключения электропитания, размещенных на ее противоположных концах, оси симметрии которых параллельны и лежат в одной плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии платы 1 по ее длине  Плата 1 выполнена с шириной развертки h=10…120 мм и длиной  из ламината с металлическим основанием, имеющим коэффициент теплопроводности не менее 110 Вт/ (м К) и толщину не менее 0,3 мм, с толщиной слоя металлизации не менее 0,017 мм, имеющим удельное сопротивление не более 1,8×10 Ом м, и толщиной изолирующего слоя не более 0,1 мм с коэффициентом теплопроводности не менее 0,25 Вт/ (м К). Плата 1 по ширине h разделена на три зоны. Светодиод (светодиоды) 2 установлен в центральной части средней зоны, имеющей ширину z=(0,3…0,5)h. Крайние зоны равной ширины s=(0,25…0,35)h отогнуты относительно плоскости поверхности средней зоны в направлении оптической оси светодиода 2 на угол 5…60 градусов. По меньшей мере поверхности крайних зон печатной платы 1 со стороны установки светодиода 2 выполнены со светоотражающим покрытием. Расчетный рабочий прямой ток светодиода 2 установлен в пределах 0,4…0,92 от номинального паспортного прямого тока I, а расчетное максимальное прямое напряжение на светодиоде ограничено уровнем 0,96…0,99 от номинального паспортного прямого напряжения V. Пары клемм 3, 4 и 5, 6 установлены в средней зоне. Клеммы 3, 4 и 5, 6 размещены симметрично относительно плоскости симметрии платы 1 по ее длине  а оси симметрии пар разнесены на расстояние в миллиметрах у=5α±0,25 мм, где α∈{1; 2,6}. Как минимум в паре одна клемма 3 или 4 и 5 или 6 имеет электрическое соединение с соответствующим выводом светодиода (цепи светодиодов) 2. Диаметр клемм 3-6 составляет 1,5…2,5 мм, а длина выступающей относительно соответствующего конца печатной платы 1 части клемм 3-6 равна, по меньшей мере, 10 мм.
-8
F
F
Светоизлучающий модуль для линейной светодиодной лампы или светильника в установившемся режиме работает следующим образом. Светоизлучающий модуль подключается и получает питание от источника через клеммы 3, 4 и 5, 6, размещенные на его противоположных концах. Оси симметрии клемм параллельны и лежат в одной плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии печатной платы 1 (фиг. 1, фиг. 2). Пары клемм 3, 4 и 5, 6 установлены в средней зоне печатной платы 1, что упрощает конструкцию модуля и повышает технологичность его изготовления, подключения к системе электропитания и применения. Клеммы каждой пары 3, 4 и 5, 6 размещены симметрично относительно плоскости симметрии платы 1 по ее длине  а оси симметрии клемм каждой пары разнесены на расстояние в миллиметрах у=5α±0,25 мм, где α∈{1; 2,6}. Последнее обеспечивает возможность использования специальных серийных держателей токоподводов для линейных ламп и светильников. При этом, как минимум, одна клемма 3,4 и 5,6 каждой пары имеет электрическое соединение с соответствующим Выводом светодиода (светодиодов) 2. Таким образом обеспечивается надежное и стандартное электрическое соединение. Диаметр клемм 3, 4 и 5, 6 составляет 1,5…2,5 мм, а длина выступающей относительно соответствующего конца платы 1 части каждой клеммы равна, по меньшей мере, 10 мм. Установленные в изобретении геометрические размеры клемм 3, 4 и 5, 6 и их размещение обеспечивают надежность электрического соединения, механическую жесткость и прочность, а также соответствие стандартным размерам и дополнительную возможность по отводу излишнего тепла от печатного узла и светодиода (светодиодов) 2. Плата 1 выполнена с шириной развертки h=10…120 мм и длиной  из ламината с металлическим основанием. Применение ламината с металлическим основанием (алюминий, медь, сплавы) обеспечивает необходимую прочность, жесткость и технологичность конструкции печатного узла светоизлучающего модуля, а также улучшает отвод тепловых потерь от светодиода (светодиодов) 2. Соотношение размеров (ширина h и длина ), соответственно, h = 10…120 мм и  стандартизирует конструкции модуля и оптимизирует температурные условия работы светодиода (светодиодов) 2 для заданных мощностей источников оптического излучения. Коэффициент теплопроводности металлического основания ламината превышает 110 Вт/(м К), толщина - 0,3 мм. Указанные параметры гарантируют работу светодиода 2 без перегрева структуры, а также достаточную жесткость конструкции печатного узла. Эффективному отводу излишнего тепла от печатной платы 1 и низкому уровню электрических потерь служит применение слоя металлизации не менее 0,017 мм, при удельном сопротивлении не более 1,8×10 Ом м, а также толщины изолирующего слоя не более 0,1 мм с коэффициентом теплопроводности не менее 0,25 Вт/ (м К). Тепловое сопротивление печатной платы 1 в указанном случае является достаточно низким для обеспечения высокой светоотдачи модуля и незначительного нагрева структуры светодиода (светодиодов) 2, а также равномерного и сравнительно слабого нагрева самой печатной платы (ламината) 1. Деградация структуры светодиода 1 и люминофора (если последний применяется в устройстве) светодиода 2 при этом происходит крайне медленно, а надежность работы и срок службы светоизлучающего модуля существенно возрастают. Плата 1 по ширине h разделена на три зоны. Светодиод (светодиоды) 2 установлен в центральной части средней зоны, имеющей ширину z=(0,3…0,5)h. Крайние зоны равной ширины s=(0,25…0,35)h отогнуты относительно плоскости поверхности средней зоны в направлении оптической оси светодиода 2 на угол 5…60 градусов. По меньшей мере поверхности крайних зон печатной платы 1 со стороны установки светодиода 2 выполнены со светоотражающим покрытием. Отгибом крайних зон печатной платы 1 регулируется защитный угол, локализуется световой поток модуля, уменьшается рассеяние светового излучения, увеличивается площадь теплоотводящей поверхности. Температура элементов модуля снижается, а жесткость и технологичность конструкции возрастают. Потери мощности оптического излучения уменьшаются также за счет примененного светоотражающего покрытия печатной платы 1. В качестве такого покрытия может быть использован, например, материалы на основе окиси циркония или диоксида титана. При подаче электропитания через светодиод 2 (цепь из светодиодов) начинает протекать ток. Светодиоды (2) представляет собой полупроводниковые приборы с р-n- переходом, работающие при прямом включении и преобразующие энергию электрического тока непосредственно в световое излучение. Рекомбинация носителей заряда в структуре полупроводника приводит к излучению света за счет явления электролюминесценции. Расчетный рабочий прямой ток светодиода 2 устанавливается в пределах 0,4…0,92 от номинального паспортного прямого тока I, а расчетное максимальное прямое напряжение на светодиоде, по этой причине, ограничено уровнем 0,96…0,99 от номинального паспортного прямого напряжения V. Подобный электрический режим способствует слабому нагреву структуры светодиода (светодиодов) 2 и обеспечивает высокую светоотдачу. Увеличивается также срок службы модуля за счет снижения деградации структуры светодиода (светодиодов) 2 и его слоя люминофора (если люминофор используется). Полупроводниковые структуры светодиодов излучают свет определенных длин волн, который преобразуется слоем люминофора, восстанавливающим недостающие части спектра с целью получения качественного «белого» света. Светодиодные структуры могут иметь, в частности, голубой цвет свечения. При этом слой люминофора при воздействии исходного (первичного) излучения светодиодов генерирует энергию в недостающих областях спектра (желто-зеленый или зеленый и красный части спектра видимого света). При смешивании излучений светодиодов и слоя люминофора образуется «белый» (или близкий к нему) свет с высоким качеством цветопередачи. Светодиоды исходно могут генерировать излучение и в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. В этом случае такое излучение используется непосредственно (в ультрафиолетовых установках) или преобразуется в видимый свет с помощью смеси люминофоров.
Тепловой режим работы всех элементов светоизлучающего модуля при предлагаемой конструкции качественно улучшается, что способствует повышению световой эффективности и снижению деградации характеристик, а, следовательно, увеличению срока службы лампы.
При работе устройства, тем не менее, часть энергии рассеивается, что приводит к ограниченному разогреву элементов, в том числе, печатной платы 1. Наилучший отвод тепла осуществляется, в первую очередь, благодаря равномерности распределения светодиодов 2 (если их несколько) и местоположению их в центральной зоне платы 1. Отвод энергии потерь улучшается и в результате оптимизации вывода излучения светодиода 2 за счет работы светоотражающего покрытия и локализации (перераспределения) светового потока отогнутыми на угол 5…60 градусов крайними зонами печатной платы 1.
Конструкция светодиодов 2 светоизлучающего модуля может быть любой стандартной. Они устанавливаются па печатную плату 1, например, по технологии поверхностного монтажа. Однако предпочтительнее использовать светодиоды 2 с низким тепловым сопротивлением. Также следует применять для печатной платы 1 ламинат с металлическим основанием, имеющим наибольший коэффициент теплопроводности и наибольшую толщину, с наибольшей толщиной слоя металлизации, обладающим наименьшим удельным сопротивлением, а также минимально возможной толщиной диэлектрического (изолирующего) слоя с высоким коэффициентом теплопроводности. Обеспечение высокого коэффициента теплопроводности диэлектрического слоя печатной платы 1 обеспечивается применением, например, керамических наполнителей или алмазоподобных пленок. Оптимальная конструкция печатной платы обеспечивает снижение ее общего теплового сопротивления.
По сравнению с прототипом существенно повышается световая эффективность светоизлучающего модуля для линейной светодиодной лампы или светильника. Это обеспечивается за счет работы кристаллов светодиодов и люминофора в режимах с более низкими предельными температурами, выровненными по длине и ширине печатного узла с увеличенной площадью, перенаправления светового потока, снижения рассеяния. При этом существенно повышенная световая эффективность модуля практически не падает в течение срока эксплуатации. Световая эффективность нового светоизлучающего модуля (по равнению с прототипом) может быть увеличена на 30…35%. Повышение световой эффективности и стабильности светового потока светоизлучающего модуля значительно расширяет область его применения.
Кроме того, по вышеперечисленным причинам, ограничивается и выравнивается деградация кристаллов светодиодов светоизлучающего модуля и люминофорного слоя светодиодов, снижаются потери энергии излучения, выравнивается и поддерживается постоянной яркость по длине светодиодной лампы. Выравниванию яркости по длине модуля и перераспределение светового потока способствует устранению и слепящих эффектов, обусловленных использованием точечных источников света, что в целом обеспечивает снижение непроизводительных потерь энергии излучения. Достигается возможность регулирования защитных углов световых приборов на основе заявляемого светоизлучающего модуля.
Таким образом, дополнительно, по сравнению с прототипом, за счет выравнивания яркости по длине и исключения слепящих эффектов существенно расширяется область применения светоизлучающего модуля.
За счет экономии материалов и повышения технологичности, по сравнению с прототипом, цена светоизлучающего модуля может быть снижена на 15…20%. Снижение цены расширяет область применения нового светоизлучающего модуля.
За счет контролируемого отгиба крайних зон печатной платы повышается прочность конструкции и жесткость печатного узла, что делает конструкцию более технологичной при изготовлении и эксплуатации, и повышает срок службы.
Срок службы светоизлучающего модуля увеличивается приблизительно на 35-40%. Это, наряду с повышением технологичности, также расширяет его область применения (по сравнению с прототипом).
За счет преимуществ конструкции новый светоизлучающий модуль может быть эффективно применен в перспективных ультрафиолетовых источниках оптического излучения. В частности, в конструкциях установок для обработки воздуха и воды ультрафиолетом возможно исключить дополнительные защитные чехлы для газоразрядных излучательных ламп, существенно уменьшающих эффективность. Устройство таких установок значительно упрощается, а их цена может быть снижена. Упрощается и обслуживание установок для обработки воздуха и воды ультрафиолетом, снижаются затраты электроэнергии, повышается надежность, качество и эффективность проведения технологических процессов. Модуль, выбранный за прототип, для указанных целей использовать нецелесообразно.
Заявляемый модуль может быть применен в качестве, оптического генератора (замена эксимерных ламп) также и в установках фотокаталитического синтеза активных окислителей, например, озона.
Таким образом, новый светоизлучающий модуль, безусловно, имеет более широкую область применения и может быть использован не только в разнообразных приборах и конструкциях для бытового и промышленного освещения, но и в иных источниках оптического излучения для эффективного и качественного решения широкого спектра технологических задач.