СВЕТОДИОДНЫЙ ЭКВИВАЛЕНТ ДВУХЦОКОЛЬНОЙ ТРУБЧАТОЙ ПРЯМОЛИНЕЙНОЙ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОЙ ЛАМПЫ СО ШТЫРЕВЫМИ КОНТАКТАМИ

Полезная модель относится к светотехническим устройствам и может быть использована при конструировании светодиодных осветительных приборов, применяемых в различных областях науки и техники.
Широко известны газоразрядные люминесцентные лампы, содержащие цилиндрическую колбу, наполненную инертным газом и ртутью, имеющую с обеих сторон ножки с электродными узлами (см. описание изобретения к патенту RU №20040068 от 20.07.1995 г.). Аналогичную конструкцию имеют подавляющее количество всех выпускаемых люминесцентных ламп. Такие лампы, как правило, используются в составе светильника, который как обычно содержит корпус с элементами электрической схемы, рассеиватель, средство крепления рассеивателя к корпусу и ламповые патроны для удержания лампы в рабочем положении (см. свидетельство на полезную модель RU №19409 от 27.08.2001 г.).
Каждая люминесцентная лампа содержит небольшое количество ртути и инертного газа, такого как аргон, криптон или ксенон в запаянной стеклянной трубке, имеющей электрод на каждом конце. Во время работы лампы в стеклянной трубке генерируется разряд между электродами, при этом атомы ртути возбуждаются на высоком энергетическом уровне. При возвращении в основное состояние атомы ртути испускают ультрафиолетовое (УФ) излучение, которое по существу является излучением в волновом диапазоне 254-185 нм. Для преобразования этого УФ-излучения в полезное световое излучение в видимом волновом диапазоне на внутренней стенке стеклянной трубки размещают один или более люминофоров, которые поглощают это УФ-излучение и возбудившись, генерируют излучение в видимом диапазоне. Недостатком известных люминесцентных ламп является то, что во время их работы часть вредного УФ-излучения попадает в окружающее пространство, губительно действуя на все живые организмы, включая и самого человека. После выработки рабочего ресурса этими лампами ртуть находящаяся в них в обязательном порядке подлежит утилизации, однако во многих случаях лампы выбрасывают на обычные свалки, что является источником загрязнения окружающей среды.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является устранение отмеченных выше недостатков прототипа, а именно, исключение вредного воздействия как на человека, так и на окружающую среду люминесцентной лампы, используемой в качестве источника света в промышленных и бытовых условиях, а также повышение эксплуатационных характеристик источника света.
Для достижения поставленной цели предлагается конструкция светодиодного эквивалента наиболее распространенной двух цокольной прямолинейной люминесцентной лампы со штыревыми контактами с целью замены этой лампы на светодиодный эквивалент, обеспечивающий такую же освещенность окружающего пространства, как и у заменяемой люминесцентной лампы, а также возможность подключения ее к промышленной сети и удержания в рабочем положении с использованием находящихся в эксплуатации светильников для этих прямолинейных люминесцентных ламп.
Заявляемый светодиодный эквивалент содержит основание в виде одной или нескольких пластин из электроизоляционного материала с токопроводящими площадками, а также единичные светодиоды, выводы которых подключены к токопроводящим площадкам основания и соединены в последовательную цепь, подключаемую в рабочем положении к промышленной сети через последовательно соединенные штыревые контакты или дополнительные клеммы, двухполупериодный выпрямитель, с подключенным к его выходу накопительным конденсатором, и токоограничительные резистор или терморезистор или стабилизатор тока, при этом количество единичных светодиодов в последовательной цепи определяют из выражения:
где: N - количество единичных светодиодов, соединенных в последовательную цепь,
1min
U - минимальное значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя, с подключенным к его выходу накопительным конденсатором,
2min
U - минимальное значение падения напряжения на токоограничительном резисторе или стабилизаторе тока,
gmax
U - максимальное значение падения напряжения на единичном светодиоде.
Для обеспечения электробезопасности и защиты, как самих светодиодов, так и электрических цепей от случайного механического воздействия на них посторонних предметов и человека на основание эквивалента с токопроводящими площадками и единичными светодиодами может быть одета трубка из светопрозрачного материала. С целью обеспечения более равномерного освещения окружающего пространства, трубка из светопрозрачного материала может быть выполнена светорассеивающей.
Для обеспечения более благоприятных условий отвода в окружающее пространство тепла выделяемого светодиодами трубка, одетая на основание эквивалента, может быть выполнена из теплопроводящего материала с продольным окном, расположенным напротив единичных светодиодов, а само окно закрыто светопрозрачным стеклом. С целью обеспечения более равномерного освещения окружающего пространства, светопрозрачное стекло, закрывающее продольное окно, может быть выполнено светорассеивающим.
Также существенно способствует отводу тепла в окружающее пространство наличие теплоотводящей пластины прикрепленной к основанию эквивалента и соприкасающейся своими боковыми гранями с внутренней поверхностью трубки из теплопроводящего материала.
С целью дальнейшего повышения эксплуатационных характеристик эквивалента, он может содержать внутри себя вторичный источник питания, к выходу которого подключены цепи, в состав которых входят выводы единичных светодиодов.
Повышению эксплуатационных характеристик светодиодного эквивалента также способствует наличие варистора, включенного параллельно входу двухполупериодного выпрямителя, напряжение открывания которого не превышает предельно допустимое значение напряжения промышленной сети.
В целях защиты светодиодов от воздействия статического электричества и обеспечения работоспособности эквивалента в случае непредвиденного перегорания, по меньшей мере, одного из единичных светодиодов параллельно каждому из них включен стабилитрон или защитный диод с напряжением открывания определяемом из выражения:
1
2
3
U×n>U>U×n;
1
где: U - предельно допустимое значение падения обратного напряжения на единичном светодиоде,
2
U - напряжение открывания стабилитрона или защитного диода,
3
U - максимальное значение падения напряжения на единичном светодиоде,
n - количество единичных светодиодов, параллельно которым включен стабилитрон или защитный диод.
В необходимых случаях вход двухполупериодного выпрямителя может быть подключен к штыревым контактам или дополнительным клеммам через предохранитель.
На фиг.1 изображен общий вид светодиодного эквивалента, на основание которого одета трубка из светопрозрачного материала.
На фиг.2 изображен общий вид светодиодного эквивалента, на основание которого одета трубка из теплопроводящего материала с продольным окном напротив единичных светодиодов.
На фиг.3 изображено сечение А-А.
На фиг.4 изображена электрическая схема светодиодного эквивалента, в которой единичные светодиоды, соединенные в последовательную цепь, подключены к выходу двухполупериодного выпрямителя через токоограничительный резистор.
На фиг.5 изображена электрическая схема светодиодного эквивалента, в которой в качестве токоограничительного резистора использован терморезистор.
На фиг.6 изображена электрическая схема светодиодного эквивалента, в которой единичные светодиоды, соединенные в последовательную цепь, подключены к выходу двухполупериодного выпрямителя через стабилизатор тока.
На фиг.7 изображена электрическая схема светодиодного эквивалента, в которой параллельно каждому из единичных светодиодов включен стабилитрон или защитный диод.
На фиг.8 изображена электрическая схема светодиодного эквивалента, в которой параллельно входу двухполупериодного выпрямителя включен варистор.
На фиг.9 изображена электрическая схема светодиодного эквивалента, в которой вход двухполупериодного выпрямителя подключен к штыревым контактам или дополнительным клеммам через предохранитель.
Заявленный светодиодный эквивалент двух цокольной трубчатой прямолинейной люминесцентной лампы со штыревыми контактами имеет основание 1 виде одной или нескольких пластин из электроизоляционного материала. На поверхности основания 1 расположены токопроводящие площадки 2…18. Поскольку токопроводящие площадки 2…18 кроме обеспечения целостности электрических цепей также способствуют в значительной мере отводу тепла от единичных светодиодов 19…32 в окружающее пространство, величина их суммарной площади приблизительно равна площади стороны основания 1, на которой закреплены выводы светодиодов 19…32. В итоге вся метализированная поверхность основания 1, на которой расположены единичные светодиоды 19…32 будет разделена на приблизительно равные по площади токопроводящие площадки 2…18, к которым подключены выводы единичных светодиодов 19…32 с возможностью образования одной или более последовательных цепей, каждая из которых подключена к выходу вторичного источника питания 41 или непосредственно к промышленной сети через, последовательно соединенные, штыревые контакты 33, 34 или дополнительные клеммы, двухполупериодный выпрямитель 43, с подключенным к его выходу накопительным конденсатором 44, и токоограничительный резистор 45 или стабилизатор тока 47.
Вторичный источник питания 41 может быть расположен как в самом эквиваленте см. фиг 3, так и вне его, например, в светильнике с элементами крепления светодиодного эквивалента.
Количество единичных светодиодов 19…32 а также параметры каждого из них выбираются из условия обеспечения светодиодным эквивалентом уровня освещенности окружающего пространства эквивалентного уровню освещенности этого же окружающего пространства в случае использования для этого заменяемой люминесцентной лампы. При этом количество единичных светодиодов 19…32 в последовательной цепи, подключенной к выходу двухполу-периодного выпрямителя 43 определяют из выражения:
где: N - количество единичных светодиодов, соединенных в последовательную цепь,
1min
U - минимальное значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя, с подключенным к его выходу накопительным конденсатором,
2min
U - минимальное значение падения напряжения на токоограничительном резисторе или стабилизаторе тока,
gmax
U - максимальное значение падения напряжения на единичном светодиоде.
На каждом из противоположных торцев основания 1 расположены по два штыревых контакта 33…36. Штыревые контакты 33…36 предназначены для установки и удержания в рабочем положении светодиодного эквивалента в соответствующих электропатронах светильника. Причем вышеупомянутые штыревые контакты 33…36 в случае необходимости могут быть выполнены электропроводными и использоваться для подключения вторичного источника питания 41 к промышленной сети
В случае необходимости штыревые контакты 33…36 могут быть выполнены из электроизоляционного материала и выполнять роль элементов удержания светодиодного эквивалента в светильнике, а подачу электрического питания от промышленной сети можно осуществлять иным путем, например с использованием дополнительных электрических цепей с соответствующими клеммами.
Для повышения эффективности отвода тепла в окружающее пространство к поверхности основания 1 может быть прикреплена теплоотводящая пластина 39. При этом теплоотводящая пластина 39 и токопроводящие площадки 2…18 раксполагаются с противоположных сторон основания 1.
Для обеспечения электробезопасности и защиты, как самих единичных светодиодов 19…32, так и электрических цепей связанных с ними от случайного механического воздействия на них посторонних предметов и человека на его основание 1 одета трубка 37 из светопрозрачного материала. В этом случае, с целью обеспечения более равномерного освещения светодиодами 19…32 окружающего пространства, трубка 37 из светопрозрачного стекла может быть выполнена светорассеивающей.
С целью дальнейшего улучшения условий теплопередачи от единичных светодиодов 19…32 в окружающее пространство на основание 1 может быть одета трубка 42 из теплопроводящего материала с продольным окном 38 напротив единичных светодиодов 19…32, а само продольное окно 38 закрыто светопрозрачным стеклом 40. Если имеется необходимость обеспечения более равномерного освещения окружающего пространства, светопрозрачное стекло 40, закрывающее продольное окно 38, может быть выполнено светорассеивающим. Кроме этого для дополнительного улучшения условий теплопередачи от единичных светодиодов 19…32 во внешнюю среду теплопроводящая пластина 39 своими торцевыми гранями непосредственно соприкасается с внутренней поверхностью трубки 42 из теплопроводящего материала.
На фиг.4, 5, 6, 7, 8 и 9 изображены варианты выполнения элетрической схемы светодиодного эквивалента. Электрическая схема светодиодного эквивалента содержит штыревые контакты 33…36 имеющие двойное назначение. Для удержания светодиодного эквивалента в рабочем состоянии внутри светильника используются все четыре штыревых контакта 33…36. Для подключения светодиодного эквивалента к промышленной сети используются из них два штыревых контакта 33 и 34. В необходимых случаях, для повышения надежности подключения светодиодного эквивалента к промышленной сети его можно подключить с помощью дополнительных клемм, устанавливаемых в светильнике.
Далее напряжение промышленной сети выпрямляется двухполупериодным выпрямителем 43 и поступает в накопительный конденсатор 44 и через токоограничительный резистор 45 или токоограничительный терморезистор 46, или стабилизатор тока 47 в цепь в виде последовательно соединенных единичных светодиодов 19…32. Выбор между токоограничительными резистором 45 и терморезистором 46, а также стабилизатором тока 47 зависит от конкретных условий эксплуатации светодиодного эквивалента, т.е. максимальных колебаний напряжения промышленной сети, диапазона изменений температуры окружающей среды, степени нагрева светодиодного эквивалента в рабочем режиме, требований к стабильности его параметров и т.д.
В качестве источника питания единичных светодиодов, соединенных в последовательную цепь может быть использован вторичный источник питания 41, расположенный внутри светодиодного эквивалента см. фиг.3.
С целью повышения надежности работы светодиодного эквивалента параллельно, по меньшей мере, каждому из единичных светодиодов 19…32 включен стабилитрон или защитный диод 48…61. В этом случае воздействие статического электричества и непредвиденное перегорание любого из единичных светодиодов 19…32 не отразится существенным образом на работоспособности эквивалента в целом, поскольку целостность последовательной цепи из единичных светодиодов 19…32 будет обеспечиваться за счет протекания тока через один из стабилитронов или защитных диодов 48…61, включенный параллельно сгоревшему единичному светодиоду. Например, если сгорит единичный светодиод 20, то ток будет протекать в последовательной цепи через открывшийся в этом случае стабилитрон или защитный диод 49.
Допускается включение одного из стабилитронов или защитных диодов 68…61 параллельно двум или более единичным светодиодам 19…32. В случае непредвиденного перегорания одного из единичных светодиодов 19…32 повлечет за собой погасание соответственно двух или более единичных светодиодов 19…32, включая и перегоревший единичный светодиод. Для обеспечения указанного выше алгоритма работы цепи из последовательно соединенных единичных светодиодов 19…32 напряжение открывания параллельно включенных стабилитронов или защитных диодов 48…61 должно удовлетворять выражению:
где: N - количество единичных светодиодов, соединенных в последовательную цепь,
1min
U - минимальное значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя, с подключенным к его выходу накопительным конденсатором,
2min
U - минимальное значение падения напряжения на токоограничительном резисторе или стабилизаторе тока,
gmax
U - максимальное значение падения напряжения на единичном светодиоде.
С целью дальнейшего повышения надежности работы электрической схемы параллельно входу двухполупериодного выпрямителя 43 допускается включение варистора 62, напряжение открывания которого не превышает предельно допустимое значение напряжения промышленной сети. Наличие предохранителя 63 во входной цепи электрической схемы светодиодного эквивалента также повышает ее надежность работы в экстремальных условиях.
Предлагаемая конструкция светодиодного эквивалента люминесцентной лампы обеспечивает возможность полной замены наиболее распространенной двух цокольной трубчатой прямолинейной люминесцентной лампы со штыревыми контактами и тем самым исключить вредное воздействие на живые организмы в том числе и человека УФ-излучения, а также загрязнение окружающей среды ртутью. Кроме этого предложенное техническое решение также позволяет повысить экономичность и рабочий ресурс эквивалента люминесцентной лампы, а также отказаться от дорогостоящей утилизации ртути. При этом светодиодный эквивалент люминесцентной лампы позволяет использовать его без замены имеющихся светильников на новые, что существенно снижает затраты на его внедрение в производство и эксплуатацию.