СВЕТОДИОДНАЯ ЛАМПА

Полезная модель относится к светотехнике и может быть использована при проектировании новых энергоэффективных источников оптического излучения с повышенным сроком службы. Полезная модель направлена на увеличение срока службы (среднего ресурса непрерывной эксплуатации или работы) светодиодной лампы.
Известна лампа, содержащая герметичную колбу с цоколем для подключения к внешнему источнику питания, выполненную из оптически прозрачного материала, с нитью накала и опорной ножкой внутри, имеющей откачной штенгель и электроды, вакуумированную, электроды которой соединяют с контактами цоколя вне колбы и контактами нити накала внутри колбы (Характеристики ламп накаливания. Каталог / «ГУП РМ Лисма», 2011, С. 32).
В качестве источника питания вакуумной лампы, относящейся к лампам накаливания, используется внешняя электрическая сеть.
Недостатком вакуумной лампы накаливания является малый срок службы, что обусловлено испарением материала нити накала с последующим обрывом нити. Обрыв нити накала - это выход лампы из строя. Средний срок службы вакуумной лампы накаливания обычно не превышает 1000 час. Светоотдача известной электрической вакуумной лампы накаливания составляет 10 лм/Вт. Таким образом, вакуумная лампа накаливания не является энергоэффективным электротехническим устройством.
Известна лампа, содержащая герметичную колбу с цоколем для подключения к внешнему источнику питания, выполненную из оптически прозрачного материала, с нитью накала и опорной ножкой внутри, имеющей откачной штенгель и электроды, заполненную изолирующим газом, электроды которой соединяют с контактами цоколя вне колбы и контактами нити накала внутри колбы (Spectrum. Каталог ламп 2009 /2010/ «GE Lighting)), 2009, С. 63).
В качестве изолирующего (буферного) газа обычно используют определенную смесь газов (по различным соображениям), например, содержащую от 84 до 86% азота и от 14 до 16% аргона при давлении от 0,5 до 0,8 бар. Предпочтение для ламп накаливания следует отдавать газам, имеющим низкий коэффициент теплопроводности и химически инертным, так как такие лампы работают при высоких рабочих температурах нити накала.
В качестве источника питания известной лампы, также относящейся к лампам накаливания, используется внешняя электрическая сеть.
Недостатком «газополной» лампы накаливания является малый средний срок службы, что обусловлено интенсивным испарением материала нити накала при высокой температуре с последующим ее обрывом. Обрыв нити накала - это выход лампы из строя. Средний срок службы газополной лампы накаливания обычно не превышает 1000 час. Максимальная светоотдача известной лампы накаливания составляет 14 лм/Вт.
Известна электрическая светодиодная лампа, содержащая колбу, установленную на корпусе с охладителем и цоколем для подключения к внешнему источнику питания, выполненную из оптически прозрачного материала, со светодиодной матрицей внутри, драйвер, светодиодная матрица закреплена на охладителе и подключено к выходу драйвера, размещенного внутри корпуса, контакты цоколя соединены с контактами драйвера (П. 100637. Интегрированная светодиодная лампа / Е.М. Силкин // Опубл. 20.12.2010 Бюл. №35).
Подобную конструкцию имеют большинство электрических ламп со светодиодами и светодиодными матрицами. В лампе, в качестве светоизлучающего тела, могут быть использованы один светодиод или несколько светодиодов, или светодиодная матрица, или несколько светодиодных матриц, соединенных в соответствии с требуемой электрической схемой на заданное напряжение постоянного тока Такая лампа не является герметичной. Светоизлучающее тело и драйвер не изолированы от внешней среды и подвержены ее влиянию. Элементы лампы находятся в среде окружающего воздуха, который может содержать пары воды, агрессивные вещества в недопустимых концентрациях, механические примеси и пыль.
Недостатком светодиодной лампы рассмотренной конструкции является сравнительно малый срок службы, что обусловлено повышенным нагревом светодиодов и электронных элементов и узлов устройства, высокой температурой корпуса (что затрудняет ее применение в замкнутых световых приборах), не герметичностью частей, в том числе, драйвера (что делает затруднительным использование при наружном освещении), технической и технологической сложностью, снижающей надежность работы. Светоотдача известной лампы, относящейся, как отмечено, к типу светодиодных, достигает 70 лм/Вт, что является сравнительно низкой величиной.
Известна светодиодная лампа, содержащая герметичную колбу с цоколем для подключения к внешнему источнику питания, выполненную из оптически прозрачного материала, с несколькими светодиодным матрицами, соединенными в соответствии с требуемой электрической схемой на заданное напряжение постоянного тока, и опорной ножкой внутри, имеющей откачной штенгель и электроды, заполненную изолирующим газом, драйвер, установленный внутри цоколя, электроды соединены с выходными выводами драйвера вне колбы и подключены к электрической схеме со светодиодными матрицами внутри колбы, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя (Лампы СТАРТ с нитевидным светодиодом. Каталог ламп / «ООО Старт», Новгород, 2014).
Известная светодиодная лампа относится к типу так называемых филаментных ламп, использующих в конструкции матрицы последовательно соединенных маломощных светодиодов в форме линеек (технология СОВ или МСОВ). Светоизлучающее тело (комплект светодиодных матриц) в филаментных лампах изолировано от влияния окружающей среды. Драйвер остается неизолированным от окружающей среды. Размещение драйвера в цоколе лампы ограничивает размер платы драйвера и не позволяет выполнить его с высокими техническими параметрами.
Филаментная светодиодная лампа является наиболее близкой по технической сущности к полезной модели и выбрана в качестве прототипа.
Недостатком известной светодиодной лампы является сниженный срок службы, что обусловлено не изолированностью драйвера от воздействия условий окружающей среды, работой элементов драйвера в ограниченном пространстве с недостаточно хорошим отводом тепла и при повышенной температуре. Отрицательное значение имеет также сложность обеспечения хорошей электрической изоляции драйвера от элементов цоколя, находящихся под сетевым напряжением. Ограничения на размер платы драйвера и невозможность выполнения его с требуемыми техническими характеристиками не позволяют обеспечить хороший режим и надежность работы светодиодов, самого драйвера и лампы в целом. Отмеченные факторы существенно снижают срок службы светодиодной лампы.
Полезная модель направлена на решение задачи увеличения срока службы светодиодной лампы, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что в:
1. Светодиодной лампе, содержащей герметичную колбу с цоколем для подключения к внешнему источнику питания, выполненную из оптически прозрачного материала, со светодиодом или несколькими светодиодами, или светодиодной матрицей, или несколькими светодиодным матрицами, соединенными в соответствии с требуемой электрической схемой, и опорной ножкой внутри, имеющей откачной штенгель и электроды, заполненную изолирующим газом, драйвер, драйвер устанавливают внутри колбы, электроды соединяют с контактами цоколя вне колбы и входными выводами драйвера внутри колбы, выходные выводы драйвера подключают к электрической схеме со светодиодом или несколькими светодиодами, или светодиодной матрицей, или несколькими светодиодным матрицами, соединенными в соответствии с требуемой электрической схемой на заданное напряжение постоянного или переменного тока;
2. Подложки светодиодов или светодиодных матриц выполняют из оптически прозрачного ситалла с повышенным коэффициентом теплопроводности или кварца, или сапфира, или оптически прозрачной теплопроводящей керамики.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является увеличение срока службы светодиодной лампы за счет изолирования ответственных элементов и узлов лампы от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды (влаги, пыли, агрессивных веществ и т.д.), улучшения условий работы светодиодов и элементов драйвера, улучшения условий охлаждения элементов и узлов лампы, качественной электрической изоляции драйвера, возможности его выполнения с более высокими техническими характеристиками, новых конструкций лампы, светодиодов и матриц, новых связей элементов, питания, как лампы, так и светодиодов, на постоянном и переменном токе, то есть, отличительных признаков полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемой светодиодной лампы являются существенными.
На рисунке приведена типовая конструкция новой светодиодной одноцокольной лампы со стандартным элементом внешнего токоподвода (сетевым цоколем класса E27).
Светодиодная лампа содержит герметичную колбу 1 с цоколем 2 для подключения к внешнему источнику питания, выполненную из оптически прозрачного материала, со светодиодом 3 или несколькими светодиодами, или светодиодной матрицей, или несколькими светодиодным матрицами, соединенными в соответствии с требуемой электрической схемой, и опорной ножкой внутри, имеющей откачной штенгель и электроды 4, заполненную изолирующим газом, драйвер 5. Последний устанавливают внутри колбы. Электроды соединяют с контактами цоколя вне колбы и входными выводами драйвера внутри колбы. Выходные выводы драйвера подключают к электрической схеме со светодиодом или несколькими светодиодами, или светодиодной матрицей, или несколькими светодиодным матрицами, соединенными в соответствии с требуемой электрической схемой на заданное напряжение постоянного или переменного тока. Подложки светодиодов или светодиодных матриц преимущественно выполняют из оптически прозрачного ситалла с повышенным коэффициентом теплопроводности или кварца, или сапфира, или оптически прозрачной теплопроводящей керамики.
Светодиодная лампа в установившемся режиме работает следующим образом. Через цоколь 2 стандартного вида (E27) электрическая лампа подключается к обычной питающей сети переменного тока (внешнему источнику питания) непосредственно или к специальной сети (источнику) постоянного тока. Колба 1 из оптически прозрачного материала является основной частью конструкции светодиодной лампы, выполняющей несущую, защитную, светорассеивающую функции и функцию герметизации рабочего пространства. Колба 1 жестко механически соединена (сопряжена) с цоколем 2. Контакты цоколя 2 через электроды 4, впаянные в ножку, соединены с входными выводами платы драйвера 5. Светодиодная матрица 3 (матрицы, светодиод или несколько светодиодов) светоизлучающего тела электрически соединена с выходными выводами платы драйвера 5. Вся конструкция размещается внутри колбы 1 и изолирована от окружающей среды. Драйвер 5 преобразует напряжение (энергию) внешнего источника питания в напряжение (ток) заданного уровня и частоты, необходимое для электропитания светодиодов 3. Питание светодиодов 3 может осуществляться от драйвера 5 как на постоянном, так и на переменном токе. При питании на переменном токе электрическая схема соединения светодиодов 3 отличается от схемы на постоянном токе. Питание на переменном токе энергетически выгоднее. Число ступеней преобразования энергии уменьшается, что, в целом, повышает надежность работы драйвера 5. Увеличивается средний срок службы светодиодной лампы.
Колба 1 заполнена изолирующим (буферным) газом. Откачка и заполнение внутреннего объема колбы 1 осуществляется через откачной штенгель опорной ножки. После заполнения колбы 1 изолирующим газом штенгель отпаивается. В качестве буферного газа используют, например, смесь, содержащую более 90% азота и менее 10% аргона или азот, или технически чистый воздух, или неон, или (возможно для определенных условий) гелий, или смеси указанных газов в технически достижимых сочетаниях и пропорциях при давлении от 0,4 до 30 бар. Состав изолирующего газа и его давление должны обеспечивать наилучший теплоотвод от элементов и узлов светодиодной лампы, установленных внутри колбы 1, и достаточную электрическую прочность. Для лучшего теплоотвода необходимо использовать изолирующий газ, обладающий повышенной теплопроводностью, и увеличивать его давление в колбе 1. Поэтому устанавливать в колбе 1 давление изолирующего газа ниже 0,4 бар неэффективно. Практически же, абсолютное давление для большинства модификаций светодиодных ламп заявляемой конструкции должно находится в пределах от 0,5 до 2,5 бар (что наиболее технологично). Объем колбы 1 и ее форма должны быть также оптимизированы с целью улучшения теплоотвода. Близкими к оптимальным являются стандартные формы и размеры колб (1), применяемых для серийных ламп накаливания. При этом светодиоды 3 и (или) матрицы должны размещаться (по возможности) на минимальном расстоянии от стенок колб (1). При прохождении электрического тока через светодиоды матриц 3 они излучают световые волны, в частности, видимый свет. Возможно также, например, излучение в ультрафиолетовой области спектра, что обеспечивается типом применяемых в лампах светодиодов (3).
В таблице представлены значения коэффициентов теплопроводности изолирующих (буферных) газов при температуре близкой к нулю градусов по Цельсию (кроме элегаза), которые могут быть применены в новых светодиодных лампах.
Из таблицы следует, что из инертных газов лучшей теплопроводностью обладает гелий. Однако в качестве оптически прозрачного материала колб, обеспечивающего требуемую их герметичность (а также из-за технических, технологических и экономических ограничений), в светодиодных лампах следует использовать технические стекла, аналогичные применяемым для ламп накаливания. Для таких стекол значение имеет их проницаемость по водороду и гелию (проницаемость других газов ничтожно мала и ей обычно пренебрегают). Проницаемость гелия через технические стекла примерно в 10 раз больше, чем водорода, несмотря на то, что атомный радиус гелия практически в 1,5 раза больше молекулярного радиуса водорода. Это объясняется тем, что при проникновении химически активного водорода через стекла могут образовываться гидроксильные группы, препятствующие потоку водорода. Наибольшей газопроницаемостью по водороду и гелию обладает, в частности, кварцевое стекло, а наименьшей- алюмосиликатное.
Использовать гелий в качестве изолирующего газа для новых светодиодных ламп затруднительно и не целесообразно.
Водород - горючий (пожароопасный), взрывоопасный газ. Его применение (по сравнению с гелием) не дает заметного выигрыша и по теплопроводности. Поэтому заполнять им колбы в светодиодных лампах предлагаемой конструкции также не рекомендуется.
Элегаз является наиболее «тяжелым» из всех известных газов (приблизительно в 5 раз тяжелее воздуха). А значение коэффициента теплопроводности элегаза в таблице соответствует высокой температуре (около 1000 градусов по Цельсию). При рабочих температурах новой светодиодной лампы теплопроводность элегаза ниже теплопроводности воздуха и азота. То есть, он менее эффективен (и очень дорог). Однако этот газ обладает хорошими электроизоляционными свойствами.
Криптон и ксенон имеют сравнительно малую теплопроводность. Кроме того, криптон и, в еще большей степени, ксенон являются «дорогими» газами. В отличие от ламп накаливания, применение указанных газов в новых светодиодных лампах не оправдано (не эффективно и не рентабельно).
Необходимость в применении смесей газов продиктована требованиями по электрической прочности изолирующего наполнения, а также, в ряде случаев, экономическими причинами. Электрическая прочность возрастает с ростом давления. Цена используемых газов и газовых смесей имеет исключительно важное значение, так как влияет на конечную цену изделия при производстве. В этой связи перспективным является применение в заявляемой светодиодной лампе неона. Неон обеспечивает относительно хороший отвод тепла от элементов конструкции и достаточную надежность работы светодиодной лампы.
Технически чистый воздух (осушенный, без механических примесей и пыли) также возможно применить в качестве изолирующего газа в светодиодных лампах (как и азот). Теплопроводность воздуха приблизительно в 2,6 раза выше теплопроводности криптона, что также позволяет снизить температуру внутри колбы. Теплопроводность азота близка к теплопроводности воздуха.
Большое значение имеет и конструкция применяемых в лампах светодиодов (светодиодных матриц). Ситаллы обладают преимущественно поликристаллической структурой и более высокими электроизоляционными, прочностными, температурными (жаропрочность) и теплопроводящими свойствами, а также химостойкостью, чем широко используемые в ламповой промышленности стекла. Они хорошо шлифуются (до чистоты поверхности 13-14 класса), что обеспечивает достаточную технологичность и качество при производстве светодиодных матриц по технологии СОВ и МСОВ. Оптически прозрачными ситаллами являются, например, цельзиановые, сапфириновые, пироксеновые. Оптически прозрачной керамикой считается, в частности, корундовая керамика (поликор, лукалокс). Корундовая керамика применяется для изготовления колб металлогалогенных ламп. Кристаллический кварц характеризуется повышенными оптическими, теплопроводящими и прочностными свойствами. Хорошими теплопроводящими свойствами обладает и сапфир. Лейкосапфир нашел применение при производстве разрядных трубок для натриевых ламп высокого давления.
Использование оптически прозрачных подложек для светодиодов и светодиодных матриц с повышенными теплопроводящими свойствами позволяет снизить потери энергии оптического излучения и уменьшить нагрев полупроводниковых структур светодиодов, что положительно сказывается на стабильности характеристик ламп и среднем сроке их службы.
По сравнению с прототипом существенно увеличивается срок службы светодиодной лампы.
Действительно, если рассматривать светодиодную лампу как электротехническое изделие, то лампа- прототип будет иметь степень (класс) защиты от внешних воздействий не выше IP20. Заявляемая лампа может характеризоваться степенью защиты IP68. Изоляция ответственных элементов и узлов светодиодной лампы от воздействия окружающей среды обеспечивает стабильную и надежную работу всего устройства в любых, в том числе, в жестких условиях эксплуатации. Новая лампа может эффективно использоваться как для внутреннего, так и наружного освещения.
Новая конструкция светодиодной лампы позволяет разработать и применить драйверы постоянного или переменного тока с гораздо более высокими техническими характеристиками, чем в лампе прототипе, и обеспечить качественную электрическую изоляцию самого драйвера. Это повышает надежность работы и увеличивает средний срок службы светодиодной лампы.
Применение рекомендуемых материалов для подложек светодиодов позволяет улучшить режимы их работы, обеспечивает стабильную и надежную работу светодиодной лампы.
Дополнительно, новая лампа более технологична (по сравнению с лампой-прототипом), что снижает ее цену. Снижение цены и увеличение срока службы расширяют области применения заявляемой светодиодной лампы.
Срок службы новой светодиодной лампы (согласно экспертной оценки) превышает срок службы лампы- прототипа в 1,5-1,8 раза за счет улучшения условий работы светодиодных матриц (светодиодов) и драйвера.