СВЕТОДИОДНАЯ ЛАМПА
LIGHT-EMITTING DIODE LAMP

Изобретение относится к осветительным устройствам, точнее к светодиодным лампам для освещения промышленных, общественных, офисных и бытовых помещений.
По сравнению с традиционными источниками электрического света (лампы накаливания, флуоресцентные, газоразрядные галогенные, натриевые, ртутные и др.), светодиоды - один из источников света с самой высокой эффективностью светоотдачи (до 150 лм/Вт) и они потребляют 10-20% мощности (по сравнению с обычной лампой накаливания).
Светодиодная лампа на основе мощных светодиодов - это энергоэкономичный, безопасный для окружающей среды источник света с длительным сроком службы.
Главный показатель эффективности световой лампы - ее светоотдача в лм/Вт (световой поток - лм на единицу потребляемой электрической мощности - Вт).
Типичная светодиодная лампа на основе мощных светодиодов содержит светодиоды, вторичную оптику (рефлекторы, оптические линзы), теплоотводящий корпус и блок питания.
Каждая из перечисленных составляющих в совокупности влияет на светоотдачу, надежность и долговечность светодиодной лампы.
Высокая рабочая температура кристалла (световыделяющего элемента) при недостаточном отводе тепла со временем приводит к ускорению деградации кристалла, изменению цветопередачи и уменьшению светового потока и, в результате, к сокращению долговечности светодиодной лампы.
Таким образом, повышение светоотдачи при определенных значениях КПД блока питания и оптической линзы, можно достичь за счет уменьшения температуры светодиодов, то есть за счет повышения эффективности охлаждения световыделяющих элементов светодиодов.
Основной задачей обеспечения максимальной светоотдачи, надежности и долговечности светодиодных ламп является обеспечение оптимального теплового режима светодиода.
Во всех известных в настоящее время типах светодиодных ламп используется тепловая модель, включающая теплоотвод от светодиода на радиатор и естественную (без использования принудительного обдува) конвекционную теплопередачу от радиатора в окружающую среду.
Параметры обеспечения необходимого теплоотвода в основном определяются конструкцией корпуса-радиатора.
Из многообразия известных конструктивных решений светодиодных ламп выбраны такие, которые содержат общие существенные признаки, характеризующие их теплоотводящие системы.
Известна светодиодная лампа LRP-38 американской фирмы CREE, с винтовым цоколем типа Е-26/27 для подключения к внешнему источнику питания переменного тока, которая имеет металлический конусообразный продольно оребренный снаружи корпус-радиатор со светодиодом, установленным в светодиодной линзе (www.creells.com/lrp-3 8-htm (Google)).
Недостатком указанной лампы является малоэффективная конвекционная система охлаждения корпуса-радиатора только через его наружное оребрение.
Известна светодиодная лампа LR6 американской фирмы CREE (www.creells.com (Яндекс)).
Указанная лампа имеет металлический пустотелый цилиндрический корпус-радиатор, состоящий из двух частей, соединенных через термопрокладку, продольно оребренный снаружи. Светодиоды установлены на печатной плате, связанной с корпусом-радиатором, внутри которого размещен блок питания.
Недостатком этой светодиодной лампы является малоэффективная система теплоотвода от светодиода через металлическое основание печатной платы к алюминиевому массивному корпусу-радиатору, с конвекционной теплопередачей в окружающую воздушную среду только через его наружное оребрение и наличие термопрокладки между частями корпуса-радиатора.
Кроме того, печатная плата со стороны излучателей светодиодов имеет напыление, предназначенное для герметизации светодиодов и их электропроводящих паек.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой светодиодной лампе является светодиодная лампа DL-D007N фирмы SHARP, представляющая собой цилиндрический корпус с установленными на его внутренней поверхности на печатных платах светодиодами в оптических линзах (DL-D007N (Яндекс)).
Снаружи на плоскости цилиндрического корпуса, внутри которого размещены светодиодные модули на печатных платах, светодиоды в оптических линзах, установлен жестко связанный с ним радиатор из перпендикулярных общей внутренней стенке продольно-параллельных ребер, над которыми размещена плоскость для распределения тепловых потоков радиатора.
Недостатками указанной конструкции светодиодной лампы являются следующие:
- малая эффективность теплопередачи от светодиода через печатную плату к корпусу-радиатору;
- малая интенсивность конвекционных охлаждающих потоков в окружающую среду;
- наличие плоскости в верхней части радиатора, замедляющей скорость движения охлаждающих продольных конвекционных потоков.
Во всех приведенных конструкциях светодиодных ламп для крепления светодиодов, их электрического соединения с блоком питания и передачи тепла к корпусу-радиатору используются печатные платы, наиболее распространенной конструкцией которых является печатная плата на алюминиевой подложке (МСР СВ), имеющая наименьшее тепловое сопротивление: 3.4 K/W.
Конструкции светодиодных модулей для светодиодных ламп включают светодиод, электрически распаянный на печатной плате, оптическую линзу с размещенным в ней кристаллом светодиода.
Для защиты от влаги места паек светодиода к печатной плате покрываются лаком и/или обволакиваются компаундами.
Техническим результатом, который может быть получен в заявленном изобретении, является создание светодиодной лампы с такой конструкцией корпуса-радиатора, создающего естественные скоростные конвекционные потоки, и конструкцией светодиодных модулей, их креплением к корпусу-радиатору, которая в совокупности обеспечит оптимальный тепловой режим каждого светодиода и в целом долговечность светодиодной лампы (с учетом термоциклирования) без снижения светосилы на весь период ее жизненного цикла.
Крепление светодиода к корпусу-радиатору должно обеспечивать надежный тепловой контакт.
Общее тепловое сопротивление в тепловой цепи лампы определяется типом светодиода, тепловыми характеристиками узла его крепления к радиатору и конвекцией радиатора типоразмера светодиодной лампы в окружающую воздушную среду.
Величина теплового сопротивления самого светодиода (между световыделяющим элементом и теплоотводящим основанием корпуса светодиода) является характеристикой, зависящей от типа светодиода, и поэтому из оценки общей эффективности теплоотводящей системы конкретной лампы эта величина исключается.
Типоразмер светодиодных ламп соответствует типоразмерам ламп накаливания, ограничивающим их геометрические параметры и главным образом определяющим форму и размеры теплопроводящей системы, в частности корпуса-радиатора светодиодной лампы.
Отвод тепла улучшается при вертикальном расположении активных поверхностей корпуса-радиатора, так как при этом улучшаются условия конвекции (образование дополнительных тепловых потоков и их скоростной режим). Технический результат, который может быть достигнут в заявленной светодиодной лампе с корпусом-радиатором с наружными радиально-продольными ребрами, образующими контур лампы, с установленными на нем с одного торца светодиодными модулями и блоком питания с другого торца, обеспечивается тем, что корпус-радиатор образован полым телом вращения и снабжен внутренними радиально-продольными ребрами с окнами между ними в его верхней части и кольцевой площадкой на торце наружных радиально-продольных ребер в его нижней части, на которой установлены с натягом светодиодные модули.
Кроме того, технический результат достигается тем, что:
- в верхней части корпуса-радиатора выполнена конусообразная направляющая от нижней части окон вверх к его периферии;
- от торца нижней части корпуса-радиатора между наружными ребрами выполнены направляющие от периферии к центру корпуса-радиатора;
- светодиодный модуль содержит светодиод, установленный в оптическую линзу и соединенный с печатной платой с натягом через охватывающий светодиод упругий уплотнительный элемент, а светодиод жестко соединен с теплоотводящей медной пластиной через отверстие в печатной плате.
Тепловая модель заявляемой светодиодной лампы характеризуется:
- тепловым сопротивлением между световыделяющим элементом и теплоотводящим основанием светодиода, которое является характеристикой типа светодиода;
- тепловым сопротивлением между теплоотводящим основанием корпуса светодиода и радиатором и является суммой тепловых сопротивлений (тепловое сопротивление пайки+тепловое сопротивление медной теплоотводящей пластины+тепловое сопротивление контактной пары (медная теплоотводящая пластина и кольцевая площадка корпуса-радиатора из алюминиевого сплава);
- тепловым сопротивлением между корпусом-радиатором и окружающей воздушной средой.
Заявленное изобретение поясняется наилучшим, но не исчерпывающим конструктивным примером выполнения светодиодной лампы типоразмера стандарта PAR 38, представленным на чертежах, а именно на фигурах 1-5.
Типоразмер стандарта PAR 38 является геометрически ограничивающим фактором и определяет размеры светодиодной лампы и, в частности, корпуса-радиатора.
На фиг.1 представлена схематично конструкция светодиодной лампы в общем виде в аксонометрической проекции (вид снизу со стороны крышки).
На фиг.2 представлена конструкция светодиодной лампы в ортогональной боковой проекции с вертикальным сечением корпуса-радиатора.
На фиг.3 представлен вид корпуса-радиатора светодиодной лампы сверху, со стороны блока питания (не показан).
На фиг.4 представлен вид корпуса-радиатора светодиодной лампы снизу, со стороны светодиодных модулей.
На фиг.5 представлена конструкция светодиодного модуля в ортогональной боковой проекции в вертикальном сечении.
Обратимся к фиг.1, на которой схематично изображена светодиодная лампа, состоящая из корпуса-радиатора 1, образованного полой фигурой вращения с наружными 2 радиально-продольными ребрами, блока питания 3 и контактного узла 4, крышки 5 и светодиодных модулей 6.
Блок питания 3, схемотехника и конструкция которого хорошо известны специалистам в данной области техники и не требуют дополнительного пояснения.
Контактный узел 4 выполнен для подключения к источнику электропитания переменного тока (стандарт Е 26/27).
Крышка 5 выполнена перфорированной как с торцевой, так и с боковых сторон для беспрепятственного прохождения тепловых конвекционных потоков.
Крышка 5 является элементом защиты от контакта с электронесущими элементами светодиодной лампы и защитой от механических повреждений светодиодных модулей 6 лампы, а также выполняет функцию дизайна светодиодной лампы в целом.
Пример выполнения светодиодной лампы содержит 6 светодиодных модулей 6, однако их количество может быть иным (большим или меньшим), а также может содержать один или несколько светодиодных модулей 6 в центральной области (например, один в центре и/или несколько в различном геометрическом расположении) в зависимости от требуемого светового потока и мощности светодиодов.
Обратимся к фиг.2, на которой представлена конструкция светодиодной лампы в ортогональной боковой проекции с вертикальным сечением корпуса-радиатора 1 и обозначенной крышкой 5 перфорированной.
Корпус-радиатор 1 образован пустотелым цилиндрическим телом вращения с радиально-продольными наружными 2 и внутренними 7 ребрами. Форма корпуса-радиатора 1 типоразмера стандарта PAR 38 обеспечивается формой наружных ребер 2.
Тело вращения может быть пустотелым коническим с расширением книзу для обеспечения расширения нижней части корпуса-радиатора 1, для возможности размещения большего количества светодиодных модулей 6.
Количество наружных 2 и внутренних 7 ребер, их толщина и расстояния между соседними ребрами выбираются расчетным путем для обеспечения максимальной эффективности конвекционной теплоотдачи.
Расчет упомянутых параметров не приводится, т.к. он известен специалистам в данной области техники и проводится в зависимости от количества, мощности и цветовой температуры светодиодов, силы и яркости света светодиодной лампы.
Корпус-радиатор 1 содержит дисковую площадку 8 (в верхней части корпуса-радиатора 1) для установки блока питания 3, кольцевую площадку 9 (в нижней части корпуса-радиатора 1) для установки светодиодных модулей 6 (показаны схематично), окна 10 между внутренними ребрами 7, в их верхней части, для прохождения внутренних С конвекционных потоков, кольцевую направляющую 11 для разделения внутренних С и наружных В конвекционных потоков, направляющие 12 между наружными ребрами 2, для формирования и разделения наружных межреберных конвекционных потоков В и А.
Кольцевая площадка 9 выполнена на торцевой части наружных ребер 2 корпуса- радиатора 1.
Обратимся к фиг.3, на которой представлен вид корпуса-радиатора 1 светодиодной лампы сверху, со стороны блока питания 3. Диаметр блока питания 3 показан равным диаметру дисковой площадки 8, но может быть и меньшим.
На фиг.3 также обозначены кольцевая направляющая 11 и направляющие 12.
Обратимся к фиг.4, на которой представлен вид корпуса-радиатора 1 светодиодной лампы снизу, со стороны светодиодных модулей 6.
На фиг.4 обозначены наружные 2 и внутренние 7 ребра, кольцевая площадка 9, а также соединительные контактные пластины 13, обеспечивающие электрическое соединение между соседними светодиодными модулями 6 с помощью винтов 14, которые одновременно обеспечивают жесткое соединение с натягом светодиодных модулей 6 и кольцевой площадки 9. Электрическое подключение светодиодных модулей 6 к блоку питания 3 осуществляется проводами 15.
Светодиодные модули 6 согласно изображению на фиг.4 соединены последовательно, но могут быть соединены параллельно или комбинированно.
Обратимся к фиг.5, на которой представлена конструкция светодиодного модуля в ортогональной боковой проекции в вертикальном сечении.
Светодиодный модуль 6 представляет собой сборку, содержащую:
- светодиод 16 с контактными выводами 17;
- печатную плату 18, с которой светодиод 16 контактными выводами 17 электрически соединен пайками 19;
- теплоотводящую пластину 20, выполненную из меди и размещенную под печатной платой 18, с выступом, размещенным в отверстии печатной платы 18, соединенным с неэлектропроводящим корпусом светодиода пайкой 21, путем расплава припоя нагреванием теплоотводящей пластины 20;
- оптическую линзу 22 с основанием;
- уплотнитель 23 из упругого материала (резины или силикона) для периметрической герметизации светодиода и паек 19 контактных выводов 17 с светодиода 16, предварительно установленный в основание оптической линзы 22 и который при сборке сжимается с натягом.
Светодиодный модуль 6 жестко закрепляется на кольцевой площадке 9 винтами 24 через втулку-изолятор 25.
Заявленное изобретение реализуется следующим образом.
Корпус-радиатор 1 изготавливается методом литья под давлением из алюминиевого сплава; количество, толщина и площадь поверхности теплоотводящих наружных 2 и внутренних 7 ребер зависят от мощности светодиодов 16, а его наружная форма - от типоразмера светодиодной лампы по стандарту PAR 38.
Способ изготовления подобных деталей и оборудование для их изготовления хорошо известны специалистам в этой области и в заявке не приводятся.
Сопрягаемые поверхности медной теплоотводящей пластины 20 светодиодного модуля 6 и кольцевой площадки 9 корпуса-радиатора 1 из алюминиевого сплава выполнены с высокой геометрической точностью и чистотой обработки поверхностей, что обеспечивает минимальное тепловое сопротивление между ними.
Светодиодные модули 6 устанавливаются на кольцевую площадку 9 корпуса-радиатора 1 с натягом винтами 14, которые обеспечивают плотность соединения поверхности теплоотводящей медной пластины 20 с кольцевой площадкой 9 алюминиевого корпуса-радиатора 1 и одновременно электрические контакты с другими (соседними) светодиодными модулями 6 соединительными контактными пластинами 13 из медного сплава, концевые разнополярные контакты соединены с блоком питания 3 проводами 15, снабженными на концах, механически соединенными с ними контактами из медного сплава, также одновременно скрепленными винтами 14.
Оптическая линза 22 может устанавливаться на светодиод 16 до или после сборки части светодиодного модуля с корпусом-радиатором 1 на защелках, конструкция которых известна специалистам в данной области техники и на чертежах не показана.
Таким образом, размеры светодиодного модуля 6 и конструкция их электрического соединения минимизированы, что позволяет варьировать при стандартных габаритах типоразмера PAR 38 (наружный диаметр 121 мм) количество устанавливаемых светодиодных модулей 6 в зависимости от требуемой светоотдачи.
Конструктивное выполнение перфорированной крышки 5 и ее крепление к корпусу-радиатору 1 не требует пояснения, т.к. известно специалистам в данной области техники.
Геометрические размеры медной теплоотводящей пластины 20 формируются расчетным путем, известным специалистам в данной области техники и коррелируются с шириной кольцевой площадки 9.
Заявленная светодиодная лампа обеспечивает оптимальный тепловой режим мощных светодиодов 16 следующим образом.
Тепло от светодиода 16 через медную теплоотводящую пластину 20 передается через кольцевую площадку 9 корпуса-радиатора 1 из алюминиевого сплава, который разогревается и формирует естественные разделенные однонаправленные конвекционные потоки, проходящие сквозь перфорированную крышку 5 с различными температурными и скоростными режимами (один внутренний С через окна 10 и два наружных В и А), обеспечивающие эффективный отбор тепла от корпуса-радиатора 1 подачей воздуха с температурой окружающей среды в центральную часть корпуса-радиатора 1.
Положительный эффект достигается за счет комплексного конструктивно-технологического решения светодиодной лампы в целом и, в частности, конструкцией корпуса-радиатора 1 с дополнительным внутренним оребрением 7 и конструкцией светодиодного модуля 6 при минимизации его габаритных и присоединительных размеров, что позволяет увеличивать их количество в зависимости от необходимого, при минимальной себестоимости светодиодной лампы.
Температурная разница при номинальной мощности светодиода 16 между температурой медной теплоотводящей пластины 20 и корпуса-радиатора 1 из алюминиевого сплава в заявляемой светодиодной лампе составляет не более 0,5°C. В наилучших образцах светодиодных ламп американской компании CREE (общепризнанной одной из лучших в мире по разработке светодиодных ламп) указанная температурная разница составляет не менее 1,0°C.
Полное тепловое сопротивление заявленной светодиодной лампы при мощности рассеиваемой энергии светодиода 1,3 Вт составляет 10,6°C /Вт.
Кроме того, конструкция светодиодной лампы позволяет произвести замену светодиодного модуля 6 в случае выхода из строя светодиода 16.
Таким образом, в заявляемой светодиодной лампе возможно использование мощных светодиодов и повышение их яркости, обеспечиваемое снижением температуры светодиода 16 при обеспечении стабильной максимальной светоотдачи при стабильном сохранении цветовой температуры, например 2700 К.
Заявляемая светодиодная лампа также наиболее полно удовлетворяет потребительским требованиям:
- мощности (световому потоку, яркости);
- надежности (долговечности);
- энергосбережению (потреблению энергии);
- стоимости.
Обозначения для чертежей
1. Корпус-радиатор
2. Ребра наружные
3. Блок питания
4. Контактный узел
5. Перфорированная крышка
6. Светодиодный модуль
7. Ребра внутренние
8. Дисковая площадка
9. Кольцевая площадка
10. Окна
11. Кольцевая направляющая
12. Направляющие
13. Соединительная контактная пластина
14. Винты
15. Провода
16. Светодиод
17. Контактные выводы светодиода
18. Печатная плата
19. Пайка контактов светодиода с печатной платой
20. Теплоотводящая пластина
21. Пайка (корпус светодиода - теплоотводящая пластина)
22. Оптическая линза
23. Уплотнитель
24. Втулка-изолятор