МОЩНАЯ СВЕТОДИОДНАЯ ЛАМПА
HIGH-POWER LED LAMP

Предполагаемое изобретение относится к полупроводниковой светотехнике, в частности к лампам на светодиодах различных цветов излучения оптического диапазона спектра, в том числе на светодиодах белого свечения, или на светодиодах коротковолнового излучения, например синего или голубого излучения с преобразованием его в белое свечение при помощи люминофоров.
Мощные светодиодные лампы предназначены для замены ламп накаливания мощностью /100-300 Вт/ или газоразрядных ламп типа ДРЛ, МГЛ, ДНаТ, преимущественно мощностью до 250 Вт, а также компактных люминесцентных ламп, применяемых для общего освещения в составе осветительных приборов промышленного и бытового назначения или для использования в специальном светотехническом приборостроении, например, во взрывозащищенных светильниках.
Анализ современных компактных светодиодных ламп преимущественно белого свечения, обсуждаемый, например, в /1/, а также предложенные фирмами /2/ лампы для реализации на рынке подтверждают отсутствие приемлемых технических решений на мощности, превышающие 10 Вт.
В известных компактных лампах увеличение мощности и количества светодиодов достигается за счет увеличения габаритов общего для них радиатора охлаждения и размеров колбы. Так, например, компания Briaton /2/ предлагает светодиодную лампу BR-LED-GD/E27/I5/28 в светорассеивающей колбе мощностью 15 Вт со световым потоком 800 лм, имеющей габариты ⌀ 100×175 мм. Низкая светоотдача и большие габариты лампы обусловлены преимущественно неудовлетворительными средствами охлаждения светодиодов и потерями излучения при использовании светорассеивающих покрытий на стенках колбы для уменьшения блескости.
Известна светодиодная сборка /3/ для использования в компактных светодиодных лампах, содержащая несущее основание для модуля в форме диска со светодиодами, сопряженного с дополнительными планками со светодиодами, установленными под некоторым углом к продольной оси симметрии сборки.
В устройстве отсутствует радиатор охлаждения светодиодов, что затрудняет использование его в мощных светодиодных лампах.
Известна лампа на мощных светодиодах /4/, содержащая пластины круглой или прямоугольной формы, удерживаемые стягивающим элементом параллельно между собой, на которых установлены индивидуальные радиаторы охлаждения в виде изогнутых под выбранными углами плоских лепестков из теплопроводного материала, разделенных между собой зазорами, находящихся в тепловом контакте с несущими их пластинами, и установленными на них мощными светодиодами, а также преобразователь питающей сети, собранный на печатной плате в камере, сопряженной с цоколем или с гибкими средствами токоподвода.
Недостатки прототипа связаны с необходимостью увеличения площади лепестков-радиаторов охлаждения при увеличении мощности применяемых светодиодов, что не обеспечивает возможности минимизации габаритов, а также со снижением эффективности конвективного теплообмена лепестков-радиаторов со светодиодами при заключении их в колбу.
Целью предполагаемого изобретения является улучшение тепловых параметров лампы увеличенной мощности, минимизация габаритов и защита от воздействия окружающей среды.
Поставленная цель достигается тем, что мощная светодиодная лампа, содержащая излучатель на основе светодиодных модулей или линеек, радиаторы охлаждения светодиодов, преобразователь питающей сети и средства токоподвода, выполнена с излучателем, составленным из двух, трех или большего количества индивидуально защищенных светодиодных модулей или линеек, собранных в тепловом контакте на индивидуальных радиаторах охлаждения, разделенных между собой в пространстве, установленных в меридиональных плоскостях параллельно или под острым углом к продольной оси симметрии лампы и подключенных к преобразователю питающей сети, собранному в отделенной от излучателя камере.
Цель достигается и тем, что каждый светодиодный модуль или линейка излучателя заключены в индивидуально защищающую их от воздействия окружающей среды трубчатую оптически прозрачную колбу с продольной прорезью и с торцевыми крышками с выступающим из прорези по всей длине колбы наружу в окружающее пространство протяженным радиатором с ребрами охлаждения, соединенным каналом для средств токоподвода с отделенной от излучателя воздушным зазором камерой для преобразователя питающей сети.
Поставленная задача решается также тем, что каждый светодиодный модуль излучателя выполнен в виде протяженного полого элемента с по меньшей мере двумя разделенными продольном щелью рабочими гранями, на которых изготовлены или установлены печатные платы с мощными светодиодами или отдельные светодиоды, причем эти грани объединены и находятся в тепловом контакте с несущим их основанием, установленным в тепловом контакте с протяженным радиатором охлаждения, выступающим из прорези колбы наружу по всей ее длине.
Цель достигается также тем, что каждая светодиодная линейка излучателя, установленная в тепловом контакте с индивидуальным радиатором охлаждения, фронтально перекрыта плоским оптически прозрачным защитным стеклом с образованием щелевого отсека.
Цель достигается и тем, что на удаленных от камеры преобразователя торцевых крышках индивидуальных радиаторов со светодиодными модулями или линейками установлены в тепловом контакте дополнительные модули с мощными светодиодами на круглых или многоугольных платах, защищенные оптически прозрачными колпаками.
Задача решается и тем, что камера преобразователя питающей сети сопряжена через кольцевой изолятор со стандартным цоколем или выполнена с гибкими средствами токоподвода.
Достижению цели способствует и то, что модули или линейки излучателя выполнены с мощными светодиодами голубого и/или синего излучения, а трубчатая колба - с прорезью, плоское защитное стекло и защитные колпаки изготовлены из силикатного стекла или из оптически прозрачного поликарбоната, покрыты изнутри или с диспергированными в их стенки одним или смесью люминофоров, выбранных из группы иттрий- алюминиевого или гадолиний-алюминиевого гранатов, активированных преимущественно церием, преобразующих большую часть коротковолнового излучения светодиодов в белый свет и рассеивающих его.
Наиболее предпочтительные варианты исполнения устройств согласно предполагаемому изобретению показаны на чертежах.
Фиг.1. Мощная светодиодная лампа с тремя параллельно установленными светодиодными модулями на индивидуальных радиаторах охлаждения в меридиональных плоскостях. Вид спереди, частично в разрезе.
Фиг.2. То же, что и на фиг.1. Вид на излучатель лампы по стрелке, частично в разрезе одного модуля.
Фиг.3. Мощная светодиодная лампа с четырьмя светодиодными линейками на индивидуальных радиаторах охлаждения. Вид спереди, частично в разрезе.
Фиг.4. То же, что и на фиг.3. Вид по оси ZZ лампы, сечение А-А, частично в разрезе.
Показанная на фиг.1 и 2 мощная светодиодная лампа содержит излучатель 1, составленный из трех разделенных между собой в пространстве одинаковых индивидуально защищенных от воздействия окружающей среды протяженных модулей 2 с мощными светодиодами 3, собранных в тепловом контакте на индивидуальных радиаторах 4 охлаждения и установленных в меридиональных плоскостях под углом 120° параллельно между собой и к продольной оси ZZ симметрии лампы.
Протяженные модули 2 с цепочками с последовательным или параллельно-последовательным подключением мощных светодиодов 3 между собой микроразъемами 5 и средствами токоподвода 6, размещенными в каналах втулок 7, подключены к электронному преобразователю 8 питающей сети, собранному в общей для них камере 9, отделенной от излучателя 1I воздушным зазором 10, т.е. теплоизолированной от радиаторов модулей.
Каждый модуль 2 с мощными светодиодами 3 индивидуально заключен в защищающую его от воздействия окружающей среды трубчатую оптически прозрачную колбу 11 с продольной прорезью /например, часть трубчатых колб Т8 или T12/, образуя протяженную камеру, защищенную торцевыми крышками 12, и установлен в тепловом контакте с выступающим из прорези колбы по всей ее длине наружу протяженным индивидуальным радиатором 4 с ребрами охлаждения 13.
2
3
Радиаторы 4 с ребрами 13 охлаждения изготовлены из теплопроводного материала, например из алюминиевых сплавов, методом экструзии или литьем под давлением. Однако могут быть изготовлены также из теплопроводной керамики типа рубалит /AlO/ или из теплорассеивающей пластмассы типа "Теплосток" фирмы "Спецпласт-М" /Россия/, имеющей охлаждающую способность, близкую к алюминиевым радиаторам, но меньшую себе стоимость и в два раза меньшую массу.
Протяженные радиаторы 4 могут быть также соединены между собой каналами /на фиг. не показано/ для последовательного подключения светодиодных модулей или линеек излучателя.
Каждый светодиодный модуль 2 излучателя 1 выполнен в виде протяженного полого элемента с по меньшей мере двумя разделенными продольной щелью 14 рабочими гранями 15 и 16, на которых изготовлены или установлены печатные платы с мощными светодиодами 8 /преимущественно мощностью 0,5-3 Вт/. На указанных гранях могут быть установлены в тепловом контакте навесным монтажем отдельные мощные светодиоды.
Грани 15 и 16 объединены между собой и находятся в тепловом контакте с несущим их основанием 17, которое, в свою очередь, установлено в тепловом контакте, например, за счет прижатия винтами I8 с протяженным индивидуальным радиатором 4 с ребрами 13 охлаждения, обеспечивающим кондуктивный теплоотвод от р-n переходов кристаллов светодиодов 3. Радиатор 4 с ребрами охлаждения выступает из прорези колбы II в окружающее пространство по всей ее длине, обеспечивая конвективный теплообмен.
Ребра 13 охлаждения могут быть выполнены вдоль протяженного радиатора 4, как показано на фиг.1 и 3 /для эксплуатации ламп преимущественно в вертикальном положении/, поперек радиатора или игольчатой формы, т.е. в виде игл, перпендикулярных поверхности радиатора, для эксплуатации ламп с произвольной ориентацией в пространстве.
Рабочие грани 15 и 16 могут быть выполнены с образованием единого полого элемента с несущим и отводящим тепло основанием радиатора 4 охлаждения, что возможно при использовании для производства технологии экструзии /на фиг. не показано/.
Преобразователь 8 питающей сети, собранный в камере 9, может быть выполнен многоканальным, например трехканальным, для подключения индивидуальных модулей 2 излучателя лампы.
Камеру 9 преобразователя изготавливают из теплопроводного материала с оребрением, но возможно также исполнение с порфорированными стенками.
По оси симметрии ZZ лампы камера S сопряжена через кольцевой изолятор 19 со стандартным цоколем 20, например, типа Е27, или снабжена гибкими средствами токоподвода /см. фиг.3/,
В одном из вариантов исполнения для улучшения светораспределения лампы по оси ZZ на удаленных от камеры преобразователя торцевых крышках 12 индивидуальных радиаторов 4 охлаждения протяженных модулей 2 с мощными светодиодами 3 установлены в тепловом контакте с подключением в цепи питания к указанным светодиодам дополнительные модули 21 с такими же светодиодами 22, собранными на круглых или многоугольных печатных платах с алюминиевым основанием, индивидуально защищенные оптически прозрачными колпаками 23.
Второй вариант мощной светодиодной лампы, показанный на фиг.3 и 4, предусматривает выполнение излучателя 24 в виде четырех разделенных между собой в пространстве и установленных в меридиональных плоскостях линеек 25 с мощными светодиодами 26. Линейки собраны в тепловом контакте на протяженных индивидуальных радиаторах 27 с ребрами охлаждения и расположены под острым углом наклона /преимущественно 10-30° к продольной оси ZZ симметрии лампы.
Каждая линейка 25 с мощными светодиодами 26 излучателя выполнена в виде протяженной печатной платы с алюминиевым основанием и фронтально перекрыта плоским оптически прозрачным защитным стеклом 28, установленным и уплотненным на выступавших боковых стенках индивидуальных радиаторов 27 охлаждения с образованием щелевого отсека 29 для светодиодов 26, герметизированного торцевыми крышками.
Разделенные в пространстве индивидуальные радиаторы 27 с ребрами охлаждения обеспечивают эффективное кондуктивно-конвективное охлаждение светодиодных линеек излучателя преимущественно за счет увеличения поверхности теплообмена с окружающей средой.
Линейки 25 со светодиодами, собранные на радиаторах охлаждения, подключены между собой /на фиг. не показано/ и/или с преобразователем питающей сети, установленным в теплоизолированной от них камере 30, снабжены гибкими выводами 31 для подключения лампы к питающей сети, а также кронштейнами для монтажа указанной камеры в тепловом контакте на стенке корпуса, например, взрывозащищенного светильника.
Предложенные варианты мощной светодиодной лампы с излучателями, составленными из светодиодных модулей или линеек, целесообразно выполнить с мощными светодиодами 3, 22 и 26 синего или голубого излучения, а трубчатую оптически прозрачную колбу 11 с продольной прорезью, охватывающую светодиодный модуль 2, плоское оптически прозрачное защитное стекло 28, фронтально перекрывающее светодиодную линейку 25 и оптически прозрачные колпаки 23, защищающие дополнительные модули 21 излучателей, при этом изготавливают из силикатного стекла или из оптически прозрачного поликарбоната и покрывают преимущественно изнутри слоем 32 /см. фиг.3/ или в их стенки диспергируют /интегрируют/ один или смесь люминофоров, выбранных из группы иттрий-алюминиевого или гадолиний-алюминиевого гранатов, активированных преимущественно церием, преобразующих большую часть коротковолнового излучения светодиодов в белый свет и эффективно рассеивающих его. Это позволяет существенно снизить блескость излучателей, повышая тем самым световой кпд лампы в сравнении с лампами в колбах с традиционно матированными или с рассеивающими покрытиями стенками.
Удаление люминофоров от кристаллов с р-n переходами снижает также тепловыделение на кристалле, способствуя повышений светоотдачи и срока службы излучателя.
0,5
В качестве мощных светодиодов, используемых в модулях или линейках излучателей ламп, предпочтительно применены светодиоды белого свечения серии 219A, например, типа NVSW219AT фирмы Nichia /5/ мощностью 1 Вт со световым потоком 140 лм и углом рассеяния 2Θ=120°, либо светодиоды серии ML-E мощностью 0,5 Вт, 2Θ=120°, или серии XP-G мощностью 1-3 Вт, 2Θ=125° фирмы CREE /6/.
Преобразователи питающей сети АС-DC для применения в разработанных лампах целесообразно использовать от компании MEAN WELL L/Тайвань/ или ЗАО ММП-ИРБИС /Москва/.
Предложенные мощные светодиодные лампы с компактными излучателями на основе протяженных светодиодных модулей или линеек с разделенными индивидуальными радиаторами охлаждения обеспечивают возможность увеличения мощности в 2-3 раза и светового потока до 3000 лм и более в габаритах, сопоставимых, например, с лампами мощностью 12-15 Вт компании Briaton /2/, и имеющими существенно меньшие габариты по сравнению со светильниками с матрицами светодиодов, сравнимого по световому потоку, например, типа LL-ДВУ-0I-050-02XX-65Д компании "Лидер Лайт Треид" /Москва/ /7/.
При этом в предложенной конструкции светодиодной лампы существенно улучшены тепловые параметры за счет выполнения излучателя с разделенными в пространстве индивидуальными для светодиодных модулей или линеек радиаторами охлаждения, имеющими увеличенную поверхность конвективного теплообмена с окружающей средой, и обеспечивающего одновременно компактное исполнение излучателей лампы.
Литература.
1. Хартмут Пошманн. Светодиодные лампы на пути к массовому рынку Ж.: Полупроводниковая светотехника, №6/8/, 2010, с.4-8.
2. Каталог продукции светодиодные лампы и светильники, 20I0. Компаний Briaton, с.30. www.briaton.ru.
3. С.В.Герасимов. Светодиодная сборка, ПМ РФ №I06336, кл.P21S 13/00. Приор. 12.04.2011.
4. Сысун В.В. Лампа на мощных светодиодах. Пат. РФ №2347975 кл. F21S 8/00, приор. 17.04.2007.
5. Петропавловский Ю. Современные светодиоды компаний Toyoda Gosei и Nichia". Ж.:Полупроводниковая светотехника, №4, 2011, с.25.
6. Каталог фирмы "Прософт". Электронные и электромеханические компоненты, 2010, с.29.
7. Каталог компании "Лидер Лайт Трейд". Светодиодное освещение, сент. 2010.