Светодиодная лампа повышенной мощности с полным углом освещения
HIGH POWER LED LAMP WITH FULL ANGLE LIGHTING

Область техники
Изобретение относится к светотехнике, а именно к светодиодным лампам, имеющим печатную плату и резьбовой цоколь для соединения с сетью электрического питания.
Предшествующий уровень
Типовой вид светодиодной лампы напоминает традиционную лампу накаливания (вверху шар или полусфера, внизу корпус, цоколь).
Однако, между этими лампами есть существенное отличие в принципе освещения. Лампа накаливания имеет спираль, которая излучает свет во все направления, и корпус лампы из стекла позволяет освещать пространство во все стороны.
Ближе к этому излучению светодиодные лампы с нитевыми группами светодиодов, но они, как правило, являются маломощными, поскольку имеются трудности с отводом от светодиодов тепла, для чего применяется газ, которым наполняют колбу из стекла (газ переносит тепло на колбу, а колба ввиду теплопроводности стекла рассеивает это тепло в пространство). Для увеличения мощности ламп применяют традиционные светодиоды, которые имеют направленное излучение, и поэтому для создания ламп в качестве колбы применяют шары и полусферы, которыми накрывают группу светодиодов, расположенных на плоскости печатной платы, имеющей тепловой контакт с более массивным теплоотводом. В связи с этим, угол излучения света в пространство, как правило, не превышает 180-270°. Все другие конструкции, которые позволяют расширить этот угол, как правило, дороги и, в следствие этого, неконкурентны, и из-за этого не выпускаются.
Самый главный параметр ламп на рынке сегодня - это цена, которая складывается из стоимости компонентов, стоимости труда, приходящегося на лампу, и других затрат. Учитывая малую стоимость лампы на рынке, большое значение приобретает даже незначительные усложнения конструкции, появление дополнительных компонентов (проводов соединения, коннекторов и др.).
Типовая конструкция лампы состоит из:
- корпуса,
- колбы (рассеивателя света),
- платы светодиодов,
- платы драйвера,
- цоколя,
- соединительных проводов и/или коннекторов,
- радиатора, отводящего тепло от платы светодиодов, наклеенной на него.
Несмотря на кажущееся небольшое число компонентов, даже один лишний провод может повлиять на материалоемкость и технологичность, а значит и себестоимость (провод надо купить, хранить, обрезать в размер, залуживать, а потом еще припаивать с двух сторон).
При изготовлении печатных плат, кроме всего прочего, необходимо учитывать какие отходы имеются у материала при изготовлении. Так, если плата круглая (для светодиодов), то размер отходов доходит до 30% стоимости платы. Отвод тепла от платы светодиодов также представляет трудности при мощности плат более 4 Вт, и заставляет изготавливать специальную деталь из алюминия, к которой потом приклеивается плата светодиодов. Если есть две платы, то нужно их соединять.
Известна светодиодная лампа общего назначения, содержащая корпус из теплопроводящего диэлектрического пластика, имеющий сквозную продольную полость и удаленную цилиндрическую часть; полый световой рассеиватель, закрепленный на корпусе; винтовой цоколь, закрепленный на удаленной цилиндрической части корпуса; печатную плату со светодиодами и компонентами источника питания, удаленный край которой снабжен перфорацией, соединенной с внутренней винтовой поверхностью цоколя, при этом печатная плата имеет металлическую основу и выполнена в виде полосы, плоские участки которой разделены зонами сгиба; светодиоды смонтированы на плоском участке печатной платы, а на удаленном участке платы собрана, по меньшей мере, часть электронных компонентов источника питания и разъем питания, при этом каждый плоский участок платы, прилегающий к участку светодиодов, размещен на одном из противолежащих плоских участков внутренней поверхности корпуса с возможностью теплообмена (RU 2680720, МПК F21S 2/00, опубликовано 26.02.2019). Недостатком патента является малая площадь печатной платы, которая контактирует с окружающей средой без внутреннего воздушного промежутка, что резко ограничивает мощность лампы.
Техническим результатом является повышение мощности, создание полного угла освещения, а также возможность максимальной автоматизации процессов изготовления лампы.
Предлагаемое решение
На рис. 1 представлена развертка печатной платы 1 лампы, в которой практически нет отходов, поскольку она представляет собой вытянутый прямоугольник. На этой плате монтируется множество светодиодов в зоне центрального участка 2 (первая часть светодиодов), смежных с ним участков 3-6 (вторая часть светодиодов) и прилегающих к смежным участков 7,8 (третья часть светодиодов), обе наклонные части платы имеют по два сгиба и на всех четырех сгибах расположена четвертая часть светодиодов 9, 10, 11, 12, излучающих в двух перпендикулярных оси лампы плоскостях, угол сгиба которых может изменяться (на рис. 2, 3 показан угол отгиба 90°), а на удаленных участках платы 1 монтируются компоненты 13 и 14 драйвера. Все это происходит за один цикл на SMT машинах без перестройки.
Смонтированная плата 1 на оснастке сгибается по линиям сгиба 19 (6 гибов) и 6 гибов вокруг участка 2 которые нанесены на плате со стороны, обратной стороне установки электронных компонентов, в результате чего плата 1 приобретает вид, показанный на рис. 2, 3, 4, 5 из которого видно, что все светодиоды после гибки платы 1 оказываются обращенными в окружающее пространство и излучают в угол, близкий к 4π стерадиан, с хорошим перекрытием освещения разными зонами светодиодов, поскольку обычный угол рассеивания освещения у светодиодов составляет от 90° до 120°.
Печатная плата согнута таким образом, что центральный участок 2 освещает пространство (вверх по рис. 2, 3) где может располагаться условная колба. Светодиоды на участках 3…6 освещают пространство, перпендикулярное оси лампы (группы светодиодов расположены под 90°, охватывая все 360° пространства).
Светодиоды группы 7 и 8 освещают пространство под углом вниз (по направлению к цоколю), освещая нижнюю полусферу корпуса. Светодиоды группы 9…12 могут принимать различные направления в зависимости от того, под каким углом согнута плата на этих участках (на рис. 2, 3 показан сгиб на 90°).
Вырезы 21 и 22 при сгибе платы входят друг в друга, образуя 2 наклонных участка, при этом участки платы 13 и 14 меняются местами и оказываются, после сгиба по отверстиям 20, с перевернутыми монтажными сторонами. Иначе говоря, все участки, на которых установлены светодиоды, освещают наружное пространство, а SMT компоненты драйвера 13, 14 оказываются внутри прямоугольной пирамиды компонентами внутрь (рис. 2, 3). Отверстия 20 служат импровизированной резьбой, на которую навинчивается цоколь и автоматически обеспечивается электрический контакт внутренней оболочки цоколя с основой алюминиевой платы, которая становится первым проводником сетевого напряжения. Второй контакт от сетевого напряжения с цоколя может быть соединен с платой проводом или с помощью специального разъема.
Драйвер (его компоненты 13, 14) оказывается внутри импровизированной квадратной призмы 25, рис. 5, образовавшейся при сгибе печатной платы, в отличие от RU 2680720, где возможен монтаж элементов драйвера в основном на одном конце платы и площадь монтажа ограничена, в заявленном решении монтаж компонентов может производиться на двух концах платы, в том числе и на загнутых его частях. В отличие от известных решений повышенной мощности с полным углом освещения, где большая часть печатной платы изолирована воздухом от корпуса, а между корпусом и платой есть большой воздушный промежуток (воздух является хорошим изолятором), в настоящем решении все четыре грани квадратной призмы 25 имеют тепловой контакт с корпусом 27 (рис. 6), таким образом, первый и второй удаленные края платы 1 сконфигурированы по линиям сгиба в виде квадратной призмы, размещенной в полости удаленной части 26 корпуса 27 (рис. 6.1) с возможностью теплообмена. Прижатие участков платы, сконфигурированных в квадратную призму к стенкам корпуса 27, обеспечивается Т-образными выступами 28 (рис. 6.2), которые имеются на корпусе 27 внутри, которые удерживают эти участки платы в тепловом контакте с корпусом 27.
Чтобы обеспечить угол рассеивания света на 360° корпус 27 лампы выполнен из оптически прозрачного материала, такого же, из которого изготовлен рассеиватель 28 (рис. 7), например, поликарбоната.
Для улучшения условий теплообмена выбирают уменьшенную толщину стенок корпуса 27. Рассеиватель 31 (рис. 7) может иметь округлую или полусферическую форму, при этом между светодиодами и рассеивателем расположена значительная воздушная масса, которая препятствует отводу тепла от основной группы светодиодов центрального участка 2 платы. Для улучшения охлаждения светодиодов центрального участка 2, вместо сферического рассеивателя может быть применена пластина 29, приклеенная к корпусу 27 с помощью силикона. В качестве материала этой пластины может быть применен PC, РММА, стекло (последнее предпочтительно, поскольку коэффициент теплопроводности стекла существенно выше).
Возможен вариант, когда рассеиватель снабжен соответствующими замками для установки рассеивателя любой формы (полусфера, свеча и т.д.). Не показан.
Распределяя количество светодиодов на отдельных участках платы и/или меняя углы сгиба участков платы, можно получать равномерное освещение в угле 4π стерадиан или создавать преимущественное направление света, если это необходимо, и исключать из работы отдельные участки платы, не устанавливая на них светодиоды.
Поскольку все компоненты лампы изолированы от соприкосновения, в лампе может быть применен простой неизолированный от сети драйвер, в том числе секвентальный. Наличие значительного пространства внутри, сконфигурированных в квадратную призму 25 участков платы, позволяет существенно повысить мощность и надежность лампы, за счет размещения в этом пространстве двух независимых драйверов, при этом все светодиоды разделяются на 2 группы, и каждая из них питается от своего драйвера. В случае выхода из строя одной схемы, вторая продолжает работать.
Для лучшего охлаждения, в рассеивателе 31 может быть выполнено отверстие 30 (рис. 7), поскольку светодиоды и плата защищены пластиной 29, такое решение возможно. Также может быть установлен рассеиватель без отверстия, тогда защитная пластина не нужна. Для повышения мощности рассеиватель 31 удаляется, а пластина 29 играет роль колбы.