СВЕТОДИОДНЫЙ ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к средствам светоизлучения и может быть использовано в системах освещения.
Основными преимуществами полупроводниковых светодиодных источников излучения над остальными источниками света являются:
надежность - в настоящий момент светодиоды различных конструкций имеют срок службы до 50000 часов и более, в то время, как лампы накаливания и люминесцентные лампы имеют срок службы не более 10000 часов;
световая отдача светодиодов в настоящий момент превышает 80 лм/Вт и постоянно растет, тогда как световая отдача ламп накаливания и люминесцентных находится в пределах 10-120 лм/Вт.
Современный опыт применения полупроводниковых светодиодных источников излучения в различных системах освещения подтвердил вышеперечисленные преимущества таких источников над традиционными лампами накаливания. В общем виде, светодиодная лампа состоит из платы с определенным количеством штатных светодиодов, с параллельно-последовательным соединением, определяющим номинальное значение напряжения и световой поток; схемы управления, в основном работающей на понижение напряжения с 220 В до значения, определяемого последовательно-параллельным соединением светодиодов, и, как правило, работающей в импульсном режиме для увеличения тока через излучающие элементы; цоколя, размеры которого соответствуют аналогичным лампам накаливания; тела лампы в виде радиатора, размеры которого должны соответствовать мощности, потребляемой лампой. Анализ существующего производства различных типов осветительный прибор (ОП) показывает, что световая часть современных светодиодных светильников в основном изготавливается на базе дискретных светоизлучающих диодов (СИД) и приборов для поверхностного монтажа (SMD-монтаж).
t
В числе конструкций известных светодиодных источников излучения может быть, в частности, упомянута конструкция по патенту РФ №2415335 на изобретение, содержащая полупроводниковые излучатели света оптического диапазона, объединенные электрической цепью. Известное устройство позволяет с помощью зафиксированных на панели единичных светодиодов (вне зависимости от вида диаграмм направленности их светового излучения) обеспечивать распространение света вдаль и вниз относительно места расположения устройства и при этом получать диаграммы направленности светового излучения с различным угловым распределением света в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Наиболее близким аналогом заявленного источника является светодиодная матрица по патенту РФ №2369943, в которой одной из особенности является наличие дополнительных отверстий для заполнения полостей светопроводящей средой. Этим отверстиям вменялась функция впрыск-выпор, что приводило к появлению воздушных пузырей и завышенной трудоемкости изготовления из-за необходимости точного совмещения капилляра и отверстия диаметром 0,7 мм. Вместе с тем, одним из недостатков светодиодных ламп известных конструкций является недостаточная равномерность освещения поверхности, неоднородность цветовой температуры, отсутствие нормативного фактора слепимости за счет оптики линз светодиодов, а также повышенное тепловое сопротивление (Rt), за счет цепи последовательно включенных тепловых сопротивлений светоизлучающих диодов (R), и, как следствие, увеличение затрат на проектирование и производство теплоотводящего корпуса, обусловленное спецификой, прежде всего связанной с необходимостью интенсивного отвода тепла, выделяемого непосредственно самими светодиодами. Превышение температуры свыше 120°С непосредственно на p-n переходах приводит к частичной или полной потери функционирования полупроводниковых источников излучения.
Задача, поставленная при создании настоящей полезной модели, состоит в получении моноблочного кластерного источника излучения температура p-n переходов полупроводниковых излучателя света оптического диапазона не должна превышать 50-70°С, при этом технический результат, полученный при решении такой задачи, состоит в уменьшении теплового сопротивления кристалл (чип) излучателя - плата теплоотвода.
2
Для достижения поставленного результата предлагается моноблочный кластерный источник излучения, содержащий, по меньшей мере, два полупроводниковых излучателя света оптического диапазона, объединенных электрической цепью на несущей армированной плате-теплоотводе с присоединительными выводами и моноблочную линзу, в котором площадь S (м) поверхности армированной несущей платы удовлетворяет условию:
p-n
i,
S≥Ph/Tλ,
где: Р - мощность потребляемая источником излучения, Вт;
h - толщина несущей платы, м;
i
λ - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/мК;
p-n
T - температура p-n перехода, °С.
Предпочтительные, но не обязательные варианты заявленного источника предполагают выполнение полупроводниковых излучателей света одноцветного либо разноцветного цвета свечения; установку моноблочной линзы и излучателя света с зазором друг относительно друга, с размещением в зазоре прозрачного или рассеивающего герметизирующего эластичного компаунда, например, с коэффициентом преломления ≥1,3; выполнение моноблочной линзы состоящей как из сферических, так и из асферических линз, при этом моноблочная линза для получения равномерного свечения может быть легирована мелкодисперсным прозрачным кварцем; кроме того, полупроводниковые излучатели света могут быть покрыты люминофором, трансформирующим их излучение в излучение белого цвета.
Полезная модель иллюстрируется рис.1 с принципиальной схемой системы чип на основе GaN на армированной стеклотекстолитовой плате, рис.2, отображающим общий вид заявленного источника излучения, а также рис.3 с принципиальной схемой сборки такого источника.
i
Возможность достижения поставленного результата в заявленной конструкции обусловлена следующим. Из основного уравнения теплового сопротивления системы , следует, что кроме константы λ такое сопротивление всецело зависит от толщины и площади, при этом температура p-n перехода равна
T
Подставив значение R согласно (2) в (1) получим:
.
2
Как следует из Таблицы №1 (см. ниже) в соответствии с рис.1, перепад температур от p-n перехода до основания топологии на стеклотекстолитовой плате незначителен и составляет 4,7°С при потребляемой мощности 1 Вт. Следовательно, на стеклотекстолите температура равна температуре p-n перехода кристалла (чипа). Чипы равномерно распределены по площади армированной платы. При размере платы, например, 120 см, получим
Tплата-воздух
i
-3
-2
2
R=h/λ*S=2*10/2,5*10*1,2*10=4°C/Вт.
р-n
ком.
T
Следовательно, температура p-n перехода равна согласно Т=Т+Р*R при мощности 10 Вт равна 65°С.
Таблица №1
Номер слоя
I<sub>i,</sub> мкм
λ<sub>i, Вт/мК</sub>
S<sub>i, мкм</sub> <sup>2</sup>
R<sub>T, °С/Вт</sub>
T<sub>i, °C</sub>
1
3
110
1200*1200
0,019
0,019
2
80
380
1200*1200
0,15
0,15
3
10
3
1200*1200
2,3
2,3
4
18
380
1200*1200
0,03
0,03
5
15000
380
1200*15000
2,2
2,2
2
В общем виде, конструкция заявленного светодиодного источника излучения (лампы) не отличается от известных аналогов и состоит из полупроводниковых излучателей света 1 с одним или несколькими P-N переходами одноцветного или разноцветного излучения, покрытых люминофором 2, трансформирующим излучение полупроводниковых излучателей света в излучение белого цвета. Излучатели размещены на стеклотекстолитовой плате 3 с топологией (электрической цепью), объединяющей полупроводниковые излучатели света в базовый элемент. Плата одновременно является теплоотводящим элементом с большой геометрической площадью, так как снизу армирована алюминиевой пластиной 4 толщиной от 0,5 мм и более. Источник также содержит штатный патрон для ламп освещения и корпус (не показаны), одновременно являющийся радиатором для отвода тепла от излучателей света, при этом его площадь составляет не менее 50 см.
2
Комбинированная покровная линза 5 из поликарбоната и эластичного полимера помещается на основание и совмещается с ним с помощью котировочных штыков 6, предусмотренных в конструкции линзы, и отверстий в плате. Далее на специальной установке происходит механическая опрессовка с одновременной терморазвальцовкой котировочных штырьков. Дополнительно, наличие полупроводниковых излучателей света размером 1×1 мм с высоким значением КПД преобразования электрической энергии в световую, использование платы радиатора, позволяющего эффективно отводить тепло от кристаллов, принципиальная электрическая схемой и соотношение основных параметров базового элемента позволяют сохранить КПД светодиодного источника излучения.