СВЕТОДИОДНЫЙ ПРОЖЕКТОР С РЕГУЛИРУЕМОЙ КСС (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к осветительным устройствам и может использоваться в разных областях, в том числе в качестве прожектора. Техническим результатом изобретения является формирование узкоградусного светового луча с высоким значением осевой силы света, возможность регулирования углового распределения света, повышение энергетической эффективности и улучшение тепловых параметров светового прибора.
Известен прожектор Disano Area (), который используется для архитектурного освещения объектов большой высотности, заливающего освещения строений с расстояния (с опор), для освещения больших открытых пространств (погрузочно-разгрузочные терминалы, открытые парковки, строительные площадки), в системах высокомачтового освещения (с мачт освещения высотой 20-35 метров). Лампы в таких прожекторах характеризуются ограниченным временем работы (максимально до нескольких тысяч часов) и большим энергопотреблением. Лампа и отражатель требуют дополнительной защиты от влияния внешних факторов
Известен Патент DE 10216393 A1 на светодиодный световой сигнальный прибор, где светодиоды установлены попарно на плате, а в качестве фокусирующей системы используется оптическая система, содержащая множество оптических элементов. В этом приборе источник света на основе светодиодов адаптируется к старой электрической и оптической конструкции сигнального устройства на основе ламп накаливания. Недостатком такого светосигнального прибора является то, что он не позволяет формировать световые потоки большой интенсивности и узкой направленности.
Наиболее близким по технической сущности является устройство, описанное в патенте на полезную модель RU 99104 U1. Модульный прожектор, описанный в данном патенте, состоит из одного светового элемента или модульной конструкции и содержит светодиоды или светодиодные кристаллы, элементы электрической схемы, установленные на многослойной печатной плате на теплоотводящей основе, прикрепленной непосредственно к радиатору, интегрированному в корпус прожектора. Оптическая система прожектора выполнена в виде плоской матрицы из линз Френеля и/или асферических линз с параллельными оптическими осями. При этом светодиоды или светодиодные кристаллы установлены в фокусе линз. Данный прожектор позволяет сформировать узкоградусный световой поток с высоким значением осевой силы света, однако он не обладает возможностью осуществлять регулирование углового распределения силы света.
Целью настоящего изобретения является создание осветительного устройства с улучшенными оптическими характеристиками и высокой эффективностью, обусловленной оптимальной системой теплоотвода, специальной первичной оптикой и конструкцией прожектора.
Указанная цель достигается за счет того, что оптическое осветительное устройство, включающее светоизлучающие элементы, устройство крепления, печатные платы с посаженными светодиодными кристаллами, оптическую систему, схему электрического питания, систему теплоотвода, - выполнено на основе совокупности отдельных светодиодных модулей, каждый из которых содержит многослойную печатную плату на металлической (керамической) основе с установленными на ней светоизлучающими кристаллами, а оптическая система каждого модуля выполнена в виде совокупности матриц оптических линз. Конструкция устройства позволяет сформировать узкоградусный световой луч, менять угловое распределение силы света и обеспечивает эффективное охлаждение мощных светодиодных модулей.
Сущностью изобретения является то, что в осветительном устройстве используются сверхяркие дискретные светодиодные кристаллы, установленные непосредственно на многослойной печатной плате с металлической (керамической) основой: Chip-on-Board (СОВ)-технология, что обеспечивает хороший отвод тепла от светоизлучающих кристаллов. Улучшенный теплоотвод позволяет существенно увеличить максимально допустимые токи, протекающие через светодиодный кристалл. В случае использования конструкции со светодиодными кристаллами, установленными непосредственно на многослойной плате на металлической (керамической) основе, ток можно увеличить на величину более 50% по сравнению со стандартными дискретными светодиодами. При увеличении рабочих токов увеличивается и яркость светодиодных кристаллов. Данная конструкция позволяет использовать мощные и большие по размерам светодиодные кристаллы. При этом, высокая тепловая стабилизация светоизлучающих кристаллов способствует повышенной стабильности оптических характеристик светоизлучающего устройства. Тепловой контакт многослойной печатной платы на металлической (керамической) основе с теплоотводящими элементами корпуса осветительного устройства, будут способствовать дополнительному повышению тепловой стабилизации светоизлучающих кристаллов и, следовательно, дополнительной стабилизации оптических характеристик устройства.
Электронная система питания предусматривает возможность изменения (димирования) яркостных характеристик осветительного устройства в широких пределах.
Совокупность светодиодных кристаллов со специальной разработанной первичной оптикой, обеспечивает получение требуемых значений осевой силы света модуля в заданном пространственном угле. Линзовые матрицы крепятся к печатной плате за счет развальцованных пластиковых пинов. Также возможно крепление матриц посредством винтового крепления или клея.
Каждая линза в линзовой матрице имеет поднутрение, которое заполняется оптическим компаундом, содержащим силикон, что обеспечивает оптическое согласование в системе кристалл-линза и обеспечивает полную защиту кристалла от внешних воздействий.
Печатная плата на металлической (керамической) основе со светоизлучающими кристаллами и установленными матрицами оптических линз, располагаются в герметизирующем корпусе, имеющем контакты для подключения внешнего питания, а также отверстия для крепления. Такой корпус с указанной начинкой рассматривается как отдельный светоизлучающий элемент. Светильник может содержать несколько отдельных вышеописанных светоизлучающих элементов. Особенности конструкции светильника позволяют менять пространственное расположение каждого отдельного светоизлучающего элемента относительно других и, таким образом, варьировать угловое распределение силы света (КСС-кривая силы света) в заданных пределах.
Изобретение поясняется Рисунком 1. В качестве примера на нем показан светильник, состоящий из трех светоизлучающих элементов. Светильник показан в трех проекциях. Составные части светильника обозначены следующими позициями: 1 - основание для крепления прожектора к несущей конструкции; 2 - поворотный держатель светоизлучающих элементов; 3 - один из светоизлучающих элементов (регулируемый); 4 - источник тока для питания светоизлучающих элементов; 5 - поворотная балка; 6 - крепление, регулирующее угловое положение светоизлучающего элемента.
Рисунок 2 поясняет дополнительные возможности регулирования КСС прожектора. На рисунке используются следующие обозначения: 7, 8 и 9 - крепежно-юстировочные элементы конструкции.
Каждый светоизлучающий элемент содержит по крайней мере один светодиодный модуль, состоящий из печатной платы с установленными на ней светодиодными кристаллами и матрицей оптических линз. Рис. 3 поясняет конструкцию светодиодного модуля. Для простоты, на рисунке показаны только два светоизлучающих пикселя светодиодного модуля. На печатной многослойной плате - 10 располагаются: светодиодные кристаллы - 11, приклеенные к поверхности печатный платы. Кристаллы разварены золотой проволокой - 12 и закрыты сверху матрицей оптических линз - 13.
Каждая линза имеет поднутрение - 14, заполненное компаундом (силиконовым, силикон-люминофорным, также возможно добавление диспергатора) - 15 для обеспечения оптического согласования и преобразования излучения кристалла в излучение иного спектра, например, для формирования белого света (в случаи использования силикон-люминофорного компаунда).
На рис. 4 показана печатная плата на алюминиевой основе (МСРСВ - metal core РСВ). Места посадки светодиодныйх кристаллов и контактные площадки для разварки покрыты слоем золота толщиной порядка 30 мкм. Остальная часть платы покрыта защитным белым лаком, который также способствует лучшему отражению генерируемого излучения. На плате имеются сквозные отверстия малого диаметра (порядка 500 мкм) для заполнения поднутрений линз компанундом, а также отверстия для крепления светодиодного модуля к корпуса светоизлучающих элементов посредством винтового соединения.
Рис. 5 демонстрирует пример двух типов матриц оптических линз, которые могут использоваться в светоизлучающих модулях. Линзы в матрицы типа А) (см. Рис 5А), сформированы на основе сочетания элементов асферической и цилиндрической оптики, что позволяет формировать КСС (кривая силы света) светильника со следующими угловыми характеристиками: менее 10 градусов по одному направлению и 60 градусов по перпендикулярному направлению. Возможно использование матриц оптических линз различной конструкции. Например (см. рис. 5Б), матриц, состоящих из множества асферических линз, позволяющих формировать узкоградусную КСС с углом от 3 градусов.
Внешний вид прожектора в реальном исполнении показан на Рис. 6. Корпус светоизлучающего элемента (3) может быть выполнен из металла, композитного материала, теплопроводящего пластика либо иметь составную конструкцию, сочетающую указанные материалы. Светоизлучающий элемент (3) крепится к поворотному держателю (2) из металла, который, в свою очередь, крепится к основанию (1), также, предпочтительно, выполненному из металла. Крепежно-юстировочные элементы (6-9), позволяют изменять пространственное расположение как светоизлучающих элементов относительно друг друга, так и всей конструкции в целом, что позволяет регулировать КСС прожектора в широких пределах.
Печатная плата (10), на которой размещаются светодиодные кристаллы (11) и матрица линз (13), выполняется, например, из многослойной системы проводящих и изолирующих слоев, располагающейся на металлической (керамической) основе, что позволяет значительно улучшить отвод тепла от светоизлучающих кристаллов (см. Рис. 4).
Светодиодный модуль, включающий печатную плата (10) со светодиодными кристаллами (11) и линзовыми матрицами (13), крепится к корпусу светоизлучающего элемента (3) с использованием теплопроводящей пасты и фиксирующих приспособлений (например, винтов). Питание светодиодного модуля осуществляется через кабель, который соединяет его с источником питания (4).
Оптическая система, состоящая из матриц оптических линз (13) может изготавливаться из полимерного материала (например, Макролона и др.) посредством литья в соответствующую литьевую форму или прессования. При наружном использовании прожектора, целесообразно изготавливать матрицы из Макролона, устойчивого к воздействию УФ-излучения.
Для создания источника излучения белого цвета используется известный подход, основанный на формировании белого света за счет смешивания излучения синего светодиодного кристалла и люминесценции желтого люминофора, возбуждаемого синим излучением кристалла. Для получения белого излучения с высокой степенью пространственной и угловой однородности по цветовым координатам, необходимо обеспечить получение заданного по толщине конформного слоя люминофора с небольшими отклонениями по толщине (не более 15%) по всей поверхности светодиодного кристалла.
В качестве люминофоров в данном устройстве могут использоваться различные люминофоры, такие как, например, YAG люминофоры, ортосиликатные, TAG люминофоры, теогаллаты, нитридные люминофоры и др., а также их различные смеси, что определяется требованиями к оптическим параметрам осветительного устройства.
В качестве связующего и оптически согласующегося материала (15), помимо силикона (например, Wacker, Dow Corning, Shinetsu и др), могут использоваться и другие полимерные (сополимерные) соединения, обеспечивающие оптимальное оптическое согласование внутри системы, а также гидроизоляцию светодиодного кристалла и люминофора.
Для получения узкоградусного белого излучения с заданными цветовыми координатами, необходимо обеспечить формирование, по возможности, небольшого источника белого излучения, который можно было бы рассматривать в оптической системе чип-люминофор-линза, как точечный источник света. С этой целью возможно использование «белых» чипов (например, изготавливаемых компанией Semileds). «Белые» чипы представляют из себя стандартные синие чипы с изначально нанесенным на них тонким конформным слоем люминофора.
Питание светодиодов осуществляется посредством использования источника питания (источников тока) (4). Для этого могут использоваться, например, драйверы компании Mean Well. Драйверы устанавливаются непосредственно на теплоотводящем корпусе прожектора, что обеспечивает им надлежащий тепловой режим работы. Светодиодный прожектор с регулируемой КСС работает следующим образом: напряжение от источника питание (4) через питающий кабель подается на печатную плату (10) и далее через токопроводящие золотые провода (12) на светодиодные кристаллы (11), где полупроводниковый кристалл преобразует электрическую энергию в световую. Излучение кристалла собирается линзой (13) в определенном телесном угле, обеспечивая формирование требуемого светораспределения с заданной кривой силы света (КСС). Отдельные светодиодные модули помещаются в корпус светоизлучающего элемента (3). Для защиты светодиодных модулей от влияния внешней среды, корпус светоизлучающего элемента закрыт прозрачным защитным колпаком, который изготавливается из стекла или полимерного материала, прозрачного в диапазоне 0,4-1 мкм. Колпак может иметь просветляющее покрытие с внутренней стороны для уменьшения потерь света и/или упрочняющее покрытие с наружной стороны, для уменьшения абразивного воздействия пыли на оптический элемент. Также предусмотрено исполнение прожектора без защитного колпака. В этом случае поверхность платы светодиодного модуля может быть защищена от влияния внешних факторов специальным покрытием (лак, силикон и т.д.), в свою очередь, матрица оптических линз с герметизацией компаундом также защищает светодиодный кристалл от влияния внешних воздействий. В таком исполнении прожектор характеризуется более высокими оптическими параметрами, что обусловлено отсутствием дополнительных оптических потерь на защитном колпаке прожектора.
Пример исполнения светодиодного прожектора (см. Рис. 6): прожектор состоит из трех светоизлучающих элементов. В собранных образцах светоизлучающих элементов использовались по шесть светодиодных модулей, каждый из которых имел по три матрицы оптических линз и по 27 штук «белых» чипов размером 45 mil (1,05×1,05 мм) производства фирмы Semileds. Рабочий ток через кристалл может варьироваться в широких пределах: от 150 mA до 1А. Это позволяет иметь прожектор с функцией димирования. Данное осветительное устройство позволяло обеспечить осевую силу света свыше 200000 кандел. Использование матриц с линзами, имеющими асферическую и цилиндрическую составляющую (Рис. 5А) позволяют сформировать узкоградусный луч с углом рассеяния 10°, а также широкоградусную фоновую засветку с углом 60°. На Рис. 7 показана КСС данного светильника для случая, когда все светоизлучающие элементы установлены в одной плоскости. При изменении пространственного положения каждого светоизлучающего элемента конструкции менялась и КСС прожектора. Например, на Рис. 8 показана КСС прожектора в случае, когда боковые светоизлучающие элементы повернуты на 7 градусов. Наличие крепежно-юстировочных элементов в конструкции прожектора (6-9) позволяет менять как горизонтальный, так и вертикальный углы рассеивания в довольно широких пределах: по горизонтали он может дополнительно меняться ±7° (см. Рис. 1)и по вертикали в одну сторону до 90° и до 36° в другую сторону (см. Рис 2). Также прожектор имеет возможность поворачиваться на 180° вокруг вертикальной оси, что позволяет менять направление светового потока прожектора. Все это демонстрирует широкие возможности регулирования КСС прожектора предлагаемой конструкции.
Использование светодиодных модулей с матрицей асферических линз (Рис. 5Б) позволяет получить угол рассеяния порядка 3° по всем направлениям и осевую силу света более миллиона кандел.
Наличие электронной схемы димирования позволяет плавно менять осевую силу света в широких пределах (более чем на порядок).