СВЕТОДИОДНАЯ ЛАМПА

Область техники
Заявленное решение относится к светотехнике, а именно к цокольным светодиодным лампам, питающимся непосредственно от сети переменного тока.
Известный уровень
Известно, что светодиодные лампы нуждаются в отводе тепла от драйверов и, особенно, от светодиодов, поскольку примерно 50% электрической энергии, питающей светодиоды, превращается в тепло, которое вызывает перегрев светодиодов и выход их из строя, если не предусмотрен отвод тепла в окружающую среду. Особенно это касается ламп с мощностью более 7-8 Вт. Для таких ламп обычно предусматриваются специальные радиаторы, через которые тепло уходит в пространство. Эти радиаторы существенно усложняют конструкцию ламп и увеличивают их габариты. В то же время, в типовой конструкции ламп пространство под колбой заполнено воздухом, имеющим низкую теплопроводность ~0,02 Вт/K⋅м и материал самой колбы - поликарбонат (0,3 Вт/K⋅м) также фактически является тепловым изолятором, поэтому тепло, идущее от светодиодов в направлении излучения света, практически заблокировано.
Известна цокольная светодиодная лампа, содержащая световой модуль, включающий плоскую печатную плату, металлический радиатор, световой рассеиватель, и основание модуля, снабженное средством соединения с сетью электропитания (US 20100124059 А1, МПК F21V 21/14, опубликовано 05.20.2010).
Недостатком аналога является необходимость в массивном радиаторе, ограничивающим увеличение световой мощности лампы из-за возникновения проблем с отводом излишков тепловой энергии, выделяемой светодиодами.
Известна трубчатая светодиодная лампа, содержащая светоизлучающую структуру, включающую оптически прозрачный корпус в виде отрезка стеклянной трубы круглого сечения, печатную плату, на монтажной поверхности которой смонтировано множество светодиодов, которая установлена на внутренней поверхности прозрачного корпуса без возможности теплообмена, первую и вторую торцевые заглушки, одна из которых снабжена средством для соединения с сетью электропитания (US 2016084482 А1, МПК F21V 19/00, опубликовано 03.24.2016).
Радиально изогнутая плата светодиодов указанного аналога размещена на внутренней поверхности стеклянного корпуса так, что светодиодное излучение направлено на противолежащую внутреннюю стенку стеклянного корпуса, что ограничивает угол излучения, при этом отвод излишков тепла от светодиодов происходит через две границы раздела сред: от светодиода к плате и от платы к стеклянному корпусу, причем в последнем случае теплоотвод затруднен ввиду наличия воздушного промежутка между платой и корпусом из-за установленных пружин.
Техническим результатом заявленной конструкции является повышение световой мощности, улучшение теплоотвода и упрощение конструкции лампы.
Раскрытие полезной модели
В настоящем решении поставлена задача создания серии мощных ламп общего применения и ламп для освещения улиц, площадей с относительно невысокими мачтами (4-5 м), имеющими мощность >20 Вт, устойчивых к внешним воздействиям >IP65, и с минимальной себестоимостью и трудоемкостью. В данной работе рассматриваются только цокольные лампы, как прямая замена ламп старой конструкции (не светодиодных), но такие конструкции могут быть применены и к другим аналогичным осветителям. Основой данных конструкций ламп является стеклянный корпус, выполненный в виде отрезка стеклянной трубы, он же является и радиатором охлаждения светодиодов.
На рисунках представлены:
рис. 1. - объемное изображение варианта цокольной лампы в разборе,
рис. 2 - развертка печатной платы цокольной лампы, показанной на рис. 1,
рис 3 - поперечное сечение сконфигурированной печатной платы, показанной на рис. 1,
рис. 4 - вид сбоку лампы, показанной на рис. 1,
рис. 5 - объемное изображение второго варианта цокольной лампы в разборе,
рис. 6 - развертка печатной платы цокольной лампы, показанной на рис. 5
рис. 7 - поперечное сечение сконфигурированной печатной платы, показанной на рис. 6
рис. 8 - поперечное сечение лампы, показанной на рис. 5,
рис. 9 - увеличенное изображение вида В, показанного на рис. 8, иллюстрирующего форму уступа на сконфигурированной печатной плате, выполненного для плотного прилегания к участка светодиодов к внутренней поверхности корпуса.
Позициями на рисунках обозначены:
1 - стеклянный корпус,
2 - развертка гибкой печатной платы,
3 - множество светодиодов,
4 - сконфигурированная гибкая печатная плата,
5 - источник вторичного питания,
6 - первая торцевая заглушка стеклянного корпуса,
7 - средство для соединения с сетью электропитания (цоколь),
8 - оппозитная заглушка стеклянного корпуса,
9, 10, 11, 12 - элементы механизма позиционирования осевого положения светоизлучающей структуры,
13 - удаленные края гибкой печатной платы,
14 - уступ на сконфигурированной печатной плате.
На рис. 1 показана лампа в разборе
На рис. 2 показана развертка гибкой печатной платы 2, на монтажной стороне которой смонтировано множество светодиодов 3 и источник питания 5. Все компоненты устанавливаются на SMT автоматах за одну установку, для этого применяем секвентальный источник питания, не имеющий навесных компонентов (фильтров и т.д.) для установки в отверстия.
Развертка 2 печатной платы конфигурируется путем гибки и свертывания (рис. 3), и в конфигурированном виде гибкая печатная плата 4 устанавливается в стеклянный корпус 1 монтажной поверхностью на внутреннюю сторону стеклянного корпуса, при этом, за счет упругих сил конфигурированная гибкая печатная плата 4 светодиодами плотно прижимается к внутренним стенкам стеклянного корпуса 1, обеспечивая тепловой контакт светодиодов 3 со стеклом, которое имеет теплопроводность 1,5-2,5 Вт/K⋅м, что значительно превышает теплопроводность поликарбоната. Далее на лампе с помощью клея закрепляется первая торцевая заглушка 6, на которой закреплен цоколь 8 для соединения с сетью электропитания. Вторая торцевая заглушка 9 может быть прозрачной, и тогда, при наличии в конфигурированной гибкой печатной плате 4 отгибов с установленными светодиодами, лампа обеспечит полный угол освещения.
С непрозрачной крышкой лампа пригодна для парковых осветителей, которые не должны светить вверх.
Светодиодная лампа имеет точечное излучение, что не очень хорошо для внутреннего освещения, но уменьшить этот эффект можно установкой светодиодов с малым шагом, или матированием стеклянного корпуса изнутри, или более кардинально-заливкой пространства между светодиодами силиконом с внедренным в него люминофором, что одновременно улучшит передачу тепла от светодиодов на стеклянный корпус 1.
Для более плотного прижатия светодиодов 3 к внутренней поверхности корпуса 1, в образованную конфигурированной платой 4 полость вставляются две пружинные полоски, которые дополнительно прижимают светодиоды 3 конфигурированной платы 4 к внутренней поверхности корпуса 1. Ввиду отсутствия жесткого контакта светодиодов и корпуса, при изменении температуры и различия в коэффициентах расширения платы и стекла, разрушений не происходит, так как имеет место «плавающий» контакт.
На рис. 4 показан вариант парковой лампы. Можно оценить реально возможные достижимые мощности и световые потоки, которые реально получить в лампах данной конструкции.
2
Обычно считается, что для рассеивания мощности светодиодов в 1 Вт требуется площадь ~7 см. Если внешний диаметр отрезка стеклянной трубы 6 см, а длина 10 см, то площадь трубы, соприкасающаяся с окружающим воздухом, будет:
2
S=2πR×L=6,28×3×10=188 см,
это означает, что, не считая внутренней площади печатной платы, мощность лампы может быть ~ 30 Вт.
Для улучшения охлаждения целесообразно поддерживать температуру платы и стеклянного корпуса (они будут примерно равны) на уровне 70-75°, тогда имеет место и лучистое излучение тепла вместе с конвекционным. При применении эффективных светодиодов (>200 лм/Вт), реальная эффективность по световому потоку будет ~ 160-170 лм/Вт (потери в стекле ~ 5%, потери при нагреве светодиодов до температуры 85°С (кристалл) ~ 10%). Тогда при мощности 30 Вт на светодиодах световой поток может достигать 5000 лм. Общая же эффективность лампы будет ниже на величину эффективности драйвера (~ 0,89) и составит порядка 147 лм/вт.
Сегодня невозможно представить себе лампу, собранную по традиционным технологиям, которая при таких размерах давала бы световой поток ~ 5000 лм.
Заявленное решение может быть использовано для изготовления варианта мощной лампы (рис. 5) для прямой замены все еще используемых газоразрядных источников света на уличных мачтах освещения.
На рис. 6 показана развертка гибкой печатной платы 1 для такой лампы, у которой только часть монтажной поверхности занята множеством светодиодов 3 и которая после конфигурирования охватывает угол освещения 90°-120°. Установка светодиодов только на определенном участке вызвана тем, что отражатели в старых осветителях, как правило, уже не выполняют свою функцию, поэтому установка светодиодов по всей поверхности платы не имеет смысла.
Для возможности использования всей световой мощности предусмотрено регулирование направления светового потока. В первую торцевую заглушку 6 встроены элементы механизма позиционирования осевого положения светоизлучающей структуры, а для улучшения теплоотвода с двух сторон от площади, занятой светодиодами на печатной плате, делаются зигзаги для лучшего прижима платы к корпусу. Светодиодная лампа, имеющая размеры стеклянного корпуса 0 80 мм и длиной 150 мм, способна обеспечить 54 Вт мощности (с учетом рассеивания тепла ~ 5 Вт в драйвере), т.е. гарантировано ~ 50 Вт, что при эффективности по световому потоку 165 Лм/ Вт, позволяет получить световой поток порядка 8250 лм.