Электрическая лампа

Полезная модель относится к светотехнике и может быть использована при проектировании новых энергоэффективных и надежных источников оптического излучения (электрических ламп) с повышенным сроком службы. Полезная модель направлена на расширение области применения электрической (светодиодной) лампы за счет повышения светоотдачи и силы света в направлении оптической оси, увеличения светового потока, излучаемого в нижнюю зону, и снижения слепящего эффекта или действия (показателей ослепленности и дискомфорта), а также улучшения технологичности конструкции.
Известна электрическая лампа, содержащая герметичную колбу с цоколем для подключения к внешнему источнику питания, заполненную изолирующим оптически прозрачным газообразным веществом, изготовленную из оптически прозрачного материала, со светоизлучающим телом в виде вольфрамовой нити и опорной ножкой внутри, имеющей корпусную тарелку с разверткой, пустотелый штенгель для откачки, штабик и два проволочных электрода для электрического соединения внутренних и наружных частей, электроды соединены с контактами цоколя и контактами светоизлучающего тела (Характеристики ламп накаливания. Каталог/ «ГУП РМ Лисма», 2011, С. 32).
В качестве изолирующего газообразного вещества (наполнение колбы) используют смесь аргона с азотом (88 на 12%), имеющую абсолютное давление от 0,6 до 0,8 бар при температуре окружающей среды 273 К.
Исполнения известной электрической лампы включают и изделия с грибообразной колбой типа К 50 или К 55 (зарубежные аналоги, в частности, Е 50, Е 60), применяющиеся для общего и местного освещения и характеризующиеся относительно компактными размерами. В обозначении колбы цифра (50, 55, 60) определяет внешний диаметр колбы в расширенной части (нижняя зона) в соответствии со стандартом (элемент классификации изделия). Лампы с указанными колбами могут также изготавливаться с наполнением из смеси криптона с азотом (86 на 14%), что повышает светоотдачу. Грибообразные колбы первоначально были предназначены именно для криптоновых ламп.
Все серийно выпускаемые лампы такого типа (грибообразная форма колбы) с различными видами наполнения имеют стандартный цоколь типа Е27.
В качестве внешнего источника питания электрической лампы, относящейся к лампам накаливания, используется электрическая сеть переменного тока. Питание лампы накаливания может осуществляться и от иного источника постоянного или переменного тока.
Недостатком электрической лампы накаливания является сравнительно узкая область применения, что обусловлено, в том числе, невысокой светоотдачей, низкой надежностью работы и малым сроком службы (из-за испарения материала нити накала при высокой рабочей температуре с последующим обрывом нити). Средний срок службы лампы накаливания обычно не превышает 1000 час. Светоотдача известной электрической лампы накаливания составляет около 10 лм/Вт. Таким образом, лампа накаливания не является достаточно энергоэффективным электротехническим устройством, что, в основном, и ограничивает область ее применения.
Известна электрическая лампа, содержащая герметичную колбу с цоколем для подключения к внешнему источнику питания, заполненную изолирующим оптически прозрачным газообразным веществом, изготовленную из оптически прозрачного материала, со светоизлучающим телом в виде одной или нескольких светодиодных линеек на прозрачной подложке, электрически соединенных последовательно или последовательно и параллельно, и опорной ножкой внутри, имеющей корпусную тарелку с разверткой, пустотелый штенгель для откачки, и два или более проволочных электрода для электрического соединения внутренних и наружных частей, драйвер, устанавливаемый внутри цоколя, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, а выходные выводы подключены к контактам светоизлучающего тела (З. RU 2013114922/12. Светодиодная лампа (варианты)/ Чжэцзян Ледисон Оптоэлектроникс Ко., ЛТД (CN) // Опубл. 20.10.2014, Бюл. №37).
В качестве изолирующего газообразного вещества используют водород или гелий, или смесь водорода с гелием, имеющую давление от 0,1 до 2,0 бар при температуре окружающей среды около 293 К.
Известная лампа относится к типу светодиодных. Исполнения светодиодной лампы включают изделия с различными видами колб (шарообразные, свечеобразные, зеркализованные, в том числе, декоративные, например, А 45) и цоколей (Е14, Е27, В22). Грибообразные колбы типа К 50 или К 55 (Е 50, Е 60) для известной лампы не используются.
Недостатком электрической (светодиодной) лампы является сравнительно узкая область применения, что обусловлено ограниченностью возможной и технически обоснованной номенклатуры, низкой светоотдачей, в первую очередь, для ламп с колбами малых геометрических размеров, возможным слепящим действием, недостатками конструкции и используемого наполнения (изолирующее газообразное вещество) колбы, а также высокой ценой. Конструкция светоизлучающего тела ограничена применением только светодиодных линеек на прозрачных подложках, что не позволяет обеспечить высокие световые потоки, в том числе, в направлении оптической оси лампы (в нижнюю зону) и ограничивает диапазон возможных мощностей. Использование стандартных колб с зеркализацией, предназначенных для другого типа ламп, не является в достаточной степени эффективным. Коэффициент полезного действия зеркальных светодиодных ламп известной конструкции является низким из-за большей распределенности светоизлучающего тела на светодиодных линейках в пространстве и больших потерь на отражение. Конструкция лампы ограничена установкой драйвера только внутри цоколя, что снижает степень защиты, не позволяет обеспечить качественные технические характеристики из-за ограниченности объема, сужает диапазон возможных мощностей и световых потоков. «Чистый» водород фактически не является химически инертным газом для используемых материалов колб, взрыво- и пожароопасен. Чистый водород в таких лампах применять не достаточно эффективно и надежно. Его содержание в колбе должно, по возможности, быть ограниченным. Кроме того, технология применения чистого водорода является сравнительно дорогостоящей. Гелий имеет высокую цену и обладает значительной проникающей способностью через технические стекла. Последнее может приводить к снижению надежности работы лампы и к нестабильности (и не повторяемости) технических характеристик. Гелий и его смеси с водородом и, в некоторой степени, чистый водород обладают также сравнительно низкой электрической прочностью (что сужает возможную номенклатуру ламп и, соответственно, область применения). Гелий - инертный газ. Однако, являясь самым «легким» из инертных газов, он практически не препятствует диффузии водорода в применяемые материалы колбы (если используется смесь водорода с гелием) и ходу возможных химических реакций. Реакции с водородом, например, имеют место в стеклах при повышенной температуре герметизации (заварки) колб. При применении смесей с гелием и водородом необходимо введение в ее состав третьей компоненты (трехкомпонентная смесь, например, с добавкой азота). Использование более «тяжелых» инертных газов (неон, аргон и другие) эту проблему снимает. Диапазон давлений газообразного вещества в известной лампе технически ограничен. Низкое давление (0,1 бар) может приводить к интенсивному испарению материалов, используемых при изготовлении светодиодных линеек, в диапазоне рабочих температур для элементов ламп. Испаряющиеся материалы, осаждаясь на поверхности колб, снижают их прозрачность и уменьшают световой поток. При снижении давления эффективность отвода тепла от светодиодов снижается. Срок службы лампы сокращается, а ее технические характеристики ухудшаются. Таким образом, наполнение колбы в известной конструкции, в целом, не является оптимальным. Использование большого числа проволочных электродов (и вакуумплотных впаев, соответственно) снижает надежность, повышает вероятность ухода из колбы используемого газообразного вещества и делает конструкцию ламп нетехнологичной и более трудоемкой и дорогостоящей.
Слепящий эффект или слепящее действие источника света (светового прибора, осветительной установки) характеризуется показателями ослепленности или дискомфорта. Указанные показатели устанавливаются соответствующими стандартами. Для осветительных установок промышленных предприятий нормируется показатель ослепленности, зависящий от нормируемого отношения пороговых разностей яркости при наличии и отсутствии слепящих источников в поле зрения. По показателю ослепленности можно судить о степени ухудшения видимости при действии блеских источников света. Показатель ослепленности рассчитывается по специальной формуле через коэффициент ослепленности, равный отношению пороговых разностей яркости при наличии и отсутствии слепящих источников в поле зрения. При этом под пороговой разностью яркости понимается наименьшее заметное отличие яркости объекта и фона. Для жилых и общественных зданий, административно-бытовых помещений вместо показателя ослепленности нормируется показатель дискомфорта. Показатель дискомфорта характеризует степень неудобства или напряженности при наличии в поле зрения источников повышенной яркости. Более точно, он определяет степень дополнительной напряженности зрительной работы, вызванной наличием значительной разницы яркостей в освещенном помещении. То есть, показатель дискомфорта (аналог показателя ослепленности) представляет собой критерий оценки дискомфортной блескости, вызывающей неприятные ощущения у наблюдателя при неравномерном распределении яркостей в поле зрения. В европейских нормах качества света используется также обобщенный показатель дискомфорта (UGR). Блескостью называется свойство ярких объектов вызывать у наблюдателя неприятные ощущения (в частности, чувство ослепленности). Для расчетов показателей ослепленности и дискомфорта (обобщенного показателя дискомфорта) разработаны специальные инженерные методики.
Известна электрическая лампа, содержащая герметичную колбу с цоколем для подключения к внешнему источнику питания, заполненную изолирующим оптически прозрачным и химически инертным газообразным веществом, изготовленную из оптически прозрачного материала, со светоизлучающим телом в виде светодиода или нескольких светодиодов, или одной, или нескольких светодиодной матриц, соединенными в соответствии с требуемой электрической схемой, и опорной ножкой внутри, имеющей корпусную тарелку с разверткой, пустотелый штенгель для откачки и два проволочных электрода для электрического соединения внутренних и наружных частей, драйвер, устанавливаемый внутри колбы, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, а выходные выводы подключены к контактам светоизлучающего тела (П. RU 153191. Светодиодная лампа /Е.М. Силкин// Опубл. 10.07.2015, Бюл. №19).
Недостатком электрической светодиодной лампы является сравнительно узкая область применения, что обусловлено ограниченностью возможной номенклатуры изделий и определенными недостатками конструкции, снижающими надежность работы и сокращающими срок службы. Установка драйвера только внутри колбы (в известной конструкции) сужает диапазон мощностей и предельных световых потоков ламп. В известной лампе ограничено и число вариантов конструкций светоизлучающего тела. Имеет место значительное непроизводительное рассеяние световой энергии. Лампа характеризуется сравнительно низкой силой света в направлении оптической (и геометрической) оси, малым световым потоком, излучаемым в нижнюю зону, возможным высоким слепящим действием.
Известна электрическая лампа, содержащая герметичную колбу с цоколем для подключения к внешнему источнику питания, заполненную изолирующим оптически прозрачным и химически инертным газообразным веществом, изготовленную из оптически прозрачного материала, со светоизлучающим телом в виде четного числа светодиодной матриц, электрически соединенных парами последовательно, и опорной ножкой внутри, имеющей корпусную тарелку с разверткой, пустотелый штенгель для откачки, штабик с проволочным держателем и два проволочных электрода для электрического соединения внутренних и наружных частей, драйвер, устанавливаемый внутри цоколя, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, а выходные выводы подключены к контактам светоизлучающего тела (П. RU152823. Электрическая осветительная лампа / Е.М. Силкин // Опубл. 20.06.2015, Бюл. №17).
В качестве изолирующего газообразного вещества используют азот или смесь азота с неоном от 4 до 96%, имеющую давление от 0,3 до 3,3 бар при температуре окружающей среды 273 К.
Подобную конструкцию имеют в настоящее время большинство электрических ламп со светодиодами, светодиодными матрицами и светодиодными линейками (в частности, филаментные лампы). Такая лампа не является полностью герметичной для всех ответственных частей. Степень защиты ее не выше IP21. Драйвер в известной лампе не изолирован от внешней среды и подвержен ее влиянию. Некоторые ответственные элементы (части) лампы, таким образом, находятся в среде окружающего воздуха, который может содержать пары воды, агрессивные вещества в недопустимых концентрациях, механические примеси и пыль. Все это снижает надежность работы известной электрической (светодиодной) лампы и может значительно уменьшить средний срок ее службы. Возможные конструкции светоизлучающего тела не позволяют обеспечить высокую силу света в направлении оптической оси лампы и высокий световой поток, излучаемый в нижнюю зону, из-за значительного непроизводительного рассеяния световой энергии.
В известной электрической лампе применяются различные типы колб, кроме грибообразных К 50 или К 55 (Е 50, Е 60), что обусловлено особенностями конструкции опорной ножки, не позволяющей оптимально разместить и обеспечить требуемый режим работы светоизлучающего тела в существующих конструкциях колб грибообразной формы.
Рассмотренные недостатки известной электрической (светодиодной) лампы сужают область ее применения.
Известна электрическая лампа, содержащая герметичную колбу с цоколем для подключения к внешнему источнику питания, заполненную изолирующим оптически прозрачным и химически инертным газообразным веществом, изготовленную из оптически прозрачного материала, со светоизлучающим телом в виде светодиода или нескольких светодиодов, или одной, или нескольких светодиодной матриц, или одной, или нескольких светодиодных линеек, электрически соединенных последовательно или параллельно, или последовательно и параллельно, и опорной ножкой внутри, имеющей корпусную тарелку с разверткой, пустотелый штенгель для откачки, штабик и два проволочных электрода для электрического соединения внутренних и наружных частей, драйвер, устанавливаемый внутри цоколя или внутри колбы, или разделенный на две части, устанавливаемые внутри цоколя и колбы, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, а выходные выводы подключены к контактам светоизлучающего тела (П. RU 159154. Электрическая лампа / Е.М. Силкин / Опубл. 10.02.2016, Бюл. №4).
В качестве изолирующего газообразного вещества в рассматриваемой электрической (светодиодной) лампе используют смесь водорода с инертным газом или смесь водорода с азотом, или смесь водорода, инертного газа и азота (трехкомпонентная смесь), имеющую абсолютное давление от 0,3 до 2,5 бар при температуре окружающей среды 273 К.
Возможность установки драйвера (или его частей) внутри колбы и цоколя позволяет оптимизировать конструкцию изделия для каждого применения.
Известная электрическая (светодиодная филаментная, осветительная) лампа является наиболее близкой по технической сущности к полезной модели и выбрана в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является сравнительно узкая область применения, что обусловлено ограниченностью возможной номенклатуры изделий, недостаточной светоотдачей, сравнительно низкой силой света в направлении оптической оси лампы, малым световым потоком, излучаемым в нижнюю зону (полусферу), возможным повышенным слепящим действием (эффектом), некоторыми особенностями (нетехнологичностью) конструкции. В известной лампе ограничено число вариантов конструкции светоизлучающего тела, а также колбы, цоколя и драйвера. Недостатком электрической (светодиодной) лампы рассмотренного типа является и сравнительно малый срок службы, что обусловлено повышенным нагревом светодиодов и электронных элементов и узлов устройства (из-за малого полезного внутреннего объема, заполняемого изолирующим газообразным веществом, особенно в лампах с малыми габаритными размерами), что затрудняет применение изделия в закрытых световых приборах, относительной технической и технологической сложностью, снижающей надежность работы и сужающей область применения. Увеличен расход материала на опорную ножку. Отмеченные факторы существенно снижают срок службы известной светодиодной лампы и, соответственно, сужают область ее применения.
В известной электрической лампе применяются различные типы колб, кроме грибообразных К 50 или К 55 (Е 50, Е 60), что обусловлено особенностями конструкции опорной ножки, не позволяющей оптимально разместить и обеспечить режим работы светоизлучающего тела в существующих конструкциях колб грибообразной формы, предназначенных для ламп накаливания.
Полезная модель направлена на решение задачи расширения области применения электрической лампы за счет повышения светоотдачи и силы света в направлении оптической оси, увеличения светового потока, излучаемого  в нижнюю зону, и снижения слепящего эффекта или действия (показателей ослепленности и дискомфорта), что является целью полезной модели и техническим результатом. Кроме того, достигается существенное улучшение технологичности конструкции. Повышение светоотдачи и силы света в направлении оптической оси, увеличение светового потока, излучаемого в нижнюю зону, и снижение слепящего эффекта или действия (показателей ослепленности и дискомфорта) представляет собой полученный технический результат (связанные причинно-следственной связью технические результаты). Улучшение технологичности конструкции - положительный технический эффект от использования полезной модели.
Указанные цель и технический результат достигается тем, что в:
1. Электрической лампе, содержащей герметичную колбу с цоколем для подключения к внешнему источнику питания, заполненную изолирующим оптически прозрачным и химически инертным газообразным веществом, изготовленную из оптически прозрачного материала, со светодиодным светоизлучающим телом и опорной ножкой внутри, имеющей корпусную тарелку с разверткой, пустотелый штенгель для откачки, штабик и электроды для электрического соединения внутренних и наружных частей, драйвер, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, а выходные выводы подключены к контактам светоизлучающего тела, колба выполнена грибообразной, а отношение диаметра колбы к диаметру тарелки составляет от 4 до 6;
2. Электрической лампе по п. 1, часть поверхности колбы выполнена светоотражающей, драйвер установлен внутри цоколя или внутри колбы, или разделен на две части, устанавливаемые внутри цоколя и колбы.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является расширение области применения электрической (светодиодной) лампы с наполнением и герметичной колбой за счет улучшения конструкции и существенного расширения возможной номенклатуры изделий. Грибообразная конструкция колбы (К 50, К 55 или Е 50, Е 60) обеспечивает меньшее непроизводительное рассеяние световой энергии, лучший вывод излучения, оптимальное перераспределение светового потока, в том числе, за счет выполнения части колбы светоотражающей. Такая (стандартная) форма является наиболее оптимальной для электрических светодиодных ламп благодаря своим геометрическим и конструктивным параметрам, в частности соотношения диаметра колбы к диаметру ее горловины. Установленное отношение диаметра колбы к диаметру тарелки обеспечивает наибольший полезный внутренний обьем колбы и технологически обосновано. Обьем увеличивается на 3 … 6% (для ламп с малыми габаритными размерами), что улучшает охлаждение светодиодов и элементов драйвера (части драйвера, размещаемой в колбе) и повышает светоотдачу. Коэффициент усиления светового потока, изучаемого в нижнюю зону (и силы света в направлении оптической оси лампы), может лежать в пределах от 2 до 10. В новой лампе также возможно эффективное изолирование ответственных элементов и узлов от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды (влаги, пыли, агрессивных веществ и т.д.), улучшение условий работы светодиодов и элементов драйвера (в частности, эффективный отвод тепла), улучшение условий охлаждения элементов и узлов, качественная электрической изоляция драйвера, выполнение драйвера и его частей с более высокими техническими характеристиками. В новой лампе можно обеспечить и значительное снижение слепящего действия. Таким образом, возможно улучшение светотехнических характеристик, повышение степени защиты, надежности работы и среднего срока службы лампы.
Расширение области применения электрической лампы за счет повышения светоотдачи и силы света в направлении оптической оси, увеличения светового потока, излучаемого в нижнюю зону, и снижения слепящего эффекта или действия (показателей ослепленности и дискомфорта), а также улучшения технологичности конструкции, возможного повышения степени защиты, надежности работы и среднего срока службы достигается всей совокупностью признаков, в том числе, новыми элементами и связями, новыми вариантами конструкции, геометрическими и конструктивными параметрами, то есть, за счет отличительных признаков полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемой электрической лампы являются существенными.
На рисунке приведена типовая конструкция заявляемой электрической (одноцокольной) лампы со стандартным элементом внешнего токоподвода (сетевым цоколем класса Е27 или Е14, или Е40). Изображен вариант реализации электрической (светодиодной лампы) с драйвером, разделенным на две части (устанавливаемые внутри цоколя и внутри колбы), и светоизлучающим телом на основе светодиодных линеек (филаментов).
Электрическая лампа, содержит герметичную колбу 1 с цоколем 2 для подключения к внешнему источнику питания, заполненную изолирующим оптически прозрачным и химически инертным газообразным веществом, изготовленную из оптически прозрачного материала, со светоизлучающим телом 3 в виде светодиода или нескольких светодиодов, или одной, или нескольких светодиодной матриц, или одной, или нескольких светодиодных линеек, электрически соединенных последовательно или параллельно, или последовательно и параллельно, и опорной ножкой внутри, имеющей корпусную тарелку 4 с разверткой, пустотелый штенгель 5 для откачки, штабик 6 и электроды 7 для электрического соединения внутренних и наружных частей, драйвер 8, устанавливаемый внутри цоколя или внутри колбы, или разделенный на две части, устанавливаемые внутри цоколя и колбы, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, а выходные выводы подключены к контактам светоизлучающего тела, колба выполнена грибообразной, а отношение диаметра колбы к диаметру тарелки составляет от 4 до 6. Как вариант исполнения электрической лампы, часть поверхности 9 колбы может быть выполнена светоотражающей.
Электрическая лампа в установившемся режиме работает следующим образом. Через цоколь 2 стандартного вида (Е14, Е27, Е40, В15, BY15, В22) электрическая лампа подключается к обычной питающей сети переменного тока (внешнему источнику питания) непосредственно или к специальной сети (источнику) постоянного или переменного тока. Колба 1 из оптически прозрачного материала является основной частью конструкции электрической светодиодной лампы, выполняющей несущую, защитную, светорассеивающую функции и функцию герметизации рабочего пространства. Колба 1 жестко механически соединена (сопряжена) с цоколем 2. Контакты цоколя 2 через электроды 7, впаянные в ножку, соединены с входными выводами платы драйвера 8 (или части драйвера 8 через вторую часть драйвера 8, либо через драйвер 8, при размещении его внутри цоколя 2, соединены с контактами светоизлучающего тела 3). Светодиодная матрица (светодиод или несколько светодиодов, или светодиодные матрицы, светодиодная линейка или линейки) светоизлучающего тела 3 электрически соединена с выходными выводами платы драйвера 8 (части драйвера 8). Ножка имеет корпусную тарелку 4 с разверткой заданного размера в основании. Геометрические и конструктивные параметры ножки и тарелки 4 должны быть (по требованиям технологии) оптимально согласованы с параметрами колбы 1 и светоизлучающего тела 3. Диаметр колбы 1 определяет диаметр ее горловины и, следовательно, габаритные размеры светоизлучающего тела 3 и драйвера 8 (части драйвера 8, размещаемой внутри колбы 1). Неправильное согласование геометрических и конструктивных параметров приводит, в частности, к браку при герметизации (заварке) колбы 1. Вся конструкция (ножка, светоизлучающее тело 3, драйвер 8 или его часть) размещается внутри колбы 1 и изолирована от окружающей среды. Драйвер 8 преобразует напряжение (энергию) внешнего источника питания в напряжение (ток) заданного уровня и частоты, необходимое для электропитания светодиодов светоизлучающего тела 3. Питание светодиодов (3) может осуществляться от драйвера 8 как на постоянном, так и на переменном токе. В случае питания на переменном токе электрическая схема соединения светодиодов светоизлучающего тела 3 отличается от схемы на постоянном токе. При прохождении электрического тока через светодиоды матриц (3) они излучают световые волны, в том числе, видимый свет. Возможно также, например, излучение в ультрафиолетовой (или инфракрасной) области спектра, что обеспечивается типом применяемых в лампах светодиодов (3). Питание на переменном токе может быть энергетически выгоднее. Число ступеней преобразования энергии в этом случае уменьшается, что, в целом, повышает надежность работы драйвера 8 и снижает потери в нем. Увеличивается средний срок службы электрической (светодиодной) лампы, и улучшаются ее энергетические характеристики. Светоизлучающее тело 3 центрируется и поддерживается (закрепляется или фиксируется) во внутреннем пространстве колбы 1 с помощью штабика 6. Для этого штабик 6 может быть снабжен линзой и одним (или несколькими) проволочным (или иным) держателем из токопроводящего или диэлектрического материала, или иметь отформованный специальным образом конец, например, с необходимыми плоскостями для прижима светодиодов или светодиодных матриц (линеек) светоизлучающего тела 3. Штабик 6 также может иметь и конструктивные элементы для установки и фиксации драйвера 8 (части драйвера 8). Штабик 6 не является строго обязательным элементом ножки и может отсутствовать. Наличие и отсутствие штабика 6 в конструкции зависит от исполнения светоизлучающего тела 3. Принцип функционирования электрической (светодиодной) лампы при этом не изменяется. Колба 1 заполнена изолирующим (буферным) газом (изолирующим оптически прозрачным газообразным веществом). Откачка и заполнение внутреннего объема колбы 1 осуществляется через откачной (пустотелый) штенгель 5 опорной ножки. После заполнения колбы 1 изолирующим газом штенгель 5 отпаивается. В качестве буферного газа используют, например, смесь, содержащую более 15% азота, 20% гелия и менее 65% водорода при давлении от 0,3 до 2,5 бар (при температуре окружающей среды 273 К). Состав изолирующего газа и его давление должны обеспечивать наилучший теплоотвод от элементов и узлов светодиодной лампы, установленных внутри колбы 1, и достаточную электрическую прочность. Добавки азота препятствуют диффузии водорода и гелия внутрь материала и через стенки колбы 1, а также через вакуумплотные впаи (7) и повышают электрическую прочность газовой смеси. Для лучшего теплоотвода необходимо использовать изолирующий газ, обладающий повышенной теплопроводностью, и увеличивать его давление в колбе 1. Поэтому устанавливать в колбе 1 давление изолирующего газа ниже 0,3 бар неэффективно, а выше 2,5 бар технически трудно реализуемо (для заявляемой конструкции электрической лампы с наполнением и герметичной). Практически, оптимальное абсолютное давление для большинства модификаций светодиодных ламп заявляемой конструкции должно находится именно в пределах от 0,3 до 2,5 бар (что наиболее технологично и обеспечивает требуемые характеристики наполнения и теплоотвод). Водород и гелий имеют хорошую теплопроводность. Добавки гелия ограничивают содержание водорода в смеси, не увеличивая существенно цену, и не снижая в больших пределах ее теплопроводности. Азот, как отмечено, повышает электрическую прочность смеси. Обьем колбы 1 и ее форма в лампе должны быть также оптимизированы с целью улучшения теплоотвода. Близкой к оптимальной является стандартная грибообразная форма и существующие размеры колб (1) типа К 50 или К 55 (Е 50, Е 60), применяемых для серийных ламп накаливания. При этом светодиоды и (или) матрицы (линейки) светоизлучающего тела 3 должны размещаться (по возможности) на минимальном расстоянии от стенок колбы (1). Диаметр тарелки 4 должен быть минимальным, но удовлетворяющим технологическим требованиям, что обеспечивает наибольший (при заданных размерах колбы 1) полезный внутренний обьем колбы 1, заполненный изолирующим газом. Увеличение объема улучшает условия охлаждения светодиодов (3), а также элементов драйвера 8 (части драйвера 8) при размещении последнего в колбе 1. Грибообразная форма колбы 1 (за счет размера горловины) позволяет выполнить светоизлучающее тело 3 с наиболее эффективной конфигурацией элементов, обеспечивающей необходимую кривую силы света. Принятое отношение диаметра грибообразной колбы 1 (К 50, К 55 или Е 50, Е 60) к диаметру тарелки 4 (от 4 до 6) технологически достижимое и оптимальное. За счет предложенного отношения возможно выполнить лампы с разными типами цоколей (Е14, Е27, Е40, В15, BY15, В22) и с использованием всего одной универсальной конструкции ножки (диаметр тарелки 4, развертка). Повышается светоотдача лампы, сила света в направлении оптической (и геометрической) оси, увеличивается световой поток в нижнюю зону, улучшается технологичность изделия, в том числе, за счет унификации. Грибообразная форма колбы 1 обеспечивает снижение непроизводительного рассеяния световой энергии. Дополнительно, за счет выполнения части поверхности (внутренней или внешней) 9 колбы 1 светоотражающей (зеркализация, покрытие светлым отражающим составом) повышается сила света в направлении оптической оси лампы, увеличивается световой поток, излучаемый в нижнюю зону, и снижается слепящее действие источника света.
В таблице представлены значения коэффициентов теплопроводности изолирующих (буферных) газов при температуре близкой к нулю градусов (кроме элегаза) по Цельсию (273 К), которые принципиально могут быть применены в новых электрических (светодиодных) лампах. С повышением температуры теплопроводность буферных газов возрастает (для рабочих температур элементов лампы, приблизительно, на 30%). Из таблицы следует, что из инертных газов лучшей теплопроводностью обладает гелий, а из молекулярных - водород. Однако в качестве оптически прозрачного материала колб, обеспечивающего требуемую их герметичность (а также из-за технических, технологических и экономических ограничений), в электрических (светодиодных) лампах следует использовать технические стекла, аналогичные
*Справочно.
применяемым для ламп накаливания. Для таких стекол значение имеет их проницаемость по водороду и гелию (проницаемость других газов ничтожно мала и ей обычно пренебрегают). Проницаемость гелия через технические стекла примерно в 10 раз больше, чем водорода, несмотря на то, что атомный радиус гелия практически в 1,5 раза больше молекулярного радиуса водорода. Это объясняется тем, что при проникновении химически активного при повышенных температурах водорода через стекла могут образовываться гидроксильные группы, препятствующие потоку водорода. Наибольшей газопроницаемостью по водороду и гелию обладает, в частности, кварцевое стекло, а наименьшей - алюмосиликатное.
Использовать технически чистый гелий в качестве изолирующего газа для новых светодиодных ламп затруднительно (из-за возможного ухода через стенки колбы 1 и вакуумплотные впаи электродов 7, а также низкой электрической прочности) и не целесообразно (из-за относительно высокой цены и сложной технологии получения и очистки).
Водород, как отмечено, горючий (пожароопасный) и взрывоопасный газ. Его применение (по сравнению с гелием) не дает заметного выигрыша и по теплопроводности. Водород имеет низкую вязкость и также сравнительно высокую проникающую способность через технические стекла. Чистый водород для используемых материалов колб 1 и рабочих температур может быть и химически активным. Поэтому заполнять им (или двухкомпонентными смесями водорода с гелием) колбы 1 в электрических (светодиодных) лампах предлагаемой конструкции хотя и возможно, но также не рекомендуется. Однако диффузии водорода в материал и через стенки колбы 1 (и через вакуумплотные впаи) и химическим реакциям может препятствовать «тяжелый» инертный газ или азот. Применение дополнительных газовых компонентов ограничивает предельное содержание водорода в смеси и, в значительной мере, нивелирует его недостатки. При этом водород имеет более низкую цену, чем, например, гелий. Многокомпонентные смеси водорода с азотом, а также с инертными газами и азотом наиболее эффективны, безопасны и дешевы. Поэтому заявляемые составы наполнения колб 1 рекомендуются к использованию в новых электрических светодиодных лампах с повышенными техническими характеристиками, высокой надежностью работы и низкой ценой.
Элегаз является наиболее «тяжелым» из всех известных газов (приблизительно в 5 раз тяжелее воздуха). А значение коэффициента теплопроводности элегаза в таблице соответствует высокой температуре (около 1000 градусов по Цельсию). При рабочих температурах новой электрической светодиодной лампы теплопроводность элегаза ниже теплопроводности воздуха и азота. То есть, он менее эффективен (и очень дорог). Однако этот газ обладает хорошими электроизоляционными свойствами. В принципе, элегаз можно использовать в качестве компонента теплоотводящей смеси в электрической лампе.
Криптон и ксенон имеют сравнительно малую теплопроводность. Кроме того, криптон и, в еще большей степени, ксенон являются «дорогими» газами. В отличие от ламп накаливания, применение указанных газов в новых электрических (светодиодных) лампах возможно, но не очень оправдано (не эффективно и не рентабельно).
Необходимость в применении заявляемых смесей газов (водород с азотом, водород с инертным газом и азотом), продиктована требованиями по электрической прочности изолирующего наполнения, достаточной теплопроводности, ограничения диффузии гелия (при его использовании в составе смеси) через стенки и внутрь материала колбы 1, через вакуумноплотные впаи, а также, в ряде случаев, экономическими причинами. Электрическая прочность смесей возрастает с ростом давления. Цена используемых газов и газовых смесей имеет важное значение, так как влияет на конечную цену изделия при серийном (массовом) производстве. В этой связи перспективным является применение в заявляемой электрической светодиодной лампе водорода, гелия, неона, азота и аргона (в смесях).
Неон также обеспечивает относительно хороший отвод тепла от элементов конструкции и достаточную надежность работы электрической (светодиодной) лампы.
Технически чистый воздух (осушенный, без механических примесей и пыли) также возможно применить в качестве изолирующего газа (добавок к смесям) в электрических (светодиодных) лампах (как и азот). Принципиально его можно использовать в смесях вместо азота. Теплопроводность воздуха приблизительно в 2,6 раза выше теплопроводности криптона, что также позволяет снизить температуру внутри колбы 1. Теплопроводность азота близка к теплопроводности воздуха. Азот (воздух) может значительно повысить электрическую прочность газовой смеси наполнения колбы 1.
Использование оптически прозрачных подложек для светодиодов и светодиодных матриц светоизлучающего тела 3 с повышенными теплопроводящими свойствами позволяет снизить потери энергии оптического излучения и уменьшить нагрев полупроводниковых структур светодиодов, что положительно сказывается на стабильности характеристик ламп и среднем сроке их службы.
Разделение драйвера 8 на две части, устанавливаемые внутри цоколя 2 и колбы 1, позволяет выполнить драйвер 8 на большие мощности и с более высокими техническими характеристиками, обеспечить качественную изоляцию и улучшить охлаждение ответственных элементов драйвера 8.
По сравнению с прототипом существенно расширяется область применения электрической (светодиодной) лампы.
Действительно, если рассматривать электрическую (светодиодную) лампу как электротехническое изделие, то заявляемая лампа также может характеризоваться наивысшей степенью защиты (IP68). Изоляция ответственных элементов и узлов электрической (светодиодной) лампы от воздействия окружающей среды обеспечивает стабильную и надежную работу всего устройства в любых, в том числе, в жестких условиях эксплуатации. Новая лампа также может эффективно использоваться как для внутреннего, так и для наружного освещения. Однако за счет оптимизации конструкции и грибообразной формы колбы, снижения непроизводительного рассеяния светового потока, улучшения условий охлаждения светодиодов заявляемая электрическая лампа имеет более высокую светоотдачу, чем лампа, выбранная за прототип. Увеличивается сила света в направлении оптической оси лампы, возрастает световой поток, излучаемый в нижнюю зону, может быть снижено слепящее действие источника света (грибообразная форма колбы, выполнение части поверхности светоотражающей). Новая электрическая лампа имеет более технологичную конструкцию, допускающую высокую унификацию комплектующих изделий, обеспечивающую надежность и качество применяемого технологического процесса и выполнение с различными типами цоколей, в том числе, малогабаритных (Е14, В15, BY15), при использовании грибообразных колб К 50 или К 55 (Е 50, Е 60). Для рассмотренного вида колб ранее (из-за технологических ограничений) малогабаритные цоколи не применялись. Предлагаемое отношение диаметра колбы к диаметру тарелки (от 4 до 6) технологически достижимое и наиболее оптимальное. Область применения электрической лампы расширяется.
Новая конструкция электрической (светодиодной) лампы позволяет разработать и применить драйверы постоянного или переменного тока с высокими техническими характеристиками и обеспечить, как отмечено выше, качественную электрическую изоляцию драйвера (или его частей). Это повышает надежность работы и увеличивает средний срок службы электрической (светодиодной) лампы. Повышение надежности работы и среднего срока службы лампы (по вышеперечисленным причинам) обеспечивают широкую область ее применения. Новая электрическая лампа может быть использована в специальных и в новых ответственных областях применения.
Использование рекомендуемых материалов для подложек светодиодов позволяет улучшить режимы их функционирования, обеспечивает стабильную и надежную работу электрической (светодиодной) лампы.
Новая лампа может быть выполнена на большую мощность и больший световой поток (до 8…10 Вт и до 1000…1200 лм). Лампа, выбранная за прототип, в исполнениях с малогабаритными (декоративными) колбами имеет ограничение на мощность (до 5 Вт) и световой поток (до 550 лм).
Дополнительно, новая лампа, являясь более технологичной (по сравнению с лампой, выбранной за прототип), может быть и более надежной и иметь при серийном производстве более низкую цену. Снижение цены и увеличение надежности (и, соответственно, срока службы) за счет улучшения конструкции и технологии изготовления расширяют область применения заявляемой электрической (светодиодной) лампы.
Срок службы новой электрической светодиодной лампы (согласно экспертной оценки и результатов анализа отказов) может превышать срок службы лампы, выбранной за прототип, в 1,2…1,5 раза (для ламп повышенной мощности) за счет улучшения условий работы светодиодных матриц (светодиодов) светоизлучающего тела и драйвера, качественного отвода тепла и улучшения электроизоляции. Это также расширяет область применения электрической лампы.
В новой лампе используется оптимальный и технически обоснованный диапазон давлений наполнения колбы (от 0,3 до 2,5 бар при температуре окружающей среды 273 К), обеспечивающий стабильность характеристик и надежность работы устройства в целом. Стабильная и надежная работа расширяет область применения новой электрической лампы.