ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ОСВЕТИТЕЛЬНАЯ ЛАМПА

Полезная модель относится к светотехнике и может быть использована при проектировании новых энергоэффективных источников оптического излучения с повышенным сроком службы, универсальных, предназначенных как для внутреннего, так и для наружного освещения. Полезная модель направлена на расширение области применения электрической осветительной лампы.
Известна электрическая осветительная лампа, содержащая вакуумированную колбу с внешним цоколем для подключения к электрической сети, изготовленную из оптически прозрачного материала, с телом накала и опорной ножкой внутри, имеющей пустотелый штенгель для откачки, штабик с проволочным держателем и два проволочных электрода, выводы тела накала соединены с клеммами цоколя через электроды, (Характеристики ламп накаливания. Каталог/ «ГУП РМ Лисма», 2011, С. 32).
В качестве источника питания вакуумной лампы, относящейся к лампам накаливания, используется внешняя электрическая сеть. Такая лампа имеет достаточно широкую область применения и может быть использована для внутреннего и наружного освещения.
Недостатками вакуумной лампы накаливания является сравнительно малый срок службы, низкая энергоэффективность, значительный нагрев частей конструкции в процессе работы. Вакуумная лампа представляет собой взрывоопасное электротехническое изделие. Средний срок службы вакуумной лампы накаливания, как правило, не превышает 1000 час, а светоотдача составляет менее 10 лм/Вт. Отмеченные недостатки значительно сужают область применения известной электрической осветительной лампы.
Известна электрическая осветительная лампа, содержащая заполненную изолирующим газом герметичную колбу с внешним цоколем для подключения к электрической сети, изготовленную из оптически прозрачного материала, с телом накала и опорной ножкой внутри, имеющей пустотелый штенгель для откачки, штабик с двумя проволочными держателями и два проволочных электрода, выводы тела накала соединены с клеммами цоколя через электроды, (Spectrum. Каталог ламп 2009/2010/«GE Lighting)), 2009, С. 63).
Известная лампа также относится к типу ламп накаливания. Однако является ее разновидностью. Это, так называемая, газополная лампа накаливания.
В качестве изолирующего газа в газополных лампах накаливания обычно используют определенную смесь газов (по различным соображениям), например, содержащую от 84 до 86% азота и от 14 до 16% аргона при давлении от 0,5 до 0,8 бар для температуры 273 К.
Предпочтение для ламп накаливания следует отдавать газам, имеющим низкий коэффициент теплопроводности и химически инертным, так как такие лампы работают при высоких рабочих температурах тела накала.
В качестве источника питания известной лампы используется внешняя электрическая сеть.
Недостатками газополной лампы накаливания является малый средний срок службы, низкая энергоэффективность, значительный нагрев частей конструкции в процессе работы. Средний срок службы газополной лампы накаливания обычно не превышает 2000 час. Максимальная светоотдача известной лампы составляет около 14 лм/Вт. Перечисленные недостатки сужают область применения газополной лампы накаливания.
Известна электрическая осветительная лампа, содержащая заполненную изолирующим газом герметичную колбу с внешним цоколем для подключения к электрической сети, изготовленную из оптически прозрачного материала, с четырьмя светодиодным матрицами, соединенными парами последовательно в две электрические цепи, и опорной ножкой внутри, имеющей пустотелый штенгель для откачки, штабик с двумя изолированными проволочными держателями и четыре проволочных электрода, а также драйвер, установленный внутри цоколя, входные выводы драйвера соединены с клеммами цоколя, а выходные выводы подключены к крайним выводам светодиодных матриц двух электрических цепей через электроды, общие точки соединения матриц двух электрических цепей образованы соединением выводов матриц через соответствующие держатели, в качестве изолирующего газа используют смесь азота с аргоном при содержании аргона в смеси от 12 до 20%, давление изолирующего газа устанавливают от 0,5 до 0,6 бар для температуры внешней среды 273 К (Лампы СТАРТ с нитевидным светодиодом. Каталог ламп / «ООО Старт», Новгород, 2014).
Подобную конструкцию имеют большинство электрических осветительных ламп с линейными светодиодными матрицами на малые токи. Лампа относится к типу, так называемых, филаментных ламп, использующих в конструкции матрицы последовательно соединенных маломощных светодиодов в форме линеек (технология СОВ или МСОВ). Светоизлучающее тело (комплект светодиодных матриц) в такой лампе изолировано от внешней среды и не подвержено ее влиянию.
Недостатками известной электрической осветительной лампы рассмотренной конструкции является сравнительно малый срок службы, что обусловлено повышенным нагревом светодиодов и электронных элементов и узлов устройства (что делает затруднительным использование в замкнутых осветительных приборах), технической и технологической сложностью (низкая технологичность конструкции, большое число вакуумплотных впаев, электродов и держателей), снижающей надежность работы и повышающей цену изделия. Лампа имеет относительно низкую светоотдачу (около 100 лм/Вт), что обьясняется недостаточно эффективным теплоотводом за счет использованного состава изолирующего газа. Недостатки известной электрической осветительной лампы сужают область ее применения.
Известна электрическая осветительная лампа, содержащая заполненную изолирующим газом герметичную колбу с внешним цоколем для подключения к электрической сети, изготовленную из оптически прозрачного материала, с двумя светодиодным матрицами, соединенными последовательно в электрическую цепь, и опорной ножкой внутри, имеющей пустотелый штенгель для откачки, штабик с проволочным держателем и два проволочных электрода, а также драйвер, установленный внутри цоколя, входные выводы драйвера соединены с клеммами цоколя, а выходные выводы подключены к крайним выводам светодиодных матриц электрической цепи через электроды, общая точка соединения светодиодных матриц электрической цепи образована соединением выводов матриц через держатель, в качестве изолирующего газа используют смесь азота с аргоном при содержании аргона в смеси от 12 до 20%, давление изолирующего газа устанавливают от 0,5 до 0,6 бар для температуры внешней среды 273 К (Лампы СТАРТ с нитевидным светодиодом. Каталог ламп / «ООО Старт», Новгород, 2014).
Известная лампа также относится к типу филаментных ламп, использующих в конструкции матрицы последовательно соединенных маломощных светодиодов в форме линеек (технология СОВ или МСОВ).
Рассмотренная филаментная электрическая осветительная лампа является наиболее близкой по технической сущности к полезной модели и выбрана в качестве прототипа.
Недостатком известной электрической осветительной лампы является сравнительно узкая область применения. Это обусловлено малым световым потоком лампы. Возможности по увеличению светового потока (за счет увеличения числа светодиодных матриц) отсутствуют из-за ограниченности конструкции. Лампа имеет недостаточно высокую светоотдачу (около 100 лм/Вт) из-за повышенного нагрева светодиодов при неэффективном теплоотводе за счет использованного состава изолирующего газа. Известная лампа имеет низкую надежность работы и малый средний срок службы также из-за повышенного нагрева светодиодов в рабочем режиме. Состав изолирующего газа и его давление не являются оптимальными для данного устройства из-за сравнительно низкой теплопроводности смеси.
Полезная модель направлена на решение задачи расширения области применения электрической осветительной лампы, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что в электрической осветительной лампе содержащей заполненную изолирующим газом герметичную колбу с внешним цоколем для подключения к электрической сети, изготовленную из оптически прозрачного материала, с 2n, где n - натуральное число, светодиодным матрицами, соединенными парами последовательно в n электрических цепей, и опорной ножкой внутри, имеющей пустотелый штенгель для откачки, штабик с проволочным держателем и два проволочных электрода, а также драйвер, установленный внутри цоколя, входные выводы драйвера соединены с клеммами цоколя, а выходные выводы подключены к крайним выводам светодиодных матриц n электрических цепей через электроды, держатель и электроды формуют в соответствующих плоскостях, перпендикулярных оси ножки, таким образом, что они образуют фигуры в виде знака S или его зеркального отображения, общие точки соединения светодиодных матриц n электрических цепей соединяют через держатель так, что светодиодные матрицы дополнительно образуют электрическое соединение в виде 2n - лучевой звезды, в качестве изолирующего газа используют азот или смесь азота с неоном при содержании неона в смеси от 4 до 96%, давление изолирующего газа устанавливают от 0,3 до 3,3 бар для температуры внешней среды 273 К.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является расширение области применении электрической осветительной лампы за счет обеспечения возможности эффективного увеличения светового потока и светоотдачи, увеличения надежности работы и среднего срока службы, снижения цены при выполнении лампы на заданный световой поток, снижения температуры нагрева частей устройства и улучшения условий эксплуатации в замкнутых световых приборах ограниченного объема. Расширение области применения обусловлено новыми принципами устройства, новой конструкцией лампы, новой электрической схемой соединения светодиодных матриц, новыми элементами и связями, заявляемым составом изолирующего газа, то есть, отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемой электрической осветительной лампы являются существенными.
На рисунке приведена типовая конструкция новой электрической осветительной лампы со стандартным элементом внешнего токоподвода (сетевым цоколем класса E27).
Электрическая осветительная лампа содержит заполненную изолирующим газом герметичную колбу 1 с внешним цоколем 2 для подключения к электрической сети, изготовленную из оптически прозрачного материала, с 2n, где n - натуральное число, светодиодным матрицами 3, соединенными парами последовательно в n электрических цепей, и опорной ножкой внутри, имеющей пустотелый штенгель 4 для откачки, штабик с проволочным держателем 5 и два проволочных электрода 6, а также драйвер 7, установленный внутри цоколя, входные выводы драйвера соединены с клеммами цоколя, а выходные выводы подключены к крайним выводам светодиодных матриц n электрических цепей через электроды, держатель и электроды формуют в соответствующих плоскостях, перпендикулярных оси ножки, таким образом, что они образуют фигуры в виде знака S или его зеркального отображения, общие точки соединения светодиодных матриц n электрических цепей соединяют через держатель так, что светодиодные матрицы дополнительно образуют электрическое соединение в виде 2n - лучевой звезды, качестве изолирующего газа используют азот или смесь азота с неоном при содержании неона в смеси от 4 до 96%, давление изолирующего газа устанавливают от 0,3 до 3,3 бар для температуры внешней среды 273 К.
Электрическая осветительная лампа в установившемся режиме работает следующим образом. Через цоколь 2 стандартного вида (например, E27) электрическая осветительная лампа подключается к обычной питающей сети переменного тока (внешнему источнику питания) непосредственно или к специальной сети (источнику) постоянного тока. Колба 1 из оптически прозрачного материала является основной частью конструкции осветительной лампы, выполняющей несущую, защитную, светорассеивающую функции и функцию герметизации рабочего пространства, в котором размещены светодиодные матрицы 3. Колба 1 жестко механически соединена (сопряжена) с цоколем 2. Клеммы цоколя 2 соединены с входными выводами драйвера 7, выходные выводы которого через электроды 6, впаянные в ножку, подключены к крайним выводам светодиодных матриц 3, соединенных парами последовательно в одну или несколько электрических цепей. Светодиодные матрицы 3 дополнительно электрически соединены (через общий держатель 5) общими точками соединения в двух- или многолучевую звезду. Вся конструкция размещается внутри колбы 1 и изолирована от окружающей среды. Число (2n) матриц 3 выбирается из условия получения заданного светового потока лампы. На рисунке для упрощения показан вариант установки в лампе двух светодиодных матриц 3 (n=1), что соответствует одной электрической цепи. Если матриц 3 больше двух, они устанавливаются аналогично. Электрическое соединение матриц 3 в виде 2n - лучевой звезды повышает надежность работы устройства. В частности, при выходе одной из матриц 3 электрической цепи из строя (для n>1) вторая матрица остается в работоспособном состоянии. Возможность для подключения нескольких электрических цепей светодиодных матриц 3 обеспечивается формовкой держателя 5 и электродов 6 в соответствующих плоскостях, перпендикулярных оси ножки, таким образом, что они образуют фигуры в виде знака S или его зеркального отображения. Конструкция имеет высокую технологичность. Драйвер 7 преобразует напряжение (энергию) внешнего источника питания (электрической сети) в напряжение (ток) заданного уровня и частоты, необходимое для электропитания светодиодов матриц 3. Питание светодиодов матриц 3 может осуществляться от драйвера 7 как на постоянном, так и на переменном токе. При питании на переменном токе электрическая схема соединения электрических цепей матриц 3 светодиодов отличается от схемы на постоянном токе (n>1). Питание на переменном токе может быть энергетически выгоднее. Число ступеней преобразования энергии уменьшается, что, в целом, повышает надежность работы драйвера 7 и светоотдачу лампы. Увеличивается средний срок службы электрической осветительной лампы.
Колба 1 заполнена изолирующим (буферным) газом. Откачка и заполнение внутреннего объема колбы 1 осуществляется через штенгель 4 опорной ножки, который выполняется пустотелым. После заполнения колбы 1 изолирующим газом штенгель 4 отпаивается. В качестве буферного газа используют, например, смесь, содержащую более 90% неона и менее 10% азота при давлении 3,3 бар (для температуры 273 К). Это обеспечивает хороший отвод тепла от светодиодов матриц 3, следовательно, высокую надежность их работы и высокую светоотдачу лампы. При использовании только азота теплоотвод ухудшается, однако для ламп малой мощности это является допустимым. В любом случае состав изолирующего газа и его давление должны обеспечивать наилучший теплоотвод от элементов и узлов осветительной лампы установленных внутри колбы 1, и достаточную электрическую прочность. Для лучшего теплоотвода необходимо использовать изолирующий газ (или смеси газов), обладающий повышенной теплопроводностью, и увеличивать его давление в колбе 1. Поэтому устанавливать в колбе 1 давление изолирующего газа ниже 0,3 бар для заявляемой лампы нецелесообразно. Практически же, абсолютное давление для большинства модификаций светодиодных ламп заявляемой конструкции должно находится в пределах от 0,3 до 3,3 бар (что наиболее технологично). Объем колбы 1 и ее форма должны быть также оптимизированы с целью улучшения теплоотвода. Близкими к оптимальным являются стандартные формы и размеры колб (1), применяемых для серийных ламп накаливания. При этом матрицы 3 должны размещаться (по возможности) на минимальном расстоянии от стенок колб (1). При прохождении электрического тока через светодиоды матриц 3 они излучают световые волны, в частности, видимый свет. Возможно также, например, излучение в ультрафиолетовой области спектра, что обеспечивается типом применяемых в лампах светодиодов матриц 3.
Необходимость в применении смесей газов продиктована требованиями по электрической прочности изолирующего наполнения, а также экономическими причинами. Электрическая прочность возрастает с ростом давления. Цена используемых газов и газовых смесей имеет исключительное значение, так как влияет на конечную цену изделия при массовом производстве. В этой связи перспективным является применение в заявляемой электрической осветительной лампе газовых смесей азота с неоном. Неон обеспечивает относительно хороший отвод тепла от элементов конструкции и достаточную надежность работы лампы. Теплопроводность азота приблизительно в два раза ниже теплопроводности неона.
По сравнению с прототипом существенно расширяется область применения электрической осветительной лампы.
Действительно, новая лампа может более эффективно использоваться как для внутреннего, так и наружного освещения, а также в закрытых светильниках ограниченного объема.
Новая конструкция лампы является более технологичной и позволяет изготавливать устройства с большими световыми потоками, используя унифицированные светодиодные матрицы на минимальную мощность. В лампе-прототипе световой поток может быть увеличен только в ограниченных пределах за счет применения светодиодных матриц повышенной мощности. Однако световая эффективность лампы-прототипа при этом снизится из-за ухудшения теплового режима светодиодов. В новой лампе снижение светоотдачи с ростом мощности и светового потока выражено значительно слабее. За счет более низкой рабочей температуры светодиодов существенно повышается надежность работы лампы и ее светоотдача (при выполнении на заданный световой поток). Упрощается и удешевляется обслуживание осветительных установок с заявляемыми лампами.
Новая конструкция лампы позволяет разработать и применить драйверы постоянного (или переменного) тока с гораздо более высокими техническими характеристиками, чем в лампе-прототипе. Это также, в целом, повышает надежность работы и увеличивает средний срок службы электрической осветительной лампы.
Дополнительно, так как конструкция новой лампы более технологична (по сравнению с лампой-прототипом), может быть снижена ее цена (при выполнении на заданный световой поток).
Снижение цены и увеличение срока службы, как и более высокая светоотдача, расширяют область применения заявляемой электрической осветительной лампы.
Световая отдача заявляемой лампы может быть на 20…30% выше, чем светоотдача лампы-прототипа.
Срок службы новой электрической осветительной лампы (согласно экспертной оценки) превышает срок службы лампы-прототипа в 1,3…1,5 раза (за счет улучшения условий работы светодиодных матриц и драйвера).