ТРУБЧАТЫЙ СВЕТОДИОДНЫЙ ИСТОЧНИК СВЕТА
TUBULAR LIGHT-EMITTING DIODE LIGHT SOURCE

Область изобретения
Изобретение относится к источнику света нового типа, предназначенному для замены люминесцентных ламп и выполненному на основе светодиодов (СИД) с возможностью вставки в имеющуюся арматуру для люминесцентных ламп. Благодаря СИД-технологии и встроенному интеллектуальному контроллеру данный источник света обладает рядом преимуществ по сравнению с люминесцентными лампами. К достоинствам, присущим всем светодиодным источникам света, например, относятся низкое энергопотребление и значительно более длительный срок службы. Эффективность светодиодов в большой степени зависит от условия поддержания их температуры на как можно более низком уровне. Предлагаемый источник света эффективно отводит тепло от светодиодов. Встроенный интеллектуальный контроллер также способствует уменьшению энергопотребления источником света посредством постоянного поддержания излучения на уровне только абсолютно необходимого количества световой энергии.
Уровень техники
В ряде патентов описаны источники света на основе СИД, предназначенные для замены люминесцентных ламп. Все описанные в них источники содержат прозрачную трубку с установленными внутри светодиодами. На концах данной трубки имеются разъемы, позволяющие вставить такую трубку в арматуру люминесцентной лампы. Подобные конструкции описаны в следующих патентах: US 2005281030, US 2003102810, US 2004189218, US 2004095078, CN 1707153 и в патенте автора настоящего изобретения ЕР1618331. Во всех указанных патентах используются СИД, установленные по всей длине трубки и во всех направлениях, так что излучение света происходит во всех направлениях вокруг трубки.
В других патентах, например WO 2005017966 и US 2004156199, описаны СИД, установленные на концах трубки, которые проецируют свет к середине трубки, а затем посредством оптической системы свет распределяется по всей трубке.
В устройствах, описанных в патентах US 2002060526 и US 2005225979 излучение света осуществляется только с ограниченного участка поверхности трубки, что достигается посредством рефлекторов, или просто наведением СИД в желаемом направлении.
Пример источника света на базе СИД, не предназначенного непосредственно для замены люминесцентных ламп, приведен в патенте US 2002125839, в котором несколько большее внимание уделено вопросам термодинамики, поскольку на обратной стороне СИД установлены теплоотводы. Однако и СИД и охлаждающие ребра теплоотводов по-прежнему заключены внутри прозрачной трубки.
Что касается встроенного контроллера, то источник света, описанный в патенте US 2005281030, содержит встроенные датчики, предназначенные для определения уровня дневного света, и датчики движения, предназначенные для определения наличия в помещении людей. Указанные датчики передают данные встроенному компьютеру, который может регулировать уровень освещенности. Такой компьютер также может передавать данные другим источниками света того же типа или программируемому логическому контроллеру ПЛК (PLC). Вся коммуникация может быть обеспечена посредством дополнительного специального кабеля или беспроводного соединения.
Что касается регулирования цветовой температуры света, то уже существует ряд источников света на базе СИД, обладающих такой функцией. Они осуществляют смешение света от красного, зеленого и синего (КЗС (RGB)) светодиодов. Подобные источники света описаны в следующих патентах: TW 226791B, WO 2005030903, US 2005157515, DE 102004002398 и CN 1619810. Однако ни в одном из них не предусмотрено использование таких источников для замены люминесцентных ламп.
Преимущества данного изобретения по сравнению с устройствами, известными из уровня техники
Все известные источники света на основе СИД, предназначенные для замены люминесцентных ламп, сконструированы так, чтобы как можно больше походить на люминесцентную лампу, что не является необходимым. Они заключены внутри прозрачной трубки, которая, если не принимать во внимание эстетический аспект, служит лишь для защиты электронных средств, расположенных внутри данной трубки. Данное техническое решение с использованием прозрачной трубки обладает несколькими весьма существенными недостатками - такая трубка работает наподобие теплицы, в которой светодиоды и электронные схемы, расположенные внутри трубки, не имеют возможности освободиться от тепла. Данное тепло аккумулируется, при этом эффективность СИД уменьшается пропорционально времени нахождения источника света во включенном состоянии. Другой недостаток, связанный с использованием прозрачной трубки, заключается в том, что часть излучаемого света поглощается в данной трубке, соответственно, в результате потери света эффективность источника света уменьшается еще больше.
Предлагаемое изобретение не обладает указанными недостатками. В данном случае СИД (2) установлены на наружной поверхности теплопроводной трубки (1), тем самым тепло от них распределяется по всей поверхности трубки. Теплопроводная трубка находится в непосредственном контакте с окружающим источник света воздухом, которому легко передается данное тепло (15). В силу того, что управляющие электронные схемы (7) установлены внутри трубки и термически присоединены к трубке (8), тепло от указанных схем может эффективно передаваться данной трубке. Благодаря тому, что СИД (2) установлены на наружной стороне трубки, излучение света (14) происходит непосредственно в окружающую среду. Данные СИД являются достаточно защищенными, поскольку электрические соединения заключены в изоляционный материал (5), который также является теплопроводным.
Известный источник света (US 2005281030) со встроенными средствами интеллектуального управления на основе прозрачной трубки содержит встроенные датчики света, предназначенные только для определения уровня освещенности. Датчики (12) света в предлагаемом изобретении определяют весь спектр света окружающей среды. Это означает, что может быть определен не только уровень освещенности, но также суммарное качество освещения окружающей среды. Качество освещения определяется как цветовая температура и уровень освещенности.
В патенте US 2005281030 упоминается о возможности коммуникации между источниками света и/или центральным ПЛК. Данная коммуникация может осуществляться посредством специального отдельного кабеля или беспроводного соединения. Ни один из этих способов не является оптимальным в данной области применения. Средства беспроводного соединения потребляют относительно много энергии, не только в рабочем режиме, но и в режиме ожидания - режиме готовности для передачи информации, что не является оптимальным с точки зрения энергосбережения. Использование дополнительного кабеля, соединяющего каждую арматуру/трубку с системой освещения, еще больше увеличивает стоимость использования, кроме того, при этом усложняется монтаж. Таким образом, данное решение не является удачным. Предлагаемое изобретение решает проблему коммуникации за счет использования в качестве линии передачи данных имеющегося установленного кабеля электропитания. Модулированные сигналы передаются по данному кабелю, не нарушая работу линии электропитания. Кроме того, при этом решении не требуется новых установок, и энергопотребление удерживается на минимальном уровне.
Известные источники света на базе СИД, предназначенных для замены люминесцентных ламп, не обеспечивают улучшение цветовой температуры, которая является одним из основных недостатков обычной люминесцентной лампы и одной из причин, почему лампа накаливания все еще находит спрос на рынке сбыта. Даже несмотря на то, что по при использовании технологии СИД можно создать свет любого цвета или любой цветовой температуры. Также и цветовую температуру лампы накаливания. В этом смысле предлагаемое изобретение обладает преимуществом. С его помощью можно получить любую цветовую температуру.
Новые технические средства и результаты
Устройство согласно предлагаемому изобретению отличается от существующих светодиодных источников света, предназначенных для замены люминесцентных ламп, тем, что оно выполнено на основе трубки (1), изготовленной из теплопроводного материала, причем СИД (2) помещены на наружной стороне указанной трубки. СИД равномерно распределены на меньшей части наружной поверхности трубки. Остальная часть наружной поверхности (6) используется для отведения тепла (15) в окружающую среду. Управляющие электронные средства (7) помещены внутрь трубки, электрически соединены с разъемами (10), расположенными на концах трубки и СИД (2), а также с датчиками (12 и 13) на наружной стороне трубки. Управляющие электронные средства (7) термически соединены с трубкой (8). Результатом такого решения является эффективный отвод тепла от СИД. Соответственно, их температура поддерживается на минимальном уровне, а эффективность значительно возрастает. Кроме того, в этом случае отсутствует излишняя потеря света, так как излучение света не проходит через прозрачную трубку, а поступает непосредственно в окружающую среду. Типичная прозрачная трубка из акрила поглощает около 10% света.
Устройство, описанное в данном документе, имеет разъемы (10) на обоих концах трубки, причем размер указанных разъемов позволяет вставить их в гнезда имеющейся арматуры для люминесцентных ламп. Результатом такого решения является возможность непосредственной замены люминесцентных ламп данным устройством.
Оконечные участки (9) трубки, на которых расположены разъемы (10), герметизируют трубку. Соединительные элементы (4) от управляющих электронных средств (7), проходящие внутри трубки к СИД (2) на наружной стороне, также герметизированы. Внутри трубки создан вакуум (20) посредством откачки всего воздуха. Соответственно, электронные средства внутри трубки защищены от воздействия конденсированной влаги и связанных с ней повреждений. Таким образом, данный источник света также может работать в очень холодных условиях.
Управляющие электронные средства (7) предусматривают возможность регистрации всей информации, относящейся к работе источника света. Например, когда и как свет включается/выключается или регулируется или когда датчики выявляют наличие в помещении человека. Данная информация может быть сохранена в базе данных. Управляющие электронные средства могут извлекать статистическую информацию из базы данных/файла регистрации и, соответственно, осуществлять анализ условий эксплуатации, целью которого является общая минимизация использования света.
Встроенные управляющие электронные средства могут сообщаться с другими источниками света того же типа или с центральным блоком управления в той же системе освещения. Данная передача информации выполняется при помощи имеющегося установленного кабеля электропитания, который соединяет всю арматуру в данной системе освещения. Данная передача информации не вносит возмущения в линию электропитания, поскольку она выполняется в другой полосе частот и имеет очень маленькую амплитуду. Передача информации может выполняться, например, с помощью двухтональной многочастотной ДТМЧ (DTMF) модуляции, которая используется в телефонных сетях для передачи номеров. Другим более передовым способом передачи данных может быть использование сети электропитания, что в принципе является передачей по линиям электропитания подобно передаче сигналов по стандарту Ethernet. Оба способа уже являются тщательно разработанными стандартами. В результате источники света в системе освещения, управление которыми первоначально выполнялось центральным переключателем, теперь становятся отдельными источниками света, предусматривающими возможность включения и выключения или регулирования своей светоотдачи по отдельности. Сигналы управления могут передаваться источниками света или центральным блоком управления. Такое решение повышает гибкость системы и предоставляет возможность значительной экономии энергии. Например, на складе, где необходимость в освещении возникает в принципе только в месте работы тележек с вилочным погрузчиком. Данное изобретение позволяет создавать освещение только в местах расположения тележек. Тележки с вилочным погрузчиком могут быть обнаружены с помощью встроенных в источники света датчиков. Посредством передачи сигнала соседним источникам света данные источники света могут создавать освещенную площадку вокруг тележек. Таким образом, при этом может быть сэкономлена значительная часть освещения и энергии. Согласно предлагаемому изобретению СИД могут быть включены/выключены или отрегулированы мгновенно без каких-либо проблем или повреждений источника света.
Устройство согласно изобретению содержит по меньшей мере один встроенный датчик (12), предназначенный для определения качества освещения окружающей среды. Данные датчики детектируют освещение, поступающее от естественного света или от искусственных источников света. Определение качества освещения означает выявление всего спектрального распределения в излучении видимой области спектра. Из этих данных могут быть получены не только данные по уровню освещенности, но также данные по цветовой температуре. Затем датчики передают информацию встроенным управляющим электронным средствам. Вследствие передачи датчиками информации встроенным управляющим электронным средствам источник света может отрегулировать суммарный уровень освещения в окружающей среде. Таким образом, данный источник света использует только тот объем энергии, который необходим для поддержания требуемого качества освещения окружающей среды.
Устройство согласно изобретению содержит встроенные датчики (13) движения, которые могут представлять собой известные пассивные датчики инфракрасного излучения. Они могут выявлять объекты, излучающие тепло, например людей и транспортные средства, находящиеся в освещенной источником света площадке. Датчики передают информацию к встроенным управляющим электронным средствам. Следствием этого процесса, как упоминалось ранее, является то, что при необходимости источник света может быть включен или выключен.
Вместо обычных СИД в данном изобретении могут использовать СИД специального типа, так называемые органические светоизлучающие диоды ОСИД (OLED). Результатом их использования является более однородная освещенность и более компактный дизайн, что, возможно, позволит им в будущем стать быть более привлекательными источниками света.
Встроенные управляющие электронные средства (7) обладают возможностью регулирования уровня освещенности, либо общего, либо конкретного для каждой цветовой составляющей - красной, зеленой и синей (КЗС (RGB)). В результате появляется возможность излучения света любых цветовых температур или цветов.
СИД (2), установленные на наружной стороне трубки могут относиться к различным группам. Каждая группа представляет отдельное направление освещения, при этом управление каждой группой может выполняться по отдельности. Все это обусловливает возможность изменения направления освещенности источником света, которое может быть изменено с помощью электронных средств. Такое решение предоставляет возможность дополнительного энергосбережения, а также создания декоративных эффектов. Например, лекционный зал с большими окнами, пропускающими много естественного света, в котором по мере изменения дневного времени и угла падения естественного света и его силы данный источник света может компенсировать эти изменения за счет коррекции направления и уровня освещенности. Таким образом, доски и парты черного цвета всегда получают требуемую освещенность.
Чертежи
На фиг.1 показано поперечное сечение источника света;
на фиг.2 показан вид источника света с торца;
на фиг.3 показан вид источника света сбоку;
на фиг.4 показан другой вариант реализации источника света согласно изобретению;
на фиг.5 показан еще один вариант реализации источника света.
Предпочтительный вариант реализации данного изобретения
Предлагаемый источник света может быть реализован на основе алюминиевой трубки (1), выполненной способом специальной экструзии с такой формой, при которой одна половина боковой стороны имеет поверхность, сходную с правильным многоугольником с шестью гранями (см. фиг.1). На другой половине боковой стороны поверхностный участок содержит охлаждающие ребра (6) для максимизации конвекции тепла (15). На каждой грани многоугольника установлены СИД (2) поверхностного монтажа СИД ПМ (SMD LED), излучающие свет (14) перпендикулярно граням многоугольника. Выводы СИД ПМ (SMD LED) электрически присоединены к тонким печатным платам (ПП) (3), обеспечивающим электрическое соединение с каждым СИД. Обратные стороны светодиодов термически присоединены к алюминиевой трубке. Для защиты и изоляции электрических соединений на наружной стороне трубки выводы СИД ПМ и печатные платы залиты теплопроводным эпоксидным компаундом (5). Печатные платы на наружной стороне трубки с помощью проводов (4) присоединены к встроенным управляющим электронным средствам (7) внутри трубки. Данные провода проходят через отверстия в трубке, которые также герметизированы эпоксидным компаундом. На внутренней стороне трубки выполнены два паза (23), предназначенные для установки печатной платы, содержащей управляющие электронные средства (7). Тепловыделяющие компоненты (8) управляющих электронных средств термически присоединены к алюминиевой трубке. На каждом конце данной трубки имеется плотно прилегающий оконечный участок (9) с разъемами (10), размеры которых предусматривают возможность их установки в арматуру люминесцентной лампы. Охлаждающие ребра на трубке переходят в оконечности (11) с целью улучшения прохождения струи воздуха вдоль охлаждающих ребер, особенно в том случае, когда трубка установлена в вертикально расположенной арматуре. Внутри трубки создан вакуум (20) для того, чтобы избежать образования конденсированной влаги, которая может повредить управляющие электронные средства. СИД равномерно распределены вдоль трубки для обеспечения однородной освещенности (см. фиг.2). Датчики (13), предназначенные для определения движения и датчики (12) для определения спектрального распределения света, помещены снаружи трубки, а также присоединены к управляющим электронным средствам внутри трубки.
Второй предпочтительный вариант реализации данного изобретения
На фиг.4 показана конструкция источника света согласно еще одному предпочтительному варианту реализации изобретения. Алюминиевая трубка (1) на одной половине боковой стороны также выполнена в виде правильного многоугольника. Количество граней зависит от требуемого угла освещения, обеспечиваемого источником света, а также диаграммы направленности СИД.
В данном случае достаточным является наличие 3 граней. На другой половине боковой стороны трубки поверхность (16) изогнута, что обеспечивает достаточную площадь поверхности для охлаждения данной трубки, так как со временем СИД становятся более эффективными. Таким образом, изогнутая поверхность трубки работает в качестве теплоотвода. На каждой грани многоугольника также равномерно распределены светодиоды. В данном случае не как компоненты поверхностного монтажа, а как собственно СИД-чипы (17) для того, чтобы свести к минимуму себестоимость, при этом СИД-чипы термически присоединены к алюминиевой трубке и электрически подключены непосредственно к печатной плате (3) тонкими проводами (21). Вся эта конструкция залита прозрачным теплопроводным эпоксидным компаундом (19). Внутри трубки на некотором количестве многоярусных печатных плат распределены управляющие электронные средства (7). Печатные платы удерживаются на месте несколькими направляющими (18), расположенными внутри трубки. Остальная часть источника света выполнена аналогично первому варианту реализации.
Третий предпочтительный вариант реализации данного изобретения
На фиг.5 показан третий предпочтительный вариант реализации данного изобретения. Различие между этим и ранее рассмотренными вариантами заключается в том, что вместо использования нескольких отдельных СИД используется один модуль (24), состоящий из нескольких органических светоизлучающих диодов ОСИД (OLED).