ГИБРИДНАЯ ИНТЕГРИРОВАННАЯ КОМПАКТНАЯ ЛАМПА

Полезная модель относится к светотехнике и приборостроению и может быть использована при проектировании новых энергоэффективных высоконадежных гибридных источников света. Полезная модель направлена на расширение области применения интегрированной компактной лампы.
Известна интегрированная компактная лампа, содержащая корпус с цоколем для подключения к питающей сети, разрядную колбу, заполненную рабочим веществом и покрытую люминофорным слоем, с электродами на концах, механически сопряженную с корпусом, электронный пускорегулирующий аппарат с дросселем и конденсатором, выполненный в виде узла печатного монтажа на печатной плате, установленный внутри корпуса, входные выводы аппарата электрически соединены с контактами цоколя, а выходные выводы подключены по резонансной схеме к выводам электродов разрядной колбы через дроссель и конденсатор (Источники света. Каталог. - OSRAM, 2009.-С. 3.11).
Недостатком интегрированной компактной лампы является узкая область применения, что обусловлено сравнительно низкой световой эффективностью и малым сроком службы, неоптимальной кривой силы света, большим временем «разгорания» и установления заданного светового потока, износом электродов и быстрой деградацией материала разрядной колбы и люминофорног слоя из-за их загрязнения продуктами, образующимися в электрическом разряде в процессе эксплуатации, недостаточной эффективностью, примененного в лампе, принципа преобразования электрической энергии тока проводимости в световую энергию, характеризующегося повышенным износом и старением элементов и частей устройства.
Известна электронная люминесцентная лампа, содержащая корпус с цоколем для подключения к питающей сети, разрядную колбу, заполненную рабочим веществом и покрытую люминофорным слоем, с электродами на концах, механически сопряженную с корпусом, электронный пускорегулирующий аппарат с дросселем и конденсатором, выполненный в виде узла печатного монтажа на печатной плате, установленный внутри корпуса, входные выводы аппарата электрически соединены с контактами цоколя, а выходные выводы подключены по резонансной схеме к выводам электродов разрядной колбы через дроссель и конденсатор (Каталог ламп 2009/2010 гг. - GE LIGHTING, 2009. - С.74).
Недостатком интегрированной компактной лампы является узкая область применения, что обусловлено сравнительно низкой световой эффективностью и малым сроком службы, неоптимальной кривой силы света, большим временем «разгорания» и установления заданного светового потока, износом электродов и быстрой деградацией материала разрядной колбы и люминофорног слоя из-за их загрязнения продуктами, образующимися в электрическом разряде в процессе эксплуатации, недостаточной эффективностью, примененного в лампе, принципа преобразования электрической энергии тока проводимости в световую энергию, характеризующегося повышенным износом и старением элементов и частей устройства.
Известна интегрированная компактная лампа, содержащая корпус с цоколем для подключения к питающей сети, разрядную колбу, заполненную рабочим веществом и покрытую люминофорным слоем, с электродами на концах, механически сопряженную с корпусом, электронный пускорегулирующий аппарат с дросселем и конденсатором, выполненный в виде узла печатного монтажа на печатной плате, установленный внутри корпуса, входные выводы аппарата электрически соединены с контактами цоколя, а выходные выводы подключены по резонансной схеме к выводам электродов разрядной колбы через дроссель и конденсатор (Энергосберегающие лампы. Каталог. - GENERAL, 2010. - С.4).
Указанная интегрированная компактная лампа является наиболее близкойпо технической сущности к полезной модели и выбрана в качестве прототипа.
Недостатком интегрированной компактной лампы является узкая область применения, что обусловлено сравнительно низкой световой эффективностью и малым сроком службы, неоптимальной кривой силы света, большим временем «разгорания» и установления заданного светового потока, износом электродов и быстрой деградацией материала разрядной колбы и люминофорног слоя из-за их загрязнения продуктами, образующимися в электрическом разряде в процессе эксплуатации, недостаточной эффективностью, примененного в лампе, принципа преобразования электрической энергии тока проводимости в световую энергию, характеризующегося повышенным износом и старением элементов и частей устройства.
Полезная модель направлена на решение задачи расширения области применения интегрированной компактной лампы, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что в гибридной интегрированной компактной лампе, содержащей корпус с цоколем для подключения к питающей сети, разрядную колбу, заполненную рабочим веществом и покрытую люминофорным слоем, с электродами на концах, механически сопряженную с корпусом, электронный пускорегулирующий аппарат с дросселем и конденсатором, выполненный в виде узла печатного монтажа на печатной плате, установленный внутри корпуса, входные выводы аппарата электрически соединены с контактами цоколя, а выходные выводы подключены по резонансной схеме к выводам электродов разрядной колбы через дроссель и конденсатор, светодиодную матрицу, включающую один или несколько светодиодов, закрепленных на печатной плате или на корпусе со стороны разрядной колбы, и схему питания светодиодов на печатной плате, дроссель выполнен состоящим из одной или нескольких частей в форме индукторов с обмотками и сердечниками, расположенных в непосредственной близости от разрядной колбы, либо охватывающих части разрядной колбы.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является существенное расширение области применения гибридной интегрированной компактной лампы, что достигается за счет принятого нового гибридного принципа преобразования электрической энергии в световую энергию. Световая энергия вырабатывается за счет эффективного использования энергии тока проводимости дампы, энергии вихревых токов в разрядной колбе и тока через светодиоды. Три вида преобразования энергии оптимально дополняют друг друга и позволяют создать гибридную лампу с высокой световой эффективностью, максимально длительным сроком службы, что обусловлено существенным снижением скорости износа электродов и замедлением деградации материала разрядной колбы и люминофора при загрязнении продуктами, образующимися в электрическом разряде в процессе ее эксплуатации, быстрым разгоранием и установлением заданного светового потока.
Расширение области применения гибридной интегрированной компактной лампы, является полученным техническим результатом, обусловленным новым принципом преобразования энергии, особенностями новой конструкции лампы, то есть, отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемой гибридной интегрированной компактной лампы являются существенными.
На рисунке приведен пример типовой конструкции гибридной интегрированной компактной лампы.
Гибридная интегрированная компактная лампа содержит корпус 1 с цоколем 2 для подключения к питающей сети, разрядную колбу 3, заполненную рабочим веществом и покрытую люминофорным слоем, с электродами на концах, механически сопряженную с корпусом, электронный пускорегулирующий аппарат с дросселем и конденсатором, выполненный в виде узла печатного монтажа на печатной плате 4, установленный внутри корпуса, входные выводы аппарата электрически соединены с контактами цоколя, а выходные выводы подключены по резонансной схеме к выводам электродов разрядной колбы через дроссель и конденсатор, светодиодную матрицу, включающую один или несколько светодиодов 5, закрепленных на печатной плате или на корпусе со стороны разрядной колбы, и схему питания светодиодов на печатной плате, дроссель выполнен состоящим из одной или нескольких частей в форме индукторов с обмотками 6 и сердечниками 7, расположенных в непосредственной близости от разрядной колбы, либо охватывающих части разрядной колбы.
Гибридная интегрированная компактная лампа в установившемся режиме работает следующим образом. Лампа через цоколь 2 стандартного вида подключается к обычной питающей сети переменного тока. Корпус 1 является несущей конструкцией, с которой сопрягаются все остальные элементы гибридной интегрированной компактной лампы. При работе устройства часть энергии рассеивается, что приводит к разогреву элементов. Отвод тепла осуществляется, в том числе, корпусом 1. Электронный пускорегулирующий аппарат на печатной плате 4 преобразует переменное напряжение питающей сети низкой частоты в переменное напряжение повышенной частоты, необходимое для питания разрядной колбы 3 и поддержания в ней электрического разряда за счет передачи энергии от тока проводимости, протекающего через электроды колбы 3, и от вихревых токов, возникающих за счет электромагнитной индукции в плазме электрического разряда разрядной колбы 3 (от индукторов с обмоткой или обмотками 6 и сердечником или сердечниками 7). При работе устройства электронный пускорегулирующий аппарат обеспечивает требуемые параметры преобразования напряжения питающей сети (низкие пульсации выходного напряжения и тока лампы, стабилизированный выходной ток, высокий коэффициент мощности и коэффициент полезного действия). Электроны, испускаемые оксидным покрытием электродов, ускоряются электрическим полем и вызывают ионизацию атомов рабочего вещества разрядной колбы 3 и образование плазмы. Электрический разряд в колбе 3 излучает свет определенных длин волн, который преобразуется люминофором, нанесенным на ее внутреннюю поверхность, восстанавливающим недостающие части спектра с целью получения «белого» света. Энергия, как отмечено выше, поступает в объем разрядной колбы 3 по двум каналам преобразования: от тока проводимости (ток электродов) и от вихревых токов, наводимых переменным электромагнитным полем дросселя (индуктора, элементы 6, 7) за счет электромагнитной индукции. Электромагнитная индукция (поле высокой напряженности) также вызывает ионизацию атомов рабочего вещества разрядной колбы 3 и образование плазмы. Плазма представляет собой проводящую среду и разрядная колба 3 выполняет роль вторичной обмотки эквивалентного трансформатора, первичной обмоткой которого является обмотка или обмотки 6 индуктора, а сердечником трансформатора - сердечник или сердечники индуктора 7. Электрическая цепь вторичной обмотки замыкается через электроды разрядной колбы 3, в результате чего через нее дополнительно протекает ток проводимости, поддерживающий разряд. Сердечник 7 локализует магнитный поток индуктора (обмотки 6) в объеме. Потоки рассеяния индуктора (элементы 6, 7) замыкаются через части разрядной колбы 3, вызывая формирование вихревых токов в объеме. Ускоренные электроны плазмы возбуждают атомы рабочего вещества разрядной колбы 3. Переход атомов рабочего вещества в нормальное состояние вызывает излучение световых волн, в том числе, в ультрафиолетовом диапазоне. Индуктор или индукторы (элементы 6, 7) являются компонентами схемы электронного пускорегулирующего аппарата лампы, обеспечивая его работоспособность и ограничение тока проводимости через электроды разрядной колбы 3. Разрядная колба 3 включается в электрическую цепь устройства по резонансной схеме через электроды на ее концах, включающей дроссель (индуктор) и конденсатор. То есть, дроссель (элементы 6, 7) и конденсатор образуют последовательную резонансную схему, которая обеспечивает зажигание разряда в разрядной колбе 3 за счет резонанса напряжений и стабилизацию (ограничение) токов через разрядную колбу 3. На печатной плате размещается также схема питания светодиодной матрицы, включающей один или несколько светодиодов 5. Схема питания ограничивает ток светодиодов 5. Светодиоды 5 могут, например, соединяться встречно-параллельно, что позволяет наиболее эффективно электрически питать матрицу от источника переменного напряжения. Встречно-параллельное включение светодиодов 5 светодиодной матрицы (если их несколько) обеспечивает максимальную загрузку светодиодов 5 по мощности, что позволяет повысить светоотдачу и надежность работы устройства в целом. Светодиодная матрица устанавливается на печатную плату 4 узла печатного монтажа либо на корпус 1 со стороны разрядной колбы. Светодиоды 5 представляют собой энергоэффективные твердотельные источники направленного излучения и позволяют, в частности, оптимальным образом скорректировать кривую силы света гибридной интегрированной компактной лампы в заданном направлении.
Электроды разрядной колбы 3, в общем случае, могут не иметь дополнительного специального оксидного покрытия, повышающего их эмиссионные свойства. Разрядная колба 3 может быть выполнена также без люминофорного слоя, например, в лампах ультрафиолетового излучения. Рабочее вещество разрядной колбы 3 может содержать инертный газ и ртуть в свободном или связанном состоянии, например, в виде амальгамы, либо новая лампа может относиться к приборам, не содержащим ртути. Светодиоды 5 размещаются на печатной плате 4 или на крышке корпуса 1. Принцип работы гибридной интегрированной компактной лампы при этом не изменяется. Основным остается гибридный способ преобразования электрической энергии в световую энергию по трем каналам: от тока проводимости через электроды разрядной колбы 3, от вихревых токов, возбуждаемых переменным электрическим полем индуктора (элементы 6, 7) в объеме разрядной колбы 3 и от прямого тока через светодиоды 5. Разрядная колба 3 может иметь любую геометрическую форму, в том числе, форму плоской спирали или форму простой прямой трубки с электродами на концах.
По сравнению с прототипом существенно расширяется область применения новой гибридной интегрированной компактной лампы за счет качественного улучшения ее потребительских свойств и технических характеристик. Лампа становится более удобной в эксплуатации при различных применениях. Расширение области применения заявляемой лампы, по сравнению с прототипом, представляет собой новое важное потребительское качество нового гибридного устройства.
В результате уменьшения электрической нагрузки на электроды лампы снижается их износ, в частности, распыление оксидного покрытия, если оно наносится, что увеличивает срок службы и надежность работы заявляемой гибридной интегрированной компактной лампы. Отсутствие интенсивного распыления электродов обеспечивает повышение сроков службы и снижение скорости деградации люминофора и материала разрядной колбы, вызываемых их загрязнением продуктами, образующимися в объеме электрического разряда. Срок службы новой гибридной интегрированной компактной лампы, по сравнению с прототипом, может быть увеличен, не менее чем в 5÷6 раз (до 60÷80 тыс. ч). Время наработки на отказ лампы (оценка надежности работы) увеличивается, не менее чем на 100÷120% (по сравнению с прототипом).
По сравнению с прототипом повышается коэффициент полезного действия гибридной интегрированной компактной лампы. Электрическая энергия преобразуется в световую энергию по трем каналам: от тока проводимости, от вихревых токов за счет электромагнитной индукции и от прямого тока светодиодов. В результате, каждый элемент лампы является оптимальным и может быть выполнен с минимальными потерями энергии. За счет этого расширяется диапазон мощностей ламп в сторону повышенных мощностей. Электронный пускорегулирующий аппарат лампы (использование нового принципа) работает на оптимальной частоте с низкими потерями. Коэффициент полезного действия лампы увеличивается на 5÷7%. При реализации проявляется явный синергетический эффект от соединения принципов.
Дополнительно, в новой гибридной интегрированной компактной лампе обеспечивается более высокая светоотдача. По сравнению с прототипом светоотдача может возрасти до 110÷120 лм/Вт, что на 50÷60% выше, чем в известных лампах, использующих электрический разряд низкого давления, а также в светодиодных лампах. Может быть, в частности, снижено общее количество ртути (ртутный вариант) при выполнении лампы на заданную мощность и световой поток.
По сравнению с прототипом может быть существенно упрощена конструкция и снижена цена (на 12÷18%) заявляемой гибридной интегрированной компактной лампы. Это достигается в новой лампе за счет отсутствия необходимости применения электродов разрядной колбы с дополнительными (оксидными) покрытиями, уменьшения потерь мощности в элементах и снижения их загрузки по току, следовательно, за счет возможности использования элементов устройства на меньшую установленную мощность и с более низкой ценой.
По сравнению с прототипом могут быть снижены весогабаритные показатели заявляемой гибридной интегрированной компактной лампы (до 8%) за счет оптимизации конструкции.
Новая лампа может работать в более широком диапазоне рабочих температур (до -40°С), за счет улучшения условий пуска и оптимизации пусковых режимов.
Уменьшение весогабаритных показателей и расширение температурного диапазона надежной работы гибридной интегрированной компактной лампы существенно расширяет ее область применения.
По сравнению с прототипом оптимизируется кривая силы света гибридной интегрированной компактной лампы в продольном направлении. Электрическая энергия преобразуется в световую энергию, как указано выше, по трем каналам. Таким образом, новая лампа является в полном смысле гибридным световым прибором. Светодиоды представляют собой направленный источник излучения, в результате чего, кривая силы света может быть эффективно скорректирована в любом заданном направлении, в том числе, в продольном.
За счет того, что светодиоды относятся к световым приборам с практически мгновенным зажиганием, уменьшается, по сравнению с прототипом, общее время зажигания и готовности новой лампы к работе, что имеет значение для световых систем с частыми включениями.
Способность эффективно работать в осветительных системах с частыми включениями также расширяет, по сравнению с прототипом, область применения гибридной интегрированной компактной лампы.
Применение нового гибридного принципа позволяет, по сравнению с прототипом, улучшить спектральный состав излучения гибридной интегрированной компактной лампы за счет наложения спектров люминесценции и излучения светодиодной матрицы.