СВЕТОДИОДНАЯ ЛАМПА
LIGHT DIODE LAMP

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой светотехнике, в частности к лампам на светодиодах различных цветов излучения в оптическом диапазоне спектра, в т.ч. на светодиодах белого свечения или на светодиодах фиолетового или синего излучения с преобразованием его в белое свечение при помощи люминофоров.
Светодиодные лампы предназначены для замены ламп накаливания, галогенных ламп накаливания и компактных люминесцентных ламп /КЛЛ/, используемых для общего освещения в составе осветительных приборов промышленного и бытового назначения, для применения в специальной осветительной и светосигнальной аппаратуре.
Исследования светодиодных ламп прямой замены ламп накаливания, обсуждаемые, например, в [1 и 2] подтверждают, что применяемые в них светодиоды белого свечения имеют КПД, в 8-10 раз больший, а срок службы достигает 100 тыс.часов, т.е. эти параметры существенно выше чем для ламп накаливания и КЛЛ.
Однако при проектировании светодиодных ламп на основе таких светодиодов, особенно для эксплуатации в промышленной сети переменного табака, названные параметры не достигнуты. Существуют серьезные трудности, связанные с подбором малогабаритного электронного преобразователя питающей сети с высоким КПД и построенного на компонентах, имеющих срок службы, приближающийся к сроку службы светодиодов. Не решены также для ламп повышенной мощности проблемы отвода тепла как от светодиодов, так и от электронных компонентов преобразователя, существенно влияющих и снижающих светоотдачу и срок службы не только светодиодов, но также срок службы преобразователей.
Кроме того, применяемые в лампах для отвода тепла радиаторы охлаждения громоздки, затрудняют получение требуемого светораспределения лампы более чем в полусферу, требуют в ряде случаев использования дополнительной светорассеивающей оптики, также снижающей светоотдачу лампы и ощутимо повышающей ее стоимость.
Рассмотренные обстоятельства оставляют не решенной проблему создания эффективной светодиодной лампы повышенной мощности с приемлемыми габаритами радиаторов охлаждения для замены ламп накаливания и КЛЛ.
Известна лампа на мощных светодиодах [3], содержащая собранные на индивидуальных, выполненных в виде лепестков радиаторах охлаждения, светодиоды с токоведущими элементами и преобразователь питающей сети, установленный в камере, примыкающей к названным радиаторам охлаждения.
Недостатки аналога обусловлены сравнительно низким коэффициентом эффективности теплоотвода от преобразователя, что затрудняет существенное повышение мощности лампы.
Известна светодиодная лампа белого свечения [4], содержащая светодиодный излучатель с мощными светодиодами, собранными в тепловом контакте на радиаторе охлаждения и заключенными в оптически прозрачную, заполненную газом колбу, покрытую люминофором, преобразующим коротковолновое, излучение светодиодов в белое свечение, и электронный преобразователь питающей сети, установленный внутри выступающего из колбы в окружающее пространство составного радиатора охлаждения и корпуса лампы с цоколем.
Недостатки прототипа связаны с ограниченной возможностью повышения мощности лампы из-за недостаточной эффективности теплоотвода, учитывая существенные потери мощности электронного преобразователя, имеющего КПД 0,75-0,8 и рассеивающего тепло внутри лампы, вызывающего ухудшение светотехнических параметров и срока службы.
Недостатки прототипа обусловлены также тем, что отдельные компоненты электронных схем применяемых преобразователей в условиях повышенной температуры, например фильтрующие ток нагрузки конденсаторы, имеют срок службы в 2-3 раза ниже срока службы светодиодов, определяют более низкий срок службы неразборных светодиодных ламп с этими преобразователями.
Целью предлагаемого изобретения является улучшение теплофизических параметров светодиодной лампы, повышение светоотдачи и срока службы при одновременном улучшении эксплуатационных характеристик лампы за счет предусмотренной возможности замены ее составных частей в процессе эксплуатации.
Поставленная цель достигается тем, что в светодиодной лампе, содержащей светодиодный излучатель, выполненный в виде собранных на радиаторе охлаждения светодиодами и корпус лампы с цоколем и установленным в нем электронным преобразователем питающей сети, подключенным к светодиодам средствами токоподвода, вышеупомянутый радиатор охлаждения светодиодного излучателя теплоизолирован от корпуса лампы с цоколем и электронным преобразователем питающей сети.
Цель достигается также тем, что радиатор охлаждения светодиодного излучателя теплоизолирован от корпуса лампы воздушным зазором с возможностью электрического и механического соединения между собой посредством по меньшей мере одного ниппеля с установленными внутри средствами токоподвода.
Поставленная задача решается и тем, что радиатор охлаждения светодиодного излучателя теплоизолирован от корпуса лампы переходником из материала с низкой теплопроводностью, выполненным, например, в виде электромеханического разъема, подключенного средствами токоподвода к светодиодному излучателю и к электронному преобразователю питающей сети, в корпусе лампы с цоколем, и механически сопряженного с ними.
Цель достигается и тем, что радиатор охлаждения светодиодного излучателя и корпус лампы с электронным преобразователем питающей сети и цоколем выполнены разъемными с возможностью электрического и механического сопряжения между собой и индивидуальной взаимозаменяемости их в условиях эксплуатации.
Решение задачи достигается также тем, что радиатор охлаждения светодиодного излучателя выполнен составным в виде полого правильного многогранника, например усеченного икосаэдра, или правильной пирамиды, в частности усеченной пирамиды, на по крайней мере части граней которых смонтированы светодиоды, установленные в тепловом контакте с оребренным держателем, имеющим осевое отверстие для размещения средств токоподвода и сопряжения с ниппелем или электромеханическим разъемом.
Достижению цели способствует и то, что по меньшей мере часть граней полого многогранника составного радиатора охлаждения светодиодного излучателя находятся в тепловом контакте с дополнительным теплоотводящим элементом, например, в виде кронштейна, соединяющего грани с оребренным держателем.
Цель достигается и тем, что часть составного радиатора охлаждения светодиодного излучателя заключена в заполненную газом, например, теплопроводным инертным газом, оптически прозрачную колбу таким образом, что другая часть этого радиатора, выполненная с оребрением, выступает из колбы в окружающее лампу пространство.
Достижению цели способствует также то, что стенки корпуса лампы, примыкающие к электронному преобразователю питающей сети, выполнены с ребрами охлаждения или с вентиляционными отверстиями для рассеивания тепла, выделяемого указанным преобразователем.
Решению поставленной задачи способствует и то, что корпус лампы с электронным преобразователем питающей сети через кольцевой изолятор сопряжен и подключен к стандартному цоколю, например, типа E14, Е27 или Gy9,5.
Предпочтительные варианты исполнения лампы согласно предлагаемому изобретению показаны на чертежах.
Фиг.1. Светодиодная лампа с теплоизоляцией радиатора охлаждения светодиодов от корпуса с преобразователем воздушным зазором с ниппелем. Вид сбоку, частично в разрезе.
Фиг.2. Продольное сечение части составного радиатора охлаждения лампы, показанной на фиг.1.
Фиг.3. Разъемная светодиодная лампа с теплоизоляцией радиатора охлаждения светодиодов от корпуса с преобразователем электромеханическим разъемом. Вид сбоку, частично в разрезе.
Показанный на фиг.1 и 2 вариант исполнения светодиодной лампы содержит светодиодный излучатель с мощными светодиодами I, собранными в тепловом контакте на гранях составного радиатора охлаждения, выполненного в виде полого правильного многогранника, в частности усеченного икосаэдра 2, имеющего 15 треугольных граней, установленного отбортовкой 3 в тепловом контакте на плосковыпуклом держателе 4 с ребрами охлаждения 5 и осевым отверстием 6.
На оребренном держателе 4, образующем вместе с усеченным икосаэдром 2 составной радиатор охлаждения светодиодного излучателя лампы, может быть установлен дополнительный теплоотводящий элемент, выполненный, например, в виде кронштейна 7 /см. фиг.2/, соединяющего в тепловом контакте преимущественно верхние грани усеченного икосаэдра со светодиодами I с оребренным держателем.
Внутри усеченного икосаэдра 2 может быть установлено бóльшее количество теплоотводящих элементов, соединяющих грани со светодиодами, для улучшения кондуктивной теплопередачи от них на оребренный держатель 4 и в окружающее лампу пространство. Кроме того, на гранях упомянутого икосаэдра могут быть выполнены вентиляционные отверстия /не показаны/ для интенсификации конвективного теплообмена.
При использовании в лампе светодиодов повышенной мощности /2-3 Вт/ на части боковых граней усеченного икосаэдра, примыкающих к его верхним 5-ти граням, по оси ZZ лампы светодиоды не устанавливают, увеличивая тем самым теплорассеивающую рабочую поверхность радиатора.
Лампа содержит также корпус 8, в котором установлен электронный преобразователь 9 питающей сети с выходными контактами, подключенными к светодиодам I средствами токоподвода 10, расположенными в осевом отверстии 6 оребренного держателя 4.
Преобразователь 9 входными контактами подключен к стандартному цоколю 11, например, типа E14 или Е27, установленному на кольцевом изоляторе 12 корпуса 8, для подключения лампы к питающей сети.
Преобразователь 9, выполненный, например, в виде моноблока, залитого теплопроводным электроизоляционным компаундом типа "Номакон", установлен в тепловом контакте со стенками корпуса 8, который может быть изготовлен с ребрами 13 охлаждения, обеспечивающими теплообмен с окружающей лампу средой.
Собранные в тепловом контакте между собой составные части 2, 4 и 7 /см. фиг..2/ радиатора охлаждения светодиодного излучателя лампы, а также корпус 8 лампы с ребрами 13 охлаждения выполнены из теплопроводного материала, преимущественно на основе алюминиевых сплавов.
Составной радиатор охлаждения светодиодного излучателя лампы со светодиодами 1 теплоизолирован от оребренного корпуса 8 лампы с установленным в нем рассеивающим тепло электронным преобразователем 9 питающей сети и цоколем 11.
При этом в одном из вариантов исполнения лампы теплоизоляция радиатора охлаждения светодиодного излучателя от корпуса 8 лампы достигается за счет образования воздушного зазора между ними с возможностью электрического и механического соединения указанных составных частей лампы между собой посредством по меньшей мере одного ниппеля 14 с установленными внутри средствами токоподвода 10 от преобразователя 9 к светодиодам I светодиодного излучателя.
Ниппель 14 сопрягается с гнездом, соосным с отверстием 6 оребренного держателя 4 светодиодного излучателя, а противоположным концом с отверстием в корпусе 8 лампы.
Ниппель 14 может быть выполнен в виде патрубка единой детали с корпусом 8 или держателем 4 /не показано/.
Существенно меньшее поперечное сечение ниппеля 14 по сравнению с сечением корпуса 8 исключает ощутимую передачу тепла, генерируемого электронным преобразователем 9, к составному радиатору охлаждения со светодиодами 1.
Для светодиодной лампы с высокой степенью защиты в одном из вариантов исполнения часть составного радиатора охлаждения светодиодного излучателя, включая усеченный икосаэдр 2 со светодиодами 1, может быть заключена в оптически прозрачную колбу 15, выполненную из силикатного стекла, заполненную газом, например теплопроводным инертным газом аргоном при нормальном или пониженном давлении. При этом другая часть радиатора - наружная часть держателя 4 с ребрами охлаждения 5 выступает из колбы 15 в окружающее лампу пространство, обеспечивая рассеивание тепла, генерируемого светодиодами 1 внутри колбы.
Наличие воздушного зазора между оребренным корпусом 8, рассеивающим тепло, выделяемое электронным преобразователем 9, и составным радиатором охлаждения светодиодов 1 позволяет увеличить площадь рассеивающей тепло поверхности оребрения держателя 4, повысив тем самым эффективность кондуктивно-конвективного отвода тепла от светодиодов из колбы лампы.
В качестве мощных светодиодов в лампе могут быть использованы, например, светодиоды белого свечения типа XPEWHT-LI-0000-00B01 фирмы GREE мощностью более 1 Вт с прямым током 350 мА и углом излучения ~115° [5], либо подходящие светодиоды фирмы НПЦ "ОПТЭЛ", Москва.
Компактный электронный преобразователь 9 питающей сети может быть выполнен, например, на основе микросхемы LNK605DG фирмы Power Integrations Inc. [1] и изготовлен в виде цилиндрического моноблока, формованного из теплопроводного электроизоляционного компаунда.
Второй вариант исполнения светодиодной лампы, показанный на фиг.3, содержит светодиодный излучатель с составным радиатором охлаждения в виде полого правильного многогранника - правильной пирамиды, в частности усеченной пирамиды, на гранях 16 и верхнем основании которой смонтированы мощные светодиоды 17. Усеченная пирамида со светодиодами установлена в тепловом контакте на плосковыпуклом оребренном держателе 18 с осевым отверстием для размещения средств токоподвода 19 и гнездом, в котором размещен переходник из материала с низкой теплопроводностью, выполненный, например, в виде электромеханического разъема 20, подключающего светодиодный излучатель к электронному преобразователю 21 питающей сети, собранному в корпусе 22 лампы, и теплоизолирующего их друг от друга.
Разъем 20, изготовленный из реактопласта или керамики с низкой теплопроводностью, содержит установленную в гнезде оребренного держателя 18 радиатора охлаждения светодиодного излучателя вилку 23 с ножевыми или цилиндрическими контактами, подключенными к светодиодам 17, и розетку 24, установленную в стенке корпуса 22 лампы и подключенную к выходным контактам 25 преобразователя 21, входные контакты 26 которого подключены к собранному на изоляторе корпуса лампы двухштырьковому, преимущественно керамическому цоколю 27, например, типа Gy 9,5. В корпусе 22 могут быть выполнены вентиляционные отверстия.
Вилка 23 и розетка 24, в частности, цилиндрического разъема 20 дополнительно механически соединены между собой стягивающей кольцевой втулкой 28, установленной по резьбе и упирающейся в стопорное кольцо, выполненное на одной из секций разъема.
Таким образом, наряду с электрическим и механическим соединением радиатора охлаждения светодиодного излучателя и корпуса 22 лампы с преобразователем 21 и цоколем 27 разъем одновременно теплоизолирует их друг от друга, практически исключая кондуктивный теплообмен между ними.
При этом радиатор охлаждения светодиодов 17 светодиодного излучателя и корпус 22 лампы с электронным преобразователем 21 питающей г сети и цоколем 27 выполнены разъемными за счет применения состоящего из двух секций разъема 20, обеспечивающего разъемное соединение составных частей лампы с возможностью электрического и механического сопряжения между собой и индивидуальной взаимозаменяемости в условиях эксплуатации.
Предложенные варианты исполнения светодиодных ламп обладают существенно улучшенными теплофизическими параметрами за счет минимизации влияния /на 15-25%/ тепловыделения электронных компонентов преобразователя питающей сети на работу светодиодов излучателя, улучшения условий теплообмена его радиатора охлаждения с окружающей средой, повышения коэффициента эффективности теплоотвода одновременно как от светодиодов, так и от преобразователя, способствуя тем самым увеличению реальной светоотдачи и срока службы ламп до уровня, приближающегося к параметрам единичных светодиодов.
Одновременно улучшены эксплуатационные характеристики светодиодной лампы за счет выполнения ее конструкции разъемной и тем самым предусматривающей возможности замены ее важнейших узлов в процессе эксплуатации, в частности замены электронного преобразователя, имеющего более низкий срок службы по сравнению со светодиодным излучателем.
Литература
1. Сильвестра Фимиани. "Замена традиционной лампы накаливания". Ж. "Современная светотехника", №1 /01/, ноябрь 2009 г., с.30-31.
2. С.И.Лишик, А.А.Паутино, В.С.Поседько и др. "О светодиодных лампах прямой замены". Ж. "Светотехника", №1, 2010 г., с.48-54.
3. Патент на ИЗ РФ №2347975, кл. F21S 8/00. Опубл. Бюл. №6, 27.02.09.
4. Заявка на ИЗ РФ №2009102486/28, приор. 27.01.2009 г., кл. F21S 8/00. Решение о выдаче пат. 19.07.10. "Светодиодная лампа белого свечения".
5. Каталог фирмы "ProSOFT", 2009 г. "Мощные светодиоды GREE", с.30.