ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЛАМПА

Полезная модель относится к светотехнике и может быть использована при проектировании новых энергоэффективных источников оптического излучения с повышенным сроком службы. Полезная модель направлена на расширение области применения электрической (светодиодной) лампы.
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 вольфрамовой нити накала и опорной ножкой внутри, имеющей пустотелый штенгель для откачки, штабик и два проволочных электрода для электрического соединения внутренних и наружных частей, электроды соединены с контактами цоколя и контактам светоизлучающего тела, в качестве изолирующего газообразного вещества используют смесь азота с аргоном или с криптоном, имеющую давление от 0,6 до 0,8 бар при температуре окружающей среды 273 К. (Характеристики ламп накаливания. Каталог / «ГУП РМ Лисма», 2011, С. 32).
В качестве внешнего источника питания электрической лампы, относящейся к лампам накаливания, используется электрическая сеть переменного тока. Питание лампы накаливания может осуществляться и от источника постоянного тока.
Недостатком лампы накаливания является сравнительно узкая область применения, что обусловлено низкой надежностью и малым сроком службы из-за испарения материала нити накала 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 энергоэффективным электротехническим устройством, что также ограничивает 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 одной или нескольких светодиодных линеек на прозрачной подложке, электрически соединенных последовательно или последовательно и параллельно, и опорной ножкой внутри, имеющей 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, 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 (3. из. 2013114922/12. Светодиодная лампа (варианты)/ ЧЖЭЦЗЯН ЛЕДИСОН ОПТОЭЛЕКТРОНИКС КО., ЛТД (CN) //Опубл. 20.10.2014, Бюл. №37).
Недостатком электрической светодиодной лампы является сравнительно узкая область применения, что обусловлено ограниченностью возможной номенклатуры, 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 и ограничивает диапазон возможных мощностей. 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. Водород фактически не является химически инертным газом для используемых материалов колб, взрыво- и пожароопасен. Чистый водород применять не рекомендуется. Его содержание в колбе должно, по возможности, быть ограниченным. Кроме того, технология применения чистого водорода достаточно дорогостоящая. 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 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 др.) 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. Срок службы лампы снижается, а ее технические характеристики ухудшаются. Таким образом, наполнение колбы в известной конструкции, в целом, не является оптимальным. Использование большого числа электродов (и вакуумплотных впаев, соответственно) снижает надежность, повышает вероятность ухода из колбы используемого газообразного вещества и делает конструкцию ламп более дорогостоящей.
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 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. 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. Установка драйвера внутри колбы сужает диапазон мощностей и световых потоков ламп. В известной лампе ограничено и число вариантов конструкций светоизлучающего тела.
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 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, 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 (П. 152823. Электрическая осветительная лампа / Е.М. Силкин // Опубл. 20.06.2015 Бюл. №17).
Подобную конструкцию имеют в настоящее время большинство электрических ламп со светодиодами, светодиодными матрицами и светодиодными линейками (филаментные лампы). Такая лампа не является полностью герметичной. Степень защиты ее не выше IP21. Драйвер в известной лампе не изолированы от внешней среды и подвержен ее влиянию. Ответственные элементы лампы, таким образом, находятся в среде окружающего воздуха, который может содержать пары воды, агрессивные вещества в недопустимых концентрациях, механические примеси и пыль.
Известная филаментная светодиодная (электрическая 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, недостатками конструкции и наполнения колбы лампы. Установка драйвера внутри колбы сужает диапазон мощностей и световых потоков ламп. В известной лампе ограничено и число вариантов конструкций светоизлучающего тела. Размещение драйвера только в цоколе лампы ограничивает размер платы драйвера и не позволяет выполнить его с высокими техническими параметрами и на большую мощность. Недостатком светодиодной лампы рассмотренной конструкции является и сравнительно малый срок службы, что обусловлено повышенным нагревом светодиодов (из-за сравнительно малой теплопроводности используемого изолирующего газообразного вещества) и электронных элементов и узлов устройства (работой элементов драйвера в ограниченном пространстве), высокой температурой колбы и цоколя (что затрудняет применение изделия в замкнутых световых приборах), не герметичностью частей, в том числе, драйвера (что делает затруднительным использование лампы, например, при наружном освещении), относительной технической и технологической сложностью, снижающей надежность работы и сужающей область применения. Отрицательное значение имеет также сложность обеспечения хорошей электрической изоляции драйвера от элементов цоколя, находящихся под сетевым напряжением. Ограничения на размер платы драйвера и невозможность выполнения его с требуемыми техническими характеристиками не позволяют обеспечить хороший режим и надежность работы светодиодов, самого драйвера и лампы в целом. Отмеченные факторы существенно снижают срок службы известной светодиодной лампы и сужают область ее применения.
Полезная модель направлена на решение задачи расширения области применения электрической лампы, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что в 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 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 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, в качестве изолирующего газообразного вещества используют смесь водорода с инертным газом или смесь водорода с азотом, или смесь водорода, инертного газа и азота, имеющую давление от 0,3 до 2,5 бар при температуре окружающей среды 273 К.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является расширение области применения электрической лампы за счет улучшения конструкций и существенного расширения возможной номенклатуры изделий, а также оптимизации наполнения колбы лампы. В новой лампе возможно изолирование ответственных элементов и узлов лампы 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 лампы, качественная электрической изоляция драйвера, выполнение драйвера и его частей с более высокими техническими характеристиками. Используемое изолирующее оптически прозрачное и химически инертное газообразное вещество оптимизировано по составу и давлению, что обеспечивает широкий диапазон мощностей и световых потоков в типоисполнениях электрической лампы.
Расширение области применения электрической лампы достигается всей совокупностью признаков, в том числе новыми элементами и связями, новыми вариантами конструкции и новыми составами и характеристиками изолирующего наполнения колбы лампы, 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). Изображен вариант реализации электрической светодиодной лампы с драйвером, разделенным на две части (устанавливаемые внутри цоколя и внутри колбы).
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 4 внутри, имеющей пустотелый штенгель 5 для откачки, штабик 6 и два проволочных электрода 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. В качестве изолирующего газообразного вещества используют смесь водорода с инертным газом или смесь водорода с азотом, или смесь водорода, инертного газа и азота, имеющую давление от 0,3 до 2,5 бар при температуре окружающей среды 273 К.
Электрическая лампа в установившемся режиме работает следующим образом. Через цоколь 2 стандартного вида (Е27) электрическая 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 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 4, соединены с входными выводами платы драйвера (части драйвера) 8. Светодиодная матрица (светодиод или несколько светодиодов, матрицы, линейка или линейки) светоизлучающего тела 3 электрически соединена с выходными выводами платы драйвера (части драйвера) 8. Вся конструкция 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. При питании на переменном токе электрическая схема соединения светодиодов светоизлучающего тела 3 отличается от схемы на постоянном токе. 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 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 может быть снабжен одним (или несколькими) проволочным держателем или иметь отформованный специальным образом конец, например, с необходимыми плоскостями для прижима светодиодов или светодиодных матриц.
Колба 1 заполнена изолирующим (буферным) газом. Откачка и заполнение внутреннего объема колбы 1 осуществляется через откачной (пустотелый) штенгель 5 опорной ножки 4. 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. 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. 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). 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 обеспечивают хорошую теплопроводность, Добавки гелия ограничивают содержание водорода в смеси, не увеличивая существенно цену, и не снижая в больших пределах ее теплопроводности. Азот повышает электрическую прочность смеси. Обьем колбы 1 и ее форма в лампе 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 светодиоды и (или) матрицы светоизлучающего тела 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 (3).
В таблице представлены значения коэффициентов теплопроводности изолирующих (буферных) газов при температуре близкой к нулю (273 К) градусов (кроме элегаза) по Цельсию, которые принципиально могут быть применены в новых электрических светодиодных лампах.
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 светодиодных лампах следует использовать технические стекла, аналогичные
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 и низкой электрической прочности) и не целесообразно (из-за 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 также сравнительно высокую проникающую способность. Чистый водород для используемых материалов колб 1 может быть и химически активным. Поэтому заполнять им (или двухкомпонентными смесями водорода с гелием) колбы 1 в электрических светодиодных лампах предлагаемой конструкции также не рекомендуется. Однако диффузии водорода в материал и через стенки колбы 1 и химическим реакциям может препятствовать «тяжелый» инертный газ или азот. Применение дополнительных газовых компонентов ограничивает предельное содержание водорода в смеси и, в полной мере, нивелирует его недостатки. При этом водород имеет значительно 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 светодиодных лампах с повышенными техническими характеристиками 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 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 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 через стенки и внутрь материала колбы 1, а также, в ряде случаев, экономическими причинами. Электрическая прочность смесей возрастает с ростом давления. Цена используемых газов и газовых смесей имеет исключительно важное значение, так как влияет на конечную цену изделия при производстве. В этой связи перспективным является применение в заявляемой электрической светодиодной лампе водорода, неона и азота. 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 в электрических светодиодных лампах (как и азот). Принципиально его можно использовать в смеси 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 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 лампа прототип будет иметь степень (класс) защиты от внешних воздействий не выше IP20. Заявляемая лампа может характеризоваться 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 может эффективно использоваться как для внутреннего, так и наружного освещения. Область применения электрической ламы расширяется.
Новая конструкция электрической светодиодной лампы позволяет разработать и применить драйверы постоянного или переменного тока с гораздо более высокими техническими характеристиками, чем в лампе прототипе, и обеспечить, как отмечено выше, качественную электрическую изоляцию самого драйвера. Это повышает надежность работы и увеличивает средний срок службы электрической светодиодной лампы. Повышение надежности работы и среднего срока службы лампы (по вышеперечисленным причинам) значительно расширяет 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 работы, обеспечивает стабильную и надежную работу электрической светодиодной лампы.
Новая лампа может быть выполнена на большую мощность и больший световой поток (до 10…13 Вт и до 1000…1500 лм). Лампа прототип имеет ограничение на мощность (до 8 Вт) и световой поток (до 800 лм).
Дополнительно, новая лампа (для некоторых типоисполнений) может быть и более технологичной (по сравнению с лампой прототипом), что снижает ее цену. Снижение цены и увеличение срока службы за счет улучшения конструкции расширяют область применения заявляемой электрической светодиодной лампы.
Цена новой лампы может быть снижена и за счет снижения цены наполнения колбы (использование водорода и азота). В частности, при реализации на некоторые мощности (за счет высокой теплопроводности водорода) газовая смесь может иметь существенно более низкую конечную цену.
Срок службы новой электрической светодиодной лампы (согласно экспертной оценки и результатов анализа отказов) может превышать срок службы лампы прототипа в 1,6…1,9 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 заявляемой 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.