СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТИЛЬНИК

Изобретение относится к светотехнике, в частности к светодиодным светильникам и может быть широко использовано для наружного уличного освещения. Известно «Светодиодное осветительное устройство», содержащее монтажную плату, на которой размещена матрица из светодиодов, расположенных на оптических осях, в фокальных плоскостях конденсаторных линз-секций, образующих первый по ходу оптического луча линзовый растр и внешний рассеиватель, представляющий собой второй по ходу оптического луча линзовый растр, причем число линз первого линзового растра равно числу светодиодов, при этом в дополнительно введено устройство для позиционирования светодиодов в виде оправы с отверстиями.
Патент РФ на изобретение №2189523, МКИ: F21V 5/00, публ. 2002.09.20.
Известен «Светодиодный потолочный светильник» выполненный в виде прямоугольной плоской фигуры, внутри которой на печатных платах расположены светодиоды с источником питания, при этом его фронтальная сторона выполнена из светопрозрачного материала, содержащего светорассеивающие частицы, противоположная сторона светильника имеет светоотражающее покрытие, торцевые стороны светильника выполнены из алюминиевого профиля с радиаторными ребрами охлаждения, в профиль вмонтированы печатные платы с расположенными на них светодиодами, соединенными между собой в электрическую сеть параллельным способом, печатные платы соединены между собой разъемами. При этом в местах расположения светодиодов на фронтальной стороне светильника имеются полукруглые сквозные отверстия.
Патент РФ на пол. модель №104809 МКИ: Н05К 5/00, дата публ. 2011.20.
Известен «Светодиодный светильник», содержащий плату из электроизоляционного материала, на поверхности которой имеются токопроводящие площадки, образующие со светодиодными источниками излучения, установленными в центральных частях токопроводящих площадок, электрическую цепь, отличающийся тем, что токопроводящие площадки, расположены на плате последовательно и равномерно по всей длине платы, занимают всю конструктивно допустимую поверхность платы за исключением защитных интервалов между проводниками электрической цепи, при этом соотношения линейных размеров соответствующих сторон светодиодных источников излучения и токопроводящих площадок описываются системой неравенств (1)-(3):
2,2≤а1/а≥5,8 (1)
1,8≤в1/в≥5,2 (2)
0,25≤в1/а1≥4 (3)
где а, в - линейные размеры сторон светодиодных источников излучения;
а1/в1 - линейные размеры сторон токопроводящих площадок.
Патент РФ на пол. модель №118472 МКИ: F21V 5/04, дата публ. 2011.11.27.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является «Светодиодный светильник», содержащий корпус из теплопроводного материала, расположенный в корпусе источник света, выполненный из одного или группы светодиодов, две крышки, установленные на торцах корпуса, лицевую панель с одним расположенным напротив источника света прозрачным оптическим элементом, формирующим световой поток светильника и источник питания, при этом по крайней мере на одной наружной поверхности корпуса выполнены продольные ребра, светодиоды расположены на, по крайней мере, на одной печатной плате, установленной на внутренней поверхности корпуса с возможностью эффективного теплопереноса, оптический элемент образован защитным стеклом, имеющим локальные и/или регулярные ребра, повторяющие форму ребер корпуса, светильник снабжен дополнительным корпусом, а источник питания размещен в дополнительном корпусе.
Патент РФ на пол. модель №110816, МКИ: F21V 5/04, дата публ. 2011.11.27.
Техническим результатом предлагаемого в качестве полезной модели светодиодного светильника является повышение энергоэкономичности светильника при уличной эксплуатации, что достигается за счет конструктивных особенностей светильника и возможности регулирования мощности светильника с помощью блока управления и варьирования мощности излучения светодиодов в зависимости от естественной освещенности.
Технический результат достигается тем, что «Светодиодный светильник, содержит корпус из теплопроводного материала, расположенный в корпусе источник света, выполненный из группы светодиодов, расположенных на внутренней поверхности корпуса на светодиодных матрицах. Корпус снабжен двумя наружными панелями, а с торцов двумя крышками. Одна из наружных панелей выполнена с продольными ребрами, а на другой лицевой панели светильника выполнен прозрачный оптический элемент, расположенный напротив источника света. При этом корпус устройства снабжен основанием, в виде алюминиевого теплоотводящего профиля, состоящего из трех соединенных между собой частей. Центральный профиль основания выполнен с двумя пазами по центру, служащими для установки в них блоков питания, и двумя пазами симметрично расположенными по краям. Каждый из пазов, расположенных по краям, служит для крепления в них сторон двух боковых профилей, выполненных фигурными с зубчатыми элементами, что способствует увеличению их площади и соответственно увеличению эффективности теплопереноса. Между других свободных сторон боковых профилей установлен оптический элемент, формирующий световой поток светильника. Светоотражающий элемент расположен по внутреннему периметру теплоотводящего профиля основания и выполнен с пазами, в которых расположен источник света в виде двух светодиодных матриц, подключенных к источникам питания, а на лицевой панели выполнен оптический элемент, который в центральной части снабжен продольным изгибом, направленным внутрь корпуса. Оптический элемент в свою очередь вставлен в держатель в виде прямоугольного окошка со скругленными углами. На поверхности одной из торцевых крышек расположен датчик освещенности. Кроме того, устройство подключено к блоку управления и варьирования мощности излучения светодиодов в зависимости от естественной освещенности.
Блок управления и варьирования мощности излучения светодиодов снабжен индивидуальным интерфейсом беспроводной связи для точной регулировки светового потока, режимов работы и возможности мониторинга режимов функционирования светильника с использованием интегрального трансивера, а также приемником GPS или GPS/ГЛОНАСС для определения точной географической координаты места установки светильника и определения точного времени и точного времени восхода-захода солнца.
Светодиодный светильник поясняется чертежами на фигурах 1, 2, 3, 4 и 5.
Фиг.1 - светодиодный светильник (общий вид со стороны лицевой панели);
Фиг.2 - светодиодный светильник (общий вид со стороны верхней панели с ребрами);
Фиг.3 - светодиодный светильник (вид основания светильника в разрезе);
Фиг.4 - светодиодный светильник, оптический элемент в виде боросиликатного стекла
Фиг.5 - схема подключения светодиодного светильника к блоку управления и варьирования мощности излучения.
Светодиодный светильник, согласно фиг.1, 2, 3, 4 и 5, содержащий корпус 1, две крышки 2 и 3, установленные на торцах корпуса, две наружные панели корпуса, одна из которых 4 снабжена продольными ребрами, а на другой лицевой панели 5 светильника выполнен прозрачный оптический элемент 6. Корпус 1 устройства снабжен основанием, в виде алюминиевого теплоотводящего профиля, состоящего из трех соединенных между собой частей: центрального профиля 7 и двух боковых профилей 8 и 9, выполненных в виде фигурной зубчатой решетки. В профиле 7 расположены по центру два паза 10, в которы установлены два блока питания 11, и два паза 12 по краям, каждый из которых служит для крепления в них одних из сторон двух боковых профилей 8 и 9, между свободных сторон боковых профилей 8 и 9 в свою очередь с помощью пластмассовых деталей установлен оптический элемент 6. Светоотражающий элемент 13 расположен по внутреннему периметру теплоотводящего профиля основания, и служит для установки в нем источника света в виде двух светодиодных матриц 14, симметрично расположенных с двух сторон от блоков питания 11 и подключенных к ним. На лицевой панели 5 выполнен держатель 15 для оптического элемента 6 в виде прямоугольного окошка со скругленными углами. Оптический элемент 6 центральной части снабжен продольным изгибом 16, направленным внутрь корпуса. На поверхности торцевой крышки 2 расположен также датчик освещенности 17, кроме того, устройство снабжено блоком управления и варьирования мощности излучения светодиодов 18 в зависимости от естественной освещенности.
Блок управления и варьирования мощности излучения светодиодов 18 снабжен индивидуальным интерфейсом беспроводной связи для точной регулировки светового потока, режимов работы и возможности мониторинга режимов функционирования светильника с использованием интегрального трансивера, а также приемником GPS или GPS/ГЛОНАСС для определения точной географической координаты места установки светильника, определения точного времени и точного времени восхода -захода солнца.
В качестве источников света используются две матрицы 14 из светоизлучающих светодиодов. Светильник содержит основание из алюминиевых профилей 7, 8 и 9, соединенных между собой (фиг.3), образующих несущую часть конструкции, а так же выполняющих теплоотводящую и теплорассеивающую функцию. Эстетическая составляющая достигается использованием пластмассовых корпусных частей. Все пластмассовые части выполнены из специального материала PA66-G30, выдерживающего высокие ударные нагрузки и не подверженного старению при воздействии ультрафиолетового облучения и сложных погодных условий. Специальная система гидроизоляции и уплотнений позволяет добиться пыле- и влаго-защиты по IP53 классу. Светильник разрабатывался как замена уже используемых уличных светильников ДРЛ и ДНат. Конструкция оптимизирована для установки на уже существующие опоры наружного освещения и контактных сетей городского транспорта серии 3.320-1. А также на существующие консольные подвесы взамен светильников с газоразрядными лампами ДРЛ-250/400 и ДНат 250/400 с полным перекрытием диапазона светового потока светильников с указанными лампами за счет индивидуальной точной настройки, выполняемой индивидуально для каждого светильника. Оптическая камера светильника защищена боросиликатным стеклом 6 (фиг.4), имеющим высокую оптическую прозрачность и не изменяется под действием УФ излучения. А так же обеспечивает высокую прочность светильника.
Светильник обладает следующими характеристиками:
1. высокая светоэффективность на затраченную единицу электроэнергии (более 110 Лм/Вт)
2. выдающиеся показатели энергоэкономичности при реальной уличной эксплуатации, достигаемые за счет индивидуального регулирования мощности каждого светильника дистанционно, средствами высокого уровня индивидуальной встроенной автоматики регулирования мощности
3. высокая надежность светильника за счет дублирования важнейших компонентов
4. автоматическая коррекция мощности светильника в компенсацию деградации светового потока источника света и ухудшении характеристик оптической подсистемы
5. высокая стойкость к негативным внешним факторам реальной уличной эксплуатации
6. повышенное удобство монтажа светильника за счет высокой проработанности конструкции
7. комфортный режим работы светильника с точки зрения стороннего наблюдателя
Конструкция светильника обеспечивает его легкую установку на опору и удобный доступ к элементам электромонтажа. Это достигается за счет вставки-изолятора расположенной в нижней части центрального профиля 7, выполненной из диэлектрического прочного пластика и конструктивно обеспечивающей беспрепятственны прой выход проводов из опоры в зону электромонтажа. На вставке предусмотрены винтовые клемники, упрощающие процесс коммутации.
Блоки питания 11 (фиг.3) установлены в пазах 10 центрального профиля 7 основания светильника, что обеспечивает большую площадь теплового контакта и надежно фиксируются от смещения винтом.
Обычно, светодиодные светильники на основе матриц из светоизлучающих светодиодов имеют характерные проблемы с отводом тепла от источников света, что либо увеличивает материалоемкость их корпусов и, как следствие, массу, либо снижает их надежность из-за перегрева источников chip-кристаллов светоизлучающего диода. Это является очень важным фактором, так как требования по количеству времени работы светильника до выхода его из строя для современных светодиодных светильников составляют 25000 часов. В данном светильнике светодиодные матрицы 14, разнесены на достаточно большое расстояние друг от друга, для обеспечения требуемого охлаждения. Центральный профиль 7 основания снабжен пазами 12 для присоединения боковых профилей 8 и 9, выполняющих роль радиаторов для светодиодных матриц 14. Форма боковых профилей 8 и 9, через пазы 12, с помощью которых они присоединены к центральному профилю 7, позволяет переносить излишки тепла на центральную часть светильник для его лучшего рассеивания. Так как с расположенных в несущем профиле блоков питания требуется рассеивать суммарную мощность всего в ≤10 Вт, то благодаря хорошему теплопереносу с боковых профилей на центральную часть светильника, улучшается охлаждение LED-матриц, с каждой из которых требуется отводить порядка ≤60 Вт тепла. Кристаллы светодиодов приклеены специальным клеем на медную подложку и разведены между собой золотой проволокой последовательно-параллельно и образуют единую LED-матрицу. На подложке винтом закреплен термодатчик, подключенный в свою очередь, с помощью разъема microfit к плате управления 18. Каждая из матриц 14 имеет индивидуальный блок питания 11, работающий от сети 220 В. Оба блока 11 соединены с платой управления 18 с помощью разъемов microfit.
В конструкции впервые применена система индивидуального регулирования светодиодного светильника с использованием GPS/ГЛОНАСС приемника для определения и синхронизации времени. Принцип работы данной системы заключается в том, что светильник содержит управляющую плату с GPS/ГЛОНАСС приемником, а так же контроллер с таблицей часовых поясов и датчик освещенности. Это позволяет получать точные координаты места установки светильника и время. Точно зная время заката и рассвета для конкретного места установки, автоматика светильника подберет наиболее оптимальный режим его работы.
Например: Работа светильника состоит из 5 фаз*:
Закат (18:00-19:59) - мощность светильника 50%
Вечер (20:00-23:59) - мощность светильника 100%
Ночь (0:00-3:59) - мощность светильника 70%
Рассвет (4:00-5:59) - мощность светильника 50%
День (6:00-17:59) - мощность светильника 5%
Таким образом достигается экономия электроэнергии, так как светильник работает на полную мощность только когда это необходимо. Только благодаря различию фаз дня и ночи в работе светильника, он в 1,36 раза эффективнее в период с 18:00 по 5:59, так как работает с различной мощностью, а не с полной мощностью в 100%.
Более точная настройка светильника под конкретные условия эксплуатации возможна через индивидуальный беспроводной интерфейс.
Фаза «День» ограничивает мощность светильника 5% и позволяет проводить контроль работоспособности и другие технические работы, сопряженные с включением уличного освещения в дневное время, без риска повредить светодиодные матрицы перегревом и не вызывая лишнего перерасхода электроэнергии. Этот режим необходим и с экономической точки зрения, так как зачастую при проведении различных регламентных работ осветительные приборы бывают включены в дневное время на полною мощность на продолжительное время, что приводит к большим перерасходам электроэнергии. Так же светильник оснащен датчиком освещенности 17, данные с которого поступают на управляющую плату блока управления 18 и используются для корректировки режимов работы.
Повышение энергоэкономичности и надежности светодиодного светильника достигается дублированием LED-матриц на общем радиаторе и дублирование источников питания. Наработка на отказ для chip-кристаллов в LED-матрицах по datasheet производителей составляет 50000-100000 часов, тогда как наработка на отказ блоков питания составляет порядка 15000 часов. Из-за этого в настоящее время наиболее слабым звеном в светодиодных светильниках являются блоки питания. Поэтому в данном изделии каждая из LED-матриц имеет индивидуальный источник питания особой конструкции, имеющий рабочий температурный интервал -40°-+65° Цельсия окружающего воздуха и КПД порядка 90%.
Положительно сказывается на надежности то, что при производстве LED-матриц посадка chip-кристаллов осуществляет на подложку специально разработанной конструкции. Подложка имеет особую топологию, позволяющую наиболее оптимально разместить chip-кристаллы внутри корпуса, выполненного из пластика PSU, выдерживающего длительное воздействие высоких температур. Места посадки chip-кристаллов выполнены специальной формы, равномерно распределяющей и максимально эффективно отводящей тепло с chip-кристалла на подложку. Так же топология оптимизирована для использования chip-кристаллов различных производителей. Для отвода тепла с подложки на радиатор используются специальные теплопроводные подложки, сохраняющие свои первоначальные теплофизические свойства на протяжении длительного срока эксплуатации.
На наиболее ответственных участках автодорог зачастую устанавливают так называемые «спарки» - на одну опору наружного освещения устанавливают два светильника. В этом случае при выходе одного из них из строя второй выполняет дублирующую роль. В данной конструкции светильника на одном общем радиаторе установлены две LED-матрицы 14, имеющие независимое друг от друга питание 11 и управление 18. При выходе из строя одного из блоков питания 11 или одной из матриц - 14, вторая будет выполнять дублирующую роль. Так же, в связи с уменьшением тепловой нагрузки на радиатор, появляется возможность поднять эффективность рабочей матрицы 14 на некоторый срок, необходимый для проведения технических работ. Путем временного увеличения мощности источника питания с номинальных 80 Вт до максимальных 120 Вт. Это позволяет отказаться от использования «спарок», что снижает затраты на оборудование определенных участков дорог осветительными приборами и повышает экономию электроэнергии.
В настоящее время на рынке микроэлектронных компонентов сложилась такая ситуация, что создание для осветительного прибора платы автоматической регулировки не является необоснованным с экономической точки зрения, так как ее стоимость не будет превышать 5-10% от стоимости осветительного прибора.
В предлагаемом светильнике применен принцип индивидуального регулирования светодиодного светильника. Принцип индивидуального регулирования стало возможным применять именно на светодиодных осветительных приборах, так как они легко поддаются точному регулированию и имеют быстрое время отклика на произведенное регулирующее воздействие.
Принцип индивидуального регулирования заключен в возможности воздействовать на конкретный осветительный прибор не только на уровне заводских установок во время производства, но и в автоматическом постоянном изменении режимов работы по результатам опроса различных датчиков (освещенности, температуры). Каждая LED-матрица оснащена температурным датчиком 19, постоянно отслеживающим ее состояние. Датчик освещенности 17 позволяет определить какая эффективность светильника необходима и достаточна в данный момент времени. Помимо этих датчиков на управляющей плате имеется уникальный, встроенный в каждый осветительный прибор, беспроводной сервисный интерфейс, основанный на радиоканале в 2,4 GHz. Радиус действия данного интерфейса составляет порядка 25-30 метров. Этот индивидуальный интерфейс позволяет удаленно настраивать каждый осветительный прибор в отдельности после его установки на опору наружного освещения. Для проведения таких технических операций не требуется подъема обслуживающего персонала к месту установки осветительного прибора, а вполне достаточно иметь netbook со специальным программным обеспечением и фирменным радио-модулем 2.4 GHz, подключенным через USB интерфейс.
В данном решении учитывается процесс естественной деградации светоизлучающих светодиодов, что позволяет через определенные промежутки времени компенсировать естественную деградацию путем увеличения мощности источников питания и поддерживать равномерную эффективности осветительного прибора на протяжении долгого времени эксплуатации.
Следовательно, применение предложенного в качестве полезной модели технического решения позволяет добиться повышения энергоэкономичности светильника при уличной эксплуатации, что достигается за счет конструктивных особенностей светильника и возможности регулирования мощности светильника с помощью блока управления и варьирования мощности излучения светодиодов в зависимости от естественной освещенности.
Кроме того, при работе светильника могут быть обеспечены следующие позиции:
1. использование индивидуального интерфейса беспроводной связи в каждом светильнике для возможности индивидуальной и точной регулировки светового потока, режимов работы и возможности мониторинга режимов функционирования светильника с использованием интегрального трансивера диапазона 2,4 ГГц
2. а) использование интегрированного в блок управления светильником приемника GPS или GPS/ГЛОНАСС для определения точной географической координаты места установки светильника, определения точного времени и точного времени восхода-захода солнца в месте расположения светильника для целей регулирования мощности
б) использование информации фотодатчика освещенности совместно с информацией о времени захода/восхода солнца при наличии точного времени для точного регулирования мощности светильника в сумеречное вечернее и утреннее время
в) использование экономного ночного режима, снижающего мощность светильника в периоды наименьшей интенсивности движения по дорогам общего пользования
г) использование специального тестового режима 5% мощности, включающегося автоматически, для уменьшения расхода элекроэнергии при проведении регламентных, ремонтных и профилактических работ эксплуатирующей организацией в светлое время суток
3. а) использование двух источников питания и двух светоизлучающих светодиодных матриц с общей схемой контроля и регулирования для повышения надежности светильника
б) использование алгоритма временного увеличения мощности исправного источника питания и матрицы (+30-50%) в случае выхода из строя другой матрицы или источника питания
4. использование индивидуальных термодатчиков светоизлучающих светодиодных матриц для точного подбора режимов старта и работы с целью повышения надежности системы и ранней диагностики проблем теплопереноса и преждевременного выхода из строя элементов светоизлучающих матриц с соответствующим переводом в щадящий режим предотвращая полную потерю освещенности под светильником
5. использование оригинальной конструкции радиаторов и несущих элементов светильника для распределенного оптимального теплопереноса от работоспособных светоизлучающей матрицы и блока питания, в случае выхода из строя одной из матриц или одного из блоков питания
6. а) использование оригинального компьютерного интерфейса настройки режимов, управления, диагностики светильника разработанного компанией специально для данного вида светильников
б) использование высоко интегрированных решений в автоматике управления и мониторинга рабочих режимов светильника с использованием 32-разрядного микроконтроллера с архитектурой ARM.
7. использование режима «плавного старта», а так же противоослепляющая конструкция корпуса светильника.