Результат интеллектуальной деятельности: СВЕТОДИОДНЫЙ МОДУЛЬ (ЛИНЕЙКА) И ЛАМПА НА ЕГО ОСНОВЕ

Предлагаемое изобретение относится к светотехнике, в частности к полупроводниковой светотехнике, в том числе к протяженным светодиодным модулям /линейкам/ преимущественно с алюминиевым основанием или выполненным из теплопроводной электроизоляционной керамики, предназначенным для установки в световых приборах и линейных лампах на светодиодах белого свечения или синего и голубого диапазона оптического спектра излучения с преобразованием его в белое свечение при помощи люминофоров, или на светодиодах других цветов излучения.

Лампы на светодиодах белого свечения предназначены для освещения в том числе в составе осветительных приборов промышленного, бытового и специального назначения.

Светодиодные лампы других цветов излучения /красного, зеленого, желтого, синего/ используются в светосигнальной технике, в растениеводстве, рекламном оборудовании и т.п.

Существует проблема применения мощных светодиодов в трубчатых лампах с колбами типа Т5, Т8, Т12, аналогичными используемым в люминесцентных лампах, из-за трудностей организации эффективного теплоотвода от светодиодных линеек, устанавливаемых в такие колбы.

Известно также, что охлаждение мощных светодиодов обеспечивается в лампах и светильниках на 90% за счет кондуктивной теплопередачи от кристалла светодиода на несущие его печатную плату и радиатор охлаждения /1/.

В этой связи, разработаны светодиодные линейки серии XL-line /2/ для монтажа в световые приборы, состоящие из последовательно подключенных между собой /6-8 шт./ мощных светодиодов /~1 Вт/ фирмы CREE, установленных в один ряд на протяженных прямоугольных печатных платах /линейках/ из фольгированного стеклотекстолита шириной 25 мм на удалении 30 мм между собой с разъемами для подключения, к источнику питания и с отверстиями для крепления линеек в тепловом контакте на радиаторах охлаждения в световых приборах.

Недостатки светодиодных линеек связаны с необходимостью увеличения расстояния между светодиодами для обеспечения допустимых тепловых режимов эксплуатации, а также с трудностями формирования компактного светящего тела.

Теми же недостатками обладают светодиодные модули /линейки/ типа SVT-PF0-26ED-0120 фирмы "Светотроника" /3/ на мощных светодиодах белого свечения, собранных на протяженных платах с алюминиевым основанием в два ряда /спаренных линеек/ шириной 36,8 мм и длиной 280 мм.

Увеличенные габариты линеек для обеспечения заданных тепловых режимов эксплуатации не позволяют устанавливать их в стандартные трубчатые колбы Т8, T12, применяемых, например, для люминесцентных ламп, на базе которых производится большое количество светильников.

Существенным недостатком всех известных светодиодных модулей /линеек/ является также то, что используемые в них мощные светодиоды на платах с параллельным оптическими осями, обеспечивая угол рассеяния излучения 2θ≃120°, кроме того создают высокую блескость и слепимость /сила света светодиода белого свечения мощностью 1 Вт составляет 30-35 кд/, что для уменьшения дискомфорта, например, при эксплуатации в светодиодных лампах требует применения существенно матированных или покрытых светорассеивающим материалом колб, снижающих их светопропускание на 30-40% /4/ и ухудшающих тепловой режим.

Известны линейные трубчатые лампы на светодиодах, собранных на печатных платах в стандартных колбах Т8 /26 мм/ с цоколями GIЗ с протяженными линейками совместно с преобразователями /драйверами/ питающей сети /5/. В этих лампах использованы светодиоды малой мощности, работающие без радиаторов охлаждения в количестве 160-180 шт. с общей потребляемой мощностью 10-20 Вт, что ограничивает возможности минимизации габаритов при увеличении мощности.

Известна трубчатая светодиодная лампа, содержащая цилиндрическую стеклянную колбу с установленными в ней двумя протяженными линейками в виде печатных плат с собранными на них светодиодами, подключенными к преобразователю питающей сети, установленному на одной из указанных плат в колбе. Каждая линейка снабжена отверстиями, сопрягаемыми со светодиодами другой аналогичной линейки таким образом, что оптические оси светодиодов направлены в диаметрально противоположные стороны /6/.

Недостатки этого устройства связаны с невозможностью применения в лампе мощных светодиодов из-за отсутствия средств охлаждения. Лампа формирует неудовлетворительную кривую светораспределения, т.е. излучает в двух диаметрально противоположных направлениях, что ограничивает возможности ее применения.

Известна линейная светодиодная лампа, содержащая плату с установленными на ней светодиодами, механически соединенную с основанием полуцилиндра, выполненного из оптически прозрачного светорассеивающего материала с нанесенный на него люминофорным и защитным покрытиями и цоколями на противоположных концах для подключения лампы к питающей сети, электрически соединенными с платой со светодиодами /7/.

Недостатки прототипа также обусловлены невозможностью применения в лампе мощных светодиодов из-за отсутствия радиатора охлаждения платы со светодиодами. Кроме того, светораспределение лампы в поперечном сечении ограничено углом рассеяния применяемых светодиодов, т.е. не превышает 2θ≃120° для мощных современных светодиодов, в связи с параллельной ориентацией их оптических осей в лампе. Последнее обстоятельство не способствует также снижению блескости излучения лампы.

К недостаткам прототипа следует отнести также то, что в лампе не предусмотрено размещение преобразователя питающей сети, необоснованно применено нанесение люминофора на светорассеивающие стенки полуцилиндра, тогда как люминофор не только преобразует излучение, но и рассеивает его.

Целью предлагаемого изобретения является создание светодиодного модуля /линейки/ и лампы на его основе со светодиодами средней и большой мощности с улучшенными светотехническими и теплофизическими параметрами, повышенной компактностью светящего тела и уменьшенной блескостью.

Поставленная цель достигается тем, что в светодиодном модуле /линейке/ и лампе на его основе, содержащих протяженное несущее основание из теплопроводного материала, в частности из алюминия или теплопроводной керамики, одну, две или большее количество протяженных печатных плат с собранными на них в тепловом контакте светодиодами белого свечения или других цветов излучения с последовательным, параллельным или параллельно-последовательным подключением между собой, а также средства токоподвода и монтажа на объекте, указанное несущее основание модуля /линейки/ выполнено с изогнутым в поперечном сечении профилем и образует протяженный полый элемент, по меньшей мере с двумя протяженными рабочими гранями, объединенными в тепловом контакте с несущим основанием, на которых изготовлены или установлены печатные платы со светодиодами или отдельные светодиоды, причем, указанные рабочие грани разделены между собой продольной щелью, теплоизолирующей их друг от друга в зоне монтажа светодиодов.

Цель достигается и тем, что протяженный полый элемент выполнен в форме трехгранника с разделенными продольной щелью рабочими гранями с печатными платами и/или светодиодами, объединенными третьей гранью, являющейся элементом кондуктивного теплоотвода, снабженной средствами крепления модуля /линейки/ на объекте.

Поставленная задача решается также тем, что разделенные продольной щелью две рабочие грани протяженного полого элемента, в частности трехгранника с платами и/или светодиодами изогнуты в поперечном сечении относительно третьей грани под острым углом /90°-θ/, где θ - половинный угол излучения, установленных на платах или гранях светодиодов, а преимущественно под углом 10°-40°.

Достижению цели способствует также то, что протяженный полый элемент выполнен с четырьмя рабочими гранями с печатными платами и/или светодиодами, образующими пятигранные с попарно разделенными продольной щелью гранями, и объединенными в тепловом контакте с плоским несущим основанием - элементом кондуктивного теплоотвода, снабженным средствами крепления модуля /линейки/ на объекте.

Поставленная цель достигается и тем, что в лампе на основе светодиодного модуля /линейки/, содержащей трубчатую колбу из оптически прозрачного материала с одним, двумя или более параллельно установленными в ней светодиодными модулями /линейками/, электронный преобразователь питающей сети и средства токоподвода, каждый из указанных модулей /линеек/, выполненный в виде протяженного полого элемента с разделенными продольной щелью двумя рабочими гранями с печатными платами и/или светодиодами и несущим основанием, установлен в трубчаток колбе по меньшей мере с частичным тепловым контактом с ее стенками и/или с собранным в продольной прорези указанной колбы протяженным корпусом-радиатором кондуктивного теплоотвода, выступающим из колбы по всей ее длине в окружающее пространство.

Задача решается также тем, что установленный в продольной прорези трубчатой колбы в тепловом контакте с одним светодиодным модулем /линейкой/ протяженный корпус выполнен из теплопроводного материала и со средствами крепления лампы на объекте и подключения ее к питающей сети.

Цель достигается и тем, что в трубчатой колбе с продольной прорезью установлены два светодиодных модуля /линейки/ с несущими основаниями, сопряженными в тепловом контакте с выступающей внутрь колбы частью протяженного корпуса-радиатора кондуктивного теплоотвода, наружная, выступающая из колбы часть которого выполнена с ребрами охлаждения и снабжена средствами крепления лампы на объекте и подключения к питающей сети.

Достижению цели способствует также то, что на несущем основании собранного в колбе лампы светодиодного модуля /линейки/ установлена с зазором между ними плата с собранными на ней электронными элементами преобразователя питающей сети.

Задача решается и тем, что установленный в продольной прорези колбы протяженный корпус-радиатор кондуктивного теплоотвода выполнен с отсеком, в котором установлена плата с электронными элементами преобразователя питающей сети, подключенного к светодиодным модулям /линейкам/ и к средствам токоподвода лампы.

В одном из вариантов исполнения лампы по изобретению цель достигается также тем, что светодиодные модули/линейки/ выполнены со светодиодами синего или голубого излучения, а трубчатая, преимущественно с продольной прорезью, колба лампы изготовлена из силикатного стекла или оптически прозрачного поликарбоната и покрыта изнутри, или в ее стенки диспергирован /интегрирован/ один или смесь люминофоров, выбранных преимущественно из группы иттрий-алюминиевого или гадолиний-алюминиевого гранатов, активированных церием, преобразующих большую часть коротковолнового излучения светодиодов в белый свет и рассеивавшим его.

Наиболее предпочтительные варианты исполнения устройств согласно предполагаемому изобретению показаны на чертежах:

Фиг.1. Светодиодный модуль /линейка/ с несущим основанием в форме трехгранника с двумя разделенными продольной щелью рабочими транши со светодиодами. Лицевая сторона и сечение А-А.

Фиг.2. Светодиодный модуль /линейка/ пятиугольного профиля с четырьмя рабочими гранями, попарно разделенными продольной щелью. Лицевая сторона и сечение А-А.

Фиг.3. Трубчатая лампа со светодиодным модулем /линейкой/, по-показанным на фиг.2. Вид сбоку, частично в разрезе и сечение А-А.

Фиг.4. Лампа со светодиодным модулем /линейкой/, показанным на фиг.1 в трубчатой колбе с продольной прорезью, сопряженной с корпусом-радиатором кондуктивного теплоотвода. Вид сбоку, частично в разрезе и сечение А-А.

Фиг.5. Лампа с двумя светодиодными модулями /линейками/, показанными на фиг.1, в трубчатой колбе с продольной прорезью и оребренным корпусом-радиатором кондуктивно-конвективного охлаждения. Вид сбоку, частично в разрезе и сечение А-А.

Показанный на фиг.1 вариант исполнения светодиодного модуля /линейки/ содержит протяженное несущее основание 1 из теплопроводного материала, в частности из алюминия, выполненное с изогнутым в поперечном сечении профилем /см. сечение А-А/, формирующим протяженный полый элемент 2 с двумя протяженными рабочими гранями 3 и 4, объединенными в тепловом контакте с указанным несущим основанием 1, имеющим отверстия 5 для механического крепления модуля /линейки/ на объекте.

Полый элемент 2 имеет треугольный профиль, т.е. представляет собой протяженный трехгранник, у которого рабочие грани 3 и 4 соединены между собой третьей гранью, выполняющей функцию несущего теплопроводного основания - элемента кондуктивного теплоотвода.

На рабочих гранях 3 и 4 выполнены печатные платы 6 /показаны пунктиром на фиг.1/ с алюминиевым основанием, с собранными на них в тепловом контакте преимущественно мощными светодиодами 7 /0,5 - 3 Вт/ с последовательным, параллельным или параллельно-последовательным подключением между собой средствами токоподвода 8, например гермафродитными микроразьемами.

На указанных гранях 3 и 4 могут быть установлены в тепловом контакте отдельные светодиоды или печатные платы со светодиодами /см. фиг.4/, в том числе платы на основе теплопроводной электроизоляционной керамики типа РУБАЛИТ /Al₂O₃/ или АЛЮНИТ /AlN/.

Кроме того, полый элемент 2 с несущим основанием и рабочими гранями может быть изготовлен из других теплопроводных сплавов или теплопроводной керамики.

Две протяженные рабочие грани 3 и 4 светодиодного модуля /линейки/ разделены между собой продольной щелью 9, теплоизолирующей их друг от друга в зоне выполнения плат и монтажа светодиодов 7, т.е. исключающей кондуктивный теплообмен между указанными гранями с печатными платами и светодиодами, собранными на них.

Таким образом, кондуктивная теплопередача от выделяющих тепло светодиодов осуществляется только на несущее основание 1, позволяя тем самым максимально приблизить платы со светодиодами между собой, т.е. приблизить их к кромке продольной щели 9, одновременно использовать в модуле /линейке/ светодиоды 7 повышенной мощности.

Разделенные продольной щелью 9 протяженные рабочие грани 3 и 4 полого элемента 2, в частности трехгранника с платами и светодиодами, изогнуты в поперечном сечении А-А /фиг.1/ относительно плоского несущего основания 1 под острым углом /90-θ/°, где θ - половинный угол излучения, установленных на платах или непосредственно на рабочих-гранях светодиодов 7. Острый угол наклона рабочих граней к плоскости основания выбирается преимущественно в пределах 10°÷40° при угле рассеяния излучения применяемых светодиодов 2θ≃90°÷140°, для более равномерного распределения излучения в пространстве.

Возможно также выполнение полого элемента модуля /линейки/ с отличающимися, например 10° и 30°, углами наклона вышеуказанных рабочих граней к несущему основанию /на фиг. не показано/.

Еще один вариант исполнения светодиодного модуля /линейки/, показанный на фиг,2, предусматривает выполнение полого элемента 10 с четырьмя рабочими гранями 11 и 12 с печатными платами и светодиодами 13, попарно объединенными в тепловом контакте с элементом кондуктивного теплоотвода - несущим основанием 14, имеющим отверстия для монтажа модуля /линейки/ на объекте и подключения между собой и преобразователем питающей сети микроразъемами 15.

Рабочие грани 11 и 12 совместно с плоским несущим основанием 14 образуют протяженный пятигранник - полый элемент 10 с попарно разделенными рабочими гранями при вершине продольной щелью 16, теплоизолирующей их друг от друга в зоне монтажа светодиодов 13, что позволяет расширить кривую светораспределения более чем в полусферу и способствует снижению кондуктивного теплообмена между примыкающими к щели рабочими гранями со светодиодами, а также интенсифицировать теплопередачу на рабочие грани, примыкающие к элементу кондуктивного теплоотвода - несущему основанию 14.

На основе предложенных выше светодиодных модулей /линеек/ разработаны светодиодные трубчатые лампы.

Показанная на фиг.3 лампа содержит трубчатую колбу 17 из оптически прозрачного материала, например из силикатного стекла или оптического поликарбоната, выполненную преимущественно со светорассеивающими стенками с установленным в ней светодиодным модулем /линейкой/ с полым элементом 10 в виде пятигранника, аналогичного показанному на фиг.2, таким образом, что плоское несущее основание 14 в зоне сопряжения его с разделенными продольной щелью 16 рабочими гранями 11 и 12 с печатными платами и светодиодами 13 находятся в тепловом контакте со стенками указанной колбы 17.

На наружной стороне несущего основания 14 с зазором 18, исключающим кондуктивный теплообмен, установлена печатная плата 19 с электронными элементами 20 преобразователя питающей сети, подключенного средствами токоподвода, в частности, гермафродитными микроразъемами "плата-кабель" 15 компании Tyco Electronics /8/ с традиционными цоколями 21 с токовыми выводами 22.

Вариант исполнения трубчатой светодиодной лампы, показанной на фиг.4, содержит протяженный модуль /линейку/ с двумя рабочими гранями 23 и 24, разделенными между собой продольной щелью 25, находящимися в тепловом контакте с несущим основанием 26, заключенные в протяженную трубчатую колбу 27 из оптически прозрачного материала, выполненную с продольной прорезью по образующей шириной менее полуцилиндра.

Колба 27 сопряжена через уплотнение с протяженным корпусом 28, выполненным из теплопроводного материала на основе алюминиевого сплава, имеющем фланец 29 или приливы с отверстиями для механического крепления в тепловом контакте его на объекте, например, на теплопроводной стенке корпуса светильника /на фиг. не показано/.

На рабочих гранях 23 и 24 смонтированы протяженные печатные платы 30 с алюминиевым основанием /линейки/ или платы из теплопроводной керамики типа рубалит или алюнит с собранными на них мощными светодиодами 31. Платы 30 со светодиодами прижаты в тепловом контакте к поверхности рабочих граней модуля винтами 32.

Печатные платы со светодиодами могут быть выполнены непосредственно на гранях модуля /линейки/, как это показано на фиг.3.

На рабочих гранях могут быть также установлены отдельные светодиоды с поверхностным монтажем.

В свою очередь светодиодный модуль /линейка/ с плоским несущим основанием 26 установлен в тепловом контакте и механически прижат винтами к плоской поверхности корпуса 28, выступающего из продольной прорези колбы 27 в окружающее пространство, выполняя функцию радиатора кондуктивного теплоотвода.

Внутри протяженного корпуса 28 выполнен отсек 33 с крышкой 34, на которой установлена плата с собранными на ней элементами электронного преобразователя 35 питающей сети, подключенного к светодиодному модулю /линейке/ и к гнезду со средствами токоподвода 36 питающей сети.

Еще один вариант исполнения трубчатой светодиодной лампы, показанный на фиг.5, содержит два одинаковых светодиодных модуля /линейки/, изображенных на фиг.1, собранных в протяженной трубчатой колбе 37 с продольной прорезью шириной 1/3 диаметра трубки, сопряженной с протяженным корпусом 38 из теплопроводного алюминиевого сплава с ребрами охлаждения 39 и выступающей внутрь колбы частью этого корпуса в виде, выполненных под острым углом друг к другу плоских стенок 40.

На стенках 40 корпуса 38 - радиатора кондуктивного теплоотвода винтами 41 прижаты в тепловом контакте плоские несущие основания 42 светодиодных модулей /линеек/ с разделенными продольной щелью 43 рабочими гранями с платами и светодиодами 44, последовательно или параллельно-последовательно подключенными между собой и к электронному преобразователю 45 питающей сети, собранному на плате 46 в отсеке 47 корпуса.

На торцах корпуса 38 установлены защитные крышки 48 с гнездами 49, в которых выполнены средства токоподвода 50 питающей сети и элементы механического крепления лампы на объекте.

Протяженные колбы всех описанных выше светодиодных ламп выполнены из силикатного стекла или оптического поликарбоната в габаритах, соответствующих преимущественно колбам серий Т8 или T12, используемых в традиционных люминесцентных лампах.

Основания светодиодных модулей /линеек/, а также корпуса ламп на их основе изготавливают преимущественно методом экструзии. Однако, линейки могут быть изготовлены также на штампах с гибочными операциями.

В одном из вариантов исполнения лампы со светодиодным модулем /линейкой/, выполненным со светодиодами синего или голубого излучения /см. фиг.4/ трубчатая колба 27 с продольной прорезью, изготовленная из силикатного стекла или оптически прозрачного поликарбоната, покрыта изнутри слоем 51 одного или смесью люминофоров, выбранных преимущественно из группы иттрий-алюминиевого или гадолиний-алюминиевого гранатов, активированных церием. Указанные люминофоры могут быть диспергированы /интегрированы/ в стенки колбы лампы.

Слой 51 люминофоров преобразует большую часть коротковолнового излучения светодиодов модуля /линейки/ в белый свет и рассеивает его в окружающем лампу пространстве, повышая тем самым КПД лампы на 15-20% по сравнению с лампами, у которых на колбах выполнены светорассеивающие покрытия для снижения ее блескости.

В качестве мощных светодиодов, используемых в светодиодных модулях и лампах, могут быть использованы светодиоды белого свечения серии ML-Е мощностью 0,5 Вт с углом рассеяния 2θ≃120° или серии ХР-G мощностью 1-3 Вт с углом рассеяния 2θ≃125° фирмы CREE /9/ или цветные светодиоды серии XP-E Colior мощностью 1-3 Вт с углом рассеяния 2θ≃125° указанной фирмы.

В качестве преобразователя питающей сети целесообразно использовать источники питания компании MEAN WELL, например, серии PLP.

Разработанные светодиодные модули /линейки/ и лампы на их основе наиболее эффективны для эксплуатации в протяженных светильниках взамен, например, трубчатых люминесцентных ламп. При этом обеспечивается возможность повышения в 1,5-2 раза мощности и светового потока лампы, а также плотности компоновки светодиодов в изделиях без увеличения габаритных размеров за счет существенной интенсификации кондуктивного отвода тепла от светодиодов на арматуру модулей и лампы, т.е. улучшения их теплофизических параметров.

Светотехнические характеристики изделий улучшены за счет изменения ориентации оптических осей групп светодиодов модулей в пространстве, способствующей расширению кривой светораспределения более чем в 2 раза с приемлемой равномерностью и снижению при этом блескости, уменьшающей слепимость и дискомфорт в условиях эксплуатации.

В варианте исполнения лампы с использованием переизлучения с применением люминофоров, наряду со снижением блескости, повышается их КПД по сравнению с трубчатыми лампами со светорассеивающими покрытиями колб.

Литература.

1. M.Коротков. "Согласованная система защиты цепей для светодиодной техники". Ж. Современная светотехника, №1 /02/, март 2010 г., стр.42.

2. Каталог фирмы "Прософт". Электронные компоненты. Вып.2, 2006/07, стр.22.

3. Каталог продукции компании "Светотроника", 2010 г., стр.24.

4. Н. Колбатиков. "Конструктивные особенности полупроводниковой светотехники. Проблема блескости светодиодных светильников. " Ж. Полупроводниковая светотехника, №6, декабрь 2010 г., стр.32.

5. Ю.Петропавловский. "Новые драйверы светодиодов…" Ж. Полупроводниковая светотехника, №3, май 2011 г., стр.22-23.

6. Патент США №5463280, кл. 315/187, опубл. 31.10.1995 г.

7. Полезная модель РФ №103671 кл. H01L 33/00 от 15.II.2010 г., опубл. 20.04.11 г. Бюл. №11.

8. А. Слободенюк. "Обзор разъемов ТУСО ELECTRONICS." Ж. Полупроводниковая светотехника, №3, май 2010 г., стр.21.

9. Каталог фирмы "Прософт". Электронные и электромеханические компоненты. 2010 г., стр.29.