| Описание сайта (description) |
Целью изобретения является устранение известных недостатков светодиодных систем и улучшение оптических характеристик светодиодной лампы в широком спектральном диапазоне, обусловленном использованием специальной оптики; повышением эффективности светоизлучающего элемента, как следствие оптимизации системы теплоотвода, а также повышении уровня защиты конструкции от влияния внешних факторов.Светодиодная лампа состоит из светодиодного модуля типа СОВ (chip-on-board), содержащего герметизированные светодиодные кристаллы, установленные на печатную плату. Светодиодный модуль установлен поверх радиатора, внутри которого размещен преобразователь напряжения соединенный со светодиодным модулем и с цоколем лампы. Оптика светодиодного модуля выполнена на основе усеченной торической линзовой матрицы с углублениями для размещения светодиодного кристалла или дискретных светодиодов. Линзовая матрица может дополнительно комплектоваться светопреломляющим сектором в нижней части торической линзы для обеспечения полного внутреннего отражения падающего на него бокового излучения светодиода. Материал линзовой матрицы может содержать светорассеивающий материал (диспергатор). Конструкция светодиодной лампы способствует формированию широкоугольной диаграммы излучения.ДополнительноУсеченная торическая линза может иметь диаметр больше диаметра печатной платы и радиатора лампы.Усеченная торическая линза может снабжаться светопреломляющим элементом (сектор нижней части линзы).Первичная оптика может комплектоваться интегрированными оптическими элементами в области центрального выступа для полного внутреннего отражения падающего на него бокового излучения светодиодов.Первичная оптика линзы может содержать материал для преломленного рассеивания (диспергатор).Заявленные варианты поясняются следующими чертежами: Подробнее о технологииРазработанная технология наиболее перспективна с точки зрения создания эффективных светодиодных модулей, кластеров. Подход Chip-on-Board (СОВ) в корпусировании светодиодов с использованием специальной оптики позволяет формировать протяженные светодиодные модули с хорошей первичной оптикой. Для формирования требуемого спектра излучения светодиодного модуля допускается, чтобы герметизирующий компаунд содержал смесь светопрозрачного полимерного материала с по крайней мере одним люминофором. Возможно добавление в упомянутый светопрозрачный герметизирующий компаунд светорассеивающего материала. Светоизлучающие кристаллы могут быть разного типа, разного размера и имеющие различный спектр излучения.На Фиг.3 показан принципиальный вариант выполнения заявленного светодиодного модуля на основе СОВ-технологии, содержащего печатную плату, имеющую теплоотвод 1, выполненную из металла и/или теплопроводящей керамики, электроизолирующий слой (препрег) 8 (в случае использования керамической теплоотводящей основы этот слой может не использоваться) и металлический слой с выполненной на нем топологией/трассировкой печатной платы 2. Светодиодный модуль также содержит по крайней мере один светоизлучающий кристалл 3 с электрическими контактами, соединенный электрическими проводами 4 с металлическим слоем 2 и защищенный светопрозрачным герметизирующим компаундом 5, в качестве которого может быть использован капсулирующий материал, например, оптически прозрачный силикон. Область светоизлучающего кристалла 3 покрыта оптической линзой 6 с заданными характеристиками, выполненной с поднутрением, в котором заключен упомянутый светопрозрачный герметизирующий компаунд 5, формируя, тем самым, единую оптическую систему со светоизлучающим кристаллом 3. Линза 6 имеет крепежные пины 7, с помощью которых она закреплена и выровнена на печатной плате. Введение различных люминофоров в компаунд 5 позволяет получать различные спектры излучения светодиода. Также в компаунд 5 могут добавляться различные светорассеивающие материалы, что способствует формированию желаемого углового распределения света. Линза 6 крепится к печатной плате посредством развальцовки пинов 7 (например, терморазвальцовка поликарбоната), которые также выполняют функцию пространственной юстировки линзы, что способствует ее правильной установке.При приложении напряжения к светодиодному кристаллу 3 через проводник 4 и трассировку слоя 2 печатной платы кристалл 3 начинает излучать свет с определенной длиной волны. Оптическая согласованная система, состоящая из линзы 6 и компаунда 5, обеспечивает вывод излучения от светодиодного кристалла и формирование определенного углового распределения света. Тепло, выделяемое в светодиодном кристалле 3, отводится на основание 1 платы и далее на радиатор светодиодного устройства, что способствует эффективному рассеиванию тепла. Улучшенный теплоотвод позволяет значительно поднять по сравнению со стандартным дискретным светодиодом максимальный ток, проходящий через светодиодный кристалл (по крайней мере на 50%), что, соответственно, позволяет увеличить интенсивность светового излучения кристалла. Для обеспечения лучшего теплоотвода от светодиодных модулей возможно использование печатных плат с металлической (например, Al или Cu) или керамической (например, нитридная керамика) основой. В настоящее время разработано большое количество композиционных керамических материалов, которые имеют высокую теплопроводность, сохраняя электроизоляционные свойства. Использование этих материалов в качестве теплоотводящей основы платы позволяет существенно упростить конструкцию платы. В случае использования печатной платы на теплоотводящей основе, являющейся электрическим изолятором, топология печатной платы, например медная трассировка, располагается непосредственно на основании платы.На основе вышеуказанного подхода можно формировать светодиодные модули любого размера и геометрии, которые могут содержать любое количество светодиодных кристаллов.На Фиг.4 показан вариант оптики светодиодного модуля, выполненной на основе усеченной тороидальной линзовой матрицы 6 (второй из заявленных вариантов). Данная линза имеет отверстие 8 для крепления светодиодного модуля к радиатору лампы. Линзовая матрица имеет поднутрения 9, в которых располагаются светодиодные кристаллы или светодиоды. Для юстировки и крепления линзы к печатной плате светодиодного модуля оптика снабжена пинами 7, которые развальцовываются в печатной плате (см. также Фиг.3). Количество пинов выбирается из соображения достижения наиболее надежного крепления линзы на печатной плате, а также с учетом конструктивных особенностей печатной платы с установленными на ней электронными компонентами. Линзовая матрица может содержать дополнительный конструктивно интегрированный в конструкцию матрицы светопреломляющий элемент 10, выполненный в виде сектора нижней части усеченной торической линзы 1. Также линзовая матрица может содержать дополнительные конструктивно интегрированные оптические элементы 11, которые располагаются в области поднутрения 9 и сформированы по принципу полного внутреннего отражения излучения, идущего от светодиодных кристаллов, размещенных в поднутрении 9. Линзовая матрица со всеми дополнительными элементами может, например, изготавливаться методом литья под давлением из различных светопрозрачных материалов, например, поликарбоната или различных сополимеров. При необходимости иметь первичную оптику, устойчивую к воздействию внешних негативных факторов, например ультрафиолетового (УФ) излучения.На Фиг.5 представлен еще один вариант воплощения конструкции согласно второму из предлагаемых вариантов светодиодной лампы. Светодиодный модуль лампы сформирован на основе печатной платы 2, на которую посажены светодиодные кристаллы 3 закрытые первичной оптикой 6, выполненной в виде усеченной торической линзовой матрицы. Для обеспечения герметизации светодиодного модуля при креплении первичной оптики 6 к печатной плате 2 могут использоваться различные герметизирующие компаунды, например силикон, которые могут наноситься на некоторые области нижней части усеченной тороидальной линзовой матрицы 6 перед установкой на печатную плату 2. Светодиодный модуль установлен на радиаторе 12, который может иметь различную конструкцию и дизайн. Светодиодный модуль крепится к радиатору посредством массивного винта 13, который играет роль дополнительного теплоотводящего элемента. Для улучшения отвода тепла от светодиодного модуля могут использоваться различные методы, в том числе, например, использование теплопроводной пасты при присоедини светодиодного модуля к радиатору 12. Первичная оптика в виде линзовой матрицы 6 светодиодного модуля может иметь наружный диаметр, превышающий диаметр печатной платы 2 и радиатора 12. Внутри радиатора 12 установлен преобразователь напряжения (источник тока) 14, который обеспечивает электрическое питание светодиодного модуля. Преобразователь напряжения электрически соединен с цоколем лампы 15 и светодиодным модулем. Пространство между внутренней поверхностью радиатора 12 и преобразователем напряжения 14 может быть заполнено теплопроводным герметиком, который обеспечит защиту преобразователя напряжения от воздействия внешних негативных факторов, а также способствует лучшему отводу тепла от источника тока.На Фиг.6 более детально показан вид А согласно Фиг.5. Усеченная торическая линзовая матрица 1 установлена на печатной плате 2, на которой посажены светодиодные кристаллы 3, имеющие электрическое соединение с печатной платой 2. Кристаллы 3 размещены внутри поднутрения 9, сформированных в усеченной торической линзовой матрице. Объем поднутрения 9 заполнен оптически прозрачным компаундом 5, который обеспечивает оптическое согласование в системе: светодиодный кристалл 3 - компаунд 5 - линзовая матрица 6. В качестве светодиодного кристалла может использоваться любой тип светодиодного кристалла с любым спектром излучения, а компаунд также может быть выполнен на основе любого типа светопрозрачного полимерного материала.Компаунд может содержать следующие добавки:в виде одного люминофора или смеси различных типов люминофоров, например, алюмо-иттриевого граната, силикатных люминофоров, теогалатов и др.;в виде различных преломляющих и светорассеивающих материалов (диспергаторов), например, частиц двуокиси кремния, двуокиси титана, сульфата бария, окиси алюминия и др;в виде смеси люминофоров и светорассеивающих материалов. При этом могут использоваться компаунды с различным процентным содержанием добавок и дисперсным распределением размера частиц добавок.Линзовая матрица 6 также может содержать светоотражающий элемент 16, имеющий угол наклона, обеспечивающий полное внутреннее отражение на границе раздела между материалом линзовой матрицы 6 и воздухом. Внешний диаметр линзовой матрицы, а также форма кривой поверхности торической линзовой матрицы может меняться в зависимости от необходимости получить желаемое угловое распределение светового излучения от светодиодной лампы. При наружном диаметре линзовой матрицы 6, превышающем диаметры печатной платы 2 и радиатора светодиодной лампы, формируется дополнительный конструктивно интегрированный светопреломляющий элемент 16, который является определенным сектором нижней части торической линзы. Меняя наружный диаметр, а также форму кривой поверхности торической линзовой матрицы 1, можно менять форму и размеры элемента 17.Для уменьшения потерь света на печатной плате 2 ее поверхность можно покрыть светоотражающим материалом, например серебром, белым лаком, сульфатом бария, окисью алюминия и т.д. С целью повышения эффективности светодиодного модуля и улучшения вывода излучения из светодиодного кристалла 3, область посадки светодиодного кристалла также может быть хотя бы частично покрыта слоем светоотражающего материала, таким как серебро, окись алюминия, сульфат бария, двуокись титана и т.д.На Фиг.7 показан принцип работы линзовой матрицы 6, выполненной из оптически прозрачного материала. Излучение (см. стрелки, выполненные сплошными линиями) от светодиодного кристалла 3, посаженного на печатную плату 2, доходя до границы раздела «полимерный материал - воздух», преломляясь, частично выходит наружу и частично отражается обратно. Этот процесс определяется значением коэффициента преломления материала и формой поверхности линзовой матрицы. Меняя форму поверхности торической линзовой матрицы, а также материал, из которого изготовлена линзовая матрица, можно подобрать желаемое соотношение интенсивности выходящего и отраженного излучений. Излучение светодиодного кристалла, выходящее наружу линзовой матрицы, способствует засветке пространства перед светодиодной лампой. Отраженное излучение светодиодного кристалла, проходя через элемент линзы 16 (см. Фиг.6) и преломляясь на границе линзы с воздушной средой, формирует световой поток, способствующий засветке пространства позади лампы. Таким образом формируется источник света с широкой диаграммой направленности излучения. Также соотношение интенсивности выходящего и отраженного излучений определяется положением светодиодного кристалла на печатной плате относительно линзовой матрицы. Изменяя пространственное положение светодиодного кристалла на плате, т.е. сдвигая его вправо или влево, можно менять соотношение интенсивности выходящего и отраженного излучений. Следует отметить, что многие светодиодные кристаллы имеют значительную составляющую излучения в виде бокового излучения, идущего от кристалла, что объясняется конструктивными особенностями светодиодных кристаллов. Зачастую данное излучение просто теряется в светодиодных устройствах. Во избежание таких потерь, в предлагаемой светодиодной лампе возможно использование дополнительного интегрированного оптического элемента 15 (см. Фиг.6), расположенного в области поднутрения линзовой матрицы и обеспечивающего полное внутреннее отражение излучения светодиодного кристалла на границе раздела «полимер - воздух». Данный эффект продемонстрирован на Фиг.7 в виде стрелок, выполненных пунктирными линиями. Подобная конструкция линзовой матрицы обеспечивает большую эффективность светодиодной лампы, поскольку боковое излучение в некоторых кристаллах составляет до 15% от общего светового потока, а предлагаемая конструкция светодиодной лампы позволяет эффективно использовать данное излучение.На Фиг.8 поясняется принцип работы линзовой матрицы 1, выполненной из оптически прозрачного материала с добавлением светорассеивающих материалов (диспергаторов). В роли таких материалов могут выступать, например, частицы (мкм) двуокиси кремния, окиси алюминия, двуокиси титана, сульфата бария и др. Пузырьки воздуха микронного размера, сформированные внутри полимерного материала, также могут эффективно исполнять роль центров, рассеивающих свет. В некоторых случаях в состав материала линзовой крышки могут добавляться и оптически активные светорассеивающие материалы, например, люминофоры. В этом случае они могут как обеспечивать рассеивание света, так и способствовать формированию нового, дополнительного спектра излучения.Излучение (показано стрелками, выполненными сплошными линиями) от светодиодного кристалла 3, посаженного на печатной плате 2, попадает на частицу светорассеивающего материала 18 (показана условно, масштаб не соблюден). Свет рассеивается на светорассеивающем материале по разным направлениям. На границе «линза - воздух» свет также претерпевает рассеивание на светорассеивающих частицах, расположенных в этой области линзовой матрицы, что способствует формированию излучения с широким угловым распределением. Размеры светорассеивающих частиц должны быть сравнимы с длиной волны излучения и, как следствие, частицы имеют размеры, лежащие в интервале от 0.5 мкм до 10 мкм, что определяется спектром излучения лампы и желаемой угловой диаграммой свечения лампы. Концентрация частиц диспергатора в материале линзы может варьироваться в диапазоне от 0.1 до 2% весовых частей, что также определяется спектром излучения лампы, материалами и размером светорассеивающих частиц, а также желаемой диаграммой светового излучения светодиодной лампы.На Фиг.9 показан пример выполнения конструкции светодиодной лампы с широкой кривой силы света в различных проекциях. Видны основные элементы лампы: светодиодный модуль с усеченной торической линзовой матрицей 6, закрепленный на радиаторе 12 светодиодной лампы посредством винта 13. Радиатор 2 лампы соединен с цоколем лампы 15, который ввинчивается непосредственно в патрон светильника и через который осуществляется электрическое питание лампы. Цоколь лампы может быть различных стандартов, например, Е14, Е27, Е26, G10 и др. Хорошая защищенность светодиодного модуля 6 от воздействия внешних факторов обуславливает отсутствие необходимости использовать защитный светопропускающий колпак, характерный для многих ламп. Это обеспечивает упрощение конструкции светодиодной лампы и уменьшает световые потери, связанные с оптическими потерями на защитном колпаке.На Фиг.10 продемонстрирован опытный образец лампы, содержащей светодиодный модуль 6, в котором первичная оптика выполнена в виде усеченной торической линзовой матрицы с наружным диаметром, большим диаметра печатной платы и радиатора, с дополнительным конструктивно интегрированным светопреломляющим элементом в виде сектора нижней части торической линзы. Материал линзовой матрицы - поликарбонат. Линза выполнена методом литья под давлением. Материал линзовой матрицы содержит светорассеивающий материал (диспергатор) в виде частиц двуокиси кремния (кварц). Размеры частиц кварца лежат в интервале 1-3 мкм, весовая доля диспергатора составляет 0.5%. В качестве светоизлучающих кристаллов использованы «белые» InGaN кристаллы размером 1×1 мм, изначально покрытые слоем гранатового люминофора, что обеспечивает формирование излучения белого цвета с цветовой температурой 3000К. Светодиодный модуль содержит шесть светодиодных кристаллов, посаженных на печатную плату с алюминиевым основанием. Модуль закреплен на радиаторе 12 посредством винта. Радиатор выполнен из алюминия и покрыт декоративной белой эмалью. Внутри радиатора установлен источник тока, работающий от сети переменного тока 230 В и обеспечивающий работу 6-и ваттного светодиодного модуля. В качестве цоколя 15 использован цоколь стандарта Е14.Угловая диаграмма излучения светодиодной лампы показана на Фиг.11 и демонстрирует, что предложенная конструкция лампы обеспечивает широкую диаграмму излучения. Похожую конструкцию светодиодной лампы можно использовать и в случае применения готовых дискретных светодиодов, имеющих свою первичную оптику (а также и не имеющих ее). В этом случае готовые светодиоды устанавливаются на печатную плату методом поверхностного монтажа (первый из заявленных вариантов).На Фиг.12 показан пример такой конструкции светодиодного модуля (для упрощения использован вид А на Фиг.5). Усеченная торическая линзовая матрица 6 установлена на печатной плате 2, на которой методом поверхностного монтажа установлены дискретные светодиоды 3, имеющие электрическое соединение с печатной платой 2. Светодиоды 3 размещены внутри поднутрения 9, сформированных в усеченной торической линзовой матрице. Светодиоды могут иметь свою первичную оптику 6′. В этом случае линзовая матрица 6 выполняет функции вторичной оптики. В качестве светодиодов может быть использован любой тип светодиода, любой конструкции с любым спектром излучения.Линзовая матрица 6 также может иметь светоотражающий элемент 16, имеющий угол наклона, обеспечивающий полное внутреннее отражение на границе раздела между материалом линзовой матрицы 6 и воздухом. Внешний диаметр линзовой матрицы и форма кривой поверхности торической линзовой матрицы также может меняться в зависимости от необходимости получить желаемое угловое распределение светового излучения от светодиодной лампы. При наружном диаметре линзовой матрицы 6, превышающем диаметры печатной платы 2 и радиатора светодиодной лампы, также формируется дополнительный конструктивно интегрированный светопреломляющий элемент 17, который является определенным сектором нижней части торической линзы. Меняя наружный диаметр, а также форму кривой поверхности торической линзовой матрицы 6, можно менять форму и размеры элемента 17. Для уменьшения потерь света на печатной плате 2 поверхность печатной платы также может быть покрыта светоотражающим материалом, например серебром, белым лаком, сульфатом бария, окисью алюминия и т.д. Информация о вышеописанной технологии представляет собой краткое описание патентного изобретения № RU 2550740 завода Пульсар: |
