УНИВЕРСАЛЬНЫЙ СВЕТОДИОДНЫЙ ФОНАРЬ Российский патент 2002 года по МПК F21L17/00 F21Y101/02 

Изобретение относится к осветительному оборудованию, предназначенному для использования во взрывоопасной среде при подводных работах, при тушении пожаров, работах в полостях труб, емкостей для хранения различных веществ, и может найти применение для освещения в любых условиях, в том числе и там, где требуется повышенная герметичность фонаря, высокая сила света и ограниченный источник электроэнергии.

Известен фонарь, применяемый для работы в условиях наличия взрывоопасной среды, содержащий корпус с аккумуляторной батареей, искрогасительными устройствами и средствами герметизации, крышку, эластичное уплотнение, соединительные провода и фару с лампой накаливания. См., например, а.с. СССР 181198, МКИ 21 L 11/00 "Фара для шахтного головного аккумуляторного светильника", опубл. 15.04.1966 г. в БИ 9.

Известный герметичный фонарь имеет недостатки, определяемые наличием лампы накаливания, которая имеет низкую световую отдачу, что ведет к повышенным расходам энергии аккумулятора. Кроме того, применение лампы накаливания может привести к аварии в случае разгерметизации фары и повреждении лампы.

Более близким по технической сущности и принятым за прототип является герметичный фонарь, описанный в патенте Российской Федерации 1778432 "Рудничный индивидуальный осветительный прибор", МКИ F 21 L 11/00, опубл. 30.11.1992 г. в БИ 44.

Известный герметичный фонарь содержит два источника света в виде ламп накаливания, рефлектор, оптическую систему, аккумуляторную батарею и коммутаторный узел для раздельного подключения источников света.

Недостаток известного герметичного фонаря заключается в том, что он имеет также, как и аналог, низкую световую отдачу, а его применение может привести к аварии в случае разгерметизации фонаря. Цвет светового потока известного фонаря изменить невозможно, разве что за счет смены светофильтров, что ведет к потере части светового потока. Между тем в условиях запыленности оператор должен иметь возможность изменять цвет светового потока для повышения освещенности.

Для применения же фонаря в подводных исследования также желательно изменять цвет светового потока, поскольку в водной среде предпочтительным является зелено-голубой спектр излучения, который имеет больший диапазон распространения.

Целью данного изобретения является снижение расхода электроэнергии, повышение безопасности и надежности и расширение диапазона применения фонаря.

Указанная цель достигается тем, что в герметичном фонаре, содержащем несколько источников света, рефлектор, оптическую систему, аккумулятор и коммутаторный узел, согласно изобретению в качестве источника света установлена плата со светодиодами, коллиматор и световод.

В варианте технического решения светодиоды вместе с платой располагаются в сплошном пластмассовом корпусе, представляющем собой подобие сектора, выпуклая сторона которого имеет вид параболы или параболоида и снабжена светодиодами, а узкая сторона усечена и сочленена с коллиматором или оптической линзой.

В варианте технического решения светодиодная плата представляет собой плоскую окружность, в центре которой находится рассеивающая линза или коллиматор, и плата располагается на стороне, противоположной рефлектору.

В варианте технического решения светодиоды располагаются на плоской плате параллельно защитному стеклу, причем светодиоды имеют различную диаграмму распределения светового потока, и светодиоды, различающиеся по светораспределению, разделены на группы, и эти группы соединены с напряжением через переключатели.

В варианте технического решения светодиоды состоят из трех групп красного, зеленого и синего цветов, каждая группа имеет коммутатор и регулятор тока.

В варианте технического решения фонарь снабжен газоанализатором и при превышении допустимой концентрации газа одна из групп светодиодов, например красного (или синего) цвета, включается в прерывистом режиме.

Использование светодиодной платы в качестве источника света обеспечивает небольшие габаритные размеры фонаря, низкое тепловыделение, позволяя, тем самым, уменьшить вес аппарата. Эа счет высокого срока службы светодиодов (достигающего 100 тыс. часов) увеличивается надежность фонаря. Весь источник света, представляющий собой плату, может выполняться на принципах печатной схемы, что ведет к сокращению трудоемкости изготовления прибора. Кроме того, в фонаре обеспечивается высокая степень безопасности, поскольку выход из строя светодиодов не вызывает каких-либо опасных эффектов даже при разрушении защитного стекла. Особенность конструкции светодиода состоит в том, что излучающая часть (р-n переход) заключена в жесткий сплошной пластмассовый корпус. В отличие от лампы накаливания при повреждении защитного стекла разрушение светодиода не происходит. Следует также отметить, что в случае выхода из строя части светодиодов остальные будут продолжать светить, что обеспечивает высокую живучесть фонаря. Кроме того, светодиоды обладают чрезвычайно высокой вибро- и ударостойкостью. Достоинством светодиодного источника света является также и то, что он состоит из нескольких групп световых приборов, соединенных по последовательно-параллельной схеме, что позволяет легко переключать его в зависимости от изменения напряжения источника питания, обеспечивая тем самым высокую световую отдачу даже при снижении напряжения аккумулятора. Светодиоды обладают также более высокой, по сравнению с лампами накаливания, световой отдачей, что позволяет более экономно использовать аккумуляторную батарею. Наличие коллиматора и световода позволяет легко управлять направлением светового потока и изменять его светораспределение.

Расположение светодиодов вместе с платой в сплошном пластмассовом корпусе, представляющем собой подобие сектора, выпуклая сторона которого имеет вид параболы (или параболоида), а узкая сторона усечена и сочленена с коллиматором или линзой, позволяет снизить потери светового потока при прохождении от источников света до коллиематора или линзы, повысить прочность конструкции и повысить безопасность фонаря. Рабочая температура светодиодов невелика и находится в пределах 40 - 50^oС. Это позволяет выбрать в качестве корпуса изделия практически любой материал, имеющий минимальное поглощение и рассеивание светового потока.

Расположение светодиодов на плоской плате на стороне, противоположной рефлектору, позволяет увеличить число световых приборов и тем самым повысить световой поток.

Применение светодиодов с различной диаграммой распределения светового потока с отдельным переключателем для каждой группы позволяет изменять световой пучек, не воздействуя на оптическую систему.

Применение светодиодов различной цветности с регулятором тока для каждой группы светодиодов различного цвета позволяет относительно просто производить корректировку цветовой гаммы, обеспечивая, таким образом, лучшую освещенность объекта в условиях запыленности или другой среды применения, например в воде. Установлено, что при наличии частиц пыли, диаметр которых сопоставим с длиной волны, излучаемой источником света, световой поток, отражаясь от частиц, создает вуалирующую пелену, ослепляющую оператора. Поэтому возможность изменять цвет светового потока, (т.е. изменять длину волны света) позволяет снижать уровень ослепленности при различных уровнях запыленности пространства. Кроме того, повышается универсальность фонаря, поскольку он может быть применен и как светосигнальное устройство.

Периодическое включение групп светодиодов одной цветности при наличии опасной концентрации газов способствует дополнительному оповещению оператора об опасности и тем самым расширяет возможности фонаря.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 представлена структурная схема фонаря со светодиодами, располагаемыми на плате в виде узкой полосы, изогнутой по форме параболы.

На фиг. 2 есть вид по стрелке на сечение А - А расположения светодиодов на плате.

На фиг. 3 изображен источник света из светодиодов, выполненный в виде сплошной конструкции из пластмассы.

На фиг. 4 представлена структурная схема герметичного фонаря со светодиодами, расположенными на поверхности, противоположной рефлектору.

На фиг. 5 нарисована конструкция фонаря, у которого светодиоды располагаются на плоской поверхности параллельно защитному стеклу.

На фиг. 6 имеется график зависимости силы света от угла распределения светового потока для разных групп светодиодов.

На фиг.7 нарисована принципиальная схема включения светодиодов с различным распределением светового потока.

На фиг.8 дала принципиальная электрическая схема включения светодиодов с различным спектром излучения.

На фиг. 9 показана зависимость силы света, излучаемой светодиодом, от величины протекающего по нему тока.

На фиг.10 имеется график изменения светового потока светодиодов с различным спектром излучения.

На фиг. 11 изображен шахтерский шлем с универсальным светодиодным фонарем.

Общие для всех чертежей элементы обозначены одинаково.

Универсальный светодиодный фонарь выполнен следующим образом. Источники света 1 (фиг.1) состоят из светодиодов, которые располагаются в ряд на плате 2. Плата представляет собой узкую полосу, изготовленную из пластмассы, например из плексигласа, и изогнутую по параболе так, чтобы сконцентрировать световой поток от светодиодов на коллиматоре 3. Эти элементы находятся в корпусе 4. Световод 5 подводит световой поток к рассеивающей линзе 6. Последняя находится в держателе 7 и распределяет световой поток в пространство. Держатель 7 может быть расположен на шлеме (не показано).

Вид по стрелке на сечение А-А (фиг.2) дает представление о плате 2 со светодиодами 1.

При необходимости обеспечения больших световых потоков светодиоды могут располагаться и на трехмерной поверхности, имеющей форму параболоида, а сама поверхность с наружной стороны может быть дополнительно покрыта светоотражающим слоем, направляющим световой поток в сторону коллиматора 3.

В варианте технического решения светодиоды 1 вместе с платой 2 располагаются в сплошном пластмассовом корпусе 8 (фиг.3), представляющем собой подобие сектора, выпуклая сторона 9 которого со светодиодами имеет вид параболы, а узкая сторона 10 усечена и сочленена с коллиматором 3 или оптической линзой 6. В качестве материала корпуса может быть применен поликарбонат. Внешняя поверхность корпуса 8 покрывается светоотражающим слоем, обращенным внутрь корпуса. При этом наличие линзы 6 необязательно, поскольку сам корпус 8 может быть выполнен с выпуклым образованием в узкой стороне, выполняющим роль линзы 6. Поверхность 9 может быть выполнена в виде параболоида. Корпус 8 в таком случае представляет собой усеченный конус, суженная сторона которого сочленяется либо с линзой, либо с коллиматором. Так же, как и в плоском варианте, узкая часть корпуса может быть выполнена в виде линзы.

В варианте технического решения световые приборы 1 располагаются на поверхности платы 11 (фиг.4), противоположной сферическому рефлектору 12. В фокусе рефлектора находится рассеивающая линза 13. Световой поток от линзы распределяется в пространство. Вместо линзы 13 на том же месте может быть расположен коллиматор, световод и линза, как это показано на фиг.1.

В варианте технического решения светодиоды располагаются на плоской плате 14 (фиг.5), параллельно защитному стеклу 15. Плата 14 может иметь форму окружности либо полосы. Светодиоды 1 разделены на две 1', 1" или более группы с различными диаграммами распределения светового потока. Фиг.6 дает представление о таком распределении (кривые 16 и 17), где на оси ординат отложена сила света I_ф, а на оси абсцисс - угол распределения θ.

Каждая группа светодиодов 1' и 1" имеет включатель соответственно 18 и 19 (Фиг.7). В цепи питания светодиодов имеются ограничители тока 20 и 21.

В варианте технического решения светодиоды имеют различные спектры излучения - красный (1R), зеленый (1G) и синий (1В) (Фиг.8). В цепи питания светодиодов различной цветности имеются регуляторы тока, соответственно для красных 22, для зеленых 23, а для синих 24. Общее количество диодов зависит от конструкции и требуемого максимального светового потока. Их соотношение по цвету определяется необходимостью получения суммарного белого стандартного света. Светодиоды соединены по последовательно-параллельной схеме. В каждой отдельной цепи по 4 последовательно соединенных светодиодов определенного спектра излучения. Однако, при необходимости, светодиоды могут переключаться по последовательно-параллельной схеме, где последовательно соединены только 2 прибора или все светодиоды соединены параллельно. Цепь может содержать переключатель для изменения схемы их включения. Это позволяет адаптировать аппарат к различным источникам питания. Расположение светодиодов с различным спектром излучения на плате определяется удобствами монтажа. В цепи питания светодиодов с различным цветом излучения установлены контакты соответственно 25, 26 и 27. В комплект фонаря может входить газоанализатор 28, блок регистрации 29 пульспара 30 и реле 31, контакт последнего 31 находится в цепи питания красных (или синих) светодиодов.

При изменении величины тока, протекающего через светодиод, его световой поток изменяется. С увеличением тока I сила света I_ф, излучаемого светодиодом, возрастает практически прямолинейно (32), как это показано на фиг.9, где по оси ординат обозначен ток I в относительных единицах, а по оси абсцисс - сила света I_ф в канделах.

Суммарный световой поток Фб определяется суммированием трех компонент: красного (R) - 33, зеленого (G) - 34 и синего (В) - 35 (фиг.10). Примерные зависимости этих компонент от тока, протекающего через диоды, показана на фиг.10, а сумма компонентов соответствует стандартному белому цвету.

Расположение корпуса фонаря 4 (или держателя 6) на шлеме 36 (фиг.11) соответствует стандартам, применяемым на угольных шахтах. Световой поток подводится либо кабелем 37, либо световодом 5.

Универсальный светодиодный фонарь действует следующим образом. Световой поток от светодиодов 1 (фиг.1), расположенных на плате 2, согнутой в виде параболы, концентрируется на коллиматоре 3 и по световоду 5 поступает на рассеивающую линзу 6. Последняя закреплена в держателе 7. При этом держатель 7 имеет возможность поворота вверх, вниз, влево, вправо за счет гибкой части световода 5. Поскольку световой поток от светодиодов сосредоточен в небольшом телесном угле, то рефлектор может и не потребоваться, а сама плата 2 может быть выполнена на недорогостоящей пластмассы.

Если требуется большая сила света, то поверхность платы 2 может быть выполнена в форме параболоида, а количество светодиодов 1 при этом возрастает.

При наличии сплошного пластмассового корпуса 8 (фиг. 3) повышается взрывобезопасность фонаря, сокращаются потери на поглощение и рассеивание, что определяется подбором соответствующего материала. Температура нагрева светодиодов невелика, что никак не ограничивает выбор материала. Внешняя поверхность корпуса 8 может быть покрыта светоотражающим слоем, направленным внутрь корпуса 8. Сам корпус может быть либо плоский, как на фиг.1, либо объемный. При этом поверхность 9 вместе с платой 2 выполняется в виде параболоида с соответствующим увеличением числа источников света.

В варианте технического решения световой поток от светодиодов 1, располагаемых на плоской плате 11 (фиг.4), отражаясь от параболического рефлектора 12, концентрируется на рассеивающей линзе 13. После прохождения через линзу световой поток распределяется в пространстве. В этой конструкции также возможно применение коллиматора и световода, как на фиг.1.

Плоская конструкция платы 11 с источниками света 1, располагаемыми на плате (фиг.4), упрощает конструкцию и снижает стоимость фонаря.

Настоящее техническое решение предусматривает возможность изготовления фонаря без использования линзы, как это показано на фиг.5. Такая компоновка значительно упрощает конструкцию фонаря. Фотометрическое тело, создаваемое фонарем, определяется светораспределением светодиодов. Так, если часть светодиодов 1' имеет диаграмму распределения светового потока 16 согласно фиг. 6, то и суммарный световой поток всех светодиодов будет располагаться в небольшом телесном угле θ₁. Если же часть светодиодов будет иметь другое распределение светового потока, например в форме 17 (1''), то при включении этих световых приборов общий световой поток будет более рассеянным. При наличии нескольких групп таких светодиодов сочетание их световых потоков может дать различное распределение светового пятна. Фиг.7 дает представление о включении такого фонаря. Сопротивления 20 и 21 предназначены для стабилизации тока светодиодов.

В варианте технического решения светодиоды разделены на три группы цветности: красные 1R, зеленые 1G и синие 1B (фиг.8), и каждая группа имеет регуляторы тока 22, 23 и 24, с помощью которых можно изменять величину тока отдельной группы и, тем самым, изменять световой поток (фиг.9) одного из компонентов цвета. Как известно, результирующий цвет, излучаемый источником, может быть образован путем смешения трех цветов: красного R (29) зеленого G (30) и синего B (31) (фиг.10). Изменяя световой поток одного из компонентов, можно изменять и суммарный цвет излучения. Включатели позволяют убирать один из компонентов цвета, резко меняя цвет. Экспериментально установлено, что при наличии частиц пыли, диаметр которых сопоставим с длиной волны, излучаемой источником света, световой поток, отражаясь от частиц, образует вуалирующую пелену, создающую ощущение ослепленности. Поэтому возможность изменять цвет светового потока, т.е. изменять длины волны света, позволяет снижать уровень ослепленности при различных уровнях запыленности пространства (См. кн. Прикладная оптика/Дубовик Д.С. и др. М.: Недра, 1982 , с.330). Кроме того, повышается универсальность фонаря, поскольку он может быть применен и как светосигнальное устройство. Кроме того, при подводных работах, для увеличения глубины проникновения, свет должен иметь сине-зеленый спектр излучения, что и достигается путем сочетания световых потоков соответствующих светодиодов. При определенных сочетаниях световых потоков светодиода 1R, 1G, 1B общий световой поток соответствует стандартному белому (МОК), складываясь в пропорциях красный/ зеленый/ синий - R/G/В = 1/4,6/0,06 (см. Гуторов М.М., с.122 - 124).

Соотношение количества светодиодов на фиг.8 не соответствует этой пропорции. В частности, количество синих светодиодов больше, чем требуется для получения стандартного белого света. Схема подобрана так, чтобы была определенная симметрия, т. е. в каждой цепи по 4 светодиода, включенных последовательно. Точная пропорция соблюдается за счет регуляторов тока 22, 23 и 24 и путем подбора соответствующих световых приборов.

Для регулирования спектра излучения в зависимости от состояния среды достаточно изменить сопротивление регуляторов. При этом может быть получен практически любой цвет.

В настоящее время широкое распространение получили газоанализаторы, используемые в шахтах для оповещения о наличии высоких концентраций опасных газов: метана или окиси углерода. (См., например, патент РФ 2123176, МКИ G 01 N 21/25, опубл. 10.12.1998г. в БИ 34. Его особенность состоит в том, что за счет источника излучения сложного спектрального состава, путем пропускания через газовую среду и последующего спектрального анализа, определяется состав смеси. При превышении концентрации опасных газов, например угарного или метана, из блока регистрации 29 (фиг.8) газоанализатора 28 поступает сигнал на пульспару 30. Последняя периодически включает реле 31. Нормально-замкнутые контакты 31 реле 31, имеющиеся в цепи питания красных (или зеленых) светодиодов, периодически (с частотой, например, 90 раз в минуту) начинают выключать эту группу светодиодов. При этом оператор наблюдает периодическое изменение цвета излучения фонаря и некоторое колебание яркости. Яркость изменяется незначительно, так как в составе световой смеси процентное отношение красных (синих) цветов относительно невелико. Однако это колебание света достаточно заметно, чтобы на него среагировать. При использовании фонаря в подводных работах соотношение цветов может быть изменено за счет установки платы со светодиодами, имеющими другое спектральное соотношение, в котором преобладают синие светодиоды. Наличие регуляторов 22, 23 и 24 позволяет, по желанию оператора, корректировать суммарный спектральный состав излучения. При этом не требуется применение каких-либо светофильтров, снижающих световой поток.

Технико-экономические преимущества предлагаемого универсального светодиодного фонаря заключаются в следующем.

1. Снижен расход электроэнергии.

2. Повышена безопасность при использовании фонаря.

3. Расширена номенклатура возможного применения изделия.

4. Повышена надежность изделия.

5. Повышена влагозащищенность и взрывобезопасность за счет полной герметичности прибора и снижении тепловой нагрузки на систему.

7. Снижены потери светового потока.

8. Увеличен срок службы прибора.

Изобретение относится к осветительному оборудованию, предназначенному для использования во взрывоопасной среде. Техническим результатом является снижение расхода электроэнергии, повышение безопасности и надежности и расширение диапазона применения фонаря. В фонаре использованы группы светодиодов, имеющие различные цвета излучения. Каждая группа имеет регулятор тока и выключатель. Регулируя ток отдельной группы, можно получать различный спектр излучения фонаря. Имеется несколько модификаций исполнения. В одной из модификаций светодиоды располагаются в сплошном пластмассовом корпусе. В варианте технического решения светодиоды имеют различную диаграмму распределения светового потока, что позволяет путем переключения части световых приборов изменять общее распределение светового потока, не меняя фокусного расстояния линзы. Предусматривается, при наличии газоанализатора, периодически отключать часть светодиодов с определенным цветом излучения в случае опасной концентрации газов. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Универсальный светодиодный фонарь, содержащий источники света, рефлектор, оптическую систему, аккумуляторную батарею и коммутатор, отличающийся тем, что оптическая система содержит коллиматор, световод и линзу, в качестве источников света использованы светодиоды, расположенные на плате, изогнутой в виде параболоида так, что световой поток светодиодов сконцентрирован на коллиматоре. 2. Универсальный светодиодный фонарь по п. 1, отличающийся тем, что светодиоды состоят из трех групп красного, зеленого и синего цветов, коммутатор содержит газоанализатор, регистрирующий наличие опасной концентрации примесей, блок регистрации, пульс-пару и реле, причем контакт реле находится в цепи питания одной из групп красных или синих светодиодов. 3. Универсальный светодиодный фонарь по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что источники света расположены в сплошном пластмассовом корпусе. 4. Универсальный светодиодный фонарь, содержащий источники света, рефлектор, оптическую систему, аккумуляторную батарею и коммутатор, отличающийся тем, что в качестве источников света использованы светодиоды, расположенные на плоской плате, имеющей вид окружности, а оптическая система выполнена в виде сферического рефлектора, расположенного напротив платы и рассеивающей линзы, установленной в фокусе сферического рефлектора. 5. Универсальный светодиодный фонарь по п. 4, отличающийся тем, что светодиоды состоят из трех групп красного, зеленого и синего цветов, коммутатор содержит газоанализатор, регистрирующий наличие опасной концентрации примесей, блок регистрации, пульс-пару и реле, причем контакт реле находится в цепи питания одной из групп красных или синих светодиодов.