ВАКУУМНЫЙ СВЕТОДИОД (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2013 года по МПК H01J63/06 

Изобретение относится к компактным приборам светового излучения, к устройствам и способам создания источников света за счет облучения люминофора электронным пучком.

Известна катодолюминесцентная компактная лампа, описанная в патенте RU №2260224, МПК⁶: H01J 1/28, H01J 63/06, опубл. 10.09.2005, в которой катодолюминесцентный источник света включает полевой катод (автокатод) в качестве источника электронов, анод в виде пленочного прозрачного проводника с нанесенным на его поверхность катодолюминофором. Катод и анод располагаются в вакуумируемом корпусе, имеющем прозрачную поверхность, таким образом, чтобы обеспечить облучение пучком электронов катодолюминофора на поверхности анода и выход наружу вследствие катодолюминесценции потока света. В катодолюминесцентной лампе, описанной в патенте RU №2274924, МПК: H01J 63/06, опубл. 20.04.2006, катод и анод имеют полуцилиндрическую или близкую к ней форму поверхности.

Главным недостатком этих вариантов ламп является необходимость подбора (подгонки) их конструкций к конструкции полевого катода, что связано с необходимостью создания равномерного распределения линий поля между катодом и анодом. Это приводит к уменьшению полезной (излучающей) площади лампы. Кроме того долговечность полевых катодов мала - эта проблема пока не имеет положительного решения.

Известны полупроводниковые светодиоды, описанные в патентах RU: №2402108, МПК: H01L 33/50, H01L 25/13, опубл. 20.10.2010; №2402109, МПК: H01L 33/56, опубл. 20.10.2010; №2402110, МПК: H01L 33/56, опубл. 20.10.2010; №2407946, МПК: F21K 99/00, опубл. 27.12.2010; №2408957, МПК: H01L 51/50, опубл. 10.01.2009; №2392695, МПК: H01L 33/06, H01L 33/30, опубл. 20.06.2010; №2398995, МПК: F21S 8/10, опубл. 10.09.2010. Конструкция светодиода (см., например, патент RU №2408957, МПК: H01L 51/50, опубл. 10.01.2009) включает прозрачный электрод, электронно-дырочно-переход (собственно диод), светоизлучающий слой и металлический электрод, последовательно нанесенные на поверхность подложки, закрепленной в пластиковом корпусе. На поверхность металлического электрода напылена защитная пленка серебра, а в нижней части корпуса расположены капсулы, содержащие активные поглотители воды, кислорода и примесей.

Недостатком таких конструкций является то, что они требуют сложной технологии и высокой трудоемкости изготовления, следствием чего является более высокая стоимость (в 5÷50 раз), вредные производства. Кроме того светодиоды имеют сравнительно небольшую интегральную светосилу (обычно порядка 10 люмен с одного светодиода), из-за чего приходится встраивать в светильники их большое количество. К их недостаткам можно отнести также сравнительно небольшие значения угла излучения (90-120°) в отличие от желательных для освещения пространств 180° и более.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому решению является конструкция компактной катодолюминесцентной лампы, описанная в патенте RU №2274924, МПК: H01J 63/06, опубл. 20.04.2006, которая содержит вакуумируемый корпус, по крайней мере, часть поверхности которого прозрачна, и размещенные в нем, по меньшей мере, один анод, поверхность которого, обращенная к катоду, выполнена зеркально отражающей свет, перекрывает часть внутренней поверхности корпуса и покрыта слоем катодолюминофора, и, по меньшей мере, один катод, создающий электронный пучок, анод имеет полуцилиндрическую или близкую к ней форму поверхности, катод имеет форму нити и расположен по продольной оси анода. В лампе по этому патенту (№2279424) анод выполнен в виде части ее поверхности, обращенной к полевому катоду и имеющей отражающее покрытие. Отражение света от анода дает, по мнению авторов, увеличение светового потока. Излученный анодом свет проходит через прозрачную часть поверхности лампы.

Главным недостатком этого варианта лампы является малая площадь свечения, составляющая не более половины поверхности лампы и зависящая от конструкции катода и анода, свойств люминофора. Потеря излучения света с более половины площади поверхности лампы делает ее не эффективной. Для катодолюминесцентных ламп, имеющих сравнительно небольшой съем излучения на единицу площади, размер излучающей поверхности имеет самое важное значение.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в улучшении эргономических и экономических характеристик вакуумного светодиода: повышение светосилы и равномерности свечения, повышение надежности при эксплуатации, простота конструкции, позволяющая иметь самые низкие затраты на изготовление.

Указанные технические результаты при осуществлении изобретения достигаются тем, что в вакуумном светодиоде, содержащем баллон, на часть внутренней поверхности которого нанесен токопроводящий слой и слой люминофора, образующие анод, катод, выводы от катода и выводы от анода к источнику напряжения, отличающемся тем, что баллон выполнен в виде цилиндрической стеклянной колбы, запаянной стеклянными крышками с концов, причем внутренняя поверхность цилиндрической стеклянной колбы полностью покрыта токопроводящим прозрачным слоем и слоем люминофора, а катод выполнен в виде нити-петли и закреплен по оси цилиндра в трех точках - концами нити-петли к выводам катода, впаянным в одну из стеклянных крышек, середина нити-петли катода с помощью пружинного крепления скреплена с другой стеклянной крышкой.

Указанные технические результаты при осуществлении изобретения достигаются тем, что в вакуумном светодиоде, содержащем вакуумный стеклянный баллон, на часть внутренней поверхности которого нанесен токопроводящий слой и слой люминофора, образующие анод, катод, выводы от катода и выводы от анода к источнику напряжения, баллон выполнен в виде, по крайней мере, двух цилиндрических стеклянных колб, запаянных с обоих концов едиными монолитными стеклянными крышками, причем внутренняя поверхность каждой цилиндрической стеклянной колбы полностью покрыта токопроводящим прозрачным слоем и слоем люминофора, а катод выполнен в виде нити-петли и закреплен по оси цилиндра в трех точках - концами нити-петли к выводам катода, впаянным в одну из монолитных стеклянных крышек, середина нити-петли катода скреплена с помощью пружинного крепления с другой монолитной стеклянной крышкой.

Кроме того, в вакуумном светодиоде катод выполнен в виде термокатода; катод выполнен в виде автокатода.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, примером конкретного исполнения и описанием.

На фиг.1 схематично изображен общий вид вакуумного светодиода в разрезе, вид прямо - первое устройство.

На фиг.2 схематично изображен общий вид вакуумного светодиода с несколькими цилиндрическими стеклянными колбами, запаянными с двух концов едиными монолитными стеклянными крышками - второе устройство.

На чертежах приняты следующие обозначения:

1 - вакуумный стеклянный баллон;

2 - цилиндрическая стеклянная колба;

3, 4 - стеклянные крышки;

5 - токопроводящий прозрачный слой;

6 - слой люминофора;

7 - анод (токопроводящий слой 5 и слой люминофора 6) - фрагмент анода;

8 - катод в виде нити-петли;

9, 10 - выводы от анода;

11, 12 - выводы от катода;

13 - пружинное крепление середины нити-петли катода.

Вакуумный светодиод представляет собой вакуумный цилиндрический баллон 1. Баллон 1 выполнен в виде стеклянной цилиндрической колбы 2, запаянной с двух концов стеклянными крышками 3 и 4. На внутренней поверхности вакуумной цилиндрической колбы 2 расположен анод 7 в виде токопроводящего прозрачного слоя 5 с нанесенным на его поверхность слоя люминофора 6. Катод 8 представляет собой нить в виде петли, расположенной в центре по оси стеклянной цилиндрического колбы 2 и закрепляемой в трех местах - с двух концов, при этом в одном конце вакуумного цилиндрического баллона 1 катод 8 своей серединой закреплен к одной из стеклянных крышек 3 с помощью пружинного крепления 13, а в другом конце вакуумного цилиндрического баллона 1 катод 8 закреплен своими двумя концами через выводы катода 11 и 12, впаянные во второй стеклянной крышке 4. Анод 7 имеет внешние выводы 9 и 10, по крайней мере, два вывода.

В другом конструктивном исполнении вакуумный светодиод выполнен в виде нескольких цилиндрических стеклянных колб 2. Все, по крайней мере, две цилиндрические стеклянные колбы 2 запаяны с двух концов едиными монолитными стеклянными крышками 3 и 4. Внутренняя поверхность каждой из цилиндрических колб 2 полностью покрыта токопроводящим прозрачным слоем 5, поверх которого нанесен слой люминофора 6. Катод 8 представляет собой нить в виде петли, расположенной в центре по оси каждой стеклянной цилиндрического колбы 2 и закрепляемой в трех местах - с двух концов, при этом в одном конце вакуумного цилиндрического баллона 1 катод 8 своей серединой закреплен к одной из монолитных стеклянных крышек 3 с помощью пружинного крепления 13, а в другом конце вакуумного цилиндрического баллона 1 катод 8 закреплен своими двумя концами через выводы катода 11 и 12, впаянные во второй монолитной стеклянной крышке 4. Анод 7 имеет внешние выводы 9 и 10 (один, два или более выводов).

Вакуумный светодиод работает следующим образом.

При подаче тока на катод 8 катод 8 излучает электроны, образуя перемещающееся облако (лучи) в вакуумном пространстве между катодом 8 и анодом 7. При подаче напряжения между анодом 7 и катодом 8 протекает ток в вакууме, и электроны бомбардируют слой люминофора 6, нанесенный на токопроводящий прозрачный слой 5 анода 7. В результате бомбардировки слой люминофора 6 излучает свет во все стороны. При этом наружу (сквозь стенки баллона) проходит почти все излучение благодаря тому, что люминофорная пленка (широкозонный полупроводник) хорошо пропускает свет, многократно отражаемый внутри баллона.

Крепление нити катода в трех точках, в том числе в одной из них с помощью пружинного крепления создает механическую устойчивость катода от механических и электромагнитных воздействий.

Предлагаемый вакуумный светодиод по своей конструкции является вакуумным диодом, анод которого к тому же излучает свет за счет возбуждения его материала (слоя люминофора) электронным потоком (током диода). Вакуумный светодиод может иметь микроисполнение и быть элементом электронных схем, подобно полупроводниковым светодиодам (СИД).

Вакуумный светодиод (ВСИД) бóльших размеров может быть прибором для освещения - световой лампой или ее частью. В изобретении заявляется именно такой вариант ВСИД. Предлагаемый вакуумный светодиод является наиболее простым элементом, из которых возможно делать наборы для световых ламп. Подобным образом создают светильники наборами из полупроводниковых светодиодов (СИД).

По принципу действия вакуумный светодиод подобен катодолюминесцентным дисплеям и электронно-лучевым трубкам - низковольтным и высоковольтным. Известно, что достигнутые величины параметра светоотдачи катодолюминесценции равны 30 лм/Вт и более, что по значениям близко к люминесцентным лампам и светодиодам. Этот факт позволяет рассчитывать на реальные возможности применений заявленного вакуумного светодиода вместо люминесцентных ламп и светодиодов. Это применение обусловлено преимуществами заявленного вакуумного светодиода перед прототипом и аналогами, заключающимися в следующем:

перед другими катодолюминесцентными лампами -

- максимальным значением используемой поверхности свечения;

- максимальной серийно пригодностью и меньшими затратами на изготовление за счет простоты конструкции;

- меньшим воздействием внешних электромагнитных полей за счет замкнутой проводящей поверхности;

- лучшими перед светодиодами возможностями применений в светильниках;

перед светодиодами -

- меньшей стоимостью в расчете на 1 лм света;

- большей величиной излучающей поверхности;

- большим углом светоизлучения;

- более высокой характеристикой цветопередачи;

перед газоразрядными люминесцентными лампами -

- отсутствием ртути;

- лучшей характеристикой цветопередачи.

Испытания опытного образца заявленного вакуумного светодиода показали его работоспособность и то, что использование его дает возможность экономить электрическую энергию при высокой световой силе и меньшей мощности питания.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам и способам создания источников света за счет облучения люминофора электронным пучком. Техническим результатом является улучшение эргономических и экономических характеристик за счет повышение светосилы и равномерности свечения, повышение надежности при эксплуатации, упрощение конструкции, который достигается тем, что в вакуумном светодиоде, содержащем баллон, на часть внутренней поверхности которого нанесен токопроводящий слой и слой люминофора, образующие анод, катод, выводы от катода и выводы от анода к источнику напряжения, баллон выполнен в виде цилиндрической стеклянной колбы, запаянной стеклянными крышками с концов, причем внутренняя поверхность цилиндрической стеклянной колбы полностью покрыта токопроводящим прозрачным слоем и слоем люминофора, а катод выполнен в виде нити-петли и закреплен по оси цилиндра в трех точках - концами нити-петли к выводам катода, впаянным в одну из стеклянных крышек, середина нити-петли катода с помощью пружинного крепления скреплена с другой стеклянной крышкой. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Вакуумный светодиод, содержащий вакуумный стеклянный баллон, на часть внутренней поверхности которого нанесены токопроводящий слой и слой люминофора, образующие анод, катод, выводы от катода и выводы от анода к источнику напряжения, отличающийся тем, что баллон выполнен в виде цилиндрической стеклянной колбы, запаянной стеклянными крышками с концов, причем внутренняя поверхность цилиндрической стеклянной колбы полностью покрыта токопроводящим прозрачным слоем и слоем люминофора, а катод выполнен в виде нити-петли и закреплен по оси цилиндра в трех точках - концами нити-петли к выводам катода, впаянным в одну из стеклянных крышек, середина нити-петли катода скреплена с помощью пружинного крепления с другой стеклянной крышкой.

2. Вакуумный светодиод по п.1, отличающийся тем, что катод выполнен в виде термокатода.

3. Вакуумный светодиод по п.1, отличающийся тем, что катод выполнен в виде автокатода.

4. Вакуумный светодиод, содержащий вакуумный стеклянный баллон, на часть внутренней поверхности которого нанесены токопроводящий слой и слой люминофора, образующие анод, катод, выводы от катода и выводы от анода к источнику напряжения, отличающийся тем, что баллон выполнен в виде, по крайней мере, двух цилиндрических стеклянных колб, запаянных с обоих концов едиными монолитными стеклянными крышками, причем внутренняя поверхность каждой цилиндрической стеклянной колбы полностью покрыта токопроводящим прозрачным слоем и слоем люминофора, а катод выполнен в виде нити-петли и закреплен по оси цилиндра в трех точках - концами нити-петли к выводам катода, впаянным в одну из монолитных стеклянных крышек, середина нити-петли катода скреплена с помощью пружинного крепления с другой монолитной стеклянной крышкой.

5. Вакуумный светодиод по п.4, отличающийся тем, что катод выполнен в виде термокатода.

6. Вакуумный светодиод по п.4, отличающийся тем, что катод выполнен в виде автокатода.