СВЕТОДИОД ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО СВЕТОФОРА Российский патент 2015 года по МПК H01L33/58 

Изобретение относится к светодиодной технике, конкретно к светодиодам для железнодорожного светофора, и может быть использовано в устройствах автоблокировки на перегоне и на железнодорожных станциях, а именно в системах светооптических светодиодных мачтовых (СССМ) и карликовых (СССК) светофоров.

Одним из наиболее важных параметров светодиодов, использующихся в железнодорожных светофорах, является величина силы света ложного сигнала, отраженного от систем светооптических светодиодных (ССС) светофоров под действием посторонней засветки (попадании на них солнечного света или лучей локомотивного прожектора) по оптической оси и под углами ±1,5°. Эта величина должна быть не более 25 кд.

Наиболее близко из известных светодиодов по назначению и технической сущности к заявленному изобретению относится светодиод, описанный в патенте WO 0057492 (PCT/RU 99/00388), содержащий стеклотекстолитовую или алюминиевую печатную плату, излучатель света в виде светодиодного кристалла с присоединительными проводами красного, желтого, зеленого, синего или белого света, покровную асферическую линзу, снабженную светоприемной и светоизлучающей поверхностями.

При этом светоприемная поверхность линзы выполнена в виде колодца с боковой цилиндрической поверхностью и торцевой плоской поверхностью, а светоизлучающая поверхность линзы выполнена в виде линзы Френеля.

Первым недостатком этого решения является невысокая величина осевой силы света. Для светодиода с длиной волны 632 нм типичное значение осевой силы света 90 кд при постоянном прямом токе 20 тА.

Вторым недостатком этого решения является значительная величина силы света ложного сигнала, обусловленная тем, что падающий на светодиод свет, проходя сквозь линзу, герметизирующий компаунд, попадает на поверхность кристалла, отражается от него и, возвращаясь, проходит через герметизирующий компаунд и линзу и, выходя за пределы светодиода, теряет свою интенсивность за счет малого поглощения света линзой и компаундом. Кроме того, металлическое основание, входящее в состав светодиода, увеличивает величину ложного сигнала.

Задачей изобретения является создание светодиода, пригодного для использования в системах светооптических светодиодных мачтовых (СССМ) и карликовых (СССК) светофоров для железнодорожного транспорта

Техническим результатом является увеличение осевой силы света с одновременным уменьшением величины силы света ложного сигнала, отраженного от систем светооптических светодиодных (ССС) светофоров под действием посторонней засветки, и управляемость углом рассеяния кривой силы света (КСС).

Сущность изобретения

Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в светодиоде для железнодорожного светофора, содержащем стеклотекстолитовую или алюминиевую печатную плату, излучатель света в виде светодиодного кристалла с присоединительными проводами красного, желтого, зеленого, синего или белого света, покровную асферическую линзу, снабженную светоприемной и светоизлучающей поверхностями, согласно изобретению светоприемная поверхность линзы выполнена в виде полусферической выемки, расположенной в центре основания линзы, а светоиспускающая асферическая поверхность имеет вид полинома:

где:

C_2i - нормируемые коэффициенты;

х, у - текущие значения проекции точек поверхности асферической линзы вдоль оси абсцисс и оси ординат соответственно;

i - текущее значение переменной полинома (i=∈{l,4}).

При этом полусферическая выемка в основании линзы выполнена радиусом ≥2 мм. На нижней поверхности линзы установлены направляющие штыри, размещенные соответственно позиционным отверстиям печатной платы. На поверхность печатной платы нанесена черная матовая маска. Длина волны излучателя белого света, выполненного в виде светодиодного кристалла, покрытого слоем силикон-люминофорной композиции, равна λ=450-460 нм, а координаты цветности находятся в диапазоне Х=(0.31, 0.31, 0.45, 0.45)±0,001 и Y=(0.306, 0.335, 0.42, 0.39)±0,001. Силикон-люминофорная композиция содержит, масс. %: Стоксовский люминофор - 3÷15; Силикон - 85÷97. Силикон в силикон-люминофорной композиции имеет показатель преломления R_i≥1.5. Люминофор выполнен Стоксовским на основе гранатов и силикатов. По периферии силикон-люминофорной композиции нанесено корректирующее силиконовое обрамление. Корректирующее силиконовое обрамление содержит, масс. %: Поглощающие частицы - 0,05÷0,5; Силикон - 99,5÷99,95. Силикон в корректирующем силиконовом обрамлении имеет показатель преломления R_i≥1.4. Полость между излучателями и светоприемной поверхностью линзы заполнена антибликовым силиконом. Антибликовый силикон содержит, масс.%: Поглощающие частицы - 0,005÷0,05; Силикон - 99,995÷99,95. Силикон в антибликовом силиконе имеет показатель преломления R_i≥1.4. Размер поглощающих частиц меньше 1 мкм.

Выполнение светоприемной поверхность линзы в виде полусферической выемки, расположенной в центре основания линзы, а светоиспускающей поверхности линзы - асферической в виде полинома, указанного в п.1 формулы, позволяет увеличить осевую силу света светодиода с одновременным уменьшением величины силы света ложного сигнала за счет рациональной ее формы.

Рациональные параметры светодиода, представленные в дополнительных пунктах формулы, дополнительно позволяют увеличить осевую силу света светодиода с одновременным уменьшением величины силы света ложного сигнала за счет рациональной ее формы.

На чертеже представлен в разрезе светоизлучающий диод (СИД). Согласно изобретению он содержит печатную плату 1, линзу 2 с квадратным или круглым основанием 3, снабженную светоприемной поверхностью 4 и светоизлучающей асферической поверхностью 5 и направляющими штырями 6, излучатель света 7 с присоединительными выводами, слой антибликового силикона 8, слой силикон-люминофорной композиции 9, слой корректирующего силиконового обрамления 10. Соотношение между габаритами линзы 2 (длина, ширина и высота) для данного примера составляет: 13,5 …14,5; 13,5 …14,5; 12 …14 мм.

Излучатель 7 света выполнен в виде светодиода или светодиодного кристалла красного, желтого, зеленого, синего или белого света. Направляющие штыри 6 установлены на нижней поверхности асферической линзы и размещены соответственно позиционным отверстиям печатной платы 1. Светоприемная поверхность 4 выполнена в виде сферической выемки, расположенной в центре основания линзы 2. Указанная выемка заполнена одно- или многослойным герметизирующим силиконом соответствующего состава. Причем светоприемная поверхность 4 сферической выемки линзы 2 имеет радиус ≥2 мм, а светоизлучающая поверхность 5 линзы 2 асферическая и имеет вид, описываемый полиномом:

где:

C_2i - нормируемые коэффициенты;

х, у - текущие значения проекции точек поверхности асферической линзы

вдоль оси абсцисс и оси ординат соответственно;

i - текущее значение переменной полинома (i=∈{l,4}).

Наиболее важным параметром светодиодов, использующихся в железнодорожных светофорах, является величина осевой силы света и угловые параметры кривой силы света. Распределение силы света в горизонтальной плоскости симметрично относительно оптической оси, при этом значения силы света под одинаковыми углами ±1,5° относительно оптической оси отличается более чем в два раза. Угол рассеяния по уровню 0.1 в горизонтальной и вертикальной плоскостях находится в пределах значений +-4 градуса. Излучатель 7 белого цвета получается путем нанесения слоя силикон-люминофорной композиции 9, состоящей из Стоксовского люминофора на основе гранатов и силикатов и силикона с показателем преломления R_i≥1.5, на светодиодный кристалл 7 с длиной волны 450-460 нм. Применение слоя антибликового силикона позволяет уменьшить величину силы света ложного сигнала поглощением падающего и отраженного от поверхности кристалла света за счет включенных в силикон поглощающих наночастиц. Антибликовый силикон - это силикон с показателем преломления R_i≥1.4, наполненный поглощающими свет частицами. Размер поглощающих свет частиц составляет меньше 1 мкм. Изменяя концентрацию поглощающих частиц в силиконе, можно изменять как силу света ложного сигнала, так и такой важный параметр светодиода, как осевая сила света. Это позволяет получать светодиоды с заданными параметрами. Кроме того, для снижения ложного сигнала поверхность печатной платы дополнительно покрывается черной матовой защитной маской. Изменяя содержание поглощающих частиц, можно управлять величиной осевой силы света. Содержание поглощающих частиц находится в пределах 0,005-0,05 мас.%. Наличие слоя силикон-люминофорной композиции на поверхности светоизлучающего кристалла приводит к уширению размеров излучателя 7 света, что в свою очередь приводит к увеличению угла рассеяния светодиода. Уменьшение угла рассеяния достигается применением слоя корректирующего силиконового обрамления 10 вокруг слоя силикон-люминофорной композиции 9. Слой корректирующего силиконового обрамления 10 - это силикон с показателем преломления R_i≥1.4, наполненный поглощающими свет частицами, причем размер этих частиц составляет меньше 1 мкм, содержание поглощающих частиц находится в пределах 0,05-0,5 масс.%. Наличие слоя антибликового силикона 8 дополнительно обеспечивает защиту кристалла излучателя света 7 от влаги.

Предлагаемый светодиод при одинаковых исходных параметрах имеет значение осевой силы света более 200 кд. Это существенно превышает осевую силу (90 кд) известных светодиодов для железнодорожного светофора.

Асферический светодиод с излучателем белого света работает следующим образом.

Подавая электрическое напряжение на присоединительные провода светодиодного кристалла 7, он начинает испускать синий свет, часть которого при прохождении через слой силикон-люминофорной композиции 9 преобразуется в желтый свет и в результате их смешения, получается белый свет, который, проходя через слой антибликового силикона 8 и светоприемную поверхность 4, фокусируется линзой 2.

При использовании в светофоре предлагаемого светодиода других монотонных цветов, а именно красного, желтого, зеленого или синего цвета, он работает следующим образом.

При подаче электрического напряжения на присоединительные провода излучателя света 7 он начинает испускать соответствующий по цвету свет. Излучение с излучателя света, проходя через слой антибликового силикона 8, попадает на светоприемную поверхность 4 и фокусируется линзой 2.

Промышленная применимость

Система световой железнодорожной сигнализации (светофор) может быть организована как из дискретных элементов (светодиодов), выполненных по описанной конструкции, так и на групповом носителе (печатной плате) выполненной по технологии производства светодиодной матрицы, путем непосредственной организации светодиодов на общем (групповом) носителе (печатной плате) нужных геометрических размеров для создания светооптических светодиодных мачтовых (СССМ) и карликовых (СССК) светофоров.

Изобретение относится к светодиодной технике и может быть использовано в устройствах автоблокировки на перегоне и на железнодорожных станциях. Устройство содержит печатную плату 1, линзу 2 с квадратным или круглым основанием 3, снабженную светоприемной полусферической поверхностью 4 и светоизлучающей асферической поверхностью 5, направляющие штыри 6, излучатель света 7 с присоединительными выводами, слой антибликового силикона 8, слой силикон-люминофорной композиции 9, слой корректирующего силиконового обрамления 10. Технический результат - увеличение осевой силы света с одновременно уменьшенной величиной силы света ложного сигнала. 14 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Светодиод для железнодорожного светофора, содержащий стеклотекстолитовую или алюминиевую печатную плату, излучатель света в виде светодиодного кристалла с присоединительными проводами красного, желтого, зеленого, синего или белого света, покровную асферическую линзу, снабженную светоприемной и светоизлучающей поверхностями, отличающийся тем, что светоприемная поверхность линзы выполнена в виде полусферической выемки, расположенной в центре основания линзы, а светоиспускающая асферическая поверхность имеет вид полинома:

где C_2i - нормируемые коэффициенты;
х, у - текущие значения проекции точек поверхности асферической линзы вдоль оси абсцисс и оси ординат соответственно;
i - текущее значение переменной полинома (i=∈{1,4}).

2. Светодиод по п.1, отличающийся тем, что полусферическая выемка в основании линзы выполнена радиусом ≥2 мм.

3. Светодиод по п.1, отличающийся тем, что на нижней поверхности линзы установлены направляющие штыри, размещенные соответственно позиционным отверстиям печатной платы.

4. Светодиод по п.3, отличающийся тем, что на поверхность печатной платы нанесена черная матовая маска.

5. Светодиод по п.1, отличающийся тем, что длина волны излучателя белого света, выполненного в виде светодиодного кристалла, покрытого слоем силикон-люминофорной композиции, равна λ=450-460 нм, а координаты цветности находятся в диапазоне Х=(0.31, 0.31, 0.45, 0.45)±0,001 и Y=(0.306, 0.335, 0.42, 0.39)±0,001.

6. Светодиод по п.5, отличающийся тем, что силикон-люминофорная композиция содержит, мас.%:
Стоксовский люминофор 3÷15 Силикон 85÷97

7. Светодиод по п.6, отличающийся тем, что силикон в силикон-люминофорной композиции имеет показатель преломления R_i≥1.5.

8. Светодиод по п.6, отличающийся тем, что люминофор выполнен Стоксовским на основе гранатов и силикатов.

9. Светодиод по п.6, отличающийся тем, что по периферии силикон-люминофорной композиции нанесено корректирующее силиконовое обрамление.

10. Светодиод по п.9, отличающийся тем, что корректирующее силиконовое обрамление содержит, мас.%:
Поглощающие частицы 0,05÷0,5 Силикон 99,5÷99,95

11. Светодиод по п.10, отличающийся тем, что силикон в корректирующем силиконовом обрамлении имеет показатель преломления R_i≥1.4.

12. Светодиод по п.11, отличающийся тем, что полость между излучателями и светоприемной поверхностью линзы заполнена антибликовым силиконом.

13. Светодиод по п.12, отличающийся тем, что антибликовый силикон содержит, мас.%:
Поглощающие частицы 0,005÷0,05 Силикон 99,995÷99,95

14. Светодиод по п.13, отличающийся тем, что силикон в антибликовом силиконе имеет показатель преломления R_i≥1.4.

15. Светодиод по п.13, отличающийся тем, что размер поглощающих частиц меньше 1 мкм.