БЕЗРАДИАТОРНЫЙ СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТИЛЬНИК Российский патент 2019 года по МПК F21S13/10 

Изобретение относится к области светотехники, а именно к осветительным устройствам и/или источникам света, с использованием полупроводниковых устройств - светодиодов.

Изобретение может быть использовано в качестве светодиодного источника света для уличного, промышленного, бытового и архитектурно-дизайнерского освещения.

Определение терминов

Светодиод или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока (http://ru.wikipedia.org/wiki/Светодиод).

Светодиодный модуль - это печатная плата с установленными на ней светодиодами, и, возможно, электронными компонентами и вторичной оптикой (http://light.rtcs.ru/products/list.php?SECTION_ID=89). Светодиодные модули (кластеры) представляют собой герметичные блоки из ударопрочного полистирола с расположенными внутри светодиодам. (http://nlt-trading.ru/catalog/index.php?SECTION_ID=4).

Светодиодные осветительные устройства получили широкое распространение в силу присущих им достоинств - высокой световой отдачи, малого энергопотребления, длительного срока службы, высокого уровня безопасности, компактности и малого веса, стойкости к механическим воздействиям, чистоты света, направленности излучения и др. Основной проблемой в промышленном освоении светодиодных осветительных устройств является отвод выделяемого светодиодами тепла. При использовании мощных светодиодов, например, в изготовлении уличных светильников, возникает опасность перегрева светодиодов при эксплуатации, что приводит к уменьшению светоотдачи, срока службы, и надежности работы светильников. Поддержание оптимальной температуры перехода является важным компонентом в разработке эффективной осветительной системы, поскольку светодиоды работают с более высокой световой отдачей и служат дольше, работая при более низких температурах. Рассеивание тепла является важной задачей при проектировании.

Известен светильник светодиодный, включающий корпус с источником света, установленным внутри корпуса и блок питания. Вся поверхность корпуса является охлаждающим радиатором, выполненным в виде пластин оребрения, установленных с трех сторон по периметру корпуса. Источник света выполнен в виде светодиодного модуля, в котором светоизлучающие элементы, объединены, по меньшей мере, в четыре параллельные линейки последовательно соединенных сверхмощных светодиодов, при этом каждый из светодиодов крепится не только за счет пайки контактных выводов, но и за счет пайки теплоотводящей пятки светодиода к специальным, электрически нейтральным, контактам печатной платы (патент РФ №83587 на полезную модель СВЕТИЛЬНИК УЛИЧНЫЙ СВЕТОДИОДНЫЙ, МПК F21S 13/10, опубл. 10.06.2009). Выполнение охлаждающего радиатора в виде пластин оребрения не обеспечивает достаточно надежное охлаждение, что приводит к снижению ресурса работоспособности светодиодных элементов.

Известно осветительное устройство, содержащее корпус, съемную крышку с рассеивателем, светодиоды, установленные на плате, питающее устройство, дополнительно снабженное радиатором, жестко закрепленным к корпусу осветительного устройства, причем на базовой поверхности радиатора установлена и жестко закреплена плата со светодиодами, подключенными к питающему устройству. Выделяющееся светодиодами тепло с платы, на которой они смонтированы, передается радиатору для последующего его рассеивания в окружающую среду. (Пат. РФ №77024, МПК F21V 31/00, опубл. 10.10.2008 г.). Недостатками этого осветительного устройства являются неудовлетворительные массогабаритные показатели, слабая защищенность светодиодов от воздействия влаги и пыли, недостаточная надежность, обусловленная опасностью перегрева светодиодов из-за слабой передачи тепла в окружающую среду от радиаторов вследствие плохой конвекции в замкнутом объеме корпуса.

Известен светодиодный светильник, содержащий корпус, съемную крышку, под которой расположен рассеиватель, плата со светодиодами и блок питания, блок управления, выполненный с возможностью переключения мощности светильника в пределах от минимального до максимального значения. Плата со светодиодами подключена к сети через блок питания и узел управления. Плата со светодиодами жестко прикреплена к поверхности корпуса при помощи металлических стоек. Корпус светильника выполнен из алюминия или из теплопроводящего пластика, обладающего высокой теплопроводностью (патент РФ № 105004 на полезную модель «СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТИЛЬНИК», МПК F21S 4/00, опубликован 2011.05.27). Известный светильник характеризуется сложной конструкцией Наличие блока управления значительно повышает стоимость.

Известно светодиодное осветительное устройство, содержащее секции светодиодов, соединенные с блоком питания, который подключен к питающей сети переменного напряжения, в которых в качестве радиатора охлаждения использован корпус светильника, выполненный из теплопроводящего материала, при этом секции светодиодов установлены на радиаторе охлаждения. В качестве радиатора охлаждения может быть использован блок металлических элементов, расположенных как на корпусе, так и внутри корпуса, а для увеличения рассеиваемой тепловой мощности светодиодов радиатор охлаждения может иметь принудительное охлаждение, например, при помощи нагнетающего вентилятора (патент РФ № 2313199 на изобретение «СВЕТИЛЬНИК», МПК H05B33/02, F21S4/00, опубл. 20.12.2007 г. ). Известное устройство характеризуется сложность конструкции.

Известен светильник, включающий корпус, вся поверхность которого является охлаждающим радиатором, источник света в виде светодиодного модуля, установленный внутри корпуса, и блок питания. Охлаждающий радиатор в светильнике выполнен в виде игольчатого радиатора с иглами разной высоты, установленными таким образом, что их верхние точки образуют поверхность в виде полусферы. Корпус может быть выполнен из алюминиевого сплава или из теплопроводящего пластика (Патент РФ №115448 на полезную модель «СВЕТИЛЬНИК, ЗАКРЕПЛЯЕМЫЙ НА ОПОРЕ», МПК F21S 13/10, опубликован 2012.04.27). Недостатками этого известного устройства являются сложность конструкции светильника, высокая трудоемкость и стоимость изготовления охлаждающего радиатора.

Упростить конструкцию известного светодиодного светильника можно, убрав из конструкции корпус-радиатор, однако при этом необходимо решить проблему теплоотвода от светодиодов.

Известен наиболее близкий по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению и выбранный в качестве прототипа безрадиаторный светодиодный светильник, содержащий: светодиодный модуль, выполненный в виде печатной платы, имеющей форму плоской прямоугольной пластины, на которой методом поверхностного монтажа установлены светодиоды, каждый из которых имеет номинальную мощность Р = 0,5 Вт, и осветительную арматуру, включающую блок питания и средства присоединения к электрической сети. Печатная плата имеет площадь 8,0 кв. см на каждый ватт суммарной мощности всех светодиодов, подключенных в номинальном режиме (патент РФ № 108117 на полезную модель «СВЕТИЛЬНИК СВЕТОДИОДНЫЙ СЕТЕВОЙ», МПК F21S 8/00, опубликован 2011.09.10).

Отсутствие радиатора значительно упрощает конструкцию устройства. Однако недостатком известного устройства является опасность перегрева светодиодов и выходом их из строя при мощностях, превышающих 12 Вт, что ограничивает срок службы светильника. Недостатком известного устройства является также ограниченные функциональные возможности, позволяющие использовать его в качестве одного вида осветительного устройства.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является создание простого в изготовлении недорого и надежного безрадиаторного светодиодного светильника, обладающего широкими функциональными возможностями.

Технические результаты, достигаемые в результате решения поставленной задачи во всех случаях исполнения, заключаются в снижении тепловыделения, увеличении мощности устройства, повышении его надежности и срока службы.

Технические результаты, достигаемые в отдельных случаях исполнения, заключаются в расширении функциональных возможностях, снижении массогабаритных характеристик и стоимости изготовления светодиодного светильника, упрощении сборки и эксплуатационного обслуживания.

Указанный технический результат достигается тем, что безрадиаторный светодиодный светильник содержит: светодиодный модуль, выполненный в виде печатной платы, имеющей форму плоской прямоугольной пластины, на которой методом поверхностного монтажа равномерно установлены светодиоды номинальной мощностью Р = 0,5 Вт, и осветительную арматуру, включающую: блок питания и средства присоединения к электрической сети. Светодиоды включены таким образом, что постоянный рабочий ток на каждом из них не превышает 40мА, а рабочая мощность не превышает 0, 12 Вт. При этом печатная плата имеет площадь (9,0 ± 10%) кв. см на каждый Вт суммарной рабочей мощности всех светодиодов, а соотношение размеров сторон печатной платы (длина / ширина) составляет 1,6 ±0, 05.

Предпочтительно, чтобы светодиоды были включены последовательно – параллельно.

Предпочтительно, чтобы суммарная рабочая мощность всех светодиодов не превышала 30 Вт; а размеры печатной платы по длине составляли 210 мм, а по ширине - 130 мм.

Предпочтительно также, чтобы безрадиаторный светодиодный светильник дополнительно содержал корпус в виде прямоугольного параллелепипеда с открытым основанием, габаритные размеры которого соответствовали габаритным размерам печатной платы, при этом печатная плата была жестко закреплена на корпусе, со стороны открытого основания, лицевой стороной со светодиодами наружу, с образованием замкнутого контура, а блок питания был установлен между печатной платой и основанием корпуса.

Предпочтительно также, чтобы безрадиаторный светодиодный светильник дополнительно содержал оптический элемент, жестко закрепленный над светодиодным модулем.

Предпочтительно, чтобы корпус безрадиаторного светодиодного светильника был выполнен из пластика и имел толщину стенок, равной 1 мм.

Предпочтительно, чтобы корпус безрадиаторного светодиодного светильника содержал монтажные отверстия для ввода сетевых кабелей и подключения блока питания.

Предпочтительно, чтобы безрадиаторный светодиодный светильник дополнительно содержал гермовводы для сетевых кабелей и герметичную крышку для блока питания.

Предпочтительно, чтобы корпус безрадиаторного светодиодного светильника был содержал крепежные пазы для соединения с себе подобными светильниками и установки в другие осветительные устройства.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом показал, что во всех случаях исполнения, оно отличается от известного, наиболее близкого технического решения:

- включением светодиодов таким образом, чтобы постоянный рабочий ток на каждом из них не превышал 40 мА, а рабочая на каждом из них мощность не превышала 0,12 Вт;

- выполнением печатной платы, имеющей площадь (9,0 ± 10%) кв. см на каждый Вт суммарной мощности всех светодиодов;

- выполнением соотношения размеров сторон печатной платы (длина / ширина), составляющим 1,6 ±0, 05.

В отдельных случаях исполнения изобретение отличается от известного, наиболее близкого технического решения:

- последовательно – параллельным включением светодиодов;

- суммарной рабочей мощностью светодиодов W, не превышающей 30 Вт;

- выполнением печатной платы с размерами, составляющими по длине 210 мм, а по ширине - 130 мм;

- наличием корпуса в виде прямоугольного параллелепипеда с открытым основанием, габаритные размеры которого соответствуют габаритным размерам печатной платы;

- жестким закреплением печатной платы на корпусе, со стороны открытого основания, лицевой стороной со светодиодами наружу, с образованием замкнутого контура;

- размещением блока питания между печатной платой и основанием корпуса;

- наличием оптического элемента, жестко закрепленного над светодиодным модулем;

- выполнением корпус из пластика с толщиной стенок 1 мм;

- наличием в корпусе монтажных отверстий для ввода сетевых кабелей и подключения блока питания;

- наличием гермовводов для сетевых кабелей;

- наличием герметичной крышки для блока питания;

- наличием крепежных пазов для соединения с себе подобными светильниками и установки в другие осветительные устройства.

Выполнение светодиодного модуля в виде печатной платы, имеющей форму плоской прямоугольной пластины имеющей площадь (9,0 ± 10%) кв. см на каждый ватт суммарной рабочей мощности всех светодиодов, с соотношением размеров сторон (длина / ширина), составляющим (1,6±0, 05), на которой методом поверхностного монтажа установлены светодиоды, каждый из которых имеет номинальную мощность Р = 0,5 Вт, включенных таким образом, что постоянный ток на каждом из них не превышает 40мА, а рабочая мощность на каждом из них не превышает 0,12 Вт, исключает перегрев светодиодов и выход их из строя при мощностях, превышающих 12 Вт, что обеспечивает возможность изготовления светодиодных светильников большей мощности (до 50Вт) на одной печатной плате, без специальных охлаждающих устройств (радиатора). Подача меньшего значения тока, обеспечивает включение светодиодов номинальной мощностью 0,5Вт в режим не более 0,12Вт, приводит к незначительному показателю тепловыделения и, как следствие, меньшему подогреву. Оптимальными являются размеры печатной платы, имеющей площадь (9,0 ± 10%) кв. см на каждый ватт суммарной рабочей мощности всех светодиодов, при соотношении размеров сторон печатной (длина / ширина), составляющим (1,6 ±0, 05). Величины допущений 10% и 0,05 соответствуют обычно допустимым погрешностям измерений. Все это в целом позволяет повысить надежность светодиодного светильника и увеличить срок службы.

Последовательно – параллельное включение светодиодов повышает надежность работы устройства. Выполнение светодиодного светильника с суммарная мощность светодиодов W 30 Вт; с размерами, составляющими по длине 210 мм, а по ширине - 130 мм обеспечивает оптимальные теплопроводные и массогабаритные характеристики. Наличие корпуса в виде прямоугольного параллелепипеда с открытым основанием, габаритные размеры которого соответствуют габаритным размерам печатной платы; жесткое закрепление печатной платы на корпусе, со стороны открытого основания, лицевой стороной со светодиодами наружу, с образованием замкнутого контура; размещение блока питания между печатной платой и основанием корпуса, обеспечивает влаго- и пылезащищённость устройства, что, в свою очередь, повышает его надежность и увеличивает срок службы.

Наличие оптического элемента, жестко закрепленного над светодиодным модулем, улучшает светоотражательный эффект.

Выполнение корпуса из пластика с толщиной стенок 1 мм, обеспечивает высокую тепловую отдачу и позволяет использовать не только теплопроводный, но и нетеплопроводный пластик, что снижает массогабаритные характеристики и себестоимость устройства.

Наличие в корпусе монтажных отверстий для ввода сетевых кабелей и подключения блока питания; гермовводов для сетевых кабелей; герметичной крышки для блока питания, упрощает сборку и эксплуатационное обслуживание устройства.

Наличие крепежных пазов позволяет создавать светильники большой мощности путем их соединения между собой и использовать заявляемое устройство в качестве источника света в уличных фонарях, торшерах, люстрах, бра и прочих осветительных устройствах. Все это расширяет функциональные возможности светильника.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется рисунками, представленными на фиг. 1-5.

На фиг. 1 представлен сборочный чертеж заявляемого безрадиаторного светодиодного светильника.

На фиг. 2 представлена теплограмма, полученная при тепловизионном контроле светодиодного модуля, работающего в режиме, когда постоянный ток на каждом из светодиодов не превышает 40мА (при включении питания).

На фиг. 3 представлена теплограмма, полученная при тепловизионном контроле светодиодного модуля, работающего в режиме, когда постоянный ток на каждом из светодиодов не превышает 40мА (через 10 минут после включения питания).

На фиг. 4 представлена теплограмма, полученная при тепловизионном контроле светодиодного модуля, работающего с номинальной мощностью P = 0,5 Вт (при включении питания).

На фиг. 5 представлена теплограмма, полученная при тепловизионном контроле светодиодного модуля, работающего с номинальной мощностью P = 0,5 Вт (через 10 минут после включения питания).

В предпочтительном варианте исполнения безрадиаторный светодиодный светильник содержит: светодиодный модуль 1, выполненный в виде печатной платы 2, имеющей форму плоской прямоугольной пластины, на которой методом поверхностного монтажа равномерно установлены светодиоды 3 номинальной мощностью Р = 0,5 Вт каждый; и осветительную арматуру, включающую: блок питания 4 и средства присоединения к электрической сети (сетевые кабели, на чертеже не показаны). Светодиоды 3 включены таким образом, что рабочий постоянный ток на каждом из них не превышает 40мА, а рабочая мощность на каждом из них не превышает 0,12 Вт. Площадь печатной платы, приходящейся на каждый Вт суммарной рабочей мощности W всех светодиодов (W = Р N, где N – общее число светодиодов) составляет (9,0 ± 10%) кв. см/Вт, а соотношение длины (L) печатной платы к ее ширине (D) составляет 1,6 ±0, 05. Светодиоды 3 предпочтительно включены последовательно – параллельно. При суммарной рабочей мощности светодиодов W=30 Вт, размеры печатной платы 2 предпочтительно составляют по длине (L) 210 мм, а по ширине (D) - 130 мм. Безрадиаторный светодиодный светильник содержит корпус 5 в виде прямоугольного параллелепипеда с открытым основанием, габаритные размеры которого соответствуют габаритным размерам печатной платы 2. Печатная плата 2 жестко закреплена на корпусе 5, со стороны открытого основания, лицевой стороной со светодиодами 3 наружу, с образованием замкнутого (внутреннего) контура. Блок питания 4 установлен между печатной платой 2 и основанием корпуса 5. Безрадиаторный светодиодный светильник содержит оптический элемент 6, закрепленный над светодиодным модулем 1. Оптический элемент 6 жестко крепится к корпусу 5 и фиксирует печатную плату 2 и блок питания 4. Корпус 5 светильника может быть выполнен из пластика, в том числе, нетеплопроводного, и имеет толщину стенок 1 мм. Корпус 5 содержит монтажные отверстия 7, 8 для ввода сетевых кабелей и отверстие 9 для подключения блока питания. Безрадиаторный светодиодный светильник дополнительно содержит гермовводы 10, 11 для сетевых кабелей и герметичную крышку 12 для отверстия блока питания. Безрадиаторный светодиодный светильник может содержать крепежные пазы 13 для соединения с себе подобными светильниками и установки в другие осветительные устройства.

Изобретение работает следующим образом.

Переменный электрический ток от электрической сети через блок питания 4 попадает на светодиоды 3 номинальной мощностью 0,5 Вт, включенные последовательно – параллельно, при этом постоянный рабочий ток на одном светодиоде 3 не превышает 40 мА, а рабочая мощность на каждом из них не превышает 0,12 Вт. Излучаемый световой поток от светодиодов 3 преломляется через оптический элемент 6, попадает наружу. Небольшое количество тепла, саккумулированное между печатной платой 2 и корпусом 5, выходит наружу через последний. Небольшое количество тепла образуется благодаря протеканию малого тока относительно номинала через большой кристалл светодиода.

Температура светодиодов в светодилодном модуле, работающем в режиме, когда постоянный ток на каждом из светодиодов не превышает 40мА, составляет порядка 30-40 градусов Цельсия градусов при включении питания и порядка 50 градусов Цельсия через 10 минут после включения питания, о чем свидетельствуют теплограммы, представленные на фиг. 2, 3.

В то время, как температура светодиодов в светодиодном модуле, работающем с номинальной мощностью P =.0,5 Вт, составляет порядка 50-60 градусов по Цельсию при включении питания и порядка 120-130 градусов по Цельсию через 10 минут после включения питания, о чем свидетельсвуют теплограммы, представленныена фиг. 3, 4.

Таким образом, заявленный светодиодный светильник характеризуется пониженным тепловыделением.

Изобретение относится к области светотехники и может быть использовано в качестве светодиодного источника света для уличного, промышленного, бытового и архитектурно-дизайнерского освещения. Технические результаты заключаются в снижении тепловыделения, увеличении мощности устройства, повышении его надежности и срока службы. Безрадиаторный светодиодный светильник содержит светодиодный модуль, выполненный в виде печатной платы, имеющей форму плоской прямоугольной пластины, на которой методом поверхностного монтажа равномерно установлены светодиоды номинальной мощностью Р = 0,5 Вт, и осветительную арматуру, включающую блок питания и средства присоединения к электрической сети. Светодиоды включены таким образом, что постоянный рабочий ток на каждом из них не превышает 40 мА, а рабочая мощность не превышает 0, 12 Вт. При этом печатная плата имеет площадь (9,0 ± 10%) см² на каждый Вт суммарной рабочей мощности всех светодиодов, а соотношение размеров сторон печатной платы (длина / ширина) составляет 1,6 ±0, 05. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Безрадиаторный светодиодный светильник, содержащий: светодиодный модуль, выполненный в виде печатной платы, имеющей форму плоской прямоугольной пластины, на которой методом поверхностного монтажа равномерно установлены светодиоды номинальной мощностью Р = 0,5 Вт, и осветительную арматуру, включающую: блок питания и средства присоединения к электрической сети, отличающийся тем, что светодиоды включены таким образом, что постоянный рабочий ток на каждом из них не превышает 40 мА, а рабочая мощность на каждом из них не превышает 0,12 Вт, при этом печатная плата имеет площадь (9,0 ± 10%) см² на каждый ватт суммарной рабочей мощности всех светодиодов, а соотношение размеров сторон печатной платы (длина / ширина) составляет 1,6 ±0,05.

2. Безрадиаторный светодиодный светильник по п. 1, отличающийся тем, что светодиоды включены последовательно – параллельно.

3.  Безрадиаторный светодиодный светильник по п. 1, отличающийся тем, что суммарная мощность светодиодов не превышает 30 Вт; а размеры печатной платы по длине составляют 210 мм, а по ширине - 130 мм.

4. Безрадиаторный светодиодный светильник по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит корпус в виде прямоугольного параллелепипеда с открытым основанием, габаритные размеры которого соответствуют габаритным размерам печатной платы, при этом печатная плата жестко закреплена на корпусе, со стороны открытого основания лицевой стороной со светодиодами наружу, с образованием замкнутого контура, а блок питания установлен между печатной платой и основанием корпуса.

5. Безрадиаторный светодиодный светильник по п. 4, отличающийся тем, что дополнительно содержит оптический элемент, жестко закрепленный над светодиодным модулем.

6.  Безрадиаторный светодиодный светильник по п. 4, отличающийся тем, что корпус выполнен из пластика и имеет толщину стенок 1 мм.

7.  Безрадиаторный светодиодный светильник по п. 4, отличающийся тем, что корпус содержит монтажные отверстия для ввода сетевых кабелей и подключения блока питания.

8.  Безрадиаторный светодиодный светильник по п. 7, отличающийся тем, что дополнительно содержит гермовводы для сетевых кабелей и герметичную крышку для отверстия блока питания.

9.  Безрадиаторный светодиодный светильник по любому из пп. 4 - 8, отличающийся тем, что корпус содержит крепежные пазы для соединения с подобными светильниками и установки в другие осветительные устройства.