CN112867197A - 一种耐辐射led灯 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种耐辐射LED灯，至少包括一个耐辐射LED光源和一个耐辐射LED驱动器；本发明的LED灯、光源和驱动器寿命长，能在核电站“红区”环境中长期稳定工作，而且本发明能够减低灯具的重量，发光更加稳定。

Description

一种耐辐射LED灯

技术领域

本发明涉及一种LED灯，特别是一种用于核电站内部照明的耐γ幅射的LED灯。

背景技术

核电站内部的许多区域都存在很强的γ射线，它会严重损伤人体器官，甚至死亡，人们把有γ辐射的区域称作红区。

一般照明用LED灯在普通环境下有数万小时寿命，但是在红区中仅几百小时，完全不能满足使用要求。

一般照明用LED灯具为了有较好的散热效果，其线路板和壳体都釆用了铝材料，而铝在核辐射环境中存在严重隐患，因此是不允许使用的。

一般照明用LED灯具都有一个驱动电路，把市电变换成低压直流电去点燃LED灯珠，为缩小体积提升可靠性，这一转换过程采用了集成电路，但这种集成电路在γ射线照射下，很快会失效，这也将导致LED灯损坏。

为了减轻辐射的危害，人们把整个灯具用铅包起来，如此带来的负面效果是灯具体积变大，重量也大大增加，同时导致灯的维修难度大幅增加，甚至单人难以在极短的时间内完成更换灯具或维修的工作。

综上：发明一种重量较轻，体积适当，能在核辐射环境下能长期稳定工作的照明灯具实是当务之急。

发明内容：

本发明的目的在于克服传统LED照明灯具无法耐核辐射照射、不适应在核电站内应用的缺点，提供一种寿命长，能在核电站“红区”环境中长期稳定工作的耐辐射LED灯。为此，本发明采用以下技术方案：

一种耐辐射LED灯，至少包括一个耐辐射LED光源和一个耐辐射LED驱动器；

所述耐辐射LED光源至少包括一颗LED灯珠，其特征在于所述LED灯珠采用倒装结构的芯片，LED倒装芯片的发光层和引出电极都在灯珠的底部，而作为LED芯片衬底材料的透明蓝宝石层在发光层的上层；

所述LED灯珠的支架的外形是盆形，所述倒装LED芯片设置在盆形中。所述盆形的盆底上设有两个不相连的导电元件，所述导电元件可以是镀银铜片，为焊接LED倒装芯片和引出电极之用；所述盆形的盆侧壁的内侧和盆底有一镀层，既能反射可见光起到增加可见光输出的作用，又有一定的反射和吸收核辐射光子的作用，起到抗辐射的作用；

所述LED倒装芯片通过焊料焊接到盆底的所述两个导电元件上，两个导电元件的电极和LED倒装芯片的电极对应，LED倒装芯片及顶部涂布透明硅胶或混有荧光材料的硅胶，所述硅胶填充所述LED灯珠内的空间，所述LED灯珠的透镜采用耐核辐射的玻璃，例如引入氧化物或氟化物的玻璃或者石英玻璃等，它可以是透明的或磨砂的，也可以用耐辐射的塑料制成，透镜的形状依据出光分布而定。

进一步地，蓝宝石层的厚度达到120μm～150μm。

进一步地，所述盆形的盆底厚度在5mm以上，盆侧壁厚度在4mm以上，使其具有较好的防护外界核辐射侵入的能力。盆底与盆侧壁的夹角呈100-130°。

进一步地，所述支架的盆体用耐辐射的塑料制成。

进一步地，所述盆形的盆侧壁的顶端设置凹槽，可以嵌入透镜外罩的底边，使透镜固定在支架上。

进一步地，本发明还提供了一种能在核电站“红区”环境中长期稳定工作的驱动器优选方案：所述耐辐射LED驱动器用于耐辐射LED光源的光源板供电，所述耐辐射LED驱动器包括电路基板，电路基板采用铜PCB或含铅的陶瓷PCB板，在含铅的陶瓷PCB板设置电路层，所述光源板焊接若干颗权前述的耐辐射LED灯珠。

进一步地，所述含铅的陶瓷PCB板是在一般的陶瓷板原料中加入占总质量10％～30％的铅粉，铅粉的颗粒细于陶瓷粉的颗粒，以此为基料进行烧结。

进一步地，含铅的陶瓷PCB板的烧结工艺为：在陶瓷板原料中混合10％～30％的铅粉，混合均匀后，先以400℃～500℃的温度烧结10～20分钟，再升温至陶瓷烧结温度，完成烧结冷却后形成厚度为5mm～8mm的含铅陶瓷板。

进一步地，在于所述LED光源板的控制电路中，采用四端恒流源电路，以多数流子器件的恒流二极管作为基准，恒流二极管的另一个优点是受核辐射的影响很小。交流电源220V经EMC滤波器L1由变压器T变为交流低压，经整流桥堆整流后通过电容C2成为直流电压。后部电路为四端恒流源电路。

为了减小恒流源电路中晶体管的集电极功耗，提高电路的输出能力，在晶体管T1的集-射极之间接入一个分流电阻R1，调整管T1(晶体管T1)为大功率NPN管，电阻R2、电阻R3、晶体管T2确定调整管T1的基极电压，稳压管D1和恒流管D2建立了晶体管T3的基极电压，并与晶体管T4组成差分放大器，输出与晶体管T2基极相连，建立晶体管T2的基极电压，差分放大器可减小外部温度引起的电流变化影响，差分放大器的发射极串连恒流管D3，可使差分放大器稳定工作。

LED驱动器设置有处在驱动其器外部但处在所述LED灯内部的光传感器，通过外部光传感器配合所述控制电路中电阻R2，调节输出电压和电流，自动改变所述LED灯的光通量输出，使LED在工作寿命期间内，让光通量输出保持稳定，抵消辐射影响。

上述的进一步的技术方案，也可组合使用。

由于采用本发明的技术方案，本发明的LED灯、光源和驱动器寿命长，能在核电站“红区”环境中长期稳定工作，而且本发明能够减低灯具的重量，发光更加稳定。

附图说明

图1为本发明倒装LED芯片的结构示意图。

图2a、2b分别为本发明实施例中LED灯珠的支架的俯视图和剖视图。

图3为图1和图2结构结合后的LED灯珠结构示意图。

图4a、4b分别为本发明实施例的电路基板的俯视图和剖视图。

图5a、5b分别为本发明实施例的光源板的俯视图和剖视图。

图6为应用本发明技术制作的一个PAR灯的结构示意图。

图7为本发明中LED驱动器实施例的电路图。

图8a、8b分别为本发明应用于壁灯时的局剖示意图和纵剖示意图。

具体实施方式参照附图1为LED芯片1。

本发明的耐辐射LED灯，至少包括一个耐辐射LED光源和一个耐辐射LED驱动器；所述的耐辐射LED光源包括至少一个LED灯珠。

如图1所示，所述的LED灯珠采用倒装结构的芯片1，倒装LED芯片的发光层11和引出电极12都在灯珠的底部，而作为LED芯片衬底材料的透明蓝宝石层13却是在芯片的顶层，这样从正面进入的核辐射首先被蓝宝石层吸收，而不致伤害发光层。图中，附图标号15为量子阱，14为IC P型GaN。其发光颜色可以是可见光谱中的任何一种颜色，在LED芯片上涂布某种荧光材料，可以形成不同光色的LED灯珠。例如在蓝光芯片上涂布YAG荧光粉可以形成白光的LED灯珠。

本发明所用之LED芯片为倒装结构之芯片，其发光层(量子陷区)15和引出电极12都在芯片的下层，作为优选，蓝宝石层的厚度可以较一般倒装结构芯片要增加1/2～1/3，达到120μm～150μm左右。当核辐射从正面进入时，首先被蓝宝石吸收而不伤害到发光层，保护芯片在核辐射环境中使用的高可靠性和长寿命。

参照附图2a、2b、3，所述LED光源中所用的LED灯珠的支架2的外形是盆形，盆底21与盆侧壁22成120°夹角，盆底上有两片不相连的镀银铜片23，用于焊接LED芯片和引出电极，盆侧壁的顶端有一凹槽24，可以嵌入图3中透镜3的底边5，使图3中透镜3固定在支架2上。盆侧壁22的内侧和盆底21有一镀层，它既能反射可见光起到增加可见光输出的作用，又有一定的反射和吸收核辐射光子的作用，起到抗辐射的作用，支架2的盆体用耐辐射的塑料制成，例如PE类塑料或用陶瓷材料制成，盆底的厚度在5mm以上，盆侧壁的厚度也在4mm以上，使其有较好的防护外界核辐射侵入的能力。

参照图3，LED倒装芯片的引出电极12通过焊料焊接到盆底的镀银铜片23上，支架2的盆形内填充透明硅胶或混有某种荧光材料的硅胶4，硅胶4充满支架2内和透镜3之间的空间，透镜3用耐核辐射的玻璃制成，它可以是透明的或磨砂的，也可以用耐辐射的塑料制成，透镜的形状依据出光分布而定。

参照图4a、4b。电路基板5不采用环氧纤维板(FR1板)和铝基PCB板，而采用铜PCB或含铅的陶瓷PCB板，含铅的陶瓷PCB板是在一般的陶瓷板原料中加入占总质量10％～30％的铅粉，铅粉的颗粒应细于陶瓷粉的颗粒，以此为基料进行烧结。

烧结的工艺可采用在混合均匀后先以400℃～500℃的温度烧结10～20分钟，再升温至陶瓷烧结温度，完成烧结冷却后形成厚度为5mm～8mm的含铅陶瓷板51。

在含铅陶瓷板51的表面上可以用烧结或真空溅射方法制作电路层52，电路层的材料用铜镀金或镀银。

参照图5a、5b、6，电路基板5焊上图3所示的LED光源和电引出线后，形成光源板7。图5为光源板7的结构示意图，

图3所示的LED光源中的镀银铜片23被焊接在电路基板5上，在电路基板5上的LED光源可以是一颗也可以是许多颗，当有许多颗时，它们之间可以用串联或者并联作电连接，也可以串联、并联混合使用，通过光源板7上的电极和图6中LED驱动器9相连，但最高驱动电压不宜超过48V。

以下将结合具体实例对本发明做详细介绍。

图6为应用本发明技术制作的一个PAR灯的结构示意图。

灯的顶端是一片透明玻璃101，固定在不锈钢灯骨架102的顶部，LED发出的灯光经此射出，不锈钢灯骨架102下方与锥形外壳不锈钢盘8连接，不锈钢骨架内安装所述光源板7及其背后的铅板。光源板7上至少有一对电极引出端，通过导线和LED驱动器9相连。

PAR灯骨架102由不锈钢制成，前部为圆形，可以安装透明玻璃101，不锈钢灯骨架102下部为圆锥形，与凹槽型锥形外壳不锈钢盘8相连，凹槽型锥形外壳8内空腔装有铅板，其尾端为电连接器106，电连接器106为带螺纹的塑料体，螺纹是和E27电连接器106相匹配的，当然也可以用其他电连接器。

锥形外壳8的内侧凹槽中设置铅板104，在光源板7背后的铅板以及铅板104围成的空间内用来安放LED驱动器9，驱动器9的输入端通过导线和电连接器相连，驱动器的输出端通过导线和光源板7相连。

LED驱动器由分立元件组成，其电原理图如图7所示，元件焊在铜基PCB上，整个电路放在一个大小合适的塑料盒，输入输出线分别从两端引出，用耐辐射硅胶填满整个塑料盒，硅胶凝固后形成固体的驱动器，驱动器9的输入端和电连接器106相接，电连接器106采用常用E27或E14灯头或其它型号的灯头。

图7为实施中应用的LED驱动器电路原理图，驱动器9中的LED镇流器采用四端恒流源电路，以多数流子器件的恒流二极管作为基准，恒流二极管的另一个优点是受核辐射的影响很小。交流电源220V经EMC滤波器L1由变压器T变为交流低压，经整流桥堆整流后通过C2成为直流电压。后部电路为四端恒流源电路。采用恒流管可提高稳压恒流电源的温度稳定性。

为了减小恒流源电路中晶体管的集电极功耗，提高电路的输出能力，在晶体管T1的集-射极之间接入一个分流电阻R1，可提高电路的输出能力。调整管T1(晶体管T1)为大功率NPN管，电阻R2、电阻R3、晶体管T2确定调整管T1的基极电压，稳压管D1和恒流管D2建立了晶体管T3的基极电压，并与晶体管T4组成差分放大器，输出与晶体管T2基极相连，建立晶体管T2的基极电压，差分放大器可减小外部温度引起的电流变化影响，差分放大器的发射极串连恒流管D3，可使差分放大器稳定工作。

调整电阻R2可改变输出电流的大小，R2参数变化，可改变电位调整管T1的压降，从而改变了LED的工作电流。LED驱动器除了提供LED的电压电流外，还可以在光源板上设置外部光传感器，例如采用光敏电阻把光信号转换为阻抗信号。光敏电阻可以设置在光源板的四个角落的任一位置，光敏电阻的两端通过引线和电阻R2串联，当光源在长期使用并受到辐射影响导致光衰时，由光敏电阻值的改变配合所述控制电路中电阻R2调节输出电压和电流，自动改变灯的光通量输出，使LED在工作寿命期间内，让光通量输出保持稳定，抵消辐射影响。

图8为应用本发明制作的适用于核电站内“红区”中使用的壁灯。耐辐射壁灯的LED驱动器9及铅板70全部装在一个不锈钢盒8内；光源板7表面上装有若干颗LED灯珠1，光源板及LED光源采用前述实施例的结构，光源板7后面是驱动器9，光源板7的正面出光处有透光材料201做面板，驱动器9后面是一块厚约1～3cm的铅板70作防护用，光源板、驱动器和铅板，三块一起放入不锈钢盒8中，从后面注入抗辐射硅胶，凝固成一个组件，不锈钢盒8的背部有安装结构82，可以是一插入式卡夹，安装时插入壁灯外框的槽中预先留好的卡位，接通电流即可工作。

应用本发明的灯，从光源到驱动电源到外壳都从材料及结构上采取了逐级多重的防辐射措施，所以它可以在核电站的“红区”内长期工作；同时采用了LED做光源，驱动电压低，寿命长，达到了安全可靠的目标。

以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种耐辐射LED灯，至少包括一个耐辐射LED光源和一个耐辐射LED驱动器；

所述耐辐射LED光源至少包括一颗LED灯珠，其特征在于所述LED灯珠采用倒装结构的芯片，LED倒装芯片的发光层和引出电极都在灯珠的底部，而作为LED芯片衬底材料的透明蓝宝石层在发光层的上层；

所述LED灯珠的支架的外形是盆形，所述倒装LED芯片设置在盆形中。所述盆形的盆底上设有两个不相连的导电元件，为焊接LED倒装芯片和引出电极之用；所述盆形的盆侧壁的内侧和盆底有一镀层，既能反射可见光起到增加可见光输出的作用，又有一定的反射和吸收核辐射光子的作用，起到抗辐射的作用；

所述LED倒装芯片通过焊料焊接到盆底的所述两个导电元件上，两个导电元件的电极和LED倒装芯片的电极对应，LED倒装芯片及顶部涂布透明硅胶或混有荧光材料的硅胶，所述硅胶填充所述LED灯珠内的空间，所述LED灯珠的透镜采用耐核辐射的玻璃。

2.如权利要求1所述的一种耐辐射LED灯，其特征在于蓝宝石层的厚度达到120μm～150μm。

3.如权利要求1所述的一种耐辐射LED灯，其特征在于所述盆形的盆底厚度在5mm以上，盆侧壁厚度在4mm以上，使其具有较好的防护外界核辐射侵入的能力；盆底与盆侧壁的夹角呈100°-150°。

4.如权利要求1所述的一种耐辐射LED灯，其特征在于所述支架的盆体用耐辐射的塑料制成。

5.如权利要求1所述的一种耐辐射LED灯，其特征在于所述盆形的盆侧壁的顶端设置凹槽，可以嵌入透镜外罩的底边，使透镜固定在支架上。

6.如权利要求1所述的一种耐辐射LED灯，其特征在于所述耐辐射LED驱动器用于耐辐射LED光源的光源板供电，所述耐辐射LED驱动器包括电路基板，电路基板采用铜PCB或含铅的陶瓷PCB板，在含铅的陶瓷PCB板设置电路层，所述光源板焊接若干颗权利要求1-5中任一所述的耐辐射LED灯珠。

7.如权利要求6所述的一种耐辐射LED灯，其特征在于所述含铅的陶瓷PCB板是在一般的陶瓷板原料中加入占总质量10％～30％的铅粉，铅粉的颗粒细于陶瓷粉的颗粒，以此为基料进行烧结。

8.如权利要求6所述的一种耐辐射LED灯，其特征在于所述含铅的陶瓷PCB板的烧结工艺为：在陶瓷板原料中混合10％～30％的铅粉，混合均匀后，先以400℃～500℃的温度烧结10～20分钟，再升温至陶瓷烧结温度，完成烧结冷却后形成厚度为5mm～8mm的含铅陶瓷板。

9.如权利要求6所述的一种耐辐射LED灯，其特征在于所述LED光源板的控制电路中，采用四端恒流源电路，以多数流子器件的恒流二极管作为基准，交流电源220V经EMC滤波器L1由变压器T变为交流低压，经整流桥堆整流后通过电容C2成为直流电压，后部电路为四端恒流源电路。

在四端恒流源电路中，在晶体管T1的集-射极之间接入一个分流电阻R1，晶体管T1为大功率NPN管，电阻R2、电阻R3、晶体管T2确定晶体管T1的基极电压，稳压管D1和恒流管D2建立了晶体管T3的基极电压，并与晶体管T4组成差分放大器，输出与晶体管T2基极相连，建立晶体管T2的基极电压，差分放大器可减小外部温度引起的电流变化影响，差分放大器的发射极串连恒流管D3，可使差分放大器稳定工作。

10.如权利要求9所述的一种耐辐射LED灯，其特征在于LED驱动器设置有处在驱动其器外部但处在所述LED灯内部的光传感器，通过外部光传感器配合所述控制电路中电阻R2，调节输出电压和电流，自动改变所述LED灯的光通量输出，使LED在工作寿命期间内，让光通量输出保持稳定，抵消辐射影响。

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