EA012477B1 - Осветительное средство на основе светодиодов - Google Patents

Abstract

Настоящее изобретение относится к осветительным средствам, в которых элементы, создающие световой поток, представляют собой светодиоды. Осветительное средство на основе светодиодов по настоящему изобретению содержит многослойный узел, образованный по меньшей мере одним листом органического или минерального стекла, соединенного по меньшей мере с одним термопластичным листом, в который встраивают светодиоды, причем индивидуальные мощностные характеристики каждого светодиода, условия их работы и распределение светодиодов по поверхности листов таковы, что создаваемый световой поток составляет по меньшей мере 300 лм.

Description

Настоящее изобретение относится к освещению с помощью светоизлучающих диодов.

Использование диодов в качестве источников света до настоящего времени ограничено определенными характеристиками технологии применения указанных элементов. Отдельные светодиоды создают относительно ограниченный световой поток. Как правило, сильно ограниченный спектр излучения светодиодов также является препятствием к достижению удовлетворительного воспроизведения цвета, в частности, в сравнении с лампами накаливания. Однако известен способ изготовления светодиодов или комбинаций светодиодов, создающих свет с достаточно широким спектром для создания освещения с приемлемым воспроизведением цвета.

Во всех случаях освещение с помощью СИД требует объединения большого количества отдельных светодиодов с целью достижения силы света, сравнимой с силой света ламп накаливания или разрядных ламп, называемых люминесцентными.

Несмотря на вышеназванные ограничения, использование светодиодов для освещения имеет ряд полезных характеристик. Среди них особенно выделяется срок службы светодиодов по сравнению с лампами накаливания. Другой характеристикой является незначительное количество тепла, выделяемого светодиодами, что позволяет применять их в условиях, при которых применение ламп накаливания было бы нежелательным. Еще одно очень ценное положительное свойство светодиодов - их высокая световая эффективность, т.е. количество света, генерируемое в пересчете на единицу потребленной мощности. Однако использование светодиодов в качестве источника света дает большое количество дополнительных преимуществ с точки зрения простоты применения, в частности, благодаря их малым габаритам, позволяющим устанавливать светодиоды в местах, где установка ламп накаливания или разрядных ламп была бы невозможной или затрудненной.

Лампы накаливания, вследствие выделения ими энергии именно в виде тепловой, имеют относительно малую светоотдачу, составляющую между 12 и 20 лм/Вт. Люминесцентные лампы обладают значительно более высокой светоотдачей между 50-80 лм/Вт. Соответствующая характеристика светодиодов продолжает улучшаться. У современных светодиодов данная характеристика составляет от 15 до 60 лм/Вт, причем ожидается, что наиболее вероятным диапазоном световой эффективности светодиодов, который будет достигнут в течение ближайших 5 лет, называют величину 80-100 лм/Вт.

Приведенные величины световой эффективности относятся к реальным светодиодам, содержащим защитную оболочку. Качество последней представляет собой фактор, способный отрицательно повлиять на эффективность светодиодов вследствие недостаточного светопропускания. Использовавшиеся в недавнем прошлом оболочки вызывали быстрое снижение световой эффективности вследствие помутнения, которое могло привести к снижению светопропускания на 30% и выше после нескольких сот часов эксплуатации. Разработанные в последние годы оболочки, в особенности керамические, предотвращают связанные с данным недостатком потери световой эффективности.

Для получения освещения достаточной мощности, которое могут заменить собой лампы накаливания и люминесцентные лампы в их обычных областях применения, с учетом низкой мощности отдельных светодиодов, необходимо объединять определенное количество светодиодов в рамках одного устройства. Среди средств объединения светодиодов наиболее удовлетворительными являются панели, содержащие по меньшей мере один слой прозрачного материала. В указанных панелях светодиоды расположены в порядке, учитывающем как технические, так и эстетические требования.

Во всех случаях светодиоды обычно устанавливаются за листом прозрачного материала, служащего для их защиты и предохраняющего их от механических воздействий, связанных со стандартными способами использования. В частности, осветительные средства регулярно подвергаются воздействию воды. В отсутствие указанного защитного листа возникала бы высокая вероятность повреждения самих светодиодов либо их арматуры или контактов.

Для создания удобных в использовании осветительных узлов было, в частности, предложено устанавливать светодиоды в многослойном узле, образованном по меньшей мере двумя листами прозрачных материалов, включая лист минерального или органического стекла, и лист термопластического материала, в котором установлены светодиоды. Такие узлы дополнительно включают цепь питания светодиодов, обычно в виде одного или нескольких проводящих слоев, расположенных на сторонах листов, образующих многослойный узел. Такой тип многослойного узла обычно представляет собой узел, включающий два жестких листа, соединенных с одним или более термопластичных листов.

На практике, когда освещение направлено только на одну из сторон многослойного узла, что имеет место, в частности, в случае освещения, установленного на потолках или стенах помещений, цепь питания светодиодов предпочтительно расположена позади светодиодов относительно той стороны листа, с которой испускается световой поток. В данном случае цепь питания светодиодов может быть непрозрачной. Там, где это уместно, использование по сути прозрачных проводящих слоев позволяет устанавливать светодиоды позади указанных проводящих слоев.

Осветительные средства должны также соответствовать различным требованиям. Световой поток должен, в частности, быть сконцентрированным и достаточно мощным для того, чтобы размеры этого средства можно было уменьшать. Однако природа составляющих многослойного узла и включение светодиодов в материалы термопластической природы должны выбираться с учетом рассеяния тепла, выра- 1 012477 батываемого светодиодами. Данное условие является еще более трудновыполнимым вследствие того, что светодиоды с их малыми размерами представляют собой сильно локально сконцентрированные источники тепла. Кроме того, вследствие того, что светодиоды располагаются в среде с низкой теплопроводностью, а именно в термопластичном листе, задача отвода тепла приобретает особую сложность.

Оптические характеристики материалов, используемых в указанных многослойных узлах, также отчасти определяют пропускную способность по отношению к световому потоку, созданному светодиодами. Следовательно, необходимо использовать особые способы установки светодиодов в указанные осветительные средства.

Изобретение обеспечивает осветительное средство, которое учитывает эти различные требования и также другие требования, которые будут более понятны из последующего описания.

Осветительное средство по настоящему изобретению содержит многослойный узел, образованный по меньшей мере из одного листа органического или минерального стекла, соединенного по меньшей мере с одним термопластичным листом, в который включены диоды. Для такого осветительного средства выбор светодиодов, в частности их мощности, условий их эксплуатации и, что еще более важно, распределение внутри многослойного узла таков, что создаваемый ими световой поток составляет по меньшей мере 300 лм, предпочтительно 500 лм и более предпочтительно свыше 1000 лм.

Для получения вышеуказанного светового потока осветительное средство по изобретению содержит большое количество светодиодов на поверхности ограниченного размера. Условия его получения также могут определяться требуемой мощностью осветительного средства. Таким образом, отношение светового потока к площади указанного средства составляет по меньшей мере 500 лм на квадратный метр площади осветительного средства. Данная величина мощности выбирается, с одной стороны, таким образом, чтобы габаритные размеры осветительного средства соответствовали требованиям, предъявляемым в наиболее частых вариантах использования, и, с другой стороны, с учетом того, какой результат может быть достигнут за счет использования внутренних характеристик промышленно выпускаемых светодиодов.

Данный выбор также определяется компромиссом между очень плотным распределением светодиодов, которое позволило бы создавать максимально возможный световой поток, и необходимостью поддерживать температурный режим работы осветительного средства в соответствии с термическими характеристиками совокупности используемых в конструкции материалов, с одной стороны, и обеспечением наивысшей световой эффективности светодиодов, с другой стороны. В частности, в зависимости от качества применяемых светодиодов и используемых в многослойном узле материалов, мощность может достигать по меньшей мере 1000 лм/м², предпочтительно по меньшей мере 2500 лм/м² и выше.

В случае многослойных узлов повышение температуры является фактором ограничения дискретной мощности каждого диода. Повторное поглощение тепла, выделяемого при работе диодов, относительно невелико в случае стандартных материалов, применяемых для изготовления указанных композиций. В частности, к таким материалам относится листовое стекло, известное своей низкой теплопроводностью. Они также включают полимерные материалы, составляющие промежуточные листы, в которых устанавливают диоды.

В узлах по настоящему изобретению предпочтительно используют обычные промежуточные слои, такие как полиацетали, в частности поливинилбутирал (ПВБ), этиленвинилацетат (ЭВА) или иные сходные материалы, обычно используемые, например, для многослойного остекления. При использовании указанных термопластических материалов температура вблизи диодов предпочтительно не должна превышать 80°С, в частности предпочтительно быть ниже 60°С.

Особенно необходимо поддержание температуры на как можно более низком уровне, поскольку световая эффективность каждого отдельного светодиода понижается с ростом температуры. Другими словами, чем выше температура, тем больше становится доля потребляемой энергии, которая выделяется в виде тепла. Это различие обладает повышенной чувствительностью, так световая эффективность светодиодов может понизиться на 30% при повышении температуры светодиодов с 50 до 80°С.

С учетом различных характеристик промышленно выпускаемых в настоящее время диодов, в частности световой эффективности, а также размеров указанных светодиодов, что, среди прочего, определяет теплообмен с окружающей средой, а именно с полимерным листом, в котором устанавливаются светодиоды, предпочтительным решением является ограничение рабочей мощности отдельных светодиодов. На практике предпочтительно обеспечить, чтобы мощность, рассеиваемая каждым светодиодом, не превышала 2 Вт, а предпочтительно не превышала 1,5 Вт. Обычно рабочая мощность отдельных светодиодов поддерживается в пределах 1 Вт, предпочтительно ниже 0,5 Вт.

Номинальная мощность светодиодов может значительно превышать мощность, на которой они эксплуатируются. Например, светодиоды можно использовать на мощности, равной половине или меньшей половины их номинальной мощности. При эксплуатации светодиодов на пониженной мощности замедляется их износ, но в особенности важно то, что ограничивается их нагрев. По этой причине может быть целесообразным использовать диоды с номинальной мощностью 5 Вт и выше. Выбор светодиодов с высокой номинальной мощностью повышает стоимость и габариты светодиодов. В связи с этим рекомендуется осуществлять выбор на основе компромисса между номинальной и рабочей мощностью. В каче

- 2 012477 стве общего правила можно принять, что рабочая мощность не должна быть ниже одной четвертой и предпочтительно не ниже одной третьей номинальной мощности. Рабочая мощность также является предпочтительной на уровне не выше четырех пятых и более предпочтительно не выше трех четвертых номинальной мощности.

Нагрев осветительного средства по настоящему изобретению имеет место не только вследствие работы светодиодов, но и цепи их питания. Если осветительный прибор плоской формы имеет только одну сторону, прозрачную для светового потока, создаваемого всеми светодиодами, то существует возможность создания цепей питания с достаточно низким рассеянием мощности по закону Джоуля-Ленца. В частности, металлические токопроводящие цепи могут обладать очень низким сопротивлением. Если же, напротив, подвод питания осуществляется со стороны, находящейся на пути прохождения создаваемого светового потока, а цепь питания должна оставаться практически невидимой, что имеет место в случае прозрачных осветительных панелей, подвод питания в стандартных осветительных средствах осуществляется либо с использованием очень тонкой металлической проводки, расположенной в многослойном узле, либо с использованием очень тонких токопроводящих пленок, не создающих препятствий для прохождения светового потока. Указанные пленки, хорошо известные в области многослойного остекления, в особенности стеклопакетов, подверженных воздействию тепла, обладают достаточно значительным сопротивлением, в особенности при уменьшении их толщины. Кроме того, закон Джоуля-Ленца тем сильнее проявляется на локальном уровне, чем меньше площадь контакта между светопроводящей пленкой и проводниками, подводящим ток к каждому из диодов, и, как следствие, в областях, прилегающих к указанным проводникам, электрический ток концентрируется на ограниченной площади пленки, что приводит к относительному увеличению сопротивления.

Для минимизации эффекта Джоуля-Ленца предпочтительно подавать на диоды наибольшее возможное напряжение, приемлемое для эксплуатации осветительных средств. В частности, в бытовых применениях предпочтительным было бы, чтобы напряжение не превышало 300 В. В качестве общего правила можно принять, что рабочее напряжение каждого из светодиодов не превышает 50 В и обычно составляет менее 25 В. Последовательное подключение указанных светодиодов позволяет значительно повысить подводимое напряжение. Количество последовательно соединенных светодиодов также определяет надежность всей группы светодиодов. Если один из последовательно соединенных светодиодов дефектный, то происходит отказ всей группы. Для ограничения указанного риска повреждения осветительного средства можно, например, использовать решение, заключающееся в устройстве групп светодиодов, соединенных попарно параллельно.

Во всех случаях природа и конфигурация цепи и, соответственно, напряжение питания выбирают таким образом, чтобы рассеяние энергии в цепи питания вследствие закона Джоуля-Ленца было минимально возможным и предпочтительно не превышало 50%, а еще более предпочтительно не превышало 30% общей потребляемой энергии.

В контексте настоящего изобретения, когда тонкие пленки образуют сеть подвода питания к светодиодам, указанные пленки предпочтительно имеют наименьшее сопротивление, позволяющее обеспечивать максимально возможное светопропускание. В стандартных оптически приемлемых условиях светопропускание указанных пленок предпочтительно составляет более 90%.

В случае подводимых к светодиодам напряжений, приемлемых для работы светодиодных массивов, указанные тонкие пленки предпочтительно имеют сопротивление, не превышающее 30 Ом/квадрат, а предпочтительно не более 20 Ом/квадрат.

Когда осветительное средство имеет только одну прозрачную сторону, другая сторона предпочтительно изготавливается из материала, являющегося хорошим проводником тепла, чтобы обеспечить облегченное рассеяние тепловой энергии. Указанная сторона осветительного средства предпочтительно изготавливается из металлической фольги, и в этом случае является одним из элементов многослойного узла. Очевидно, что для минимизации потерь энергии токоподводящей цепи последняя должна иметь конструкцию, максимально снижающую сопротивление. Поскольку светопроводимость на стороне, изготавливаемой из металлической фольги, не требуется, подвод тока предпочтительно осуществляется с использованием проводов.

Если выделяемое светодиодами тепло легко удалять из конструкции не удается вследствие природы материалов, использованных в конструкции осветительного средства по настоящему изобретению, прилагаются усилия в направлении снижения указанного тепла и с этой целью используются светодиоды, имеющие наилучшую световую эффективность. На практике, вследствие их доступности, предпочтительно использовать светодиоды со световой эффективностью не менее 20 лм/Вт и особенно предпочтительно более 30 лм/Вт. В той степени, в которой это экономически оправдано, предпочтительно использовать светодиоды со световой эффективностью 40 лм/Вт и выше.

При повышении световой эффективности светодиодов необходимо также обеспечить, чтобы структура осветительного средства и, следовательно, структура используемого многослойного узла обеспечивала наилучшее пропускание вырабатываемого светодиодами светового потока. В частности, необходимо обеспечить, чтобы световой поток мог в практическом смысле полностью использоваться для освещения. Часть указанного светового потока вследствие явлений внутреннего отражения в многослойной

- 3 012477 композиции может захватываться указанной многослойной композицией. Для снижения доли захватываемого таким образом светового потока прилагаются усилия в направлении ограничения угла испускания светового потока относительно нормали к границе между листом органического или минерального стекла и окружающей атмосферой.

Традиционно светодиоды выпускаются с отражающим элементом в виде чашки, обращенной вогнутой поверхностью в сторону светодиода. Указанная конструкция не только дозволяет отражать световой поток в направлении только одной стороны осветительного прибора, но и сокращает световой поток до формы луча, расходимость которого можно таким образом ограничивать. Указанная расходимость предпочтительно должна быть такой, чтобы угол падения светового потока на границу между листом стекла и окружающей атмосферой не превышал 60°, причем предпочтительно указанный угол ограничивать величиной 45°, а оптимально делать его менее 30°.

Настоящее изобретение будет описано ниже со ссылкой на чертежи, где фиг. 1а и 1Ь - изометрический вид в перспективе многослойного узла для освещения с помощью диодов по настоящему изобретению;

фиг. 2а - вид в перспективе пути светового потока, испускаемого светодиодом, в многослойной композиции, типа представленной на фиг. 1;

фиг. 2Ь - вид в сечении в увеличенном масштабе пути светового потока по фиг. 2а;

фиг. 3 - график, иллюстрирующий типичное распределение световой интенсивности в зависимости от направления светового потока по отношению к оси испускания.

На фиг. 1а изображен частичный вид с покомпонентным изображением элементов, составляющих осветительное средство по настоящему изобретению. Указанный вариант осуществления настоящего изобретения содержит прозрачный лист 1, например стеклянный лист, который может быть прозрачным или полупрозрачным, если необходимо достижение эффекта диффузного света. Лист термопластического материала 2, обладающий такой же прозрачностью, как и сам стеклянный лист, установлен между листом 1 и группой диодов 3, которые будут включены в термопластичный лист 2 во время сборки.

В указанном варианте осуществления настоящего изобретения диоды 3 равномерно распределены по токоподводящей цепи, изготовленной, например, из тонкой токопроводящей пленки, нанесенной на второй жесткий лист 5.

В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения диоды и токопроводящая пленка или токопроводящие провода, питающие светодиоды, расположены на гибком листе, используемом вместо листа 5. Гибкий лист, на котором расположена токоподводящая цепь, может представлять собой, например, лист полиэтилена.

Пленка, питающая диоды, может быть разделена на части, например, путем абляции ее вдоль линий 4, разделяющих токопроводящие области. Диоды соединены в две соприкасающиеся области, каждая из которых подсоединена к источнику питания.

В указанном варианте осуществления настоящего изобретения диоды соединены параллельно в ряды по 6 и в ряды по 9. Светодиоды расположены относительно близко друг к другу с целью достижения относительно высокой световой эффективности, несмотря на то, что каждый светодиод имеет относительно низкую световую мощность, обычно около 0,5 Вт или несколько выше. В приведенном примере 54 светодиода объединены в композицию, имеющую габаритные размеры 20x30 см.

Возвращаясь к рассматриваемому примеру, узел из составляющих элементов приводится на фиг. 1Ь. Рассматриваемый многослойный узел содержит два листа 1 и 5, соединенные посредством промежуточного слоя 2. Диоды включают в промежуточный лист в ходе обычной процедуры формирования многослойного остекления. Для этого листы сжимают под давлением в состоянии, нагретом до температуры размягчения промежуточного термопластического листа 2.

В производимом узле не показаны соединительные проводники, подводящие питание к токопроводящим полосам. Указанные проводники могут присоединяться во время сборки или после нее путем устройства двух токопроводящих полос на концах.

В одном варианте осуществления, получаемом путем соединения двух стеклянных листов толщиной 3 мм, промежуточного листа поливинилбутана толщиной 0,76 мм и группы из 54 светодиодов и известном на рынке как осветительный прибор белого света марки К!де1 компании Νίοΐιία. достигается световой поток около 500 лм, что эквивалентно световому потоку 40 Вт лампы накаливания. В данном примере отношение светового потока к единице площади площади указанного осветительного прибора составляет около 8000 лм на квадратный метр.

Узел аналогичного типа, образованный из панели 50x50 см и состоящий из 225 равномерно распределенных светодиодов, создает световой поток около 2000 лм, что эквивалентно световому потоку лампы накаливания мощностью более 150 Вт.

Очевидно, размеры и количество светодиодов можно увеличивать в зависимости от необходимого светового потока при условии, что плотность расположения светодиодов приведет к локальному повышению температуры, приемлемому для указанных условий работы.

Токопроводящая цепь изготавливается из тонкой пленки легированного сурьмой оксида олова, на

- 4 012477 несенной на лист 5. Сопротивление пленки составляет около 15 Ом/квадрат. В указанной конфигурации наивысшая температура вблизи светодиодов составляет около 50°С.

Вопрос эффективности осветительного прибора по настоящему изобретению, которая зависит от оптической конфигурации, иллюстрируется на следующих фигурах. На фигурах предполагается, что весь свет направлен сквозь лист 1. Это имеет место, например, в случае установки осветительного средства на светонепроницаемой стене. В этом случае предпочтительно выбирать светодиоды, рефлекторы которых направлены в сторону листа 1.

Излучение, испускаемое светодиодом 3, встроенным в промежуточный слой 2, проходит через промежуточный слой и прозрачный слой 1. В зависимости от угла падения излучения относительно направленной вовне поверхности листа 1 и коэффициента преломления листа 1, лучи либо дифрагируются, либо отражаются.

На фиг. 2Ь иллюстрируется указанное свойство для случая стеклянного листа 1, соприкасающегося с окружающим воздухом. Коэффициент преломления стекла, равный около 1,5, означает, что лучи, испускаемые светодиодом под углом наклона (α) более 60° относительно нормали к границе стекло-воздух, отражаются вовнутрь конструкции и, вследствие последующих отражений, не вносят свой вклад в полезный световой поток, служащий для освещения.

Распределение светового потока в зависимости от направления относительно нормали к поверхности стеклянного листа имеет вид, изображенный на кривой на фиг. 3.

Claims (13)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Осветительное средство на основе светодиодов, содержащее многослойный узел, образованный по меньшей мере из одного листа органического или минерального стекла, соединенного по меньшей мере с одним термопластичным листом, в которое встроены диоды, причем индивидуальные мощностные характеристики каждого диода, условия их работы и распределение диодов по поверхности листов таковы, что создаваемый световой поток составляет по меньшей мере 300 лм.
2. 2. Осветительное средство по п.1, в котором создаваемый световой поток составляет по меньшей мере 500 лм.
3. 3. Осветительное средство на основе светодиодов, содержащее многослойный узел из листа органического или минерального стекла, соединенного по меньшей мере с одним термопластичным листом, в который встроены светодиоды, причем индивидуальные мощностные характеристики каждого светодиода, условия их работы и распределение диодов по поверхности листов таковы, что его мощность составляет по меньшей мере 500 лм на квадратный метр площади указанного осветительного средства.
4. 4. Осветительное средство по п.3, в котором мощность составляет по меньшей мере 2500 лм на квадратный метр площади указанного осветительного средства.
5. 5. Осветительное средство по одному из предшествующих пунктов, в котором индивидуальные мощностные характеристики каждого светодиода, распределение светодиодов и общая конфигурация многослойной структуры таковы, что локально непрерывная работа, в случае каждого диода, не приводит к локальной температуре, превышающей 60°С.
6. 6. Осветительное средство по одному из предшествующих пунктов, в котором диоды не используют с отдельной мощностью, превышающей 2 Вт.
7. 7. Осветительное средство по п.6, в котором диоды не используют с отдельной мощностью, превышающей 0,5 Вт.
8. 8. Осветительное средство по одному из предшествующих пунктов, содержащее многослойный узел с двумя листами органического или минерального стекла на каждой стороне одного или более промежуточных термопластичных листов, в который встроены светодиоды, причем подвод питания к указанным светодиодам осуществляют посредством электрической цепи, состоящей из тонкой, по существу прозрачной, токопроводящей пленки, сопротивление которой таково, что рассеяние энергии в пленке вследствие закона Джоуля-Ленца составляет менее 50% общей потребляемой энергии.
9. 9. Осветительное средство по одному из предшествующих пунктов, содержащее многослойный узел с двумя листами органического или минерального стекла на каждой стороне одного или более промежуточных термопластичных листов, в который встроены светодиоды, причем подвод питания к указанным светодиодам осуществляют посредством электрической цепи, состоящей из тонкой, по существу прозрачной, токопроводящей пленки, сопротивление которой не превышает 30 Ом/квадрат.
10. 10. Осветительное средство по одному из предшествующих пунктов, в котором луч света, испускаемый светодиодами, направлен таким образом, что угол его падения относительно нормали к границе между стеклянным листом и атмосферой не превышает 60°.
11. 11. Осветительное средство по п.10, в котором луч света, испускаемый светодиодами, направлен таким образом, что угол его падения относительно нормали к границе между стеклянным листом и атмосферой не превышает 45°.

    - 5 012477
12. 12. Осветительное средство по одному из предшествующих пунктов, в котором указанный многослойный узел содержит в дополнение к стеклянному листу и промежуточному листу, в который встраивают светодиоды, дополнительный лист, имеющий высокую теплопроводность, в особенности металлическую фольгу.
13. 13. Осветительное средство по п.12, в котором используемые светодиоды имеют световую эффективность не менее 30 лм/Вт.