RU106798U1

RU106798U1 - LIGHT INSTRUMENT

Info

Publication number: RU106798U1
Application number: RU2011111405/28U
Authority: RU
Inventors: Евгений Михайлович Силкин
Original assignee: Евгений Михайлович Силкин
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2011-07-20

Abstract

Световой прибор, содержащий один или несколько светодиодов или одну или несколько светодиодных матриц для формирования светового потока и одну или несколько линз для управления световым потоком, отличающийся тем, что на поверхность или на часть поверхности, или в объем, или в часть объема линзы или линз введены частицы люминофора или смеси люминофоров. A light device containing one or more LEDs or one or more LED arrays for forming a light flux and one or more lenses for controlling the light flux, characterized in that on the surface or part of the surface, or in the volume, or in part of the volume of the lens or lenses Phosphor particles or phosphor mixtures are introduced.

Description

Полезная модель относится к приборостроению, светотехнике и может быть использована при проектировании новых энергоэффективных полупроводниковых источников света, в том числе, линейных светодиодных ламп для прямой замены люминесцентных разрядных ламп низкого давления. Полезная модель направлена на повышение световой эффективности (общей светоотдачи) устройства.The utility model relates to instrument engineering, lighting engineering and can be used in the design of new energy-efficient semiconductor light sources, including linear LED lamps for direct replacement of low-pressure fluorescent discharge lamps. The utility model is aimed at increasing the luminous efficiency (total light output) of the device.

Известен световой прибор, содержащий несколько светодиодов для формирования светового потока и несколько линз для управления световым потоком (LED Panel Light. Bulb Lamp LGI 100-240 V. Products Brochure LIGHT GREEN / Light Green International Co., Ltd., 2010)A known light device containing several LEDs for forming a light flux and several lenses for controlling the light flux (LED Panel Light. Bulb Lamp LGI 100-240 V. Products Brochure LIGHT GREEN / Light Green International Co., Ltd., 2010)

Недостатком светового прибора является низкая световая эффективность, что обусловлено потерями энергии на разогрев кристалла и снижением светового потока при преобразовании энергии первичного излучения светодиода его слоем люминофора и повышении температуры p-n-перехода и частиц слоя люминофора.The disadvantage of a light device is its low luminous efficiency, which is caused by energy losses due to heating the crystal and a decrease in the luminous flux when converting the energy of the primary radiation of an LED from its phosphor layer and increasing the temperature of the pn junction and particles of the phosphor layer.

Известен световой прибор, содержащий светодиодную матрицу для формирования светового потока и линзу для управления световым потоком (Продукция CREE. Каталог Rainbow Electronics / Rainbow Electronics, 2010).A known light device containing an LED matrix for forming a light flux and a lens for controlling the light flux (CREE Products. Catalog Rainbow Electronics / Rainbow Electronics, 2010).

Известен световой прибор, содержащий несколько светодиодов для формирования светового потока и несколько линз для управления световым потоком (Полупроводниковая светотехника. Каталог производственного альянса Контракт-Электроника / Контракт Электроника, 2010).A known light device containing several LEDs for forming a luminous flux and several lenses for controlling the luminous flux (Semiconductor lighting technology. Catalog of the Production Contract Electronics-Contract / Electronics Electronics, 2010).

Известен световой прибор, содержащий несколько светодиодов для формирования светового потока и несколько линз для управления световым потоком (Инновационное светодиодное освещение. Каталог продукции / Завод Светорезерв, 2010).A known light device containing several LEDs for forming a luminous flux and several lenses for controlling the luminous flux (Innovative LED lighting. Product Catalog / Svetorezerv Plant, 2010).

Указанный световой прибор является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и выбран в качестве прототипа.The specified light device is the closest in technical essence to a utility model and is selected as a prototype.

Недостатком прототипа является низкая световая эффективность устройства (светового прибора), что обусловлено потерями энергии на разогрев кристалла и снижением светового потока при преобразовании энергии первичного излучения светодиода его слоем люминофора и повышении рабочей температуры p-n-перехода и частиц слоя люминофора.The disadvantage of the prototype is the low luminous efficiency of the device (light fixture), which is caused by energy losses due to the heating of the crystal and a decrease in the luminous flux when converting the energy of the primary radiation of the LED to its phosphor layer and increasing the operating temperature of the pn junction and particles of the phosphor layer.

Полезная модель направлена на решение задачи увеличения общей световой эффективности (общей светоотдачи) светового прибора, что является целью полезной модели.The utility model is aimed at solving the problem of increasing the overall light efficiency (total light output) of a light device, which is the purpose of the utility model.

Указанная цель достигается тем, что в световом приборе, содержащем один или несколько светодиодов или одну или несколько светодиодных матриц для формирования светового потока и одну или несколько линз для управления световым потоком, на поверхность или на часть поверхности, или в объем, или в часть объема линзы или линз введены частицы люминофора или смеси люминофоров.This goal is achieved by the fact that in a light device containing one or more LEDs or one or more LED arrays for forming a luminous flux and one or more lenses for controlling the luminous flux, on the surface or part of the surface, or in the volume, or in part of the volume lenses or lenses introduced phosphor particles or a mixture of phosphors.

Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение световой эффективности (общей светоотдачи) устройства, что обусловлено снижением потерь энергии на разогрев кристалла светодиода и ростом светового потока при преобразовании энергии первичного излучения светодиода слоем люминофора и снижении рабочей температуры p-n-перехода светодиода и частиц люминофора или смеси люминофоров.A significant difference characterizing the utility model is an increase in the luminous efficiency (total light output) of the device, which is caused by a decrease in the energy loss for heating the LED crystal and an increase in the light flux during the conversion of the primary radiation energy of the LED by a phosphor layer and a decrease in the operating temperature of the pn junction of the LED and phosphor particles or mixtures of phosphors.

Повышение световой эффективности (общей светоотдачи) светового прибора является полученным техническим результатом, обусловленным новым принципом преобразования энергии первичного излучения светодиода частицами люминофора или смеси люминофоров, введенных в обьем или в часть объема оптически прозрачного материала линзы или линз, особенностями новой конструкции светового прибора с удаленным люминофором, то есть отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого светового прибора являются существенными.The increase in luminous efficiency (total light output) of a light device is a technical result due to the new principle of converting the primary radiation energy of an LED from phosphor particles or a mixture of phosphors introduced into the volume or to a part of the volume of an optically transparent lens or lens material, features of the new design of a light device with a remote phosphor , that is, the hallmarks of a utility model. Thus, the distinguishing features of the claimed light device are significant.

На рисунке приведена типовая конструкция заявляемого светового прибора.The figure shows a typical design of the inventive lighting device.

Световой прибор содержит один или несколько светодиодов 1 или одну или несколько светодиодных матриц для формирования светового потока и одну или несколько линз 2 для управления световым потоком, на поверхность или на часть поверхности, или в объем, или в часть объема линзы или линз введены частицы люминофора 3 или смеси люминофоров.The light device contains one or more LEDs 1 or one or more LED arrays for forming the light flux and one or more lenses 2 for controlling the light flux, phosphor particles are introduced onto the surface or onto a part of the surface, or into the volume or into a part of the volume of the lens or lenses 3 or a mixture of phosphors.

Световой прибор в установившемся режиме работает следующим образом. Светодиод 1 (светодиодная матрица) через выводы подключается к источнику вторичного электропитания. При подаче питания на светодиод 1 он начинает излучать световую энергию за счет явления электролюминесценции и преобразования электрической энергии прямого тока в световую энергиию. При работе устройства часть энергии рассеивается, что приводит к разогреву элементов. Светодиод 1 или светодиодная матрица излучает свет определенных длин волн, который преобразуется частицами 3 люминофора или смеси люминофоров, введенных во внутренний объем или часть объема (или нанесенных на поверхности или части поверхностей) оптически прозрачного материала линзы 2. Оптически прозрачный материал линзы 2 выполняет роль связующего для частиц 3 люминофора или смеси люминофоров. Таким образом, источник света (световой прибор) становится более распределенным в пространстве и видоизменяется спектр его излучения в необходимом направлении. За счет преобразования первичного излучения светодиода 1 (матрицы) частицами 3 люминофором или смеси люминофоров светоотдача (отношение светового потока к потребляемой мощности, лм/Вт) устройства возрастает. Действительно, большая часть потребляемой устройством энергии преобразуется в энергию света. Это обусловлено снижением температуры p-n перехода светодиода 1 и частиц 3 люминофора или смеси люминофоров, снижением коэффициентов рассеяния и отражения света в заявляемой конструкции светового прибора. Линза (линзы) 2 одновременно перераспределяет световой поток светодиода, например, в меньший телесный угол и (или) изменяет форму светового пучка (кривой силы света).The light fixture in steady state operates as follows. LED 1 (LED matrix) is connected to the secondary power source through the terminals. When power is applied to LED 1, it begins to emit light energy due to the phenomenon of electroluminescence and the conversion of direct current electric energy into light energy. During operation of the device, part of the energy is dissipated, which leads to heating of the elements. The LED 1 or LED matrix emits light of certain wavelengths, which is converted by particles 3 of the phosphor or a mixture of phosphors introduced into the inner volume or part of the volume (or deposited on the surface or part of the surfaces) of the optically transparent lens material 2. The optically transparent lens material 2 acts as a binder for particles of 3 phosphors or a mixture of phosphors. Thus, the light source (light fixture) becomes more distributed in space and the spectrum of its radiation in the necessary direction is modified. Due to the conversion of the primary radiation of the LED 1 (matrix) by particles 3 to a phosphor or a mixture of phosphors, the light output (ratio of light flux to power consumption, lm / W) of the device increases. Indeed, most of the energy consumed by the device is converted to the energy of light. This is due to a decrease in the pn junction temperature of the LED 1 and particles 3 of the phosphor or a mixture of phosphors, a decrease in the scattering and reflection coefficients of the light in the inventive design of the light device. Lens (s) 2 simultaneously redistributes the light flux of the LED, for example, into a smaller solid angle and (or) changes the shape of the light beam (light intensity curve).

Светодиоды (матрица или матрицы) 1 имеют, например, голубой цвет свечения (изготовлены на основе гетероструктур GaN, InGaN и других). Частицы 3 люминофора или смеси люминофоров при воздействии исходного излучения светодиода (1) излучают энергию в недостающих областях спектра (желто-зеленый или зеленый и красный части спектра видимого света). При смешивании излучений светодиода (1) и люминофора 3 образуется белый или близкий к нему свет. Светодиод 1 представляет собой полупроводниковый прибор, работающий, как отмечено выше, при прямом включении и преобразующий энергию электрического тока непосредственно в световое излучение за счет явления электролюминесценции. Драйвер питания устройства выполняется по любой из известных схем для регулируемого преобразования переменного тока в постоянный ток (с трансформацией уровня напряжения с помощью обычного трансформатора или без нее) или переменный ток при встречно-параллельном включении светодиодов 1 или ветвей светодиодной матрицы.LEDs (matrix or matrix) 1 have, for example, a blue glow (made on the basis of heterostructures GaN, InGaN and others). Particles 3 of a phosphor or a mixture of phosphors when exposed to the initial radiation of the LED (1) emit energy in the missing spectral regions (yellow-green or green and red parts of the spectrum of visible light). When mixing the radiation of the LED (1) and phosphor 3, white or close to it light is formed. LED 1 is a semiconductor device that operates, as noted above, when directly turned on and converts the energy of the electric current directly into light radiation due to the phenomenon of electroluminescence. The power driver of the device is performed according to any of the known schemes for the controlled conversion of alternating current to direct current (with the transformation of the voltage level using a conventional transformer or without it) or alternating current when the LEDs 1 or branches of the LED matrix are turned in parallel.

По сравнению с прототипом существенно возрастает световая эффективность (общая светоотдача) светового прибора. Светоотдача источника света (световая эффективность светового прибора) - это отношение светового потока к общей потребляемой мощности (лм/Вт). Световой поток светодиода уменьшается при нагреве кристалла, а эффективность фотолюминесценции снижается при нагреве частиц люминофора или смеси люминофоров. Связующее в виде оптически прозрачного материала линзы, в который вводятся или на который наносятся частицы люминофора или смеси люминофоров, эффективно охлаждает люминофор, а также положительно влияет на рассеяние и отражение света. В частности, при равенстве показателей (коэффициентов) преломления оптически прозрачного материала линзы и люминофора, введенного в объем, наиболее значительно уменьшаются коэффициенты рассеяния и отражения, что способствует увеличению светимости линзы. Нагрев кристалла светодиода обусловлен, в том числе, рассеиваемой в люминофоре и отраженной им энергией излучения (известные конструкции светодиодов с нанесенным непосредственно на кристалл слоем люминофора) p-n-перехода. При введении частиц люминофора во внутренний объем или в часть объема или на поверхности оптически прозрачного материала линзы потери энергии в люминофоре не влияют на дополнительный нагрев кристалла светодиода и не приводят к повышению его рабочей температуры и снижению исходного светового потока излучения светодиода. Более того, суммарный световой поток светодиода значительно возрастает (до 10%). Таким образом, для получения равного светового потока от светодиода требуется меньшая мощность источника вторичного электропитания. Одновременно «удаление» люминофора от кристалла светодиода приводит к снижению рабочей температуры частиц люминофора и повышению яркости. Световая эффективность (общая светоотдача) светового прибора возрастает. Частицы люминофора или смеси люминофоров в объеме или в части объема или на поверхности оптически прозрачного материала линзы в заявляемом световом приборе выполняют одновременно несколько функций (светорассеяние, снижение максимальной яркости, модификация спектра, увеличение суммарного светового потока излучения). В прототипе световой поток уменьшается за счет непроизводительных потерь энергии в слоях полупроводников светодиода. Это дополнительная причина снижения световой эффективности (общей светоотдачи) светового прибора, выбранного за прототип. Световая эффективность нового прибора может быть повышена на 15÷17% по сравнению с прототипом.Compared with the prototype, the luminous efficiency (total light output) of the light device significantly increases. Luminous efficiency of a light source (luminous efficiency of a light device) is the ratio of luminous flux to total power consumption (lm / W). The luminous flux of the LED decreases when the crystal is heated, and the photoluminescence efficiency decreases when the particles of a phosphor or a mixture of phosphors are heated. A binder in the form of an optically transparent lens material, into which phosphor particles or phosphor mixtures are introduced or deposited, effectively cools the phosphor and also positively affects the scattering and reflection of light. In particular, when the refractive indices (coefficients) of the optically transparent lens material and the phosphor introduced into the volume are equal, the scattering and reflection coefficients are most significantly reduced, which contributes to an increase in the luminosity of the lens. The heating of the LED crystal is caused, inter alia, by the radiation energy scattered in the phosphor and reflected by it (known LED designs with a phosphor layer deposited directly on the crystal) of the pn junction. When phosphor particles are introduced into the internal volume or into a part of the volume or on the surface of an optically transparent lens material, the energy loss in the phosphor does not affect the additional heating of the LED crystal and does not increase its operating temperature and decrease the initial light flux of the LED radiation. Moreover, the total luminous flux of the LED increases significantly (up to 10%). Thus, to obtain an equal luminous flux from the LED, less power is required from the secondary power source. At the same time, the “removal” of the phosphor from the LED crystal leads to a decrease in the operating temperature of the phosphor particles and an increase in brightness. The luminous efficiency (total light output) of the light device increases. Particles of a phosphor or a mixture of phosphors in the volume or in part of the volume or on the surface of an optically transparent lens material in the inventive light device perform several functions simultaneously (light scattering, reducing the maximum brightness, modifying the spectrum, increasing the total luminous flux of radiation). In the prototype, the luminous flux is reduced due to unproductive energy losses in the semiconductor layers of the LED. This is an additional reason for the decrease in luminous efficiency (total light output) of the light device selected for the prototype. The luminous efficiency of the new device can be increased by 15 ÷ 17% compared with the prototype.

Дополнительно, по сравнению с прототипом, увеличиваются срок службы и надежность работы заявляемого светового прибора. Это достигается за счет комплексного снижения электрической нагрузки на источник вторичного электропитания для прибора и рабочей температуры p-n-перехода светодиода и частиц люминофора или смеси люминофоров. Уменьшается деградация структуры светодиода и кристаллов люминофора. Срок службы нового светового прибора согласно экспертным оценкам может быть увеличен в 1,5÷1,8 раза.Additionally, in comparison with the prototype, the service life and reliability of the inventive lighting device are increased. This is achieved by comprehensively reducing the electrical load on the secondary power source for the device and the operating temperature of the pn junction of the LED and phosphor particles or a mixture of phosphors. The degradation of the structure of the LED and phosphor crystals is reduced. According to expert estimates, the service life of a new light fixture can be increased by 1.5–1.8 times.

По сравнению с прототипом, дополнительно, коэффициент полезного действия нового устройства повышается на 3÷4% за счет уменьшения электрических потерь энергии в элементах, в том числе, в источнике вторичного электропитания, при одинаковом (заданном) световом потоке.Compared with the prototype, in addition, the efficiency of the new device increases by 3 ÷ 4% due to the reduction of electrical energy losses in the elements, including in the secondary power source, with the same (given) light flux.

Может быть, по сравнению с прототипом, существенно упрощена конструкция и снижена цена светильников с заявляемым световым прибором за счет уменьшения потерь мощности в элементах источника вторичного электропитания и снижения их загрузки по току, следовательно, за счет возможности использования элементов источника вторичного электропитания на меньшую установленную мощность и с более низкой ценой, а также за счет упрощения и удешевления технологии изготовления всего светильника и уменьшения размеров используемых радиаторов.Maybe, in comparison with the prototype, the design is significantly simplified and the price of luminaires with the claimed lighting device is reduced by reducing power losses in the elements of the secondary power source and reducing their current load, therefore, due to the possibility of using the elements of the secondary power source at a lower installed power and with a lower price, as well as by simplifying and reducing the cost of manufacturing technology for the entire lamp and reducing the size of the used radiators.

По сравнению с прототипом могут быть снижены весогабаритные показатели заявляемого светового прибора (до 5%) и светильников на его основе за счет оптимизации конструкции (в том числе, радиатора), что также расширяет области применения устройств.Compared with the prototype, the overall dimensions of the inventive lighting device (up to 5%) and luminaires based on it can be reduced by optimizing the design (including the radiator), which also expands the field of application of the devices.

Claims

A light device containing one or more LEDs or one or more LED arrays for forming a light flux and one or more lenses for controlling the light flux, characterized in that on the surface or part of the surface, or in the volume, or in part of the volume of the lens or lenses Phosphor particles or a mixture of phosphors are introduced.