RU163392U1 - Светодиодная филаментная лампа - Google Patents

Abstract

Светодиодная филаментная лампа, содержащая цоколь, внутри которого установлен драйвер, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, и герметичную колбу, изготовленную из оптически прозрачного материала и заполненную изолирующим оптически прозрачным и химически инертным газообразным веществом, с опорной ножкой, имеющей штенгель, штабик с держателем, два электрода, и с двумя парами светодиодных филаментов внутри, соединенных электрически выводами в последовательную цепь через держатель, филаменты в парах соединены последовательно, общие точки соединения филаментов в парах образованы непосредственным соединением выводов филаментов, а вторые выводы пар светодиодных филаментов последовательной цепи подключены к соответствующим выходным выводам драйвера через электроды.

Description

Полезная модель относится к светотехнике и может быть использована при проектировании новых энергоэффективных источников оптического излучения с увеличенным сроком службы. Полезная модель направлена на повышение надежности работы светодиодной филаментной лампы.

Известна светодиодная филаментная лампа, содержащая цоколь, внутри которого установлен драйвер, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, и герметичную колбу, изготовленную из оптически прозрачного материала и заполненную изолирующим оптически прозрачным и химически инертным газообразным веществом, с опорной ножкой, имеющей штенгель, штабик с держателем, два электрода, и с двумя парами светодиодных филаментов внутри, соединенных электрически выводами в последовательную цепь через держатель, филаменты в парах соединены параллельно через шины, а вторые выводы пар светодиодных филаментов последовательной цепи подключены к соответствующим выходным выводам драйвера через электроды (Thomson Filament - светодиодные лампы нового поколения/Электронный ресурс - http://geektimes.ru/medgadgets/blog/247172/).

В качестве изолирующего оптически прозрачного и химически инертного газообразного вещества в светодиодных филаментных лампах применяют, как правило, «легкие» газы (гелий, водород) или смеси указанных газов, или смеси их с азотом, неоном, аргоном или криптоном, имеющие давление от 0,3 до 0,9 бар при температуре окружающей среды 273 К и обладающие высоким коэффициентом теплопроводности и низкой вязкостью.

В качестве внешнего источника питания светодиодной филаментной лампы используется электрическая сеть переменного тока. Питание лампы может осуществляться и от источника постоянного тока.

Преимуществами известной светодиодной филаментной лампы являются использование штабика с одним держателем и минимальное число ваку-умплотных впаев (два электрода).

Недостатками светодиодной филаментной лампы является низкая надежность работы, что обусловлено особенностями конструкции (большим числом точек сварки, наличием дополнительных шин, повышенным током драйвера при параллельном соединении филаментов, использованием драйвера со сложной электрической схемой). Общее число точек сварки (при четырех филаментах в схеме) равно 12. Количество дополнительных шин составляет 4. Надежность работы светодиодной филаментной лампы в реальных условиях эксплуатации в значительной степени определяется общим числом сварных соединений (точек сварки).

Известна светодиодная филаментная лампа, содержащая цоколь, внутри которого установлен драйвер, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, и герметичную колбу, изготовленную из оптически прозрачного материала и заполненную изолирующим оптически прозрачным и химически инертным газообразным веществом, с опорной ножкой, имеющей штенгель, штабик с двумя держателями, четыре электрода, и с двумя парами светодиодных филаментов внутри, соединенных электрически выводами в последовательную цепь через два электрода в объеме цоколя, филаменты в парах соединены последовательно через соответствующие держатели, а вторые выводы пар светодиодных филаментов последовательной цепи подключены к соответствующим выходным выводам драйвера через электроды второй пары электродов (Светодиодные лампы Filament Led, новинка 2015 / Электронный ресурс http://led-obzor.ru>svetodiodnyie-lampyi-po-tehnologii-filament-led).

Достоинством известной светодиодной филаментной лампы является возможность использования эффективного драйвера малых габаритных размеров со сравнительно простой электрической схемой. Поэтому подобную конструкцию имеют большинство, так называемых, декоративных светодиодных филаментных ламп (свеча, свеча на ветру, шар малого диаметра и др.) с повышенными требованиями к размерам драйвера.

Недостатками светодиодной филаментной лампы является низкая надежность работы, что обусловлено особенностями конструкции (большим числом вакуумплотных впаев, сравнительно большим числом точек сварки, необходимостью соединения электрической цепи двух пар светодиодных филаментов свивкой и дополнительной сваркой, или пайкой и изоляцией электродов вне колбы, необходимостью электрической изоляции держателей, что требует размещения их в разных плоскостях в линзе штабика, сложностями изоляции электродов). Число вакуумплотных впаев в известной светодиодной филаментной лампе составляет 4 (четыре электрода). Общее число точек сварки (при четырех филаментах в схеме) равно 8. Количество дополнительных соединений двух электродов составляет 1. Надежность работы светодиодной филаментной лампы рассмотренной конструкции в реальных условиях эксплуатации определяется числом вакуумплотных впаев, общим числом сварных соединений (точек сварки, свивки) и электрической изоляцией электродов и держателей.

Известна светодиодная филаментная лампа, содержащая цоколь, внутри которого установлен драйвер, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, и герметичную колбу, изготовленную из оптически прозрачного материала и заполненную изолирующим оптически прозрачным и химически инертным газообразным веществом, с опорной ножкой, имеющей штенгель, штабик с двумя держателями, четыре электрода, и с двумя парами светодиодных филаментов внутри, соединенных электрически выводами в последовательную цепь через два электрода в обьеме цоколя, филаменты в парах соединены последовательно через соответствующие держатели, а вторые выводы пар светодиодных филаментов последовательной цепи подключены к соответствующим выходным выводам драйвера через электроды второй пары электродов (Разборка «Светодиодной лампы Эдисона» / Электронный ресурс - ).

Известная светодиодная филаментная лампа является наиболее близкой по технической сущности к полезной модели и выбрана в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является низкая надежность работы, что обусловлено особенностями конструкции (большим числом вакуумплотных впаев, сравнительно большим числом точек сварки, необходимостью соединения электрической цепи двух пар светодиодных филаментов свивкой и дополнительной сваркой, или пайкой и изоляцией электродов вне колбы, необходимостью электрической изоляции держателей, что требует размещения их в разных плоскостях в линзе штабика, сложностями изоляции электродов). Число вакуумплотных впаев в известной светодиодной филаментной лампе составляет 4 (четыре электрода). Общее число точек сварки (при четырех филаментах в схеме) равно 8. Количество дополнительных соединений двух электродов составляет 1. Надежность работы светодиодной филаментной лампы рассмотренной конструкции в реальных условиях эксплуатации также определяется числом вакуумплотных впаев, общим числом сварных соединений (точек сварки, свивки) и электрической изоляцией электродов и держателей.

Полезная модель направлена на решение задачи повышения надежности работы светодиодной филаментной лампы, что является целью полезной модели.

Указанная цель достигается тем, что в светодиодной филаментной лампе, содержащей цоколь, внутри которого установлен драйвер, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, и герметичную колбу, изготовленную из оптически прозрачного материала и заполненную изолирующим оптически прозрачным и химически инертным газообразным веществом, с опорной ножкой, имеющей штенгель, штабик с держателем, два электрода, и с двумя парами светодиодных филаментов внутри, соединенных электрически выводами в последовательную цепь через держатель, филаменты в парах соединены последовательно, общие точки соединения филаментов в парах образованы непосредственным соединением выводов филаментов, а вторые выводы пар светодиодных филаментов последовательной цепи подключены к соответствующим выходным выводам драйвера через электроды.

Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение надежности работы светодиодной филаментной лампы за счет улучшения конструкций ее основных узлов. В новой лампе минимально возможное число вакуумплотных впаев (2). Каждый вакуумплотный впай представляет собой ответственный элемент конструкции светодиодной филаментной лампы. От качества его выполнения зависит герметичность колбы. Требования к работе вакуумплотных впаев возрастают при применении в светодиодных филаментных лампах «легких» газов (гелий, водород), имеющих высокую проникающую способность. Общее число точек сварки в лампе равно 6. В заявляемой лампе обеспечивается последовательное электрическое соединение светодиодных филаментов без применения дополнительной свивки и сварки (пайки) электродов и их изоляции вне колбы (в ограниченном объеме цоколя). Все соединения пар светодиодных филаментов выполняются внутри колбы. В конструкции новой лампы используется только один держатель, что упрощает устройство линзы штабика и повышает его прочность и надежность (и надежность работы устройства в целом). Электрическая изоляция электродов более эффективная и надежная (за счет возможности их разнесения в объемах цоколя и колбы), чем в прототипе, что также повышает надежность работы лампы. В светодиодной филаментной лампе также можно применить эффективный драйвер малых габаритных размеров и на малый выходной ток с простой и надежной электрической схемой.

Повышение надежности работы светодиодной филаментной лампы достигается всей совокупностью отличительных признаков, в том числе новыми элементами и связями, новыми принципами выполнением узлов и элементов конструкции, схемой соединения узлов, то есть, за счет отличительных признаков полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемой светодиодной филаментной лампы являются существенными.

На фиг. 1 приведена схема соединения филаментов в лампе с последовательным подключением пар и параллельным соединением филаментов в парах (аналог, 12 точек сварки), на фиг. 2 изображена схема соединения филаментов в прототипе, на фиг. 3 приведена схема соединения филаментов в заявляемой светодиодной филаментной лампе, на фиг. 4 изображена светодиодная филаментная лампа заявляемой конструкции в сборе (с колбой декоративной лампы шара).

На фиг. 1-3 утолщенными линиями серого цвета показаны держатели, черного цвета электроды, а двумя параллельными тонкими линиями изображены шины. Форма колбы лампы может быть любой (например, кроме шара, свеча, свеча на ветру, грибок и др.). Принципы работы и устройства лампы при этом не меняются.

Светодиодная филаментная лампа содержит цоколь 1, внутри которого установлен драйвер 2, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, и герметичную колбу 3, изготовленную из оптически прозрачного материала и заполненную изолирующим оптически прозрачным и химически инертным газообразным веществом, с опорной ножкой, имеющей штенгель 4, штабик с держателем 5, два электрода 6, и с двумя парами светодиодных филаментов 7 внутри, соединенных электрически выводами в последовательную цепь через держатель, филаменты в парах соединены последовательно, общие точки соединения филаментов в парах образованы непосредственным соединением выводов филаментов, а вторые выводы пар светодиодных филаментов последовательной цепи подключены к соответствующим выходным выводам драйвера через электроды.

Светодиодная филаментная лампа в установившемся режиме работает следующим образом. Через цоколь 1 стандартного вида (Е14, Е27, В22 и др.) электрическая лампа подключается к обычной питающей сети переменного тока (внешнему источнику питания) непосредственно или к специальной сети (источнику) постоянного тока. Колба 3 из оптически прозрачного материала является основной частью конструкции светодиодной филаментной лампы, выполняющей несущую, защитную, светорассеивающую функции и функцию герметизации рабочего пространства. Колба 3 жестко механически соединена (сопряжена) с цоколем 1. Контакты цоколя 1 соединены с входными выводами платы драйвера 2. Цепь из последовательно соединенных светодиодных филаментов 7 (или светодиоды, матрицы, или линейки, светоизлучающее тело) электрически соединена с выходными выводами платы драйвера 2 через электроды 6, впаянные в ножку. Вся конструкция (светоизлучающее тело) размещается внутри колбы 3 и изолирована от окружающей среды. Драйвер 2 преобразует напряжение (энергию) внешнего источника питания в напряжение (ток) заданного уровня и частоты, необходимое для электропитания светодиодных филаментов 7 светоизлучающего тела. Питание светодиодных филаментов (7), в принципе, может осуществляться от драйвера 2 как на постоянном, так и на переменном токе (при питании на переменном токе пары филаментов электрически соединяются параллельно). Питание на переменном токе может быть энергетически выгоднее. Число ступеней преобразования энергии в этом случае уменьшается, что, в целом, повышает надежность работы драйвера 2 и потери в нем. Увеличивается средний срок службы светодиодной филаментной лампы, и улучшаются ее энергетические характеристики. Однако конструкция (при сохранении принципа) несколько усложняется.

Светоизлучающее тело центрируется и поддерживается (закрепляется или фиксируется) во внутреннем пространстве колбы 3 с помощью держателя 5 штабика. Для этого штабик и снабжен одним держателем 5 и имеет отформованные специальным образом концы, например, с необходимыми плоскостями для прижима светодиодных филаментов 7 (или светодиодных матриц, линеек) при сварке. Дополнительная поддержка пар филаментов 7 цепи осуществляется за счет приварки выводов к электродам (6). Формовка электродов (6) и держателя 5 может осуществляться в одной плоскости, перпендикулярной оси ножки, или в двух смежных (расположенных в непосредственной близости) плоскостях. Штабик лампы должен быть выполнен с минимально достаточной длиной. Формовка электродов (6) и держателя 5 в одной плоскости является предпочтительной.

Колба 3 заполнена изолирующим (буферным) газом. Откачка и заполнение внутреннего объема колбы 3 осуществляется через откачной (пустотелый) штенгель 4 опорной ножки. После заполнения колбы 3 изолирующим газом штенгель 4 отпаивается. В качестве буферного газа используют, например, смесь, содержащую более 15% азота, 20% гелия и менее 65% водорода при давлении от 0,3 до 0, 9 бар. Состав изолирующего газа и его давление должны обеспечивать наилучший теплоотвод от элементов и узлов светодиодной филаментной лампы, установленных внутри колбы 3, и достаточную электрическую прочность. Добавки азота препятствуют диффузии водорода и гелия внутрь материала и через стенки колбы 3, а также через ва-куумплотные впаи в местах установки (ввода в колбу 3) электродов (6). Для лучшего теплоотвода необходимо использовать изолирующий газ, обладающий повышенной теплопроводностью и низкой вязкостью, и увеличивать его давление в колбе 3. Поэтому устанавливать в колбе 3 давление изолирующего газа ниже 0,3 бар неэффективно, а выше 0,9 бар технически трудно реализуемо (для заявляемой конструкции светодиодной филаментной лампы). Практически, оптимальное абсолютное давление для большинства модификаций светодиодных ламп заявляемой конструкции должно находится именно в пределах от 0,3 до 0,9 бар (что наиболее технологично и обеспечивает требуемые характеристики наполнения и теплоотвод). Водород и гелий обеспечивают хорошую теплопроводность, Добавки гелия ограничивают содержание водорода в смеси, не увеличивая существенно цену, и не снижая в больших пределах ее теплопроводности. Азот повышает электрическую прочность смеси. Обьем колбы 3 и ее форма в лампе должны быть также оптимизированы с целью улучшения теплоотвода. Близкими к оптимальным являются стандартные формы и размеры колб (3), применяемых для серийных ламп накаливания. При этом светодиодные филаменты 7 и (или) матрицы светоизлучающего тела должны размещаться (по возможности) на минимальном расстоянии от стенок колб (3). При прохождении электрического тока через светодиоды филаментов 7 (матриц, линеек) они излучают световые волны, в частности, видимый свет. Возможно также, например, излучение в ультрафиолетовой области спектра, что обеспечивается типом применяемых в лампах светодиодов (7). За счет конструкции и соединения пар светодиодных филаментов 7 через держатель 5 обеспечивается последовательное соединение всех филаментов (7) в цепи. Непосредственное соединение выводов филаментов 7 в парах может быть реализовано контактной сваркой, пайкой или склеиванием токопроводящим клеем.

В таблице представлены значения коэффициентов теплопроводности изолирующих (буферных) газов при температуре близкой к нулю градусов (кроме элегаза) по Цельсию (273 К), которые принципиально могут быть применены в новых светодиодных филаментных лампах.

Из таблицы следует, что из инертных газов лучшей теплопроводностью обладает гелий, а из молекулярных водород. Однако в качестве оптически прозрачного материала колб (3), обеспечивающего требуемую их герметичность (а также из-за технических, технологических и экономических ограничений), в светодиодных лампах следует использовать технические стекла, аналогичные применяемым для ламп накаливания. Для таких стекол значение имеет их проницаемость по водороду и гелию (проницаемость других

газов ничтожно мала и ей обычно пренебрегают). Проницаемость гелия через технические стекла примерно в 10 раз больше, чем водорода, несмотря на то, что атомный радиус гелия практически в 1,5 раза больше молекулярного радиуса водорода. Это объясняется тем, что при проникновении химически активного при повышенных температурах водорода через стекла могут образовываться гидроксильные группы, препятствующие потоку водорода. Наибольшей газопроницаемостью по водороду и гелию обладает, в частности, кварцевое стекло, а наименьшей алюмосиликатное.

Использовать технически чистый гелий в качестве изолирующего газа для новых светодиодных филаментных ламп затруднительно (из-за возможного ухода через стенки и вакуумплотные впаи, а также низкой электрической прочности) и не целесообразно (из-за высокой цены и сложной технологии получения и очистки).

Водород, как отмечено, горючий (пожароопасный) и взрывоопасный газ.

Его применение (по сравнению с гелием) не дает заметного выигрыша и по теплопроводности. Водород имеет также сравнительно высокую проникающую способность. Чистый водород для используемых материалов колб 3 может быть и химически активным. Поэтому заполнять им (или двухкомпонентными смесями водорода с гелием) колбы 3 в электрических светодиодных лампах предлагаемой конструкции также не рекомендуется. Однако диффузии водорода в материал и через стенки колбы 3 и химическим реакциям может препятствовать «тяжелый» инертный газ или азот. Применение дополнительных газовых компонентов ограничивает предельное содержание водорода в смеси и, в полной мере, нивелирует его недостатки. При этом водород имеет значительно более низкую цену, чем, например, гелий. Многокомпонентные смеси водорода с азотом, а также с инертными газами и азотом наиболее эффективны, безопасны и дешевы. Поэтому заявляемые составы наполнения колб 3 рекомендуются к использованию в новых светодиодных лампах с повышенными техническими характеристиками и низкой ценой.

Элегаз является наиболее «тяжелым» из всех известных газов (приблизительно в 5 раз тяжелее воздуха). А значение коэффициента теплопроводности элегаза в таблице соответствует высокой температуре (около 1000 градусов по Цельсию). При рабочих температурах новой светодиодной филаментной лампы теплопроводность элегаза ниже теплопроводности воздуха и азота. То есть, он менее эффективен (и очень дорог). Однако этот газ обладает хорошими электроизоляционными свойствами. В принципе, элегаз можно использовать в качестве компонента теплоотводящей смеси в светодиодной филаментной лампе.

Криптон и ксенон имеют сравнительно малую теплопроводность. Кроме того, криптон и, в еще большей степени, ксенон являются «дорогими» газами. В отличие от ламп накаливания, применение указанных газов в новых светодиодных лампах возможно, но не очень оправдано (не эффективно и нерентабельно).

Необходимость в применении заявляемых смесей газов (водород с азотом, водород с инертным газом и азотом), продиктована требованиями по электрической прочности изолирующего наполнения, достаточной теплопроводности, ограничения диффузии гелия через вакуумплотные впаи, стенки и внутрь материала колбы 3, а также, в ряде случаев, экономическими причинами. Электрическая прочность смесей возрастает с ростом давления. Цена используемых газов и газовых смесей имеет исключительно важное значение, так как влияет на конечную цену изделия при производстве. В этой связи перспективным является применение в заявляемой электрической светодиодной лампе водорода, неона и азота. Неон также обеспечивает относительно хороший отвод тепла от элементов конструкции и достаточную надежность работы электрической светодиодной лампы.

Технически чистый воздух (осушенный, без механических примесей и пыли) также возможно применить в качестве изолирующего газа в филаментных светодиодных лампах (как и азот). Принципиально его можно использовать в смеси вместо азота. Теплопроводность воздуха приблизительно в 2,6 раза выше теплопроводности криптона, что также позволяет снизить температуру внутри колбы 3. Теплопроводность азота близка к теплопроводности воздуха. Азот (воздух) может значительно повысить электрическую прочность газовой смеси наполнения колбы 3.

Использование оптически прозрачных подложек для светодиодов филаментов 7 (и светодиодных матриц, линеек) светоизлучающего тела с повышенными теплопроводящими свойствами позволяет снизить потери энергии оптического излучения и уменьшить нагрев полупроводниковых структур светодиодов, что положительно сказывается на стабильности характеристик ламп и среднем сроке их службы (надежности работы).

По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы светодиодной филаментной лампы.

Новая конструкция светодиодной филаментной лампы позволяет разработать и применить драйверы постоянного (или переменного) тока с высокими техническими характеристиками, и обеспечить, как отмечено выше, качественную электрическую изоляцию электродов, держателя и самого драйвера. В новой лампе минимально возможное число вакуумплотных впаев (в два раза меньше, чем в прототипе). Используется один держатель. Отсутствуют проблемы изоляции держателей и обеспечения механической прочности линзы штабика. Штабик имеет более простую конструкцию, большую механическую прочность и более технологичен при изготовлении. Число точек сварки уменьшено в полтора раза (с 9 до 6). Отсутствует нетехнологичная и ненадежная скрутка электродов в объеме цоколя. Все это повышает надежность работы и увеличивает средний срок службы светодиодной филаментной лампы.

Повышение надежности работы и среднего срока службы лампы (по вышеперечисленным причинам), а также более высокая технологичность, снижение трудоемкости операций при изготовлении новой лампы, значительно расширяют и область ее применения (дополнительное преимущество). Новая светодиодная филаментная лампа может быть использована в специальных и в новых ответственных областях применения.

Использование рекомендуемых материалов для подложек светодиодов позволяет улучшить режимы их работы, обеспечивает стабильную и надежную работу светодиодной филаментной лампы.

Более высокая технологичность (по сравнению с лампой прототипом) снижает цену заявляемой лампы. Снижение цены (за счет улучшения конструкции) также расширяет область применения заявляемой электрической светодиодной лампы. Цена новой лампы может быть снижена и за счет снижения цены наполнения колбы (использование водорода и азота). В частности, при реализации на некоторые мощности (за счет высокой теплопроводности водорода) газовая смесь может иметь существенно более низкую конечную цену.

Срок службы новой светодиодной филаментной лампы (согласно экспертной оценки и результатов анализа отказов) может превышать срок службы лампы прототипа в 1,5…1,7 раза (для ламп повышенной мощности) за счет улучшения конструкции, уменьшения числа точек сварки, качественного отвода тепла и улучшения электроизоляции.

В новой лампе используется оптимальный и технически обоснованный диапазон давлений наполнения колбы (от 0,3 до 0,9 бар при температуре окружающей среды 273 К), обеспечивающий стабильность характеристик и надежность работы устройства в целом.

Claims (1)

1. Светодиодная филаментная лампа, содержащая цоколь, внутри которого установлен драйвер, входные выводы драйвера соединены с контактами цоколя, и герметичную колбу, изготовленную из оптически прозрачного материала и заполненную изолирующим оптически прозрачным и химически инертным газообразным веществом, с опорной ножкой, имеющей штенгель, штабик с держателем, два электрода, и с двумя парами светодиодных филаментов внутри, соединенных электрически выводами в последовательную цепь через держатель, филаменты в парах соединены последовательно, общие точки соединения филаментов в парах образованы непосредственным соединением выводов филаментов, а вторые выводы пар светодиодных филаментов последовательной цепи подключены к соответствующим выходным выводам драйвера через электроды.

   

Images