Светодиодная лампа белого свечения

Info

Publication number
RU2408816C2
Authority
RU
Grant status
Grant
Patent type
Prior art keywords
light
emitting
diodes
white
walls
Prior art date
Application number
RU2009102486A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2009102486A (ru )
Inventor
Генрих Сергеевич Сарычев (RU)
Генрих Сергеевич Сарычев
Виктор Викторович Сысун (RU)
Виктор Викторович Сысун
Original Assignee
Виктор Викторович Сысун
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Grant date

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к светотехнике, в частности к светодиодным лампам. Светодиодная лампа белого свечения содержит колбу с оптически прозрачными стенками с собранными в ней светодиодами, с оптическими осями, ориентированными преимущественно в пространстве полусферы перпендикулярно стенкам колбы, со светящими телами, удаленными от них, Также заявленное устройство содержит преобразователь питающей сети, подключенный к светодиодам и средствам токоподвода. При этом стенки указанной колбы покрыты одним или смесью нескольких люминофоров, преобразующих в белое свечение большую часть излучения светодиодов. Также светодиоды выбранны из группы светодиодов, генерирующих излучение в ультрафиолетовой, фиолетовой, голубой или синей области оптического спектра. Технический результат: создание светодиодной лампы с компактным светящим телом белого свечения, генерирующей равномерное светораспределение более чем в полусферу с высокой однородностью цветности излучения, с более высоким КПД, повышенной светоотдачей и долговечностью. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к светотехнике, в частности к источникам оптического излучения - лампам на полупроводниковых светодиодах ультрафиолетового /УФ/, фиолетового, голубого и синего диапазона оптического спектра излучения с преобразованием его в белое свечение при помощи люминофоров.

Лампы белого свечения предназначены для освещения, в том числе в составе осветительных приборов промышленного и бытового назначения.

Известны оптические модули /кластеры/ /1/ и светодиодные лампы /2/ белого свечения. В них использованы преимущественно мощные светодиоды белого свечения, выполненные с применением светодиодов голубого или синего свечения на кристаллах InGaN/GaN и люминофоров на основе алюмоиттриевого граната.

При этом в светодиодах один или несколько кристаллов с р-n переходами и контактными структурами окружают взвесью порошка люминофора в оптически прозрачной эпоксикремнийорганической смоле, и таким образом при эксплуатации синее излучение с доминирующей длиной волны ~460 нм преобразуется в белое свечение люминофора в более широкой полосе оптического спектра с максимумом при λ ~655 нм, частично смешиваясь с излучением светодиодного кристалла.

В этом случае существует проблема равномерного распределения плотности люминофора при его нанесении на кристалл, а также влияния повышенной температуры /особенно в составе ламп и кластеров/, вызывающей более высокую скорость деградации параметров люминофоров, чем р-n переходов кристаллов светодиодов белого свечения.

Известно также, что для возбуждения люминофора и получения белого свечения возможно также использование светодиодов, излучающих в УФ и фиолетовой областях спектра /3/.

Вместе с тем мощные светодиоды белого свечения и особенно компактные лампы и оптические модули на их основе имеют существенные недостатки, связанные с проблемами отвода тепла от р-n переходов в кристаллах с температурой, превышающей 125°С, в том числе при использовании радиаторов охлаждения приемлемых размеров, что влияет на светоотдачу и срок службы светодиодов, приводит к ускоренному изменению световых характеристик, преимущественно из-за деградации люминофоров, приводящих к изменению индекса цветопередачи, уменьшению показателя светопропускания оптической системы каждого светодиода лампы.

В изобретениях /2/ и /4/ сделаны попытки решения проблемы теплоотвода за счет применения в лампах специальных радиаторов охлаждения, а в /5/ и /6/ - за счет удаления люминофора от поверхности кристалла светодиода на некоторое расстояние, уменьшающее воздействие тепла.

Известна компактная лампа на светодиодах, в том числе белого излучения /7/, работающая без радиаторов охлаждения, содержащая светодиоды, собранные на печатных платах разного диаметра, установленных параллельно между собой, с подключением к преобразователю питающей сети, и имеющая средства токоподвода. Сборка светодиодов может быть установлена в защищенной оболочке с оптически прозрачной колбой.

Известна компактная лампа на мощных светодиодах /4/, установленных в тепловом контакте на гранях правильного многогранника - радиатора охлаждения с оптическими осями светодиодов, перпендикулярными плоскости монтажа.

Недостатки аналогов применительно к лампам белого излучения обусловлены перегревом и ускоренной деградацией люминофоров, покрывающих кристалл с р-n переходом светодиода, что ограничивает возможности увеличения мощности белых светодиодов, требует применения более громоздких радиаторов охлаждения.

Известна светодиодная лампа белого свечения /5/, содержащая по крайней мере один светодиод голубого или синего излучения, преимущественно в спектральном диапазоне 420-500 нм, установленный на одном конце полого трубчатого светопровода, противоположный конец которого сопряжен с рассеивателем в форме сферической линзы, покрытой люминофором, преобразующим голубое или синее излучение светодиода в белое свечение.

Недостатки устройства связаны с низким кпд преобразования излучения из-за потерь на стенках трубчатого светопровода и линзы, трудностями применения совокупности мощных светодиодов, работающих с радиаторами охлаждения, из-за сложности конструкции.

В качестве прототипа использовано устройство для создания белого свечения /6/, содержащее протяженный корпус, с пропускавшей свет гранью, внутри которого установлен светоизлучающий узел /оптический модуль/ со светодиодами, излучающими на длине волны, выбранной в пределах 300-420 нм, размещенными на плате. Пропускающая свет грань корпуса покрыта связующим компаундом, в котором содержится взвесь порошка фотолюминофора, преобразующего большую часть коротковолнового излучения светодиодов в белое свечение указанной грани, рассеиваемое в окружающее пространство в угле 20~160°, а также внутрь корпуса устройства со вторичным отражением от его стенок.

Недостатки прототипа обусловлены невозможностью формирования кругового светораспределения в пространстве полусферы и более, трудностями повышения светового потока без существенного увеличения габаритов, низкого кпд устройства из-за потерь излучения на стенках корпуса.

Целью предлагаемого изобретения является устранение перечисленных недостатков, создание светодиодной лампы с компактным светящим телом белого свечения, генерирующей равномерное светораспределение более чем в полусферу с высокой однородностью цветности излучения, с более высоким кпд, повышенной светоотдачей и долговечностью.

Поставленная цель достигается тем, что светодиодная лампа белого свечения, содержащая колбу с оптически прозрачными стенками, покрытую одним или смесью нескольких люминофоров, с собранными в ней светодиодами, излучающими в ультрафиолетовой, фиолетовой, голубой или синей областях оптического спектра, подключенными к преобразователю питающей сети, и средства токоподвода, указанные светодиоды образуют компактно светящее тело с оптическими осями светодиодов, ориентированными по меньшей мере в пространстве полусферы и перпендикулярно покрытым люминофором стенкам колбы, а светящие тела светодиодов равноудалены от указанных стенок.

Цель достигается также тем, что использованы мощные светодиоды, установленные в тепловом контакте на зеркализованных гранях правильного многогранника - держателя из теплопроводного материала с оптическими осями, перпендикулярными одновременно плоскости монтажа и покрытым люминофором стенкам колбы.

Цель достигается и тем, что светодиоды смонтированы равноудаленно, преимущественно на периферии параллельно установленных между собой круглых или многоугольных печатных плат разного диаметра с радиально ориентированными оптическими осями, перпендикулярными покрытым люминофором стенкам колбы.

Поставленная задача решается также тем, что в колбе лампы установлены светодиоды, излучающие в ультрафиолетовой или фиолетовой областях спектра с кристаллами на основе нитрида галлия с алюминием /AlGaN/ или нитрида галлия с индием /InGaN/, а нанесенные на внутренние стенки колбы люминофоры выбраны, например, на основе галофосфата кальция, активированного сурьмой и марганцем, причем указанная колба содержит остаточное давление воздуха 5-10 Па или заполнена инертным газом под давлением 400-800 Па.

Достижению цели способствует и то, что светодиоды индивидуально или группами шунтированы стабилитронами и подключены к преобразователю питающей сети, собранному в сопряженной с колбой или кольцевым радиатором охлаждения камере с подключением к стандартному цоколю типа Е14, Е27 или Су9,5, выполняющему функцию средств токоподвода.

Наиболее предпочтительные варианты исполнения ламп согласно изобретению показаны на чертежах.

Фиг.1 - лампа белого свечения на мощных светодиодах с радиатором охлаждения, вид сбоку, частично в разрезе.

Фиг.2 - сечение /А-А/ излучающей части лампы.

Фиг.3 - лампа белого свечения на светодиодах, работающих без радиаторов охлаждения. Вид сбоку, частично в разрезе.

Фиг.4 - то же, что и на фиг.3, вид сверху, сечение лампы /А-А/.

Показанный на фиг.1 и 2 вариант исполнения светодиодной лампы белого свечения содержит колбу 1 в форме части сферы из оптически прозрачного материала, например из кварцевого или силикатного стекла, стенки которой покрыты преимущественно изнутри слоем одного или смесью нескольких люминофоров 2 в виде взвеси частиц /порошка/, введенных в оптически прозрачный связующий компаунд с удовлетворительными адгезионными свойствами, например на основе эпоксидных смол, к материалу колбы.

Внутри колбы 1 установлены мощные светодиоды 3, например, на основе нитрида галлия с алюминием или индием, мощностью 0,6-3 Вт и более, выбранные из группы светодиодов, излучающих в ультрафиолетовой фиолетовой, голубой или синей областях спектра на длинах волн в диапазонах 200-320 нм, 380-400 нм, 440-460 нм, например с доминирующей длиной волны ~460 нм /синее излучение/, возбуждающих белое свечение люминофоров на основе алюмоиттриевого граната /Y3Al5O12/, легированного редкоземельным элементом церием, в более широкой полосе оптического спектра с максимумом при λ ~655 нм.

Поскольку слой люминофора, наряду с преобразованием излучения, частично пропускает синее излучение светодиодов, то цветовая температура светодиодной лампы белого свечения при этом определяется суммарным излучением и зависит от состава применяемых люминофоров,

Светодиоды 3, излучающие в коротковолновой области оптического спектра, образуют компактное светящее тело 4 /показано пунктиром на фиг.1/ с оптическими осями 00 светодиодов, ориентированными преимущественно в пространстве полусферы или более чем полусферы, и перпендикулярно покрытым люминофором 2 стенкам колбы 1.

При этом светящие тела /р-n переходы кристаллов не показаны/ светодиодов 3 равноудалены от указанных стенок колбы 1 и люминофора 2.

Последнее обстоятельство, наряду с конфигурацией светящего тела и при заданном полном угле рассеяния излучения /20/ каждого светодиода 3 и рассчитанном расстоянии между ними, обеспечивает равномерное распределение излучения на поверхности люминофора, а значит плавную индикатрису светораспределения лампы, что устраняет дискомфорт при ее эксплуатации.

Возможность использования при этом в лампе мощных светодиодов 3 допустима только при условии монтажа /установки/ их в тепловом контакте на гранях 5 правильного многогранника-держателя 6, выполненного и теплопроводного материала, например, на основе алюминиевых сплавов. Держатель 6 светодиодов наряду с обеспечением заданной ориентации из оптических осей в пространстве выполняет функции радиатора охлаждения. Оптические оси 00 светодиодов 3 при этом перпендикулярны одновременно плоскости монтажа и покрытым люминофором 2 стенкам колбы 1.

Для повышения КПД лампы грани 5 держателя 6 светодиодов предпочтительно выполняют зеркализованными, например покрытыми в вакууме слоем алюминия, защищенными окислами кремния.

Таким образом, к суммарному излучению люминофора и светодиодов, выходящему из колбы лампы, добавляется отраженная от держателя 6 часть излучения люминофора, поступающая внутрь колбы 1.

Покрытая люминофором колба лампы установлена и герметизирована мастикой, например, на основе эпоксикремнийорганической смолы с пластификатором, на выступающем из нее в окружающее пространство кольцевом радиаторе 7 охлаждения из теплопроводного материала, сопряженном внутри колбы в тепловом контакте с несущим светодиоды 3 держателем 6 - радиатором охлаждения.

Для варианта исполнения лампы белого свечения с установленными в колбе 1 светодиодами 3, излучающими в ультрафиолетовой или фиолетовой области спектра с кристаллами на основе нитрида галлия с алюминием /AlGaN/ или нитрида галлия с индием /InGaN/, и нанесенными на внутренние стенки колбы 1 люминофорами 2, например, на основе галофосфата кальция, активированного сурьмой и марганцем, указанная колба, вакуум-плотно установленная на кольцевом радиаторе 7, перекрывающем совместно с держателем ее горловину, содержит остаточное давление воздуха 5-10 Па или заполнена инертным газом под давлением 400-800 Па.

Светодиоды 3 лампы индивидуально или группами шунтированы стабилитронами 8, собранными на печатной плате 9, и подключены к преобразователю 10 питающей сети, позволяющему, например, эксплуатировать лампу в промышленной сети переменного тока.

Преобразователь 10 собран в сопряженной с колбой 1 и/или кольцевым радиатором 7 камере 11 с подключением к стандартному цоколю 12 типа E14, Е27 или Су9,5, выполняющему функцию средств токоподвода и монтажа лампы в патроне светильника.

В варианте исполнения светодиодной лампы белого свечения, показанной на фиг.3 и 4, колба 13 выполнена в форме колокола, имеющего цилиндрические боковые стенки 14 и купольную часть 15 в форме полусферы.

Изнутри стенки колбы покрыты слоем одного или нескольких люминофоров 16 по технологии, описанной для первого варианта исполнения.

В колбе 13 равноудаленно между собой и от продольной оси ZZ лампы, а также от покрытых люминофором 16 стенок колбы, преимущественно на периферии параллельно установленных между собой и разделенных проставками 17 круглых или многоугольных печатных плат 18 разного диаметра, смонтированы светодиоды 19, работающие без радиаторов охлаждения преимущественно с прямыми токами 20-40 мА.

Оптические оси 00 светодиодов 19 радиально ориентированы на платах, как в купольной 15, так и в цилиндрической 14 частях колбы и перпендикулярны покрытым люминофором 16 стенкам колбы.

Светодиоды 19 с последовательным или параллельно-последовательным подключением между собой индивидуально или группами шунтированы стабилитронами, собранными на платах монтажа или на отдельной печатной плате 20 и подключены к преобразователю 21 питающей сети, установленному в сопряженной с колбой камере 22 со средствами токоподвода 23 в виде стандартного цоколя Су9,5.

Камера 22 защищена зеркализованым экраном 24, возвращающим боковое излучение светодиодов и часть рассеянного светового потока на внутренние стенки колбы»

Предложенные варианты исполнения ламп, выполненные, например, с применением отечественных светодиодов синего излучения типа У-266С с λ=455±5 нм фирмы НПЦ "ОПТЭЛ", Россия, работающих с радиатором охлаждения, и люминофора на основе алюмоиттриевого граната, легированного церием, позволяет создать лампу белого свечения с компактным светящим телом со световым потоком 600-800 лм с равномерным светораспределением более чем в полусферу, с высокой однородностью цветовой температуры, повышенной светоотдачей и долговечностью.

Литература

1. Каталог продукции "Прософт". Электронные компоненты. Полупроводниковая электроника, вып.3, 2007/08 гг.

2. Заявка на Изобретение РФ № 2007114370/28 от 17.04.2007 г. "Лампа на мощных светодиодах. Решение о выдаче патента на Изобретение от 26.06.2008 г.

3. Шуберт Ф. "Светодиоды". Изд. М.: "Физматлит", 2008, стр.425.

4. Патент на Изобретение РФ № 2158876, кл. F21S 8/10. Приор. от 10,06.1999 г. Опубл. Бюл. №31 от 10.11.2000 г. "Лампа на светоизлучающих диодах".

5. Патент США № 6350041, Опубл. 26. 02.2002 г. Cree Lightihg Co. “High output radial disparsing lamp using a solid state light Source”.

6. Патент на Изобретение РФ №2301475, кл. H01Y 63/06. Приор. от 09.12.2005 г. Опубл. Бюл. №17 от 20.04.2007 г. "Светоизлучающий узел".

7. Патент на Изобретение РФ №2245489, кл. F21S 8/00. Приор. от 06.06.2008 г. Опубл. Бюл. №3 от 27.01.2006 г. "Компактная лампа на светодиодах".

Claims (5)

1. Светодиодная лампа белого свечения, содержащая колбу с оптически прозрачными стенками с собранными в ней светодиодами, с оптическими осями, ориентированными преимущественно в пространстве полусферы перпендикулярно стенкам колбы, со светящими телами, удаленными от них, и преобразователь питающей сети, подключенный к светодиодам и средствам токоподвода, отличающаяся тем, что стенки колбы покрыты одним или смесью нескольких люминофоров, преобразующих в белое свечение большую часть излучения светодиодов, выбранных из группы светодиодов, генерирующих излучение в ультрафиолетовой, фиолетовой, голубой или синей области оптического спектра.
2. Светодиодная лампа по п.1, отличающаяся тем, что использованы мощные светодиоды, установленные в колбе в тепловом контакте на зеркализованных гранях радиатора в виде правильного многогранника-держателя из теплопроводного материала с оптическими осями перпендикулярными одновременно плоскости монтажа и покрытым люминофором стенкам колбы, смонтированной на выступающем из нее в окружающее пространство кольцевом радиаторе охлаждения, сопряженном в тепловом контакте с несущим светодиоды многограннике-держателе.
3. Светодиодная лампа по п.1, отличающаяся тем, что светодиоды смонтированы равноудаленно преимущественно на периферии параллельно установленных между собой круглых или многоугольных печатных плат разного диаметра с радиально ориентированными оптическими осями, перпендикулярными покрытым люминофором стенкам колбы.
4. Светодиодная лампа по п.1, отличающаяся тем, что в колбе лампы установлены светодиоды, излучающие в ультрафиолетовой или фиолетовой области спектра с кристаллами на основе нитрида галлия с алюминием (AlGaN) или нитрида галлия с индием (InGaN), а нанесенные на внутренние стенки колбы люминофоры выбраны, например, на основе галофосфата кальция, активированного сурьмой и марганцем, причем указанная колба имеет остаточное давление воздуха 5-10 Па или заполнена инертным газом под давлением 400-800 Па.
5. Светодиодная лампа по п.1, отличающаяся тем, что светодиоды индивидуально или группами шунтированы стабилитронами и подключены к преобразователю питающей сети, собранному в сопряженной с колбой или кольцевым радиатором охлаждения камере с подключением к стандартному цоколю типа Е14, Е27 или Су9.5, выполняющему функцию средств токоподвода.

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Специальная светотехника. Басов Ю.Г. и др. - Минск: Издательский центр БГУ, дата подписи в печать 22.02.2008. *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2607531C2 (ru) * 2011-01-11 2017-01-10 Конинклейке Филипс Н.В. Осветительное устройство
RU2464682C1 (ru) * 2011-02-22 2012-10-20 Виктор Викторович Сысун Патрон для светодиодной лампы
WO2013048277A1 (ru) * 2011-09-30 2013-04-04 Limited Liability Company "Dis Plus"; Светодиодный комплекс
RU2504714C2 (ru) * 2012-02-15 2014-01-20 Общество с ограниченной ответственностью "Тегас Электрик" Способ сборки светодиодной лампы и лампа светодиодная
RU2529518C2 (ru) * 2012-04-03 2014-09-27 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт телевидения" Световой прибор
RU2539665C2 (ru) * 2012-08-09 2015-01-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" Светофорная система
WO2015034389A1 (ru) * 2013-09-09 2015-03-12 Vladimir Pavlovich Lobko Источник света
RU2568105C2 (ru) * 2014-02-28 2015-11-10 Виктор Викторович Сысун Мощная светодиодная лампа с охлаждением
RU2577787C2 (ru) * 2014-03-05 2016-03-20 Юрий Георгиевич Шретер Полупроводниковое светоизлучающее устройство с осью симметрии

Also Published As

Publication number Publication date Type
RU2009102486A (ru) 2010-08-10 application

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7837348B2 (en) Lighting system using multiple colored light emitting sources and diffuser element
US7614759B2 (en) Lighting device
US20100103678A1 (en) Lighting device, heat transfer structure and heat transfer element
US7108386B2 (en) High-brightness LED-phosphor coupling
US20080030993A1 (en) High Efficiency Light Source Using Solid-State Emitter and Down-Conversion Material
US20100149814A1 (en) Semiconductor Lighting Device With Wavelength Conversion on Back-Transferred Light Path
US8004172B2 (en) Semiconductor light emitting apparatus including elongated hollow wavelength conversion tubes and methods of assembling same
US8143769B2 (en) Light emitting diode (LED) lighting device
US20120057327A1 (en) Solid state lamp and bulb
US20090101930A1 (en) Light emitting device with phosphor wavelength conversion
US20120147624A1 (en) Led-based lamps
US20110216523A1 (en) Non-uniform diffuser to scatter light into uniform emission pattern
US20100290208A1 (en) Solid state lighting devices having remote luminescent material-containing element, and lighting methods
US20100172122A1 (en) Solid state lighting using nanophosphor bearing material that is color-neutral when not excited by a solid state source
US20070267976A1 (en) Led-Based Light Bulb
US20110215701A1 (en) Led lamp incorporating remote phosphor with heat dissipation features
US20090322208A1 (en) Light emitting device having a refractory phosphor layer
US20110215345A1 (en) Solid state lamp with thermal spreading elements and light directing optics
US20090322197A1 (en) Light emitting device having a transparent thermally conductive layer
US20110215699A1 (en) Solid state lamp and bulb
US20090001390A1 (en) Matrix material including an embedded dispersion of beads for a light-emitting device
US20070263393A1 (en) Lighting device
US20100008086A1 (en) LED white-light devices for direct form, fit, and function replacement of existing incandescent and compact fluorescent lighting devices
US20110175518A1 (en) Apparatus, method to change light source color temperature with reduced optical filtering losses
US20110227102A1 (en) High efficacy led lamp with remote phosphor and diffuser configuration

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140128

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20160520