RU127169U1

RU127169U1 - LED SOURCE OF RADIATION

Info

Publication number: RU127169U1
Application number: RU2012146418/07U
Authority: RU
Inventors: Валентин Николаевич Щербаков; Дмитрий Владиславович Купча; Николай Валентинович Щербаков
Original assignee: Валентин Николаевич Щербаков; Дмитрий Владиславович Купча; Николай Валентинович Щербаков
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2013-04-20

Abstract

1. Моноблочный кластерный источник излучения, содержащий, по меньшей мере, два полупроводниковых излучателя света оптического диапазона, объединенных электрической цепью на несущей армированной плате-теплоотводе с присоединительными выводами, и моноблочную линзу, отличающийся тем, что площадь S (м) поверхности армированной несущей платы удовлетворяет условию:S≥Ph/Tλ,где Р - мощность потребляемая источником излучения, Вт;h - толщина несущей платы, м;λ- коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/мК;T- температура p-n перехода, °С.2. Источник по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковые излучатели света выполнены одноцветного либо разноцветного цвета свечения.3. Источник по п.1, отличающийся тем, что моноблочная линза и излучатели света установлены с зазором относительно друг друга, в котором размещен прозрачный или рассеивающий герметизирующий эластичный компаунд.4. Источник по п.3, отличающийся тем, что герметизирующий компаунд имеет коэффициент преломления ≥1,3.5. Источник по п.3, отличающийся тем, что моноблочная линза состоит как из сферических линз, так и из асферических линз.6. Источник по п.5, отличающийся тем, что моноблочная линза для получения равномерного свечения легируется мелкодисперсным прозрачным кварцем.7. Источник по п.2, отличающийся тем, что полупроводниковые излучатели света покрыты люминофором, трансформирующим их излучение к излучению белого цвета.1. A monoblock cluster radiation source containing at least two semiconductor optical emitters of the optical range, combined by an electric circuit on a reinforced carrier plate-heat sink with connecting leads, and a monoblock lens, characterized in that the surface area S (m) of the surface of the reinforced carrier plate satisfies the condition: S≥Ph / Tλ, where P is the power consumed by the radiation source, W; h is the thickness of the carrier board, m; λ is the thermal conductivity of air, W / mK; T is the temperature of the pn junction, ° C. 2. A source according to claim 1, characterized in that the semiconductor light emitters are made of a single color or multi-colored glow. A source according to claim 1, characterized in that the monoblock lens and light emitters are installed with a gap relative to each other, in which a transparent or diffusing sealing elastic compound is placed. The source according to claim 3, characterized in that the sealing compound has a refractive index of ≥1.3.5. The source according to claim 3, characterized in that the monoblock lens consists of both spherical lenses and aspherical lenses. A source according to claim 5, characterized in that the monoblock lens is doped with finely divided transparent quartz to obtain a uniform glow. The source according to claim 2, characterized in that the semiconductor light emitters are coated with a phosphor transforming their radiation to white radiation.

Description

Полезная модель относится к средствам светоизлучения и может быть использовано в системах освещения.The invention relates to light emitting means and can be used in lighting systems.

Основными преимуществами полупроводниковых светодиодных источников излучения над остальными источниками света являются:The main advantages of semiconductor LED radiation sources over other light sources are:

надежность - в настоящий момент светодиоды различных конструкций имеют срок службы до 50000 часов и более, в то время, как лампы накаливания и люминесцентные лампы имеют срок службы не более 10000 часов;reliability - at the moment, LEDs of various designs have a lifespan of up to 50,000 hours or more, while incandescent and fluorescent lamps have a lifespan of not more than 10,000 hours;

световая отдача светодиодов в настоящий момент превышает 80 лм/Вт и постоянно растет, тогда как световая отдача ламп накаливания и люминесцентных находится в пределах 10-120 лм/Вт.the light output of the LEDs currently exceeds 80 lm / W and is constantly growing, while the light output of incandescent and fluorescent lamps is in the range of 10-120 lm / W.

Современный опыт применения полупроводниковых светодиодных источников излучения в различных системах освещения подтвердил вышеперечисленные преимущества таких источников над традиционными лампами накаливания. В общем виде, светодиодная лампа состоит из платы с определенным количеством штатных светодиодов, с параллельно-последовательным соединением, определяющим номинальное значение напряжения и световой поток; схемы управления, в основном работающей на понижение напряжения с 220 В до значения, определяемого последовательно-параллельным соединением светодиодов, и, как правило, работающей в импульсном режиме для увеличения тока через излучающие элементы; цоколя, размеры которого соответствуют аналогичным лампам накаливания; тела лампы в виде радиатора, размеры которого должны соответствовать мощности, потребляемой лампой. Анализ существующего производства различных типов осветительный прибор (ОП) показывает, что световая часть современных светодиодных светильников в основном изготавливается на базе дискретных светоизлучающих диодов (СИД) и приборов для поверхностного монтажа (SMD-монтаж).Modern experience in the use of semiconductor LED radiation sources in various lighting systems has confirmed the above advantages of such sources over traditional incandescent lamps. In general, an LED lamp consists of a board with a certain number of standard LEDs, with a parallel-serial connection that determines the nominal voltage value and the light flux; control circuits, basically working to lower the voltage from 220 V to a value determined by series-parallel connection of LEDs, and, as a rule, operating in a pulsed mode to increase the current through radiating elements; a socle, the dimensions of which correspond to similar incandescent lamps; the body of the lamp in the form of a radiator, the dimensions of which must correspond to the power consumed by the lamp. Analysis of the existing production of various types of lighting fixtures (OP) shows that the light part of modern LED lamps is mainly made on the basis of discrete light-emitting diodes (LEDs) and devices for surface mounting (SMD-mounting).

В числе конструкций известных светодиодных источников излучения может быть, в частности, упомянута конструкция по патенту РФ №2415335 на изобретение, содержащая полупроводниковые излучатели света оптического диапазона, объединенные электрической цепью. Известное устройство позволяет с помощью зафиксированных на панели единичных светодиодов (вне зависимости от вида диаграмм направленности их светового излучения) обеспечивать распространение света вдаль и вниз относительно места расположения устройства и при этом получать диаграммы направленности светового излучения с различным угловым распределением света в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Наиболее близким аналогом заявленного источника является светодиодная матрица по патенту РФ №2369943, в которой одной из особенности является наличие дополнительных отверстий для заполнения полостей светопроводящей средой. Этим отверстиям вменялась функция впрыск-выпор, что приводило к появлению воздушных пузырей и завышенной трудоемкости изготовления из-за необходимости точного совмещения капилляра и отверстия диаметром 0,7 мм. Вместе с тем, одним из недостатков светодиодных ламп известных конструкций является недостаточная равномерность освещения поверхности, неоднородность цветовой температуры, отсутствие нормативного фактора слепимости за счет оптики линз светодиодов, а также повышенное тепловое сопротивление (Rt), за счет цепи последовательно включенных тепловых сопротивлений светоизлучающих диодов (R_t), и, как следствие, увеличение затрат на проектирование и производство теплоотводящего корпуса, обусловленное спецификой, прежде всего связанной с необходимостью интенсивного отвода тепла, выделяемого непосредственно самими светодиодами. Превышение температуры свыше 120°С непосредственно на p-n переходах приводит к частичной или полной потери функционирования полупроводниковых источников излучения.Among the designs of known LED radiation sources, in particular, the construction according to the patent of the Russian Federation No. 2415335 for an invention comprising semiconductor light emitters of the optical range combined by an electric circuit can be mentioned. The known device allows using single LEDs fixed on the panel (regardless of the type of radiation patterns of their light radiation) to provide light propagation far and down relative to the location of the device and at the same time to obtain radiation patterns with different angular distribution of light in the vertical and horizontal planes. The closest analogue of the claimed source is the LED matrix according to the patent of the Russian Federation No. 2369943, in which one of the features is the presence of additional holes for filling the cavities with a light guide medium. These holes were charged with the injection-expansion function, which led to the appearance of air bubbles and an overestimated laboriousness of manufacture due to the need to accurately combine the capillary and the hole with a diameter of 0.7 mm. At the same time, one of the disadvantages of LED lamps of known designs is the lack of uniformity in surface illumination, the heterogeneity of color temperature, the absence of a regulatory glare factor due to the optics of LED lenses, and the increased thermal resistance (Rt) due to the chain of thermal resistance of light-emitting diodes connected in series ( R _t ), and, as a result, an increase in the costs of designing and manufacturing a heat sink body, due to the specifics, primarily related to the necessary by the intensive heat dissipation generated directly by the LEDs themselves. Exceeding temperatures above 120 ° C directly at pn junctions leads to a partial or complete loss of functioning of semiconductor radiation sources.

Задача, поставленная при создании настоящей полезной модели, состоит в получении моноблочного кластерного источника излучения температура p-n переходов полупроводниковых излучателя света оптического диапазона не должна превышать 50-70°С, при этом технический результат, полученный при решении такой задачи, состоит в уменьшении теплового сопротивления кристалл (чип) излучателя - плата теплоотвода.The task posed in creating this useful model is to obtain a monoblock cluster radiation source, the temperature pn of the junctions of the semiconductor optical emitter of the optical range should not exceed 50-70 ° C, while the technical result obtained by solving this problem consists in reducing the thermal resistance of the crystal (chip) emitter - heat sink board.

Для достижения поставленного результата предлагается моноблочный кластерный источник излучения, содержащий, по меньшей мере, два полупроводниковых излучателя света оптического диапазона, объединенных электрической цепью на несущей армированной плате-теплоотводе с присоединительными выводами и моноблочную линзу, в котором площадь S (м²) поверхности армированной несущей платы удовлетворяет условию:To achieve the result, a monoblock cluster radiation source is proposed, comprising at least two semiconductor light emitters of the optical range, connected by an electric circuit on a reinforced carrier board with a heat sink with connecting leads, and a monoblock lens in which the surface area S (m ² ) of the surface of the reinforced carrier the board satisfies the condition:

S≥Ph/T_p-nλ_i,,S≥Ph / T _pn λ _i ,,

где: Р - мощность потребляемая источником излучения, Вт;where: P is the power consumed by the radiation source, W;

h - толщина несущей платы, м;h is the thickness of the carrier board, m;

λ_i - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/мК;λ _i - coefficient of thermal conductivity of air, W / mK;

T_p-n - температура p-n перехода, °С.T _pn is the temperature of the pn junction, ° С.

Предпочтительные, но не обязательные варианты заявленного источника предполагают выполнение полупроводниковых излучателей света одноцветного либо разноцветного цвета свечения; установку моноблочной линзы и излучателя света с зазором друг относительно друга, с размещением в зазоре прозрачного или рассеивающего герметизирующего эластичного компаунда, например, с коэффициентом преломления ≥1,3; выполнение моноблочной линзы состоящей как из сферических, так и из асферических линз, при этом моноблочная линза для получения равномерного свечения может быть легирована мелкодисперсным прозрачным кварцем; кроме того, полупроводниковые излучатели света могут быть покрыты люминофором, трансформирующим их излучение в излучение белого цвета.Preferred, but not required versions of the claimed source involve the implementation of semiconductor light emitters of a single color or multi-colored glow; the installation of a monoblock lens and a light emitter with a gap relative to each other, with a transparent or scattering sealing elastic compound in the gap, for example, with a refractive index of ≥1.3; the implementation of a monoblock lens consisting of both spherical and aspherical lenses, while the monoblock lens can be doped with finely dispersed transparent quartz to obtain a uniform glow; in addition, semiconductor light emitters can be coated with a phosphor, transforming their radiation into white radiation.

Полезная модель иллюстрируется рис.1 с принципиальной схемой системы чип на основе GaN на армированной стеклотекстолитовой плате, рис.2, отображающим общий вид заявленного источника излучения, а также рис.3 с принципиальной схемой сборки такого источника.The utility model is illustrated in Fig. 1 with a schematic diagram of a GaN-based chip system on a reinforced fiberglass plate, Fig. 2, showing a general view of the claimed radiation source, as well as Fig. 3 with a schematic diagram of the assembly of such a source.

Возможность достижения поставленного результата в заявленной конструкции обусловлена следующим. Из основного уравнения теплового сопротивления системы

, следует, что кроме константы λ_i такое сопротивление всецело зависит от толщины и площади, при этом температура p-n перехода равна

The ability to achieve the set result in the claimed design is due to the following. From the basic equation of the thermal resistance of the system

, it follows that in addition to the constant λ _i, such resistance entirely depends on the thickness and area, while the transition temperature pn is

Подставив значение R_T согласно (2) в (1) получим:Substituting the value of R _T according to (2) in (1) we obtain:

.

Как следует из Таблицы №1 (см. ниже) в соответствии с рис.1, перепад температур от p-n перехода до основания топологии на стеклотекстолитовой плате незначителен и составляет 4,7°С при потребляемой мощности 1 Вт. Следовательно, на стеклотекстолите температура равна температуре p-n перехода кристалла (чипа). Чипы равномерно распределены по площади армированной платы. При размере платы, например, 120 см², получимAs follows from Table No. 1 (see below) in accordance with Fig. 1, the temperature difference from the pn junction to the topology base on the fiberglass plate is insignificant and amounts to 4.7 ° С at a power consumption of 1 W. Therefore, the temperature on fiberglass is equal to the temperature pn of the transition of the crystal (chip). The chips are evenly distributed over the area of the reinforced board. With the size of the board, for example, 120 cm ² , we get

R_{Tплата-воздух}=h/λ_i*S=2*10^-3/2,5*10^-2*1,2*10²=4°C/Вт.R _Tplat-air = h / λ _i * S = 2 * 10 ^-3 / 2.5 * 10 ^-2 * 1.2 * 10 ² = 4 ° C / W.

Следовательно, температура p-n перехода равна согласно Т_р-n=Т_ком.+Р*R_T при мощности 10 Вт равна 65°С.Therefore, the temperature pn of the junction is equal to T _{p -n} = T _com. + P * R _T at a power of 10 W is 65 ° C.

Таблица №1Table number 1 Номер слояLayer number I_i, мкмI _i, μm λ_{i, Вт/мК} λ _{i, W / mK} S_{i, мкм} ² S _{i, μm} ² R_{T, °С/Вт} R _{T, ° C / W} T_{i, °C} T _{i, ° C} 1one 33 110110 1200*12001200 * 1200 0,0190.019 0,0190.019 22 8080 380380 1200*12001200 * 1200 0,150.15 0,150.15 33 1010 33 1200*12001200 * 1200 2,32,3 2,32,3 4four 18eighteen 380380 1200*12001200 * 1200 0,030,03 0,030,03 55 1500015,000 380380 1200*150001200 * 15000 2,22.2 2,22.2

В общем виде, конструкция заявленного светодиодного источника излучения (лампы) не отличается от известных аналогов и состоит из полупроводниковых излучателей света 1 с одним или несколькими P-N переходами одноцветного или разноцветного излучения, покрытых люминофором 2, трансформирующим излучение полупроводниковых излучателей света в излучение белого цвета. Излучатели размещены на стеклотекстолитовой плате 3 с топологией (электрической цепью), объединяющей полупроводниковые излучатели света в базовый элемент. Плата одновременно является теплоотводящим элементом с большой геометрической площадью, так как снизу армирована алюминиевой пластиной 4 толщиной от 0,5 мм и более. Источник также содержит штатный патрон для ламп освещения и корпус (не показаны), одновременно являющийся радиатором для отвода тепла от излучателей света, при этом его площадь составляет не менее 50 см².In general, the design of the claimed LED radiation source (lamp) does not differ from the known analogues and consists of semiconductor light emitters 1 with one or more PN junctions of single-color or multi-color radiation coated with a phosphor 2 that transforms the radiation of semiconductor light emitters into white radiation. The emitters are placed on a fiberglass plate 3 with a topology (electrical circuit) that combines semiconductor light emitters into a base element. The board is also a heat sink element with a large geometric area, since it is reinforced with aluminum plate 4 from the bottom with a thickness of 0.5 mm or more. The source also contains a standard cartridge for lighting lamps and a housing (not shown), which is also a radiator for removing heat from light emitters, while its area is at least 50 cm ² .

Комбинированная покровная линза 5 из поликарбоната и эластичного полимера помещается на основание и совмещается с ним с помощью котировочных штыков 6, предусмотренных в конструкции линзы, и отверстий в плате. Далее на специальной установке происходит механическая опрессовка с одновременной терморазвальцовкой котировочных штырьков. Дополнительно, наличие полупроводниковых излучателей света размером 1×1 мм² с высоким значением КПД преобразования электрической энергии в световую, использование платы радиатора, позволяющего эффективно отводить тепло от кристаллов, принципиальная электрическая схемой и соотношение основных параметров базового элемента позволяют сохранить КПД светодиодного источника излучения.A combined cover lens 5 made of polycarbonate and elastic polymer is placed on the base and combined with it using the quoting bayonets 6 provided in the lens design and the holes in the circuit board. Further, on a special installation, mechanical crimping occurs with simultaneous thermal expansion of the quotation pins. Additionally, the presence of 1 × 1 mm ² semiconductor light emitters with a high efficiency of converting electric energy into light, the use of a radiator board that allows heat to be effectively removed from the crystals, the electrical circuit diagram and the ratio of the basic parameters of the base element make it possible to maintain the efficiency of the LED radiation source.

Claims

1. A monoblock cluster radiation source containing at least two semiconductor optical emitters of the optical range, combined by an electric circuit on a reinforced carrier board with a heat sink with connecting leads, and a monoblock lens, characterized in that the surface area S (m ² ) of the surface of the reinforced carrier the board satisfies the condition:

S≥Ph / T _pn λ _i ,

where P is the power consumed by the radiation source, W;

h is the thickness of the carrier board, m;

λ _i - coefficient of thermal conductivity of air, W / mK;

T _pn is the temperature of the pn junction, ° С.

2. The source according to claim 1, characterized in that the semiconductor light emitters are made of a single color or multi-colored glow.

3. The source according to claim 1, characterized in that the monoblock lens and light emitters are installed with a gap relative to each other, in which a transparent or diffusing sealing elastic compound is placed.

4. The source according to claim 3, characterized in that the sealing compound has a refractive index of ≥1.3.

5. The source according to claim 3, characterized in that the monoblock lens consists of both spherical lenses and aspherical lenses.

6. The source according to claim 5, characterized in that the monoblock lens is doped with finely divided transparent quartz to obtain a uniform glow.

7. The source according to claim 2, characterized in that the semiconductor light emitters are coated with a phosphor, transforming their radiation to white radiation.