Источник света
Полезная модель направлена на улучшение спектра излучения. Источник света содержит сетевой цоколь 1 и, сопряженную с ним механически, светорассеивающую колбу 2 из оптически прозрачного материала с нанесенным на поверхность или на часть поверхности слоем люминофора или смеси люминофоров, или введенным в объем или в часть объема частицами 3 люминофора или смеси люминофоров, заполненную гексафторидом серы под давлением 0,5÷2 бар, с установленными внутри ультрафиолетовыми или синими светодиодами, светодиодной матрицей или светодиодными матрицами 4 и светоизлучающей колбой 5 из оптически прозрачного материала с инфракрасным покрытием и элементом накала с выводами, соединенным электрически через выводы и светодиоды, светодиодную матрицу или светодиодные матрицы с цоколем, и заполненной рабочим веществом, включающим буферный газ и пары галогенов под давлением 2÷30 бар. 1 илл.
Полезная модель относится к светотехнике и может быть использована при проектировании новых энергоэффективных источников света, в том числе, предназначенных для прямой замены ламп накаливания. Полезная модель направлена на улучшение спектра излучения источника света.
Известен источник света, содержащий сетевой цоколь и, сопряженную с ним механически, светоизлучающую колбу из оптически прозрачного материала с элементом накала с выводами, соединенным электрически через выводы с цоколем, и заполненной рабочим веществом, включающим буферный газ и пары галогенов (Spectrum. Каталог ламп 2009/2010/ «GE Lighting», 2009, С.121).
Недостатком источника света (галогенной лампы накаливания) является неблагоприятный спектр излучения в видимой области, что обусловлено конструкцией, значительным уровнем составляющих в спектре излучения, лежащих за пределами диапазона видимого света (ультрафиолетовое и инфракрасное излучение), недостаточной энергией излучения в синей и зеленой областях спектра.
Известен источник света, содержащий сетевой цоколь и, сопряженную с ним механически, светорассеивающую колбу из оптически прозрачного материала, с установленной внутри светоизлучающей колбой из оптически прозрачного материала с элементом накала с выводами, соединенным электрически через выводы с цоколем, и заполненной рабочим веществом, включающим буферный газ и пары галогенов (Spectrum. Каталог ламп 2009/2010/ «GE Lighting», 2009, С.123).
Недостатком источника света (галогенной лампы накаливания) является неблагоприятный спектр излучения в видимой области, что обусловлено конструкцией, значительным уровнем составляющих в спектре излучения, лежащих за пределами диапазона видимого света (ультрафиолетовое и инфракрасное излучение), недостаточной энергией излучения в синей и зеленой областях спектра.
Известен источник света, содержащий сетевой цоколь и, сопряженную с ним механически, светорассеивающую колбу из оптически прозрачного материала, заполненную азотом, с установленной внутри светоизлучающей колбой из оптически прозрачного материала с инфракрасным покрытием и элементом накала с выводами, соединенным электрически через выводы с цоколем, и заполненной рабочим веществом, включающим буферный газ и пары галогенов (Источники света. Каталог Osram / «Osram», 2010, С.2.10).
Указанный источник света (галогенная лампа накаливания) является наиболее близкой по технической сущности к полезной модели и выбрана в качестве прототипа.
Недостатком источника света является неблагоприятный спектр излучения в видимой области, что обусловлено конструкцией, значительным уровнем составляющих в спектре излучения, лежащих за пределами диапазона видимого света (ультрафиолетовое излучение) и не используемых, поглощением части световой энергии в объеме материала светорассеивающей колбы, значительными тепловыми потерями через стенки светорассеивающей колбы. Светоотдача известной галогенной лампы накаливания (источника света) с приемлемым спектром излучения, относящейся к типу IRC (с покрытием, селективно отражающим инфракрасное излучение), достигает 38 Лм/Вт.
Полезная модель направлена на решение задачи улучшения спектра излучения источника света, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что источник света содержит сетевой цоколь и, сопряженную с ним механически, светорассеивающую колбу из оптически прозрачного материала с нанесенным на поверхность или на часть поверхности слоем люминофора или смеси люминофоров, или введенным в обьем или в часть объема частицами люминофора или смеси люминофоров, заполненную гексафторидом серы под давлением 0,5÷2 бар, с установленными внутри ультрафиолетовыми или синими светодиодами, светодиодной матрицей или светодиодными матрицами и светоизлучающей колбой из оптически прозрачного материала с инфракрасным покрытием и элементом накала с выводами, соединенным электрически через выводы и светодиоды, светодиодную матрицу или светодиодные матрицы с цоколем, и заполненной рабочим веществом, включающим буферный газ и пары галогенов под давлением 2÷30 бар.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является улучшение спектра излучения в видимой области (обогащение спектра в синей и зеленой областях), что обусловлено новыми принципами преобразования электрической энергии в световую, сочетанием светодиодного, теплового излучения и люминесценции, эффективным использованием всех составляющих спектра излучения, снижением тепловых потерь через стенки светорассеивающей колбы, спецификой устройства (конструкции) и новыми элементами. Преимущества источника света: сравнительно низкая стоимость; небольшие размеры; фактическое отсутствие пускорегулирующей аппаратуры; малое время зажигания; отсутствие токсичных компонентов и, как следствие, необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации; возможность работы как на постоянном (любой полярности), так и на переменном токе; возможность изготовления ламп на разное напряжение (от долей до сотен вольт); отсутствие мерцания и шума при работе на переменном токе; низкий спад светового потока; практически непрерывный (смешанный) спектр излучения; устойчивость к электромагнитному импульсу; нормальная работа при низких температурах окружающей среды; возможность использования разработанных регуляторов яркости в широких пределах; большой срок службы (до 6÷8 тыс. час.).
Улучшение спектра излучения источника света в видимой области является полученным техническим результатом, обусловленным новыми принципами устройства и преобразования электрической энергии в световое излучение, особенностями новой конструкции и новыми элементами, повышенной рабочей температурой элемента накала, то есть, отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого источника света являются существенными.
На рисунке приведена типовая конструкция источника света со стандартным сетевым цоколем.
Источник света содержит сетевой цоколь 1 и, сопряженную с ним механически, светорассеивающую колбу 2 из оптически прозрачного материала с нанесенным на поверхность или на часть поверхности слоем люминофора или смеси люминофоров, или введенным в обьем или в часть объема частицами 3 люминофора или смеси люминофоров, заполненную гексафторидом серы под давлением 0,5÷2 бар, с установленными внутри ультрафиолетовыми или синими светодиодами, светодиодной матрицей или светодиодными матрицами 4 и светоизлучающей колбой 5 из оптически прозрачного материала с инфракрасным покрытием и элементом накала с выводами, соединенным электрически через выводы и светодиоды, светодиодную матрицу или светодиодные матрицы с цоколем, и заполненной рабочим веществом, включающим буферный газ и пары галогенов под давлением 2÷30 бар.
Источник света в установившемся режиме работает следующим образом. Через сетевой цоколь 1 стандартного вида источник света подключается к обычной питающей сети переменного тока напрямую или к специальной сети (источнику) постоянного тока. Светорассеивающая колба 2 из оптически прозрачного материала с нанесенным на поверхность или на часть поверхности слоем люминофора или смеси люминофоров, или введенным в объем или в часть объема частицами 3 люминофора или смеси люминофоров является наиболее важной частью конструкции, которая выполняет несущую, защитную, светорассеивающую и светопреобразующую функции. Слой (частицы) 3 люминофора (смеси люминофоров) также обеспечивает равномерность распределения яркости по поверхности светорассеивающей колбы 2 лампы, устраняет слепящий эффект и ультрафиолетовое излучение в спектре. Светорассеивающая колба 2 жестко механически соединена (сопряжена) с цоколем 1. Слой или частицы 3 люминофора поглощают энергию излучения источников света (светодиоды 4 и светоизлучающая колба 5) в ультрафиолетовом и коротковолновом синем диапазоне и переизлучают ее в виде резонансных линий видимого света, в том числе синего и зеленого. Одновременно часть инфракрасного излучения лампы может преобразовываться слоем или частицами 3 люминофора в более коротковолновое излучение видимой области спектра (антистоксовый люминофор). Таким образом, спектр излучения нового источника света становится «смешанным» и состоит из сплошного спектра теплового излучения элемента накала и резонансных линий люминофора (частиц) 3 или смеси люминофоров. В результате спектр излучения улучшается, а светоотдача источника света возрастает. Светоизлучающая колба 5 из оптически прозрачного материала выполнена с инфракрасным покрытием (отражающим инфракрасное излучение и пропускающим видимое и ультрафиолетовое излучение), содержит элемент накала с выводами, соединенный электрически через выводы и светодиоды 4 с цоколем 1 (последовательная электрическая цепь), и заполнена рабочим веществом, включающим буферный газ и пары галогенов под давлением 2÷30 бар. Светодиоды 4 (ветви матриц или матрицы) могут быть включены встречно-параллельно. При этом ток через светодиоды 4 ограничивается сопротивлением элемента накала светоизлучающей колбы 5. Возможно включение последовательной электрической цепи из выводов элемента накала светоизлучающей колбы 5 и светодиодов (матриц) 4 по постоянному току. В этом случае схема, например, дополняется диодным выпрямительным мостом и, если необходимо, емкостным фильтром. Светодиоды (матрицы) 4 при питании от постоянного напряжения соединяются параллельно. Добавление в буферный газ паров галогенов (брома, хлора, фтора, йода или их соединений) повышает срок службы лампы до 8 тыс. часов. При этом рабочая температура элемента накала составляет примерно 3200 К. Йод (если он, например, используется) совместно с остаточным кислородом в светоизлучающей колбе 5 вступает в химическое соединение с испарившимися из элемента накала атомами вольфрама. Этот процесс является обратимым. При высоких температурах соединение распадается на составляющие вещества. Испарившиеся атомы вольфрама высвобождаются, таким образом, либо на самом элементе накала светоизлучающей колбы 5, либо вблизи него. Добавление галогенов (или их соединений) предотвращает осаждение вольфрама на оптически прозрачном материале светоизлучающей колбы 5, при условии, что температура материала выше 250÷300°С. По причине отсутствия почернения светоизлучающей колбы 5 теплового источника света (фактически галогенной лампы накаливания) из-за обратимости галогенного цикла, ее можно изготавливать с очень компактными размерами. Сравнительно малый объем светоизлучающей колбы 5 позволяет, с одной стороны, использовать большее (2÷30 бар) рабочее давление (что опять же ведет к уменьшению скорости испарения материала элемента накала) и, с другой стороны, без существенного увеличения стоимости заполнять светоизлучающую колбу 5 тяжелыми инертными (буферными) газами, например, ксеноном, что ведет к уменьшению потерь энергии за счет теплопроводности. Все это также удлиняет срок службы галогенной лампы накаливания (теплового источника света) и повышает ее светоотдачу. Заявляемая лампа является так называемой IRC-галогенной лампой накаливания (IRC означает «инфракрасное покрытие»).
На светоизлучающую колбу 5 лампы, в этом случае, нанесено специальное (интерференционное) покрытие, которое пропускает видимый свет, но задерживает инфракрасное (тепловое) излучение и отражает его назад, к элементу накала. То есть, часть энергии, которая, например, в обычных галогенных лампах накаливания преобразуется в невидимое инфракрасное излучение (более 60%), в лампах с инфракрасным покрытием преобразовывается обратно в видимый свет. Указанное становится возможным благодаря структуре покрытия светоизлучающей колбы 5, которое возвращает инфракрасное излучение на элемент накала, где оно частично поглощается. Возврат тепла вызывает повышение температуры элемента накала, вследствие чего подачу электроэнергии можно снизить. Именно за счет этого уменьшаются общие потери энергии и, как следствие, увеличивается светоотдача лампы. Одновременно удваивается срок службы нового источника (по сравнению с обычной галогенной лампой накаливания). Спектр излучения существенно улучшается за счет преобразования в видимое излучение невидимых областей спектра (ультрафиолетовое и инфракрасное излучение), а также за счет «обогащения» спектра в синей и зеленой областях излучением (синим или ультрафиолетовым) светодиодов 4 с частичным преобразованием его также за счет люминофора светорассеивающей колбы 2.
Дополнительно тепловые потери в источнике света снижаются за счет использования в качестве наполнения светораесеивающей колбы 2 гексафторидом серы (SF6), обладающего низкой теплопроводностью. При температурах до 800 К (максимальная температура нагрева светоизлучающей колбы 5) теплопроводность газа SF 6 низкая (существенно ниже, чем у воздуха, а также у азота). Теплоемкость гексафторида серы велика. Гексафторид серы представляет собой один из самых «тяжелых» из известных газов. Молекулярная масса его в 5,2 раза больше, чем у воздуха, в 5,1 раз больше, чем у аргона и в 1,1 раз больше, чем у ксенона. Гексафторид серы (до температуры 1000 К) инертен, химически не активен и не агрессивен по отношению к металлам, применяемым в конструкциях ламп накаливания, хорошо защищает элементы источника света от неблагоприятных воздействий окружающей среды. Это бесцветный, нетоксичный газ, не имеющий запаха, негорючий и не поддерживающий горения, не изменяющий своих свойств с течением времени.
Диэлектрическая прочность SF6 приблизительно в 2,5 раза выше, чем у воздуха. Хорошие диэлектрические свойства гексафторида серы обусловлены электроотрицательным типом его молекулы. Газ SF 6 имеет тенденцию к захвату свободных электронов, образуя малоподвижные тяжелые ионы, вследствие чего, в частности, развитие электронных лавин становится затруднительным. Как известно, применяемые в источниках света (в электрических лампах накаливания) инертные газы обладают малой диэлектрической прочностью. Повышение прочности за счет добавок азота увеличивает теплопроводность буферного газа и приводит к дополнительным потерям тепла и более высокому нагреву стенок светорассеивающей колбы 2.
Максимальная температура элемента накала светоизлучающей колбы 5, таким образом, может быть увеличена, а затраты энергии существенно снижены. Рабочая температура элемента накала в новом источнике света, как отмечено выше, составляет, примерно, 3200 К. Столь высокая температура вызывает сдвиг максимума энергии излучения в сторону коротких длин волн, что обогащает спектр излучения в недостающей (синей) области. Низкие потери тепла, обусловленные низкой теплопроводностью SF6, обеспечивают повышение температуры элемента накала светоизлучающей колбы 5, вследствие чего подачу электроэнергии также можно снизить.
Диапазон давлений (0,5÷2 бар) газа-наполнителя светорассеивающей колбы 2 выбран из условия обеспечения технологичности источника света и расширения диапазона рабочих температур (до - 40°С). При более отрицательных температурах и более высоком давлении газа-наполнителя SF 6 возможен переход его в жидкое состояние. Работоспособность нового источника света, в принципе, сохраняется и при более низких и более высоких давлениях газа-наполнителя светорассеивающей колбы 2 практически без ухудшения эксплуатационных характеристик.
Гексафторид серы может быть также применен в смеси с любым инертным газом, а также с азотом. Характеристики источника света при этом несколько ухудшатся, однако будут превышать характеристики прототипа.
По сравнению с прототипом спектр излучения источника света в видимой области улучшается. Спектр обогащается излучением в синей и зеленой областях за счет излучения светодиодов и преобразования в «квантовом конвертере» люминофорного покрытия, а также повышения рабочей температуры элемента накала. Индекс цветопередачи нового источника света может достигать 98 при наивысшей светоотдаче.
По сравнению с прототипом, дополнительно, существенно повышается световая эффективность источника света при сохранении всех преимуществ его отдельных частей. Это обеспечивается за счет полного использования энергии составляющих спектра излучения и снижения тепловых потерь через стенки светорассеивающей колбы. В результате вынесения люминофорного слоя или частиц люминофора или смеси люминофоров за пределы конструкции светоизлучающей колбы, снижения теплопроводности наполнения светорассеивающей колбы, уменьшается нагрев люминофорного слоя (за счет улучшения условий отвода тепла от люминофорного слоя и отсутствия разогрева теплопередачей от светоизлучающей колбы). Люминофорный слой (частицы люминофора или смеси люминофоров) в заявляемом устройстве, таким образом, работает при относительно низкой температуре и надежно изолирован (изолированы) от неблагоприятных температурных воздействий. Светоотдача нового источника света за счет совместного эффективного использования светодиодного, теплового излучения и люминесценции может быть повышена на 17÷20% (до 48÷50 лм/Вт).
Дополнительно, по сравнению с прототипом, за счет выравнивания яркости по поверхности светорассеивающей колбы и исключения слепящего эффекта существенно расширяется область применения нового источника света. Он может быть, в частности, использован как прямая замена обычных ламп накаливания, а также галогенных ламп накаливания в различных системах освещения.
За счет сравнительно низких рабочих температур люминофорного слоя (частиц люминофора или смеси люминофоров) светорассеивающей колбы не только обеспечивается предельная светоотдача нового источника света, но и сохраняется малый временной спад светового потока при длительной эксплуатации устройства, что является дополнительным преимуществом нового источника света и также расширяет область его применения.
Источник света, содержащий сетевой цоколь и сопряженную с ним механически светорассеивающую колбу из оптически прозрачного материала с нанесенным на поверхность или на часть поверхности слоем люминофора или смеси люминофоров, или введенными в объем или в часть объема частицами люминофора или смеси люминофоров, заполненную гексафторидом серы под давлением 0,5÷2 бар, с установленными внутри ультрафиолетовыми или синими светодиодами, светодиодной матрицей или светодиодными матрицами и светоизлучающей колбой из оптически прозрачного материала с инфракрасным покрытием и элементом накала с выводами, соединенным электрически через выводы и светодиоды, светодиодную матрицу или светодиодные матрицы с цоколем, и заполненной рабочим веществом, включающим буферный газ и пары галогенов под давлением 2÷30 бар.
