Блок светодиодного светильника

 

Полезная модель относится к базовым элементам светотехнических безламповых устройств на основе светодиодов. Отличительная и существенная конструктивная особенность блока светодиодного светильника заключается в том, что токопроводящая цепь выполнена в виде металлических проводников, адгезионно укрепленных на диэлектрическом слое, материал которого обладает температурным коэффициентом расширения равным таковому для алюминиевого сплава с точностью плюс-минус 10%, диэлектрический слой нанесен непосредственно на корпус и, в свою очередь, адгезионно укреплен на нем, а светодиод укреплен своим теплоотводящим выводом на корпусе методом пайки. Достигается эффективный отвод тепла от светодиодов, увеличение устойчивости блока к ударным и вибрационным нагрузкам, надежность работы при разогреве до высоких температур

- Область техники полезной модели

Полезная модель относится к элементам светотехнических безламповых устройств на базе светодиодов. Техническое решение может быть использовано в светотехнических устройствах автотракторной техники, морской и авиационной техники, а так же в экономичных светильниках для промышленных, бытовых помещений и наружных площадок, особенно в тех случаях, когда к осветительному оборудованию предъявляются повышенные требования по работоспособности в условиях перегрева, а так же в условиях повышенных вибрационных и ударных нагрузок, о Уровень техники полезной модели

- Первый аналог патентуемого устройства.

Известна печатная плата, чаще всего применяемая для мощных светодиодных кластеров - печатная плата с металлическим основанием. В такой плате, в качестве основания используется металлическая пластина, на которую с помощью стеклоткани пропитанной смолой (материал называется - препрег), наклеены один или несколько проводящих слоев медной фольги из которой сформированы проводники питающей цепи и площадка на которой своим теплоотводящим основанием (внешняя поверхность внутреннего радиатора) методом пайки укреплен светодиодный кластер. Простейшим типом печатной платы и, следовательно, наиболее экономически эффективным для поверхностного монтажа светодиодов является однослойная печатная плата с алюминиевым основанием. Данная плата является, по своей сути, однослойной печатной платой, наклеенной на алюминиевую пластину. Теплоотвод от кристалла осуществляется следующим образом: генерируемое кристалллом тепло, проходит через внутренний радиатор охлаждения кристалла, далее через слой медной фольги, далее - через диэлектрик (препрег), а затем рассеивается внешним алюминиевым радиатором, выполненным в составе печатной платы (источник http://www.pseletro.ru/article/7/78). Данная схема крепления светодиода и теплоотво-да от него необходимо предусматривает тепловой переход через слой диэлектрика, теплопроводность которого хуже чем у алюминия примерно на два порядка. Необходимость обеспечить достаточную диэлектрическую прочность диэлектрическогоо слоя определяет его толщину приблизительно в 100 мкм, при которой слой обладает значительным тепловым сопротивлением и заметно ухудшает теплоотдачу кристалла на внешний алюминиевый радиатор.

Второй аналог патентуемого устройства.

Известен модульный светодиодный светильник, который содержит блок, включающий в себя печатную плату, по меньшей мере, один светодиод, размещенный на печатной плате, оптический элемент, теплоотводящее устройство, которое образовано подложкой, являющейся одновременно основанием теплоотводящего устройства, причем с одной стороны подложки расположены печатная плата и оптический элемент, а с противоположной стороны расположены теплоотводящие радиаторы специальной формы, причем центральный теплоотводящий радиатор и крайние теплоотводящие радиаторы выполнены за одно целое с подложкой, при этом основание выполнено в идее прямоугольника и имеет по краям каждой боковой стороны выступы, причем нижняя часть выступов предназначена для крепления печатной платы и оптического элемента, верхняя же часть выступов образована крайними теплоотводящими радиаторами, а боковые части выступов снабжены продольными фигурными пазами, при этом центральный теплоотводящий радиатор имеет на конце, со стороны, противоположной подложке, утолщение, в центре которого предусмотрен открытый продольный фигурный паз (патент на полезную модель RU 107572, 28.08.2011). В данном техническом решении обеспечивается достаточно эффективный отвод тепла от светодиодов. Однако, конструктивно блок состоит из отдельных элементов (основание, печатная плата, соединяющие их винты и т.п.) и не обладает достаточной устойчивостью к воздействию интенсивной ударной или вибрационной нагрузки, поскольку в этих условиях не исключается возможность нарушения надежности винтового соединения и нарушения паянных, штекерных или клеммных соединений проводов с токопроводящими дорожками печатной платы, особенно на резонансных частотах механической системы плата-основание.

Ближайший аналог патентуемого устройства - прототип. За прототип полезной модели принимается блок светодиодного светильника, в котором светодиодные группы, установлены на печатной плате, выполненной из алюминия или меди, которая крепится к металлическому корпусу - основанию, выполняющему одновременно функции радиатора, методом холодного сдавливания (патент на полезную модель RU 129746, 26.12.2012). В данном устройстве метод холодного сдавливания, примененный для крепления металлической печатной платы к корпусу-основанию улучшает процесс отвода тепла от светодиодов, расположенных на печатной плате, чем облегчаются условия работы, и увеличивается срок их службы, увеличивается так же производительность технологической линии сборки светильников. Однако, соединение печатной платы с корпусом методом холодного сдавливания, предложенным в данном решении, хотя и уменьшает тепловое сопротивление перехода печатная плата-корпус и увеличивает при этом механическую прочность всей конструкции блока, по сравнению с предыдущим аналогом, но такая конструкция не обладает максимально-возможными теплоотводящими свойствами, поскольку переходное сопротивление между печатной платой и корпусом все же имеет место. Кроме того, не исключается возможность разрушения блока при воздействии интенсивной ударной или вибрационной нагрузки, т.к. его конструкция является композитной (не монолитной.

- Сущность полезной модели

Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель является создание блока светодиодного светильника с эффективной системой отвода тепла от светодиодов, обладающего при этом высокой устойчивостью к ударным и вибрационным нагрузкам. При решении этой задачи, в процессе производства, попутно достигаются и другие важные технические результаты. Общая заявляемая совокупность достигаемых технических результатов предлагается следующим списком:

1. Обеспечивается эффективный отвод тепла от светодиодов.

2. Обеспечивается увеличение устойчивости блока, как важнейшего функционального узла светильника, к ударным и вибрационным нагрузкам

3. Обеспечивается надежность работы блока светодиодного светильника в условиях разогрева его до высоких температур.

Сущность полезной модели, обеспечивающая достижение всей совокупности указанных технических результатов заключается в следующем:

Блок светодиодного светильника содержит корпус, выполненный из алюминиевого сплава, на котором укреплена токопроводящая цепь питания светодиодов, соединенная методом пайки с питающими светильник проводами, и, по меньшей мере, один светодиод, соединенный своими питающими выводами с токопроводящей цепью методом пайки. При этом отличительная и существенная конструктивная особенность заявляемого блока заключается в том, что токопроводящая цепь выполнена в виде металлических проводников, адгезионно укрепленных на диэлектрическом слое, материал которого обладает температурным коэффициентом расширения равным таковому для алюминиевого сплава с точностью плюс-минус 10%, диэлектрический слой нанесен непосредственно на корпус и, в свою очередь, адгезионно укреплен на нем, а светодиод укреплен своим теплоотводящим выводом на корпусе методом пайки.

- Перечень чертежей поясняющих полезную модель

На Фиг. 1 изображен блок светодиодного светильника (вид со стороны светодиодов)

На Фиг. 2 изображен блок светодиодного светильника по сечению А-А.

- Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели

Блок светодиодного светильника в простейшем исполнении, которое, тем не менее, полностью отражает его сущность (Фиг 1, Фиг 2), содержит корпус (1), выполненный из алюминиевого сплава (алюминиевый профиль, литье под давлением и т.п.), 6 мощных светодиодов (2), например, типа 3HPD и токопроводящую цепь, состоящую из проводников (3) и (4), соединяющих питающие клеммы (5) и (6) светодиодов (2) с подводящими питание к светильнику проводами (питающие провода не показаны и в состав блока условно не входят). Проводники (3) и (4) адгезионно укреплены на диэлектрическом слое (7), который, в свою очередь, адгезионно укреплен непосредственно на поверхности алюминиевого корпуса (1). Светодиоды (2) своими теплоотводящими выводами (8) укреплены на корпусе (1) методом пайки. При этом если выводы (8) являются медными как у светодиодов 3HPD, то для пайки его на алюминиевый корпус может быть использован, например специальный низкотемпературный мягкий припой Chemet Alumet-265 (S-Cd80Zn20). Сущности полезной модели так же отвечает пайка светодиодов (8) на поверхность корпуса (1), на которую методом вакуумного напыления или любым другим методом предварительно нанесена пленка цветного металла или сплава (серебро, золото, легкоплавкий припой и т.п.) облегчающая технологический процесс пайки. Монтаж проводников токопроводящей цепи (3), (4) на корпус (1) блока может быть выполнен методами толстопленочной технологии (В.Г. Красов, Г.Б. Петраускас, Ю.С. Чернозубов.; М: Радио и связь, 1985). Выполнение диэлектрического слоя (7) и проводников (3) и (4) осуществляют по указанной технологии, с тем отличием, что в ней применена в качестве диэлектрической пасты низкотемпературная, не содержащая свинца и кадмия стеклосодержащая паста, с температурным коэффициентом расширения (ТКР), приближающимся к ТКР алюминия, а в качестве проводниковой пасты применена низкотемпературная, не содержащая свинца паста на основе серебра. Это обусловлено тем, что предельная температура блока может достигать 110°C (рабочая температура составляет порядка 70°C), при этом отслоение диэлектрика от металла не происходит в том случае, если разница их ТКР не превышает 10% (В.Г. Красов, Г.Б. Петраускас, Ю.С. Чернозубов.; М: Радио и связь, 1985). Пригодные для применения технологические материалы - пасты под торговой маркой Celcion производятся компанией Heraeus (Германия). Информация об этих материалах имеется на интернет ресурсах:

- http://heraeus-circuits-components.com/en/products_and_applications/celcion-pastes_on_aluminum/celcion.com/aspx

- http://heraeus-led.com/media/webmedia_local/media/Heraeus_Celcion.pdf

Так для создания диэлектрического слоя (7) может быть применена диэлектрическая паста IP 6075 Celcion, а для выполнения проводников (3) и (4) токопроводящей цепи может быть применена, например проводниковая, образующая после вжигания при температуре 550°C серебряную пленку паста C8829D Celcion. Сущность полезной модели связана с заявленными для него техническими результатами следующим образом:

- технический результат 1 достигается вследствие того, что светодиоды (2) укреплены своим теплоотводящими выводами (8) непосредственно на алюминиевом на корпусе (1) методом пайки, и вследствие этого переходное термическое сопротивление между теплоотводящим выводом (8) и корпусом (1) практически отсутствует.

- технический результат 2 достигается за счет того, что адгезия материалов, применяемых в толстопленочной технологии превышает значение a=5МПа=5×106 Па. (Толстопленочная технология в СВЧ микроэлектронике В.Г. Красов, Г.Б. Петраускас, Ю.С. Чернозубов.; М: Радио и связь, 1985). Рассчитаем из указанной величины адгезии прочность сцепления проводников (3) и (4) с корпусом (1). Так серебряная площадка проводника площадью s=1 мм2 и толщиной h=0,03 мм при плотности серебра обладает массой m=×s×h=1×0,03×10-9×10500=315×10 -9 кг. Сила адгезионного сцепления ее с корпусом определится, как F=a×s=5×106×1×10 -6=5 H. Стойкость соединения проводников с корпусом к механическим внешним воздействующим факторам можно определить из соотношения

(g)

Где - ускорение свободного падения.

В соответствии с ГОСТ 17516.1-90 полученное значение стойкости соединения к механическим внешним воздействующим факторам на много порядков превышают особо прочную группу устойчивости М27, которая допускает применение изделия даже на необрессоренном железнодорожном транспорте. Для светильников же другого применения, в большинстве случаев достаточно групп устойчивости M2 или M3 с показателем k=0,5 g (см. http://galad.ru/upload/iblock/4f9/vibroust_vibroprochn.pdf)

Рассчитаем теперь по этой же методике прочность паяного соединения светодиода (2) с корпусом (1). Для светодиода 3HPD площадь теплоотводящего вывода (8) который соединяется пайкой с корпусом (1) составляет sсд=23,3 мм2 при массе светодиода mсд2×10 6 кг (см. http://alled.ru/high-power-leds/1-w-svetodiod.html). Соединение пайкой с применением мягкого припоя обеспечивает прочность не хуже n=20 МПа =20×106 Па

(g)

Очевидно, что стойкость соединения светодиодов с корпусом к механическим внешним воздействующим факторам отвечает еще более высоким требованиям. Таким образом, расчеты показывают, что прочность взаимного скрепления элементов значительно превышает требования особо устойчивого к механическим воздействиям класса М27, в соответствии с ГОСТ 17516.1-90.

Технический результат 3 достигается за счет того, что диэлектрический слой, обладает температурным коэффициентом расширения (ТКР) весьма близким к ТКР алюминиевого сплава, что исключает деформацию и разрыв токопроводящей цепи в условиях разогрева корпуса (1) до высоких температур, что может иметь место, например в светотехнических устройствах автомобиля.

Промышленное производство заявленного блока светодиодного светильника предложенным способом не требует специального оборудования и может быть налажено на любом производстве, имеющем технологические мощности производства изделий по толстопленочной технологии.

1. Блок светодиодного светильника содержит корпус, выполненный из алюминиевого сплава, на котором укреплена токопроводящая цепь питания светодиодов, соединенная методом пайки с питающими светильник проводами, и, по меньшей мере, один светодиод, соединенный своими питающими выводами с токопроводящей цепью методом пайки, отличающийся тем, что токопроводящая цепь выполнена в виде металлических проводников, адгезионно укрепленных на диэлектрическом слое, материал которого обладает температурным коэффициентом расширения, равным таковому для алюминиевого сплава с точностью ±10%, диэлектрический слой нанесен непосредственно на корпус и, в свою очередь, адгезионно укреплен на нем, а светодиод укреплен своим теплоотводящим выводом на корпусе методом пайки.

2. Блок светодиодного светильника по п. 1, отличающийся тем, что светодиод укреплен на корпусе методом пайки питающих его выводов к проводникам токопроводящей цепи и непосредственной пайки центрального теплоотводящего вывода к поверхности корпуса.

3. Блок светодиодного светильника по п. 1, отличающийся тем, что светодиод укреплен на корпусе методом пайки питающих его выводов к проводникам токопроводящей цепи и пайки центрального теплоотводящего вывода к поверхности корпуса с предварительно нанесенной на нее пленкой цветного металла или сплава.

4. Блок светодиодного светильника по п. 1, отличающийся тем, что светодиод укреплен на корпусе методом пайки питающих его выводов к проводникам токопроводящей цепи и пайки центрального теплоотводящего вывода к серебряной площадке, адгезионно закрепленной на диэлектрическом слое, который нанесен непосредственно на корпус и, в свою очередь адгезионно закреплен на нем.

5. Блок светодиодного светильника по п. 1, отличающийся тем, что на участках корпуса, не занятых токопроводящей цепью, выполнены охлаждающие радиаторные ребра.

6. Блок светодиодного светильника по п. 1, отличающийся тем, что металлические проводники токопроводящей цепи выполнены из технического серебра.



 

Похожие патенты:

Антивандальный уличный энергосберегающий прожектор-светильник направленного света серии жкх (жку) с мощной светодиодной лампой-фонарем относится к области долговечных осветительных устройств и/или источников света с использованием полупроводниковых устройств (светодиодов) и выступает в качестве альтернативы традиционным источникам света: лампам накаливания, люминесцентным лампам в т.ч. и энергосберегающим с потребляемой мощностью в диапазоне 80-200 Вт и световым потоком порядка 500-1000 Лм.

Электронный блок управления офисными потолочными промышленными светодиодными светильниками относится к модулям питания светодиодных светильников общепромышленного назначения с дистанционно задаваемыми режимами работы.

Электронный блок управления офисными потолочными промышленными светодиодными светильниками относится к модулям питания светодиодных светильников общепромышленного назначения с дистанционно задаваемыми режимами работы.

Антивандальный уличный энергосберегающий прожектор-светильник направленного света серии жкх (жку) с мощной светодиодной лампой-фонарем относится к области долговечных осветительных устройств и/или источников света с использованием полупроводниковых устройств (светодиодов) и выступает в качестве альтернативы традиционным источникам света: лампам накаливания, люминесцентным лампам в т.ч. и энергосберегающим с потребляемой мощностью в диапазоне 80-200 Вт и световым потоком порядка 500-1000 Лм.

Антивандальный уличный энергосберегающий прожектор-светильник направленного света серии жкх (жку) с мощной светодиодной лампой-фонарем относится к области долговечных осветительных устройств и/или источников света с использованием полупроводниковых устройств (светодиодов) и выступает в качестве альтернативы традиционным источникам света: лампам накаливания, люминесцентным лампам в т.ч. и энергосберегающим с потребляемой мощностью в диапазоне 80-200 Вт и световым потоком порядка 500-1000 Лм.

Электронный блок управления офисными потолочными промышленными светодиодными светильниками относится к модулям питания светодиодных светильников общепромышленного назначения с дистанционно задаваемыми режимами работы.
Наверх