Светодиодная лампа общего назначения до 15 вт.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Институт физики высоких технологий

Направление 200400 «Оптотехника»

Курсовая работа по источники излучения

Светодиодная лампа общего назначения до 15 вт.

Направление 200400 «Оптотехника»

Выполнили студенты гр. 4ВМ41

С.С. Иванова

И.С. Макогон

О.А. Трофимчук

Проверил профессор каф.

Б.П. Гриценко

Введение

Светодиодные лампы - это современная альтернатива традиционной лампе накаливания.

Светодиодные энергосберегающие лампы предназначены для использования, как на улице, так и внутри помещения, сочетают в себе традиционное исполнение (цоколь Е-27, Е-14, MR-16, GU-10) и высокую надежность, отсутствие ультрафиолетового и инфракрасного излучения вредного для здоровья, высокую насыщенность и чистоту цвета.

Такие лампы экономичны и имеют энергопотребление на 80% меньше, чем у ламп накаливания, обладают высокой ударной и вибрационной устойчивостью. В светодиодных лампах отсутствует газонаполнение, они почти не нагреваются.

Эти лампы не содержат ртути, что делает их безопасными в плане загрязнения окружающей среды.

С целью определения возможности применения светодиодного освещения и светодиодных светильников НИИ гигиены и охраны здоровья детей и подростков учреждения РАМН ФГБУ «Научный центр здоровья детей», при участии сотрудников ГП «Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН» и Научно-исследовательского института строительной физики Российской Академии Архитектуры и строительных наук были проведены исследования психофизиологического воздействия светодиодного освещения и светодиодных светильников на организм человека, которые показали возможность применения светодиодного освещения и светодиодных светильников в жилых и общественных зданиях, в учреждениях общего и начального профессионального образования, а также в детских оздоровительных организациях.

Однако при использовании в системах общего освещения в помещениях общественных зданий и в учебном процессе светильников со светодиодами должны соблюдаться гигиенические требования, направленные на обеспечение соответствия ряда качественных и количественных показателей освещения [1].

1. Общие сведения о светодиодных лампах общего назначения

Сомнения в целесообразности использования светодиодных ламп для дома связаны с главным и, наверное, единственным их недостатком - высокой ценой. Сегодня цена на такую лампу начинается от 200 рублей, верхний же предел может быть на порядок больше. Достоинств же у светодиодных лампочек намного больше: очень долгий срок службы, который достигает 50 тысяч часов, что соответствует 10-12 годам непрерывной работы; для сравнения - средний срок службы ламп накаливания - около 1000 часов, а энергосберегающих - 10000 часов; низкое энергопотребление - лампы со светодиодами потребляют в несколько раз меньше электроэнергии, нежели лампы накаливания; экологичность - светодиодные лампы, в отличие от популярных энергосберегающих, не содержат токсичных веществ, вредных для окружающей среды и здоровья человека; широкая область применения - LED устройства используются в жилых помещениях в качестве основного или дополнительного источника света, для подсветки предметов интерьера, а также в ночниках, настольных лампах, фонариках и др.

2. Колба

Колба лампочки - стеклянный сосуд, который содержит источник света. Колба светодиодной лампы состоит из двух частей - теплоотвода и рассеивателя, который равномерно рассредоточивает свет от светодиодов и защищает их от пыли и влаги.

Наиболее распространены следующие виды колб:

·        Колба типа А. (Arbitrary, «стандартный», «обычный», в обиходе «груша») - широко известна всем и используемая повсеместно в лампах накаливания. Цифра возле буквы «А» означает диаметр лампы в миллиметрах, примеры таких колб показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Колбы типа А

·        Колбы типа B и C. Колбы типа B и C (Candle, «свеча») - наиболее часто такие можно встретить в люстрах и декоративных светильниках (рисунок 2).

Рисунок 2. Колбы типа B и C

·        Тип BA или CA (Candle Angular, «свеча на ветру») является одной из разновидностей типов B и С, стилизуя колбу под огонёк свечи на лёгком ветру (рисунок 3).

Рисунок 3. Колба типа BA или CA

·        Тип CW (Candle Wisted, «закрученная свеча») является ещё одной из разновидностей типов B и С (рисунок 4).

Рисунок 4. Колба типа CW

·        Тип F (от фр. Flambeau, «факел») в отличие от B и C имеет немного иную форму и, как правило, большие размеры (рисунок 5).

Рисунок. 5. Колба типа F

·        Тип G (Globe, «шар») - несмотря на внешнюю схожесть с типом А, даёт больший радиус освещения за счёт меньшего светового потока и больших размеров, что затрудняет монтаж (рисунок 6).

Рисунок 6. Колба типа G

·        Лампы с колбами типа R (Reflector, «отражатель») применяются там, где нужно концентрированное или точечное освещение, в трекинговых светильниках, а также в светильниках, встраиваемых в натяжной или подвесной потолок. Наиболее распространённые варианты - R39, R50, R63. Цифра обозначает диаметр в миллиметрах. Полезно также отметить, что в галогенных и лампах накаливания такая форма лампы была обусловлена наличием отражателя (который очень сильно грелся), концентрирующего свет, а в светодиодных лампах нужная концентрация достигается правильным расположением светодиодов (рисунок 7).

Рисунок 7. Колба типа R

·        Тип колбы MR (Multifaceted Reflector, многофацетный рефлектор отражатель, состоящий из множества плоских поверхностей) также используется в светильниках точечного освещения; основные отличия от типа R - несколько отличная форма колбы и её размеры, другой цоколь (штырьковой вместо винтового), и возможность использования низковольтных ламп(12/24В). Несмотря на то, что цифра в номенклатурном названии других типов колб показывает их диаметр в миллиметрах, у типа MR (рисунок 8) устоялись европейские названия - MR11, MR16 (где цифра обозначает диаметр в 1/8-ых дюйма) [2].

Рисунок 8. Колба типа MR

Светодиодная лампа до 15 Вт (в частности 9 Вт) способна заменить лампу накаливания 100 Вт, в которой применяется колба типа А60, поэтому такая колба и будет применима в проекте.

2.1 Материал колбы

Стандартно применяются материалы с максимальным коэффициентом пропускания. Колбы ламп выполняют из оптического поликарбоната с введенными в стенки светорассеивающими компонентами, например модифицированным оксида алюминия (показатель преломления ne=1,54) , используют также колбы из силикатного стекла со светорассеивающими компонентами, их параметры представлены в таблице 1.

колба светодиод лампа светильник

Таблица 1. Сравнение параметров силикатного стекла и оптического поликарбоната

Преимущества применения стеклянных колб в сравнении с поликарбонатовыми в том, что стекло обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики ламп благодаря стабильному светопропусканию на длинах вол 500 и 600 нм (на 12%-18%), имеет меньшие потери на отражение падающих лучей под острыми углами световых лучей светодиодов на стенки колбы.

.2 Рассеиватель

Светодиодные источники света обладают большим недостатком таким, как ослепляемость. Именно поэтому рационально использовать рассеивающие покрытия внутри колбы. Наилучшими характеристиками, с точки зрения постоянства спектрального коэффициента пропускания, обладают платина и титан. Платина - дорогой материал. В светотехнических конструкциях применяют напыление из диоксида титана. Такое покрытие позволяет ослаблять в инфракрасной области спектра (до 12 мк) [4]. Коэффициент пропускания 70% в области от 350 до 900 нм [5].

2.3 Отражатель

Отражатель в светодиодных лампах является необходимой частью источников. Отражатели повышают световую отдачу; свет, попавший на отражаемую поверхность, перенаправляется в нужном направлении. Зеркальное отражение позволяет наиболее гибко и точно перераспределять световой поток источников света, формируя, таким образом, требуемую кривую сил света (КСС). Из чистых металлов наибольший коэффициент отражения имеет серебро - до 0,95. Однако, из-за дороговизны, его применяют только для покрытия стеклянных отражателей некоторых типов прожекторов и оптических приборов. В светотехнической промышленности фактически единственным материалом с зеркальным отражением является алюминий. Коэффициент отражения чистого алюминия при очень тщательной полировке поверхности может быть выше 0,92; однако чистый алюминий на воздухе быстро окисляется и тускнеет. Поэтому необходима защита алюминия от прямого контакта с воздухом. Способов защиты алюминия от окисления достаточно много. Алюминий (Al) имеет достаточно хороший коэффициент отражения в УФ области и высокий коэффициент отражения в видимом и ближнем ИК диапазоне спектра. Известно, что алюминиевые покрытия превосходят серебряные по величине коэффициента отражения в УФ спектральном диапазоне, что показано на рисунке 9 по данным таблицы 2.

Рисунок 9. Отражающая способность Al

Таблица 2. Коэффициент отражения Al от длин волн

Применение алюминия наиболее оптимально для светодиодных ламп, конструкция становится более эффективная, не дорогая и легкая.

3. Радиатор

Радиатор - это, пожалуй, самый важный элемент в системе охлаждения светодиода; он отводит тепло от печатной платы или напрямую от светодиода, и рассеивает тепло в воздухе.

Совсем недавно светодиодные лампы выпускались только с радиатором и некоторые модели ламп имели очень внушительный вид. Но рынок светодиодных ламп стремительно развивается и сейчас начинают появляться модели без радиатора, что приближает данный тип ламп к привычным для нас лампам накаливания. Наличие радиатора было обусловлено отводом избыточного тепла от светодиода. Чем сильнее грелся светодиод, тем тусклее он светил, при этом в десятки раз быстрее вырабатывал свой ресурс. Радиатор кардинально решил проблему отвода избыточного тепла от лампы. Радиатор может быть алюминиевый, керамический, композитный, а также, в более дешевых моделях - пластиковый. Его наличие даже на сегодняшний день является актуальным, хотя уже и необязательным [7].

К радиатору предъявляются следующие требования: материал радиатора должен быть с высоким значением теплопроводности, площадь поверхности радиатора должна быть максимальной. Помимо охлаждения, радиатор может выполнять и другие функции, наиболее часто он может выступать в роли корпуса либо держателя. В таблице 3 указаны теплопроводности некоторых материалов.

Таблица 3. Теплопроводность некоторых материалов

Радиаторы из одного и того же материала, но сделанные при различных способах обработки поверхности, могут обладать разными коэффициентами теплопроводности.

Часто к светодиодным светильникам предъявляются довольно серьезные требования по габаритам, вследствие чего может возникнуть потребность в проектировании радиатора под конкретные требования. При проектировании радиатора требуется учесть вес конечного изделия, стоимость, тепловые параметры, возможность дальнейшего производства [8].

Радиаторы LED - ламп должны выполнять две задачи:

1.      транспортировать тепло от своей внутренней поверхности (контактирующей с источником тепла) к внешней, на которой осуществляется теплообмен с воздухом;

.        создать оптимизированную (по размерам и форме) поверхность для этого теплообмена [9].

3.1 Материал радиатора

Предпочтение пластиковому радиатору, так как мощность выбранной лампы составляет всего 9 Вт. Радиатор из теплорассеивающего пластика - это самый дешевый и более подходящий вариант [10].

Теплорассеивающая пластмасса - это гранулированная пластмасса, перерабатываемая на стандартных термопластавтоматах в любые высокоточные изделия. Отличается от обычных пластмасс способностью принципиально лучше (в 30-300 раз больше) проводить через себя тепло и рассеивать (передавать) его окружающей среде [11].

Такой пластик обеспечивает эквивалентную алюминию теплорассеивающую способность, имеет при этом целый ряд эксплуатационных, технологических и экономических преимуществ по сравнению с алюминием; является реальной альтернативой при выборе материала для радиаторов охлаждения.

·        Радиаторы из теплорассеивающих пластмасс (ТРП) в среднем на 40% - 50% легче (рисунок 10 а, б) аналогичных алюминиевых (удельный вес ТРПК колеблется в интервале 1,3 - 1,7 г/см3).

Рисунок 10.а. Удельный вес алюминия и ТРП (г/см3); б. Отличие в цене радиаторов из алюминия и ТРП

·        Радиаторы из ТРП получаются точнее, чем детали, отлитые из алюминия (пластмассы перерабатываются методом литья под давлением, имеют меньшую усадку (0,1 - 0,3 %) по сравнению с алюминиевым литьем (0,7 - 1,3 %); поверхность их литья не шероховатая, а имеет "зеркальное " качество" (рисунок 11).

Рисунок 11. Шероховатость поверхности отливок

·        Радиаторы из ТРП не требуют никакой постфинишной доработки (удаление литников, сверление, фрезерование, шлифовка посадочных мест и т.д.), сразу после отливки (50-60 сек) полностью готовы к сборке.

·        Радиаторы из ТРП в режиме эксплуатации, при нагреве до " рабочих " температур изменяют свои размеры меньше, чем алюминиевые (коэффициент линейного термического расширения ТРП в два раза меньше чем у алюминиевых сплавов). Как следствие этого, при жестком креплении радиаторов на источнике тепловыделения (микросборка, кристалл и т.д.) между ними возникают меньшие термические напряжения (крайне нежелательные).

·        Себестоимость радиаторов из ТРП при серийном производстве существенно (в 2-3 раза ниже), чем у аналогичных деталей из алюминия (по состоянию на 2010 год стоимость 1 см3 детали высокоточного алюминиевого литья, с расходами на постфинишную механическую и химическую доработку колеблется от 1,1 до 1,80 руб., в то время как стоимость 1см3 деталей из ТРПК составляет лишь 0,4 - 0,7 руб. При этом сразу получается высокоточная, полностью готовая к сборке деталь (рисунок 12) [8].

Рисунок 12. Цена 1см3 изделия

3.2 Тип радиатора

Одно из основных различий близких по типу и мощности моделей ламп тип радиатора светодиодной лампы. Радиаторы на светодиодных лампах нужны - при перегреве светоотдача светодиодов падает очень существенно. Справедливости ради стоит заметить, что светодиоды становятся все более и более "теплоустойчивыми". В любом случае, светодиоды лучше охлаждать. И чем лучше радиатор, тем лучше светоотдача у лампы. Надежность тоже улучшается, но незначительно - современная электроника вполне способна надежно работать при достаточно высоких температурах.

Ниже перечислены типы радиаторов - начиная с радиатора с наибольшими положительными характеристиками.

Рисунок 13. LED - лампы с ребристым алюминиевым радиатором.

Исторически самый первый и по сей день самый эффективный вариант радиатора для светодиодной лампы. При этом и самый дорогой. В хороших лампах ребристый алюминиевый радиатор, как правило, покрашен тонким слоем краски (пример слева) или прозрачным лаком (пример справа). Хотя радиатор и изолирован от сетевого напряжения, но покраска дает дополнительную защиту на всякий случай.

·        Керамика (радиатор из специальной керамики с высокой теплопроводностью).

Внешне, керамический радиатор (рисунок 14) похож на пластик, но отличается на ощупь и заметно тяжелее пластмассы.

Рисунок 14. LED - лампы с керамическим радиатором

Хорошо охлаждает, встречается не часто - буквально несколько моделей светодиодных ламп. Керамика не электропроводна - дополнительной изоляции не требуется.

·        Композит (алюминиевый радиатор, покрытый тонким слоем пластика). Этот тип радиатора появился всего около года назад. Это относительно недорогой тип радиатора (рисунок 15) и поэтому сейчас получает все большее и большее распространение.

 <#"870707.files/image016.gif">

Рисунок 16. LED - лампы с алюминиевым гладким радиатором

Поэтому этот тип радиатора менее эффективен, чем предыдущие варианты. Встречается только на недорогих лампах начального уровня. Для дополнительного охлаждения в корпусе лампы возможны небольшие отверстия.

·        Пластик, стекло (рисунок 17) - то есть фактически без радиатора.

 <#"870707.files/image018.gif">

Рисунок 18. Цоколи типа Е

1.   E14 - один из широко распространённых типов цоколя. Для миниатюрных и классических ламп накаливания с таким цоколем прижился термин «миньон». Наиболее часто этот цоколь используется на лампах с колбами типа C, F, R;

2.      E27 - Самый распространённый тип цоколя, который можно встретить повсеместно. В основном используется с колбами типа А, C, F, R63;

3.      E40 - резьбовой цоколь для сверхмощных ламп и промышленных светильников (лампы накаливания 500Вт или светодиодные 40-65Вт).

·    Штырьковые цоколи (рисунок 19) имеют весьма широкий спектр применения - от капсульных до линейных ламп.

Рисунок 19. Штырьковые цоколи

1.   G4 и G9 в основном применяются для капсульных ламп JC и их разновидностей;

2.      GU5.3 используются в лампах точечного освещения MR11 иMR16;

3.      G9 и G13 используются в линейных лампах Т5, Т8 и Т12.

·    Поворотно-штырьковые цоколи GU10 и GU24 (рисунок 20) используются там, где из-за вибрации или внешних воздействий лампа с простым штырьковым цоколем может выпасть. Лампы с таким цоколем вставляются в патрон и проворачиваются до упора в специальном замке.

Рисунок 20. Поворотно-штырьковые цоколи GU10 и GU24

·        Цоколи с байонетным соединением типа B (рисунок 21, 22) похожи по методу подключения на цоколи GU - при установке в патрон их надо провернуть, чтобы зафиксировать в байонетном замке. Лампы с такими цоколями используются в проекторах и транспорте, где требуется жёсткая фиксация источника света в условиях вибрации.

Рисунок 21. Цоколи с байонетным соединением типа B

Рисунок 22. Схема байонетного соединения

·        Одноконтактные цоколи типа SC и софитные типа SV (рисунок 23) в основном используются в автомобильных лампах. Цифра обозначает наружный диаметр корпуса в миллиметрах (S6, S7, S8,5) [2].

Рисунок 23. Одноконтактные цоколи типа SC и софитные типа SV

Самый распространённый тип цоколя Е27, который можно встретить повсеместно. В основном используется с колбами типа А, поэтому такой цоколь и будет применим в проекте.

5. Расположение светодиодов

Существуют различные расположения светодиодов в лампах общего назначения, ниже будут рассмотрены 2 основных из них.

·        Первый и самый распространенный вид расположения - это крепление светодиодов на плоское алюминиевое основание (рисунок 24)

Рисунок 24. Светодиоды на алюминиевом основании

Плюсами данного расположения являются простота крепления, а так же отсутствие в надобности отражателя благодаря направленности светодиодов. Минусом данного расположения можно считать малый угол раскрытия, равный 1200.

·        Расположение “пирамидой”. В данном случае светодиодные платы крепятся в специальные пазы в алюминиевой пирамиде (рисунок 25).

Рисунок. 25 Светодиодная “пирамида”

Пирамида может состоять из трех-четырех граней, в каждой из которых располагается плата со светодиодами. Количество светодиодов на плате определяется требуемыми параметрами лампы. Под пирамидой находится отражатель, для повышения световой отдачи светодиодов.

Главным достоинством данного расположения является значительно более широкий угол раскрытия света, равный 2700. Недостатком стоит считать более сложную конструкцию.

Из выше изложенного можно сделать вывод, что наиболее подходящее расположение светодиодов в лампе имеет конструкция “пирамидой”, ввиду того что угол раскрытия такой конструкции наиболее приближен к лампе накаливания. Благодаря этому замена на данную модель будет менее ощутима для глаза человека.

Заключение

Инновационная светодиодная лампа - наиболее актуальный на сегодняшний день продукт новейших технологий, воплощенных в высококачественных, надежных электротехнических изделиях, которые прослужат долго. Использование светодиодных ламп позволит значительно сократить расходы на освещение, при этом, не ухудшая его видимое качество и безопасность для здоровья человека и окружающей среды, а напротив - улучшая [1].