AT414200B

AT414200B - Weisse led-lichtquelle

Info

Publication number: AT414200B
Application number: AT0105101A
Authority: AT
Inventors: Stefan Dr Tasch; Hans Christian Dipl I Hoschopf; Peter Pachler
Original assignee: Tridonic Optoelectronics Gmbh
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2006-10-15
Also published as: DE10230105B4; DE10230105A1; ATA10512001A

Description

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AT 414 200 B

Die vorliegende Erfindung betrifft eine weiße LED-Lichtquelle bestehend aus verschiedenen LED-Dice, die auf einer Leiterplatte in einem minimalen Abstand zueinander und gemeinsam unter einer kuppelförmigen Verkapselung angeordnet sind, wobei die LEDs mittels einer externen Spannungs- oder Stromversorgung in Betrieb genommen werden und wobei Konstant-5 Stromquellen für die LEDs vorgesehen sind. LEDs sind in verschiedenen Farben mit hoher Farbsättigung erhältlich. LEDs, die intrinsisch eine sehr breite Emission aufweisen, wie dies speziell für weiße LEDs notwendig ist, sind bisher technologisch nicht erhältlich. Allerdings gibt es verschiedene Verfahren, um durch eine speziel-10 le Anordnung bzw. durch einen speziellen Aufbau weiße Emissionsfarbe basierend auf farbigen LEDs zu erzeugen. Dies kann einerseits dadurch erfolgen, dass durch eine Farbkonversions-technik aus dem Licht blauer oder ultravioletter LEDs, die mit einem Farbkonversionsmedium überzogen sind, weißes Licht erzeugt wird. Das Farbkonversionsmedium wandelt nämlich einen Teil der blauen Emission in Licht einer niedrigeren Wellenlänge (z.B. gelb) um, wodurch in 15 Summe weißes Licht entsteht.

Andererseits kann weißes Licht durch eine Mischung der Emissionsfarben von geeigneten verschiedenfärbigen LEDs erfolgen. Auch derartige Lösungen sind Stand der Technik, siehe z.B. die JP 11163412 A2, wo eine LED-Lichtquelle der eingangs genannten Art beschrieben ist. 20 Es sind dort jeweils drei LED-Chips verschiedener Farbe (rot-grün-blau, RGB) nebeneinander angeordnet. Bei diesen LED-Lichtquellen sind meist vier Kontakte nach außen geführt. Diese werden separat mit drei Zuleitungen und einer gemeinsamen Elektrode angesteuert.

Um die gewünschte Emissionsfarbe einzustellen, müssen diese Kontakte nun separat mit Strom 25 versorgt werden. Bei geeigneter Wahl der Stromstärken kann weißes Licht beliebiger Farbtemperatur erzeugt werden, bei ungeeigneter Wahl können aber verschiedenste Farben entstehen.

Auch gemäß der DE 19624087 A1 wird weißes Licht mit drei verschiedenen LED-Farben, nämlich rot, grün und blau, erzeugt. Zur Farbsteuerung sind die verschiedenen LED-Farben bzw. 30 Farbkanäle einzeln ansteuerbar (wie auf Seite 7, Zeilen 54-55 erwähnt). Dieses Farbsteuerprinzip wird auch in der US 6234645 B1 (in Absatz 3, Zeilen 43-47) beschrieben, wobei hier allerdings viel LEDs zum Einsatz kommen sollen.

Aus der DE 2315709 A ist eine Strahlungselement-Anordnung mit Halbleiterbauteilen bekannt, 35 wobei die Dioden alle gleich (vorzugsweise IR-LEDs) sind und in Reihen- bzw. in Serienschaltung miteinander elektrisch in Verbindung stehen.

Kombinationen von LEDs mit Konstantstromquellen sind aus der DD 205307 A und aus der DE 2304506 A bekannt. 40

Es ist aus der US 5851063 A1 bekannt, dass der Ra-Wert bei drei verschiedenfärbigen LEDs noch relativ schlecht ist, bei vier verschiedenfärbigen LEDs jedoch deutlich besser ist. Es wird dabei aber die Steuerung noch schwieriger, weil jetzt der Strom durch vier LEDs richtig eingestellt werden muss. 45 Für viele Anwendungen, bei denen weißes Licht benötigt wird, kommt diese Methode aufgrund des hohen Steuerungsaufwandes nicht in Frage, so dass üblicherweise weiße LEDs basierend auf der Farbkonversionstechnik eingesetzt werden, wo allerdings der Ra-Wert noch schlechter ist. 50

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine LED-Lichtquelle der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen guten Ra-Wert hat, die dennoch einfach anzusteuern ist und die kostengünstiger in der Herstellung und im Betrieb (pro lumen emittiertem Lichtstrom) verglichen mit der Farbkonversionstechnik ist. 55 3

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Diese Aufgabe wird durch eine LED-Lichtquelle der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest zwei LEDs auf GaN-Basis und zumindest zwei LEDs auf Alln-GaP-Basis vorhanden sind, dass der Stromfluss durch die LEDs auf GaN-Basis und der Stromfluss durch die LEDs auf AlInGaP-Basis durch zwei Konstantstromquellen getrennt einstellbar 5 bzw. eingestellt ist, wobei die GaN- und die AlInGaP-LEDs zueinander parallel geschaltet sind und die LEDs einer Type in Serie geschaltet sind.

Die Emissionsspektren der LEDs besitzen eine relativ geringe Halbwertsbreite zwischen 20 und 100 nm. Durch den Einsatz von drei verschiedenfärbigen LED-Chips kann daher nicht gewähr-io leistet werden, dass Lichtintensität über den gesamten sichtbaren Spektralbereich bereit gestellt wird. Letzteres ist aber Voraussetzung, um gute Farbwiedergabe zu erhalten. Aus diesem Grund werden gemäß der vorliegenden Erfindung, um gute Farbwiedergabe zu erhalten, zumindest vier Chips verschiedener Emissionsfarbe zur Erzeugung weißer Emission eingesetzt. Damit dennoch die Ansteuerung einfach bleibt, sind die LEDs gleicher Type jeweils in Serie 15 geschaltet, d.h. von gleich starkem Strom durchflossen. Es hat sich gezeigt, dass durch Veränderung des Verhältnisses der Stromstärken in den beiden parallel geschalteten Zweigen sich die Farbtemperatur ändert, aber kaum andere Abweichungen auftreten. Somit ist die Steuerung der erfindungsgemäßen LED-Lichtquelle sehr einfach. 20 Der weiße Farbort kann durch eine interne Beschaltung von vomeherein eingestellt sein, so dass keine Einstellungsvorgänge vom Anwender vorgenommen werden müssen. Die LED-Lichtquelle weist dann nur zwei Kontakte nach außen auf. Diese sind entweder mit einer zu definierenden DC-Spannung zu betreiben (in diesem Fall sind zur Regelung der beiden Serienschaltungen zwei Konstantstromquellen auf einer oder mehreren Leiterplatten angeordnet), 25 oder mittels einem zu definierenden Konstantstrom zu betreiben (in diesem Fall ist auf der Platine ein Stromteiler assembliert). Es können aber auch drei Kontakte nach außen geführt werden, um dem Benutzer die Möglichkeit zu geben, die Farbtemperatur einzustellen.

Außer diesen Vorteilen bringt dieses Konzept für den Anwender einen Kostenvorteil: durch die 30 erfindungsgemäße Auswahl der LED-Dice wird erreicht, dass diese jeweils etwa mit den maximal möglichen Betriebsparametern betrieben werden, und dieser Betrieb ergibt das gewünschte weiße Licht. Dies steht im Gegensatz zu dem weißen Licht der RGB-LEDs, bei denen zur Erzeugung der weißen Emission die Betriebsströme einzelner Dice deutlich reduziert werden müssen. Aus diesem Grund kann mit der erfindungsgemäßen Lösung bei gleichen Bauteilkos-35 ten mehr weißes Licht erzeugt werden, und das mit einem bedeutend geringeren elektronischen Ansteuerungsaufwand. Im Vergleich zur Farbkonversionstechnik ergibt sich ein Kostenvorteil dadurch, dass die blauen LEDs um mehr als einen Faktor 5 teurer als die orangefarbigen oder roten LEDs sind (bei vergleichbaren Leistungsausbeuten). Da gemäß der vorliegenden Erfindung ein beträchtlicher Teil der eingesetzten LEDs aus diesem langwelligen Emissionsbereich 40 stammt, der mit LEDs günstigerer Einkaufskosten abgedeckt werden kann, wird daher auf günstigere Weise weißes Licht erzeugt.

Um die während des Betriebes der LEDs anfallende Verlustwärme abführen zu können, muss die Lichtquelle mit einem geeignet dimensionierten Kühlkörper thermisch gekoppelt sein. Beim 45 Kühlkörper kann es sich um einen Teil des Leuchtenkörpers handeln.

Vorzugsweise beträgt die Kühloberfläche zumindest 15 cm2 und ist diese entweder durch einen Kühlkörper oder die Leiterplatte selbst gebildet. Die Leiterplatte soll gute thermische Leitfähigkeit aufweisen, wie Keramiken, Metallkernleiterplatten oder Kunststoffleiterplatten mit ausge-50 dehnten Kupferleiterbahnen.

Es ist zweckmäßig, wenn die LEDs in Chip-On-Board- oder Flip-Chip-Technologie auf der Leiterplatte angeordnet sind. Diese Technologien gestatten eine Assemblierung der LED-Chips in sehr geringem Abstand zueinander, vorzugsweise beträgt der Abstand maximal 0,4 mm. 55 Dadurch kann eine gute Farbmischung der Emission der einzelnen Chips gewährleistet werden. 4

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Durch geeignete Wahl der Materialien kann mit der COB-Technologie eine exzellente thermische Leitfähigkeit im Bereich von 15 bis 80 W/Km erzeugt werden. Aus diesem Grund können die LEDs bei gleichen Betriebstemperaturen mit höheren Betriebsströmen betrieben werden. Die Emissionsverteilung der emittierten Intensität kann durch eine gemeinsame Linse, welche 5 über den Dice angeordnet wird, definiert eingestellt werden.

Typischerweise sind zumindest vier LEDs in den Farben rot, orange, grün und blau vorhanden (Vierbandenweiß). Mit der Emissionsfarbe, die sich aus dieser Kombination ergibt, kann weißes Licht mit guter Farbwiedergabe erzeugt werden. 10

Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung liegt das Maximum der blauen Emission im Bereich 450-470 nm, das Maximum der grünen Emission im Bereich 530-540 nm, wobei sich der blaue und der grüne Anteil im Spektrum leistungsmäßig um nicht mehr als 50% zueinander unterscheiden, weiters liegt das Maximum der orangefarbenen Emission im Bereich 15 580-595 nm und das Maximum der roten Emission im Bereich 620-635 nm, wobei der orange farbene Anteil leistungsmäßig 40-60% des roten Anteiles ausmacht, wodurch ein Ra-Wert > 80 erzielt werden kann. Das ist besser als herkömmliche Leuchtstoffröhren.

Vorzugsweise sind ein blauer und ein grüner LED-Die sowie drei bzw. vier rote bzw. orangefar-20 bene vorhanden. Dadurch kann die Betriebsspannung durch die LEDs in beiden Parallelschaltungen annähernd gleich gut ausgenützt werden und es gibt bei geeigneter Wahl der Betriebsspannung nur einen geringen Spannungsabfall und damit Leistungsverlust an der Elektronik.

Die Kontaktierung des Leuchtmittels kann mittels verschiedener Methoden erfolgen: durch 25 angelötete Drähte; durch mittels SMT-Technik auf die Platine aufgesetzte Stecker; mittels durchlaufender Drähte, die die Platine von der Oberseite kontaktieren (dies kann entweder von der Vorder- oder der Rückseite des Platinenkörpers durchgeführt werden).

Bei der zuletzt genannten Methode werden basierend auf den einzelnen LED-Lichtquellen 30 lineare Zeilenemitter aufgebaut, indem die einzelnen LED-Lichtquellen durch seitlich verlaufende Kontaktstellen mittels durchlaufender Drähte miteinander parallel verschaltet werden. Auf die am Rand der Leiterplatte verlaufenden Kontaktstellen werden die durchlaufenden Kontaktdrähte mechanisch aufgedrückt und hierdurch elektrisch kontaktiert. 35 Zur Erhöhung des Gesamtlichtstromes können einzelne Punktlichtquellen miteinander kombiniert werden. Wenn mehrere derartige LED-Lichtquellen linear angeordnet sind, eignet sich diese Leuchte als Notlicht. Für derartige Anwendungen wird die Konstantstromquelle, die für den Betrieb der LEDs notwendig ist, direkt auf die Platine assembliert bzw. ist der Betrieb mit einer Konstantstromquelle mit variabler Spannungshöhe durchzuführen. Lineare Anordnungen 40 von Einzelpunktlichtquellen können derart entweder mit Kontaktdrähten von einer zur nächsten Lichtquelle realisiert werden bzw. mittels durchlaufender Kontaktdrähte aufgebaut werden. Letztere Anordnung hat den Vorteil, dass selbst bei einem Ausfall einer Punktlichtquelle die anderen weiter in Betrieb sind. 45 Anhand der beiliegenden Figuren wird die vorliegende Erfindung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein schematisches Schaltbild von LED-Lichtquellen gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen LED-Lichtquelle von oben; und Fig. 3 die spektrale Intensitätsverteilung einer erfindungsgemäßen LED-Lichtquelle. so Zur Erzeugung von weißem Licht werden folgende LED-Chips eingesetzt: 1a blau basierend auf einer GaN-Technologie mit einer Emissionswellenlänge zwischen 475 und 480 nm 1b grün basierend auf einer GaN-Technologie mit einer Emissionswellenlänge zwischen 530 und 540 nm 55

Claims

5 AT 414 200 B 1c amber basierend auf AlInGaP Grundmaterial mit einer Emissionswellenlänge von 585-595 nm 1d rot basierend auf AlInGaP Grundmaterial mit einer Emissionswellenlänge von 600-610 nm 5 Die LEDs 1a-1d (siehe Fig. 2) sind in einem minimalen Abstand zueinander auf einer Leiterplatte 3 angeordnet, der im Wesentlichen durch verarbeitungstechnische Vorgaben (wie Strukturierungsbreite bzw. Bondbarkeit) gegeben ist. Der mittlere Mittelpunktsabstand zwischen zwei LEDs 1 beträgt 0,6 mm. io Die zwei GaN-LEDs werden mit einem mittleren Betriebsstrom von 30 mA betrieben, während die zwei AlInGaP LEDs mit 70 mA angesteuert werden. Aus diesem Grunde sind die LEDs gleicher Type (1a und 1b bzw. 1c und 1d) in Serie geschaltet, und die beiden Zweige werden - jeder mit einer eigenen Konstantstromquelle 8a und 8b - parallel betrieben (siehe Fig. 1). 15 Fig. 1 zeigt die Schaltung von mindestens zwei LED-Lichtquellen, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind. Auf der Leiterplatte 3 (siehe Fig. 2) ist eine Konstantstromquelle assembliert, die aus Transistoren 5, Dioden 6 und Steuerwiderständen 7 bestehen. Auf einer weiteren Leiterplatte 3 ist eine weitere Konstantstromquelle für den anderen Zweig untergebracht. Zur Spannungsversorgung wird ein 12V DC-Netzgerät eingesetzt, das über eine Kontaktstelle 4 angeschlossen 20 ist. Die Ausdehnung der LED-Lichtquelle beträgt 15 x 15mm2. Es ist eine Polymerlinse 2 vorgesehen, wobei die LED-Dice 1a-1d im Zentrum der Basis diser Polymerlinse 2 angeordnet sind. Die Abbildungsoptik hat einen Durchmesser von 5 mm. 25 Mit dieser Anordnung wird weiße Emission mit einer Farbtemperatur von 4000 K realisiert. Der Ra-Wert für die Farbwiedergabe beträgt 88. Der emittierte Lichtstrom beträgt 7 Im. Die mittlere Effizienz beträgt 14 Im/W. Die spektrale Intensitätsverteilung (relative Intensität I in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ) ist in Fig. 3 dargestellt. 30 Um die Farbtemperatur auf 5000 K zu ändern, braucht nur der Betriebsstrom der AlInGaP LEDs auf 60 mA reduziert werden. 35 Patentansprüche: 1. Weiße LED-Lichtquelle bestehend aus verschiedenen LED-Dice, die auf einer Leiterplatte in einem minimalen Abstand zueinander und gemeinsam unter einer kuppelförmigen Verkapselung angeordnet sind, wobei die LEDs mittels einer externen Spannungs- oder 40 Stromversorgung in Betrieb genommen werden und wobei Konstantstromquellen für die LEDs vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei LEDs (1a, 1b) auf GaN-Basis und zumindest zwei LEDs (1c, 1d) auf AlInGaP-Basis vorhanden sind, dass der Stromfluss durch die LEDs (1a, 1b) auf GaN-basis und der Stromfluss durch die LEDs (1c, 1d) auf AlInGaP-Basis durch zwei Konstantstromquellen getrennt einstellbar bzw. ein- 45 gestellt ist, wobei die GaN- (1a, 1b) und die AlInGaP-LEDs (1c, 1d) zueinander parallel geschaltet sind und die LEDs einer Type (1a, 1b bzw. 1c, 1d) in Serie geschaltet sind. (Fig. 1)
2. LED-Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der beiden Serienschaltungen zwei Konstantstromquellen (8a, 8b) auf einer oder mehreren Leiterplat- 50 ten (3) angeordnet sind.
3. LED-Lichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle mit einem Kühlkörper thermisch gekoppelt ist.
4. LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die 6 AT 414 200 B Kühloberfläche zumindest 15 cm2 beträgt und diese entweder durch einen Kühlkörper oder die Leiterplatte (3) selbst gebildet ist.
5. LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die 5 Leiterplatte (3) gute thermische Leitfähigkeit aufweist, wie Keramiken, Metallkernleiterplat ten oder Kunststoffleiterplatten mit ausgedehnten Kupferleiterbahnen.
6. LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die LEDs (1a-1d) in Chip-On-Board- oder Flip-Chip-Technologie auf der Leiterplatte (3) ange- io ordnet sind.
7. LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den LEDs (1a-1d) maximal 0,4 mm beträgt.
8. LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumin dest vier LEDs (1a-1d) in den Farben rot, orange, grün und blau vorhanden sind.
9. LED-Lichtquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Maximum der blauen Emission im Bereich 450-470 nm liegt und das Maximum der grünen Emission im Be- 20 reich 530-540 nm liegt, wobei sich der blaue und der grüne Anteil im Spektrum leistungs mäßig um nicht mehr als 50% zueinander unterscheiden.
10. LED-Lichtquelle nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ra-Wert > 80 ist, dass das Maximum der orangefarbenen Emission im Bereich 580-595 nm liegt und 25 dass das Maximum der roten Emission im Bereich 620-635 nm liegt, wobei der orangefar bene Anteil leistungsmäßig 40-60% des roten Anteiles ausmacht.
11. LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein blauer und ein grüner LED-Die sowie drei bzw. vier rote bzw. orangefarbene vorhanden 30 sind.
12. LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung durch angelötete Drähte erfolgt.
13. LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung durch mittels SMT-Technik auf die Platine aufgesetzte Stecker erfolgt.
14. LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung mittels durchlaufender Drähte erfolgt, die die Platine von der Oberseite kon- 40 taktieren.
15. LED-Lichtquellen nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere derartige LED-Lichtquellen linear angeordnet sind. 45 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 50 55