DE10103422A1

DE10103422A1 - Lichtquellen auf Halbleiterbasis für höhere Spannungen und höhere Leistungen, für Gleichstrom und für Wechselstrom

Info

Publication number: DE10103422A1
Application number: DE10103422A
Authority: DE
Inventors: Erich Kaifler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2002-08-01

Abstract

Lichtquellen auf Halbleiterbasis (LEDs, LED-Strukturen...) für höhere Leistungen und höhere Spannungen (Netz), für Gleichstrom und Wechselstrom in marktüblichen Sockeln oder sonstigem montiert. Die Lichtquellen können aufgrund der eingesetzten Montagetechnik bzw. der verwendeten Technologie zusätzlichen Komfort bieten, wie z. B. freie Farbwahl, Dimmbarkeit, Modulation des Lichtes etc.

Description

Stand der Technik

Als Lichtquellen werden heute im wesentlichen Glühlampen und Leuchtstofflampen für den Netzspannungsbereich 110 V/220 V verwendet. Der Verbrauch liegt meistes im Bereich von 20 W bis 200 W, der Lichtstrom meist im Bereich von etwa 200 Lumen bis 1500 Lumen mit etwa 12 L/W.

In weiten Bereichen werden auch Halogenlampen für Betriebsspannungen von 12 V und 24 V eingesetzt. Voraussetzung für den Betrieb ist ein rel. schwerer Transformator oder ein zusätzliches Netzteil. Diese Lichtquellen werden meist im Bereich von 10 W bis 50 W verwendet mit etwa 15 L/W.

Einen dritten Schwerpunkt bilden die Leuchtstofflampen und die Sparlampen, die in ähnlichen Leistungsklassen angeboten werden, jedoch einen besseren Wirkungsgrad haben (etwa 60 L/W).

Nachteil all dieser Lichtquellen ist die beschränkte Dimmbarkeit, der zum Teil schlechte Wirkungsgrad, die z. T. hohe Wärmeentwicklung und eine mangelhafte Flexibilität bei Farbgebung und Betriebsspannung. Der Lichtstrom ist bei Glühlampen und bei Leuchtstofflampen mehr oder weniger in alle Richtungen gleichmäßig verteilt. Für große Lichtstärken (cd) werden deshalb ein hoher Lichtstrom (L) oder große Reflektoren benötigt.

Dem gegenüber kommen mehr und mehr LEDs zum Einsatz, die jedoch nur einen geringen Lichtstrom (L) haben und nur für kleine Betriebsspannungen geeignet sind, sofern nicht durch den Vorwiderstand einbußen beim Wirkungsgrad in Kauf genommen werden. Für größere Flächen bzw. größere Leistungen werden im DC Bereich mehrere Einzel LEDs in Reihe und/oder parallel geschaltet (z. B. KFZ Rücklicht 12 V . . .)

Monolithische Lichtquellen (LED's) für Netzanwendungen (. . . 110 V, 220 V . . .) werden noch nicht angeboten, da konkurrenzfähige Lösungen nicht erreichbar schienen. Diverse technische Maßnahmen machen jedoch auch diese Einsatzgebiete zugänglich, insbesondere wenn die neuen techn. Möglichkeiten ausgeschöpft und beim Kostenvergleich mit berücksichtigt werden. Derartige monolithische Lichtquellen können in spezielle Gehäuse montiert werden oder, unter Berücksichtigung der mechanischen Abmessungen auch in Gehäuse für die gängigen Fassungen.

Helle LEDs haben heute einen Lichtstrom von etwa 15 L/W.

Als Grundbaustein können die LEDs, mit einem gemeinsamen Vorwiderstand, in Reihe geschaltet werden (Abbildung: 1). Für 12 V Anwendungen z. B. 5 LEDs mit einer Gesamt-Durchlaßspannung von etwa 5 × 2 V und einem Vorwiderstand zur Strombegrenzung (für 220 V Anwendungen etwa 100 LEDs). Diese Einheit ist für Gleichspannung geeignet.

Für Wechselspannung wird die LED-Kette in eine Gleichrichterbrücke nach Abb. 2 oder nach Abb. 3 geschaltet

Um weißes Licht zu erzeugen, oder geringfügig getöntes oder eine beliebige Farbschattierung, wird eine der gewünschten Farbe entsprechende Anzahl von z. B. roten, grünen, und blauen LEDs verwendet. Die LEDs können je nach Farbe in einer "LED-Kette" des Brücken-Gleichrichters zusammengefaßt sein, oder in Teilen davon, oder auf die 4 LED-Ketten verteilt (z. B. um Flimmern möglichst zu unterdrücken, auch wenn die Ketten mechanisch rel. weit voneinander entfernt sind). Entsprechend wird bei anderen Verfahren zur Gleichrichtung, z. B. in Verbindung mit Übertragern oder Mini-Induktivitäten verfahren.

Derartige LED-Ketten sind mittels eines Potentiometers (z. B. nach Abbildung: 4) dimmbar. Ich ersten Fall, (die LEDs sind nach Farbe zusammengefaßt) kann der Farbton des Lichtes eingestellt werden indem jeder LED-Kette ein Potentiometer vorgeschaltet wird. Je nach eingestelltem Strom wird der Farbanteil der betreffenden Kette kleiner oder größer (Abb. 5).

Die oben beschriebenen Varianten sind auch bei DC Betrieb möglich.

Alle obigen Schaltungen können

A) mit diskreten Bauelementen gebaut werden
B) mit Multichip Technik, d. h. daß einzelne Chips (LED's und R's etc.) (Abb. 11) auf einem gemeinsamen Substrat zusammengefaßt werden.
C) in einer SOI (Silicon On Isolator)-Technik hergestellt werden, wobei Silizium nach Bedarf auch durch ein anderes Material ersetzt werden kann. Vorteilhaft ist in diesem Fall, daß nicht eine große Anzahl von Diskreten Bauelementen oder Chips gehandhabt werden muß, sondern daß die benötigten Elemente (LED's, Widerstände, etc.) in einem Fertigungsprozess hergestellt werden können.
Zur Erzeugung einer LED-Struktur in einer dünnen Schicht (z. B. einkristallines Silizium) wir dieses epitaktisch auf ein isolierendes Substrat aufgebracht. Als isolierendes Substrat kommen verschiedene Materialien in Frage, wie z. B. Saphir (Al₂O₃), Spinell (MgAl₂O₄) oder unter bestimmten Voraussetzungen Siliziumoxid (SiO₂) und Siliziumnitrid (Si₃N₄) mit nachfolgenden Temperaturbehandlungen.
D) Durch anderweitige Techniken um isolierte Wannen im Halbleitersubstrat zur Aufnahme der (LED) Dioden, herzustellen (Dielektrische Isolationstechnik etc.), für die es heute eine Reihe erprobter Techniken gibt.

Die Halbleiterlösungen (Fälle "C" und "D") ermöglichen es auch ohne großen Aufwand zusätzliche Funktionen im gleichen Chip mit unterzubringen. Hier kommen Schaltungen

1. zum Dimmen,
- - zur Farbgebung des Lichtes
- - zur Modulation des Lichtes
- - zur Fernbedienung mittels Infrarot, Piezo etc. z (Dimmen, Farbgebung, etc. (Abb. 9)).
- - zur automatischen Anpassung an das 110 V Netz bzw. 220 V Netz etc. in Frage.

Es ist auch möglich diese und andere Funktion in der üblichen Schaltungstechnik mit Einzelbausteinen (R's, C's, IC's etc.) herzustellen. Zur Modulation kommt z. B. die Schaltung nach Abb. 8 in Frage.

Das Netzteil, bestehend aus Transformator (Tr), Brückengleichrichter (B) und Elko (C) stellt die gewünschte Betriebsspannung (hier 12 V) zur Verfügung. Der Spannungsregler (S) sorgt für eine saubere Gleichspannung auf dem Niveau für die Schaltkreise. Im EPROM (E) sind der gewünschte Helligkeitsverlauf oder andere Funktionen hinterlegt. Der FET-Baustein steuert mit dem modulierten Ausgangsstrom die LED-Gruppe (L) an. Die Schaltung sorgt, auch stark abgedimmt, für flimmerfreies Licht.

Für Lichtquellen kleiner Leistung (Hintergrundbeleuchtung, Anzeigen etc.) können Mini-Induktivitäten verwendet werden um Lampen mit wenigen LED's vom Netz (z. B. 220 V) zu speisen ohne große Verluste in Kauf nehmen zu müssen (Abbildung: 7).

Claims

1. Lichtquellen für höhere Spannungen und höhere Leistungen auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtemittierenden Halbleiter in Sockel für die handelsüblichen Glühlampen, Halogenlampen, Leuchtstofflampen etc. montieirt werden oder in neue Gehäuse die gegebenenfalls auch für diese Fassungen geeignet sein können.

2. Lichtquellen für höhere Spannungen und höhere Leistungen auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen für DC ausgelegt sind (Abb. 1).

3. Lichtquellen für höhere Spannungen und höhere Leistungen auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen für AC ausgelegt sind (Abb. 2).

4. Lichtquellen für höhere Spannungen und höhere Leistungen auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet, daß der Farbton des Lichtes der Lampe durch die Anzahl der LEDs einer bestimmten Farbe festgelegt wird.

5. Lichtquellen für höhere Spannungen und höhere Leistungen auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet, daß der Farbton des Lichtes durch unterschiedliche Ansteuerung der farbigen LEDs gebildet wird oder durch eine Kombination mit Anspr. 4.

6. Lichtquellen für höhere Spannungen und höhere Leistungen auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen für AC Anwendungen ausgelegt sind und mit den LEDs die Brückenschaltung gebildet wird (Abb. 3).

7. Lichtquellen für höhere Spannungen und höhere Leistungen auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen nach Ansprüchen 1 bis 6 durch eine Potentiometer wie z. B. nach Abb. 4 geregelt werden können.

8. Lichtquellen für höhere Spannungen und höhere Leistungen auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen in jedem Zweig der Brückenschaltung oder in anderen Anordnungen, getrennt geregelt werden können (z. B. Abb. 5).

9. Lichtquellen für höhere Spannungen und höhere Leistungen auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet, daß in den Schaltungen (nach Anspr. 1 bis 8) die LEDs nach Farbe bzw. Durchlaßspannung etc. zusammengefaßt sind.

10. Lichtquellen für höhere Spannungen und höhere Leistungen auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet, daß in den Schaltungen (nach Anspr. 1 bis 6) die LEDs in Farbe bzw. Durchlaßspannung nach Erfodernis über die Ketten verteilt sind (etwa um Flimmern zu unterdrücken).

11. Lichtquellen für höhere Spannungen und höhere Leistungen auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet, daß der Komfort der Lichtquellen durch zusätzliche Schaltungen ergänzt wird.

12. Lichtquellen für höhere Spannungen und höhere Leistungen auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung zum Dimmen mit eingebaut wird.

13. Lichtquellen für höhere Spannungen und höhere Leistungen auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung zum Einstellen des gewünschten Licht - Farbtones mit eingebaut wird.

14. Lichtquellen für höhere Spannungen und höhere Leistungen auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung zur automatischen Anpassung an die vorhandene Netzspannung mit eingebaut wird.

15. Lichtquellen für höhere Spannungen und höhere Leistungen auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung zur Modulation des Lichtes (z. B. pulsierendes Licht) mit eingebaut wird (z. B. nach Abb. 12).

16. Lichtquellen für höhere Spannungen und höhere Leistungen auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung zur Fern bedienung (zum Dimmen, für die Farbgebung etc.) mit eingebaut wird.

17. Lichtquellen für höhere Spannungen und höhere Leistungen auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen nach Anspr. 1 bis 16 und 21 mit diskreten Bauelementen gebaut werden.

18. Lichtquellen für höhere Spannungen und höhere Leistungen auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen nach Anspr. 1 bis 16 und 21 in Multichiptechnik gebaut werden.

19. Lichtquellen für höhere Spannungen und höhere Leistungen auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen nach Anspr. 1 bis 16 und 21 in SOI Technik gebaut werden, wobei Silizium auch durch andere Materialien ersetzt sein kann.

20. Lichtquellen für höhere Spannungen und höhere Leistungen auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen nach Anspr. 1 bis 16 in dielektrischer Isolationstechnik, einer anderen Technik oder in Kombination verschiedener Techniken gebaut werden.

21. Lichtquellen für höhere Spannungen und höhere Leistungen auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet, daß eine Timerschaltung mit eingebaut wird.