DE102007043355A1 - LED-Modul, LED-Leuchtmittel und LED Leuchte für die energie-effiziente Wiedergabe von weißem Licht - Google Patents

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DE102007043355A1
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Abstract

Ein LED-Modul besteht wahlweise aus mindestens keiner, einer oder mehreren LEDs der Gruppe B und/oder der Gruppe G und/oder der Gruppe R und mindestens einer oder mehreren LEDs aus der Gruppe P, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Phosphore/Phosphormischungen der LEDs der Gruppe P so gewählt ist, dass deren photometrische Effizienz (Im/W) in Abhängigkeit von der CIE x-Koordinate im Maximum oder nahe dem Maximum liegt.

Description

  • Stand der Technik:
  • Es sind verschiedenste Ausführungen von EL-Leuchten bekannt, bei denen basierend auf LED's weißes Licht erzeugt wird. Im Wesentlichen sind zwei unterschiedliche Ausführungsarten bekannt. In der ersten wird die Emission von drei monochromen LED's additiv zu weiß gemischt. Meist werden dabei die Grundfarben rot, grün und blau eingesetzt, kurz oft mit RGB bezeichnet.
  • Die zweite Ausführungsform basiert auf dem Einsatz von Konversionsleuchtstoffen, meist kurz Phosphor genannt. Dabei wird ein Teil der primären Emission der LED (meist blau im Wellenlängenbereich von ca. 460 nm) vom Phosphor absorbiert und als Sekundärstrahlung in höherer Wellenlänge wieder emittiert. Die Emissionswellenlänge kann dabei von 500 nm (grün) bis 630 nm (rot) variieren. Wenn man einen Phosphor mit Emission einer Komplementärfarbe (für blau ist dies gelb) einsetzt, kann man additiv weiße Emission realisieren. Derartige Lösungen sind in einer großen Anzahl von Patenten beschrieben, so auch z. B. in der WO 02/054502A1 oder der DE19638667C2 .
  • Die Nachteile der EL Leuchten nach dem Stand der Technik sind bei den RGB Ausführungen die Temperaturabhängigkeit der Emissionsfarbe, weil die einzelnen LED's unterschiedliche Temperaturkoeffizienten und auch unterschiedliches Verhalten über die Lebensdauer aufweisen. Dies kann über eine entsprechend aufwendige Steuerung bzw. Regelung ausgeglichen werden, wie z. B. in der DE60021911T2 beschrieben.
  • Ein weiterer essentieller Nachteil von RGB Lösungen ist die geringe Farbwiedergabe. Bei der Kombination der in Tab. 01 angeführten LED's wird ein Ra8-Wert von 22 erzielt. Das Spektrum ist in 01 dargestellt. Die Abszisse stellt die Wellenlänge in nm – die Ordinate die Intensität dar.
    Lichtfarbe x y Dom. Wellenl. (nm)
    blau 0,1442 0,0410 462,9
    grün 0,1983 0,6966 529,7
    rot 0,7000 0,2996 627,4
    Tab. 01: RGB LED's
  • Durch das Hinzufügen von Amber-LED's kann die Farbwiedergabe erhöht werden. Bei der Kombination von der in Tab. 02 angeführten LED's wird ein Ra8 Wert von 82 erzielt. Das entsprechende Spektrum ist in 2 dargestellt. Durch diese weitere LED erhöht sich jedoch der Aufwand für Steuerung bzw. Regelung.
    Lichtfarbe x y Dom. Wellenl. (nm)
    blau 0,1442 0,0410 462,9
    grün 0,1983 0,6966 529,7
    amber 0,6010 0,3983 529,0
    rot 0,7000 0,2996 627,4
    Tab. 02: RGBA LED's
  • Bei der Ausführung „blaue LED plus Phosphor" kann in 2 Gruppen unterteilt werden – die Gruppe der LED-Lösungen, die kaltes Licht (z. B.: 6500 K) emittieren bzw. jene Gruppe, die warmes Licht (z. B.: 3000 K) emittieren.
  • Bei Ausführungen mit Farbtemperatur 6500 K ist die Effizienz hoch, die Lösung hat aber eine unzureichende Farbwiedergabe von ca. Ra8 = 70–75.
  • Diese Ausführungsform ist somit nur bedingt für die Allgemeinbeleuchtung anwendbar.
  • Mit der Ausführung Farbtemperatur 3000 K kann ein Ra8 > 90 erreicht werden.
  • Ein bedeutender Nachteil dieser Lösung ist, dass die Emission des Phosphors über einen relativ weiten Wellenlängenbereich (große Halbwertsbreite) erfolgt. Die mit Phosphor erzeugte radiometrische Energie (Strahlungsleistung) wird im Wellenlängenbereich von 520 bis 800 nm emittiert. Die Augenempfindlichkeitskurve V(lambda) bewertet diese Energie bei Wellenlängen ab 650 nm als nur sehr gering. Daher wird unnötig Energie verschwendet.
  • Diese Zusammenhänge werden an Hand von Abbildungen und Tabellen näher beschrieben
  • Kurzbeschreibung der Abbildungen:
  • 01: Stand der Technik, Spektrum RGB Lösung 3000 K
  • 02: Stand der Technik, Spektrum RGBA Lösung 3000 K
  • 03: Stand der Technik, Spektrum Phosphorlösung 3000 K und V(lambda)
  • 04: Stand der Technik, Vergleich der kumulierten Strahlungsleistung mit dem kumulierten Lichtstrom
  • 05: CIE 1931 Normtafel
  • 06: Emission von Phosphoren unterschiedlicher Peakwellenlänge, dargestellt im CIE 1931 Farbraum
  • 07: Abnahme der Strahlungsleistung mit zunehmender Konzentration der Phosphore
  • 08: Effizienz der Phosphore in Lumen pro Watt als Funktion der Konzentration (dargestellt die ansteigende x-Achse der CIE 1931 Koordinaten); zur leichteren Vergleichbarkeit sind die Werte auf die blaue LED (= 1) normiert
  • 09: Beispiel einer Farbmischung von LED's der Gruppe P und von LED's der Gruppe R im CIE 1931 Farbraum
  • 10: Beispiel einer Farbmischung von LED's der Gruppe P und von LED's der Gruppe R als Spektrum dargestellt; die Hellempfindlichkeitskurve V(lambda) ist auch eingezeichnet
  • 11: Vergleich der kumulierten Strahlungsleistung mit dem kumulierten Lichtstrom der Versuchslampe entsprechend 09
  • 12: Beispiel einer Farbmischung von LED's der Gruppe P, von LED's der Gruppe B und von LED's der Gruppe R im CIE 1931 Farbraum
  • 13: Beispiel eines LED-Modules entsprechend des Beispieles aus
  • 12, wobei allerdings die Leistung der LED's der Gruppe B und LED's der Gruppe R geregelt und gesteuert werden kann. Somit können alle drei dargestellten Spektren mit einem Modul realisiert werden
  • 14: Schaltplan für vier LED's in Serie
  • 15: Schaltplan für vier LED's, zwei Gruppen getrennt steuer- und regelbar
  • 16: Schaltplan für sechs LED's, drei Gruppen getrennt steuer- und regelbar
  • 17: Darstellung eines LED-Moduls mit 18 LED's; drei Gruppen getrennt steuer- und regelbar
  • 18: Darstellung eines LED-Leuchtmittels mit Standardsockel E27
  • 19: Darstellung einer LED-Leuchte mit Reflektor; es kann ein LED-Modul eingesetzt sein oder auch mehrere
  • 20: schematische Darstellung eines LED-Moduls mit LED's der Gruppe B und LED's der Gruppe R unter einem gemeinsamen Phosphorelement Um warmweißes Licht (2700–3500 K) zu erzeugen, müssen auch rote Phosphore eingesetzt werden. Ein entsprechendes 3000 K Spektrum ist in 3 dargestellt. Die Abszisse von 3 stellt die Wellenlänge in nm – die Ordinate die auf 1 normierte Intensität dar. Ebenfalls in 3 ist die Hellempfindlichkeitskurve des Auges V(lambda) enthalten.
  • Wichtig ist die Betrachtung des Flächenbereiches xx ab 600 Nanometer.
  • Dieser Flächenbereich xx ergibt sich zwischen dem abfallenden Kurvenast der V(lamba) Kurve und dem Spektrum.
  • In diesem Bereich wird die Strahlungsleistung durch V(lambda) sehr schlecht bewertet. Dass heißt, man braucht relativ viel Energie, um wenig Licht zu erzeugen. Grund dafür ist, dass die Phosphore in einem breiten Spektrum emittieren.
    min. nm max. nm 3000 KmW 3000 Klm
    380 389 0,01% 0,00%
    390 399 0,02% 0,00%
    400 409 0,03% 0,00%
    410 419 0,04% 0,00%
    420 429 0,08% 0,00%
    430 439 0,28% 0,01%
    440 449 1,48% 0,09%
    450 459 4,59% 0,43%
    460 469 7,19% 0,86%
    470 479 8,97% 1,30%
    480 489 10,23% 1,78%
    490 499 11,49% 2,52%
    500 509 13,13% 4,02%
    510 519 15,42% 7,11%
    520 529 18,34% 12,23%
    530 539 21,79% 19,23%
    540 549 25,67% 27,71%
    550 559 29,98% 37,36%
    560 569 34,73% 47,77%
    570 579 39,90% 58,38%
    580 589 45,42% 68,53%
    590 599 51,16% 77,55%
    600 609 56,93% 84,98%
    610 619 62,56% 90,65%
    620 629 67,91% 94,61%
    630 639 72,84% 97,10%
    640 649 77,31% 98,56%
    650 659 81,27% 99,33%
    660 669 84,71% 99,70%
    670 679 87,69% 99,87%
    680 689 90,23% 99,95%
    690 699 92,37% 99,98%
    700 709 94,16% 99,99%
    710 719 95,64% 100,00%
    720 729 96,87% 100,00%
    730 739 97,89% 100,00%
    740 749 98,72% 100,00%
    750 759 99,40% 100,00%
    760 769 99,96% 100,00%
    770 779 100,00% 100,00%
    Tab. 03: 10 nm Schritte – kumulierte. radiometrische Energie (Strahlungsleistung) in % und dazugehörige kumulierte Lumen in %
  • Mit 80% der radiometrischen Energie (Strahlungsleistung) werden 99% des Lichtstroms erzeugt. 20% der radiometrischen Energie (ab ca. 650 nm) erzeugen nur 1% des Lichtstroms. 4 stellt diesen Zusammenhang graphisch dar. Die Abszisse von 4 stellt die Wellenlänge in nm – die Ordinate die kumulierte Strahlungsleistung bzw. den kumulierten Lichtstrom in % dar.
  • Alle Phosphor-Konversionslösungen erzeugen, verursacht durch die breite Emission der roten Phosphore und die geringere Effizienz der roten Phosphore (08), Strahlungsleistung, die durch V(lambda) schlecht bewertet wird. Man benötigt 20% der Strahlungsleistung um 1% des Lichts zu erzeugen.
  • Neben den oben beschriebenen beiden Ausführungsformen sind auch noch Mischformen bekannt. Beispielhaft wird hier die DE10353293A1 genannt, bei der zu einer weiß emittierenden LED (mit Phosphor) bei Bedarf eine monochromatische rote LED manuell dazugeregelt werden kann. So wird eine Unterwasserlampe realisiert, wobei der Nutzer der Lampe unterschiedliche Reichweiten einzelner Spektralfarben bedingt durch eine wellenlängenabhängige Absorption in gewissen Bereichen ausgleichen kann.
  • In der DE10216394B3 wird eine Konstruktion beschrieben, bei der neben weißen LED's (blau plus Phosphor) auch die vier Farben cyan, grün, gelb und rot eingesetzt werden. Damit erreicht man eine sehr gute Farbwiedergabe, aber keine Verbesserung der Effizienz.
  • In der DE20104704U1 wird die Kombination einer weißen LED mit gelb beschrieben. Das wesentliche Merkmal ist, dass der blaue Anteil mit gelb kompensiert werden soll. Offensichtlich wird ein Kaltweiß mit hohem Blauanteil eingesetzt, was auf keinen Fall die Realisierung eines LED Leuchtmittels hoher Effizienz erlaubt.
  • Die DE202006003878U1 beschreibt Leuchten für Bioreaktoren, wobei für phototrope Zellkulturen möglichst jener Wellenlängenbereich eingesetzt wird, in dem die besagte Zellkultur am besten gedeiht, die einzelnen Spektralbereiche können auch einzeln angesteuert werden.
  • In der DE20317444U1 wird eine Straßenleuchte beschrieben, wobei der Hauptanteil in der spektralen Emission im Bereich grün liegt, es werden aber auch rot, amber, blau und weiß verwendet.
  • Als Nachteile entsprechend dem Stand der Technik sind ungenügende Farbwiedergabe, ineffiziente Nutzung der radiometrischen Energie (Strahlungsleistung) sowie technisch aufwendige Konstruktion zu nennen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein LED Modul für LED-Leuchtmittel und LED-Leuchten zur Verfügung zu stellen, das möglichst hohe Effizienz und hohe Farbwiedergabe aufweist und dabei nicht die Nachteile bestehender Lösungen aufweist.
  • Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre nach Anspruch 1 gekennzeichnet.
  • Das erfindungsgemäße LED Modul vereint die Vorteile der phosphorbasierenden LED-Lösungen mit den Vorteilen der RGB Lösungen.
  • Definitionen:
  • CIE 1931:
  • Das CIE-Normvalenzsystem oder CIE-Normfarbsystem ist die Definition der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE – Commission internationale de I'éclairage), Farben beruhend auf dem menschlichen Farbwahrnehmungsapparat darzustellen. Diese Darstellung erlaubt es, einen Farbort mit 2 Koordinaten darzustellen 5 zeigt das CIE 1931-Diagramm. Die Abszisse stellt den x-Wert des CIE 1931 Diagramms dar- die Ordinate den y-Wert des CIE 1931 Diagramms.
  • Der hufeisenförmige Bereich möglicher Farben ist bei der CIE-Normfarbtafel auf einem Koordinatensystem aufgetragen, auf dem x- und y-Anteil (der CIE-genormten theoretischen Grundfarben X, Y und Z, (auch CIE XYZ-Farbraum genannt) einer beliebigen Farbe A, B, C, E direkt abgelesen werden können.
  • Durch die Grundbedingung x + y + z = 1 lässt sich der z-Anteil jeweils rechnerisch (z = 1 – x – y) ermitteln. Alle möglichen Farben werden durch die Spektralfarblinie (spektral reine Farben) sowie die Purpurlinie eingefasst.
  • Zentraler Bezugspunkt der Tafel ist der in jeder Farbmesssituation wesentliche Weißpunkt A (ca. 3000 K). Je nach Beleuchtungssituation kann sich dieser praktisch überall innerhalb des Hufeisens befinden, technisch von Bedeutung ist jedoch nur die Black-Body Kurve, in deren Verlauf die Farben A, B, C, D, E als Temperatur eines idealen Strahlers (schwarzer Körper) in Kelvin angegeben wird. Über den verwendeten Farbraum hinaus kann die für die spezielle Situation entsprechende Spektralfarbe auf der Spektralfarblinie abgelesen werden. Auf der genau gegenüberliegenden Seite von A, B, C, D, E können die Komplementärfarben auf einer verlängerten Linie abgelesen werden. Der Punkt stellt dabei die äußerste (reinste) Komplementärfarbe dar, der in diesem Fall durch den Schnitt mit der Purpurlinie definiert wird.
  • Die in 5 angegebenen Punkte A, B, C, D, E beziehen sich auf folgende Erläuterung:
    Ursprünglich wurde das CIE-Normvalenzsystem vor allem in Hinsicht auf Beleuchtungsfragen entwickelt. Das System erlaubt prinzipiell jede denkbare Kombination an X-, Y- und Z-Werten, der Einfachheit und Vergleichbarkeit halber wurden jedoch bestimmte Normlichtfarben definiert – die sich alle mehr oder weniger auf der Black-Body-Kurve befinden, und einer bestimmten Farbtemperatur entsprechen.
    CIE-Normbeleuchtung x-Wert y-Wert Bemerkung
    CIE-Normbeleuchtung A 0,4476 0,4074 Lichtspektrum einer Glühlampe ähnlich
    CIE-Normbeleuchtung B 0,3484 0,3516 -
    CIE-Normbeleuchtung C 0,3101 0,3162 Weißpunkt der NTSC-TV-Norm
    CIE-Normbeleuchtung E 1/3 1/3 Weißpunkt des CIE-RGB-Farbraumes; X, Y und Z zu exakt gleichen Anteilen
    D5000 bzw. D50 0,3457 0,3585 Weißpunkt für Wide-Gamut-RGB und Color-Match-GRB
    D5500 bzw. D55 0,3324 0,3475 Lichtspektrum ähnlich dem von durchschnittlichem Tageslicht, Spektrum einem Schwarzkörper bei 5500 Kelvin ähnlich
    D6500 bzw. D65 0,312713 0,329016 Weißpunkt für sRGB, Adobe-RGB und die PAL/SECAM-TV-Norm, Spektrum einem Schwarzkörper bei 6500 Kelvin ähnlich
    D7500 bzw. D75 0,2990 0,3149 Spektrum einem Schwarzkörper bei 7500 Kelvin ähnlich
    D9300 0,2848 0,2932 Spektrum einem Schwarzkörper bei 9300 Kelvin ähnlich
  • Standardfarbtemperaturen:
  • Standardisierte Farben mit folgenden Farbtemperaturen können mit x, y-Koordinaten wie folgt dargestellt werden
    Farbe x-CIE 1931 y-CIE 1931
    6500 K 0,313 0,337
    5000 K 0,346 0,359
    4000 K 0,380 0,380
    3500 K 0,409 0,394
    3000 K 0,440 0,403
    2700 K 0,463 0,420
  • Phosphore:
  • Darunter versteht man allgemein Leuchtstoffe, die die Strahlung einer bestimmten Wellenlänge absorbieren und Strahlung in einer anderen Wellenlänge aussenden (emittieren). Die emittierte Strahlung hat in der Regel eine größere Wellenlänge. Die Anregung des Phosphors erfolgt dabei im UV Bereich oder auch im sichtbaren Bereich. Erhältliche Phosphore werden meist in weiten Wellenlängenbereichen angeregt, man spricht von Anregungsspektren. Auch die Emission erfolgt nicht bei einer Wellenlänge, sondern auch über einen bestimmten Wellenlängenbereich. So werden zur Charakterisierung der Phosphore immer mehrere Kenngrößen angegeben, wie Peak-Wellenlänge, dominante Wellenlänge, Halbwertsbreite (Bereich in nm bei einer Intensität von 50% des Maximums) oder Farbort im CIE(1931) Farbraum. Die Emissionswellenlänge bestimmt die Farbe des ausgesendeten Lichtes. Die Quantenausbeute gibt an, welche Anteile der absorbierten Strahlung wieder emittiert werden.
  • Für die Erzeugung von weißem Licht mit LED's sind vor allem solche Typen von Interesse, die eine primäre Strahlung mit einer dominanten Wellenlänge von ca. 460 nm absorbieren und Licht im Wellenlängenbereich von 500 bis 630 nm Peakwellenlänge emittieren. Derartige Lösungen sind in einer großen Anzahl von Patenten beschrieben, beispielhaft wird hier auf die bereits vorher zitierten Patente WO02/054502A1 oder der DE19638667C2 verwiesen.
  • Beispielhaft sind in Tabelle 5 Phosphore dargestellt:
    Phosphor-Bezeichnung Peak-Wellenlänge [nm] CIE 1931 x CIE 1931 y
    P-535 533 0.342 0,608
    P-565 564 0,448 0,538
    P-610 610 0,568 0,430
    P-YAG 559 0,451 0,531
    Tabelle 5: Peak-Wellenlängen und CIE 1931 Koordinaten von Phosphoren
  • Die oben genannten Phosphore sind Standardtypen, die kommerziell in Produktionsmengen verfügbar sind. Wesentlich für den günstigen Einsatz sind die Peak-Wellenlänge und der Farbort im CIE Farbraum
  • 06 zeigt beispielhaft die Farbmischung von blauen LED's mit Phosphoren. Die Abszisse von 6 stellt die x-Koordinate- die Ordinate die y-Koordinate des CIE 1931 Diagramms dar. In Abhängigkeit der Konzentration des Phosphors, bzw. der Mischung von Phosphoren, kann jeder Punkt auf der Linie zwischen der blauen LED und dem Phosphor (bzw. der Mischung) eingestellt werden.
  • Effizienz:
  • Neben den oben beschriebenen Prozessen der Absorption und Emission, treten in der Anwendung der Phosphore immer auch Lichtstreuung und Reflexion auf. Diese beiden Prozesse führen zu einer Verminderung der Lichtausbeute.
  • Wenn über eine LED mit dominanter Wellenlänge von ca. 460 nm Phosphorelemente mit zunehmender Konzentration des Phosphors angeordnet werden, kann durch Messungen der Strahlungsleistung [in Watt] sofort gezeigt werden, dass die Verluste mit der Konzentration des Phosphors ansteigen.
  • 07 verdeutlicht diesen Zusammenhang. Die Abszisse von 7 stellt die x-Koordinate des CIE 1931-Diagramms und die Ordinate die Strahlungsleistung in mW dar. Hier wird deutlich, dass bei zunehmender Konzentration des Phosphors die Strahlungsleistung deutlich abnimmt. Dieser Zusammenhang ist für alle uns derzeit bekannten und für Messungen zugänglichen Phosphore gültig.
  • Für die Anwendung als Lichtquelle ist aber eine Gewichtung entsprechend der Augenempfindlichkeit (V-lambda) erforderlich. Führt man diese Gewichtung durch und betrachtet nun die Lichtintensität (in Lumen) als Funktion der Phosphorkonzentration steigt zuerst die Intensität an, durchläuft ein Maximum und nimmt dann wieder ab. Das heißt, ab einer gewissen Menge an Phosphor dominieren die Verluste. 08 verdeutlicht diesen Zusammenhang.
  • Die Abszisse von 8 stellt die x-Koordinate des CIE 1931-Diagramms und die Ordinate die auf die blaue LED normierte Effizienz (lm/W) dar.
  • Dies bedeutet für die Effizienz der Lichtquelle, dass für jede eingesetzte Phosphortype ein Maximum an Effizienz, angegeben in Lumen/Watt existiert. 08 zeigt, dass der Phosphor P-535 die maximale Effizienz bei CIE 1931 x-Koordinate x ca. 0,31 hat.
  • 08 zeigt ebenso, dass der Phosphor P-565 die maximale Effizienz bei CIE 1931 x-Koordinate x ca. 0,41 hat. 08 zeigt weiters, dass der Phosphor P-610 die maximale Effizienz bei CIE 1931 x-Koordinate über einen Wertebereich von x ca. 0,39 bis x ca. 0,56 hat. Weiters zeigt 8, dass Phosphore unterschiedliche Effizienzmaxima besitzen. Phosphor P-535 ist effizienter als Phosphor P-565.
  • Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, ein LED-Leuchtmittel nur so zu betreiben, dass der die Strahlung emittierende Phosphor jeweils in seinem Effizienz-Maximum (oder in einem Bereich um das Maximum herum) betrieben wird.
  • Es wird zwar bevorzugt, den Betrieb im Maximum selbst auszuführen. Die Erfindung umfasst jedoch auch eine Betriebsweise in einem Bereich von bis zu minus 20% des Maximums des jeweiligen Phosphors bzw. der Phosphormischungen. Man stellt also einen Farbwert ein, der diesem Maximum entspricht oder nahe liegt.
  • Gruppe B:
  • Gruppe B ist eine Leuchtdiode oder mehrere Leuchtdioden mit einer dominanten Wellenlänge im Wertebereich zwischen 380 nm–480 nm. Ebenso kann Gruppe B durch mehrere Leuchtdioden mit unterschiedlichen dominanten Wellenlängen im Wertebereich zwischen 380–480 nm gebildet werden.
  • Gruppe G:
  • Gruppe G ist eine Leuchtdiode oder mehrere Leuchtdioden mit einer dominanten Wellenlänge im Wertebereich zwischen 500 nm–560 nm. Ebenso kann Gruppe G durch mehrere Leuchtdioden mit unterschiedlichen dominanten Wellenlängen im Wertebereich zwischen 500–560 nm gebildet werden.
  • Gruppe R:
  • Gruppe R ist eine Leuchtdiode oder mehrere Leuchtdioden mit einer dominanten Wellenlänge im Wertebereich zwischen 600 nm–640 nm. Ebenso kann Gruppe R durch mehrere Leuchtdioden mit unterschiedlichen dominanten Wellenlängen im Wertebereich zwischen 600–640 nm gebildet werden.
  • Gruppe P:
  • Gruppe P ist eine Leuchtdiode oder mehrere Leuchtdioden, wobei Leuchtdioden der Gruppe B Phosphore anregen. Die Konzentration der Phosphore/Phosphormischungen wird so gewählt, dass die photometrische Effizienz (lm/W) beim Maximum oder nahe dem Maximum liegt.
  • Erfindung
  • Der erfindungsgemäße Lösungsansatz nutzt die im Bereich des Maximums der Effizienz (lm/W)) erzielte Effizienz der Phosphore (Gruppe P), um daraus weißes Licht zu erzeugen.
  • 09 stellt diese Farbmischung im CIE 1931 dar. Hier wird warmweißes Licht der Farbemperatur 3000 K mittels Farbmischung von LED's der Gruppe P und Gruppe R erzeugt. Das Spektrum der Farbmischung ist in 10 dargestellt. Die Abszisse von 10 stellt die Wellenlänge in nm – die Ordinate die Intensität in mW dar. Weiters ist die V(lamda)-Kurve in 10 dargestellt. Diese Mischung von LED's der Gruppe P mit LED's der Gruppe R stellt eine optimale Energiebilanz zwischen Strahlungsleistung und photometrischer Effizienz (lm/W) dar. Die Farbwiedergabe Ra8 beträgt 91.
  • Diese optimale Energiebilanz nach der Erfindung entsteht durch die Nutzung der höchsten Effizienz der Phosphore (Gruppe P) kombiniert mit der Reduktion der Fläche xx am abfallenden Kurvenast der V(lambda) Kurve (Nutzung der Gruppe R). Der schraffierte Bereich zeigt die stark gegenüber dem Stand der Technik (3) minimierte Fläche xx in 10. Aus dieser minimierten Fläche xx in 10 ergibt sich der wesentliche Vorteil der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik.
  • Die Lösungen nach dem Stand der Technik versuchen mittels Farbkonversion (Phosphore) genau die Plancksche Kurve zu treffen. Die Erfindung geht bewusst von diesem Weg ab und nutzt beispielhaft die maximale Effizienz des Phosphors (Gruppe P) in Verbindung mit der geringen Halbwertsbreite der LED's der Gruppen B und R. Denn in den Bereichen geringer Gewichtung durch die V(lambda) Kurve ist eine geringe Halbwertsbreite von Vorteil Entsprechende Messwerte eines Versuchsmusters sind in Tabelle 6 und 11 zu finden. Durch die Beimischung von LED's der Gruppe R zu LED's der Gruppe P entsteht weißes Licht. Das somit erzeugte Spektrum zeigt 10.
    min. max. 3000 K Erfindung-mW 3000 K Erfindung-lm
    380 389 0,01% 0,00%
    390 399 0,02% 0,00%
    400 409 0,03% 0,00%
    410 419 0,06% 0,00%
    420 429 0,13% 0,00%
    430 439 0,50% 0,01%
    440 449 2,14% 0,11%
    450 459 5,94% 0,45%
    460 469 9,27% 0,90%
    470 479 11,51% 1,36%
    480 489 12,92% 1,80%
    490 499 14,05% 2,34%
    500 509 15,50% 3,44%
    510 519 17,82% 6,03%
    520 529 21,28% 11,04%
    530 539 25,89% 18,75%
    540 549 31,40% 28,67%
    550 559 37,43% 39,80%
    560 569 43,57% 50,89%
    570 579 49,47% 60,88%
    580 589 54,98% 69,24%
    590 599 60,18% 75,98%
    600 609 65,86% 81,98%
    610 619 74,59% 89,12%
    620 629 87,24% 96,87%
    630 639 92,27% 99,04%
    640 649 94,40% 99,62%
    650 659 95,80% 99,85%
    660 669 96,84% 99,94%
    670 679 97,63% 99,98%
    680 689 98,24% 99,99%
    690 699 98,70% 100,00%
    700 709 99,05% 100,00%
    710 719 99,31% 100,00%
    720 729 99,51% 100,00%
    730 739 99,67% 100,00%
    740 749 99,78% 100,00%
    750 759 99,87% 100,00%
    760 769 99,94% 100,00%
    770 779 100,00% 100,00%
  • 11 stellt diesen Zusammenhang graphisch dar. Die Abszisse von 11 stellt die Wellenlänge in nm – die Ordinate die kumulierte Strahlungsleistung bzw. den kumulierten Lichtstrom in % dar.
  • 92% der Strahlungsleistung erzeugen 99% des Lichtstroms. 8% der radiometrischen Energie (ab 650 nm) erzeugen 1% des Lichtstroms (siehe 11).
  • Mit der erfindungsgemäßen Ausführung wird es ermöglicht, dass ein LED-Modul, ein LED-Leuchtmittel bzw. eine LED-Leuchte sowohl eine hervorragende Effizienz, als auch eine sehr gute Farbwiedergabe aufweist.
  • Verglichen mit einer rein auf Phosphor basierten Lösung ist die Effizienz (bei vergleichbarer Farbwertwiedergabe) um mindestens 20% verbessert. In einem realisierten Beispiel, das aufgebaut und geprüft wurde, wurde eine Energie-Einsparung von 25% erreicht.
  • Ein weiterer essentieller Vorteil dieser Lösung ist, dass durch das Hinzufügen von LED's der Gruppe B (blaue LED's) sehr einfach die Farbtemperatur stufenlos geregelt bzw. gesteuert werden kann. Somit wird ein Farbraum aufgespannt, der zwischen den Eckpunkten der jeweiligen Gruppen (Gruppe B, Gruppe P, Gruppe R) liegt und somit alle Farben innerhalb dieses Farbraums abgebildet werden können. 12 zeigt den durch die 3 Gruppen aufgespannten Farbraum.
  • Insbesondere kann somit weißes Licht entlang der Planckschen Kurve sehr effizient und mit hoher Farbwiedergabe erzeugt werden. Entsprechende Messwerte eines Versuchsmusters zeigen, dass die Farbtemperatur zwischen 2500 und 8000 K steuer- bzw. regelbar ist und die Farbwiedergabe Ra8 über den gesamten Farbtemperaturbereich bei ca. 90 liegt.
  • Die Einstellung einer Farbtemperatur z. B. 4200 K erfolgt derart, dass ausgehend vom Farbort der Gruppe P die Intensität der Gruppe B solange erhöht wird, dass der gewünschte Mischfarbort auf der Geraden zwischen den Punkten der Gruppe P und Gruppe B erzeugt wird. Die Intensität der Gruppe R muss solange erhöht werden, bis der Zielfarbort (z. B.: 4200 K) auf der Plankschen Kurve erreicht wird. 12 zeigt die Mischung der 3 Gruppen zum Zielfarbort 4200 K. 13 zeigt die Spektren der Farborte 2800 K, 4200 K und 6500 K.
  • Eine bevorzugte Ausbildung des LED-Moduls ist ein erfindungsgemäßes LED-Modul auf COB (Chip an Board) Basis.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführung eines LED-Moduls ist dadurch gekennzeichnet, dass die LED's der Gruppe P und die LED's der Gruppe R unter einer gemeinsamen Farbkonversionsschicht angeordnet sind.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung basiert das erfindungsgemäße LED Modul auf SMD-LED Bauelementen.
  • In der 14 ist als erstes Ausführungsbeispiel eine Serienschaltung mehrerer LED's zur Erreichung des Farbortes dargestellt.
  • Es werden 3 Stück LED's der Gruppe P mit einer LED der Gruppe R als LED-Modul ausgebildet.
  • Die Anzahl der gewählten LED's hängt von der Leistungsfähigkeit der einzelnen LED's ab. Die Anzahl der LED's und deren Verhältnis zueinander ist deshalb nicht einschränkend zu verstehen.
  • Das Verhältnis könnte auch 2:1 sein oder 4:2 oder dergleichen.
  • Die 15 zeigt als abgewandeltes Ausführungsbeispiel, dass die LED's der Gruppe P getrennt von den LED's der Gruppe R angesteuert werden können. Damit ist eine genauere Regelung möglich. Es kann die Planck'sche Kurve für den jeweiligen Farbort noch genauer getroffen werden.
  • 16 zeigt einen Schaltplan mit 6 LED's, wieder getrennt steuerbar. Zusätzlich zu den LED's der Gruppe P und Gruppe R werden LED's der Gruppe B eingesetzt. Mit dieser Ausführung kann die Farbtemperatur im Bereich von 2500 K bis 8000 K eingestellt werden.
  • Die 17 zeigt ein COB LED Modul mit 18 LED's inkl. Steckverbinder. Die Farbtemperatur kann zwischen 2500 K–8000 K gesteuert bzw. geregelt werden. Das dargestellte Modul hat derzeit eine Effizienz von 60 lm/W über den gesamten Regelbereich sowie einen Ra8 Wert von über 90.
  • In der 18 ist ein erfindungsgemäßes LED Modul und die zugehörige Elektronik in einem Gehäuse eingebaut, wobei der elektrische Anschluss und die Form und die Abmessungen so gewählt werden, dass ein normiertes Standardleuchtmittel ersetzt werden kann. Insbesondere normierte Glühlampen, normierte Halogenglühlampen oder normierte Fluoreszenzlampen und kompakte Fluoreszenzlampen. Solche normierten Lampen können insbesondere nach einem der Standards E** (insbesondere E27), G*, GU*, M*, B* oder T* definiert sein. Das erfindungsgemäße LED- Modul kann also verbaut in Standard-Leuchtmitteln eine Glühlampe, etc. nach einem dieser Standards erfolgreich ersetzen.
  • Ein LED-Leuchtmittel nach 18 hat derzeit eine beispielhafte Leistungsaufnahme von 8 bis 10 Watt elektrischer Leistung und eine Lichtleistung im Bereich von 500 und 600 Lumen. Dass heißt, die hier aufgenommenen 10 Watt entsprechen hinsichtlich der Lichtleistung ungefähr der einer 60 Watt-Glühlampe. Mit der in 18 beschriebenen Variante werden ca. 80% der Energie erspart.
  • In der 19 ist ein LED-Leuchtmittel mit einem oder mehreren der vorher beschriebenen LED-Module ausgerüstet.
  • Die Abdeckung dient als Staubschutz und/oder als Diffusor. Der Kühlkörper weist Kühlrippen auf, die eine günstige Wärmeableitung gewährleisten.
  • 19 zeigt ein erfindungsgemäßes LED Modul eingebaut in eine Leuchte. Dort ist das LED-Modul in einen Reflektor eingebaut, an dessen Bodenfläche Kühlkörper angeordnet sind. Durch den Winkel des Reflektors ist die Abstrahlcharakteristik in einen zentralen Mittenbereich konzentriert. Dies ist ein Beispiel, um zu zeigen, dass das LED-Modul auch in eine Leuchte eingebaut werden und nicht nur als Leuchtmittel verwendet werden kann.
  • 20 zeigt schematisch ein LED-Modul mit LED's der Gruppe B und LED's der Gruppe R unter einem gemeinsamen Phosphorelement. Diese Ausführung ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Mischung der spektralen Anteile, der Einsatz eines Diffusorelementes kann entfallen.
  • Das hier gezeigte integrierte Leuchtmittel vereinigt auf kleinstem Raum LED's der Gruppe P und LED's der Gruppe R auf einem gemeinsamen Substrat. Sie sind auf dem Substrat elektrisch leitfähig kontaktiert.
  • Die LED's der Gruppe B regen den Phosphor zur Strahlung an, der seine Konversionsstrahlung nach außen abgibt. Weil die Strahlung der LED's der Gruppe R durch den Phosphor nicht beeinflusst wird, ergibt sich an der Oberfläche des abdeckenden Phosphorelementes der gewünschte weiße Lichteindruck der additiven Mischung von Strahlung der Gruppe P und der Gruppe R.
  • Zusammenfassend werden die wesentlichen Merkmale der Erfindung in Form einer kurzen Aufzählung wiedergegeben:
    • • LED Modul mit optimaler Energiebilanz-Effizienz
    • • LED Modul mit Ra8 ≥ 85, typ. 90–95
    • • LED Modul aufgebaut in COB Technologie oder SMD Technologie
    • • LED's unterschiedlicher Gruppen unter einem Phosphorelement
    • • Erfindungsgemäßes LED Modul für LED Leuchtmittel mit Standardsockel (z. B.: E27)
    • • Leuchten mit erfindungsgemäßen LED Modulen mit Reflektor
    • • Leuchten mit erfindungsgemäßen LED Modulen mit Linsen
    • • LED Module mit steuer- und regelbarer Farbtemperatur
  • Das erfindungsgemäße LED-Modul erzeugt sehr effizient weißes Licht einer hohen Qualität (Ra8 > 85). Daher ist dieses LED-Modul bevorzugt für Anwendungen in der Allgemeinbeleuchtung, Shopbeleuchtung, Officebeleuchtung, Museumsbeleuchtung, Medizintechnik, Industriebeleuchtung etc. einsetzbar.
  • Die steuer- regelbare Farbtemperatur erlaubt eine stufenlose Veränderung der S/P-Ratio (skotopisch/photopisch). Somit kann dieses LED-Modul vorteilhaft in der Straßenbeleuchtung eingesetzt werden. Durch die stufenlose Änderung der Farbtemperatur werden die Bedürfnisse des menschlichen Auges beim Dämmerungssehen (mesopisch) berücksichtigt.
    Farbtemperatur S/P-Ratio
    2800 K 1,4
    4200 K 1,8
    6500 K 2,3
    Tabelle 07: S/P-Ratio der Muster entsprechend Abb. 13
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 02/054502 A1 [0002, 0054]
    • - DE 19638667 C2 [0002, 0054]
    • - DE 60021911 T2 [0003]
    • - DE 10353293 A1 [0038]
    • - DE 10216394 B3 [0039]
    • - DE 20104704 U1 [0040]
    • - DE 202006003878 U1 [0041]
    • - DE 20317444 U1 [0042]

Claims (10)

  1. LED-Modul bestehend wahlweise aus mindestens keiner, einer oder mehreren LED's der Gruppe B und/oder der Gruppe G und/oder der Gruppe R und mindestens einer oder mehreren LED's aus der Gruppe P, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Phosphore/Phosphormischungen der LED's der Gruppe P so gewählt ist, dass deren photometrische Effizienz (lm/W) in Abhängigkeit von der CIE x-Koordinate im Maximum oder nicht mehr als 20% unter dem Maximum liegt.
  2. LED-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus LED's der Gruppe P und Gruppe R zur Erzeugung von weißem Licht eine fixe Farbtemperatur zwischen 2500 K und 8000 K erzeugt ist, deren Farbort auf oder nahe der Planckschen Kurve liegt, wobei die Farbwiedergabe Ra8 mindestens 85 beträgt.
  3. LED-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus LED's der Gruppe P und Gruppe B zur Erzeugung von kaltem weißem Licht eine fixe Farbtemperatur zwischen 5000 K und 8000 K erzeugt ist, deren Farbort auf oder nahe der Plankschen Kurve liegt und dass die LED's der Gruppe B eine dominante Wellenlänge im Wertebereich zwischen 380–450 nm haben.
  4. LED-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus LED's der Gruppe P und Gruppe G zur Erzeugung von weißem Licht eine fixe Farbtemperatur zwischen 2500 K und 8000 K erzeugt ist, deren Farbort auf oder nahe der Planckschen Kurve liegt und dass der Phosphor der Gruppe P eine Peakwellenlänge im Wertebereich zwischen 590–640 nm hat.
  5. LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus LED's der Gruppe P und/oder Gruppe R und/oder Gruppe B zur Erzeugung von weißem Licht die Farbtemperatur zwischen 2500 K und 8000 K stufenlos steuer- oder regelbar ist, und dass der Farbort auf oder nahe der Plankschen Kurve liegt und dass die Farbwiedergabe Ra8 mindestens 85 beträgt.
  6. LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus LED's der Gruppe P und Gruppe G und Gruppe B zur Erzeugung von weißem Licht die Farbtemperatur zwischen 2500 K und 8000 K stufenlos steuer- oder regelbar ist, dass der Farbort auf oder nahe der Planckschen Kurve liegt und dass der Phosphor der Gruppe P eine Peakwellenlänge im Wertebereich zwischen 590–640 nm hat.
  7. LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass LED's der Gruppe B und LED's der Gruppe R unter einer gemeinsamen Farbkonversionsschicht angeordnet sind.
  8. LED-Modul nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Modul in ein Standard-Leuchtmittel eingesetzt ist.
  9. LED-Modul nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Leistungsaufnahme von 8 bis 10 Watt elektrischer Leistung eine Lichtleistung von mindestens 500 Lumen erzielt wird und gleichzeitig der Ra8 Wert größer als 85 ist.
  10. Verfahren zur Herstellung eines LED-Moduls, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung einer Farbtemperatur z. B. 4200 K derart erfolgt, dass ausgehend vom Farbort der Gruppe P die Intensität der Gruppe B solange erhöht wird, dass der gewünschte Mischfarbort auf der Geraden zwischen den Punkten der Gruppe P und Gruppe B erzeugt wird und dass dann die die Intensität der Gruppe R solange erhöht wird, bis der Zielfarbort (z. B.: 4200 K) auf der Planckschen Kurve erreicht wird.
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