DE102007045540A1

DE102007045540A1 - Leuchtvorrichtung mit Lichtpuffer

Info

Publication number: DE102007045540A1
Application number: DE102007045540A
Authority: DE
Inventors: Robert Kraus
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2007-09-24
Filing date: 2007-09-24
Publication date: 2009-04-02
Also published as: WO2009040111A4; CN101809355A; US8497621B2; WO2009040111A1; EP2193308A1; US20100201284A1

Abstract

Die Leuchtvorrichtung mit mindestens einer zum Wechselstrom- und/oder PWM-Betrieb vorgesehenen Lichtquelle, insbesondere Leuchtdiode, aufweisend mindestens einen Lichtpuffer zur Absorption von Lichtenergie von der Lichtquelle und zeitverzögerter Emission der gespeicherten Lichtenergie.

Description

Oft wird bei mit Wechselspannung bzw. -strom angetriebenen oder PWM-gesteuerten Lichtquellen ein störendes Flimmern beobachtet. Dieses Problem ist für Leuchtdioden (LEDs) besonders ausgeprägt, da das Leuchten von LED als stromgesteuerten Bauteilen im wesentlichen von dem eingeprägten Strom abhängt und mit dem Abfall des Stroms unter einem bestimmten Wert (Pegel) praktisch sofort aufhört.
Bei Lampen, die an Wechselstromquellen betrieben werden, werden zur Unterdrückung des Flimmerns in der Regel Gleichrichter mit Glättungskondensatoren benötigt, d. h., eine zusätzliche Elektronik, was mit zusätzlichem Herstellungsaufwand verbunden ist. Außerdem wächst dadurch die Ausfallwahrscheinlichkeit der Schaltung. Um die Strom-/Spannungsschwankung wirkungsvoll zu vermeiden, müssen in der Regel größere Kondensatoren genommen werden, die viel Platz beanspruchen.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Leuchtvorrichtung bereitzustellen, die ein Flimmern aufgrund einer mit Wechselstrom- und/oder mittels Pulsweiten-Modulation (PWM) betriebenen Lichtquelle wirkungsvoll unterdrückt und zudem einfach in der Herstellung, zuverlässig und robust ist.
Diese Aufgabe wird mittels einer Leuchtvorrichtung nach Anspruch 1 und eines Verfahrens nach Anspruch 20 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere den Unteransprüchen entnehmbar.
Die Leuchtvorrichtung weist mindestens eine zum Betrieb mit Wechselstrom und/oder mit Puls-Weiten-Modulation geeignete Lichtquelle auf, insbesondere Leuchtdiode. Die Leuchtvorrichtung weist ferner mindestens einen Lichtpuffer zur Absorption von Lichtenergie von der Lichtquelle und zeitverzögerter E mission der gespeicherten Lichtenergie. In anderen Worten dient der Lichtpuffer dazu, die Lichtenergie der Lichtquelle während des Leuchtens der Lichtquelle – in der "Ein"-Phase – aufzunehmen (Pumpen), um in der sog. "Aus"-Phase der Lichtquelle weiterzuleuchten (Relaxation) und somit das Flimmern der Leuchtvorrichtung im Betrieb zu verringern. Die zugehörige Relaxationszeit t_relax ist definiert als die Zeit, in der die Strahlungsintensität bei abgeschalteter primärer Strahlung um den Faktor e abfällt. Ein Lichtpuffer kann auch mehrere unterschiedliche Relaxationszeiten aufweisen, z. B. abhängig von der eingestrahlten Wellenlänge.
Bevorzugt wird eine mit Wechselstrom betriebenen Lichtquelle bzw. Lampe.
Zur effektiveren Glättung der Lichtabstrahlungsamplitude über die Zeit ("Verschmierung") weist die Leuchtvorrichtung mindestens zwei Lichtpuffer mit unterschiedlichen Relaxationszeiten auf.
Es kann vorteilhaft sein, wenn mindestens zwei Lichtpuffer mit unterschiedlichen Relaxationszeiten für unterschiedliche Wellenlängen empfindlich sind.
Allgemein kann es vorteilhaft sein, wenn diejenigen Lichtpuffer, die auf kürzerer Wellenlänge empfindlich sind, eine größere Relaxationszeit aufweisen.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn derjenige Lichtpuffer, der für die kürzeste Wellenlänge empfindlich ist, die größte Relaxationszeit aufweist.
Allgemein kann der Lichtpuffer sowohl in unmittelbarer Nähe der Lichtquelle (z. B. auf dem LED-Chip, im oder an dem LED-Package usw. angeordnet) als auch entfernt von der Lichtquelle angeordnet sein. Bevorzugt wird eine Leuchtvorrichtung, bei welcher derjenige Lichtpuffer, der für die kürzeste Wel lenlänge empfindlich ist, der mindestens einen Lichtquelle am nächsten angeordnet ist.
Bevorzugt wird weiterhin eine Leuchtvorrichtung, bei welcher mindestens ein Lichtpuffer zusätzlich eine wellenlängenumwandelnde Eigenschaft aufweist. Dadurch kann zusätzlich auf einfache und platzsparende Weise eine Farbabstrahlung der Lampe eingestellt werden.
Allgemein kann dazu eine Lichtquelle, insbesondere LED, verwendet werden, welche eine primäre Strahlung mit einer kürzeren Wellenlänge erzeugt als die sekundäre von den Konversionsschichten ausgesendete Strahlung. UV-LED sind hierzu besonders vorteilhaft, da die primäre Strahlung unsichtbar ist. Daher ist kein durch die primäre Strahlung bedingtes „Farbflackern" sichtbar. Außerdem weisen UV-LED eine hohe Lichtausbeute auf.
Bevorzugt wird insbesondere eine Leuchtvorrichtung, bei welcher der Lichtpuffer, der für die kürzeste Wellenlänge empfindlich ist, keine bzw. keine signifikante Menge an Wellenlängenkonversionsmaterial aufweist.
Zur besonders einfachen und sicheren Herstellung und Handhabung umfasst das Wellenlängenkonversionsmaterial Phosphor.
Als Lichtpuffermaterialien und/oder Konversionsmaterialien können eine oder mehrere geeignete phosphoreszierende bzw. lumineszierende Materialien verwendet werden, insbesondere auf Phosphorbasis. Beispielsweise sind als Lichtpuffermaterialien und/oder Konversionsmaterialien geeignet:

– Weißer Phosphor;
– Gelber Phosphor (z. B. Yttrium-Aluminium-Granat mit Ce aktiviert Y3(AI, Si)5012:Ce(YAG:Ce));
– Roter Phosphor (z. B. aktiviert durch Eu oder Sn).

Als weißer Phosphor können u. a. Gallophosphate sowie Silikate verwendet werden (z. B. auf der Basis Zink-Gallophosphat mit Nanoporen, Eu-dotierte Silikate, wie Li₂SrSiO₄:Eu(2+), Ba₉Sc₂Si₆O₂₄:Eu(2+), Ca₃Si₂O₇:Eu(2+), Sr-Orthosilikate Sr₂SiO₄[Eu(2+), La(3+)]).
Allgemein kann das Lichtpuffermaterial bzw. können die Lichtpuffermaterialien des jeweiligen Lichtpuffers und kann das Wellenlängenkonversionsmaterial bzw. können die Wellenlängenkonversionsmaterialien übereinstimmen (d. h., sowohl eine Lichtpuffereigenschaft als auch eine Wellenlängenkonversionseigenschaft aufweisen), als auch im wesentlich nur für jeweils eine der Eigenschaften ausgewählt sein.
Zur noch effektiveren Verschmierung ist die Relaxationszeit t_relax zumindest eines Lichtpuffers – insbesondere des bezüglich der Lichtquelle(n) am nächsten angeordneten Lichtpuffers im Fall mehrerer Lichtpuffer – größer als die Periode T der Wechselspannung, also t_relax > T. Falls der Lichtpuffer chemische Komponenten oder Teilbereiche mit mehreren Relaxationszeiten (beispielsweise bei unterschiedlichen Wellenlängen der emittierten Strahlung) aufweist, wird es bevorzugt, wenn diese Bedingung zumindest für eine Relaxationszeit erfüllt ist.
Bevorzugt wird eine Leuchtvorrichtung, bei der eine Halbwertsabklingzeit des Lichtpuffers mindestens 1 ms beträgt, bevorzugt mindestens 5 ms, noch bevorzugter mindestens 10 ms. Halbwertsabklingzeiten von deutlich unter 1 ms werden weniger bevorzugt, da bei sehr hohen Stromfrequenzen (z. B. während eines PWM-Betriebs hoher Frequenz) das Auge Lichtunterschiede integriert und bei langen Dunkelzeiten (z. B. sehr niedrigen Wechselstromfrequenzen) eine Halbwertsabklingzeit dann das Flimmer nicht effektiv unterdrücken kann. Unter Halbwertsabklingzeit wird diejenige – ggf. frequenzabhängige – Zeitdauer eines nachleuchtenden Materials verstanden, zu der eine Leuchtstärke nach Abschalten der primären Lichtquelle nur noch 50% der Ausgangslichtstärke zum Abschaltzeitpunkt beträgt.
Besonders bevorzugt wird eine Relaxationszeit zumindest eines Lichtpuffers, die größer als ca. fünfmal der Periode T der Wechselspannung ist, also t_relax > 5·T.
Noch bevorzugter ist es, wenn die Relaxationszeit größer als zehnmal der Periode T der Wechselspannung, aber kleiner als fünfzigmal der Periode T der Wechselspannung ist, also 10·T < t_relax < 50·T gilt. Somit ergibt sich bei einem solchen Lichtpuffer für eine durch eine Netzspannung von 50 Hz betriebene Leuchtvorrichtung eine bevorzugte Relaxationszeit t_relax von ca. 0,2 s bis ca. 1 s.
Beispielsweise weisen die bekannten Phosphore Relaxationszeiten von weniger als 1 μs bis hin zu Stunden auf, sodass diese Zeiten können leicht durch die Wahl des geeigneten Phosphors (z. B. weißen Phosphors) realisiert werden können.
Bevorzugt wird weiterhin eine Leuchtvorrichtung, welche als Lichtquelle eine Kette aus mehreren antiparallel geschaltete LEDs aufweist, die direkt an die Leistungsquelle anschließbar ist.
Bevorzugt wird auch eine Leuchtvorrichtung, welche einen Treiber zum Ansteuern der mindestens einen Lichtquelle aufweist, der einen Gleichrichter ohne oder mit nur gering dimensioniertem Glättungskondensator umfasst.
Bevorzugt werden kann eine Leuchtvorrichtung, welche einen Glühlampensockel aufweist.
Bevorzugt werden kann aber auch eine Leuchtvorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, in eine Leuchtstofflampenfassung eingesetzt zu werden.
Diese sog. Retrofit-Lampen passen besonders bevorzugt im Wesentlichen in eine genormte Kontur, z. B. passend zu E26.
Die Aufgabe wird auch mittels einer Leuchte gelöst, welche mindestens eine solche Lampe aufweist.
Die Aufgabe wird auch mittels eines Verfahrens zum Beleuchten gelöst, bei dem eine Lichtquelle, insbesondere Leuchtdiode, mit Wechselstrom und/oder im PWM-Betrieb betrieben wird, von der Lichtquelle emittierte Lichtenergie von mindestens einem Lichtpuffer absorbiert wird und die absorbierte Lichtenergie zur Glättung einer Lichtintensität zeitverzögert wieder emittiert wird.
In den folgenden Figuren wird die Erfindung schematisch genauer ausgeführt. Dabei können, wo zweckmäßig, gleiche oder gleichwirkende Bauteile in unterschiedlichen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
1 als Querschnittsdarstellung in Seitenansicht eine erfindungsgemäße Retrofit-Lampe zu einer Glühbirne auf LED-Basis;
2 zeigt als Querschnittsdarstellung in Seitenansicht eine erfindungsgemäße Retrofit-Lampe zu einer Leuchtstoffröhre auf LED-Basis.
1 zeigt eine Leuchtvorrichtung 1 in Form einer sog. Retrofit-Lampe zu einer Glühbirne mit E26-Kontur auf Basis von Ultraviolett abstrahlenden Leuchtdioden (UV-LEDs) 2 als Lichtquelle(n). Die UV-LEDs 2 sind in Umfangsrichtung symmetrisch auf einem Substrat 3 montiert, das hier als Metallkernplatine ausgeführt ist. Das Substrat 3 sowie ein das Substrat 3 und die LEDs 2 umgebender lichtdurchlässiger Kolben bzw. Hülle 4 sind auf einem Edison-Sockel 5 gehaltert, der bekannte elektrische Kontakte 6 zur Leistungsversorgung der LEDs 2 aufweist.
Die UV-LEDs 2 sind so verschaltet, dass sie in Zweigen einer LED-Kette angeordnet sind, wobei die Zweige anti-parallel zueinander verschaltet sind und die Kette direkt mit den Kontakten 6 des Sockels 5 verbunden ist. Jede LED 2 zieht somit Strom aus einer Halbwelle des angelegten Wechselstroms von hier beispielhaften 50 Hz und leuchtet entsprechend 50-mal in der Sekunde auf, wenn der Strom bzw. die Spannung der Halbwelle einen gewissen Schwellwert überschreitet.
Bei dieser Lampe 1 sind drei Lichtpuffer vorhanden bzw. ist der Lichtpuffer in drei Zonen aufgeteilt. Ein schichtartiger Nahzonen-Lichtpuffer 7 ist in unmittelbarer Nähe zu den Lichtquellen 2 angeordnet. Ein diffus streuender Zwischenzonen-Lichtpuffer 8 umgibt den Nahzonen-Lichtpuffer 7. Der Zwischenzonen-Lichtpuffer 8 ist wiederum von einem Fernzonen-Lichtpuffer 9 umgeben, welcher schichtartig auf dem Kolben 4 aufgebracht ist.
Der Zwischenzonen-Lichtpuffer 8 sowie der Fernzonen-Lichtpuffer 9 weisen phosphoreszierende Zusätze auf, welche dazu dienen, das gewünschte Farbspektrum der Leuchtvorrichtung 1 zu erzeugen.
Der Nahzonen-Lichtpuffer 7 weist eine Relaxationszeit t_relax_n auf, der Zwischenzonen-Lichtpuffer 8 eine Relaxationszeit t_relax_i und der Fernzonen-Lichtpuffer 9 eine Relaxationszeit t_relax_f, welche sich unterscheiden. Dabei sind die Relaxationszeiten so gewählt, dass die Bedingung t_relax_n > max {t_relax_i, t_relax_f} erfüllt ist.
Beim Betrieb mit der hier beispielhaft gewählten Netzspannung von 50 Hz leuchten die LEDs mit entsprechender Häufigkeit. Dann wird die von den LEDs abgestrahlte Lichtenergie zunächst in signifikantem Maß vom Nahzonen-Lichtpuffer 7 absorbiert und zeitverzögert mit entsprechender Relaxationszeit t_relax_n bei gleicher Wellenlänge wieder abgegeben. Durch den Nahzonen-Lichtpuffer 7 "verschmieren" somit die Lichtfluss-Spitzen der LEDs, wodurch ein Flackern der Leuchtvorrichtung 1 verringert wird. Das von dem Nahzonen-Lichtpuffer 7 wieder abgestrahlte UV-Licht gelangt dann zum Zwischenzonen-Lichtpuffer 8, wo es ebenfalls absorbiert und wieder emittiert wird. Die Emission geschieht nun allerdings mit einer längeren Relaxationszeit t_relax_i. Zudem weist der Zwischenzonen-Lichtpuffer 8 ein Wellenlängenkonversionsmaterial auf, so dass das von ihm emittierte Licht in den sichtbaren Bereich hin verschoben ist. Analog gelangt von dem Zwischenzonen-Lichtpuffer 8 emittiertes Licht zum Fernzonen-Lichtpuffer 9. Dort wird es absorbiert und mit einer Relaxationszeit t_relax_i wieder emittiert, welche ebenfalls größer ist als t_relax_n. Auch der Fernzonen-Lichtpuffer 8 weist mindestens ein Wellenlängenkonversionsmaterial auf, so dass das von ihm emittierte Licht eine Wellenlänge aufweist, die in einen bestimmten sichtbaren Bereich hin verschoben ist, der sich zumindest teilweise von demjenigen Spektralbereich unterscheidet, welcher von dem Zwischenzonen-Lichtpuffer 8 emittiert wird. Durch geeignete Wahl der Dicken der Lichtpuffer 7, 8, 9, ihrer Lichtpuffermaterialien und -materialdicken, als auch ihres Wellenlängenkonversionsmaterials, ihrer Wellenlängenkonversionsmaterial-Dichte uvm. kann eine LED-Leuchtvorrichtung 1 erlangt werden, die nicht oder nur sehr wenig flackert und zudem eine definierte Farbabstrahlung besitzt.
2 zeigt eine Leuchtvorrichtung 11 in Form einer Retrofit-LED-Lampe zu einem Leuchtstoffrohr. Der Lichtpuffer 12 in Form einer phosphoreszierenden Schicht ist auf einer Glashülle 13 aufgetragen. Als Lichtquelle dienen ebenfalls UV-LEDs 2, die auf einem Substrat 14 angeordnet sind. Der Sockel 15 und die Kontakte 16 sind so ausgelegt, dass die Lampe 11 in eine übliche Fassung einer Leuchtstofflampe eingesetzt werden kann. Hier ist also nur ein Lichtpuffer 12 vorhanden, welcher das von den LEDs 2 abgestrahlte UV-Licht absorbiert und wel lenlängenumgewandeltes Licht im sichtbaren Bereich mit einer Relaxationszeit t_relax als wieder abgibt.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt. So können beispielsweise auch andere Lichtquellen statt einer LED verwendet werden, beispielsweise eine Kompakt-Leuchtstoffröhre. Auch können weiße oder einfarbige bzw. Cluster einfarbiger Lichtquellen verwendet werden. Die Lampen müssen keine Retrofit-Form besitzen. Es braucht auch keine Wellenlängenkonversion durchgeführt zu werden. Die Leistungsquelle kann auch eine andere Frequenz als 50 Hz aufweisen, z. B. 60 Hz, und kann zusätzlich oder alternativ pulsweiten-moduliert sein. Dann ist die Relaxationszeit zumindest eines Lichtpuffers vorzugsweise auf einen typischen Abstand zwischen 'Ein'-Phasen der PWM abgestimmt.

1: Leuchtvorrichtung
2: LED
3: Substrat
4: Kolben
5: Sockel
6: elektrischer Kontakt
7: Nahzonen-Lichtpuffer
8: Zwischenzonen-Lichtpuffer
9: Fernzonen-Lichtpuffer
11: Leuchtstoffrohr
12: Lichtpuffer
13: Glashülle
14: Substrat
15: Sockel
16: Kontakt
t_relax: Relaxationszeit des Lichtpuffers 12
t_relax_n: Relaxationszeit des Nahzonen-Lichtpuffers 7
t_relax_i: Relaxationszeit des Zwischenzonen-Lichtpuffers 8
t_relax_f: Relaxationszeit des Fernzonen-Lichtpuffers 9

Claims

Leuchtvorrichtung (1; 11) mit mindestens einer zum Wechselstrom- und/oder PWM-Betrieb vorgesehenen Lichtquelle (2), insbesondere Leuchtdiode, aufweisend mindestens einen Lichtpuffer (7–9; 12) zur Absorption von Lichtenergie von der Lichtquelle (2) und zeitverzögerter Emission der gespeicherten Lichtenergie.
Leuchtvorrichtung (1) nach Anspruch 1, aufweisend mindestens zwei Lichtpuffer (7, 8, 9) mit unterschiedlichen Relaxationszeiten (t_relax_n, t_relax_i, t_relax_f).
Leuchtvorrichtung (1) nach Anspruch 2, bei der mindestens zwei Lichtpuffer (7, 8, 9) mit unterschiedlichen Relaxationszeiten (t_relax_n, t_relax_i, t_relax_f) für unterschiedliche Wellenlängen empfindlich sind.
Leuchtvorrichtung (1) nach Anspruch 3, bei welcher der Lichtpuffer (7), der für die kürzeste Wellenlänge empfindlich ist, die längste Relaxationszeit (t_relax_n) aufweist.
Leuchtvorrichtung (1) nach Anspruch 3, bei welcher der Lichtpuffer (7), der für die kürzeste Wellenlänge empfindlich ist, der mindestens einen Lichtquelle (2) am nächsten angeordnet ist.
Leuchtvorrichtung (1; 11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Lichtpuffer Phosphor umfasst.
Leuchtvorrichtung (1; 11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher mindestens einer der Lichtpuffer (8, 9; 12) zusätzlich eine wellenlängenumwandelnde Eigenschaft aufweist.
Leuchtvorrichtung (1) nach Anspruch 2 in Kombination mit den Ansprüchen 4 und 7, bei welcher der Lichtpuffer (7), der für die kürzeste Wellenlänge empfindlich ist, keine signifikante Menge an Wellenlängenkonversionsmaterial aufweist.
Leuchtvorrichtung (1; 11) nach Anspruch 7 oder 8, bei welcher das Wellenlängenkonversionsmaterial Phosphor umfasst.
Leuchtvorrichtung (1; 11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Halbwertsabklingzeit des Lichtpuffers (7–9; 12) mindestens 1 ms beträgt, bevorzugt mindestens 5 ms, noch bevorzugter mindestens 10 ms.
Leuchtvorrichtung (1; 11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Lichtquelle (2) zum Betrieb mit Wechselstrom eingerichtet ist.
Leuchtvorrichtung (1; 11) Anspruch 11, bei welcher eine Relaxationszeit (t_relax_n; t_relax) zumindest eines Lichtpuffers (7; 12) größer als die Periode (T) der Wechselspannung ist.
Leuchtvorrichtung (1; 11) nach Anspruch 12, bei der die Relaxationszeit (t_relax_n; t_relax) des zumindest einen Lichtpuffers größer als fünfmal der Periode T der Wechselspannung.
Leuchtvorrichtung (1; 11) nach Anspruch 13, bei der die Relaxationszeit (t_relax_n; t_relax) zehnmal länger als die Periode (T) der Wechselspannung, aber kürzer als fünfzigmal die Periode (T) der Wechselspannung ist.
Leuchtvorrichtung (1; 11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Lichtquelle eine UV-Leuchtdiode (2) ist.
Leuchtvorrichtung (1; 11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche als Lichtquelle eine Kette aus mehreren antiparallel geschaltete LEDs (2) aufweist, die direkt an die Leistungsquelle anschließbar ist.
Leuchtvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche einen Treiber zum Ansteuern der mindestens einen Lichtquelle aufweist, der einen Gleichrichter ohne oder mit nur klein dimensioniertem Glättungskondensator umfasst.
Leuchtvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Glühlampensockel (5) aufweist.
Leuchtvorrichtung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die dazu eingerichtet ist, in eine Leuchtstofflampenfassung eingesetzt zu werden.
Verfahren zum Beleuchten, bei dem – eine Lichtquelle, insbesondere Leuchtdiode, mit Wechselstrom und/oder im PWM-Betrieb betrieben wird, – von der Lichtquelle (2) emittierte Lichtenergie von mindestens einem Lichtpuffer (7–9; 12) absorbiert wird – die absorbierte Lichtenergie zeitverzögert wieder emittiert wird.