DE102007059132A1

DE102007059132A1 - Leuchteinheit und Lampe

Info

Publication number: DE102007059132A1
Application number: DE102007059132A
Authority: DE
Inventors: Simon Dr. Schwalenberg; Ralph Dr. Bertram; Jan Marfeld
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH; Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH; Ams Osram International GmbH
Priority date: 2007-12-07
Filing date: 2007-12-07
Publication date: 2009-06-10
Also published as: US7862205B2; US20090147508A1

Abstract

Es wird eine Leuchteinheit angegeben, umfassend mindestens zwei Submounts, wobei jedes Submount mehrere Leuchtquellen aufweist. Weiterhin wird eine Lampe, umfassend die Leuchteinheit, angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leuchteinheit und eine Lampe.
Bei Leuchten zur Allgemeinbeleuchtung werden zunehmend Leuchtdioden (LEDs) eingesetzt. Hierbei erfolgt insbesondere eine Lichtmischung auf einen Zielfarbort derart, dass ein Licht von verschiedenfarbigen LEDs an einer Austrittsfläche der Leuchte homogen ist und eine voreingestellte Farbe aufweist.
Bei hellen Leuchten werden eine Vielzahl von LEDs betrieben. Hierbei ergibt sich das Problem, dass aufgrund thermischer sowie elektrischer Effekte nicht mehr alle LEDs direkt nebeneinander montiert werden können.
Bei entsprechend verteilter Anordnung der Vielzahl von LEDs ist es jedoch optisch aufwändig, eine entsprechend homogene Lichtmischung zu erreichen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine besonders effiziente Möglichkeit für eine homogene Beleuchtungseinheit, z. B. eine Leuchte und/oder einen Scheinwerfer, anzugeben.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Leuchteinheit angegeben umfassend mindestens zwei Submounts, wobei jedes Submount mehrere Leuchtquellen aufweist.
Unter Submount wird hierin verstanden eine Vorrichtung, z. B. eine Platine, auf die Leuchtquellen angeordnet sind. Insbesondere können LEDs thermisch und/oder elektrisch mit dem Submount gekoppelt sein.
Somit ist es möglich, anhand der Submounts eine skalierbare Leuchteinheit bereitzustellen, wobei z. B. abhängig von einer erforderlichen Lichtleistung eine entsprechende Anzahl an Submounts vorgesehen werden kann. Weiterhin ermöglicht die Verwendung der Submounts ein effizientes thermisches Design, weil insbesondere pro Submount eine Ableitung der Wärme stattfinden kann. Auch ist es mit diesem Ansatz möglich, pro Submount einen Farbort einzustellen, der sich problemlos für die Leuchteinheit zu einem Gesamtfarbort zusammenmischen lässt.
Eine Weiterbildung ist es, dass mindestens zwei Leuchtquellen des Submounts unterschiedliche Farben aufweisen.
Insbesondere können eine Vielzahl von Leuchtquellen, insbesondere LEDs unterschiedlicher und/oder im wesentlichen gleicher Wellenlängen, auf dem Submount angeordnet oder mit diesem thermisch gekoppelt sein.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass die mindestens zwei Submounts jeweils Leuchtquellen mit im wesentlichen identischen Eigenschaften aufweisen.
Hierzu können die Submounts Leuchtquellen des gleichen Typs aufweisen. Alternativ ist es möglich, dass die einzelnen Leuchtquellen innerhalb vorgegebener Toleranzparameter übereinstimmen und somit im wesentlichen identische Eigenschaften hinsichtlich ihrer Helligkeit und/oder ihrer Wellenlänge(n) aufweisen.
Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass die Leuchteinheit im wesentlichen identisch bestückte Submounts umfasst.
Zumindest ein Teil der in der Leuchteinheit vorgesehenen Submounts (optional auch alle Submounts) können jeweils Leuchtquellen des gleichen Typs bzw. auf gleiche Art angeordnete Leuchtquelle aufweisen. Somit ist es besonders effektiv möglich, größere bzw. stärkere Leuchteinheiten (mehr Lichtleistung) mit im wesentlichen gleichem Farbort bereitzustellen.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass Leuchtquellen im wesentlichen identische Eigenschaften aufweisen, wenn die Leuchtquellen eine im wesentlichen gleiche Farbe und/oder im wesentlichen gleiche Helligkeit, insbesondere derart, dass ein Helligkeitsunterschied nicht durch das menschliche Auge unterscheidbar ist, aufweisen.
Ferner ist es eine Weiterbildung, dass die Leuchteinheit eine Vielzahl von Submounts aufweist, die an unterschiedlichen Orten der Leuchteinheit mit einer im wesentlichen gemeinsamen Abstrahlrichtung angeordnet sind.
Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung ist eine vorgegebene Farbmischung pro Submount anhand eines Verhältnisses der Leuchtflächen der Leuchtquellen vorgebbar.
Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass die vorgegebene Farbmischung durch unterschiedliche Anzahlen von Leuchtquellen vorgegebener Farbe einstellbar ist.
Somit kann ein Farbort des Submounts erreicht werden, indem Leuchtquellen mit einer bestimmten Leuchtfläche verwendet werden und die jeweils benötigte Farbe durch die Leuchtfläche der Leuchtquelle, also durch die Anzahl der Leuchtquellen oder durch eine modifizierte Fläche einer oder mehrerer Leuchtquellen, hergestellt wird.
Eine Ausgestaltung ist es, dass die vorgegebene Farbmischung durch Veränderung, insbesondere Vergrößerung oder Verringerung, der Leuchtfläche mindestens einer Leuchtquelle einstellbar ist.
Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass die Submounts in Reihe geschaltet sind.
Bevorzugt sind die Submounts so ausgestaltet, dass sie einfach miteinander in Reihe geschaltet werden können. Hierzu sind die Anschlüsse vorzugsweise an beiden Seiten des Submounts ausgeführt, so dass anhand der Submounts selbst ein Teil der Verdrahtung erfolgt.
Es ist eine Weiterbildung, dass Leuchtquellen auf verschiedenen Submounts in Reihe geschaltet sind. Insbesondere können Leuchtquellen gleicher Farbe auf verschiedenen Submounts in Reihe geschaltet sein.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass die Leuchteinheit eine Montagefläche, insbesondere eine Platine aufweist, wobei die Submounts zumindest teilweise in die Montagefläche versenkt oder versenkbar sind.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass das Submount mindestens eine Platine zur Aufnahme und/oder Montage der Leuchtquellen wie folgt ist oder umfasst:

– eine Metallkernplatine;
– eine Keramikplatine;
– eine Platine aus FR4-Material.

Eine zusätzliche Ausgestaltung ist es, dass die Leuchtquellen auf dem Submount mittels Leiterbahnen und/oder mittels Wirebonds verbunden und/oder angeschlossen sind.
Eine andere Ausgestaltung ist es, dass pro Submount eine Optik zur Lichtmischung vorgesehen ist.
Vorteilhaft kann pro Submount eine einfache Optik vorgesehen sein, die den gemischten Farbort des Submounts ausgibt. Entsprechend kann auch für die Leuchteinheit eine einfache Optik vorgesehen sein, da die Mischung der Farben bereits pro Submount erfolgt.
Auch ist es eine Möglichkeit, dass die Leuchteinheit in einem Leuchtsystem, in einer Lampe oder in einem Scheinwerfer einsetzbar ist.
Auch ist es eine weitere Ausgestaltung, dass die Leuchtquelle mindestens ein Leuchtmittel, insbesondere mindestens eine LED umfasst.
Bei der LED kann es sich insbesondere um einen LED-Chip handeln.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass die Leuchteinheit mehr als 6 LEDs, insbesondere mehr als 12 LEDs umfasst.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Lampe umfassend eine Leuchteinheit wie hierin beschrieben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert.
Es zeigen:
1A und 1B unterschiedliche Ausführungsformen für ein Submount umfassend mehrere LEDs oder LED-Chips;
2A bis 2C unterschiedliche Ausführungsformen für ein Submount umfassend eine Vielzahl von LEDs oder LED-Chips;
3 bis 6 unterschiedliche Ausführungsformen für Leuchten umfassend verschiedenartige Submounts.
Hierbei sei angemerkt, dass die hier verwendete Bezeichnung LED oder Leuchtdiode auch einen LED-Chip umfasst.
Gemäß dem hier vorgestellten Ansatz werden mehrere, z. B. 4 bis 12, LEDs (LED-Chips) in einem vorgegebenen Zahlenverhältnis der LEDs oder der Leuchtflächen auf einem Submount angeordnet.
Das Submount umfasst vorzugsweise eine Platine zur Aufnahme der LEDs. Hierbei kann es sich um eine Keramikplatine, eine Metallkernplatine oder um eine Platine aus FR4-Material handeln. Die Platine kann Leiterbahnen zur Kontaktierung der LEDs aufweisen. Auch ist es möglich, dass die LEDs mittels Wirebonds mit der Platine verbunden sind. Weiterhin können die LEDs auf einem thermisch leitenden Material, z. B. Kupfer, der Platine montiert sein.
Beispielsweise können verschiedenfarbige LEDs in einem bestimmten Verhältnis zueinander auf dem Submount angeordnet sein. Alternativ können die von den LEDs bereitgestellten verschiedenfarbigen Leuchtflächen in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Beispiel:

weiß grün blau rot gelb

15 mm² 3 mm² 1,5 mm² 1,5 mm² 1,5 mm²
Entsprechend können mehrere Submounts in einer Leuchte oder Leuchteinheit vorgesehen sein. Dabei können insbesondere im wesentlichen "identische" Submounts miteinander in einer Leuchte kombiniert werden. Solche "identischen" Submounts sind insbesondere derart konzipiert, dass sie im wesentlichen ein Lichtgemisch bereitstellen, das für den Einsatz in der Leuchteinheit geeignet ist. Vorzugsweise sind dazu auf den mehreren Submounts der Leuchteinheit jeweils identische oder ähnliche LEDs vorgesehen, wobei die Ähnlichkeit z. B. darin besteht,

– dass LEDs im wesentlichen die gleiche Farbe aufweisen;
– dass LEDs für das menschliche Auge als "gleich hell" wahrnehmbar sind (hierzu weisen die LEDs insbesondere Helligkeitsunterschiede von maximal +/–16% auf);
– dass die LEDs eine dominante Wellenlänge mit einer Genauigkeit von 5 nm oder von 10 nm aufweisen;
– dass eine mittlere dominante Wellenlänge mehrerer LEDs gleicher Farbe auf einem Submount ähnlich einer mittleren dominanten Wellenlänge auf benachbarten Submounts ist;
– dass eine mittlere Helligkeit mehrerer LEDs gleicher Farbe auf einem Submount ähnlich einer mittleren Helligkeit auf benachbarten Submounts ist;
– dass bei weißen Chip-Level-Conversion (CLC) Chips neben der Helligkeit auch der Farbort ähnlich ist, z. B. innerhalb einer McAdams Ellipse mit beispielsweise 3, 5 oder 10 Schwellwerteinheiten. Bei CLC Chips ist ein Phosphor direkt auf den (blauen) Chip aufgebracht und erzeugt in der Mischung des blauen und des von dem Phosphor konvertierten Licht auf "Chipebene" im wesentlichen weißes Licht.

Vorteilhaft kann auch eine Kombination von unterschiedlichen Arten oder Typen der Farbe weiß sein, z. B. kaltweiß oder warmweiß, zur Einstellung einer unterschiedlich wirkenden Farbtemperatur.
Für den Fall, dass beispielsweise eine Farbmischung (Farbort) nicht anhand eines ganzzahligen Verhältnisses von LEDs auf dem Submount einstellbar sein sollte, können auch LEDs mit kleinerer oder größerer Chipfläche als die anderen LEDs verwendet werden. Beispiel:

weiß grün blau rot gelb

5 × 1 mm² 3 × 1 mm² 0,5 mm² 0,5 mm² 0,5 mm²
Die Figuren zeigen unterschiedliche Beispiele für Submounts wie sie beispielsweise in Leuchten einsetzbar sind.
1A zeigt mehrere LEDs oder LED-Chips 102, die auf einem Submount, z. B. auf einer Keramikplatine 101, angeordnet sind. Die Keramikplatine umfasst vorzugsweise Leiterbahnen und/oder Wirebonds zum Anschluss der LEDs. Die LEDs weisen unterschiedliche Farben auf, wobei die folgenden Abkürzungen verwendet werden:

W: weiß,
R: rot,
B: blau,
G: grün,
Y: gelb.

Entsprechend weist das Submount 101 drei weiße LEDs, eine rote LED, eine blaue LED und eine grüne LED auf. Die LEDs in 1A haben alle ungefähr die gleiche Leuchtfläche.
1B zeigt ein Submount 103, das bis auf eine kleinere blaue LED (reduzierte Fläche, die blau leuchtet) dem Submount 101 gemäß 1A entspricht. Durch die Verringerung des blau-Anteils ergibt sich eine im Vergleich zu der 1A geänderte Gesamtfarbe des Submounts 103.
2A, 2B und 2C zeigen unterschiedliche Möglichkeiten der Verteilung von LEDs auf Submounts.
3 zeigt eine Leuchte 301 umfassend sechs Submounts vom Typ wie in 2A gezeigt. Dies entspricht einer Leuchte mit 24 weißen LEDs, 12 roten LEDs, 12 grünen LEDs und 6 blauen LEDs.
4 zeigt eine Leuchte 401 mit zueinander verdrehten Submounts mit 24 weißen LEDs und je 6 roten, gelben, grünen und blauen LEDs. Die gedrehten Submounts weisen den Vorteil auf, dass eine Reihenschaltung vereinfacht und dadurch eine engere Ringstruktur ermöglicht wird.
5 zeigt eine Leuchte 501 mit 4 Submounts gemäß 1B. Somit umfasst die Leuchte 501 8 weiße LEDs, 4 grüne LEDs und 4 kleine blaue LEDs.
6 zeigt eine Leuchte 601, die 8 Submounts gemäß 1B verwendet. Im Vergleich zu der Leuchte 501 aus 5 ergibt sich somit eine Verdopplung der Lichtleistung.
Weitere Vorteile:

a. Die Submounts liefern bei Versorgung mit gleichem Strom die gleiche Lichtfarbe sowie Helligkeit. Das Licht ist durch die räumliche Nähe der LEDs auf dem Submount vorgemischt. Jedes Submount kann mit einer eigenen Optik versehen werden. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann eine Optik über den Submounts vorgesehen sein anhand derer eine Gesamtmischung erfolgt.
b. Die Wärmeentwicklung pro Submount ist vergleichbar, entsprechend kann die Wärme gezielt pro Submount abgeleitet werden. Durch eine vorgegebene Menge von LEDs pro Submount kann ein einfacheres thermisches Design angewandt werden.
c. Die Flächen der LED-Chips werden effektiv ausgenutzt.
d. Es können im wesentlichen identische Bauteile produziert und verarbeitet werden. Dies betrifft die LEDs gleichermaßen wie die Submounts. Hierdurch werden sowohl Produktion als auch Logistik deutlich vereinfacht.
e. Anhand der im wesentlichen gleichen Submounts kann die Leuchteinheit nahezu frei skaliert werden: Somit sind unterschiedliche geformte und/oder unterschiedlich große Leuchten realisierbar unter Verwendung eines hohen Anteils gleicher Teile (Submounts).
f. Es können verschiedene Typen Submounts in einer Leuchteinheit eingesetzt werden. Beispielsweise müssen nicht alle Submounts einer Leuchteinheit oder Leuchte gleich sein. Es können bewusst unterschiedliche Submounts verwendet werden um somit einen vorgegebenen Farbort und/oder einen entsprechenden Farbortverlauf zu erreichen.

Claims

Leuchteinheit umfassend – mindestens zwei Submounts, wobei jedes Submount mehrere Leuchtquellen aufweist.
Leuchteinheit nach Anspruch 1, bei der mindestens zwei Leuchtquellen des Submounts unterschiedliche Farben aufweisen.
Leuchteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mindestens zwei Submounts jeweils Leuchtquellen mit im wesentlichen identischen Eigenschaften aufweisen.
Leuchteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend mehrere im wesentlichen identisch bestückte Submounts.
Leuchteinheit nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei der die Leuchtquellen im wesentlichen identische Eigenschaften aufweisen, wenn die Leuchtquellen eine im wesentlichen gleiche Farbe und/oder im wesentlichen gleiche Helligkeit, insbesondere derart, dass ein Helligkeitsunterschied nicht durch das menschliche Auge unterscheidbar ist, aufweisen.
Leuchteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Vielzahl von Submounts aufweist, die an unterschiedlichen Orten der Leuchteinheit mit einer im wesentlichen gemeinsamen Abstrahlrichtung angeordnet sind.
Leuchteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine vorgegebene Farbmischung pro Submount anhand eines Verhältnisses der Leuchtflächen der Leuchtquellen vorgebbar ist.
Leuchteinheit nach Anspruch 7, bei der die vorgegebene Farbmischung durch unterschiedliche Anzahlen von Leuchtquellen vorgegebener Farbe einstellbar ist.
Leuchteinheit nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei der die vorgegebene Farbmischung durch Veränderung, insbesondere Vergrößerung oder Verringerung, der Leuchtfläche mindestens einer Leuchtquelle einstellbar ist.
Leuchteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Submounts in Reihe geschaltet sind.
Leuchteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Leuchtquellen auf verschiedenen Submounts in Reihe geschaltet sind.
Leuchteinheit nach Anspruch 11, bei der Leuchtquellen gleicher Farbe auf verschiedenen Submounts in Reihe geschaltet sind.
Leuchteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Leuchteinheit eine Montagefläche, insbesondere eine Platine aufweist, wobei die Submounts zumindest teilweise in die Montagefläche versenkt oder versenkbar sind.
Leuchteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Submount mindestens eine Platine zur Aufnahme und/oder Montage der Leuchtquellen wie folgt ist oder umfasst: – eine Metallkernplatine; – eine Keramikplatine; – eine Platine aus FR4-Material.
Leuchteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Leuchtquellen auf dem Submount mittels Leiterbahnen und/oder mittels Wirebonds verbunden und/oder angeschlossen sind.
Leuchteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der pro Submount eine Optik zur Lichtmischung vorgesehen ist.
Leuchteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Leuchteinheit in einem Leuchtsystem, in einer Lampe oder in einem Scheinwerfer einsetzbar ist.
Leuchteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Leuchtquelle mindestens ein Leuchtmittel, insbesondere mindestens eine LED umfasst.
Leuchteinheit nach Anspruch 18 umfassend mehr als 6 LEDs, insbesondere mehr als 12 LEDs.
Lampe umfassend eine Leuchteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche.