DE102009012138A1

DE102009012138A1 - LED-Beleuchtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102009012138A1
Application number: DE102009012138A
Authority: DE
Inventors: Christoph Neureuther; Steffen Block; Ales Dr. Markytan; Robert Kraus
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH; Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH; Ams Osram International GmbH
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2010-09-09
Also published as: WO2010100010A1

Abstract

Es ist eine LED-Beleuchtungsvorrichtung (10; 20) mit mindestens einer Leuchtdiode (2), einem ersten Reflektor (8), einem zweiten Reflektor (6) und einem Kühlkörper (1) vorgesehen. Die an dem Kühlkörper (1) in einer Anordnungsebene (1b) angeordnete Leuchtdiode ist derart ausgerichtet, dass sie ihr emittiertes Licht zum ersten Reflektor (8) abstrahlt. Der erste Reflektor (8) und zweite Reflektor (6) sind derart zueinander ausgerichtet, dass das Licht vom ersten Reflektor (8) zum zweiten Reflektor (6) weitergeleitet wird, an dem es zum Abstrahlen der Beleuchtungsvorrichtung (10; 20) reflektiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine LED-Beleuchtungsvorrichtung welche mindestens eine Leuchtdiode und einen Reflektor aufweist.
Bisher wird eine Umwandlung von blauem LED-Licht in weißes Licht durch Einsatz eines Wellenlängenumwandlungsmaterials (Fluoreszenzfarbstoff, Leuchtstoff, z. B. mit Cer-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat-Pulver) erreicht, welches nahe an die blaue Leuchtdiode (LED) gebracht wird, z. B. mittels einer Beschichtung oder dadurch, dass die blaue LED in von Leuchtstoff enthaltendem Einbettungsmaterial vergossen ist (LED-Chip). Dabei tritt das Problem auf, dass aufgrund der Nähe zu der LED, welche eine erhebliche Wärmequelle darstellt, eine Konversionseffizienz des Wellenlängenumwandlungsmaterials sinkt.
Zudem müssen beispielsweise bei der Verwendung solcher LED-Chips in Retrofit-Lampen (d. h., LED-Lampen, welche in Form bzw. Kontur und/oder Abstrahlempfinden herkömmlichen Glühlampen ähneln) effizienzmindernde Maßnahmen vorgenommen werden, z. B. Diffusoren verwendet werden, um das äußere Erscheinungsbild bzw. die Leuchtcharakteristik anzupassen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur Verbesserung einer Konversionseffizienz und damit einer Lampenleistung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mittels einer LED-Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die LED-Beleuchtungsvorrichtung weist mindestens eine Leuchtdiode, einen ersten Reflektor, einen zweiten Reflektor und einen Kühlkörper auf, wobei die an dem Kühlkörper in einer Anordnungsebene angeordnete Leuchtdiode derart ausgerichtet ist, dass sie ihr emittiertes Licht zum ersten Reflektor abstrahlt und der erste Reflektor und der zweite Reflektor derart zueinander ausgerichtet sind, dass das Licht vom ersten Reflektor zum zweiten Reflektor weitergeleitet wird, an dem es zum Abstrahlen der Beleuchtungsvorrichtung reflektiert wird.
Dadurch, dass die zumindest eine LED auf einem Kühlkörper angeordnet ist und zumindest zwei Reflektoren vorgesehen sind, ist es ermöglicht eine Anordnung einer LED oder mehrerer LEDs und das Vorsehen einer Wärmeableitung ohne Berücksichtigung der Abstrahlrichtung vorzusehen, wobei zumindest mittels eines Reflektors das direkte Abstrahlen des emittierten Lichtes von der LED aus der Beleuchtungsvorrichtung verhinderbar ist.
Durch das Vorsehen einer Konversionsschicht auf dem ersten Reflektor ist der Leuchtstoff nun nicht mehr in die Einzel-LED bzw. den LED-Chip verbaut wird, und das Konversionsvolumen nicht mehr in direktem Kontakt mit der Roh-LED steht, sondern aus der thermisch hochbelasteten nahen Umgebung der Leuchtdioden bzw. der LED-Chips entfernt wird, ergibt sich ein beträchtlicher Gewinn in der Konversionseffizienz. Dadurch wird es zudem möglich, alterungsempfindliche oder bei geringen Leistungsdichten sättigende Leuchtstoffe wie Mn²⁺, Mn⁴ ⁺, Eu³⁺ oder Tb³⁺ dotierte Leuchtstoffe zu verwenden, welche für eine Nutzung in einem LED-Chip nicht geeignet sind.
Zur effektiven Abfuhr von Wärme vom Wellenlängenumwandlungsmaterial, welches sich durch den sog. Stokes-Shift bei der Konversion unter Umständen erheblich erwärmen kann, besteht das Grundmaterial des ersten Reflektors aus einem gut wärmeleitendem Material, z. B. aus Metall oder wärmeleitender Keramik. Vorzugsweise beträgt die Wärmeleitfähigkeit mehr als 15 W/(m·K), speziell mehr als 100 W/(m·K).
Vorzugsweise weist ein Reflektorbereich des mindestens einen Konversionsreflektors mindestens ein Wellenlängenumwandlungsmaterial (Leuchtstoff) für das von der mindestens einen Leuchtdiode ausgestrahlte Licht auf. Bei einer Wellenlängenkonversion wird das konvertierte Licht typischerweise im Mittel isotrop abgestrahlt.
Es kann, z. B. bei Wellenlängenkonversion zwischen jeweils sichtbarem Licht, wie einer blau-gelb-Konversion, vorteilhaft sein, wenn ein Teil des von der Leuchtdiode abgestrahlten Lichts ohne Wellenlängenkonversion wieder abstrahlt bzw. reflektiert wird. So lässt sich vergleichsweise einfach ein gewünschtes Mischlicht erlangen, insbesondere ein weißes Mischlicht, die Farbe aber grundsätzlich nicht darauf beschränkt.
Zur Erlangung einer gleichmäßigen Lichtabstrahlung strahlt der Konversionsreflektor auch den Teil des von der Leuchtdiode abgestrahlten Lichts diffus ab bzw. reflektiert dieses diffus, welcher nicht wellenlängenkonvertiert wird (falls vorhanden). Der Konversionsreflektor wirkt dadurch als Diffusor bzw. Konversionsdiffusor, allerdings ohne Effizienzeinbuße. Durch das Vorsehen zumindest eines optischen Elementes ist es ermöglicht auf einfache Weise möglichst viel des von der LED oder den LEDs abgestrahlten Lichtes einzufangen und zum ersten Reflektor zu führen, so dass ein direktes Abstrahlen von der LED weitgehend unterbunden ist. Ist auf dem ersten Reflektor eine Konversionsschicht vorgesehen, ist die der Konversionsschicht zugeführte Lichtmenge optimiert.
Vorzugsweise ergibt das vom mindestens einen Konversionsreflektor ausgesandte Licht ein weißes Mischlicht.
Dazu wird eine Beleuchtungsvorrichtung bevorzugt, bei der die mindestens eine Leuchtdiode eine blau leuchtende Leuchtdiode ist und das Wellenlängenumwandlungsmaterial blaues Licht in gelbes Licht umwandelt. Dies ergibt typischerweise ein ”kal tes Weiß” mit einer typischen Farbtemperatur von ca. 6500 K. Zur Erlangung eines ”warmen Weiß” mit einer typischen Farbtemperatur zwischen ca. 3000 K und 4000 K werden zwei Wellenlängenumwandlungsmaterialien bevorzugt, welche das blaue Licht der LED(s) in gelbes Licht bzw. rotes Licht umwandeln. Der Blauanteil für ”kaltes Weiß” liegt typischerweise bei 15%–20%, derjenige für ”warmes Weiß” bei ca. 10%–15%.
Es kann aber auch bevorzugt sein, wenn die mindestens eine Leuchtdiode eine UV-Leuchtdiode ist und Wellenlängenumwandlungsmaterialien UV-Licht in rotes, grünes bzw. blaues Licht, oder eine ähnlich wirkende Farbkombination umwandeln. Dann wird es stark bevorzugt, wenn das UV-Licht vollständig in sichtbares Mischlicht umgewandelt wird.
Zwar mag es ausreichen, wenn der Reflektorbereich des Konversionsreflektors nur bei seitlicher Betrachtung sichtbar ist, jedoch wird es bevorzugt, wenn er nicht direkt von außen sichtbar ist.
Zur genauen und einfachen Positionierung des zweiten Reflektors ist es vorteilhaft, wenn dieser auf einem die mindestens eine Leuchtdiode tragenden Substrat angeordnet ist.
Es kann zur noch effektiveren thermischen Entkopplung zwischen erstem Reflektor und Leuchtdiode(n) bzw. LED-Modul vorteilhaft sein, wenn der erste Reflektor in Abstrahlrichtung der Leuchtdiode(n) ohne direkten Kontakt zum tragenden Substrat angeordnet ist. Dies ist beispielsweise über eine wärmeisolierende Stützvorrichtung möglich, die den zweiten Reflektor trägt, an dem eine lichtdurchlässige Deckplatte aufliegt, an der wiederum der erste Reflektor befestigt ist. Auch das Ausrichten von erstem Reflektor, zweitem Reflektor und LED zueinander ist auf diese Weise einfach gewährleistet.
Durch das vorsehen eines Lichtleitenden Elementes, wie beispielsweise einer Lichtleitfaser, als optisches Element ist das zuführen des emittierten lichtes zum ersten Reflektor vereinfacht möglich.
Anhand der folgenden Ausführungsbeispiele wird die Erfindung schematisch näher beschrieben. Dabei sind gleiche Elemente in den Figuren durchgängig mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in Schnittdarstellung eine Prinzipskizze einer LED-Beleuchtungsvorrichtung;
2 zeigt in Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer LED-Beleuchtungsvorrichtung;
3 zeigt in Schnittdarstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer LED-Beleuchtungsvorrichtung.
1 zeigt eine prinzipielle Darstellung einer LED-Beleuchtungsvorrichtung, an Hand der die Funktionsweise erläutert wird. Ein LED-Modul 2 und einem darauf angebrachten ersten Reflektor B. Der erste Reflektor 8 überdeckt das LED-Modul 2 seitlich (in der x-y-Ebene), ragt also seitlich über dieses hinaus. Am LED-Modul 2 angebracht und dessen die LEDs aufweisende Oberseite sowie den ersten Reflektor 8 umgebend ist ferner ein Lampenkolben 9 aus Glas vorhanden, der an einem unteren, dem LED-Modul 2 benachbarten Bereich einen zweiten Reflektor 6 ohne Wellenlängenumwandlungsmaterial aufweist. Der zweite Reflektor 6 ist an einer solchen Stelle am Kolben 9 angeordnet, dass er nicht im direkten Abstrahlbereich des LED-Moduls 2 liegt, also dessen ausgestrahltes blaues Licht nicht direkt empfängt.
Bei Betrieb der LED-Beleuchtungsvorrichtung 7 wird vielmehr das vom LED-Modul 2 abgestrahlte Licht hauptsächlich zu der als Reflektorbereich dienenden Unterseite 8a des ersten Reflektors 8 gestrahlt, wie durch die durchgezogenen Pfeile angedeutet. Dort wird das beispielsweise blaue Licht teilweise in gelbes Licht umgewandelt. Die Unterseite 8a des ersten Re flektors 8 ist so geformt, dass sowohl nicht umgewandeltes blaues Licht als auch umgewandeltes gelbes Licht als weißes Mischlicht auf den zweiten Reflektor 6 gerichtet wird (gepunktete Pfeile), welcher das Mischlicht dann in den ansonsten lichtdurchlässigen Kolben 9 reflektiert.
Mittels des Entfernens des Wellenlängenumwandlungsmaterials aus der thermisch hochbelasteten Umgebung der LEDs bzw. des LED-Moduls 2 ergibt sich ein erheblicher Leistungsgewinn durch eine erhöhte Konversionseffizienz.
Der zweite Reflektor 6 kann sowohl verspiegelt als auch diffus reflektierend ausgeführt sein. Der zweite Reflektor 6 kann ebenfalls facettiert sein. Die Abstrahlcharakteristik einer solchen LED-Beleuchtungsvorrichtung 7 kann durch geeignete Facettierung des ersten Reflektors 8 und/oder des zweiten Reflektors 6 und/oder durch ein sog. ”Frosten” des Glaskolbens 9 an die Abstrahlcharakteristik jeder gewünschten Lampe angepasst werden. Insbesondere ist eine solche Lampe 7 als sogenannte Retrofit-Lampe geeignet; die LED-Chips als auch das Wellenlängenumwandlungsmaterial (Leuchtstoff) bzw. die konversionsreflektierende Unterseite 8a sind in Draufsicht nicht sichtbar.
Die in 1 gezeigte Lampe bzw. LED-Beleuchtungsvorrichtung ist als Retrofitlampe ausgestaltet. Sie weist, auch wenn zur besseren Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet, geeignete Stromanschlüsse und Treiber für die LED-Chips 1 auf, ggf. auch Wärmeableitmittel. Insbesondere kann die Lampe 7 einen Edisonsockel oder einen Bajonettsockel aufweisen. Die Kontur des Kolbens 9 ist der einer Glühlampe ähnlich.
Gemäß 2 ist eine LED 2 an einem Kühlkörper 1 angeordnet. Auch hier ist zur Vereinfachung auf die Darstellung von Zuleitungen verzichtet. Das mit dem Bezugszeichen 1a bezeichneten Teils kann dabei ein Teil des Kühlkörpers 1 oder eine Leiterplatte sein, die zur Stromversorgung der LED 2 dient.
Es besteht aber in diesem Fall eine gute thermische Kopplung zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper 1. In 2 ist die LED 2 nur symbolhaft als „Kästchen” dargestellt. Dies hat den Grund, dass es sich um eine oder mehrere LEDs handeln kann. Im Weiteren wird zur Erläuterung immer nur von einer LED 2 gesprochen, es soll jedoch stets berücksichtigt sein, dass es mehrere LEDs sein können.
Die LED 2 emittiert Licht, das, wie mit den Pfeilen symbolisiert ist in einem Abstrahlwinkel abgestrahlt wird. Das abgestrahlte Licht wird von einem optischen Element 4 eingefangen und zu einem ersten Reflektor 8 geleitet. Dabei wird das mit unterschiedlichen Abstrahlwinkeln abgestrahlte Licht eingefangen und parallel zum ersten Reflektor 8 geführt. Das optische Element 4 kann dabei eine Linsenanordnung sein, aber auch ein auf die LED 2 aufgesetztes Lichtleitelement, das das bis kurz vor den ersten Reflektor 8 führt. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Licht an der verspiegelten Oberflächefläche des ersten Reflektors 8 reflektiert. Auf der Oberfläche des ersten Reflektors 8 ist eine Konversionsschicht 9 aufgetragen, die ein wellenlängenumwandelndes Material aufweist. Mittels dieses Materials wird die Wellenlänge des Lichtes geändert, d. h. beispielsweise blaues Licht in weißes Licht konvertiert. Die in 2 dargestellte Schnittansicht ist zylindersymmetrisch, d. h. der erste Reflektor ist in Form einer Kegelspitze ausgebildet.
Das von der Kegelspitze des ersten Reflektors 8 reflektierte Licht wird, wie mittels der Pfeile angedeutet zu einem zweiten Reflektor 6 hin reflektiert. Die Reflektionswinkel des ersten Reflektors 8 und des zweiten Reflektors 6 sind dabei so gewählt, dass das vom zweiten Reflektor 6 abgestrahlte Licht die LED-Beleuchtungsvorrichtung in einer von einem Pfeil 30 angedeuteten Abstrahlrichtung verlässt.
Es ist eine Lichtdurchlässige Deckplatte 14 vorgesehen, die auf dem zweiten Reflektor 6 aufliegt. Der erste Reflektor 8 ist zentriert an der Deckplatte 14 befestigt.
Der zweite Reflektor 6 ist über eine Befestigungseinrichtung 3 an dem Kühlkörper 1 befestigt.
Im in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel sind zwei LEDs 2 dargestellt, auf denen jeweils ein einzelnes optisches Element 4 aufsitzt. Es kann jedoch auch eine einzelne LED oder mehr als zwei LEDs sein. Von Bedeutung dieses Ausführungsbeispiels ist, dass das abgestrahlte Licht vom optischen Element 4 nicht parallel, sondern mit einem Abstrahlwinkelbereich zum ersten Reflektor 8 geführt wird. Der erste Reflektor 8 weist zwei Reflektionsebenen auf, die zur Anordnungsebene 1b, in der die LEDs 2 angeordnet sind einen unterschiedlichen Schnittwinkel aufweisen, wenn man sich die Ebenen bis zu einem Schnitt verlängert vorstellt.
Auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel verlässt das Licht die LED-Beleuchtungsvorrichtung im Wesentlichen in Richtung der dargestellten Abstrahlrichtung 30.
Es ist leicht zu erkennen, dass das erste und das zweite Ausführungsbeispiel miteinander kombinierbar sind.

Claims

LED-Beleuchtungsvorrichtung (10; 20), mit mindestens einer Leuchtdiode (2), einem ersten Reflektor (8), einem zweiten Reflektor (6) und einem Kühlkörper (1), wobei die an dem Kühlkörper (1) in einer Anordnungsebene (1b) angeordnete Leuchtdiode derart ausgerichtet ist, dass sie ihr emittiertes Licht zum ersten Reflektor (8) abstrahlt und der erste Reflektor (8) und zweite Reflektor (6) derart zueinander ausgerichtet sind, dass das Licht vom ersten Reflektor (8) zum zweiten Reflektor (6) weitergeleitet wird, an dem es zum Abstrahlen der Beleuchtungsvorrichtung (10; 20) reflektiert wird.
LED-Beleuchtungsvorrichtung (10; 20) nach Anspruch 1, wobei der erste Reflektor (8) eine ein Wellenlängenumwandlungsmaterial aufweisende Konversionsschicht (9) für das aufweist, das zumindest einen Wellenlängenbereich des von der mindestens einen Leuchtdiode (2) emittierten Lichtes in einen anderen Wellenlängenbereich umwandelt.
LED-Beleuchtungsvorrichtung (10; 20) nach Anspruch 1 oder 2, mit zumindest einem optischen Element (4), das das von der mindestens einen Leuchtdiode (2) emittierte Lichte aufnimmt und zum ersten Reflektor (8) weiterleitet.
LED-Beleuchtungsvorrichtung (10; 20) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der erste Reflektor (8) einen Teil des von der mindestens einen Leuchtdiode (2) abgestrahlten Lichts ohne Wellenlängenumwandlung diffus abstrahlt.
LED-Beleuchtungsvorrichtung (10; 20) nach Anspruch 4, wobei der erste Reflektor (8) unter der Konversionsschicht eine spiegelnde Reflexionsoberfläche aufweist.
LED-Beleuchtungsvorrichtung (10; 20) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das vom Konversionsreflektor (4; 13) abgestrahlte Licht ein weißes Mischlicht ergibt.
LED-Beleuchtungsvorrichtung (10; 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Reflektorbereich des ersten Reflektors (8) zumindest bei Draufsicht von außen nicht direkt sichtbar ist.
LED-Beleuchtungsvorrichtung (10; 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Reflektor (6) an einem die mindestens eine Leuchtdiode tragenden Substrat (1a) angebracht ist.
LED-Beleuchtungsvorrichtung (10; 20) nach Anspruch 8, wobei der zweite Reflektor (6) über eine Stützvorrichtung (3) an dem die mindestens eine Leuchtdiode tragenden Substrat (1a) angebracht ist.
LED-Beleuchtungsvorrichtung (10; 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Reflektor (8) zumindest zwei Ebenen aufweist, die bezüglich der Anordnungsebene (1b) der zumindest einen LED (2) einen unterschiedlichen Winkel aufweisen.
LED-Beleuchtungsvorrichtung (10; 20) nach einem der Ansprüche 3–10, wobei das das optische Element (4) eine Lichtleitfaser aufweist.
LED-Beleuchtungsvorrichtung (10; 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei der eine lichtdurchlässige Deckplatte (14) vorgesehen ist, die an dem zweiten Reflektor (6) angeordnet ist und von der der erste Reflektor (8) gehalten wird.