DE102010006914A1

DE102010006914A1 - Flexibler Subminiatur-Hochleistungs-Leuchtstreifen mit SMD-LEDs

Info

Publication number: DE102010006914A1
Application number: DE102010006914A
Authority: DE
Inventors: Christian Hahn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2011-08-04

Abstract

Erfindung zur Beleuchtung von Räumen mittels leuchtender Glasfliesen oder ähnlichem, die ausgeschaltet unsichtbar ist. Die Erfindung weist extrem geringe Abmessungen auf und wird in einer Fuge zwischen zwei Glasfliesen platziert. Das emittierte Licht fällt seitlich in die Glasfliese ein und erhellt diese. Das Glas dient dabei als Lichtleiter, aus dem das Licht anschließend wieder austritt, um dann den Raum zu beleuchten. Um die gewünschte Helligkeit zu erreichen, sind die flexiblen Subminiatur-Hochleistungs-Leuchtstreifen mit SMD-LEDs geeigneter Leistung und in geeigneten Abständen auf der Trägerplatine zu bestücken. Leuchtstreifen mit Leistungen von 1000 Lumen pro laufendem Meter und mehr sind möglich. Die hohe Lichtausbeute generiert aber auch Abwärme, die abgeführt werden muss, damit die LEDs keinen Schaden nehmen. Daher sind wärmeableitende Maßnahmen ebenfalls Bestandteil dieser Erfindung. Allerdings sind diese so ausgeführt, dass sie nach der Endmontage unsichtbar sind. Die Erfindung wird mit Schutzkleinspannung betrieben. Werden ganze Räume mit fortlaufenden flexiblen Subminiatur-Hochleistungs-Leuchtstreifen beleuchtet, fließen hohe Ströme, die Verluste in den Zuleitungen verursachen. Wegen der Kennlinie von LEDs würde dies mit zunehmenden Kabellängen zu einem Absinken der Leuchtstärken führen. Daher ist auch das gesonderte Schaltschema Bestandteil dieser Erfindung.

Description

Diese Erfindung wurde maßgeblich dazu entwickelt, Räume mittels leuchtender Fliesen zu beleuchten. Dabei sollte dem Anwender die Möglichkeit gegeben werden, sich keinem vorgefertigten Fliesendesign zu unterwerfen, sondern eigene Vorstellungen umzusetzen. Die Erfindung ist so beschaffen, dass sie gemäß Darstellung I wahllos in jeder Fuge zwischen zwei Glasfliesen oder anderweitigen, zur Lichtleitung geeigneten Materialien, platziert werden kann oder gemäß Darstellung II auch zur Hinterleuchtung geeignet ist. Als Lichtquellen können weiße LEDs, farbige LEDs, RGB-LEDs oder UV-LEDs zum Einsatz kommen. Dabei handelt es sich um Subminiatur-Hochleistungs-Leuchtstreifen mit SMD-LEDs in modularer Bauweise, die aufgrund der in jedem Modul zum Einsatz gebrachten Anzahl von LEDs und deren Lichtstärke, sowie der jeweils zum Einsatz gebrachten Anzahl von Einzelmodulen in besonderer Weise geeignet sind, allgemeine Beleuchtungsaufgaben zu erfüllen.
Aus optischen Gründen, und zur Erreichung einer homogenen (Raum-)Ausleuchtung kann eine größere Gesamtanzahl von LEDs erforderlich sein. Diese werden erfindungsgemäß an einer Schutzkleinspannung betrieben. Durch die Schutzkleinspannung bedingt, steigt der notwendige Strom entsprechend der Gesamtleistung an. Kurze Leitungswege in Verbindung mit großen Leiterquerschnitten helfen, die auftretenden Verluste klein zu halten. Allerdings reichen diese Maßnahmen allein nicht aus. Um alle Leuchtmittel (LEDs), die auf einem einzelnen Modul angeschlossen sind mit gleichen Spannungen zu versorgen, sind besondere Maßnahmen in der Leiterbahnführung bzw. Verdrahtungstechnik des Kabelbaumes notwendig, weshalb auch die Leitungsführung teil dieser Erfindung ist.
LEDs mit Leistungen von 0,2 W/LED und mehr, wie sie wegen der erforderlichen, hohen Lichtausbeute vornehmlich in dieser Erfindung zum Einsatz gebracht werden, erzeugen bereits eine nicht zu vernachlässigende Größe an Abwärme. Die von der Erfindung generierte Abwärme wird jedoch ohne sperrige und ohne konventionelle Kühlkörper abgeleitet. Daher ist auch die Herstellung denkbar kostengünstig zu realisieren. Auf Gehäuse kann gemäß einer Anwendung nach Darstellung I und Ib gänzlich verzichtet werden, ausgenommen sind hier Anwendungen gemäß Darstellung II. Dazu kommt, dass die Erfindung elektrosmogfrei, dimmbar und energiesparend ist.
In der Schaltung gemäß „Schema A” befinden sich die Einspeisungspunkte für die Spannung (+, –) am selben Ende des Kabelstrangs, parallel nebeneinander. Die Parallelschaltung gemäß „Schema A” bewirkt, das II durch R1 wegen der geringen Leitungslänge zwischen den Einspeisungspunkten und dem Verbraucher R1 nur geringen Verlusten unterliegt. I2 durch R2 ist bereits größeren Verlusten unterworfen als I1, weil sich schon hier die Verluste, die an der Zuleitung „X” und Ableitung „Y” entstehen, bemerkbar machen. I3 durch R3 letztendlich unterliegt den Verlusten, die an den Zu- und Ableitungen entstehen, gänzlich. Alle Spannungen an den einzelnen Verbrauchern, und damit auch sämtliche Teilströme, sind in dieser Schaltung ungleich und nehmen ab, je weiter sich der Verbraucher vom Einspeisungspunkt entfernt befindet, obwohl alle Verbraucher identisch sind und diese auch augenscheinlich mit „gleicher” Spannung betrieben werden. Im Hinblick auf die Leuchtstärke der LEDs führt dies zu einem Abnehmen der Leuchtintensität mit Zunahme der Leitungslänge, weil sich die Leitungswiderstände hier als Reihenschaltungen aufaddieren.
Abhilfe schafft hier die Beschaltung nach „Schema B”. Alle Verbraucher sind zwischen die Zuleitung „X” und Ableitung „Y” geschaltet. Diese Schaltungstechnik gilt im übertragenden Sinne sowohl für die Subminiatur-Hochleistungs-Leuchtstreifen selbst, als auch für Kabelbäume gemäß dieser Erfindung, die zur Verschaltung mehrerer Subminiatur-Hochleistungs-Leuchtstreifen zwecks Betrieb an einer gemeinsamen Energiequelle erforderlich sind. Lediglich die Einspeisungspunkte befinden sich nun am jeweils anderen Ende des Kabelstranges, quasi diagonal gegenüber. Damit werden zwar die Leitungsverluste nicht eliminiert. Aber sie werden gleichmäßig im Kabelstrang verteilt. Jeder Verbraucher unterliegt den selben Verlusten. Jedem Verbraucher steht exakt die gleiche Spannung zur Verfügung. Bei gleichen Lasten sind damit auch die jeweiligen Teilströme durch jeden Verbraucher identisch. Erreicht wird dies, weil jetzt jeder Verbraucher an gleichlange Zu- und Ableitungswege angeschlossen ist. Addiert man die Längen (und damit die Leitungswiderstände) der Zuleitung „X” und der Ableitung „Y” eines jeden einzelnen Verbrauchers auf, so sind die Summen für jeden Verbraucher identisch. Damit befindet sich jeder Verbraucher gleichnah an oder gleichfern von den beiden Einspeisungspunkten entfernt und damit sind auch die Summen der Leitungswiderstände für jeden Verbraucher gleich. Dies ist auch in „Schema B” mittels der eingezeichneten „Strompfade” zu erkennen, da die Längen der Leitungswege, und damit auch die Leitungswiderstände, mithin auch die dadurch verursachten Verluste, für alle Verbraucher stets gleich sind, sofern die Querschnitte der Leiter „X” und „Y” identisch sind.
Der Zusammenschluss mehrerer Subminiatur-Hochleistungs-Leuchtstreifen gemäß dieser Erfindung erfolgt über einen speziell konfektionierten Kabelbaum gemäß „Schema C”. Dazu werden in geeigneten Abständen an den mit „X” und „Y” gekennzeichneten Leitungen Anschlussmöglichkeiten wie Stecker, Buchsen etc. zum Anschluss einzelner Leuchtstreifen angebracht. Leitung „Z” führt Leitung „Y” wieder an den Einspeisepunkt (–) zurück, der sich jetzt wieder direkt neben dem Einspeisepunkt (+) der Zuleitung „X” befindet. Damit lässt sich der Kabelbaum einfach in einem einzigen Arbeitsgang verlegen und seine Einspeisungspunkte von dort mit einer zweiadrigen Zuleitung an die Energiequelle anschließen. Der hiermit gegenüber einem gewöhnlichen Kabelbaum zur Parallelschaltung um die Länge von „Z” erweiterte Kabelstrang und die damit einhergehenden zusätzlichen Leitungsverluste, sowie solche, die in jedem Fall auf dem Weg von der Energiequelle bis zu den Einspeisepunkten auftreten, können mittels einer geeigneten Spannungsanpassung der Quelle ausgeglichen werden.
Stand der Technik: LED-Leuchtstreifen sind in den folgenden Ausführungen bereits am Markt erhältlich, unterscheiden sich aber in der Summe ihrer Eigenschaften ganz erheblich von dieser Erfindung:

– Miniaturleuchtstreifen für den Modellbau; ähnlich klein, jedoch mit wenigen mcd nur sehr lichtschwach
– Leuchtstreifen mit bedrahteten LEDs; Dadurch erheblich größere Gesamtbauform. Konstruktionsbedingt sind bedrahtete LEDs dennoch verhältnismäßig lichtschwach, weil über die dünnen Anschlussdrähte die entstehende Abwärme nur bedingt abgeleitet werden kann
– Leuchtstreifen mit SMDs, die eine ähnlich große Lichtausbeute bieten, jedoch viel größere Gesamtabmessungen aufweisen, da hier Kühlkörper zur Ableitung der Abwärme erforderlich sind (z. B. mittels großem Aluminiumgehäuse).

Für Anwendungen gemäß den Darstellungen I und Ib, nach denen jeder Leuchtstreifen im Winkel von 90° zur Fliese zum Einsatz kommt und sein emittiertes Licht gemäß seiner optischen Achse damit seitlich in jede Fliese einfällt, ist jeder Leuchtstreifen mitsamt seinen Bauelementen so bemessen, dass er in den Zwischenraum zwischen zwei Fliesen eingepasst werden kann, und weder die Unterseite noch die Oberseite der jeweiligen Glasfliese überragt. Damit versinken die Subminiatur-Hochleistungs-Leuchtstreifen vollständig innerhalb der Fuge, in die sie eingebettet wurden und werden anschließend vollständig vom Fugenmörtel abgedeckt. Damit sind sie im ausgeschalteten Zustand vollkommen unsichtbar. Außerdem wird keine anderweitige Vorbereitung des Untergrundes zur Verlegung der Fliesen und der Leuchtstreifen erforderlich als der, dass Platz für die Energiezuführungsleitungen geschaffen werden muss.
Dazu wurde ein praktischer Versuchsaufbau wie folgt realisiert: Es wurden Platinen aus FR4 Material in einer Dicke von 0,2 mm erstellt mit den Abmessungen 3 mm × 300 mm. Diese hochelastischen Streifen wurden je mit 12 SMD-LEDs bestück (jeweils 3 in Reihe), die eine Aufbauhöhe von nur 1,9 mm in Richtung der optischen Achse aufwiesen, sowie den weiterhin zum Betrieb notwendigen Vorwiderständen. Die Gesamthöhe eines Leuchtstreifens betrug damit 2,1 mm inkl. der Platine, Anschlusskabel und Anschlussstecker zur Energiezufuhr ausgenommen. Diese Streifen wurden in die Fugen von Glasfliesen eingebracht, die ca. 4 mm dick waren. Jede LED erzeugte dabei nach Herstellerangaben einen Lichtstrom von 30 Lumen. Da insgesamt pro laufendem Meter 40 LEDs zum Einsatz kamen, betrug der erzeugte Lichtstrom 1200 Lumen/lfm, was etwas mehr als dem Lichtstrom einer herkömmlichen 100 W Glühbirne entspricht und war mit einer Gesamtlänge von 4 laufenden Metern außerordentlich hell und damit sehr gut geeignet, den Raum so zu beleuchten, dass anderweitige Leuchtmittel unnötig waren. Die Gesamtleistungsaufnahme betrug hingegen nur 24 W/lfm. Die generierte Abwärme wurde mittels wärmeleitfähigem Silikon an die umliegenden Glasliesen abgeführt. Zusätzlich wurden die Fliesen mittels eines wärmeleitfähigen Fliesenklebers mit dem Untergrund verklebt, der eine weitere Verbesserung der Wärmeableitung bewirkte. Die Temperaturerhöhung an den Anschlusspunkten der LEDs gegenüber der Raumtemperatur betrug dadurch nur ca. 21 Kelvin. Bei Verwendung von LEDs, die eine noch größere Abwärme generieren, kann der bereits geringe Wärmeableitwiderstand durch die Montage eines dünnen Winkels aus wärmeleitfähigem Material gemäß Darstellung Ib noch weiter reduziert und der Wärmeabfluss in die umliegenden Fliesen sowie den Untergrund verbessert werden.
Ein weiteres Anwendungsgebiet stellen allgemeine Beleuchtungsanwendungen gemäß Darstellung II dar, die durch Hinterleuchtung sämtlicher, lichtleitender Materialien zum Einsatz gebracht werden. Hierzu zählt insbesondere die Hinterleuchtung von teilweise oder ganz durchgefärbten, milchigen oder durch Teileinschlüsse anderweitig gestaltete Glasmosaikfliesen in Feuchträumen, im Außeneinsatz oder unter Wasser (z. B. in Schwimmbädern), in sanitären Anlagen, Küchen, Saunen und Schwimmbädern. Zu diesem Zweck wird der Subminiatur-Hochleistungs-Leuchtstreifen in ein wasserbeständiges- oder auch wasserundurchlässiges Gehäuse eingebettet. Die Abmessungen des Gehäuses sind dabei so bemessen, dass das Maß der jeweiligen Lichtaustrittöffnung den gewünschten, optischen Beleuchtungseffekt unterstützt. Hierzu kann zum Beispiel die Lichtaustrittsöffnung dem Maß einer zu beleuchtenden Fliese entsprechen. Durch den großen optischen Öffnungswinkel der zum Einsatz gebrachten LEDs von ca. 120°, kann die Bautiefe sehr gering gehalten werden. Bei einer angenommenen vollflächigen Ausleuchtung einer jeden einzelnen Glasmosaikfliese mittels einer einzigen LED, kann so die Einbautiefe auf etwa nur ½ des Wertes der Lichtaustrittsöffnung und damit dem Kantenmaß der jeweiligen Glasmosaikfliese reduziert werden.
In einem Musteraufbau wurde so die Beleuchtung von Glasmosaikfliesen mit einem Kantenmaß von je 20 × 20 mm realisiert, womit die Einbautiefe des Gehäuses gemäß Darstellung II nur 11,5 mm betrug. Die Ausleuchtung jeder einzelnen Fliese war im Resultat homogen und klar gegen benachbarte Glasmosaikfliesen abzugrenzen. Die Montage erfolgte in einem kleinen Schlitz, dessen Abmessungen sonst schon allein nur zur Verlegung von Kabeln für handelsübliche Lampen und Leuchten geschlagen werden muss. Im Musteraufbau wurde das wasserundurchlässige Gehäuse mitsamt dem dort bereits eingebrachten Subminiatur-Hochleistungs-Leuchtstreifen vor der Verlegung auf der Wand rückwärtig an die Glasliese geklebt. Damit ist kein zusätzlicher Leuchtkörper, keine Lampe oder ähnliches mehr notwendig, dass sich über die Oberfläche erhebt. Nach der Verlegung der Glasmosaikfliesen mit der so ausgestatteten Hinterleuchtung wurden diese mittels eines handelsüblichen Fugenmaterials ausgefugt. Dadurch entstand eine unterbrechungsfreie Oberfläche, die nicht mehr durch abstehende Teile (z. B. Lampenkörper) oder Bohrungen in deren Untergrund unterbrochen ist. Dieser Vorteil der homogenen Oberfläche ist insbesondere bei Schwimmbädern von erheblichem Vorteil, weil dadurch Schwachstellen durch Undichtigkeiten eliminiert werden, verletzungsgefahren durch hervorstehende oder gar stark erhitzte Teile nicht mehr gegeben sind, Wartungsarbeiten wegen der sehr hohen Lebensdauer der LEDs praktisch über Jahre oder Jahrzehnte nicht anfallen und sich das optische Erscheinungsbild sehr positiv verbessert.
Die Erfindung kann aber auch bei vielen anderen Applikationen eingesetzt werden, bei denen Lichtstärke in Verbindung mit kleinsten Abmessungen erforderlich ist, wie z. B.: Direkte oder indirekte Beleuchtung von Räumen, Hinweisschildern und Warntafeln, Gläsern, Acryl- oder Plexigläsern jedweder Art Form, Ausführung und Farbe. Zusätzliche Leuchtmittel und Lampenkörper sind damit überflüssig, da die Erfindung einerseits extrem klein, andererseits aber auch sehr leistungsstark ist, so dass den Einsatzmöglichkeiten kaum Grenzen gesetzt sind. Anwendungen im Automobilbau, Boots- und Schiffbau etc. sind denkbar.
Legende zu den Darstellungen I, Ib und II:

a:

Körper gemäß Anspruch 1a

b:

Fugenmörtel

c:

optische Achse

d:

Fliesenkleberbett

e:

LED

f:

Platine

g:

Wärmeableitmaterial gemäß Anspruch 1c

h:

zusätzlicher Wärmeableiter gemäß Anspruch 1d

i:

wasserdichtes Gehäuse

Claims

Flexibler Subminiatur-Hochleistungs-Leuchtstreifen mit SMD-LEDs in modularer Bauweise, bestehend aus – einer (flexiblen) Leiterplatte beliebiger Länge, – bestückt mit einer oder mehren LEDs in SMD-Technologie und – den zum bestimmungsgemäßen Betrieb an einer Schutzkleinspannung notwendigen anderweitigen Bauelementen, Zuleitungen und Steckern dadurch gekennzeichnet, dass – 1: die maximale Bauhöhe in Richtung der optischen Achse, unter Einbeziehung sämtlicher Bauelemente, die Bestandteil des Subminiatur-Hochleistungs-Leuchtstreifens sind, inklusive der Platine selbst, jedoch ohne Zuleitung und Stecker, die Höhe von 3 mm nicht übersteigt und diese mit einer Schutzkleinspannung betrieben wird. – a, rückbezüglich auf 1: die verwendeten LEDs hinsichtlich ihrer Lichtausbeute so stark sind, dass sie zur Beleuchtung von Räumen geeignet sind sowie zur direkten oder indirekten Beleuchtung von Glas, Acryl, Plexiglas oder anderweitigen glasklaren, durchsichtigen, halb- oder teildurchsichtigen, milchigen, farbigen oder anderweitigen Stoffen, die zur Weiterleitung von Licht geeignet sind, wie beispielsweise Glasfliesen, eingesetzt werden können. – b, rückbezüglich auf 1: das Subminiatur-Hochleistungs-Leuchtstreifen-Modul gemäß Darstellung I oder Ib zur seitlichen Einleuchtung von Körpern und Materialien gemäß Anspruch 1a eingesetzt werden kann und jedes so beleuchtete Einzelsegment (z. B. Glasmosaikfliese) jeweils mit einer einzelnen LED oder einem vielfachen davon dergestalt ausgeleuchtet ist, dass jedes so beleuchtete Einzelsegment das gleiche Beleuchtungsschema aufweist (zum Beispiel Lichtkegel, Farbe, Intensität, Anordnung der LEDs) oder aber bei fortlaufender Anwendung ein Muster entsteht (z. B. Beleuchtung jeder 2. Fliese, etc.) und aufgrund ihrer geringen Abmessungen in einem Zwischenspalt, bzw. einer Fliesenfuge so platziert werden kann, dass ein Berühren im späteren Betrieb nahezu ausgeschlossen ist. – c, rückbezüglich auf 1: die von den LEDs generierte Abwärme durch ein geeignetes Platinenlayout und durch wärmeableitende Materialien wie Silikone, Gießharze, Wärmeleitpasten, sowie wärmeleitfähige Fliesenkleber und Fugenmaterialien oder ähnliche Materialien zur Ableitung der Abwärme in so hinreichendem Maße an die Umgebung erfolgt, dass auf den Einsatz von konventionellen Kühlkörpern verzichtet werden kann. Damit bleibt sichergestellt, dass der Subminiatur-Hochleistungs-Leuchtstreifen stets klein genug bleibt, um zur Anwendung gemäß Anspruch 1b auch in einer Fliesenfuge üblicher Breite Platz zu finden und die jeweilige Bauteiltemperatur innerhalb der jeweiligen Spezifikation bleibt. – d, rückbezüglich auf 1: bei Verwendung von LEDs mit größeren Leistungen, die Ableitung der generierten Abwärme zusätzlich zu den Maßnahmen gemäß Anspruch 1c durch solche gemäß Darstellung Ib verbessert wird, die hinsichtlich ihrer Form und ihres Materials zur Verbesserung des Wärmeabflusses in den Untergrund beitragen, sodass die Subminiatur-Hochleistungs-Leuchtstreifen stets klein genug bleiben können, um weiterhin in einer Fliesenfuge üblicher Breite Platz zu finden und keine externen Kühlmaßnahmen erforderlich werden und die jeweilige Bauteiltemperatur innerhalb der jeweiligen Spezifikation bleibt. – e, rückbezüglich auf 1: das Subminiatur-Hochleistungs-Leuchtstreifen-Modul gemäß Darstellung II auch zur Hinterleuchtung von Körpern und Materialien gemäß Anspruch 1b eingesetzt werden kann und jedes so beleuchtete Einzelsegment (z. B. Glasmosaikfliese) jeweils mit einer einzelnen LED oder einem vielfachen davon dergestalt ausgeleuchtet ist, dass alle so beleuchteten Einzelsegmente das gleiche Beleuchtungsschema aufweisen (zum Beispiel Lichtkegel, Farbe, Intensität, Anordnung der LEDs) oder aber bei fortlaufender Anwendung ein Muster entsteht (z. B. Beleuchtung jeder 2. Fliese, etc.), dass ein direktes oder indirektes Berühren im späteren Betrieb absolut ausgeschlossen ist und das die jeweilige Bauteiltemperatur innerhalb der jeweiligen Spezifikation bleibt. – f, rückbezüglich auf 1: bei Anwendung des Subminiatur-Hochleistungs-Leuchtstreifen-Moduls zur Hinterleuchtung von Materialien gemäß Anspruch 1e im Feuchtraum- oder im Nassbereich oder unter Wasser, diese alternativ in einem wasserundurchlässigen und wärmeableitfähigen Gehäuse untergebracht, und diese damit frei von sämtlichen Witterungseinflüssen sind und die jeweilige Bauteiltemperatur innerhalb der jeweiligen Spezifikation bleibt. – g, rückbezüglich auf 1: die Leiterbahnführung innerhalb eines jeden Subminiatur-Hochleistungs-Leuchtstreifen-Moduls gemäß dem „Schema B” erfolgt, um Leitungsverluste auf alle LEDs gleichmäßig zu verteilen, damit ein gleichmäßiges Leuchten sämtlicher LEDs erzielt wird. – h, rückbezüglich auf 1: die Erfindung mechanisch und elektrisch so ausgeführt ist, dass sie von jedem Handwerker einfach, dauerhaft und funktionssicher selbst verbaut werden kann. – i, rückbezüglich auf 1: einzelne Lasten, die an einer gemeinsamen Energiequelle parallel betrieben werden und dazu mittels eines Kabelbaumes oder gleichwertiger Leiterführung gemäß dem „Schema C” untereinander verdrahtet und mit einer Energiequelle verbunden sind, um Leitungsverluste auf alle Verbraucher gleichmäßig zu verteilen und somit alle Lasten mit gleicher Spannung zu versorgen.