DE102010012563A1

DE102010012563A1 - Scheinwerfer mit LED-Chip

Info

Publication number: DE102010012563A1
Application number: DE102010012563A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-05-07
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2010-12-23

Abstract

Scheinwerfer zur Erzeugung einer Vielzahl von Licht- und Projektionseffekten zum Einsatz insbesondere bei der Veranstaltungs- und Bühnentechnik sowie als Architekturscheinwerfer, wobei als Lichtquelle im Scheinwerfer zumindest eine LED-Lichtquellen angeordnet sind,
gekennzeichnet durch
– einen Kühlkörper (1) mit einer Kühlleistung zwischen 0,15 und 0,25 Kelvin/Watt,
– auf dem direkt eine Halbleiterträgerplatte als LED-Chip (2) aufgesetzt ist,
– die auf einer Abstrahlfläche von 3 cm² bis 6 cm² Größe zumindest 90 LEDs (3) mit einer Leistung von jeweils 1 bis 3 Watt trägt,
– wobei den LEDs eine Phosphorschicht (4) vorgesetzt ist und
– eine die Lichtabstrahlung der LEDs (3) bündelnde asphärische Linse (5) mit zumindest 40 mm Durchmesser bei einer Linsenhöhe von zumindest 20 mm, die zu den LEDs (3) in einem Abstand zwischen 3 mm bis 6 mm angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Scheinwerfer zur Erzeugung einer Vielzahl von Licht und Projektionseffekten zum Einsatz insbesondere bei der Veranstaltung und Bühnentechnik sowie als Architekturscheinwerfer.
Bekannte Bühnenscheinwerfer (beispielsweise bewegliche Moving-Lights oder auch Moving-Heads) erzeugen unter Verwendung von Gasentladungslampen als lichtstarke Lichtquellen eine Vielzahl von Farb- und Muster-Lichteffekten, die durch Farbfilter und ausgestanzte Metallblenden (so genannte Gobos) erreicht werden, die auf motorisiert beweglichen Scheiben montiert sind und so automatisiert in den Strahlengang verschoben werden können. Es ist somit auch eine Vielzahl von Mischungen der verschiedenen Farb- und Mustereffekte möglich.
Bei den herkömmlicherweise verwendeten Lichtquellen, beispielsweise lichtstarke Entladungslampen von 250–1200 Watt, ist zwingend die Kühlung dieser Lampen erforderlich aufgrund der starken Wärmeentwicklung. Hierfür ist in der Regel ein geregeltes Lüftersystem erforderlich, was allerdings den Nachteil mit sich bringt, dass es durch die in der Lüfterluft mit angesaugten Staub- und Schmutzpartikel schnell zu einer Verschmutzung im Innern des Scheinwerfers kommt, die eine aufwendige Reinigung insbesondere der optischen Komponenten erforderlich macht.
Desweiteren ist nachteilig, dass die in der Regel eingesetzten Gasentladungslampen eine geringe Standzeit aufweisen und zudem über die Zeit deutlich an Leistung einbüßen, weshalb diese Lichtquellen bereits frühzeitig standardmäßig auszutauschen sind.
Schließlich ist nachteilig, daß ca. 400 Watt Leistung aufgebracht werden müssen, um eine 250 Watt Halogenmetalldampflampe zu betreiben.
Der Erfindung liegt vor diesem Hintergrund die Aufgabe zu Grunde, einen Scheinwerfer zur Erzeugung einer Vielzahl von Licht und Projektionseffekten zum Einsatz insbesondere bei der Veranstaltung und Bühnentechnik sowie als Architekturscheinwerfer zu schaffen, der eine wartungsarme Lichtquelle mit hoher Standzeit und langfristig konstanter Lichtleistung bei geringem Energieverbrauch aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Scheinwerfer mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen dieses Scheinwerfers zum Gegenstand.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen Scheinwerfer zur Erzeugung einer Vielzahl von Licht- und Projektionseffekten zum Einsatz bei der Veranstaltungs- und Bühnentechnik, der als Lichtquelle im Scheinwerfer einen LED-Chip aufweist, der auf einem Kühlkörper mit einer Kühlleistung zwischen 0,15 bis 0,25 Kelvin/Watt direkt aufgesetzt ist, wobei auf einer Abstrahlfläche zwischen 3 cm² und 6 cm² zumindest 90 LEDs mit einer Leistung von jeweils 1 bis 3 Watt angeordnet sind, denen eine Phosphorschicht vorgesetzt ist.
Durch diese Anordnung werden gleich mehrere Verbesserungen erzielt. Es erfolgt eine Abstimmung der Kühlleistung des Kühlkörpers auf die Wärmeabstrahlung des in seiner Dimensionierung bestimmten LED-Chips, wodurch die bauliche Einheit sehr kompakt gehalten werden kann. Durch die sehr enge Packung der LEDs auf dem Chip wird ein verhältnismäßig kleiner Chip mit starker Lichtleistung verwirklicht, wobei die Lichtleistung des erfindungsgemäßen Chips, beispielsweise bei einer Auslegung auf ca. 115 W ausreicht, um eine herkömmliche 250 Watt Halogenmetalldampflampe zu ersetzen bei deutlich geringerem Stromverbrauch, niedrigerer Wärmeentwicklung und zudem längerer Lebensdauer. Zentral ist hierbei die Abstimmung der Kühlleistung auf die dichte Anordnung einer Vielzahl von LEDs auf sehr kleiner Grundfläche, die eine neuartige Anwendung dieses Leuchtmittels ermöglicht.
Durch die Anordnung der Phosphorbeschichtung flächig vor dem Chip kann die ansonsten eher bläuliche Abstrahlung in ein angenehmes und gewohntes Weiß umgewandelt werden.
Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Kombination der genannten Merkmale mit einer die Lichtabstrahlung der LEDs bündelnden speziellen asphärischen Linse mit ca. 50 mm Durchmesser bei einer extremen Linsenhöhe von ca. 22 mm bis 30 mm, die zu den LEDs in einem Abstand von lediglich ca. 4 mm angeordnet ist. Es wurde überraschenderweise gefunden, daß eine derartige Linsengestaltung und Anordnung eine sehr hohe Effektivität bei der Bündelung des Lichts gerade dieser LED-Chip-Gestaltung bewirkt. In einer vorteilhaften Bauform beträgt die Bauhöhe der Linse genau 24,5 mm in Kombination mit einem LED-Chip mit zumindest 100 LEDs mit einer Leistung von jeweils ca. 1 Watt. Die Leistung der einzelnen LEDs kann hierbei durchaus noch gesteigert werden.
Auf diese Weise ist eine effiziente Nutzung von LED-Lichtquellen in der Art sehr lichtstarker Scheinwerfer realisierbar, die bislang primär mit Gasentladungslampen betrieben worden sind. Diese nun mögliche Nutzung der LED-Lichtquellen eröffnet nun diesen Scheinwerfern die grundsätzlichen Vorzüge dieser Technik. Hierbei ist zum einen die derzeitig höhere Lebensdauer der LED-Lichtquellen gegenüber den Gasentladungslampen zu nennen bei gleichzeitige Energieersparnis und gleichbleibender Lichtleistung bei wesentlich höherer Stabilität der Lichttemperatur. Strom- und Spannungsspitzen beim Einschalten, wie bei Gasentladungslampen üblich, entfallen hier. Allein diese Vorteile machen das große Potential dieser nun möglichen Anwendung offensichtlich.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt liegt aber auch in dem so gewonnen Vorteil, die Scheinwerfer nach einem Ausfall, beispielsweise durch eine Unterbrechung in der Spannungsversorgung, direkt neu hochfahren zu können. Bislang hat es sich in der Praxis, beispielsweise bei einer Bühnenshow, als sehr problematisch erwiesen, dass diese mit Gasentladungslampen arbeitenden Scheinwerfer erst mit einer definierten Neustartverzögerung des Leuchtmittels wieder in Betrieb genommen werden konnten.
Der asphärischen Linse ist in einer zweckmäßigen Bauform eine weitere in der Strahlachse verschiebbare, das Lichtbild fokussierende sphärische Linse vorangesetzt, wobei zwischen diese Linsen (5, 6) Farbfilter und/oder ausgestanzte Metallblenden (sogenannte Gobos) geschoben werden können.
Schließlich liegt eine deutliche Verbesserung in der geringeren Wärmeentwicklung der Lichtquelleneinheit, wodurch auf die übliche die Verschmutzung begünstigende Form der Kühlung zugunsten einer externen Kühlung verzichtet werden kann. Insgesamt wird auch die Geräuschentwicklung der Scheinwerfer deutlich reduziert durch den geringeren Aufwand zur Kühlung.
Der zentrale Aspekt der Kühlung wird zweckmäßigerweise durch eine Anordnung verbessert, bei der die gesamte Optik zumindest umfassend die asphärische Linse, eine verstellbare sphärische Linse, ggf. Filter und/oder Blenden und zumindest eine abschließende weitere sphärische Linse als bauliche Einheit gekapselt und somit gegen Verschmutzungen geschützt sind, wobei die Lichteinheit umfassend zumindest einen Kühlkörper mit darauf gesetztem LED-Chip und ggf. einem zusätzlich kühlenden Lüfter an der Rückseite der gekapselten Optik lösbar befestigt ist. Diese neuartige Bauform trennt somit die gesamte Optik von der Lichtquelle, die als austauschbares und von außen kühlbares Element an die Optik angesetzt wird mit den genannten vorteilhaften Effekten.
Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit ist Aluminium der ideale Werkstoff für die angestrebte Wärmeübertragung des Gehäuses und ist gleichzeitig ein leichter Werkstoff, was ebenfalls relevant ist, da der Scheinwerferkopf aufgrund der hohen Anforderungen an dessen Beweglichkeit leicht gebaut werden sollte. Es ist hierbei zusätzlich von Vorteil, die Rückseite des Gehäuses mit Kühl-Lamellen auszubilden, um durch die derart erreichte Oberflächenvergrößerung einen beschleunigten Temperaturausgleich realisieren zu können.
Nachfolgend soll eine Ausführungsform der Erfindung anhand zweier Zeichnungen näher erläutert werden.
Es zeigt hierbei die Figur eine seitliche Ansicht der Anordnung mit dem auf dem Kühlkörper 1 angeordneten LED-Chip 2. Es wird hieraus deutlich, daß der Chip 2 unter Vermeidung weiterer Zwischenlagen direkt auf dem Kühlkörper 1 aufliegt und so die Wärme der LEDs direkt abgeführt werden kann.
In sehr kurzer Distanz ist die stark asphärische Linse 3 vorangesetzt, in der Ausführungsform lediglich in einem Abstand von ca. 4 mm. Der Chip hat in etwa eine Abstrahlfläche von 19 mm × 17 mm, die Linse einen Durchmesser von etwa 50 mm. Aufgrund der Nähe zum Chip wird auf diese Weise das seitlich abgestrahlte Licht optimal eingefangen und durch die extreme Linsenhöhe von etwa 25 mm ideal gebündelt.
2 ist eine Draufsicht auf die asphärische Linse 3 mit darunter angeordnetem LED-Chip 2 auf dem Kühlkörper 3. Der Chip ist hierbei in einer Bauform wiedergegeben, bei der die Abstände zwischen den LEDs in der Vertikalen etwas größer sind als in der Horizontalen, wodurch eine rechteckige Abstrahlgrundfläche entsteht. Diese Bauform hat Vorzüge im Hinblick auf die Verkabelung der LEDs. Aus der Draufsicht wird zudem die gute Abdeckung des Chips 2 durch die Linse 3 deutlich.
So ist eine sehr hohe Lichtausbeute durch diese Anordnung zu erzielen. Es ist hierbei für die Erfindung die konkrete Kombination der baulichen Merkmale der Chipgestaltung in Kombination mit der Linse und dem Kühlkörper erforderlich, um eine wirkungsstarke Lichtquelle realisieren zu können.

Claims

Scheinwerfer zur Erzeugung einer Vielzahl von Licht- und Projektionseffekten zum Einsatz insbesondere bei der Veranstaltungs- und Bühnentechnik sowie als Architekturscheinwerfer, wobei als Lichtquelle im Scheinwerfer zumindest eine LED-Lichtquellen angeordnet sind, gekennzeichnet durch – einen Kühlkörper (1) mit einer Kühlleistung zwischen 0,15 und 0,25 Kelvin/Watt, – auf dem direkt eine Halbleiterträgerplatte als LED-Chip (2) aufgesetzt ist, – die auf einer Abstrahlfläche von 3 cm² bis 6 cm² Größe zumindest 90 LEDs (3) mit einer Leistung von jeweils 1 bis 3 Watt trägt, – wobei den LEDs eine Phosphorschicht (4) vorgesetzt ist und – eine die Lichtabstrahlung der LEDs (3) bündelnde asphärische Linse (5) mit zumindest 40 mm Durchmesser bei einer Linsenhöhe von zumindest 20 mm, die zu den LEDs (3) in einem Abstand zwischen 3 mm bis 6 mm angeordnet ist.
Motorisch beweglicher, kopfbewegter Scheinwerfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die asphärische Linse (5) eine Linsenhöhe zwischen 20 mm und 30 mm aufweist.
Motorisch beweglicher, kopfbewegter Scheinwerfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstrahlfläche des LED-Chips (2) zumindest 100 LEDs (3) mit einer Leistung von jeweils 1 Watt trägt.
Motorisch beweglicher, kopfbewegter Scheinwerfer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der asphärische Linse (5) eine weitere in der Strahlachse verschiebbare, das Lichtbild fokussierende sphärische Linse vorangesetzt ist, – wobei zwischen diese Linsen (5) Farbfilter und/oder ausgestanzte Metallblenden (sogenannte Gobos) geschoben werden können.
Motorisch beweglicher, kopfbewegter Scheinwerfer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die gesamte Optik zumindest umfassend die asphärische Linse (5), die verstellbare sphärische Linse, ggf. Filter und/oder – Blenden und zumindest eine abschließende weitere sphärische Linse als bauliche Einheit gekapselt und somit gegen Verschmutzungen geschützt sind, – wobei die Lichteinheit umfassend zumindest einen Kühlkörper mit darauf gesetztem LED-Chip (2) an der Rückseite der gekapselten Optik lösbar befestigt ist.
Motorisch beweglicher, kopfbewegter Scheinwerfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wobei die Lichteinheit umfassend zumindest einen Kühlkörper mit darauf gesetztem LED-Chip (2) und einem zusätzlich kühlenden Lüfter an der Rückseite der gekapselten Optik lösbar befestigt ist.
Motorisch beweglicher, kopfbewegter Scheinwerfer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der LED-Chip nicht symmetrisch mit LEDs besetzt ist, wobei die LEDs in der Horizontalen ein Rastermaß von 2 mm und die LEDs in der Vertikalen ein Rastermaß von 1,7 mm aufweisen, – wodurch sich eine Belegung mit LEDs auf einer Fläche von 19 mm auf 16 mm ergibt.