DE102011112710A1 - Beleuchtungsvorrichtung - Google Patents
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Abstract
Description
- Es wird eine Beleuchtungsvorrichtung, beispielsweise zur Raumbeleuchtung, angegeben.
- Zur Raumbeleuchtung ist eine hohe Lichtintensität erforderlich, wodurch auch bei Verwendung von Licht emittierenden Dioden (LED) als Lichtquellen eine hohe Abwärme entstehen kann. Bekannte LED-basierten Lichtquellen sind daher üblicherweise mit besonderem Hinblick auf die Chipmaterialien und die Wärmeableitungsmaterialien aufgebaut und weisen oft eine aktive Kühlung auf, die einen Kühlkörper mithilfe eines Ventilatorluftstroms kühlt.
- Um mischfarbiges und insbesondere weißes Licht zu erzeugen, weisen LED-basierte Lichtquellen üblicherweise Leuchtdiodenchips auf, die individuell mit einem Leuchtstoff versehen sind. Damit ein einheitlicher Farbeindruck bei einer Lichtquelle mit einer Mehrzahl von solchen LED-basierten Lichtquellen mit individuellen Leuchtstoffen entstehen kann, muss von vorneherein durch eine präzise Auswahl der Leuchtdiodenchips und der Leuchtstoffschichten die jeweils abgestrahlte Farbe sehr genau eingestellt werden. Daraus ergeben sich hohe Anforderungen an eine genaue Farbmesstechnik und an eine genaue Fertigungssteuerung der Leuchtdiodenchips.
- Darüber hinaus sind typische Vorschaltgeräte für LED-basierte Lichtquellen meist als potentialfreie kompakte Schaltnetzteile ausgeführt, die üblicherweise nicht unerhebliche Leistungsverluste von bis zu 20% aufweisen können.
- Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, eine Beleuchtungsvorrichtung anzugeben, die eine Mehrzahl von Licht emittierenden Halbleiterchips aufweist.
- Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
- Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine Beleuchtungsvorrichtung eine Trägerplatte auf, auf der eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten lichtemittierenden Halbleiterchips angeordnet ist. Insbesondere kann die Beleuchtungsvorrichtung zur Raumbeleuchtung geeignet sein.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Trägerplatte ein Kunststoffmaterial auf und kann beispielsweise insbesondere eine Kunststoffplatte oder Kunststoffschicht aufweisen. Weiterhin kann die Trägerplatte Leiterbahnen oder elektrische Kontaktbahnen auf einer Oberfläche oder im Inneren aufweisen, mittels derer die lichtemittierenden Halbleiterchips elektrisch kontaktiert werden können. Darüber hinaus kann die Trägerplatte beispielsweise eine Metallschicht und/oder eine Metallplatte aufweisen. Beispielsweise kann die Trägerplatte eine Kunststoffschicht aufweisen, die mit einer Metallplatte oder einer Metallfolie verklebt ist. Die Metallplatte oder Metallfolie kann beispielsweise auf der den Halbleiterchips abgewandten Rückseite der Trägerplatte angeordnet sein.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Trägerplatte eine reflektierende Montagefläche auf, auf der die Mehrzahl von lichtemittierenden Halbleiterchips angeordnet ist. Die reflektierende Montagefläche kann insbesondere durch eine metallisch leitende Schicht gebildet sein, also beispielsweise durch eine aufgebrachte Schicht mit einem reflektierenden Metall. Die metallisch leitende Schicht kann beispielsweise auch einen elektrischen Anschluss für die Halbleiterchips bieten und zumindest teilweise in Form von Leiterbahnen, Kontaktbahnen und/oder Anschlussflächen ausgebildet sein. Die metallisch leitende Schicht kann beispielsweise aufgedampft oder fototechnisch strukturiert und anschließend elektrolytisch verstärkt sein. Es ist auch möglich, die metallisch leitende Schicht durch andere Verfahren aufzudrucken und anschließend thermisch und/oder chemisch die gewünschte Struktur zu erzeugen. Alternativ dazu ist es auch möglich, eine ausgestanzte Metallfolie flächig durch Aufkleben aufzubringen. Insbesondere kann die metallisch leitende Schicht auf einer Kunststofffolie oder Kunststoffplatte aufgebracht werden.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Halbleiterchips durch Kleben, beispielsweise mittels eines Leitklebers, oder durch Löten auf die metallisch leitende Schicht aufgebracht. Es ist auch möglich, Licht emittierenden Halbleiterchips mit vom Träger abgewandten Kontaktanschlüssen durch Banden, also durch so genannte Banddrähte, elektrisch an der metallisch leitenden Schicht anzuschließen.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist den lichtemittierenden Halbleiterchips in Abstrahlrichtung eine transluzente oder transparente, also eine diffus durchscheinende oder durchsichtige, Abstrahlplatte mit einer den lichtemittierenden Halbleiterchips abgewandten Lichtauskoppelfläche nachgeordnet. Die Abstrahlplatte kann ein transparentes oder transluzentes Material aufweisen oder daraus sein, beispielsweise ein Kunststoffmaterial oder ein Glas.
- Die Abstrahlplatte kann beispielsweise als Streuscheibe ausgebildet sein, die insbesondere in Verbindung mit der reflektierenden Montagefläche der Trägerplatte eine blendfreie Lichtauskoppelfläche aufweist.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Abstrahlplatte über jedem der Mehrzahl der lichtemittierenden Halbleiterchips eine Aussparung auf, wobei jede der Aussparungen auf einer den Halbleiterchips zugewandten Innenoberfläche ein Diffusormaterial und/oder einen Wellenlängenkonversionsstoff aufweist. Die Aussparungen weisen dabei derartige Abmessungen auf, dass das Diffusormaterial bzw. der Wellenlängenkonversionsstoff von den Halbleiterchips beabstandet ist.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Aussparungen kalottenförmig ausgebildet. Insbesondere können die Aussparungen dabei in Form von Kugelschnitten oder Ellipsenschnitten ausgebildet sein, so dass die jeweilige Innenoberfläche die Form einer Kugelschale oder einer Ellipsenschale aufweist. Die Aussparungen können in die Abstrahlplatte beispielsweise durch Prägen eingearbeitet sein. Es ist auch möglich, die Aussparungen beim Herstellen der Abstrahlplatte gleichzeitig herzustellen. Weist die Abstrahlplatte einen Kunststoff oder ein Glas auf oder ist daraus, können die Aussparungen beim Ausformen der Abstrahlplatte, beispielsweise durch Gießen, eingearbeitet werden. Es ist auch möglich, die Aussparungen in einem Walzverfahren einzuarbeiten.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Aussparungen gleich ausgebildet, also insbesondere mit der gleichen Form und gleich Größe. Es ist alternativ auch möglich, dass die Aussparungen verschieden ausgebildet sind.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist jeweils genau ein Licht emittierender Halbleiterchip in jeweils einer Aussparung angeordnet. Weiterhin kann jedem der Halbleiterchips genau eine Aussparung nachgeordnet sein.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Aussparungen einen Durchmesser auf, der um mindestens das Zweifache größer als Seitenlängen der Licht emittierenden Halbleiterchips sind. Weiterhin können die Aussparungen Durchmesser aufweisen, die kleiner oder gleich dem Zwanzigfachen der Seitenlängen der Licht emittierenden Halbleiterchips sind. Dabei können benachbarte Aussparungen vorzugsweise voneinander beabstandet sein. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass benachbarte Aussparungen ineinander übergehen.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Abstrahlplatte an der Trägerplatte fixiert. Beispielsweise kann die Abstrahlplatte mittels einer festen aber wieder lösbaren Verbindungsmöglichkeit an der Trägerplatte befestigt sein. Beispielsweise kann die Abstrahlplatte mittels Klemmnägeln mit der Trägerplatte verbunden sein. Die Klemmnägel, die beispielsweise als Kunststoffnägel oder Kunststoffnieten, ausgebildet sein können, können von der Lichtabstrahlfläche der Abstrahlplatte durch die Abstrahlplatte und die Trägerplatte hindurch bis zu einer Rückseite der Trägerplatte reichen, wo sie mit Klemmnagelkappen in einer Klemmverbindung verbunden sind. Die Abstrahlplatte und die Trägerplatte können dazu Löcher aufweisen, durch die die Klemmnägel ragen. Alternativ zu den Klemmnägeln können auch andere Verbindungsstifte verwendet werden, beispielsweise Schrauben. Weiterhin kann die Abstrahlplatte auch lateral verschiebbar auf der Trägerplatte befestigt sein, beispielsweise mit Verbindungsstiften wie etwa Klemmnägeln oder Excenterschrauben und Bohrungen oder Löchern in der Trägerplatte und/oder der Abstrahlplatte, die einen größeren Durchmesser als die Verbindungsstifte aufweisen oder die beispielsweise als Langlöcher ausgeführt sind. Darüber hinaus können auch andere, bekannte Befestigungs- und Justiermöglichkeiten und Justiereinstellhilfen vorgesehen sein, mittels derer zwei größere Platten lateral verschiebbar passgenau zueinander justiert und fixiert werden können.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Licht emittierenden Halbleiterchips geeignet, Licht in einem Wellenlängenbereich von ultravioletter Strahlung bis infraroter Strahlung, besonders bevorzugt von sichtbarem Licht, abzustrahlen. Dabei können einer oder mehrere oder alle der Halbleiterchips einfarbiges Licht oder auch mischfarbiges Licht abstrahlen, beispielsweise weißes Licht. Ein Halbleiterchip kann dazu eine Licht emittierende Halbleiterschichtenfolge aufweisen, die direkt einfarbiges Licht abstrahlt oder auf der zusätzlich ein Wellenlängenkonversionselement in Form einer Leuchtstoffschicht, einem Leuchtstoffplättchen oder einem Leuchtstoff enthaltenden Verguss aufgebracht ist, das zumindest einen Teil der von der Halbleiterschichtenfolge erzeugten Strahlung in Licht mit einer anderen Wellenlänge umwandeln kann. Die Halbleiterchips können insbesondere als epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolgen ausgebildet sein oder jeweils eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge aufweisen. Die Halbleiterschichtenfolge kann ein Arsenid-, Phosphid- und/oder Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial aufweisen, das hinsichtlich seiner Zusammensetzung und hinsichtlich seines Schichtaufbaus entsprechend dem gewünschten Licht ausgebildet ist. Insbesondere können einer oder mehrere oder alle Halbleiterchips direkt auf dem Trägerkörper, also insbesondere auf der reflektierenden Montagefläche, ohne einen jeweiligen Gehäusekörper montiert sein.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Halbleiterchips untereinander gleich und strahlen zumindest im Wesentlichen ein gleiches Licht ab. „Im Wesentlichen gleiches Licht” und „gleiche Halbleiterchips” bedeutet dabei hier und im Folgenden, dass sich das von den einzelnen Halbleiterchips abgestrahlte Licht sowie auch die Zusammensetzungen der Halbleiterchips etwa im Rahmen üblicher Herstellungsschwankungen unterschieden können. Insbesondere können die Halbleiterchips bevorzugt blaues Licht abstrahlen. Das Licht der Halbleiterchips kann, wie untern weiter ausgeführt ist, mittels des Wellenlängenkonversionsstoffs teilweise in andersfarbiges Licht umgewandelt werden, so dass die Beleuchtungsvorrichtung mischfarbiges Licht abstrahlen kann.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden verschiedenfarbig emittierende Halbleiterchips eingesetzt, die erst am beleuchteten Ort eine gewünschte mischfarbige, insbesondere weiße Beleuchtung ermöglichen. Dadurch kann die Lichtabstrahlplatte verschiedenfarbige Lichtpunkte aufweisen, während die Beleuchtungswirkung durch die Überlagerung und die Mischung der einzelnen verschiedenen Farben der Halbleiterchips erzeugt wird. Dadurch kann es auch möglich sein, dass beispielsweise Informationen, beispielsweise verkehrstechnische Informationen, Hinweistexte oder Logos wie etwa Firmenlogos, auf der Lichtabstrahlfläche deutlich farbig lesbar geschrieben sind, während durch die Anordnung von verschiedenfarbigen Halbleiterchips an einem zu beleuchtenden Ort beispielsweise weißes Licht wahrgenommen wird. Eine solche, nicht alltägliche Erfahrung ist bisher beispielsweise nur aus geschliffenen Glasprismen von Kronleuchtern bekannt, bei denen farbige Bereiche der Lampe künstlich aus weißem Licht hervorgerufen werden.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Halbleiterchips auf der Trägerplatte derart zueinander beabstandet angeordnet, dass der Abstand von jeweils zwei direkt zueinander benachbarten Halbleiterchips ein Vielfaches der Seitenlängen der Halbleiterchips beträgt. Typische Seitenlängen für Halbleiterchips können beispielsweise kleiner oder gleich einigen Millimetern, insbesondere kleiner oder gleich 1 Millimeter sein.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Halbleiterchips mit einer Dichte von etwa 1 Halbleiterchip pro Quadratzentimeter auf der Trägerplatte verteilt.
- Die beabstandete Anordnung der Halbleiterchips auf der Trägerplatte ermöglicht eine große Strahlfläche bei gleichzeitiger geringer Verlustleistungsbesetzung, das heißt, dass die im Betrieb der Licht emittierenden Halbleiterchips entstehende Verlustleistungswärme im Trägerkörper gleichmäßig verteilt wird und dadurch keine so genannten „hot Spots” entstehen.
- Insbesondere kann die Beleuchtungsvorrichtung eine große Lichtabstrahlfläche verbunden mit einer geringen Verlustleistungsbesetzung durch die voneinander beabstandeten lichtemittierenden Halbleiterchips aufweisen, wodurch in einfacher Weise über die Trägerplatte und über die Lichtauskoppelfläche der Abstrahlplatte eine effektive Wärmeübertragung von den Halbleiterchips an die umgebende Luft möglich ist. Insbesondere kann es dabei vorteilhaft sein, wenn die metallisch leitende Schicht eine deutlich größere Fläche als die von den Halbleiterchips eingenommene Fläche aufweist, wodurch eine effektive Wärmeverteilung auf der Trägerplatte erreicht wird. Gleichzeitig können, wie oben beschrieben, die Halbleiterchips auf die metallisch leitende Schicht elektrisch leitend aufgeklebt oder aufgelötet werden, so dass die metallisch leitende Schicht zugleich Kontaktanschlüsse aufweist und zur Stromzuleitung dienen kann. Weist die Trägerplatte eine isolierende Schicht auf, beispielsweise eine Kunststoffschicht, auf der die metallisch leitende Schicht aufgebracht ist, und weist die isolierende Schicht eine ausreichend hohe elektrische Isolierung von Berührungsmöglichkeiten auf, so kann beispielsweise auch die gesamte Verschaltung der lichtemittierenden Halbleiterchips auf Stromnetzpotenzial erfolgen. Es können dabei einfache verlustarme Netzteile mit Spannungen vom Mehrfachen der jeweiligen Einzelspannung eines Halbleiterchips verwendet werden. Weiter unten ist ein Ausführungsbeispiel für eine geeignete elektrische Schaltung beschrieben.
- Der durch die metallisch leitende Schicht aufgeweitete Wärmestrom von den einzelnen Halbleiterchips muss zwar bis zur Rückseite der Trägerplatte durch die isolierende Schicht fließen, jedoch ist der Wärmewiderstand dieser üblicherweise im Verhältnis zum Übergang zwischen der Trägerplatte und der Luft deutlich geringer. Die maximale Dichte der Halbleiterchips auf der Trägerplatte, insbesondere auf der metallisch leitenden Schicht, wird im Wesentlichen durch die physikalisch begrenzte Luft-Wärme-Übertragungszahl bei natürlicher Konvektion von maximal etwa 10 W/(K·m2) bestimmt, wobei die natürliche Konvektion noch durch eine Wärmeabstrahlung in bestenfalls derselben Größenordnung ergänzt werden kann.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Trägerplatte auf der Montagefläche und/oder einer der Montagefläche gegenüberliegenden Rückseite eine Mehrzahl von Stegen auf. Die Stege können beispielsweise in Form von Profilnoppen oder stegförmigen Erhebungen ausgebildet sein. Durch die Stege kann beispielsweise eine Erhöhung der Stabilität der Trägerplatte erreicht werden. Beispielsweise kann die Trägerplatte zwischen den Stegen eine Dicke von etwa 0,5 mm bis etwa 2 mm aufweisen, während die Stege eine Steghöhe in der Größenordnung von 0,3 mm bis 2 mm aufweisen können, wobei die Grenzen jeweils eingeschlossen sind, wodurch dem Material der Trägerplatte mechanische Festigkeit und damit Sicherheit gegen Verbiegungen und Verwindungen gegeben werden kann. Verbiegungen oder Verwindungen der Trägerplatte sind zu vermeiden, da diese zu Lot- oder Kleberrissen der Halbleiterchips auf der Montagefläche führen könnten.
- Die Abstrahlplatte kann auf der der Trägerplatte zugewandten Seite Nute aufweisen, in denen auf der Montageseite der Trägerplatte vorhandene Stege angeordnet sind. Dadurch kann auch eine Erhöhung der Stabilität der Verbindung zwischen der Trägerplatte und der Abstrahlplatte erreicht werden.
- Weiterhin können insbesondere Stege, die auf der der Montagefläche gegenüberliegenden Rückseite angeordnet sind, beispielsweise auch zur Kühlung dienen. Zur Kühlung ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die auf der Rückseite angeordneten Stege so verlaufen, dass sie parallel zur Hauptkühlluftströmung liegen, bei natürlicher Konvektion also senkrecht zur späteren Betriebsausrichtung der Beleuchtungsvorrichtung. Mit anderen Worten können die rückseitigen Stege besonders bevorzugt entlang der Schwerkraftrichtung bei einer zum Betrieb angeordneten Beleuchtungsvorrichtung verlaufen.
- Durch die Stege, insbesondere rückseitige Stege, beispielsweise in Form von Profilnoppen in senkrechter Luftströmungsrichtung zur Erreichung einer Kaminwirkung, kann somit eine mechanische Versteifung und zugleich eine Oberflächenvergrößerung zur Verbesserung der Wärmeübertragung an vorbei streichende Luft, also Konvektion, als auch zur Verbesserung der Wärmeabstrahlung erreicht werden.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Abstrahlplatte auf der Lichtauskoppelfläche eine stegförmige Struktur auf. Mit dieser kann eine ähnliche Wirkung erreicht werden wie durch die Stege der Trägerplatte. Weiterhin kann durch die stegförmige Struktur auf der Lichtauskoppelfläche auch die Abstrahlcharakteristik der Beleuchtungsvorrichtung beeinflusst werden.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Trägerplatte oder zumindest die der Montagefläche abgewandte Rückseite der Trägerplatte ein Material oder eine Beschichtung auf, die eine gute Wärmeabstrahlung aufweist. Insbesondere wird unter einer guten Wärmeabstrahlung ein Wärmeemissionsgrad verstanden, der in einem Temperaturbereich von etwa 50°C bis etwa 100°C möglichst nahe bei 1 liegt. Ein derartiger Wärmeemissionsgrad kann beispielsweise mittels Glas als Material der Trägerplatte erreicht werden. Im Falle einer rückseitigen Beschichtung der Trägerplatte kann die Beschichtung insbesondere rau sein, beispielsweise gebildet durch eine Heizkörperfarbe oder einen geeigneten Lack oder eine Glasierung.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die der Montagefläche gegenüberliegende Rückseite der Trägerplatte durch eine Metallplatte oder Metallfolie gebildet. Die Metallplatte oder Metallfolie kann beispielsweise oben beschriebene Stege und/oder eine oben beschriebene Wärme abstrahlende Oberflächenbeschichtung aufweisen. Im Falle einer die Rückseite der Trägerplatte bildenden Metallplatte oder Metallfolie kann die Wärme abstrahlende Oberflächenbeschichtung beispielsweise auch als Eloxalschicht ausgebildet sein. Weiterhin ist es auch möglich, die rückseitige Metallplatte oder Metallfolie zum Anschluss eines Schutzleiters für die Beleuchtungsvorrichtung vorzusehen.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist den lichtemittierenden Halbleiterchips jeweils ein Wellenlängenkonversionsstoff nachgeordnet. Dabei kann, wie vorab beschrieben, der Wellenlängenkonversionsstoff in Form eines Leuchtstoffs direkt auf den Halbleiterchips angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist der Wellenlängenkonversionsstoff aber in den Aussparungen der Abstrahlplatte angeordnet. Es ist auch möglich, dass sowohl direkt auf einem Halbleiterchip als auch auf der Innenoberfläche der dem Halbleiterchip nachgeordneten Aussparung jeweils ein Wellenlängenkonversionsstoff ausgebildet ist, wobei die Wellenlängenkonversionsstoffe gleich oder verschieden sein können, um eine gewünschte Abstrahlcharakteristik zu erreichen.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der jeweiligen Wellenlängenkonversionsstoff in den Aussparungen geeignet, das von den jeweils zugeordneten Licht emittierenden Halbleiterchips abgestrahlte Primärlicht in ein davon verschiedenes Sekundärlicht umzuwandeln. Das Primärlicht und das Sekundärlicht können eine oder mehrere Wellenlängen und/oder Wellenlängenbereiche in einem infraroten bis ultravioletten Wellenlängenbereich umfassen, insbesondere in einem sichtbaren Wellenlängenbereich. Beispielsweise kann das Primärlicht einen Wellenlängenbereich aus einem ultravioletten bis grünen Wellenlängenbereich aufweisen, während das Sekundärlicht einen Wellenlängenbereich aus einem blauen bis infraroten Wellenlängenbereich aufweisen kann. Besonders bevorzugt können das Primärlicht und das Sekundärlicht überlagert einen weißfarbigen Leuchteindruck erwecken. Dazu kann das Primärlicht vorzugsweise einen blaufarbigen Leuchteindruck erwecken und die Sekundarlicht einen gelbfarbigen Leuchteindruck, der durch spektrale Komponenten der Sekundärstrahlung im gelben Wellenlängenbereich und/oder spektrale Komponenten im grünen und roten Wellenlängenbereich entstehen kann.
- Der Wellenlängenkonversionsstoff kann einen oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen: Granate der Seltenen Erden und der Erdalkalimetalle, beispielsweise YAG:Ce3 +, Nitride, Nitridosilikate, Sione, Sialone, Aluminate, Oxide, Halophosphate, Orthosilikate, Sulfide, Vanadate und Chlorosilikate. Weiterhin kann der Wellenlängenkonversionsstoff zusätzlich oder alternativ ein organisches Material umfassen, das aus einer Gruppe ausgewählt sein kann, die Perylene, Benzopyrene, Coumarine, Rhodamine und Azo-Farbstoffe umfasst. Der Wellenlängenkonversionsstoff in den Aussparung kann jeweils geeignete Mischungen und/oder Kombinationen der genannten Materialien aufweisen.
- Das oder die Materialien für den Wellenlängenkonversionsstoff können in Form von Partikeln ausgebildet sein, die eine Größe von 2 bis 10 μm aufweisen können.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist an den Innenoberflächen der Aussparung ein Diffusormaterial angeordnet, das insbesondere Streupartikel aufweisen oder dadurch gebildet sein kann, die beispielsweise ein Metalloxid, so etwa Titanoxid oder Aluminiumoxid wie etwa Korund, und/oder Glaspartikel aufweisen oder daraus sein können. Die Streupartikel können dabei Durchmesser oder Korngrößen von kleiner als einem Mikrometer bis zu einer Größenordnung von 10 Mikrometer oder auch von bis zu 100 Mikrometern aufweisen.
- Weiterhin können das Diffusormaterial und/oder der Wellenlängenkonversionsstoff in ein transparentes Matrixmaterial eingebettet sein und/oder daran chemisch gebunden sein. Das transparente Matrixmaterial kann beispielsweise Siloxane, Epoxide, Acrylate, Methylmethacrylate, Imide, Carbonate, Olefine, Styrole, Urethane oder Derivate davon in Form von Monomeren, Oligomeren oder Polymeren und weiterhin auch Mischungen, Copolymere oder Verbindungen damit aufweisen. Beispielsweise kann das Matrixmaterial ein Epoxidharz, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polystyrol, Polycarbonat, Polyacrylat, Polyurethan oder ein Silikonharz wie etwa Polysiloxan oder Mischungen daraus umfassen oder sein.
- Das jeweilige Diffusormaterial und/oder der jeweilige Wellenlängenkonversionsstoff in den Aussparungen können homogen im Matrixmaterial verteilt sein. Weiterhin kann in einer oder mehreren oder allen Aussparungen jeweils eine Kombination mehrerer der genannten Materialien für das Diffusormaterial und/oder den Wellenlängenkonversionsstoff angeordnet sein, die durchmischt oder in verschiedenen Schichten vorliegen können.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind das Diffusormaterial und/oder der Wellenlängenkonversionsstoff auf der Innenoberfläche schichtförmig ausgebildet. Dadurch kann das Diffusormaterial und/oder der Wellenlängenkonversionsstoff insbesondere beabstandet zu den jeweils zugeordneten Licht emittierenden Halbleiterchips in der Aussparung angeordnet sein. Das Diffusormaterial und/oder der Wellenlängenkonversionsstoff können gleichmäßig über die Innenoberfläche einer Aussparung verteilt sein. Alternativ dazu ist es auch möglich. dass ein Wellenlängenkonversionsstoff beispielsweise durch ein Sedimentationsverfahren oder ein anderes geeignetes Verfahren ungleichmäßig hinsichtlich seiner Zusammensetzung und/oder hinsichtlich seiner Dicke in einer Aussparung aufgebracht ist, um beispielsweise eine gewünschte Farbleuchtdichtewirkung und Farbstrahlwirkung zu erzielen.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Abstrahlplatte in zumindest einigen oder auch allen Aussparungen auf der den Halbleiterchips zugewandten Innenoberfläche einen Wellenlängenkonversionsstoff auf, der auf der den Halbleiterchips jeweils zugewandten Seite eine Reflektorschicht aufweist, die für das vom Wellenlängenkonversionsstoff konvertierte Sekundärlicht reflektierend und für das von den Halbleiterchips abgestrahlte Primärlicht durchlässig ist. Die Reflektorschicht kann beispielsweise in Form eines so genannten Bragg-Reflektors im Mehrschichtverfahren aufgebracht sein.
- Im Falle eines von einem Halbleiterchip beabstandet angeordneten Wellenlängenkonversionsstoffs an der Innenoberfläche einer Aussparung kann der Wellenlängenkonversionsstoff thermisch getrennt vom Halbleiterchips sein. Dadurch kann vermieden werden, dass die im Wellenlängenkonversionsstoff entstehende so genannte Stokes-Konversionsverlustwärme, die bei der Konversion des Primärlichts des Halbleiterchips in das Sekundärlicht entsteht, den Halbleiterchip aufwärmt. Die Konversionsverlustwärme kann vielmehr über die Abstrahlplatte an die Umgebungsluft an der Lichtauskoppelfläche abgegeben werden, wodurch der Wellenlängenkonversionsstoff und auch der Halbleiterchip kühler gehalten werden können als im Falle eines direkt auf einem Halbleiterchip angeordneten Wellenlängenkonversionsstoffs. Weiterhin bietet der Wellenlängenkonversionsstoff an der Innenoberfläche der Aussparung über dem Halbleiterchip eine gegenüber einer direkten Chipbeschichtung größere Konverterschichtfläche, wodurch die Leistungsdichte des Primärlichts im Wellenlängenkonversionsstoff geringer ist. Dadurch ist eine deutlich geringere Alterungsdegradation des Wellenlängenkonversionsstoffs zu erwarten.
- Weiterhin kann durch das Diffusormaterial und/oder den Wellenlängenkonversionsstoff an der Innenoberfläche der Aussparungen bei einem direkten Blick auf die Lichtauskoppelfläche ohne zusätzliche Streumaßnahmen die Blendwirkung durch die Licht emittierenden Halbleiterchips derart gering sein, dass bei einem Betrachter keine unangenehmen Folgen eintreten.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Trägerplatte mit den Licht emittierenden Halbleiterchips bestückt. Beispielsweise können die Halbleiterchips im Betrieb alle gleiches Licht, insbesondere blaues Licht, abstrahlen. Fertigungstoleranzen hinsichtlich der einzelnen Halbleiterchips, die in leicht unterschiedlichen Farborten und/oder Wellenlängenbereichen des jeweils abgestrahlten Lichts resultieren, können mittels eines kurzen Betriebs der Halbleiterchips und einer, vorzugsweise schnellen, Spektralmessung festgestellt werden. Daraus können die jeweiligen Zusammensetzungen und Dicken der Wellenlängenkonversionsstoffe sowie deren jeweilige Verteilungen auf den Innenoberflächen der Aussparungen der Abstrahlplatte berechnet werden, die erforderlich sind, dass über die gesamte Abstrahlplatte möglichst gleichmäßig helles und gleichfarbiges, beispielsweise weißes, Licht abgestrahlt werden kann. Beispielsweise können bei von den Halbleiterchips abgestrahlten leicht unterschiedlichen blauen Wellenlängen entsprechende verschiedene Materialien und/oder Zusammensetzungen der Wellenlängenkonversionsstoffe und/oder verschiedene Dicken der Wellenlängenkonversionsstoffe berechnet werden. Insbesondere können durch die Daten der Spektralmessungen beispielsweise automatisch ablaufende, individuell gesteuerte Beschichtungsprozesse für die Wellenlängenkonversionsstoffe in den Aussparungen der Abstrahlplatte derart geregelt werden, dass die Farbschwankungen der Halbleiterchips durch angepasste Wellenlängenkonversionsstoffe ausgeglichen werden können.
- Dadurch ist es möglich, Halbleiterchips aus einem größeren Farb- und Helligkeitstoleranzbereich auszuwählen und zu verbauen, da keine aufwändige individuelle Farbkompensation Chip für Chip durchgeführt werden muss. Vielmehr reicht eine Spektralmessung aller, beispielsweise über Hundert, Licht emittierenden Halbleiterchips auf dem Träger, die von einer individuellen Beschichtung der Aussparungen der Abstrahlplatte in einem automatischen Prozess gefolgt werden kann, wonach dann die Abstrahlplatte mit dem Träger zusammengefügt wird.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Abstrahlplatte zur diffusen Streuung in der Abstrahlplatte verteilte Streupartikel auf. Die Streupartikel, die beispielsweise bei der Herstellung der Abstrahlplatte mit eingeschmolzen werden können, können beispielsweise ein vorab beschriebenes Diffusormaterial aufweisen. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Abstrahlplatte auf der Lichtauskoppelfläche eine durchscheinende, Licht streuende Beschichtung aufweist. Mit besonderem Vorteil weisen die Streukörper und/oder die Beschichtung einen möglichst hohen Absorptionsgrad beziehungsweise Streugrad im Temperaturbereich von 30°C bis 80°C auf.
- Weiterhin ist es auch möglich, dass die Abstrahlplatte auf der Lichtauskoppelfläche Streustrukturen, beispielsweise in Form von Vertiefungen oder Erhebungen, aufweist, die gleichmäßig oder zufällig auf der Lichtauskoppelfläche verteilt sein können. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, dass die Abstrahlplatte auf der der Lichtauskoppelfläche gegenüberliegenden und der Trägerplatte zugewandten Seite eine streuende Beschichtung oder Streustrukturen aufweist.
- Gemäß einer besonders bevorzugt Ausführungsform weist die Beleuchtungsvorrichtung besonders bevorzugt räumlich voneinander getrennte, also beabstandete lichtemittierende Halbleiterchips auf der Montagefläche auf, denen die Abstrahlplatte mit den Aussparungen nachgeordnet ist, wobei in den Aussparungen ein Wellenlängenkonversionsstoff angeordnet ist. Im Vergleich zu üblicherweise verwendeten teuren Aluminium- oder Kupferträgern oder entsprechenden Metallkernplatinen kann eine gute Wärmeableitung vorzugsweise durch eine metallisch leitende Schicht auf einer Kunststoffschicht oder -platte gebildet werden, auf der die Halbleiterchips elektrisch und gleichzeitig auch thermisch angeschlossen sind. Durch die Anordnung der Halbleiterchips auf der Trägerplatte und die den Halbleiterchips nachgeordnete Abstrahlplatte können die einzelnen Halbleiterchips hinsichtlich ihrer Größe und Leistung sowie auch hinsichtlich ihrer jeweils abgestrahlten Farborte begrenzten Anforderungen genügen. vorzugsweise weist die Abstrahlplatte zusätzlich zum Wellenlängenkonversionsstoff in den Aussparungen Streustrukturen auf der Lichtabstrahlfläche und/oder der der Lichtabstrahlfläche gegenüberliegenden Oberfläche und/oder in Form von im Volumen eingebetteten Streupartikeln auf. Darüber hinaus ist die Kombination mit den oben beschriebenen Stegen insbesondere auf der Rückseite der Trägerplatte besonders vorteilhaft, um eine einfache und dennoch ausreichende Kühlwirkung bei gleichzeitiger mechanischer Festigkeit und Versteifung zu erzielen.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Abstrahlplatte über zumindest einigen Aussparungen eine linsenförmige Oberflächenstruktur auf. Die Oberflächenstruktur kann insbesondere als Ausbuchtung, also konvex, auf der Lichtauskoppelfläche ausgebildet sein. Es ist auch möglich, dass die linsenförmige Oberflächenstruktur in Form einer Einbuchtung, also konkav, als Vertiefung in die Lichtauskoppelfläche hineinragt. Durch die linsenförmigen Oberflächenstrukturen kann es möglich sein, dass Abstrahlverhalten insbesondere für das Fernfeld der Beleuchtungsvorrichtung nach Wunsch zu optimieren. Es muss dabei nicht über allen Aussparungen und damit über allen lichtemittierenden Halbleiterchips eine linsenförmige Oberflächenstruktur vorhanden sein. Es kann aber auch möglich sein, dass über jeder der Aussparungen eine linsenförmige Oberflächenstruktur angeordnet ist, so dass genau eine Aus- oder Einbuchtung pro Aussparung vorhanden ist. Die linsenförmigen Oberflächenstrukturen können wie oben für die Aussparungen beschrieben beim Herstellen der Abstrahlplatte gleichzeitig mit eingearbeitet werden, beispielsweise durch ein Präge- oder Walzverfahren oder durch einen Gießprozess, durch den die Abstrahlplatte, beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial oder Glas, hergestellt wird. Es ist auch möglich, die linsenförmigen Oberflächenstrukturen insbesondere im Falle von konvexen Ausbuchtungen aus einem durchsichtigen oder durchscheinenden Material in einem Walzverfahren nachträglich auf die Lichtauskoppelfläche der Abstrahlplatte aufzubringen. Das Material der linsenförmigen Oberflächenstrukturen kann dabei das gleiche sein wie für die Abstrahlplatte oder auch ein anderes.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Beleuchtungsvorrichtung eine elektrische Schaltung zum Betrieb der Halbleiterchips der Beleuchtungsvorrichtung auf. Die elektrische Schaltung, die beispielsweise den Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung mit Netzspannung ermöglichen kann, kann beispielsweise ein nicht netzpotentialfreies Vorschaltgerät mit Brückengleichrichter, Strom begrenzendem Serienkondensator und den Einschaltstrom begrenzendem kleinen Serienwiderstand in einer elektrischen Zuleitung der Beleuchtungsvorrichtung aufweisen. Dadurch kann die Trägerplatte mit den Halbleiterchips und der Abstrahlplatte besonders filigran ausgebildet werden. Alternativ dazu ist es auch möglich, Teile der elektrischen Schaltung, beispielsweise das Vorschaltgerät, in die Beleuchtungsvorrichtung zu integrieren.
- Die hier beschriebene Beleuchtungsvorrichtung kann entsprechend der aufgeführten Merkmale und Ausführungsformen beispielsweise blendfrei sein. Weiterhin kann die Wärme beispielsweise direkt an die Umgebung, also die Raumluft, abgegeben werden, ohne dass zusätzliche Lüfter und die damit verbundene Geräuschentwicklung in Kauf genommen werden müssen. Weiterhin kann die mechanische Montage einfach erfolgen, wobei zugleich die elektrische Kontaktierung und die Wärmeableitung sowie die Hochspannungsisolierung, beispielsweise bis zu 4 kV, ermöglicht werden kann.
- Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
- Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, -
2A bis7C schematische Darstellungen von Beleuchtungsvorrichtungen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen, -
8 schematische Darstellungen von Anordnungen von Beleuchtungsvorrichtungen in einem Raum gemäß weiteren Ausführungsbeispielen und -
9 eine schematische Darstellung einer elektrischen Schaltung zum Betrieb einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. - In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
- In
1 ist ein Ausschnitt einer Beleuchtungsvorrichtung100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Beleuchtungsvorrichtung100 weist eine Mehrzahl von lichtemittierenden Halbleiterchips1 auf, die auf einer Trägerplatte8 angeordnet sind. Die Trägerplatte weist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Kunststoffplatte oder Kunststoffschicht auf, auf der als reflektierende Montagefläche89 eine metallisch leitende Schicht angeordnet ist, die zusätzlich zur Reflexion des von den lichtemittierenden Halbleiterchips1 emittierten Primärlichts auch zum elektrischen Anschluss der Halbleiterchips1 dienen kann. - Den lichtemittierenden Halbleiterchips
1 ist in Abstrahlrichtung eine transluzente oder transparente Abstrahlplatte20 nachgeordnet, die eine Lichtauskoppelfläche29 aufweist, die den Halbleiterchips1 abgewandt ist und über die das von den Halbleiterchips1 emittierte Licht von der Beleuchtungsvorrichtung100 abgestrahlt werden kann. Die Abstrahlplatte20 weist über den lichtemittierenden Halbleiterchips1 Aussparungen22 auf, wobei jede der Aussparungen22 eine Innenoberfläche28 aufweist, auf der ein Wellenlängenkonversionsstoff21 angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann zum Wellenlängenkonversionsstoff21 auch ein Diffusormaterial auf den Innenoberflächen28 der Aussparungen22 angeordnet sein. - Die Halbleiterchips
1 können beispielsweise blaues Licht abstrahlen, das vom Wellenlängenkonversionsstoff22 teilweise in gelbes und/oder grünes und rotes Sekundärlicht umgewandelt wird, so dass die Beleuchtungsvorrichtung100 im Betrieb weißes Licht abstrahlt. - Die Licht emittierenden Halbleiterchips
1 strahlen im gezeigten Ausführungsbeispiel alle ein gleiches Licht ab. Das kann insbesondere bedeuten, dass die Halbleiterchips1 blaues Licht abstrahlen, das im Rahmen von Fertigungsschwankungen nicht exakt gleich ist, sondern von Halbleiterchip zu Halbleiterchip verschieden sein kann. Um eine homogene Farbverteilung über die Lichtauskoppelfläche29 zu erreichen, können die Halbleiterchips1 nach der Montage der reflektierenden Montagefläche89 der Trägerplatte8 nacheinander spektral vermessen werden. Entsprechend des jeweiligen Farborts der Halbleiterchips1 kann der Wellenlängenkonversionsstoff21 in jeder zugeordneten Aussparung22 entsprechend hinsichtlich seiner Zusammensetzung und/oder seiner Dicke eingepasst werden, um sowohl hinsichtlich der abgestrahlten Helligkeit als auch des abgestrahlten Farborts eine möglichst hohe Homogenität über die Lichtabstrahlfläche29 zu erreichen. - Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist jeweils genau einem Halbleiterchip
1 eine Aussparung22 nachgeordnet. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass innerhalb einer Aussparung22 mehrere Halbleiterchips1 angeordnet sind. Die Halbleiterchips1 sind als relativ kleine Einheiten großflächig a auf der Montagefläche89 des Trägers8 verteilt. Besonders bevorzugt weist der Träger8 etwa einen Halbleiterchip1 pro Quadratzentimeter auf. Dadurch kann eine große Strahlerfläche und eine geringe verlustleistungsbesetzung erreicht werden. - Die Abstrahlplatte
20 ist aus einem Kunststoffmaterial oder einem Glas, das transparent, also durchsichtig, oder transluzent, also diffus durchscheinend sein kann. Eine durchscheinende Wirkung kann beispielsweise durch Streukörper innerhalb der Abstrahlplatte20 oder durch streuende Oberflächenstrukturen oder Beschichtungen auf der Lichtabstrahlfläche29 oder der der Lichtabstrahlfläche29 gegenüberliegenden Seite der Abstrahlplatte20 erreicht werden. - Die Beleuchtungsvorrichtung
100 kann in einer beliebigen Größe ausgeführt sein und kann beispielsweise über 100 lichtemittierende Halbleiterchips1 aufweisen. Eine geeignete elektrische Schaltung zum Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung100 ist in Verbindung mit9 gezeigt. - Die in den folgenden Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele für Beleuchtungsvorrichtungen stellen Modifikationen und Weiterentwicklungen der in
1 gezeigten Beleuchtungsvorrichtung100 dar. - Die Beleuchtungsvorrichtung
101 gemäß dem Ausführungsbeispiel in den2A und2B , die jeweils ausschnittsweise eine schematische Schnittdarstellung und eine Aufsicht auf die Lichtauskoppelfläche29 der Beleuchtungsvorrichtung101 zeigen, weist zusätzlich zur Beleuchtungsvorrichtung100 des Ausführungsbeispiels in1 auf der den Halbleiterchips1 abgewandten Rückseite88 der Trägerplatte8 eine Mehrzahl von Stegen33 auf. Diese dienen zum einen der Versteifung der Trägerplatte8 und damit der gesamten Beleuchtungsvorrichtung101 , sind jedoch auch geeignet, die Oberfläche der Rückseite88 der Trägerplatte8 zu vergrößern, um einen besseren Wärmeübergang zwischen der Trägerplatte8 und der umgebenden Luft zu erreichen. Beispielsweise können die Stege33 in Form von Profilnoppen ausgeführt sein, die bezogen auf die Anordnung der Beleuchtungsvorrichtung101 während des Betriebs vorzugsweise entlang der Luftströmungsrichtung zur Erreichung einer Kaminwirkung angeordnet sind. Durch die so erreichte Konvektion kann eine Verbesserung der Wärmeabgabe an die vorbeistreichende Luft erreicht werden. - Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Trägerplatte
8 und die Abstrahlplatte20 mittels Klemmnägeln31 miteinander verbunden. Diese sind als Kunststoffnägel ausgebildet, ragen durch die Abstrahlplatte20 und die Trägerplatte8 hindurch und sind mit auf der Rückseite88 der Trägerplatte8 angeordneten Klemmnagelkappen32 verklemmt. Durch die Klemmnägel31 , die auch als Kunststoffnieten ausgeführt sein können, und die Klemmnagelkappen32 , die auch als Gegenspannkappen bezeichnet werden können, können die Abstrahlplatte20 und die Trägerplatte8 fest aber auch wieder lösbar zusammengeheftet werden. - In
3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Beleuchtungsvorrichtung102 gezeigt. Diese weist als so genannte Flip-Chips ausgebildete Halbleiterchips1 auf, die auf einer metallisch leitenden Schicht4 des Trägers8 angeordnet und an diese elektrisch leitend angeschlossen sind. Dazu ist zwischen rückseitigen Chipmetallkontaktschichten2 der Halbleiterchips1 und Anschlussbereichen der metallisch leitenden Schicht4 eine Verbindungsschicht6 , beispielsweise in Form eines Leitklebers oder einer Lotschicht, angeordnet. Die Halbleiterchips1 sind weiterhin mittels eines transparenten Vergusses18 auf der metallisch leitenden Schicht4 vergossen, so dass durch den Verguss18 ein Berührschutz gegenüber der metallisch leitenden Schicht4 erreicht werden kann. - Der Träger
8 weist weiterhin eine Kunststoffplatte auf, auf der die metallisch leitende Schicht4 aufgebracht ist, und deren Rückseite88 Stege33 aufweist. Die Kunststoffplatte der Trägerplatte8 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Dicke d1 von etwa 0,5 mm bis etwa 2 mm auf, während die darüber angeordnete Abstrahlplatte20 eine Dicke d2 von etwa 1 mm bis etwa 2 mm aufweist, wobei die Grenzen jeweils eingeschlossen sind. Die Stege33 auf der Rückseite88 der Trägerplatte8 weisen eine Höhe von etwa 0,3 mm bis etwa 2 mm auf, so dass durch die Stege33 die Beleuchtungsvorrichtung102 deutlich versteift werden kann und so eine mechanische Festigkeit gegen Verbiegungen und Verwindungen erreicht werden kann, die ansonsten zu Rissen in der Verbindungsschicht6 Halbleiterchips1 und der metallisch leitenden Schicht4 führen könnten. - Neben der Stromzuführung dient die metallisch leitende Schicht
4 wie im allgemeinen Teil beschrieben auch der Wärmeverteilung der in den Halbleiterchips1 im Betrieb erzeugten Verlustwärme, die über die metallisch leitende Schicht4 effektiv und großflächig auf die Trägerplatte8 übertragen werden kann. Zur verbesserten Abstrahlung der Wärme über die Rückseite88 der Trägerplatte8 an die Umgebung ist auf dieser eine Oberflächenbeschichtung34 aufgebracht, beispielsweise in Form einer Herzkörperfarbe, die einen hohen Wärmeemissionsgrad von möglichst nahe bei 1 in einem Temperaturbereich von 50°C bis 100°C, beispielsweise vorzugsweise bei etwa 80°C, aufweist. Eine derartige Temperatur kann der typischen Betriebstemperatur der Beleuchtungsvorrichtung102 entsprechen. - Die Abstrahlplatte
20 weist, wie in3 deutlich zu erkennen ist, kalottenförmige Aussparungen22 auf, die kugel- oder ellipsenförmig sind und die vorzugsweise geprägt oder gegossen sind. Die Aussparungen22 weisen weiterhin einen Durchmesser auf, der zumindest dem Zweifachen der Seitenlänge des jeweils in einer Aussparung22 angeordneten Halbleiterchips1 entspricht. Die auf der Innenoberfläche28 der Aussparung22 angeordnete Schicht aus dem Wellenlängenkonversionsstoff21 kann dadurch thermisch getrennt vom jeweiligen Halbleiterchip1 angeordnet sein, wodurch die oben im allgemeinen Teil beschriebenen Vorteile erreicht werden können. - Alternativ zum gezeigten Ausführungsbeispiel mit dem Wellenlängenkonversionsstoff
21 auf der Innenoberfläche28 der Aussparungen22 kann es auch möglich sein, einen Wellenlängenkonversionsstoff direkt auf den Halbleiterchips1 aufzubringen und die Innenoberflächen28 der Aussparungen22 mit einem weiteren Wellenlängenkonversionsstoff21 und/oder einem Diffusormaterial zu versehen. - Weiterhin weist die Abstrahlplatte
20 Streupartikel25 sowie auf der Lichtabstrahlfläche29 und der der Lichtabstrahlfläche29 abgewandten Oberfläche Streustrukturen23 und24 auf, mittels derer die Abstrahlplatte20 diffus durchscheinend und damit transluzent wirkt. Weiterhin weist die Abstrahlplatte20 eingebettete Streupartikel auf. Durch die Streustrukturen23 ,24 und die Streupartikel25 kann eine Verbesserung der Homogenität der abgestrahlten Helligkeit und des abgestrahlten Farbeindrucks erreicht werden. Weiterhin kann die Beleuchtungsvorrichtung102 für einen Betrachter von der Seite der Lichtabstrahlfläche29 her ohne störende Blendeffekte wahrgenommen werden. Die Streustrukturen23 und24 können durch Prägen oder durch Gießen ausgebildet werden. Alternativ zum gezeigten Ausführungsbeispiel können auch nur Streupartikel25 oder nur Streustrukturen23 und/oder24 vorhanden sein. - In
4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Beleuchtungsvorrichtung103 gezeigt, die im Vergleich zur Beleuchtungsvorrichtung102 des vorherigen Ausführungsbeispiels eine Trägerplatte8 mit einer isolierenden Kunststoffschicht41 aufweist, auf der die metallisch leitende Schicht4 als reflektierende Montagefläche89 und dieser abgewandt eine Metallplatte oder Metallfolie22 angeordnet sind. Die Metallplatte oder Metallfolie42 und die isolierende Kunststoffschicht41 können beispielsweise miteinander verklebt sein. Die Metallplatte oder Metallfolie42 ist, beispielsweise entsprechend den geltenden Elektroinstallationsvorschriften, mit einem Schutzleiter43 verbunden. Dadurch kann zusätzlich auch eine Abschirmung gegen eventuell vorhandene elektrische Wechselfelder des Stromnetzes erreicht werden. - Die Metallplatte oder Metallschicht
42 weist weiterhin auf der die Rückseite88 der Trägerplatte8 bildenden Seite eine Lack- oder Eloxalschicht oder eine andere Beschichtung34 auf, die insbesondere bei leicht erhöhter Raumtemperatur einen besonders hohen Wärmeleistungsabstrahlkoeffizienten in einem Wellenlängenbereich von etwa 10 μm aufweist. Dies kann durch eine Glasierung oder eine Eloxierung erreicht werden oder auch durch eine Heizkörperfarbe, die beispielsweise auch farbig und nicht schwarz gestaltet sein kann. - Falls die Halbleiterchips
1 durch Löten auf der metallisch leitenden Schicht4 befestigt und auf dieser angeschlossen werden, beispielsweise mittels eines Zinn-Indium-Lots, ist die isolierende Kunststoffschicht41 für die kurzzeitige Erhitzung während des Lötens für einige Sekunden entsprechend widerstandsfähig ausgebildet. Alternativ ist auch eine Klebung mittels eines wärme- und stromleitenden Klebstoffs möglich, der auch wärmeunterstützt geklebt werden kann. - In
5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Beleuchtungsvorrichtung104 gezeigt, bei der im Vergleich zum vorherigen Ausführungsbeispiel die Metallplatte42 , die die Rückseite der Trägerplatte8 bildet, Stege33 zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit und Steifigkeit sowie auch zur Verbesserung der Wärmeableitung aufweist. - Die Abstrahlplatte
20 der Beleuchtungsvorrichtung104 weist weiterhin über den Aussparungen20 linsenförmige Oberflächenstrukturen26 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die linsenförmige Oberflächenstruktur26 als konvexe Erhebung ausgebildet. Alternativ dazu kann bei entsprechender Dicke der Abstrahlplatte20 die linsenförmige Oberflächenstruktur26 beispielsweise auch als konkave Einbuchtung ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die Ausbuchtungen22 und jeweils darüber angeordnete linsenförmige Oberflächenstruktur26 zueinander zentriert angeordnet. Weiterhin sind vorzugsweise auch die Halbleiterchips1 in den Aussparungen22 zentriert zu diesen angeordnet. - Die linsenförmigen Oberflächenstrukturen
26 können beispielsweise bei der Herstellung der Abstrahlplatte20 durch entsprechendes Gießen oder Prägen ausgebildet werden. Weiterhin ist es auch möglich, die linsenförmige Oberflächenstruktur26 nachträglich durch ein entsprechendes Verfahren, beispielsweise ein Walzverfahren, mit einem im Vergleich zur Abstrahlplatte20 gleichen oder anderem Material anzuformen. Auch wenn die Aussparungen22 und die linsenförmige Oberflächenstrukturen26 im gezeigten Ausführungsbeispiel kugelförmig gezeigt sind, können diese beispielsweise zur Optimierung einer gleichen Farbabstrahlung in alle Abstrahlrichtungen auch asphärisch geformt sein. - In
6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Beleuchtungsvorrichtung105 gezeigt, die auf der Lichtabstrahlfläche29 linsenförmige Oberflächenstrukturen26 aufweist. Mittels der gestrichelten Linien sind in6 die Strahlengänge des vom Halbleiterchips1 direkt abgestrahlten Primärlichts sowie des vom Wellenlängenkonversionsstoff21 in der Aussparung22 erzeugten Sekundärlichts gezeigt. - Das Primärlicht wird durch die linsenförmige Oberflächenstruktur gebündelt, während das Sekundärlicht, das vom Wellenlängenkonversionsstoff
21 nahezu mit einer Lambert'schen Strahlungsverteilung abgestrahlt wird, zwar auch gebündelt wird, jedoch mit einer anderen Abstrahlcharakteristik als das direkt abgestrahlte Primärlicht. Durch eine geeignete Anordnung der Halbleiterchips auf der Trägerplatte8 sowie durch beispielsweise zusätzliche Streumaßnahmen wie Streupartikel, eine streuende Beschichtung oder Streustrukturen, kann erreicht werden, dass die Lichtabstrahlfläche29 einzelne Lichtpunkte mit dem Primärlicht erkennen lässt, während an einem zu beleuchtenden Ort eine homogene Überlagerung des Primärlichts und des Sekundärlichts wahrgenommen wird. - Zur Verbesserung der Abstrahlung des vom Wellenlängenkonversionsstoff
21 abgestrahlten Sekundärlichts ist auf der dem Halbleiterchip1 zugewandten Seite des Wellenlängenkonversionsstoffs21 eine Reflektorschicht27 angeordnet, die für das vom Halbleiterchip1 erzeugte Primärlicht durchlässig ist und die das vom Wellenlängenkonversionsstoff21 erzeugte Sekundärlicht reflektierend ist. Die Reflektorschicht27 kann beispielsweise in Form eines Bragg-Filters ausgebildet sein. - In den
7A bis7C ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Beleuchtungsvorrichtung106 gezeigt. Die schematischen Schnittdarstellungen der7A und7B verlaufen dabei entlang der Stege36 beziehungsweise33 gemäß der Aufsicht in7C . Mittels der gestrichelten Linien sind jeweils die der jeweiligen Bildebene nicht gezeigten Elemente in den7A und7B angedeutet. - Die gezeigte Beleuchtungsvorrichtung
106 weist sowohl auf der reflektierenden Montagefläche89 als auch auf der dieser gegenüberliegenden Rückseite88 Stege33 und36 auf, die senkrecht zueinander verlaufen. Dadurch kann eine weitere Verbesserung und eine Erhöhung der Steifigkeit oder mechanischen Festigkeit der Beleuchtungsvorrichtung106 im Vergleich zu den vorherigen Ausführungsbeispielen erreicht werden. Die Abstrahlplatte20 weist Nute30 auf, in denen die auf der reflektierenden Montagefläche89 ausgebildeten Stege36 angeordnet sind. - In
8 sind Ausführungsbeispiele für die Anordnung von Beleuchtungsvorrichtungen in einem Raum gezeigt. Die in8 dargestellten Beleuchtungsvorrichtungen107 bis112 können beispielsweise gemäß einem oder mehreren der vorgenannten Ausführungsbeispiele ausgeführt sein. - Die Beleuchtungsvorrichtungen
107 und108 sind waagrecht und senkrecht an oder in der wand des exemplarisch gezeigten Raums angeordnet. Bei einer Anordnung an der Wand sind die Beleuchtungsvorrichtungen vorzugsweise so vor der Wand angebracht, dass eine Hinterlüftung möglich ist, während bei einer Anordnung in der Wand eine Wärmeableitung durch die Wand erfolgen kann. - Die Beleuchtungsvorrichtungen
109 und110 sind waagrecht und senkrecht in Zimmerflächenecken angeordnet, während die Beleuchtungsvorrichtungen111 symmetrisch gegeneinander verkippt an der Raumdecke angeordnet ist. Die Beleuchtungsvorrichtung112 ist, beispielsweise waagrecht oder auch zur Waagrechten verkippt, von der Raumdecke hängend angeordnet und kann beispielsweise in einer Strömungsflügelform ausgebildet sein. - Entsprechend der waagrechten oder senkrechten Anordnung der Beleuchtungsvorrichtungen
107 bis112 können die in den vorherigen Ausführungsbeispielen gezeigten Stege33 des Trägerkörpers8 entlang der Schwerkraftrichtung ausgerichtet sein, um eine Konvektionsströmung zur Kühlung zu erreichen. - In
9 ist eine elektronische Schaltung200 gezeigt, die geeignet ist, um die Beleuchtungsvorrichtungen der vorangegangenen Ausführungsbeispiele zu betreiben. Durch die elektronische Schaltung200 können die beschriebenen Beleuchtungsvorrichtungen einfach an einem 230 V-Wechselsromnetz mit einem Phasenleiter L, einem Nullleiter N und einem Schutzleiter SL betrieben und angesteuert werden, wobei Teile der elektronischen Schaltung200 als Vorschaltgerät kostengünstig, zuverlässig und einfach aufgebaut sein und einen guten Wirkleistungsfaktor und einen hohen Wirkungsgrad aufweisen können. - Die elektronische Schaltung
200 weist Schaltungsteile91 ,92 und93 auf, wobei der Schaltungsteil93 durch eine der vorab gezeigten Beleuchtungsvorrichtungen100 bis112 gebildet werden kann. - Der Schaltungsteil
91 , der als so genannte Einschaltbox ausgebildet ist, dient der Einstellung der elektrischen Leistung, mit der über das als Vorschaltgerät ausgebildete Schaltungsteil92 die als Schaltungsteil93 bezeichnete Beleuchtungsvorrichtung betrieben werden soll. - Die Schalter S1 und S2 des Schaltungsteils
91 , der auch Teil einer Rauminstallation oder auch im Schaltungsteil92 integriert sein kann, dienen jeweils zu Einstellung der halben Leistung der Beleuchtungsvorrichtung, indem jeweils eine Hälfte der in9 mit D gekennzeichneten Licht emittierenden Halbleiterchips der Beleuchtungsvorrichtung durch die Schalter S1 und S2 zugeschaltet werden können. Durch die Aufteilung der maximalen Leistung in die zwei mittels der Schalter S1 und S2 schaltbaren Stromkreise kann eine Absicherung gegenüber einem Totalausfall bei einem Defekt in einem der Stromkreise erreicht werden. Der Schalter S3 dient der Einstellung einer kleinen Leistung, beispielsweise für eine Nachtlichtfunktion. - Zur Ansteuerung der Beleuchtungsvorrichtung im Schaltungsteil
93 mittels der Schalter S1 und S2 des Schaltungsteils1 weist auch die Beleuchtungsvorrichtung zwei getrennte Stromkreise mit mehreren in Reihe geschalteten Halbleiterchips auf. Für einen hohen Leistungsfaktor (cos φ) sollte die Summenflussspannung der Halbleiterchip-Reihen in der Größenordnung der Wechselstromeffektivspannung oder leicht darunter sein. Wie beispielsweise auch im Ausführungsbeispiel der4 gezeigt ist, wird die Beleuchtungsvorrichtung im Schaltungsteil93 an den Schutzleiter SL mittels des Schutzkontakts Sch angeschlossen, Der als Vorschaltgerät ausgeführte Schaltungsteil92 kann getrennt vom Schaltungsteil93 , also der Beleuchtungsvorrichtung, in der Zuleitung der Beleuchtungsvorrichtung oder alternativ dazu auch integriert in der Beleuchtungsvorrichtung ausgeführt sein. Der Schaltungsteil92 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel Strom begrenzende Serienkondensatoren C1 und C2 auf, die eine hohe Spannungs- und Strompulsfestigkeit in der Größenordnung C = Im/(n·f·(Us – Uc)) aufweisen, wobei Im der mittlere Strom ist, der an den Halbleiterchips anliegt, f die Netzfrequenz, Us die Netzscheitelspannung und Uc die Summenflussspannung einer Halbleiterchip-Reihenschaltung. Beispielsweise errechnen sich für ein 50 Hz-Wechselstromnetz mit 230 V effektiv und einer Beleuchtungsvorrichtung mit einer elektrischen Leistung von 20 W mit einer Halbleiterchip-Reihenflussspannung von etwa 200 V der Strom Im zu 20 W/200 V 0,1 A und die Serienkapazität zu etwa 5 μF. - Der Kondensator C3 im Stromkreis für kleine Leistung weist zur Begrenzung des Betriebsstroms der Halbleiterchips auf einen gewünschten Bruchteil des Stroms in den aber die Schalter S1 und S2 schaltbaren Stromzweigen einen entsprechenden Bruchteil der Kapazität der Kondensatoren C1 und C2 auf. Für eine Begrenzung des Betriebstroms Im' im Stromkreis für kleine Leistung auf 1/100 des Betriebstroms Im beträgt die Kapazität des Kondenstors C3 im gezeigten Ausführungsbeispiel dann etwa 50 nF.
- Der Schaltungsteil
92 weist weiterhin Einschaltbegrenzungswiderstände R auf, die in der Größenordnung von etwa 0,03·Ueff2/P mit der Effektivspannung Ueff und der Verlustleistung P liegen, was im gezeigten Ausführungsbeispiel einem Widerstand von etwa 80 Ohm bei einer Verlustleistung von unter 1,5 W entspricht. Die Kondenstoren C4 und C5 liegen im gezeigten Ausführungsbeispiel in der Größenordnung von etwa 2 nF, während die Kondensatoren C6 und C7 als Elektrolytkondensatoren mit einer Kapazität von etwa 1 μF bis etwa 5 μF ausgeführt sind. Weiterhin weist der Schaltungsteil92 Gleichrichtereinheiten B1 und B2 auf, die als Brückengleichrichter für einen Strom von bis zu 2 A ausgebildet sind, um belastungsfest gegenüber Einschaltpulsen zu sein. - Alternativ zum gezeigten Ausführungsbeispiel kann die elektrische Schaltung
200 auch nur einen Stromzweig, beispielsweise den über den Schalter S1 schaltbaren Stromzweig, aufweisen. - Die in den einzelnen gezeigten Ausführungsbeispielen enthaltenen Merkmale und Modifikationen können auch jeweils einzeln oder in anderen Kombinationen in Beleuchtungsvorrichtungen vorhanden sein, auch wenn diese nicht explizit gezeigt sind. Weiterhin können Merkmale gemäß der im allgemeinen Teil beschriebenen Ausführungsformen in den Ausführungsbeispielen alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein.
- Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Claims (14)
- Beleuchtungsvorrichtung zur Raumbeleuchtung, aufweisend – eine Trägerplatte (
8 ) mit einer reflektierenden Montagefläche (89 ), auf der eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten Licht emittierenden Halbleiterchips (1 ) angeordnet ist, – eine den Licht emittierenden Halbleiterchips (1 ) in Abstrahlrichtung nachgeordnete transluzente oder transparente Abstrahlplatte (20 ) mit einer den Licht emittierenden Halbleiterchips (1 ) abgewandten Lichtauskoppelfläche (29 ), – wobei die Abstrahlplatte (20 ) eine Mehrzahl von Aussparungen (22 ) aufweist, die jeweils zumindest einem Halbleiterchip (1 ) nachgeordnet sind, – wobei jede der Aussparungen (22 ) auf einer den Halbleiterchips (1 ) zugewandten Innenoberfläche (28 ) von den Licht emittierenden Halbleiterchips (1 ) beabstandet ein Diffusormaterial und/oder einen Wellenlängenkonversionsstoff (21 ) aufweist. - Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Aussparungen (
20 ) kalottenförmig sind. - Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aussparungen (
20 ) jeweils einen Durchmesser aufweisen, der um einen Faktor größer oder gleich 2 und kleiner oder gleich 20 größer als Seitenlängen der Halbleiterchips (1 ) ist. - Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Abstrahlplatte (
20 ) auf der Lichtauskoppelfläche (29 ) über zumindest einigen Aussparungen (22 ) eine linsenförmige Oberflächenstruktur (26 ) aufweist. - Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jeweils ein Licht emittierender Halbleiterchip (
1 ) in jeweils einer Aussparung (22 ) angeordnet ist. - Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die reflektierende Montagefläche (
89 ) durch eine metallisch leitende Schicht (4 ) gebildet ist. - Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Licht emittierenden Halbleiterchips (
1 ) durch die metallisch leitende Schicht (4 ) elektrisch angeschlossen sind. - Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Trägerplatte (
8 ) eine Mehrzahl von Stegen (33 ,36 ) auf der Montagefläche (89 ) und/oder einer der Montagefläche (89 ) gegenüber liegenden Rückseite (88 ) aufweist. - Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Abstrahlplatte (
20 ) Nute (30 ) aufweist, in denen auf der Montageseite (89 ) vorhandene Stege (36 ) der Trägerplatte (8 ) angeordnet sind. - Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine der Montagefläche (
89 ) gegenüberliegende Rückseite (88 ) der Trägerplatte (8 ) durch eine Metallplatte oder Metallfolie (42 ) gebildet wird. - Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine der Montagefläche (
89 ) gegenüberliegende Rückseite (88 ) der Trägerplatte (8 ) eine Wärme abstrahlende Beschichtung (34 ) aufweist. - Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Abstrahlplatte (
20 ) zur diffusen Streuung in der Abstrahlplatte (20 ) verteilte Streupartikel (25 ) und/oder auf einer der Lichtauskoppelfläche (29 ) gegenüberliegenden Rückseite Streustrukturen (23 ) und/oder auf der Lichtauskoppelfläche (29 ) eine transluzente Beschichtung und/oder Streustrukturen (24 ) aufweist. - Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Abstrahlplatte (
20 ) in jeder der Aussparungen (22 ) auf der den Halbleiterchips (1 ) zugewandten Innenoberfläche (28 ) einen Wellenlängenkonversionsstoff (21 ) aufweist, der von den Halbleiterchips (1 ) abgestrahltes Licht in konvertiertes Licht umwandelt, und wobei auf der den Halbleiterchips (1 ) jeweils zugewandten Seite des Wellenlängenkonversionsstoffs (21 ) jeweils eine Reflektorschicht (27 ) angeordnet ist, die für das konvertierte Licht reflektierend und für das von den Halbleiterchips (1 ) abgestrahlte Licht durchlässig ist. - Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Abstrahlplatte (
20 ) mittels Klemmnägeln (31 ) mit der Trägerplatte (8 ) verbunden ist.
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