DE102012019670A1

DE102012019670A1 - Besonderes LED-Leuchtmittel

Info

Publication number: DE102012019670A1
Application number: DE201210019670
Authority: DE
Inventors: Stephan Boehme
Original assignee: LEDeXCHANGE GmbH
Current assignee: LEDeXCHANGE GmbH
Priority date: 2012-10-08
Filing date: 2012-10-08
Publication date: 2014-04-24

Abstract

LED-Leuchtmittel, welches in Lichtfarbe und Strahlwirkung einer herkömmlichen Glühlampe entspricht, wobei mehrere LED-Chips in unterschiedlichen Farbtemperaturen aus einem Farbtemperaturspektrum von 2160 Kelvin bis 3300 Kelvin miteinander kombiniert werden, wobei LED-Chips mit einer niedrigeren Farbtemperatur und damit einem höheren Rotanteil mit LED-Chips mit einer höheren Farbtemperatur und damit einem höheren Blauanteil kombiniert werden, indem mindestens 2 LED-Chips mit unterschiedlichen Farbtemperaturen, wobei die Anzahl der LED-Chips auch unbegrenzt höher sein kann und die Anzahl der LED-Chips der einen Farbtemperatur die der anderen auch überwiegen kann, gemeinsam auf der Leiterplatte des LED-Leuchtmittels positioniert werden, wobei es sich dabei um eine beliebige Anordnung handeln kann, und diese gemeinsam unter Spannung gesetzt werden. Dabei kann die Möglichkeit zum Dimmen des LED-Leuchtmittels bestehen, wobei die Leistung der LED-Chips mit der höheren Farbtemperatur und damit dem höheren Blauanteil im Dimmprozess im Verhältnis starker reduziert wird, als die der LED-Chips mit der niedrigeren Farbtemperatur und damit dem höheren Rotanteil und/oder wobei sich die LED-Chips mit der höheren Farbtemperatur durch die Rücknahme der Leistung schließlich ganz abschalten, während die LED-Chips mit der niedrigeren Farbtemperatur noch unter Spannung gesetzt bleiben und deren Leistung während des Dimmprozesses lediglich um 50–70% verringert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein besonderes LED-Leuchtmittel, welches in Lichtfarbe und Strahlwirkung einer herkömmlichen Glühbirne entspricht, indem mehrere LED-Chips in verschiedenen Farbtemperaturen im Leuchtmittel miteinander kombiniert werden.
Stand der Technik:
LED-Leuchtmittel sind energieeffizienter als Glühbirnen oder Energiesparlampen und verfügen über eine deutlich höhere Lebensdauer.
Der Nachteil von herkömmlichen LED-Leuchtmitteln besteht darin, dass bei der Erzeugung von weißem Licht bei den gängigen Verfahren zur Weißlichterzeugung ein kalt wirkender, weißblauer Farbton entsteht. Grund hierfür ist, dass bei einer Art der Weißlichterzeugung eine blaue LED, welche über den höchsten Wirkungsgrad verfügt, mit einem bestimmten (meist gelben) Leuchtstoff (Phosphor) kombiniert wird. Da diese LEDs auch ultraviolettes Licht abstrahlen, das im Leuchtstoff zu gelbem Licht umgewandelt wird, ergibt sich ein weißes Licht mit einem hohen Blauanteil. Ein Rotanteil, welcher eine wärmere Lichtfarbe entstehen lassen würde, entsteht bei dieser Methode der Weißlichterzeugung nicht. Daneben besteht die Möglichkeit, blaue Leuchtchips mit gelben, roten und grünen LED-Chips so zu kombinieren, dass sich ihr Licht gut mischt und damit als weiß erscheint (RGB-Verfahren). Zur besseren Lichtmischung sind meist zusätzliche optische Komponenten erforderlich. Allgemein lässt sich sagen, dass die Herstellung von blauen LEDs mit gelben Phosphoren deutlich einfacher ist, als der Einsatz von UV-LEDs mit RGB-Phosphoren. Letztgenanntes Verfahren kommt daher auch deutlich seltener zum Einsatz.
Um eine wärmere Lichtfarbe zu erzeugen, die in dem Farbtemperaturspektrum einer herkömmlichen Glühbirne entspricht, kommen bei LED-Leuchtmitteln verschiedene Techniken zur Anwendung. Teilweise verbauen Hersteller weiße Lumineszenz-LEDs in Kombination mit roten LEDs, um einen besseren Farbraum im roten Bereich zu erreichen. Auch kommen blaue, ggf. kombiniert mit roten LEDs unter einer lumineszierenden Kappe des einschraubbaren Leuchtkörpers zum Einsatz. Bei dieser Technik wird die Lichtfarbe, welche vom weißen Lichtkern ausgeht, nachträglich durch die Farbe der Kappe in eine warmweiße Lichtfarbe umgewandelt.
Vorstehend beschriebene Techniken haben den Nachteil, dass trotz der Erhöhung des Rotanteils der von der Glühlampe bekannte Farbton und die Lichteffizienz bzw. der Powerfaktor (Lumen/Watt) nicht erreicht werden. Auch fehlt es an einer gleichmäßigen Lichtausstrahlung, welche mit der einer herkömmlichen Glühbirne vergleichbar wäre. LED-Leuchtmittel, welche mit vorgenannten Techniken Weißlicht erzeugen, lassen einen hellen Lichtkern und einen weniger heller Randbereich sichtbar werden, so dass sich eine punktförmige Strahlung mit Schattenbildungen außerhalb des Lichtkerns ergibt.
Ein weiterer Nachteil vorbenannter LED-Leuchtmittel wird beim Dimmprozess sichtbar. Aufgrund der abnehmenden Lichthelligkeit beim Dimmprozess wird der Blauanteil des erzeugten Weißlichts zunehmend sichtbarer, was in gedimmten Zustand der LED zu einem grau/blauen Licht führt, welches nicht mehr als angenehm oder warm empfunden wird. Grund hierfür ist, dass die vorbenannten Verfahren zur Erzeugung der warmen Lichtfarbe ihre Wirkung nur bei 100% Leistung erreichen, die aufgrund der Leistungsreduzierung im Dimmprozess nicht gegeben ist. Ein Problem vorbenannter LED-Leuchmittel beim Dimmen ist dabei auch, dass in gedimmten Zustand der LED sehr viel Licht absorbiert wird, so dass das Leuchtmittel in gedimmten Zustand kaum noch strahlt (Lichthelligkeit). Weiterhin findet auch in gedimmten Zustand keine gleichmäßige Lichtausstrahlung statt, da sich um den weißen Lichtkern Schatten bilden. Die so erzeugte Lichtausstrahlung ist mit derjenigen einer herkömmlichen Glühbirne in gedimmten Zustand nicht vergleichbar.
Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik der bekannten LED-Leuchtmittel ist die hohe Wärmeentwicklung der LED-Chips, die zu einer Abnahme der Leistung führt. Eine relativ hohe Wärmeentwicklung entsteht bei den nach dem bisherigen Stand der Technik ausgeführten LED-Leuchtmitteln dadurch, dass zur Erzielung der Farbqualität in der Regel mit einem LED-Chip gearbeitet wird, der durch die aufgesetzte Linse/Phosphorbeschichtung eine extrem hohe Leistung bringen muss, um die Lichthelligkeit (Lumen) trotz der vorhandenen Beschichtungen (Phosphorbeschichtung oder lumeniszierende Kappe) zu erzielen. Bei einer Glühlampe mit 25 Watt mit einem Lumenpaket von ca. 250 Lumen wird bei den Phosphor- und Filtertechniken ein Chip mit einer Lumenqualität von mindestens 500 Lumen benötigt, um den durch die Absorbierung gegebenen Helligkeitsverlust zu kompensieren. Eine hohe Lumenzahl und damit verbundene hohe Wattzahl führt aufgrund des schwierigen Abtransports der Wärme zu einer hohen Temperatur und damit zum Verlust der Leistung. Leistungsverlust tritt bereits ab 35° Celcius ein.
Aufgabenstellung
Es stellt sich deshalb die Aufgabe, ein LED-Leuchtmittel zur Verfügung zu stellen, welches die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist und einer herkömmlichen Glühbirne in Lichtfarbe und Strahlwirkung möglichst nah kommt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein LED-Leuchtmittel gemäß dem ersten Patentanspruch. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Um eine einheitliche Lichtfarbe zu erzeugen, welche der Lichtfarbe einer herkömmlichen Glühbirne entspricht, wird ein LED-Leuchtmittel zur Verfügung gestellt, bei dem phosphor- oder auf andere Weise beschichtete LED-Chips, welche eine weiße Lichtfarbe erzeugen, in unterschiedlichen Farbtemperaturen aus einem Farbtemperaturspektrum von 2160 Kelvin bis 3300 Kelvin miteinander gemischt werden. Es werden weiße LED-Chips mit einem höheren Rotanteil, welche eine wärmere weiße Lichtfarbe entstehen lassen, mit weißen LED-Chips mit einem höheren Blauanteil, die über einen höheren Wirkungsgrad verfügen, gemischt, indem diese gemeinsam auf der Leiterplatte des LED-Leuchtmittels oder einem sonstigem Trägermedium nacheinander und unterschieden jeweils nach der Lichtfarbe angeordnet werden. Kombiniert werden in einer Ausführungsform z. B. LED-Chips mit einer Farbtemperatur von 2400 Kelvin mit LED-Chips mit einer Farbtemperatur von 2700 Kelvin, oder LED Chips mit einer Farbtemperatur von 2400 Kelvin mit LED Chips mit einer Farbtemperatur von 3000 Kelvin. Dabei sind auch Kombinationen in anderen Farbtemperaturen aus dem oben angegebenen Farbtemperaturspektrum möglich.
Dabei müssen es mindestens 2 Chips sein, die gemeinsam auf der Leiterplatte angeordnet werden. Es können aber auch unbegrenzt mehr LED-Chips sein. Eine abwechselnde Anordnung sorgt dabei für die gewünschte Lichtdurchmischung, welche aufgrund der unterschiedlichen Farbtemperaturen zur Erzielung einer einheitlichen Lichtfarbe erforderlich ist. Die abwechselnde Anordnung muss nicht „sklavisch” eingehalten werden, vielmehr können auch Gruppen von LED-Chips der jeweiligen Farbtemperaturen gebildet werden und diese abwechselnd angeordnet werden, um die gewünschte Lichtdurchmischung zu erreichen. Ebenso können die LED-Chips der einen Farbtemperatur überwiegen, so dass unregelmäßige Anordnungen erreicht werden und z. B. eine Anordnung wie folgt gewählt wird (2400/2400/2700/2400/2400/2700 oder 2400/2700/2400/2400/2700/2400/2700/2400/2400/2700 o. Ä.). Beispiele für die abwechselnde Anordnung ergeben sich aus 1 und 2, die jedoch nur Möglichkeiten einer Anordnung zeigen, welche nicht abschließend sind. Es müssen nicht notwendigerweise die gleiche Anzahl von Chips mit den unterschiedlichen Farbtemperaturen verwendet werden. Es können z. B. auch LED-Chips der einen Farbtemperatur überwiegen, wie sich z. B. auch aus 1 ergibt.
Werden die LED-Chips gleichzeitig unter Spannung gesetzt, entsteht aufgrund der Mischung des Lichts eine einheitliche Lichtfarbe, welche der Lichtfarbe einer herkömmlichen Glühbirne entspricht. Die Kombination von LED-Chips mit 2400 Kelvin mit solchen mit 2700 Kelvin ergibt dabei z. B. eine Farbtemperatur von 2500 Kelvin, die Kombination von LED-Chips mit 2400 Kelvin mit solchen mit 3000 Kelvin z. B. eine Farbtemperatur von 2850 Kelvin. Die abwechselnde Verteilung der unterschiedlichen Chips sorgt für eine Durchmischung der unterschiedlichen Farbtemperaturen und für eine gleichmäßige Strahlwirkung, welche der einer herkömmlichen Glühbirne entspricht.
Entscheidend ist weiterhin, dass bei dem erfindungsgemäßen LED-Leuchtmittel die Farbtemperatur im Dimmprozess ca. bei 2400 Kelvin bleibt und nicht wie bei den herkömmlichen Verfahren auf 5000 Kelvin oder mehr absinkt, was bei den LED-Leuchtmitteln, welche zum Stand der Technik gehören, die grau-blaue Lichtfarbe beim Dimmprozess entstehen lässt. Bei der bisherigen Dimm-Technik wird die Leistung der LED-Chips reduziert. Hierdurch reduziert sich auch die Lichtintensität, wodurch sich bei LED-Chips der Rot- und Blauanteil erhöht, was in Kombination mit der Phosphorbeschichtung bzw. der lumeniszierenden Kappe greulich-blaue Mischverhältnisse auftreten lässt.
Bei dem erfindungsgemäßen Leuchtmittel wird dieser Effekt vermieden, indem im Dimmprozess der LED-Chip mit dem höheren Blauanteil bzw. einer höheren Farbtemperatur, das heißt z. B. der LED-Chip mit 2700 Kelvin oder mit 3000 Kelvin, deutlich schneller heruntergefahren wird, als der Chip mit dem höheren Rotanteil, also einer Farbtemperatur von z. B. 2400 Kelvin. Wenn z. B. der Chip mit 2700 Kelvin um 30% durch die Rücknahme der Leistung reduziert wird, reduziert sich die Leistung des Chips mit 2400 Kelvin lediglich um 10%. Das genaue Verhältnis, in dem die LED-Chips mit den unterschiedlichen Farbtemperaturen gedimmt werden, ist nicht entscheidend, außer, dass der Chip mit der höheren Farbtemperatur im Verhältnis starker heruntergefahren wird. Während der Chip mit z. B. 2700 oder 3000 Kelvin heruntergefahren wird und sich schließlich abschaltet, bleibt der Chip mit 2400 Kelvin, der den gewünschten Rotlichtanteil abgibt, unter Spannung und muss lediglich um 50%–70% gedimmt werden, um in Lichtfarbe und Strahlwirkung einer Glühlampendimmung im maximalen Dimmzustand zu entsprechen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen LED-Leuchtmittels besteht darin, dass die Hitzeentwicklung deutlich geringer ist, als bei den vom Stand der Technik her bekannten Verfahren. Da die Leistung auf 2 LED-Chips oder mehr aufgeteilt wird, führt dies zu einer geringeren Hitzeentwicklung pro LED-Chip, so dass die Temperatur insgesamt geringer ist, was zu einer besseren Leuchtkraft der LED-Chips führt, da diese mit zunehmender Hitze an Leuchtkraft verlieren.
Ausführungsbeispiel:
Im Folgenden wird die Erfindung anhand zwei konkreter Ausführungsbeispiele erläutert. Die Erläuterungen sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
3 zeigt eine Kerzenlampe, 5 eine Industrieleuchte, in der das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung der gewünschten Lichtfarbe zur Anwendung kommt.
Zu sehen sind die verschiedenen LED-Chips, welche auf besondere Art und Weise auf der Leiterplatte angeordnet sind. Die Chips mit den unterschiedlichen Farbtemperaturen (im vorliegenden Beispiel 2400 Kelvin und 2700 Kelvin) sind abwechselnd angeordnet, wie sich dies z. B. auch aus 1 und 2 ergibt. Wird eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, entsteht aufgrund der besonderen Kombination der LED-Chips sowie der Mischung der unterschiedlichen Lichtfarben bei der Kerzenlampe (3) das aus 4 ersichtliche Farbspektrum, welches jedoch lediglich beispielhaft ein mögliches Farbspektrum wiedergibt. Die auf diese Weise erzielte Lichtfarbe von 2400–2850 Kelvin entspricht der einer herkömmlichen Glühbirne.

Claims

LED-Leuchtmittel, welches in Lichtfarbe und Strahlwirkung einer herkömmlichen Glühlampe entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere LED-Chips in unterschiedlichen Farbtemperaturen aus einem Farbtemperaturspektrum von 2160 Kelvin bis 3300 Kelvin miteinander kombiniert werden, wobei LED-Chips mit einer niedrigeren Farbtemperatur und damit einem höheren Rotanteil mit LED-Chips mit einer höheren Farbtemperatur und damit einem höheren Blauanteil kombiniert werden, indem mindestens 2 LED-Chips mit unterschiedlichen Farbtemperaturen, wobei die Anzahl der LED-Chips auch unbegrenzt höher sein kann und die Anzahl der LED-Chips der einen Farbtemperatur die der anderen auch überwiegen kann, gemeinsam auf der Leiterplatte des LED-Leuchtmittels positioniert werden, wobei es sich dabei um eine beliebige Anordnung handeln kann, und diese gemeinsam unter Spannung gesetzt werden;
LED-Leuchtmittel gemäß Anspruch 1., wobei die LED-Chips in den unterschiedlichen Farbtemperaturen einzeln oder in Gruppen abwechselnd auf der Leiterplatte angeordnet werden;
LED-Leuchtmittel gemäß Anspruch 1. oder 2., wobei die LED-Chips einzeln oder in Gruppen kreisrund in einer oder mehreren Reihen angeordnet werden;
LED-Leuchtmittel gemäß Anspruch 1., 2. oder 3., wobei die LED-Chips einzeln oder in Gruppen in rechteckiger Form angeordnet werden;
LED-Leuchtmittel gemäß Anspruch 1., 2., 3., oder 4., wobei entweder LED-Chips mit einer Farbtemperatur von 2400 Kelvin mit LED-Chips mit einer Farbtemperatur von 2700 Kelvin oder LED-Chips mit einer Farbtemperatur von 2400 Kelvin mit LED-Chips mit einer Farbtemperatur von 3000 Kelvin kombiniert werden;
LED-Leuchtmittel gemäß Anspruch 1., 2., 3., 4., oder 5., wobei die Möglichkeit zum Dimmen des LED-Leuchtmittels besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der LED-Chips mit der höheren Farbtemperatur und damit dem höheren Blauanteil im Dimmprozess im Verhältnis starker reduziert wird, als die der LED-Chips mit der niedrigeren Farbtemperatur und damit dem höheren Rotanteil;
LED-Leuchtmittel gemäß Anspruch 6., wobei sich die LED-Chips mit der höheren Farbtemperatur durch die Rücknahme der Leistung schließlich ganz abschalten, während die LED-Chips mit der niedrigeren Farbtemperatur noch unter Spannung gesetzt bleiben und deren Leistung während des Dimmprozesses lediglich um 50–70% verringert wird.