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Die Erfindung betrifft einen Hochleistungsscheinwerfer mit Hochleistungs-LED-Leuchtmittel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Im Bereich beispielsweise der Gebäude-Anstrahlung oder auch der Eventbeleuchtung mittels sogenannter „sky beams“ ist der momentane Stand ein Einsatz von Hochleistungsscheinwerfern, die zur Erzeugung des erforderlichen extrem gebündeltes Lichtes mit Halogenmetalldampf-oder Xenonleuchtmitteln bestückt werden. Weitere Anwendungsbereiche dieser extrem stark gebündelten Spots und Spezialscheinwerfer sind militärische Suchscheinwerfer (Marine, Luftwaffe, Heer), sowie zivile Anwendungen beispielsweise bei Feuerwehr und Polizeikräften.
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Um die für diese Anwendungen erforderlichen Leuchtmittelleistungen für beispielsweise Hochleistungsverfolger-Scheinwerfer zu erreichen, werden in der Regel Leuchtmittel ab 575 Watt bis 2000 Watt Leistung eingesetzt. Die Leuchtmittelleistungen für sogenannte Hochleistungssuchscheinwerfer beginnen sogar erst bei 1000 Watt und können bis 4000 Watt reichen. Noch höhere Leistungen sind für sogenannte Skybeamscheinwerfer erforderlich, die erst ab etwa 2500 Watt überhaupt deutlich am Himmel gesehen werden können, wobei diese Anwendungen bis zu Leistungen von 10.000 Watt ausgeführt werden. Ein Beispiel für einen derartigen Hochleistungsscheinwerfer mit Halogen-Metalldampflampen ist die Veröffentlichung
DD 292 958 A5 .
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Hierbei ist problematisch, dass die nutzbare Lebensdauer der zuvor genannten Halogen- oder Xenonleuchtmittel bei adäquatem Wirkungsgrad in aller Regel bei maximal 2000 Stunden, bei höheren Leistungen ab 4000 Watt aber sogar nur um die 400 Stunden liegen. Aufgrund der hohen Anschaffungspreise ist dies ein erheblicher Nachteil der momentan angewandten Leuchtmittel. Zudem ist die Leistungsaufnahme ebenfalls ein erheblicher Kostenfaktor der momentan genutzten Lösungen.
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Vor diesem Hintergrund ist es dringend erforderlich, technische Lösungen für die Anwendung alternativer Leuchtmittel auch in diesem Hochleistungssegment zu finden, insbesondere eine Nutzung der LED-Technik, da diese lichtemittierenden Dioden sowohl in Bezug auf deren Langlebigkeit als auch in Bezug auf den Energieverbrauch den bisherigen Leuchtmitteln deutlich überlegen sind.
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Es sind hierfür allerdings Probleme zu überwinden, da die LED-Technik gerade im Bereich hoher Leistungen nicht ohne weiteres als Substitut anwendbar ist.
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Die heute standardmäßig eingesetzten Halogenmetalldampf - bzw. Xenonleuchtmittel haben neben den angeführten Nachteilen bei Lebensdauer und Energieverbrauch einen großen Vorteil bei Ihren Abstrahleigenschaften im Vergleich zu einem LED-Leuchtmittel, da diese klassischen Lichtquellen als vergleichsweise kleine punktuelle Lichtquellen mit hohem Lichtausritt ausgebildet und so deutlich leichter zu kollimieren sind.
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Durch diese sehr kompakten, tendenziell als punktuell zu betrachtenden Lichtemissionen der Halogenmetall-bzw. Xenonleuchtmittel ist ein angestrebtes Größenverhältnis von Leuchtmittel zu Reflektor von mindestens 1:10 leicht einzuhalten. Somit ist das abgestrahlte Licht beispielsweise mit tiefgezogenen Reflektoren ohne weiteres einzufangen und anschließend gebündelt abstrahlbar.
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Eine LED hat im Gegensatz zu den beschriebenen Leuchtmitteln eine flache Geometrie die ohne vorgesetzte Optik bis zu 160° frei abstrahlt. Um dieses breitstrahlige LED-Licht einzufangen und zu kollimieren ist es erforderlich, unterschiedliche Optiken vorzusetzen. Dies wird heutzutage meist mit Kunststofflinsen ausgeführt, deren Abstrahlwinkel von 10 bis 90° reichen. Vereinzelt werden auch schon Reflektoren vorgesetzt die allerdings nur bescheidene Wirkungsgrade aufweisen.
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Berücksichtigt man zudem die erforderliche Leistung, so wird deutlich, daß LEDs mit Leistungen größer als 20 Watt in der Regel als flächige LED-Chiparrays ausgeführt sind, wodurch die angesprochene flächige und eben nicht punktförmige Geometrie noch verstärkt wird. Bei einer Ausführung mit 100 Watt Leistung sind nach heutigem Stand Abmaße von mindestens 25×25 mm anzusetzen. Um aber als Substitut für eine Halogenmetalldampf- bzw. Xenonlampe mit Leistungen von 1000 Watt oder 4000 Watt geeignet zu sein, werden LED-Leistungen in Höhe von mehreren 100 Watt benötigt.
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Aufgrund der größeren Fläche eines LED-Arrays gegenüber den herkömmlich punktuellen Abstrahlungen wird das abgestrahlte Licht entweder nur teilweise kollimiert, was Verluste bedeutet, oder es werden eine entsprechend groß dimensionierte Linse bzw. ein Reflektor benötigt, welche aufgrund der Dimensionierung schwer handhabbar wären und zudem die Kosten der Scheinwerfer unrentabel erhöhen würden.
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Aufgrund dieser Problematik wird bei entsprechenden Aufbauten im Vergleich zur bekannten Metalldampflampe sogar mehr Leistung zur Ansteuerung für ein vergleichbares LED-Array benötigt, was wiederum der Intention des Substituts komplett widerspricht, da es ja Ziel der LED-Technik ist, für gleiche Lichtleistung gegenüber herkömmlichen Leuchtmitteln deutlich Energie einzusparen.
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Aus diesen Gründen gibt es bis heute keine offenbarte Lösung für einen gebündelten LED-Lichtstrahl mit vergleichbar hoher Lichtleistung und maximal 1-5° Streuung, der über große Entfernungen und ohne große Verluste zu erzeugen ist. Daher wurde bis heute nicht erreicht, ein Halogenmetalldampf-Leuchtmittel adäquat durch LED-Leuchtmittel zu ersetzen. Selbst leistungsschwächere 250-Watt-Halogenmetalldamfleuchtmittel (Bezeichnung: MSD 250II) in der Farbe Weiß konnten bislang nicht gleichwertig mit LEDs ersetzt werden.
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Der Einsatz von LED-Lichtquellen ist vor dieser Problematik aufgrund der vergleichsweise geringen Leistung der einzelnen Leuchtdioden bislang primär auf Anwendungen beschränkt, welche keine hohen oder höchsten Lichtleistungen erbringen müssen. Beispiele hierfür sind Hintergrundbeleuchtungen, LED-Wände, Fahrrad- und Taschenlampen oder auch Leseleuchten, insbesondere wenn darin eine kleinere Anzahl mehrer LED-Lichtquellen angeordnet ist. Zur Bündelung der Abstrahlung ist in der Regel eine lichtreflektierende Anordnung vorhanden.
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Bei flächiger Anordnung einer Mehrzahl von LED-Lichtquellen sind diese wie ausgeführt in einer Ebene angeordnet und dienen beispielsweise der Ausleuchtung einer Fläche, wobei ein Flächenlicht ohne klar definierte Ränder erzeugt wird.
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Die
DE 10 2010 006 817 A1 ist hier eine beispielhafte Anordnung, um eine Vielzahl von LEDs zu einer gebündelten Lichtabstrahlung zusammenzuführen, wobei die ringförmig angeordneten LEDs in einen Reflektor abstrahlen, der diese Abstrahlungen zusammenführt und weiteren Linsen zuführt. Die Verluste durch den großen Abstrahlwinkel der einzelnen LEDs kann allerdings auch diese bauliche Lösung nicht verhindern.
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Aus der Veröffentlichung
DE 200 02 565 U1 ist eine Leuchte mit einer Lichtquelle bekannt, die mindestens einen lichtemittierenden Halbleiter vor einem konkaven Reflektor aufweist, wobei die Lichtquelle im Wesentlichen in der Längsachse des Reflektors angeordnet ist und aus einer Vielzahl von auf einer Trägerfläche angeordneten und steuerbaren Leuchtdioden besteht und das Verhältnis zwischen der Trägerfläche und der Öffnung des Reflektors zwischen 1:3 und 1:20 liegt.
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Aus der Veröffentlichung
DE 10 2008 003 915 A1 ist ein Scheinwerfer offenbart, der mit einer LED betrieben wird und ein lichtsammelndes System durch die Verwendung eines parabolischen Spiegels aufweist. Um eine ausreichende Kühlung der LED bei gleichzeitig minimierter Abschattung des Ausgangsstrahls zu gewährleisten, wird die LED auf einen Kühlfinger montiert, der von der Frontscheibe des Scheinwerfergehäuses getragen wird.
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Aus der Veröffentlichung
US 2005 254 241 A1 ist eine farbwechselnde Leuchte vorgesehen, die einen Reflektor mit einer indirekten Lichtquelle aufweist. Die selbstleuchtenden Effekte der Leuchte tragen zur Gestaltung eines Raums oder einer beleuchteten Fläche bei. Die indirekte Lichtquelle enthält einen oder mehrere Leuchtdiodenstreifen, die fest oder einstellbar sein können.
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Aus der Veröffentlichung
DE 10 2011 005 701 A1 schließlich ist eine Beleuchtungseinrichtung offenbart mit mindestens einer Halbleiterlichtquellenanordnung, die mittels eines Wärmerohrs thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt ist, wobei das Wärmerohr als Stromzuführung ausgebildet ist.
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Aus der Veröffentlichungsschrift
US 2011 / 0 074 270 A1 ist eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer LED-Lichtquelle bekannt, die auf einem quer verlaufenden Trägerarm über einem Reflektor angeordnet ist und ihre Lichtabstrahlung in diesen Reflektor abgibt, der diese dann in die Abstrahlrichtung der Leuchte umlenkt. Zudem ist hier eine Wärmeabfuhr über ein flüssiges Wärmeleitmittel von der Lichtquelle offenbart.
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Der Offenlegungsschrift
DE 10 2005 005 753 A1 ist eine Beleuchtungseinrichtung mit LED insbesondere für einen Fahrzeugscheinwerfer zu entnehmen, die ebenfalls über eine flüssige Kühlung durch einen Kühlkörper verfügt, der entsprechende Anschlüsse für den Kühlmittelfluss aufweist.
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Der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2006 019 381 U1 ist eine weitere wassergekühlte Wärmeableitevorrichtung für eine Fahrzeugbeleuchtung zu entnehmen, die über LED-Leuchtmittel verfügt. Es wird hierbei ein wärmableitender Kühlmittelkreislauf mittels einer entsprechenden Pumpvorrichtung dargestellt.
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Schließlich ist aus der Veröffentlichung
WO 2012 / 141 036 A1 eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Reflektionsspiegel offenbart, wobei eine LED ihre Lichtabstrahlung in diesen Reflektionsspiegel abgibt über eine optische Linse.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Hochleistungsscheinwerfer mit Hochleistungs-LED-Leuchtmittel zu schaffen, der annähernd verlustfrei die Abstrahlung des Hochleistungs-LED-Leuchtmittels zu kollimieren im Stande ist und so als Substitut für herkömmliche Hochleistungs-Leuchtmittel geeignet ist. Zudem soll eine effektive Flüssigkeitskühlung im Hochleistungsscheinwerfer integriert sein.
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Diese Aufgabe wird mittels des in Anspruch 1 angegebenen Hochleistungsscheinwerfers gelöst.
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Ausgangspunkt für den erfinderischen Scheinwerfer ist die Berücksichtigung der 160°-LED-Lichtabstrahlung, wobei erreicht werden soll, diese Lichtabstrahlung annähernd verlustfrei in weitgehend paralleles Licht umzuwandeln.
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Der hierfür verwendete LED-Chip (Array) ist dadurch gekennzeichnet, dass die im Array gepackten einzelnen 1mm-LEDs engstmöglich zueinander angeordnet sind (in der Farbe Weiß mit einem Abstand von weniger als 0,5 mm der einzelnen LEDs zueinander). Dieser LED-Chip wird auch nicht direkt in Abstrahlrichtung des zu erzeugenden Lichtstrahles, sondern um 180° in die entgegengesetzte Richtung ausgerichtet, wo die Abstrahlung in einem sehr flach ausgelegten Parabolreflektor (Spiegel) gesammelt wird.
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Dieser parabolisch ausgelegte Reflektor sollte vorteilhafterweise mindestens das Größenverhältnis zum LED-Array von 15:1 haben, um die breite Abstrahlung auffangen zu können. Es ist also ein zentrales Merkmal des Scheinwerfers, dass eine vergleichsweise eng gepackte und somit in ihrer Grundfläche kleine LED-Chip-Anordnung einer großen und flach ausgebildeten Reflektorfläche zugeordnet ist, die eine vollständige Umlenkung der Abstrahlung in ihrer gesamten Breite gewährleisten kann.
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Ebenso muss der parabolische Reflektor mit seiner Parabolfunktion so ausgelegt sein, das der zentrale Brennpunkt des Parabolreflektors den optimalen Abstand vom Parabolreflektorzentrum zum LED-Array festlegt. Dieser Abstand (Brennpunkt) darf im idealen Fall nicht wesentlich von der 160°-Lichtabstrahlung des LED-Arrays abweichen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das LED-Array den parabolischen Reflektor optimal von 0° bis 160° vollständig ausleuchtet und so keine Lichtabstrahlung der 160°-LED-Abstrahlung verloren geht. Das eingesetzte LED-Array strahlt so nicht über den Außenrand des parabolischen Reflektors hinaus ab, was ja Verluste bedeuten würde.
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Konstruktiv wird der Scheinwerfer derart gestaltet, dass dem breiten und flachen Parabolreflektor zumindest eine Halterung für den LED-Chip zugeordnet ist, die zweckmäßigerweise seitlich neben dem Reflektor anzuordnen ist. Eine Anordnung auf der Fläche des Reflektors ist alternativ möglich, behindert aber die Abstrahlung des Reflektors. Diese Halterung weist einen in etwa parallel zur Reflektorebene verlaufenden Arm auf, der den LED-Chip mit zugeordnetem Kühlelement trägt. Die Ausrichtung des LED-Chips an diesem Arm erfolgt exakt ins Zentrum des Reflektors.
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Um nun diese Anordnung insbesondere in Bezug auf die erfindungsgemäße vollständige Ausleuchtung des Reflektors durch den LED-Chip optimal ausrichten zu können, ist es vorteilhaft, dass die Halterung, an der der Arm mit dem LED-Chip geführt ist, in ihrer Distanz zum Reflektor verstellbar ausgeführt ist. Dies ermöglicht zum einen eine genaue Positionierung des LED-Chips über dem Reflektor und bringt weitere Vorteile bei der Wartung mit sich, da so eine leichtere Erreichbarkeit des LED-Chips verwirklicht wird.
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Aufgrund der höheren Leistungen eines Hochleistungsscheinwerfer mit Hochleistungs-LED-Leuchtmittel ist die Leuchtvorrichtung mit einer geschlossenen Flüssigkeitskühlung versehen, die ebenfalls wartungsarm ist und keine innere Verschmutzung des Gerätes verursacht. Baulich ist dies so gelöst, dass an dem zumindest einen Arm dünne Rohre angeordnet sind, die Kühlflüssigkeit dem Kühlkörper zuführen, der Kanäle für die Führung der Kühlflüssigkeit und somit die Abfuhr der Wärme ein geschlossenes Flüssigkeitskühlsystem aufweist zur Kühlung bei höherer Leistungsaufnahme und somit höherer Wärmeabgabe des LED-Chips.
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Es ist am ersten Haltearm ein Zuleitungsrohr und am zweiten um etwa 180° versetzten Haltearm ein Ableitungsrohr angeordnet, so dass die Kühlflüssigkeit in eine Richtung fließt und über kleine Kanäle im rückwärtigen Kühlblock des LED-Chips dessen Wärme aufnimmt und beispielsweise in Seitenwände eines Scheinwerfergehäuses, die ebenfalls mit Kanälen in Kühlprofilen ausgestattet sind, abführt. Die Seitenwände sind zu diesem Zweck flächig so konstruiert, dass mehrere hundert Watt passiv gekühlt werden können.
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Es ist hierbei zweckmäßig, dass der parabolische Reflektor höchstmöglich verspiegelt sein muss, um die Lichtverluste so gering wie möglich zu halten. Es sind hierbei annähernd vollständige Verspiegelungen bis zu einem Wert von 97% anzustreben.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Scheinwerfers ist, dass die Lichtabstrahlung der sehr breit abstrahlenden LEDs mit dieser Vorrichtung mit höchstmöglichem Wirkungsgrad in ein paralleles Licht umgewandelt wird. Tests dieser erfinderischen Scheinwerferanordnung haben überraschenderweise ergeben, dass schon mit nur 200 Watt LED-Lichtleistung ein 2000 Watt Xenonscheinwerfer ersetzt werden konnte.
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Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Systeme gegenüber der Erfindung ist, daß diese durch die Wärmeabstrahlung der Leuchtmittel so heiß werden, dass Temperaturen am Gehäuse über 100° keine Seltenheit sind und daher diese Scheinwerfer immer sowohl intern als auch extern mit Ventilatoren gekühlt werden müssen, was eine schnelle innere Verschmutzung des Gerätes erzeugt, wodurch viel Wartungsaufwand nötig ist.
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Der erfinderische Scheinwerfer hingegen erzeugt durch die sehr geringe Leistungsaufnahme des LED-Chips auch eine wesentlich geringere Wärme, was in einem beschränkten Leistungsspektrum ein geschlossenes passives Kühlsystem zulässt und so eine innere Verschmutzung des Systems bereits konstruktiv ausschließt.
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Die Kühlflüssigkeit wird beispielsweise mit einer lagerfreien Induktionspumpe umgepumpt, was den weiteren Vorteil hat, dass deren Mechanik frei in der Kühlflüssigkeit schwebend gleichzeitig geschmiert wird und dadurch ebenfalls eine sehr hohe Lebensdauer von mehr als 50.000 Stunden aufweisen kann.
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Es ist insgesamt davon auszugehen, dass der erfindungsgemäße Scheinwerfer in allen Hochleistungs-Lichtanforderungen die herkömmliche Lichttechnik auf Dauer mit allen bekannten Vorzügen der LED-Technik ersetzen kann.
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Weitere Vorzüge der erfindungsgemäßen Scheinwerfer sind:
- - eine extrem lange Lebensdauer der Lichtquelle mit durchschnittlich über 50.000 Stunden,
- - Energieeinsparungen von bis zu 90%,
- - die Option additiver Farbmischungen mit sehr geringer Energieaufnahme,
- - eine vollwertige Dimmbarkeit des Systems, die mit Metalldampflampen nicht möglich ist,
- - ein annähernd wartungsfreies System bei nur gelegentlicher Reinigung der Frontglasscheibe,
- - eine volle Lichtleistung steht direkt beim Einschalten zur Verfügung, wofür Metalldampflampen bis zu 10min. benötigen,
- - weshalb dieses System auch für Notlichtfunktionen einsetzbar ist.
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Nachfolgend ist eine Bauform der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Die Figur zeigt eine zweckmäßige Bauform mit zwei seitlich neben dem Reflektor 5 auf einer gemeinsamen Trageplatte 1 angeordneten teleskopierbaren Halterungen 3, die in etwa senkrecht auf der Trageplatte 1 stehen, die wiederum parallel zur Reflektorebene verläuft. In den Halterungen 3 teleskopierbar geführt sind die in etwa parallel zur Reflektorebene verlaufenden Arme 4, die an ihren ins Zentrum des Reflektors 5 führenden freien Enden 6 das Kühlelement 7 mit unterseitig zum Reflektor 5 weisendem LED-Chip 8 tragen.
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Die in der Figur dargestellte Formgebung des Reflektors 5 ist hierbei nur insofern erfindungsrelevant, als es sich um eine gegenüber der Fläche des LED-Chips breite und flache Ausbildung des Reflektors 5 handelt. Der Querschnitt ist darüber hinaus nur beispielhaft und schematisch wiedergegeben.
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Der anhand von Pfeillinien dargestellte Verlauf der Abstrahlung 9 verdeutlicht, dass der LED-Chip 8 in etwa eine 160°-Abstrahlung aufweist, wobei der LED-Chip 8 so nahe an den flachen und breiten Reflektor 5 herangeführt ist, dass dieser diese Abstrahlung 9 vollständig auffangen kann. Durch die spezielle Formgebung des Reflektors 5 ist dieser in der Lage diese Abstrahlung 9 vollständig in paralleles Licht umzulenken, daß dann an den Armen 4 mit dem zentralen LED-Chip 8 vorbei in entgegengesetzter Richtung abgestrahlt wird.
