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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leuchtmittel mit mindestens einer LED. Leuchtmittel mit LEDs zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer und einen hohen Wirkungsgrad aus. Um sie auch in herkömmlichen Fassungen zu betreiben, sind so genannte Retrofit-Lampen auf dem Markt erhältlich, die vom Aussehen her einer gewöhnlichen Glühlampe ähneln, in deren Inneren jedoch LEDs als Leuchtmittel verwendet werden.
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Seit der Einführung von LEDs bei der Herstellung von Retrofit-Lampen sind große Verbesserungen hinsichtlich Effizienz, Farbwiedergabe und Lebensdauer erzielt worden. Dies ist allerdings aktuell nur möglich unter relativ hohen Herstellungskosten. Insbesondere wenn beispielsweise in einem gesamten Haus von Glühlampen auf Retrofit-Lampen umgestellt werden soll, fallen erhebliche Kosten an, sodass die Umstellung entweder nur für einen Teil der Leuchtmittel erfolgt oder ganz unterbleibt. Auf diese Weise wird nicht nur bezogen auf ein einzelnes Haus, sondern auch weltweit eine beträchtliche Energiemenge vergeudet. Die zu deren Bereitstellung benötigten Ressourcen könnten anderweitig besser genutzt werden. Bestehende Lösungen benötigen elektronische Treiber, die die Netz-Wechselspannung auf eine für die jeweilige LED angepasste Gleichspannung wandeln. In den meisten Fällen wird hierzu ein Schaltnetzteil verwendet, beispielsweise ein Buck-Konverter. Retrofit-Lampen sind insbesondere als A-Lampen, B-Lampen, P-Lampen und G-Lampen erhältlich.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein eingangs genanntes Leuchtmittel, insbesondere eine Retrofit-Lampe, bereitzustellen, die sich durch niedrigere Herstellungskosten auszeichnet als die bekannten Lösungen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leuchtmittel mit den Merkmalen von Patentanspruch 1.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Retrofit-Lampe besonders günstig hergestellt werden kann, wenn diese ohne elektronische Treiber auskommt. Um auf diese zu verzichten, ist eine alternative, möglichst kostengünstige Vorrichtung zur Regelung des Stroms durch die mindestens eine LED vorzusehen. Erfindungsgemäß wird diese Funktion durch mindestens einen Glühfaden realisiert, der seriell zu der mindestens einen LED geschaltet ist. Unter einem Glühfaden ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein herkömmlicher Glühdraht, ein so genanntes Filament, zu verstehen.
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Die Erfindung macht sich den Umstand zunutze, dass mit steigender Temperatur der elektrische Widerstand des Glühfadens ebenfalls steigt. Dadurch wird der Stromfluss reduziert, wodurch die Temperatur sinkt. Eine sinkende Temperatur führt zu einer Reduktion des elektrischen Widerstands, wodurch der Stromfluss wieder steigt, usw. Auf diese Weise wird zum einen der der mindestens einen LED zugeführte Strom geregelt, zum anderen ein Teil des durch die Regelvorrichtung in Form des Glühfadens fließenden Stroms ebenfalls, wie bei einem Leuchtmittel gewünscht, in Lichtenergie umgewandelt. Dadurch kann ein Leuchtmittel bereitgestellt werden, das sich durch einen hohen Wirkungsgrad und einen hohen Anteil an LED-Licht auszeichnet. Die Herstellungskosten sind niedrig, da keine elektronische Treiberschaltung für den Betrieb der LEDs benötigt wird.
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Besonders vorteilhaft ist der Umstand, dass sich beim Betrieb eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels ein weitgehend flickerfreier Betrieb realisieren lässt, da der Glühfaden eine konstante Grundhelligkeit zu der von einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel im sichtbaren Wellenlängenbereich emittierten Strahlung beisteuert. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass bei der Herstellung auf bestehende Herstellungskonzepte von Glühlampen zurückgegriffen werden kann.
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Eine bevorzugte Variante der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Leuchtmittel einen Glaskolben umfasst, in dem der mindestens eine Glühfaden angeordnet ist, wobei der Glaskolben mit einem Schutzgas gefüllt ist. Dieses Schutzgas umfasst bevorzugt ein Gemisch aus 93% Argon und 7% Stickstoff und insbesondere kein Halogen. Die Mischung ist daher wie bei handelsüblichen Glühlampen. Die mindestens eine LED und der mindestens eine Glühfaden sind bevorzugt beide innerhalb des Glaskolbens angeordnet.
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Bei einer anderen Variante der vorliegenden Erfindung umfasst das Leuchtmittel einen Glaskolben, in dem der mindestens eine Glühfaden angeordnet ist, wobei der Glaskolben mit einem Gas gefüllt ist, das mindestens ein Halogen, insbesondere Brom, umfasst. Dadurch wird ein Halogenbrenner realisiert, wobei ein Glaskolben vorgesehen sein kann, in dem der den Glühfaden umfassende Glaskolben sowie die mindestens eine LED angeordnet sind. Die mindestens eine LED und der mindestens eine Glühfaden sind bei dieser Variante demnach unterschiedlichen atmosphärischen Randbedingungen ausgesetzt.
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Bevorzugt weist das Leuchtmittel einen ersten und einen zweiten Anschluss zum Koppeln mit einer Versorgungsspannung, insbesondere einer Versorgungswechselspannung, auf. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass das Leuchtmittel mindestens eine erste und eine zweite LED umfasst, die antiparallel zueinander geschaltet sind. Auf diese Weise können beide Teilwellen der Versorgungswechselspannung genutzt werden. Auf diese Weise kann ein mögliches Flickern weiter reduziert werden.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann das Leuchtmittel einen Gleichrichter umfassen, der mit dem ersten und dem zweiten Anschluss gekoppelt ist. Insbesondere bei dieser Variante kann das Leuchtmittel mindestens eine erste und eine zweite LED umfassen, die parallel zueinander geschaltet sind. Dies resultiert ebenfalls in einem reduzierten Flickern.
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Allerdings können zwei parallel zueinander geschaltete LEDs auch bei der Variante ohne Gleichrichter verwendet werden, wenn beispielsweise mindestens zwei LEDs parallel zueinander geschaltet sind und mindestens zwei weitere LEDs antiparallel zu der ersten Parallelschaltung.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Leuchtmittel mindestens eine erste und eine zweite LED umfasst, die seriell zueinander geschaltet sind. Dabei bilden die LEDs einen sogenannten LED-Strang. Dies kann sowohl bei der Variante mit und bei der Variante ohne Gleichrichter der Fall sein. Damit kann erreicht werden, dass die gesamte über dem LED-Strang abfallende Spannung erhöht und somit der Arbeitspunkt des LED-Strangs optimiert wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann zumindest eine erste und eine zweite LED eine unterschiedliche Forward-Spannung aufweisen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Halbwelle der speisenden Wechselspannung besonderes effizient genutzt werden können.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Leuchtmittel mindestens zwei LEDs umfasst, die in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen emittieren. Auf diese Weise kann der Farbort des von einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel abgegebenen Lichts eingestellt werden.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die mindestens eine LED und der mindestens eine Glühfaden derart dimensioniert sind, dass zwischen 15% und 30%, bevorzugt zwischen 20% und 25%, der Versorgungsspannung an der mindestens einen LED abfallen. Durch eine derartige Dimensionierung kann eine maximale Helligkeit der von dem Leuchtmittel abgegebenen Strahlung bei gegebener Versorgungsspannung erreicht werden. Eine derartige Dimensionierung resultiert daher in einem besonders hohen Wirkungsgrad des Leuchtmittels.
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Bei einer alternativen Vorgehensweise kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine LED und der mindestens eine Glühfaden derart dimensioniert sind, dass zwischen 70% und 90%, bevorzugt zwischen 75% und 85%, insbesondere 80%, der optischen Leistung von der mindestens einen LED erzeugt werden. Die in den letzten beiden Absätzen als vorteilhaft vorgeschlagenen Dimensionierungsregeln gelten sowohl für eine Realisierung des Glühfadens in einem Schutzgas als auch innerhalb eines Halogenbrenners.
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Auch bei einer derartigen Dimensionierung kann ein besonders hoher Wirkungsgrad und damit eine besonders große optische Leistung bei einer vorgegebenen Versorgungsspannung erzielt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass das Leuchtmittel einen Glaskolben sowie einen thermischen Schild umfasst, wobei die mindestens eine LED und der mindestens eine Glühfaden in dem Glaskolben angeordnet sind, wobei der thermische Schild zwischen der mindestens einen LED und dem mindestens einen Glühfaden angeordnet ist. Als thermischer Schild kommt insbesondere ein metallischer Reflektor in Betracht, der zwischen der mindestens einen LED und dem Glühfaden angebracht ist.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Im Nachfolgenden werden nunmehr Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen in:
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1 in schematischer Darstellung einen Schaltplan für ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels;
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2 in schematischer Darstellung einen Schaltplan für ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels;
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3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels;
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4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels; und
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5 die optische Leistung Popt in Abhängigkeit der über den LEDs abfallenden Spannung ULED bei einer Versorgungsspannung von UV = 220V.
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Für gleiche und gleichwirkende Elemente werden im Nachfolgenden dieselben Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein Schaltbild für ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels. Als Spannungsversorgung dient eine Wechselspannungsquelle UV, die beispielsweise eine Wechselspannung mit einer Amplitude von 220 V bereitstellen kann. Zwischen die Anschlüsse der Wechselspannungsquelle UV ist die Serienschaltung eines Glühfadens GF einerseits sowie zweier antiparallel geschalteter LEDs LED1 und LED2 andererseits gekoppelt. Der gestrichelt eingezeichnete Bereich 10 gibt an, welche Bauelemente bevorzugt auf einer gedruckten Leiterplatte angeordnet werden können.
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Wie zu erkennen ist, wird der Glühfaden GF nicht auf der Leiterplatte 10 angeordnet. Durch die gestrichelt eingezeichnete Umrandung 12 soll zum Ausdruck gebracht werden, dass der Glühfaden GF in der gleichen Atmosphäre betrieben werden kann wie die LEDs, beispielsweise einem von herkömmlichen Glühlampen bekannten Schutzgas, das bevorzugt ein Gemisch aus 93% Argon und 7% Stickstoff umfasst, jedoch kein Halogen. Alternativ kann der Glühfaden GF in einer anderen Atmosphäre als die LEDs LED1, LED2 betrieben werden, um mittels des Glühfadens GF einen Halogenbrenner zu realisieren. Hierbei wird der Glühfaden GF in einem separaten Glaskolben betrieben, der mit einem Gas gefüllt ist, das mindestens ein Halogen, insbesondere Brom, umfasst.
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Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass durch die dargestellte antiparallele Verschaltung der LEDs LED1, LED2 beide Teilwellen der Versorgungswechselspannung UV zur Erzeugung von LED-Licht genutzt werden können. Wie für einen Fachmann offensichtlich, könnten weitere LEDs den beiden LEDs LED1, LED2 parallel geschaltet werden, bevorzugt in zwei antiparallelen Paketen, um Helligkeitsschwankungen zu minimieren. Weiterhin können zu jeder LED LED1, LED2 eine oder mehrere LEDs seriell geschaltet werden, zur Vermeidung von Helligkeitsschwankungen auch jeweils in zwei antiparallelen Paketen. Eine LED LED1, LED2 kann beispielsweise aus mehreren Halbleiter-Chips, beispielsweise 3V (InGaN), und mehreren HochVolt-Chips, beispielsweise 48V, bestehen, die in Reihe bzw. parallel geschaltet sind. Damit kann der Betrieb der LEDs in geeigneter Weise an die Versorgungswechselspannung UV angepasst werden.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels ist zwischen die beiden Anschlüsse der Versorgungswechselspannung UV ein Brückengleichrichter 14 geschaltet, der in bekannter Weise vier Dioden D1, D2, D3, D4 umfasst. Zwischen die Ausgänge des Brückengleichrichters 14 ist die Serienschaltung eines Glühfadens GF sowie zweier LEDS LED1, LED2 geschaltet. LED1, LED2 sowie der Brückengleichrichter 14 sind auf einer Platine 10 angeordnet. Anstelle der in 2 dargestellten Serienschaltung der LEDs LED1, LED2 können auch mehrere LEDs parallel geschaltet sein, wobei wiederum jede parallel geschaltete LED durch eine Serienschaltung mehrerer LEDs ersetzt werden kann. Auf diese Weise – dies gilt auch für 1 – lässt sich eine optimale Abstimmung zwischen Versorgungswechselspannung UV, Glühfaden GF und den LEDs erzielen, um eine Helligkeit des von einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel abgegebenen Lichts bzw. den Farbort wunschgemäß einzustellen. Weiterhin läßt sich damit eine optimale Aufteilung der Versorgungswechselspannung UV zwischen den LEDs und dem Glühfaden GF einstellen.
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Der Widerstand des Glühfadens GF definiert den auch durch die mindestens eine LED fließenden Strom. Über eine geeignete Wahl des Widerstands des Glühfadens GF kann, wie erwähnt, das Verhältnis des Lichts aus der mindestens einen LED und dem Glühfaden GF eingestellt werden. Das Licht der beiden Lichtquellen wird gemischt, sodass ein effizientes und zugleich weitgehend flickerfreies Licht erzeugt wird.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels 16 am Beispiel einer A-Lampe mit einem Sockel 18 vom Typ E27. Diese weist einen Glaskolben 20 auf, in dem eine für Glühlampen übliche Schutzgas-Atmosphäre herrscht, die beispielsweise 93% Argon und 7% Stickstoff, jedoch kein Halogen, umfassen kann. Innerhalb des Glaskolbens 20 ist ein Glühfaden GF sowie eine Vielzahl von LEDs angeordnet, wovon beispielhaft die LED1 dargestellt ist. Um die mindestens eine LED1 und den Glühfaden GF thermisch zu entkoppeln, ist die LED1 nahe am Sockel 18 angeordnet, der Glühfaden GF davon möglichst weit räumlich getrennt. Durch diese räumliche Trennung wird die Lebensdauer der LED1 durch die vom Glühfaden GF abgegebene thermische Strahlung nicht negativ beeinflusst. Zur weiteren thermischen Entkopplung oder alternativ könnte zwischen der mindestens einen LED LED1 und dem Glühfaden GF ein thermischer Schild angeordnet sein. Dabei kann es sich beispielsweise um einen metallischen Reflektor handeln.
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Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels 16 ist innerhalb des Glaskolbens 20 ein weiterer Glaskolben 22 angeordnet, in dem der Glühfaden GF angeordnet ist. Die Atmosphäre innerhalb des Glaskolbens 22 enthält mindestens ein Halogen, insbesondere Brom. Durch den Glühfaden GF und den Glaskolben 22 samt Füllung ist hierbei ein Halogenbrenner 24 realisiert. Innerhalb des Glaskolbens 20 kann die bereits aus dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel bekannte Schutzgasatmosphäre vorgesehen sein. Innerhalb des Glaskolbens 20, aber außerhalb des Glaskolbens 22 sind vorliegend zwei LEDS LED1, LED2 angeordnet. Selbstverständlich kann die Anzahl der LEDs beliebig sein, beispielsweise eins, zwei, drei, vier usw.
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5 zeigt den Verlauf der optischen Leistung Popt (a.u. = arbitrary units) in Abhängigkeit der über der mindestens einen LED abfallenden Spannung ULED bei einer Versorgungswechselspannung von UV = 220V. Die Differenz zwischen der Versorgungswechselspannung UV und der über der mindestens einen LED abfallenden Spannung entspricht daher der über dem Glühfaden GF abfallenden Spannung.
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Der Arbeitspunkt wird demnach über die Anzahl der in Serie geschalteten LEDs, d.h. insbesondere deren Vorwärtsspannungen, sowie den Widerstand des Glühfadens GF festgelegt. Wie zu erkennen ist, ist die vom Glühfaden GF abgegebene optische Leistung Popt um so größer, je weniger Spannung ULED über der mindestens einen LED abfällt. Bei dem Anteil der von der mindestens einen LED gelieferten optischen Leistung Popt ergibt sich ein Maximum bei einer Spannung von ULED = 80V. Für die Summe aus den beiden optischen Teilleistungen, d.h. die des Glühfadens GF sowie die der mindestens einen LED, ergibt sich ein Maximum bei einer Spannung von ULED = 54V. Das Gesamtsystem würde in diesem Arbeitspunkt eine Effizienz größer 20% erreichen. Wenn davon ausgegangen wird, dass eine Glühlampe üblicherweise eine Effizienz zwischen 2% und 5% aufweist, ergibt sich hierdurch eine deutliche Steigerung der Effizienz gegenüber einer Glühlampe alleine. Würden LEDs alleine betrieben werden, könnte man zwar eine Effizienz zwischen 25% und 30% erzielen, jedoch auf Kosten einer teuren Treiberelektronik. Auf diese kann bei einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel verzichtet werden. Insofern bleibt festzuhalten, dass ein maximaler Wirkungsgrad erzielt werden kann, wenn die mindestens eine LED sowie der mindestens eine Glühfaden derart dimensioniert sind, dass zwischen 20% und 25% der Versorgungsspannung UV an der mindestens einen LED abfallen. Umgekehrt lässt sich aus der Darstellung von 5 schließen, dass sich ein optimaler Wirkungsgrad dann ergibt, wenn die mindestens eine LED und der mindestens eine Glühfaden GF derart dimensioniert sind, dass zwischen 75% und 85%, insbesondere 80%, der optischen Leistung Popt von der mindestens einen LED erzeugt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Leiterplatte
- 12
- Umrandung
- 14
- Brückengleichrichter
- 16
- Leuchtmittel
- 18
- Sockel
- 20
- Glaskolben
- 22
- Glaskolben
- 24
- Halogenbrenner
- D1, D2, D3, D4
- Dioden
- GF
- Glühfaden
- LED1, LED2
- LEDs
- Popt
- optische Leistung
- ULED
- Spannung
- UV
- Versorgungsspannung
