DE202012009068U1 - Leuchte zur Ausleuchtung von rotationssymmetrischen Flächen - Google Patents

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Abstract

Leuchte und Leuchtensystem zur Ausleuchtung von rotationssymmetrischen Flächen mit Strahlungsquellen, insbesondere LEDs, die mit einer Zusatzoptik zur LED-Oberseite ausgestattet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die LEDs als 3-Chip-LED aufgebaut sind, und die benachbarten Chips jeweils zueinander so verdreht angeordnet sind, dass sie die asymmetrische Abstrahlung eines 3-Chip-LED ausgleichen und die Zusatzoptik zentral über der LED angeordnet ist und deren Einzellinse/n eine rotationssymmetrische Kontur aufweisen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine LED-Leuchte und mindestens ein zugehöriges System von derartigen Leuchten zur rotationssymmetrischen Ausleuchtung von Innen- und Außenflächen, insbesondere von Industrieanlagen bzw. -flächen mit verbesserter lichttechnischer Effizienz.
  • Das Streben nach immer besserer Lichtausbeute bei Einsparung von Energie ist allgemein eine Forderung, die an die Entwicklung von LEDs als Lichtquellen gerichtet ist. Besonders lichtstarke LEDs ermöglichen auch den Einsatz in Außenbereich oder in der Industriebeleuchtung in hohen Hallen, Lagerhallen, Sporthallen usw.
  • Die kontinuierliche Weiterentwicklung von dicht bestückten LED-Lichtfeldern bieten dafür die Voraussetzung.
  • Bekannt ist aus DE 10 2010 004 221 A1 , dass Leuchten mit einer Vielzahl punktförmiger Lichtquellen, insbesondere LEDs, welche in einer Ebene angeordnet sind, ausgestattet sind. Bekannt ist auch diese Lichtquellen auf einer oder mehrerer Platinen anzuordnen und darüber in einem konstanten Abstand eine Licht streuende Platte so anzuordnen, dass diese als ein Lichtdichteintegrator wirkt.
  • Aus WO 2011/032975 A1 ist ein LED-Leuchtenelement bekannt, welches eine homogene Lichtverteilung zum Ziel hat und bei der ein längliches Leuchtenelement eine Mehrzahl von entlang einer Längsrichtung angeordneten LEDs enthält, wobei über jeder Lichtquelle vorzugsweise eine Linse angeordnet ist, so dass diese als diffuse Strahler wirken.
  • Speziell für Leuchten die in Hallen in Höhen ab 4 bis 5 m installiert werden oder in entsprechenden Außenbereichen, werden Leuchten eingesetzt, die neben einer möglichst geringen Wärmeentwicklung und damit Energieersparnis, auch eine hohe Lichtausbeute, lange Lebensdauer und gleichmäßigem und für das spezielle Einsatzgebiet ausreichendem Abstrahlwinkel garantieren.
  • Die bekannten Lösungen erfüllen diese Forderungen nicht in einem ausreichendem Maße, insbesondere nicht bei der Ausleuchtung von hohen Hallen oder Sporthallen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte LED-Leuchte bzw. ein Leuchtensystem zu entwickeln, welches genau definierte Ausleuchtungen von rotationssymmetrischen Flächen garantiert, eine Verbesserung der lichttechnischen Effizienz bewirkt und zugleich durch geringen Montageaufwand realisierbar ist.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Leuchte bzw. ein Leuchtensystem gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Strahlungsquellen LEDs sind, die als 3-Chip-LED aufgebaut und die benachbarten Chips jeweils zueinander so verdreht angeordnet sind, dass sie die asymmetrische Abstrahlung eines 3-Chip-LED ausgleichen. In bevorzugter Weise sind die 3 LED-Chips jeweils nahezu 90° zueinander angeordnet, wie dies aus 2.1 zu entnehmen ist. In dem Leuchtdichtebild der 2.2 sind die 3 LED-Chips zu erkennen.
  • Die 3 LED-Chips sind nicht zwingend symmetrisch auf der LED angeordnet. Da die Abstände im Gesamtsystem sehr kurz und kompakt sein sollen, ist dies bei den zu verwendenden Zusatzoptiken zu berücksichtigen.
  • Des weiteren befinden sich erfindungswesentlich in Abstrahlrichtung vor den LED-Chips (LED-Oberseite) optische Elemente (Zusatzoptiken), die aus mindestens einer Linsenplatte besteht. Die Einzellinse ist in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung eine Asphäre, die zentral über der LED sitzt. Die Linsenformungen befinden sich auf der abgewandten Seite zur LED-Oberseite. Die Einzellinse besitzt hierbei eine rotationssymmetrische Kontur.
  • Eine Ausführung dieser Anordnung ist aus 1 zu entnehmen. Die unsymmetrische Anordnung der 3-Chip-LEDs ist bei der Beabstandung zu berücksichtigen und entsprechend anzupassen. 3.1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Anordnung der LEDs, mit den zueinander verdreht angeordneten 3-Chip-LEDs zu sehen sind.
  • Aus 3.2 ist die Orientierung der 3-Chip-LEDs als Draufsicht auf die Platine (Beginn oben links) zu entnehmen. Erkennbar ist, dass jede Reihe der LED's von links nach rechts (in x-Richtung) die gleiche Ausrichtung besitzen, jedoch einen Versatz in y-Richtung aufweisen.
  • Begonnen wird mit der Orientierung mit der gefasten Kante an der LED. Dies ist nur eine beispielhafte Kennzeichnungshilfe bezüglich der LED-Ausrichtungen zueinander.
  • 0° ist dabei die Grundausrichtung (gefaste Kante unten rechts).
  • Danach beginnt die nächste Reihe LED mit einer 90° Drehung (siehe gefaste Kante) gegen die Uhrzeigerrichtung über die gesamte x-Richtung (Horizontale) der Platine.
  • Danach ist die nächste Reihe 180° gedreht zum Grundzustand. Entsprechend ist dann die nächste Reihe um 270° gedreht.
  • Die fortfolgende LED-Reihe beginnt dann wieder bei 0° und weiter dann nach dem gleichen Prinzip. Die Wiederholung dieser Reihe ist beliebig möglich und abhängig von der Größe der jeweiligen Linsenplatte bzw. des Leuchtensystems.
  • Sie kann auch abhängig von den Parametern der Beabstandung bzw. der Dicken der Linsen bzw. Linsenplatten variieren und angepasst werden.
  • Wie bereits dargestellt ist der Grund für die LED-Drehung die asymmetrische 3-Chip Anordnung innerhalb der LED. Würde man die LED's nicht mitdrehen, dann würde die gesamte Leuchte extrem „Schielen”. Das bedeutet der eigentlich erzeugte Spot auf dem Boden ist nicht mehr im Lot sondern driftet weg vom Zentrum. Ziel der Erfindung war es auch genau dies zu vermeiden und die lichttechnische Effizienz zu erhöhen.
  • In 4 ist wiederum ein Ausschnitt als Seitenansicht des Linsenarrays bei einem Abstrahlwinkel von 60° und die darunter liegende Platine beispielhaft dargestellt. Die Verdrehung der 3-Chip-LEDs wird durch die unterschiedliche Ausgestaltung dargestellt.
  • 5 zeigt eine beispielhafte Einzellinse. In dieser Figur ist die rotationssymmetrische Kontur der Einzellinse zum Linsenarray erkennbar.
  • Der Abstand der Linsenplatte zur LED-Oberseite (leuchtende Fläche) beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 0,5 mm. Die Linsenplatte ist in diesem Fall 3,5 mm dick.
  • Der Scheitelradius beträgt r = 3,4 mm, die konische Konstante c = –2.3 und der Asphärenkoeffizient a^4 a4 = 0.001.
  • Die Linse sitzt zentral über der LED.
  • Die Mindestdicken der Linsen betragen in einem Ausführungsbeispiel 2,0 mm. 392 LEDs wurden verarbeitet.
  • Die 6.1 stellt einen Ausschnitt des beispielgebenden Linsenarrays dar. Die 6.2 zeigen wiederum ein Beispiel einer Linsenplatte aus unterschiedlichen Ansichten (Seitenansicht gekippt und Draufsicht).
  • Aus der Seitenansicht ist der modulare Charakter der Linsenplatte gut erkennbar. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich den Anforderungen entsprechend der zu beleuchtenden Flächen diese anzupassen und modular zu gestalten.
  • Diese hier beispielhafte Optik besteht aus hexagonal angeordneten Linsen. Die Linsenplatte besteht aus einem dafür geeignetem Kunststoff (Polycarbonate; PMMA usw.).
  • In einer besonderen Ausführung dieser Linsenplatten ist mindestens eine Aussparung zur Platz sparenden Zuleitung bzw. Durchführung von Anschlüssen und Leitungen von bzw. zur Platine vorgesehen (siehe in den 6.2, linke Seite der Linsenplatte).
    In
  • Die Lösung bietet eine gleichmäßige Lichtverteilung mit weniger LEDs als bekannte Lösungen des Standes der Technik und mit geringerer Blendung.
  • 7 zeigt aus dem Ergebnis einer Simulation den Abstrahlcharakter einer derartigen 60° – Leuchte.
  • Die Gleichmäßigkeit der Abstrahlung wird dadurch deutlich. Als Beispielparameter wurden folgende Werte ermittelt:
    Zentrale Lichtstärke I = 8650 cd
    Halbwinkel: φ = 29,5°
    Lichtstrom in der Verteilung Φvert = 8095 lm
    Effizienz η = 85,1%
    Blendung: Bei 50° ist die Intensität auf 2% der zentralen Lichtstärke abgesunken.
    Lichtstrom im Bereich > 50° Φblend = 61 lm.
  • 8.1 zeigt den Schnitt durch die Abstrahlungsverteilung bei einer Winkelverteilung einer 60° – Optik.
  • 8.2 zeigt den Iso-Candela-Plot der Abstrahlungsverteilung.
  • Die Forderungen an die Leichtverteilung und die Blendung lassen sich erfindungsgemäß mit der 3 Chip LED und der Zusatzoptik realisieren. Mit 437 LEDs, die jeweils mit 14,4 lm betrieben werden erreicht man zum Beispiel eine zentrale Lichtstärke von 5600 cd bei einem Halbwinkel von 58° (Messung 5100 cd bei 55°).
  • Im Winkelbereich jenseits der 50° befindet sich noch ein Lichtstrom von 25 lm. Das entspricht 0,5% vom Gesamtlichtstrom in der Verteilung. In der Messung sind es 600 lm von insgesamt 5300 lm (11,3%).
  • In einem weiteren bevorzugten Beispiel wird mit der 3 Chip LED und der Zusatzoptik die Aufgabenstellung der Erfindung realisiert. Mit 396 LEDs, die jeweils mit 24 lm betrieben werden erreicht man z. B. eine zentrale Lichtstärke von 8600 cd bei einem Halbwinkel von 59° (Messung 5100 cd bei 55°). Im Winkelbereich jenseits der 50° befindet sich noch ein Lichtstrom von 60 lm. Das entspricht 0,7% vom Gesamtlichtstrom in der Verteilung. In der Messung sind es 600 lm von insgesamt 5300 lm (11,3%). Die Blendung ist also deutlich reduziert.
  • Die erfinderischen Leuchten können auch als Leuchtensysteme verwendet werden. Der besondere Effekt der Leuchten besteht darin, dass die Modulbauweise geeignet ist, um eine optimale Ausleuchtung in Räumen mit unterschiedlichen Höhen und Bodenbeschaffenheiten zu gewährleisten. Es ist in einer besonderen Ausführung der Erfindung auch möglich RGB-LED-Chips in das System zu integrieren. Damit werden auch Einsatzgebiete wie Sicherheitsbeleuchtungen, z. B. zur Fluchtwegkennzeichnung oder Effektbeleuchtungen bei Messeausstattungen oder spezieller Industrieanlagen möglich. Hierzu können die Zusatzoptiken entsprechend der verwendeten LEDs speziell designed werden.
  • Die Einzellinse/n können sich auf einer Linsenplatte befinden bzw. in ihrer Gesamtheit ein Linsenarray bilden, welches wiederum Linsenplatten in Modulbauweise darstellen kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102010004221 A1 [0004]
    • WO 2011/032975 A1 [0005]

Claims (7)

  1. Leuchte und Leuchtensystem zur Ausleuchtung von rotationssymmetrischen Flächen mit Strahlungsquellen, insbesondere LEDs, die mit einer Zusatzoptik zur LED-Oberseite ausgestattet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die LEDs als 3-Chip-LED aufgebaut sind, und die benachbarten Chips jeweils zueinander so verdreht angeordnet sind, dass sie die asymmetrische Abstrahlung eines 3-Chip-LED ausgleichen und die Zusatzoptik zentral über der LED angeordnet ist und deren Einzellinse/n eine rotationssymmetrische Kontur aufweisen.
  2. Leuchte und Leuchtensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die benachbarten 3-Chip-LEDs jeweils nahezu 90° zueinander verdreht angeordnet sind.
  3. Leuchte bzw. ein Leuchtensystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzoptik asphärische Einzellinse/n ist/sind.
  4. Leuchte und Leuchtensystem nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Einzellinse/n auf einer Linsenplatte befindet bzw. ein Linsenarray bilden.
  5. Leuchte und Leuchtensystem nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LEDs RGB-LED-Chips sind.
  6. Leuchte und Leuchtensystem nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenplatten mindestens eine Aussparung Zuleitung bzw. Durchführung von Anschlüssen und Leitungen von bzw. zur Platine aufweisen.
  7. Leuchte und Leuchtensystem nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie in Modulbauweise gestaltet sind.
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