EP2154423B1 - Farb-LED-Strahler - Google Patents

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EP2154423B1
EP2154423B1 EP09004402.5A EP09004402A EP2154423B1 EP 2154423 B1 EP2154423 B1 EP 2154423B1 EP 09004402 A EP09004402 A EP 09004402A EP 2154423 B1 EP2154423 B1 EP 2154423B1
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leds
tuple
color
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Heiko Römelt
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Bega Gantenbrink Leuchten KG
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    • F21S10/00—Lighting devices or systems producing a varying lighting effect
    • F21S10/02—Lighting devices or systems producing a varying lighting effect changing colors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
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    • F21K9/64—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction using wavelength conversion means distinct or spaced from the light-generating element, e.g. a remote phosphor layer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2105/00—Planar light sources
    • F21Y2105/10—Planar light sources comprising a two-dimensional array of point-like light-generating elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
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    • F21Y2105/00—Planar light sources
    • F21Y2105/10—Planar light sources comprising a two-dimensional array of point-like light-generating elements
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
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    • F21Y2113/10—Combination of light sources of different colours
    • F21Y2113/13—Combination of light sources of different colours comprising an assembly of point-like light sources
    • F21Y2113/17—Combination of light sources of different colours comprising an assembly of point-like light sources forming a single encapsulated light source
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the present invention relates to an LED spotlight with a plurality of differently colored and arranged on a support element LEDs for generating different colored light.
  • LED spotlights for producing colored light generally use the principle of additive color mixing. Normally, LEDs are used for this purpose, which radiate in the primary colors red, green and blue and whose intensity can be regulated. This process is called RGB process. In order to improve the color quality, in addition to white or amber LEDs, pastel-colored LEDs are now being used for color mixing.
  • the mixture of the individual color components can be done inside or outside the LED spotlight.
  • An internal mixture is achieved, for example, by scattering by means of scattering disks.
  • collimators or reflectors are used, by which the beam path of the differently colored LEDs is influenced in a suitable manner, so that there is a superposition of the individual color components on the illuminated object.
  • LED spotlights for producing different-colored light are usually equipped with only one reflector and equipped with a variety of different colored and irregularly arranged LEDs.
  • Out DE 600 34 405 is a diode lamp with several different colored LEDs for readjusting the color temperature known.
  • a reflective tube is used to mix the light.
  • the different colored LEDs are arranged in a matrix in the inlet opening of the reflective tube.
  • various geometric shapes of the reflective tube as well as different arrangements of the differently colored LEDs within the matrix are proposed.
  • WO 2008/010130 is considered to be the closest prior art and discloses the features of the preamble of claim 1.
  • Object of the present invention is therefore to provide a focusing LED spotlight, which is characterized by high efficiency and good color mixing and can be easily constructed. Furthermore, the problems known from the prior art should be overcome.
  • each of the LED tuples at least two different colored LEDs each LED tuple is associated with a separate reflector, and each of the LED tuple is rotated about the optical axis of the reflector with respect to an adjacent LED tuple.
  • the efficiency of the LED spotlight is very high, since the LEDs are directly visible and thus the light can be bundled in contrast to the use of lenses on the object to be illuminated and low Losses due to absorption and scattering occur.
  • the LED tuples can be very easily prefabricated, which greatly simplifies the construction of the LED spotlight compared to commercially available devices with many LEDs arranged close together.
  • RGB LED elements so-called RGB LED elements possible.
  • RGB LED elements usually consist of a red LED, a green LED, a blue LED and possibly an additional white or amber LED and are now also available equipped with modern high-power LEDs.
  • High-power LEDs usually need to be cooled at least passively suitable. In order for the heat given off to be able to be dissipated well, it is usually sufficient if not very many LEDs are arranged close to one another. For this reason, the claimed arrangement of the LED tuple with individual associated reflectors is particularly advantageous.
  • each of the LED tuples each includes an LED in the primary colors red, green and blue. Color-selective dimming allows RGB color mixing and thus the generation of light of any desired color gradation.
  • each of the LED tuples additionally contains a white LED in addition to the three LEDs in the primary colors red, green and blue. As a result, a better quality of the generated colored light can be achieved.
  • Optimum color mixing in both a helical arrangement of the LED tuples and other arrangements of the LED tuples occurs when each of the LED tuples is rotated about the optical axis of the associated reflector with respect to a preceding adjacent LED tuple at a constant angle, respectively this angle is calculated to be 360 ° divided by the number of LED tuples.
  • LED tuple is provided with the reference numeral 1.
  • a red LED 11 For generating different colored light in all color gradations 1 LEDs in the three primary colors and thus a red LED 11, a green LED 12 and a blue LED 13 are arranged on the LED tuple.
  • the desired light color is effected by dimming the individual LEDs.
  • a white LED 14 is additionally arranged in the LED tuple 1.
  • fewer or more differently colored LEDs may also be arranged into a tuple. It is conceivable, not only exclusively different colored LEDs to arrange an LED tuple.
  • two identical, for example white LEDs may also be contained in the LED tuple.
  • Fig. 2 is a Forderansicht an LED emitter 17 of the invention shown.
  • a common support element 15 On a common support element 15 a plurality of LED tuples 1 to 10 are arranged, which in their construction in the Fig. 1 represented LED tuple 1 correspond.
  • Each of the LED tuples 1 to 10 is associated with a collimator or reflector 16. It should be noted that for reasons of space, only the LED tuples 1 and 4 associated reflectors are provided with the reference numeral 16. The light emitted by one of the LED tuples 1 to 10 is focused by the respective associated reflector 16. In this case, all the reflectors 16 are aligned such that overlap the beam paths of the LED tuples 1 to 10 on the illuminated object.
  • the LED tuples 1 to 10 are spirally on the support member 15th arranged.
  • the ascending reference numerals of the LED tuples 1 to 10 designate the course of the imaginary spiral.
  • Each of the LED tuples 1 to 10 is rotated about the axis of the respective associated reflector 16 with respect to a preceding adjacent LED tuple 1 to 10 by an angle of 36 ° counterclockwise.
  • the angle of rotation of 36 ° is obtained by dividing a full circle of 360 ° by the number of LED tuples 1 to 10.
  • the LED tuple 1 with respect to the last LED tuple 10 of the spiral is rotated by 36 ° counterclockwise , Due to the arrangement of the LED tuples 1 to 10 according to a clockwise closing spiral and the rotation of the LED tuples 1 to 10 with respect to the respective preceding adjacent LED tuples 1 to 10 counterclockwise optimal mixing of light and high efficiency and achieved very good bundling.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen LED-Strahler mit mehreren verschiedenfarbigen und auf einem Tragelement angeordneten LEDs zur Erzeugung verschiedenfarbigen Lichts.
  • LED-Strahler zur Erzeugung farbigen Lichts bedienen sich in aller Regel des Prinzips der additiven Farbmischung. Üblicherweise werden dazu LEDs benutzt, die in den Primärfarben Rot, Grün und Blau strahlen und in ihrer Intensität geregelt werden können. Dieses Verfahren wird als RGB-Verfahren bezeichnet. Um die Farbgüte zu verbessern, werden mittlerweile zur Farbmischung zusätzlich neben weißen oder bernsteinfarbenen LEDs auch pastell-farbene LEDs eingesetzt.
  • Die Mischung der einzelnen Farbanteile kann innerhalb oder außerhalb des LED-Strahlers erfolgen. Eine innere Mischung wird beispielsweise durch Streuung mittels streuender Scheiben erzielt. Bei der äußeren Farbmischung kommen Kollimatoren oder Reflektoren zum Einsatz, durch die der Strahlenverlauf der verschiedenfarbigen LEDs in geeigneter Art und Weise beeinflusst wird, so dass sich auf dem beleuchteten Objekt eine Überlagerung der einzelnen Farbanteile ergibt.
  • Handelsübliche LED-Strahler zur Erzeugung verschiedenfarbigen Lichts sind zumeist mit lediglich einem Reflektor ausgestattet und mit einer Vielzahl verschiedenfarbiger und unregelmäßig angeordneter LEDs bestückt.
  • Aus DE 600 34 405 ist eine Diodenleuchte mit mehreren verschiedenfarbigen LEDs zur Nachregelung der Farbtemperatur bekannt. Zur Lichtmischung wird eine reflektierende Röhre eingesetzt. Die verschiedenfarbigen LEDs sind in einer Matrix in der Eintrittsöffnung der reflektierenden Röhre angeordnet. Zur Verbesserung der Durchmischung der einzelnen Farbanteile werden verschiedene geometrische Formen der reflektierenden Röhre sowie verschiedene Anordnungen der verschiedenfarbigen LEDs innerhalb der Matrix vorgeschlagen.
  • Die WO 2008/010130 wird als nächst liegender Stand der Technik angesehen und offenbart die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Das Problem der aus dem Stand der Technik bekannten LED-Strahler zur Erzeugung verschiedenfarbigen Lichts ist im Wesentlichen, dass sich eine gute Bündelung, ein hoher Wirkungsgrad und eine gute Farbmischung nicht vereinbaren lassen. So weisen Systeme mit innerer Farbmischung durch Streuung, beispielsweise mittels Streuscheiben, einen schlechten Wirkungsgrad und eine diffuse und breite Austrahlcharakteristik auf. Bei Systemen mit äußerer Farbmischung werden gute Bündelungseigenschaften und hohe Wirkungsgrade erzielt, jedoch ist die Farbmischung dort schlechter. Die aus DE 600 34 405 bekannte Diodenleuchte kann lediglich als Kompromisslösung angesehen werden. Auch hier können in Punkto Bündelung, Wirkungsgrad und Lichtmischung keine optimalen Resultate erzielt werden.
  • Zudem erfordert die Verwendung moderner Hochleistungs-LEDs eine zumindest passive Kühlung. Demzufolge ist bei der Verwendung von Hochleistungs-LEDs eine marktübliche Anordnung beliebig vieler unregelmäßig verteilten und dicht beieinander liegenden verschiedenfarbigen LEDs in der Mitte eines einzigen Reflektors zur Erzeugung eines leuchtstarken Strahlers bei akzeptabler Lichtmischung nicht möglich.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb die Bereitstellung eines bündelnden LED-Strahlers, welcher sich durch einen hohen Wirkungsgrad und eine gute Farbmischung auszeichnet und einfach aufgebaut werden kann. Ferner sollen die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme überwunden werden.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe auch auf strahlerähnliche Leuchtmittel, wie beispielsweise Scheinwerfer, übertragbar ist.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch einen LED-Strahler nach Anspruch 1 gelöst. Demnach liegt für einen farbselektiv dimmbaren LED-Strahler mit mehreren verschiedenfarbigen und auf einem Tragelement angeordneten LEDs eine gattungsgemäße Lösung der Aufgabe vor, wenn die LEDs in mehreren gleichartigen LED-Tupeln auf dem Tragelement angeordnet sind, wobei jedes der LED-Tupel mindestens zwei verschiedenfarbige LEDs umfasst, jedem LED-Tupel ein separater Reflektor zugeordnet ist, und jedes der LED-Tupel um die optische Achse des Reflektors gegenüber einem benachbarten LED-Tupel verdreht ist.
  • Durch die Anordnung weniger verschiedenfarbiger LEDs zu einem LED-Tupel mit zugeordnetem Reflektor ist der Wirkungsgrad des LED-Strahlers sehr hoch, da die LEDs direkt einsehbar sind und somit das Licht im Gegensatz zur Verwendung von Streuscheiben auf den zu beleuchtenden Gegenstand gebündelt werden kann und geringe Verluste durch Absorbtion und Streuung auftreten. Die LED-Tupel können sehr einfach vorgefertigt werden, was den Aufbau des LED-Strahlers gegenüber marktüblichen Geräten mit sehr vielen dicht beieinander angeordneten LEDs erheblich vereinfacht. Zudem ist die Verwendung von bereits vorgefertigten und anschließbaren LED-Tupeln, so genannten RGB-LED-Elementen möglich. Solche RGB-LED-Elemente bestehen üblicherweise aus jeweils einer roten LED, einer grünen LED, einer blauen LED und gegebenenfalls einer zusätzlichen weißen oder bernsteinfarbenen LED und werden mittlerweile auch mit modernen Hochleistungs-LEDs bestückt angeboten. Hochleistungs-LEDs müssen in der Regel zumindest passiv geeignet gekühlt werden. Damit die abgegebene Wärme gut abgeführt werden kann, ist es üblicherweise ausreichend, wenn nicht sehr viele LEDs dicht beieinander angeordnet werden. Gerade deshalb ist die beanspruchte Anordnung der LED-Tupel mit einzelnen zugeordneten Reflektoren besonders vorteilhaft.
  • Während Bündelung und Wirkungsgrad eines einzelnen LED-Tupels mit Reflektor in der beanspruchten Ausführung sehr gut sind, wird die Farbmischung durch den zugeordneten Reflektor nicht zufriedenstellend bewirkt. Auf dem beleuchteten Objekt sind Bereiche erkennbar, in welchen jeweils der Farbanteil einer der verschiedenfarbigen LEDs überwiegt. Auch bei Verwendung mehrerer gleich ausgerichteter LED-Tupel bleiben diese Bereiche erhalten, die Farbanhäufungen werden lediglich aufsummiert. Erst durch die beanspruchte Verdrehung der LED-Tupel zueinander werden die Bereiche der Farbanhäufung derart überlagert, dass sie sich bestenfalls gänzlich auslöschen und eine optimale Farbmischung des ausgestrahlten Lichts entsteht.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beansprucht und im Folgenden näher erläutert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält jedes der LED-Tupel jeweils eine LED in den Primärfarben Rot, Grün und Blau. Durch farbselektive Dimmung wird dadurch eine RGB-Farbmischung und somit die Erzeugung von Licht beliebiger Farbabstufung ermöglicht.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält jedes der LED-Tupel neben den drei LEDs in den Primärfarben Rot, Grün und Blau zusätzlich eine weiße LED. Dadurch kann eine bessere Güte des erzeugten farbigen Lichts erzielt werden.
  • Als besonders vorteilig für die Farbdurchmischung hat es sich herausgestellt, wenn die gegeneinander verdrehten LED-Tupel entlang einer gedachten Spirale auf dem Tragelement angeordnet sind.
  • Optimale Farbdurchmischung sowohl bei spiralförmiger Anordnung der LED-Tupel als auch anderen Anordnungen der LED-Tupel liegt vor, wenn jedes der LED-Tupel um die optische Achse des zugehörigen Reflektors gegenüber einem vorhergehenden benachbarten LED-Tupel jeweils um einen konstanten Winkel verdreht ist, wobei sich dieser Winkel zu 360° dividiert durch die Anzahl der LED-Tupel berechnet.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Zuhilfenahme einer Zeichnung im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:
    • Fig. 1
    ein LED-Tupel mit schematischer Anordnung vier verschiedenfarbener LEDs und
    Fig. 2
    eine Forderansicht eines erfindungsgemäßen LED-Strahlers mit mehreren auf einem gemeinsamen Tragelement angeordneten LED-Tupeln.
  • Das in Fig. 1 dargestellte LED-Tupel ist mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Zur Erzeugung verschiedenfarbigen Lichts in allen Farbabstufungen sind auf dem LED-Tupel 1 LEDs in den drei Primärfarben und somit eine rote LED 11, eine grüne LED 12 und eine blaue LED 13 angeordnet. Die gewünschte Lichtfarbe wird dabei durch Dimmung der einzelnen LEDs bewirkt. Zur Steigerung der Güte des erzeugten farbigen Lichts ist in dem LED-Tupel 1 zusätzlich eine weiße LED 14 angeordnet. Dadurch lässt sich insbesondere pastellfarbenes Licht in einer besseren Güte erzeugen. Während die gezeigte Anordnung eine bevorzugte Ausführung des LED-Tupels darstellt, können auch weniger oder mehr verschiedenfarbige LEDs zu einem Tupel angeordnet werden. Dabei ist es denkbar, nicht nur ausschließlich verschiedenfarbige LEDs zu einem LED-Tupel anzuordnen. Beispielsweise können neben mehren verschiedenfarbigen LEDs auch zwei gleiche, beispielsweise weiße LEDs in dem LED-Tupel enthalten sein.
  • In Fig. 2 ist eine Forderansicht eines erfindungsgemäßen LED-Strahlers 17 dargestellt. Auf einem gemeinsamen Tragelement 15 sind mehrere LED-Tupel 1 bis 10 angeordnet, die in ihrem Aufbau dem in Fig. 1 dargestellten LED-Tupel 1 entsprechen. Jedem der LED-Tupel 1 bis 10 ist ein Kollimator bzw. Reflektor 16 zugeordnet. Es sei darauf hingewiesen, dass aus Platzgründen lediglich die den LED-Tupeln 1 und 4 zugeordneten Reflektoren mit dem Bezugszeichen 16 versehen sind. Das von einem der LED-Tupel 1 bis 10 ausgestrahlte Licht wird durch den jeweils zugeordneten Reflektor 16 gebündelt. Dabei sind alle Reflektoren 16 derart ausgerichtet, dass sich die Strahlengänge der LED-Tupel 1 bis 10 auf dem beleuchteten Objekt überlagern. Die LED-Tupel 1 bis 10 sind spiralförmig auf dem Tragelement 15 angeordnet. Die aufsteigenden Bezugszeichen der LED-Tupel 1 bis 10 bezeichnen dabei den Verlauf der gedachten Spirale. Jedes der LED-Tupel 1 bis 10 ist dabei um die Achse des jeweils zugeordneten Reflektors 16 gegenüber einem vorhergehenden benachbarten LED-Tupel 1 bis 10 um einen Winkel von 36° gegen den Uhrzeigersinn verdreht. Der Drehwinkel von 36° ergibt sich dabei durch Division eines Vollkreises von 360° durch die Anzahl der LED-Tupel 1 bis 10. Somit ist auch das LED-Tupel 1 gegenüber dem letzten LED-Tupel 10 der Spirale um 36° gegen den Uhrzeigersinn verdreht. Durch die gezeigte Anordnung der LED-Tupel 1 bis 10 gemäß einer sich im Uhrzeigersinn schließenden Spirale sowie die Verdrehung der LED-Tupel 1 bis 10 gegenüber den jeweils vorhergehenden benachbarten LED-Tupeln 1 bis 10 gegen den Uhrzeigersinn wird eine optimale Lichtdurchmischung bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad und sehr guter Bündelung erzielt.
  • Es sei angemerkt, dass durch die vorliegende Anordnung und die Gruppierung weniger LEDs zu einem LED-Tupel 1 bis 10 auch die Verwendung von modernen Hochleistungs-LEDs ermöglicht wird, welche zur Kühlung der LEDs einen gewissen Abstand der LED-Tupel 1 bis 10 zueinander erfordert.

Claims (3)

  1. Bündelnder LED-Strahler (17) mit mehreren verschiedenfarbigen und auf einem Tragelement (15) angeordneten LEDs (11 bis 14), wobei der LED-Strahler (17) farbselektiv dimmbar ist, und die LEDs (11 bis 14) in mehreren gleichartigen LED-Tupeln (1 bis 10) auf dem Tragelement (15) angeordnet sind, und wobei jedes der LED-Tupel (1 bis 10) mindestens zwei verschiedenfarbige LEDs (11 bis 14) umfasst, und jedem LED-Tupel (1 bis 10) ein separater Reflektor (16) zugeordnet ist, wobei jedes der LED-Tupel (1 bis 10) um die optische Achse des zugeordneten Reflektors (16) gegenüber einem vorhergehenden benachbarten LED-Tupel (1 bis 10) jeweils um einen Winkel ϕ verdreht ist, wobei sich der Winkel ϕ zu 360° dividiert durch die Anzahl der LED-Tupel (1 bis 10) berechnet,
    dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Tupel (1 bis 10) ferner gemäß einer Spirale auf dem Tragelement (15) angeordnet sind.
  2. LED-Strahler (17) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der LED-Tupel (1 bis 10) eine rote LED (11), eine grüne LED (12) und eine blaue LED (13) umfasst.
  3. LED-Strahler (17) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der LED-Tupel (1 bis 10) eine weiße LED (14) umfasst.
EP09004402.5A 2008-08-12 2009-03-26 Farb-LED-Strahler Active EP2154423B1 (de)

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