EP2539935A2 - Lichtquelle mit array-leds zum direkten betrieb am wechselspannungsnetz und herstellungsverfahren hierfür - Google Patents

Lichtquelle mit array-leds zum direkten betrieb am wechselspannungsnetz und herstellungsverfahren hierfür

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Publication number
EP2539935A2
EP2539935A2 EP11710417A EP11710417A EP2539935A2 EP 2539935 A2 EP2539935 A2 EP 2539935A2 EP 11710417 A EP11710417 A EP 11710417A EP 11710417 A EP11710417 A EP 11710417A EP 2539935 A2 EP2539935 A2 EP 2539935A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
led
leds
light source
array
ali
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11710417A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Enke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Integrated Mictro-Electronics Bulgaria
Original Assignee
Integrated Mictro-Electronics Bulgaria
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Integrated Mictro-Electronics Bulgaria filed Critical Integrated Mictro-Electronics Bulgaria
Publication of EP2539935A2 publication Critical patent/EP2539935A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
    • H10W72/50—Bond wires
    • H10W72/541—Dispositions of bond wires
    • H10W72/5445—Dispositions of bond wires being orthogonal to a side surface of the chip, e.g. parallel arrangements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps
    • Y02B20/30—Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]

Definitions

  • the invention relates to a light source according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates, according to claim 13, a manufacturing method for the light source with array LEDs, in particular a method for ensuring a shock protection for this purpose.
  • a fast electronic switch is arranged in the circuit of the LEDs, which is connected to a pulse generator which supplies pulses with a repetition frequency of at least 70 Hz.
  • the series resistor is smaller than it would be for constant current operation and the arrangement
  • CONFIRMATION COPY tion is designed so that the plurality of LEDs is operated with pulsed current, wherein the current amplitude at the LEDs is greater than the maximum current allowed in constant operation.
  • the current amplitude is preferably larger by more than a factor of 20 than the maximum current permissible for constant operation.
  • the design rule is to select the pulses so short that the LED does not significantly heat up in the pulse duration and in particular that the heat dissipation away from the LED is so high that it does not come from period to period to a temperature increase in the LED.
  • the pulse generator and the fast electronic switch are designed so that they cause a current limitation by the LEDs together with the series resistor.
  • the rectifier circuit may be, for example, a one-way rectifier circuit or a bridge rectifier circuit, wherein it is preferably equipped with a smoothing capacitor to provide a substantially constant current.
  • the electronic circuit of the pulse generator is connected in parallel to the circuit of the LEDs to the rectifier circuit.
  • the electronic circuit, together with a plurality of LEDs, a fast electronic switch and a bias resistor, and in particular without the rectifier circuit for connection to the voltage of the public grid and without that the series resistor is substantially smaller than it is for the operation at constant Electricity would be required to be operated.
  • the light source described ie the arrangement of LEDs, electrically fast switch, series resistor, pulse and rectifier circuit can be provided with a conventional mounting base, which can be used with a conventional mounting socket.
  • this prior art teaches neither the use of at least two array LEDs, and further does not teach to dimension the sum of the forward voltages of these array LEDs (Ul ... Un) without electronic control such that the amplitude of the rectified ones AC voltage is within a certain narrow range of the nominal voltage.
  • a Graetz rectifier can be used, the LED being connected to the DC voltage output of the Graetz rectifier, and the AC voltage input of the Graetz rectifier being connected directly to the AC voltage network via a capacitive series resistor.
  • a capacitor can be switched parallel to the LED for even illumination.
  • a light source with at least one LED chip and commercial socket for the operation of reflector lamps or halogen lamps with cold light mirror reflector is known in which the light source has a support for at least one LED chip and this support (eg SMD Housing) of the LED ('s) is installed opposite to the reflector.
  • the lamp has a series resistor, one of the sockets of the types El 0; P13, 5S; BA9S; T5; T10; E5.5; GU10; GX 5.3; G 5.3; GU4; GY 6:35; G4, a glass or plastic body in ball or olive shape as protection against contact of the LED ('s) and possibly a rectifier.
  • the LED illuminant has a base, a central area with the control electronics, at least one printed circuit board with LEDs (light emitting diodes), a glass bulb, and side slats on.
  • the central area consists of all the control electronics for the LEDs and is preferably encapsulated in a housing to protect this electronics from external environment influences.
  • an AC / DC converter or a DC / DC converter is provided in the sleeve or pipe, a power supply switching power supply, depending on the power supply for which the LED Illuminant is to be formed and how the LEDs should be supplied or controlled.
  • a LED driver module supplied with the DC voltage generated by the AC / DC converter is configured to control or regulate the total current for the LEDs.
  • This constant current source may in particular consist of transistors, diodes and control resistors for operating the preferably series-connected LEDs.
  • a plurality of LED branches can be provided, in which case preferably different constant current sources control or supply the various branches.
  • the LEDs are arranged in chip-on-board or flip-chip technology on the LED module, for a chip-on-board module, this preferably made of ceramic, metal or FR4 (epoxy + glass fiber fabric) with metal - Through contacts exists, so that an optimal thermal conductivity can be achieved.
  • the LED module itself is arranged on a plate with good thermal conductivity.
  • the plate is preferably made of one of these metals.
  • a plurality of LED modules that is, a plurality of LED branches arranged side by side on the plate, wherein an insulating layer, but which is thermally conductive, for safety reasons, the LED module separates from the plate.
  • the LEDs or the LED module are mounted on the plate in a known manner, preferably either glued or screwed thereon in order to achieve a good thermal connection.
  • the carrier In addition to the plate shape for the carrier other forms of the carrier are conceivable, for example, tetrahedrons or other polyhedron forms, and it is also possible to arrange the LED modules not directly on the plate or on the insulating layer, but with a certain distance from the plate to fix on a support.
  • the tube or the sleeve and the plate are held together and connected by pressing, screwing or soldering, so that the heat generated by the control electronics can thus be conducted via this connection to the plate.
  • the dome-shaped glass bulb On the plate, for example by means of thermally conductive adhesive, the dome-shaped glass bulb is attached, which is designed as a transparent protective layer for the LEDs and possibly also as a light-collecting element for increasing the light intensity.
  • cooling fins or cooling fins are formed on the external surface of the pipe.
  • the invention is compared to the known LED bulbs the task of further developing them such that without a special Vorschalt- or driver electronics (power LED driver and voltage transformation) a direct connection to the 230V / 50Hz or 120 V / 60Hz AC mains, safe operation and easy adaptation to the user requirements in the construction of a light source is made possible. Furthermore, the invention has for its object to provide a cost-effective manufacturing process for the light source, in particular a method for ensuring a shock protection for this purpose.
  • This AC-related pulsed operation allows for a given dimensioning a very good light output at about the same energy use as in DC operation.
  • the LEDs can be driven at the same power consumption for the shorter current flow duration in pulsed operation (AC operation) with a higher current than in continuous DC operation, they are perceived as seemingly brighter.
  • AC operation pulsed operation
  • their flux voltage increases due to the higher current, which additionally increases the light efficiency, since at the same time the voltage across the series resistor as well as the current flow time and thus the power loss decreases.
  • the light source according to the invention is suitable for different applications and can be easily attached to suitable locations, for example.
  • the carrier heat sink / circuit board
  • the carrier can be customized (customized) to the requirements for heat dissipation / thermal management.
  • the carrier / heat sink is thus a functional component of the lamp (carrier, holder, mounting element, ..), realizes the required heat dissipation, is inexpensive to produce and can be mounted with little effort.
  • a method for producing a light source according to claim 13 is achieved in that the light source modular of array LED strands, wherein the LED string has a series circuit of at least two array LEDs with a plurality of interconnected individual LEDs, can be built up and that to ensure a Protection against contact and to protect against moisture and contamination a LED module board of the array LED strand is partially transparent in a two-step process isolated by
  • a transparent, electrically and climatically insulating protective layer is generated in the second process step by means of transparent encapsulant (for example silicone), wherein the encapsulation takes place by gravity and can cure both at room temperature or accelerated under UV irradiation
  • transparent encapsulant for example silicone
  • the manufacturing method according to the invention allows by the modular design both the fulfillment of user requirements, including ensuring contact protection on the top of the carrier board, protection against moisture and contamination of the LED module board and fulfillment of thermal operating conditions (by heat dissipation to the underside of the carrier board), as well - despite the versatility and suitability for a wide variety of applications - a cost-effective production.
  • the carrier on its top and bottom depending on its entire extent reaching metallic surfaces, which are suitable for electrical contacting and which are electrically separated from each other by means of a corresponding layer but mechanically interconnected.
  • the development according to claim 2 has the advantage that the protection of the required thermal operating conditions of the array LEDs in the array LED strand by a generously dimensioned cooling of the (respective) array LED carrier board takes place.
  • the realization of the lighting circuit has proven to be advantageous on an aluminum core or aluminum-ceramic printed circuit board.
  • To ensure the recommended by the array LED manufacturer operating temperature is preferably the cooling of the carrier board by thermally conductive assembly with appropriately sized heat sinks or directly on a heat dissipating metallic lamp housing.
  • the array LEDs are formed as a matrix circuit with mixed series and parallel circuits of the individual LEDs.
  • This embodiment of the invention has the advantages that the matrix circuit enables a different interconnection of the array LEDs from 2x2, 3x3 or even 4x4 existing LEDs. It can, in addition to the above array LED's, based on the inventive concept of self-regulation, i. There can never be a greater current in the LED string than defined by the flux-voltage / current characteristic and given by the "constant" mains voltage, in the invention also any single LED used (and electrically with the array LEDs connected), which can then be freely placed with respect to their arrangement on a carrier board, resulting in further constructive solutions for the lighting design (large distributions, letters, patterns up to very filigree linear arrangements eg filament imitations for design lights ).
  • FIG. 1 the construction of a string of five 16-fold array LEDs
  • FIG. 2 shows the construction of a ring of three strands according to FIG. 1,
  • FIG. FIG. 3 shows the structure of a double bar of four strands according to FIG. 1,
  • FIG. 4 shows the wiring diagram based on double terminals
  • FIG. FIG. 5 shows the circuit board benefit from strings according to FIG. 1.
  • FIG. 1 shown construction of a strand is the basis for an extremely cost and energy efficient power LED bulbs for direct connection to the AC voltage network.
  • the in FIG. Characterized strand shown 1 that a series circuit of five array LEDs ALI, .., AL5 's and a resistor Rl are connected to a bridge rectifier GL with 16 LED, which on a plate-like, at least the array LEDs ALI. ., AL5 supporting and electrically contacting carrier T are arranged.
  • the dimensioning of an LED string / number of LEDs, their cumulative voltage and series resistance will be described below using an example.
  • a string was realized with 5 pieces of 16-array LED ALI, .., AL5 (see following table) and thus replaced 80 individual LEDs.
  • the operating point of the series circuit can be adjusted so that the nominal electrical voltage (for example, 230 V) in the string corresponds to approximately 80-85% of the sum of the individual rated powers of the LEDs connected in the string.
  • the sum of the forward voltages of all the LEDs located in the line is selected to be as high as possible so that it corresponds to at least 75%, better 80% and a maximum of 85% of the amplitude of the rectified AC voltage at nominal voltage. This ensures that in the series resistor Rl at rated voltage only a relatively low power is implemented. This is favored by the magnitude of the forward voltage, which is a function of the phase current. This means that the greater the sum of the flux voltages (80% of the amplitude of the rectified rated voltage), the shorter the current flow duration in the string.
  • the nominal value of the resistance Rl in the LED string from the array LEDs ALI, .., AL5 dimensioned so that the stranded in the electrical power at rated voltage corresponds to only about 80-85% of the sum of the individual rated power of the LEDs used. In this way, safe operation is ensured even with overvoltage.
  • the lighting circuit in the above example consists of a series resistor Rl (50 ohms) a bridge rectifier GL (1A / 600V) and 5 pieces of array LEDs ALI, .., AL5.
  • the power consumption is about 9 watts, with the in the resistor Rl converted power account for only about 0.2 watts.
  • a comparable system can also be realized with other array LEDs ALI,..., AL5 of different array size if the internal individual LEDs are connected in series and the dimensioning regulation according to the invention is used.
  • the realization of the lighting circuit has proven to be advantageous on an aluminum core or aluminum ceramic printed circuit board.
  • the cooling of the carrier circuit board T1 is possible by thermally conductive mounting with appropriately dimensioned heat sinks or directly on a heat-dissipating metallic luminaire housing.
  • a series resistor Rl with a resistance of approximately 0 ⁇ can be used (or even completely omitted, see FIG LED's in each array LED ALI, .. are negligible or For example, the number of LED 's greater than the calculated value is selected.
  • the at a magnification of the resistor Rl slightly lower light output is negligible due to the substantially low system costs (no ballast) and the resource savings.
  • the operating temperature of the heat radiation of any light carrier, which simultaneously acts as a cooling surface, by the power loss of the built-LED modules is deliberately reduced so much in the context of the inventive concept that the in the luminaire housing emitted heat of the housing surface and their heat dissipation is adapted to the environment.
  • the dome Dl, D2 which are used to attach the carrier boards, also act as heat sinks and thus support the heat dissipation of the array LED module on the heat sink to the outer shell of the luminaire housing.
  • a comparable circuit for 120V can be realized with approx. 42 LEDs.
  • a coating of the carrier T with protective lacquer is preferably provided, for example by casting.
  • terminals in the form of double terminals DK1, DK2 are used (for reverse polarity protection the double terminal DK1 is used for 220 V and the double terminal DK2 is used for 0 V, see for example FIG 1), which on one side a cover and on the other side respectively have two locking clips for the connection wires of the mains voltage.
  • the spatially designed carrier T in which the surfaces to be coated must extend over the assembled components, for example, to coat only the back of the connector can and to keep the front connector contacts coating-free, ie using a double terminal D 1, DK2 without lid (3rd dimension)) by wetting and exploiting the capillary pressure (for example, a capillary of 1 ⁇ m diameter produces a suction pressure of 2.8 bar, corresponding to a suction height for wetting water of 28 meters) or the adhesion force (ie force) acting between two substances, whereby, for example, the liquid rises on the wall of the component on the printed circuit board) are coated.
  • the capillary pressure for example, a capillary of 1 ⁇ m diameter produces a suction pressure of 2.8 bar, corresponding to a suction height for wetting water of 28 meters
  • the adhesion force ie force
  • FIG. 2 is the construction of a round lamp, in particular a ring of three strands of FIG. 1
  • FIG. 3 shows the structure of a rectangular lamp, in particular a double bar of four strands according to FIG. 1
  • FIG. 4 shows the wiring diagram based on double terminals DK1, DK2
  • FIG. 5 shows the circuit board benefit from strands of FIG. 1 shown.
  • a carrier T which is designed meandering or sawtooth in the main direction of extension, a very good space utilization and a spatial distribution of the terminals of the mains voltage.
  • this embodiment of the carrier T allows cost-effective production (manufacturing benefits with minimal material waste and separation with uniformly wide milling / punching channel) and a structural configuration of the light source according to the invention, especially taking into account the simple fulfillment of requirements for light brightness and operating temperature including structural design the lamp itself.
  • Core idea of the inventive concept is the self-regulation in the LED strand ALI, AL2, ... with consistent use of the current / voltage characteristic of any LED by reversing the procedure, in the dimensioning of the operating point of an LED circuit from the current to the voltage.
  • a light source that is to be designed for operation on mains voltage can now simply refer to the largely constant mains voltage as a reference with respect to its operating point in contrast to a light operated with a constant current regulated light source. Since the grid voltage tolerances are guaranteed by grid operators, they can be included as constants in the reference system and thus require no additional active current control, but uses the functional relationship of the U / l characteristic of the LED to stabilize the operating point on the basis of tolerance limits the applied mains voltage.
  • a ceramic circuit board may be used for thermal coupling and isolation.
  • the ceramic circuit board serves as a component carrier, as an insulator for receiving in the lamp and as a heat coupling part to the heat sink for heat dissipation.
  • the electrical parts are completely encapsulated with plastic and meet the corresponding standards for insulation and creepage distances.
  • the manufacturing method of the light source of the present invention can be described as follows.
  • IMS aluminum substrate printed circuit board
  • This board is like conventional PCB with SMD solder pads and traces fitted.
  • the soldering points are printed by screen printing with solder paste.
  • the subsequent assembly of the SMD components LEDs, resistors, diodes or rectifiers and contact elements (terminals) is carried out using SMD placement machines and is then soldered either using reflow technology or, if available, also with a vapor-phase soldering system Connection cable to be soldered directly to the corresponding connection pads of the circuit board / carrier T.
  • the LED module board T is preferably isolated in a two-stage process (partially) transparent.
  • a nontransparent encapsulation of the non-luminous components by means of a low-pressure injection molding process (for example, based on hot melt / hot melt adhesive is injected with approximately 10 bar in an aluminum hollow chamber tool).
  • a transparent, electrically and climatically insulating protective layer is generated by means of a transparent casting agent (eg silicone) .
  • a transparent casting agent eg silicone
  • the casting takes place by gravity and can be carried out either at room temperature or accelerated
  • the carrier board T on the underside as a metal plate, in particular aluminum plate for dissipating the heat from the arranged on the upper side array LEDs ALI, .. (if necessary, further individual LEDs) to the bottom (in particular).
  • a simple function test is carried out to secure the desired electrical and optical parameters.
  • the insulation / contact protection of the network-side connection cable and connector / double terminal DKL, DK2 done.
  • the cables of the mains voltage supply are routed through a recess in the aluminum part / underside of the carrier board T and then cast or encapsulated the insulation is ensured, whereby the plug / double clamp DK1, DK2 is encapsulated on all sides with plastic.
  • the connecting cables can also be installed in an insulation box, which can also be (mostly) poured out.
  • the connecting cables are routed from below through the printed circuit board T and soldered on the surface to corresponding solder pads. By subsequent casting with appropriate transparent plastic (for example, weatherproof material such as solar cells), the insulation is ensured.
  • the electrical contacting is usually carried out by a so-called diebond, which firstly attaches the chip to the carrier and secondly creates a first electrical contact, and by a so-called wire bond from the upper chip surface to a corresponding Contact point of the carrier plate T leads.
  • diebond which firstly attaches the chip to the carrier and secondly creates a first electrical contact
  • wire bond from the upper chip surface to a corresponding Contact point of the carrier plate T leads.
  • Diebondes only one attachment of the chip, while the electrical contact is done with two wire bonds.
  • the thin carrier T dissipates heat as well as possible.
  • the carrier T it is advantageous to construct the carrier T so that it is metallic Carrier film or plate having a thin electrically insulating layer, so for example a few 10 ⁇ thick plastic layer, but better a 0.5 to 1 ⁇ thin silicon oxide or silicon nitride layer or a correspondingly thin, for example by means of sol-gel method applied glass - or ceramic layer.
  • insulating layer On this, possibly locally open insulating layer is a next, structured metallic layer, which - possibly with the inclusion of the lower metallic carrier foil - the electrical contacting of the LED chip modules ALI, ..., possibly single LED chip allows. Due to the flexible support T, an adaptation to the lamp shape, for example staircase-shaped lamp, can be made possible
  • the light source according to the invention allows a flexible adaptation to the individual requirements of the user, in particular with regard to contact protection and wall drainage, and is nevertheless inexpensive to produce.
  • switch can the strand of array LED 's, a circuit module, such as a bridge or a transistor are connected upstream, so that functions such as dimming on / off or a complete light management with motion and / or brightness control or Timer function is enabled.
  • a circuit module such as a bridge or a transistor are connected upstream, so that functions such as dimming on / off or a complete light management with motion and / or brightness control or Timer function is enabled.
  • the invention has hitherto not been limited to the feature combination defined in claim 1, but may also be defined by any other combination of certain features of all disclosed individual features. This means that in principle virtually every single feature of patent claim 1 can be omitted or replaced by at least one individual feature disclosed elsewhere in the application.

Landscapes

  • Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)
  • Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

Es sind unterschiedliche LED-Leuchtmittel auch solche mit einer Serienschaltung von Einzel-LEDs bekannt. Dabei ist in der Regel eine spezielle Vorschalt- oder Treiberelektronik (Power-LED-Treiber und Spannungstransformation) vorgesehen. Deshalb fehlt in der Praxis ein solches LED-Leuchtmittel, welches ohne eine DC-Stromregelung bei Niederspannung betrieben werden kann und unabhängig von anderen technischen Gegebenheiten universell einsetzbar ist und welcher auf einfache Art und Weise erweiterbar/umrüstbar ist. Um eine direkte Anbindung der erfindungsgemäßen Lichtquelle an das 230V/50Hz bzw. 120V/60Hz Wechselspannungsnetz, einen sicheren Betrieb und eine einfache Anpassung an die anwenderseitigen Anforderungen beim Aufbau der Lichtquelle zu ermöglichen, weist diese eine an einem Brückengleichrichter (GL) angeschlossene Serienschaltung aus mindestens zwei Array-LEDs (AL1, AL2), welche mehrere miteinander verbundene Einzel-LEDs aufweisen, und einem Vorwiderstand (R1) auf, welche auf einem plattenartigen, mindestens die Array-LEDs (AL1, AL2) tragenden, elektrisch kontaktierenden, Wärme abführenden und Berührungsschutz aufweisenden Träger (T) angeordnet sind und dass zum direkten Betrieb am Wechselspannungsnetz die Summe der Flussspannungen der Array-LEDs (U1...Un) so dimensioniert ist, dass diese mindestens 75%, vorzugsweise 80% und maximal 85% der Amplitude der gleichgerichteten Wechselspannung bei Nennspannung entspricht und der Array-LED-Strang (AL1, AL2) erst beim Überschreiten der Summenflussspannung leitend wird zusammen mit der Einstellung von Filterkoeffizienten (h[0],.., h[L-1]) erfolgt. Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der LED-Leuchtmittel und damit ausgestalteter Lampen.

Description

" Lichtquelle mit Array-LEDs zum direkten Betrieb am Wechselspannungsnetz und
Herstellungsverfahren hierfür"
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Lichtquelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung, gemäß Patentanspruch 13, ein Herstellungsverfahren für die Lichtquelle mit Array-LEDs, insbesondere ein Verfahren zur Sicherstellung eines Berührungsschutzes hierfür.
Anwendungen von Lichtquellen sind im Bereich der allgemeinen Raumbeleuchtung und im Bereich der Straßenbeleuchtung zu finden. Häufig stellt sich das Problem der Unterbringung der Lichtquellen in einer Art, dass sie geschützt, in ihrer Wirkung optimiert und optisch ansprechend angeordnet sind. Für alle vorstehend diese Anwendungen müssen unterschiedliche, zum Teil aufwändige Vorkehrungen getroffen werden, um Anforderungen an die Lichtquellen, ihre Gehäuse und ihre Montage gerecht zu werden.
Aus der DE 199 18 336 AI ist eine Lichtquelle aus mehreren hintereinandergeschalteten LEDs bekannt. In der DE 199 18 336 AI wird ausgeführt, dass typischerweise eine LED eine "Betriebsspannung" von etwa 2 V hat. Werden in der Hintereinanderschaltung beispielsweise 20 LEDs betrieben, womit für typische Anwendungen eine ausreichende Lichtintensität erreicht wird, so erfordert diese Anordnung eine Betriebsspannung in der Größenordnung von 40 V. Dieser Wert unterscheidet sich deutlich von der normalerweise zur Verfügung stehenden Netzspannung von 230 V bzw. 1 10 V, so dass die Spannung für den LED-Betrieb entweder mit einem Transformator entsprechend heruntertransformiert werden muss oder über einen Vorwiderstand auf diesen Wert gebracht wird. Die Verwendung von Transformatoren zur Spannungsanpassung ist einerseits mit Kostenaufwand verbunden und andererseits auch aus Platzgründen nicht immer leicht realisierbar, wohingegen ein größerer Vorwiderstand zu deutlich höheren Verlusten führt. Um eine Lichtquelle aus einer Mehrzahl von hintereinandergeschalteten LEDs bereitzustellen, welche an der Spannung des öffentlichen Netzes betreibbar ist und bei der übermäßige Leistungsverluste im Vorwiderstand vermieden sind, ist im Stromkreis der LEDs zusätzlich zu dem Vorwiderstand einen schneller elektronischer Schalter angeordnet, welcher an einen Impulsgeber angeschlossen ist, der Impulse mit einer Wiederholfrequenz von mindestens 70 Hz liefert. Der Vorwiderstand ist kleiner, als er das für Betrieb bei konstantem Strom wäre, und die Anord-
BESTÄTIGUNGSKOPIE nung ist so aufgebaut, dass die Mehrzahl von LEDs mit gepulstem Strom betrieben wird, wobei die Stromamplitude an den LEDs größer als der bei Konstantbetrieb zulässige Maximalstrom ist. Bevorzugt ist bei Betrieb mit Stromimpulsen die Stromamplitude um mehr als den Faktor 20 größer als der bei Konstantbetrieb zulässige Maximalstrom. Bemessungsregel ist, die Impulse so kurz zu wählen, dass sich die LED in der Impulsdauer nicht wesentlich erwärmt und insbesondere dass die Wärmeabfuhr von der LED weg so hoch ist, dass es nicht von Periodendauer zu Periodendauer zu einer Temperaturerhöhung in der LED kommt. Vorzugsweise sind der Impulsgeber und der schnelle elektronische Schalter so ausgebildet, dass sie gemeinsam mit dem Vorwiderstand eine Strombegrenzung durch die LEDs bewirken. Insbesondere kann man den schnellen elektronischen Schalter so ansteuern, dass er nach Art eines regelbaren Widerstands arbeitet. Die Gleichrichterschaltung kann beispielsweise eine Ein- Weg-Gleichrichterschaltung oder auch eine Brückengleichrichterschaltung sein, wobei sie vorzugsweise mit einem Glättungskondensator ausgestattet ist, um einen im wesentlichen konstanten Strom zur Verfügung zu stellen. Vorzugsweise ist die elektronische Schaltung des Impulsgebers parallel zu dem Stromkreis der LEDs an die Gleichrichterschaltung angeschlossen. Alternativ kann die elektronische Schaltung zusammen mit einer Mehrzahl von LEDs, einem schnellen elektronischen Schalter und einen Vorwiderstand, und insbesondere ohne die Gleichrichterschaltung zum Anschluss an die Spannung des öffentlichen Stromnetzes und ohne, dass der Vorwiderstand wesentlich kleiner ist, als es für den Betrieb bei konstantem Strom erforderlich wäre, betrieben werden. Die beschriebene Lichtquelle, d. h. die Anordnung aus LEDs, elektrisch schnellem Schalter, Vorwiderstand, Impulsgeber und Gleichrichterschaltung kann mit einem üblichen Befestigungssockel versehen werden, der mit einer üblichen Befestigungsfassung verwendet werden kann. Das ermöglicht es, ohne die vorhandene Beleuchtungsstruktur zu ändern, bisher gebräuchliche Lampen, beispielsweise Glühlampen, durch die Lichtquelle gemäß der DE 199 18 336 AI zu ersetzen. Dieser Stand der Technik lehrt jedoch weder die Benutzung von mindestens zwei Array-LEDs, und er lehrt ferner nicht, ohne eine elektronische Steuerung die Summe der Flussspannungen dieser Array-LEDs (Ul ...Un) so zu dimensionieren, dass die Amplitude der gleichgerichteten Wechselspannung in einem bestimmten engen Bereich der Nennspannung liegt.
Weiterhin ist aus der DE 20 2006 015 692 Ul eine elektronische Schaltung zur Beleuchtung der Betätigungselemente von Schaltern und Tastern bekannt, die am Wechselstromnetz betrieben werden und bei welcher eine oder mehrere LED's bzw. eine Kombination von Dioden und LED's über einen kapazitiven Serienwiderstand direkt an das Wechselspannungsnetz angeschlossen werden. Dabei werden zwei antiparallel geschaltete LED's in das Betätigungselement eingesetzt, wobei zur Strombegrenzung ein kleiner Kondensator in Serie geschaltet wird. Zur Begrenzung des Einschaltstromes kann ein Serienwiderstand mit geringer Verlustleistung eingesetzt werden, dessen Wert z.B. 1 kOhm und größer betragen kann. Sollen eine LED während beider Halbwellen der Wechselspannung leuchten, kann ein Graetz-Gleichrichter eingesetzt werden, wobei die LED am Gleichspannungsausgang des Graetz-Gleichrichters angeschlossen wird, und der Wechselspannungseingang des Graetz-Gleichrichters über einen kapazitiven Serienwiderstand direkt an das Wechselspannungsnetz angeschlossen wird. Dabei kann für ein gleichmäßiges Leuchten noch ein Kondensator parallel zur LED geschaltet werden.
Weiterhin ist aus der DE 20 2008 010709 Ul ein LED-Leuchtmittel für Spielautomaten bekannt, bei dem in einen marktüblichen T10-Sockel, BA9S-Sockel oder BA15s-Sockel ein miniaturisierter, an die Wechsel Spannung angeschlossener Brückengleichrichter im Lampensockel verbaut ist und eine LED mit Vorwiderstand mit dem Brückengleichrichter verbunden ist, wobei die Bauteile im Lampensockel versiegelt sind.
Weiterhin ist aus der DE 20 2006 014 239 Ul ein Leuchtmittel mit mindestens einem LED- Chip und handelsüblichem Sockel zum Betrieb von Reflektorlampen oder Halogenlampen mit Kaltlichtspiegelreflektor bekannt, bei dem das Leuchtmittel einen Träger für mindestens einen LED-Chip aufweist und dieser Träger (z.B. SMD-Gehäuse) der LED ('s) entgegengesetzt zum Reflektor eingebaut ist. Weiterhin weist das Leuchtmittel einen Vorwiderstand, einen der Sockel der Bauformen El 0; P13, 5S; BA9S; T5; T10; E5,5; GU10; GX 5,3; G 5,3; GU4; GY 6,35; G4, einen Glas- oder Kunststoffkörper in Kugel- oder Olivenform als Berührungsschutz der LED('s) und ggf. einen Gleichrichter auf.
Schließlich ist aus der DE 20 2007 008 258 Ul ein LED-Leuchtmittel bekannt, welches zu Ersatz herkömmlicher Glühlampen dimensioniert ist. Das LED-Leuchtmittel weist einen Sockel, einen zentralen Bereich mit der Steuer-Elektronik, mindestens eine Leiterplatte mit LEDs (Leuchtdioden), einen Glaskolben, sowie seitlichen Lamellen auf. Der zentrale Bereich besteht aus der gesamten Steuerelektronik für die LEDs und ist vorzugsweise in einem Gehäuse eingekapselt, um diese Elektronik vor Einflüssen der Außenumgebung zu schützen. Weiterhin ist in der Hülse oder Rohr, ein Versorgungsschaltnetzteil ein AC/DC-Wandler oder ein DC/DC-Wandler vorgesehen, je nach dem für welche Netzversorgung das LED- Leuchtmittel ausgebildet werden soll und wie die LEDs versorgt bzw. gesteuert werden sollen. Ein mit der vom AC/DC-Wandler erzeugten Gleichspannung versorgtes LED- Treibermodul ist dazu ausgebildet, den Gesamtstrom für die LEDs zu steuern bzw. zu regeln. Diese Konstantstromquelle kann insbesondere aus Transistoren, Dioden und Steuerwiderständen zum Betreiben der vorzugsweise in Serie geschalteten LEDs bestehen. Alternativ können auch mehrere LED-Zweige vorgesehen werden, wobei dann vorzugsweise unterschiedliche Konstantstromquellen die verschiedenen Zweige steuern bzw. versorgen. Die LEDs sind in Chip-On-Board- oder Flip-Chip-Technologie auf dem LED-Modul angeordnet, wobei für ein Chip-On-Board-Modul dieses vorzugsweise aus Keramik, Metal oder FR4 (Epoxidharz + Glasfaser-Gewebe) mit Metall-Durchkontaktierungen besteht, so dass eine optimale thermische Leitfähigkeit erreicht werden kann. Das LED-Modul selbst ist auf einer Platte mit guter Wärmeleitfähigkeit angeordnet. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit und somit eine schnelle Wärmeübertragung werden mit Kupfer oder Aluminium erreicht, so dass die Platte vorzugsweise aus einem dieser Metalle besteht. Nach einer weiteren Ausführungsform sind mehrere LED-Module, d.h. mehrere LED-Zweige nebeneinander auf der Platte angeordnet, wobei eine Isolierschicht, die aber thermisch leitend ist, aus Sicherheitsgründen das LED-Modul von der Platte trennt. Die LEDs bzw. das LED-Modul sind auf der Platte in bekannter Weise angebracht, vorzugsweise entweder darauf geklebt oder festgeschraubt, um eine gute thermische Verbindung zu erzielen. Neben der Plattenform für den Träger sind weitere Formen des Trägers denkbar, z.B. Tetraeder oder weitere Polyeder-Formen, wobei es auch möglich ist, die LED-Module nicht direkt auf der Platte bzw. auf der Isolierungsschicht anzuordnen, sondern mit einem gewissen Abstand zur Platte auf einem Träger zu befestigen. Das Rohr bzw. die Hülse und die Platte sind durch Pressen, Schrauben oder Löten zusammengehalten und verbunden, so dass die von der Steuerelektronik erzeugte Wärme somit über diese Verbindung zu der Platte geleitet werden kann. Auf der Platte ist beispielsweise mittels wärmeleitendem Klebstoff der kuppeiförmiger Glaskolben angebracht, der als transparente Schutzschicht für die LEDs und möglicherweise auch als Lichtsammelelement zur Erhöhung der Lichtintensität ausgebildet ist. Um die Wärmeableitfläche des Rohrs und der Platte zu vergrößern sind auf der externen Fläche des Rohres Kühllamellen oder Kühlrippen (Gitter) ausgebildet.
Wie die vorstehende Würdigung des Standes der Technik aufzeigt, sind unterschiedlich LED- Leuchtmittel auch solche mit einer Serienschaltung von Einzel-LEDs bekannt. Dabei ist in der Regel eine spezielle Vorschalt- oder Treiberelektronik (Power-LED-Treiber und Spannungstransformation) vorgesehen. Deshalb fehlt in der Praxis ein solches LED- Leuchtmittel, welches ohne eine DC-Stromregelung bei Niederspannung betrieben werden kann und unabhängig von anderen technischen Gegebenheiten universell einsetzbar ist und welcher auf einfache Art und Weise erweiterbar/umrüstbar ist. Besonders bedeutsam ist dies, weil die Leuchtmittel herstellende Industrie als fortschrittliche, entwicklungsfreudige Industrie anzusehen ist, die schnell Verbesserungen und Vereinfachungen aufgreift und in die Tat umsetzt.
Der Erfindung liegt gegenüber den bekannten LED-Leuchtmittel die Aufgabe zugrunde, diese derart weiterzuentwickeln, dass ohne eine spezielle Vorschalt- oder Treiberelektronik (Power- LED-Treiber und Spannungstransformation) eine direkte Anbindung an das 230V/50Hz bzw. 120 V/60Hz Wechselspannungsnetz, ein sicherer Betrieb und eine einfache Anpassung an die anwenderseitigen Anforderungen beim Aufbau einer Lichtquelle ermöglicht wird. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Herstellungsverfahren für die Lichtquelle, insbesondere ein Verfahren zur Sicherstellung eines Berührungsschutzes hierfür anzugeben.
Diese Aufgabe wird, gemäß Patentanspruch 1 , dadurch gelöst, dass an einem Brückengleichrichter eine Serienschaltung aus mindestens zwei Array-LEDs, welche mehrere miteinander verbundene Einzel-LEDs aufweisen, und einem Vorwiderstand angeschlossen sind, welche auf einem plattenartigen, mindestens die Array-LEDs tragenden, elektrisch kontaktierenden, Wärme abführenden und Berührungsschutz aufweisenden Träger angeordnet sind und dass zum direkten Betrieb am Wechselspannungsnetz die Summe der Flussspannungen der Array-LEDs (Ul ...Un) so dimensioniert ist, dass diese mindestens 75%, vorzugsweise 80% und maximal 85% der Amplitude der gleichgerichteten Wechselspannung bei Nennspannung entspricht und der Array-LED-Strang erst beim Überschreiten der Summenflussspannung leitend wird.
Durch diese sehr einfache Reihenschaltung mit nur einem Vorwiderstand und einer Gleichrichterbrücke kann die Zuverlässigkeit (Lebensdauer) für das gesamte LED-System (Array-LED-Strang) deutlich verbessert werden. Die Lebensdauer hängt damit im Wesentlichen praktisch nur von den Lichtquellen (Power-LED' s) und deren Betriebsbedingungen (Strom, Temperatur, Stress...) ab, jedoch nicht mehr von den zusätzlichen Bauteilen eines meist sehr preiswerten und damit meist wesentlich schlechteren Vorschaltgerätes ab. Insbesondere durch die Konzeption des Trägers in Bezug auf Wärmeabfufirung und Berührungsschutz werden die Betriebsbedingungen wesentlich verbessert. Mit nur einem oder ggf. mehreren Vorwiderständen kann eine sehr einfache Strombegrenzung, ohne zusätzliche Glättung bzw. Stromregelung erfolgen. Da der Array- LED-Strang erst beim Überschreiten der Summenflussspannung leitend wird, fließt der Strom im Array-LED-Strang nicht kontinuierlich wie im DC-Betrieb. Es ergibt sich bei einer 50Hz Netzspannung ein mit 100Hz bzw. bei 60Hz ein mit 120Hz pulsender Strom im Array-LED- Strang, der diese zum Leuchten ansteuert.
Dieser AC-bedingte Pulsbetrieb ermöglicht bei vorgegebener Dimensionierung eine sehr gute Lichtausbeute bei etwa gleichem Energieeinsatz wie im DC-Betrieb. Da die LED's jedoch bei gleichem Energieeinsatz für die kürzere Stromflussdauer im Pulsbetrieb (AC-Betrieb) mit einem höheren Strom als im kontinuierlichen DC-Betrieb angesteuert werden können, werden diese als scheinbar heller wahrgenommen. Gleichzeitig erhöht sich deren Flussspannung durch den höheren Strom, wodurch der Lichtwirkungsgrad zusätzlich steigt, da gleichzeitig die Spannung über dem Vorwiderstand sowie die Stromflussdauer und damit die Verlustleistung sinkt.
Da die Energieversorger im Allgemeinen für Ihre bereitgestellte Netzspannung feste Toleranzgrenzen für Über- bzw. Unterspannung garantieren, kann mit nur einem Widerstand mit geringem Widerstandswert (nahezu gleich Null) eine betriebssichere Dimensionierung des Strangstromes für das/die Array-LED-Leuchtmittel erreicht werden. Die erfindungsgemäße Lichtquelle ist für unterschiedliche Anwendungen geeignet und kann beispielsweise auf einfache Weise an geeigneten Orten angebracht werden. Insbesondere durch die Integration des Trägers (Kühlkörper/Leiterplatte) als Lampenfunktionsteil kann der Träger individuell (kundenspezifisch) an die Anorderungen hinsichtlich Wärmeabführung/Wärmemanagement angepasst werden. Der Träger/Kühlkörper wird somit Funktionsbestandteil der Leuchte (Träger, Halter, Montageelement, ..), realisiert die benötigte Wärmeabfuhr, ist kostengünstig herstellbar und mit wenig Aufwand montierbar.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung einer Lichtquelle nach Patentanspruch 13 dadurch gelöst, dass die Lichtquelle modular aus Array-LED-Strängen, wobei der LED- Strang eine Serienschaltung aus mindestens zwei Array-LEDs mit mehreren miteinander verbundenen Einzel-LEDs aufweist, aufbaubar ist und dass zur Sicherstellung eines Berührungsschutzes und zum Schutz vor Feuchtigkeit und Verschmutzung eine LED- Modulplatine des Array-LED-Strangs in einem zweistufigen Verfahren teiltransparent isoliert wird, indem
• zunächst mit Hilfe eines Werkzeuges eine nichttransparente Umspritzung der nicht leuchtenden Komponenten mit Hilfe eines Niederdruck-Spritzgussverfahrens erfolgt,
• gleichzeitig auf der Trägerplatine eine Wandung/Steg entlang der Kontur und der Befestigungsbohrungen generiert, welche dann die eigentliche„Vergussform" für den zweiten Prozess-Schritt bildet und
• im zweiten Prozess-Schritt mittels transparentem Vergussmittel (z.B. Silikon) eine für das Licht durchlässige, elektrisch und klimatisch isolierende Schutzschicht generiert wird, wobei der Verguss im Schwerkraftverfahren erfolgt und sowohl bei Raumtemperatur oder beschleunigt unter UV-Bestrahlung aushärten kann
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ermöglicht durch den modularen Aufbau sowohl die Erfüllung der anwenderseitigen Anforderungen, einschließlich Sicherstellung eines Berührungsschutzes auf der Oberseite der Trägerplatine, Schutz vor Feuchtigkeit und Verschmutzung der LED-Modulplatine und Erfüllung thermischer Betriebsbedingungen (durch Wärmeabfuhr auf die Unterseite der Trägerplatine), als auch - trotz der Vielseitigkeit und Eignung für unterschiedlichste Anwendungen - eine kostengünstige Herstellung.
In Weiterbildung der Erfindung weist, gemäß Patentanspruch 2, der Träger an seiner Ober- und Unterseite je über seine gesamte Ausdehnung reichende metallische Flächen auf, welche zur elektrischen Kontaktierung geeignet sind und welche mittels einer entsprechenden Schicht elektrisch voneinander getrennt aber mechanisch miteinander verbunden sind.
Die Weiterbildung nach Anspruch 2 weist den Vorteil auf, dass die Absicherung der erforderlichen thermischen Betriebsbedingungen der Array-LED's im Array-LED-Strang durch eine großzügig dimensionierte Kühlung der (jeweiligen) Array-LED-Trägerplatine erfolgt. Als vorteilhaft hat sich die Realisierung der Leuchtmittelschaltung auf einer Aluminiumkern- bzw. Aluminium-Keramik-Leiterkarte gezeigt. Zur Sicherstellung der vom Array-LED-Hersteller empfohlenen Betriebstemperatur erfolgt vorzugsweise die Kühlung der Trägerplatine durch thermisch leitfähige Montage mit entsprechend dimensionierten Kühlkörpern oder direkt auf ein Wärme ableitendes metallisches Leuchtengehäuse. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 3, die Array- LEDs als Matrixschaltung mit gemischter Reihen- und Parallelschaltungen der Einzel-LEDs ausgebildet.
Diese Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorteile auf, dass durch die Matrixschaltung ein unterschiedliches Miteinanderverschalten der Array-LEDs aus 2x2, 3x3 oder auch 4x4 bestehenden LEDs ermöglicht wird. Es kann neben den vorstehenden Array-LED's, in Anlehnung an das erfindungsgemäße Konzept der Selbstregelung, d.h. es kann sich niemals ein größerer Strom im LED-Strang einstellen, als durch die Flussspannungs-/ Stromkennlinie definiert, und durch die„konstante" Netzspannung gegeben ist, im Rahmen der Erfindung auch jede beliebige einzelne LED verwendet (und elektrisch mit den Array-LED's verbunden) werden, die bezüglich Ihrer Anordnung auf einer Trägerplatine dann frei platziert werden kann, wodurch sich weitere konstruktive Lösungen für das Lichtdesign ergeben, (großflächige Verteilungen, Buchstaben, Muster bis hin zu sehr filigranen linearen Anordnungen z.B. Glühfadenimitationen für Designleuchten...). Weitere Vorteile sind vereinfachtes Platinenlayout, verringerter Bestückungsaufwand und auch eine exzellente Farbqualität (CRI = colour rendering index) und präziseres Binning, da durch die Annordnung mehrerer Chips (Einzel-LED bzw. Array-LED's) auf einem Keramiksubstrat die Färb- und Helligkeitstoleranzen einzelner Chips quasi gemittelt werden. Weiterhin wird durch die geringere Energiedichte bei gleichzeitig gleichmäßigerer Energieverteilung auf den Array- LED's, die wesentlichste Grundlage für eine höhere LED-Lebensdauer und damit für robustere Bauelemente sichergestellt. Außerdem bietet der für den Farbwechsel bei weißen LED 's verwendete Phosphor bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Array-LED's eine höhere Lichteffizienz (Lumen/Watt) gegenüber Einzel-LED's, da eine größerer Fläche dieses Phosphors von den Photonen der darunter liegenden meist blauen LED angeregt wird. Die erfindungsgemäße Lichtquelle mit Array-LED's im LED-Strang kann auch die Anforderung nach möglichst hellen, energieeffizienten Bauelementen, die bei gleichzeitig flächig verteilter Leuchtdichte, vergleichbar mit klassischen Leuchtstoffröhren, eine angenehme, möglichst blendfreie Lichtquelle darstellen, realisieren.
Weitere Vorteile und Einzelheiten lassen sich der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmen. In der Zeichnung zeigt: FIG. 1 den Aufbau eines Strangs aus fünf 16-fach Array-LED's,
FIG. 2 den Aufbau eines Ringes aus drei Strängen nach FIG. 1,
FIG. 3 den Aufbau eines Doppelstabes aus vier Strängen nach FIG. 1,
FIG. 4 das Verdrahtungsschema auf Basis von Doppelklemmen und
FIG. 5 den Leiterplattennutzen aus Strängen nach FIG. 1.
Der in FIG. 1 dargestellte Aufbau eines Strangs ist die Grundlage für ein äußerst kosten- und energieeffizientes Power-LED Leuchtmittel zur direkten Anbindung an das Wechsel spannungsnetz. Dabei ist der in FIG. 1 dargestellte Strang dadurch gekennzeichnet, dass an einem Brückengleichrichter GL eine Serienschaltung aus fünf Array-LEDs ALI , .. , AL5 mit jeweils 16 LED 's und einem Vorwiderstand Rl angeschlossen sind, welche auf einem plattenartigen, mindestens die Array-LEDs ALI , .. , AL5 tragenden und elektrisch kontaktierenden Träger T angeordnet sind. Zum direkten Betrieb am Wechselspannungsnetz wird nachfolgend die Dimensionierung eines LED-Stranges / LED-Anzahl, deren Summenflussspannung und Vorwiderstand an einem Beispiel beschrieben. Dabei wurde ein Strang mit 5 Stück 16-fach Array-LED ALI , .. , AL5 realisiert (siehe nachfolgende Tabelle) und damit 80 Einzel-LED' s ersetzt.
Nennspannung Uberspannung
U AC [V] 230,0 240.0 250,0
U AC Peak [V] 325,3 339.4 353,6
Uspitze nach Gleichrichter [V] 323,9 338.0 352,2
UF-LED@40mA[V] 3,375 3,376 3,375 Anzahl der LED 's im Strang 80 80 80
Summe UF [V] 270,00 270,00 270,00 n Prozent UF von U DC Peak 83.01 79,55 76,37
Die Anzahl der LED's im Strang (Serienschaltung aus fünf Array-LEDs ALI , .. , AL5 mit jeweils 16 LED's = 80 LED's) ist vorzugsweise so zu wählen, dass die Summe der einzelnen Flussspannungen in etwa 80% der Spannungsamplitude der gleichgerichteten Wechselspannung entspricht. Insbesondere durch Dimensionierung des Vorwiderstandes Rl zur Strombegrenzung kann der Arbeitspunkt der Serienschaltung so eingestellt werden, dass die im Strang umgesetzte elektrische Leistung bei Nennspannung (z.B. 230V) in etwa 80-85% der Summe der Einzelnennleistungen der im Strang verschalteten LED's entspricht.
Erfindungsgemäß ist die Summe der Flussspannungen aller im Strang befindlichen LED's möglichst hoch gewählt, sodass diese mindestens 75%, besser 80%» und maximal 85% der Amplitude der gleichgerichteten Wechselspannung bei Nennspannung entspricht. Dadurch wird erreicht, dass im Vorwiderstand Rl bei Nennspannung nur eine relativ geringe Leistung umgesetzt wird. Das wird begünstigt durch die Größe der Flussspannung, welche eine Funktion des Strangstromes ist. Das heißt, je größer die Summe der Flussspannungen (möglichst 80% der Amplitude der gleichgerichteten Nennspannung), desto kürzer ist die Stromfiussdauer im Strang. Um dabei die gleiche Leistung im Strang umzusetzen, benötigt man eine höhere Pulsstromamplitude, wodurch sich die Verlustleistung im Vorwiderstand Rl verringert, da mit mehr Strom gleichzeitig mehr Spannung über den Array-LEDs ALI , .. , AL5 anliegt.
Weiterhin wird der Nennwert des Widerstandes Rl im LED-Strang aus den Array-LEDs ALI , .. , AL5 so dimensioniert, dass die im Strang umgesetzte elektrische Leistung bei Nennspannung nur etwa 80-85% der Summe der Einzelnennleistungen der verwendeten LED's entspricht. Auf diese Weise ist auch bei Überspannung ein sicherer Betrieb gewährleistet.
Insbesondere besteht die Leuchtmittelschaltung im obigen Beispiel aus einem Vorwiderstand Rl (50 Ohm) einem Brückengleichrichter GL (1A/600V) und 5 Stück Array-LED's ALI , .. , AL5. Direkt am 230V Netz betrieben beträgt die Leistungsaufnahme ca. 9 Watt, wobei auf die im Widerstand Rl umgesetzte Leistung nur ca. 0,2 Watt entfallen. Die beschriebene Schaltung stellt die Basisschaltung (Minimalausführung) eines LED-Stranges für 230V AC dar. Größere Systeme lassen sich erfindungsgemäß einfach durch Parallelschaltung mehrerer solcher Stränge (beispielsweise Serienschaltung aus fünf Array-LEDs ALI, .. , AL5 mit jeweils 16 LED's = 80 LED's im LED-Strang, siehe FIG. 4) realisieren.
Ein vergleichbares System kann im Rahmen der Erfindung auch mit anderen Array-LED ALI , .. , AL5 unterschiedlicher Arraygröße realisiert werden, wenn die internen Einzel- LED' s in Reihe verschaltet sind und die erfindungsgemäße Dimensionierungsvorschrift verwendet wird.
Die Sicherstellung der erforderlichen thermischen Betriebsb edingungen der Einzel-LED's wird beim Stand der Technik durch eine großzügig dimensionierte Kühlung der LED- Trägerplatine vorgenommen, wie dies beispielsweise in der bereits genannten DE 20 2007 008 258 Ul beschrieben ist. Im Rahmen der Erfindung kann infolge der Benutzung eines Trägers T, welcher in der Haupterstreckungsrichtung mäanderförmig oder sägezahnförmig oder wellenförmig ausgestaltet ist und auf welchem die fünf Array-LEDs ALI, .. , AL5 im gleichen Abstand zueinander und dem Verlauf folgend angeordnet sind, einerseits den Empfehlungen des Herstellers bzgl. der elektrischen und thermischen Betriebsbedingungen der verwendeten Power-LED's gefolgt werden und andererseits kann durch Vergrößerung des Vorwiderstandes Rl, die in den fünf Array-LEDs ALI, .. , AL5 mit beispielsweise jeweils 16 LED's = 80 LED's umgesetzte Leistung gezielt verringert werden, wodurch eine niedrigere Betriebstemperatur und damit eine deutlich längere Lebensdauer und Systemeffizienz für das LED-Leuchtmittel erreicht werden kann. Im Rahmen der Erfindung hat sich als vorteilhaft die Realisierung der Leuchtmittelschaltung auf einer Aluminiumkern- bzw. Aluminium- Keramik-Leiterkarte gezeigt. Zur Sicherstellung der vom LED-Hersteller empfohlenen Betriebstemperatur ist die Kühlung der Trägerleiterkarte Tl durch thermisch leitfähige Montage mit entsprechend dimensionierten Kühlkörpern oder direkt auf ein wärmeableitendes metallisches Leuchtengehäuse möglich.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Konzepts kann auch ein Vorwiderstand Rl mit einem Widerstand von annähernd 0 Ω benutzt werden (oder dieser sogar ganz entfallen, siehe FIG. 4 untere drei LED-Stränge LS I, LS2, LS3), wenn die Toleranzen der Flussspannung der jeweiligen LED's im jeweiligen Array-LED ALI , .. zu vernachlässigen sind oder beispielsweise die Zahl der LED 's größer als der berechnete Wert gewählt wird. Die bei einer Vergrößerung des Vorwiderstandes Rl etwas geringere Lichtausbeute ist aufgrund der wesentlich geringen Systemkosten (kein Vorschaltgerät) und die Ressourceneinsparung vernachlässigbar. Für kostenkritische Applikationen kann auf diese Weise sogar, falls erforderlich, die Betriebstemperatur dem Wärmeabstrahlvermögen eines beliebigen Leuchtenträgers, der gleichzeitig als Kühlfläche fungiert, angepasst werden, indem im Rahmen des erfindungsgemäßen Konzepts die Verlustleistung der verbauten LED-Module gezielt so stark reduziert wird, dass die in das Leuchtengehäuse abgegebene Wärme der Gehäuseoberfläche und deren Wärmeabstrahlvermögen an die Umgebung angepasst ist. In Verbindung mit in der Leuchte zur zusätzlichen Kühlung untergebrachten Kühlkörpern, wirken die Dome Dl , D2, die an sich zur Befestigung der Trägerplatinen dienen, auch als Wärmesenken und unterstützen damit die Wärmeableitung vom Array-LED-Modul über den Kühlkörper bis hin zur Außenhülle des Leuchtengehäuses.
Für direkten Betrieb am 120V/60Hz-Netz wird nachfolgend ein weiteres Beispiel eines Leuchtmittels mit entsprechendem LED-Strang von Array-LEDs ALI, AL2 beschrieben werden.
Wie aus vorstehender Tabelle hervorgeht, lässt sich mit ca. 42 LED's eine vergleichbare Schaltung für 120V realisieren. Im Rahmen der Erfindung kann man bei der Anzahl der LED's um das berechnete Ergebnis (anhand der Datenblätter ermittelt) variiert werden, um eine geeignete Abbildung beim erfindungsgemäßen modularen Aufbau mit verfügbaren Array-LED's zu erhalten. Bei Verwendung von 9er Array-LEDs werden im Rahmen der Erfindung 4 (siehe FIG. 4 LED-Stränge LS4) oder 5 dieser LED's an (4x9=36 bzw. 5x9=45) benutzt. Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung möglich unterschiedliche Arraygrößen 4er, 6er, 8er, 9er, 12er, 16er usw. miteinander zu kombinieren, sofern die in den Array-LED's verwendeten Einzelchips bzw. im LED-Strang verwendete Array-LED's gleiche Betriebsparameter bzgl. Strom und Flussspannung aufweisen. Dadurch kann die Summe der Flussspannungen dem berechneten Optimum genau angepasst werden.
Demgemäß sind im Array-LED-Strang Array-LEDs ALI, AL2, ... mit gleichen oder unterschiedlichen Arraygrößen von mindestens zwei Einzel-LEDs, vorzugsweise 4er, 6er, 8er, 9er, 12er, 16er Arraygröße (wobei die Einzel-LEDs als reine Serienschaltung oder als gemischte Serien-Parallelschaltung miteinander verschaltet sind), anordenbar. Verwendet man beispielsweise für die vorstehend genannte Realisierung 6er- Array-LED's (6 Stück in Reihe) kann man die berechneten 42 LED's 1 :1 mit 7 Stück abbilden und erhält damit eine ebenfalls kostenoptimale Lösung beim modularen Aufbau.
Zum Schutz vor Umgebungseinflüssen und zum Schutz des Benutzers/Anwenders ist vorzugsweise eine Beschichtung des Trägers T mit Schutzlack vorgesehen, beispielsweise durch Vergießen. Insbesondere werden dabei Anschlussklemmen in Form von Doppelklemmen DK1 , DK2 (für einen Verpolungsschutz wird die Doppelklemme DK1 für 220 V und die Doppelklemme DK2 für 0 V benutzt, siehe beispielsweise FIG. 1), welche auf einer Seite einen Deckel und auf der anderen Seite jeweils zwei Rastklemmen für die Anschlussdrähte der Netzspannung aufweisen. Auf überraschend einfache Art und Weise kann der räumlich gestaltete Träger T (bei dem die zu beschichtenden Flächen über die bestückten Bauteile verlaufen muss, um beispielsweise nur die Steckerrückseite beschichten zu können und die vorderseitigen Steckerkontakte beschichtungsfrei zu halten, d.h. Benutzung einer Doppelklemme D 1 , DK2 ohne Deckel (3te Dimension)) durch Benetzen und Ausnutzung des Kapillardrucks (beispielsweise erzeugt eine Kapillare von 1 μηι Durchmesser einen Saugdruck von 2,8 bar, entsprechend einer Saughöhe bei benetzendem Wasser von 28 Metern) bzw. der Adhäsionskraft (d.h. die Kraft, die zwischen zwei Stoffen wirkt, wodurch beispielsweise die Flüssigkeit an der Wand des Bauelements auf der Leiterplatte hochsteigt) beschichtet werden. Das bei Verwendung einer sehr kompakten Anschlussklemme bestehende Problem der maximal zulässigen Klemmenspannung von z.B. 160V DC wurde beim erfindungsgemäßen Konzept dadurch gelöst, indem die beiden Anschlusspotentiale der Netzspannung jeweils der potentialgleichen Doppelklemme DK1, DK2 zugeführt werden und diese räumlich voneinander getrennt auf der Trägerplatine T angeordnet werden. Dadurch ist die Spannungsdifferenz zwischen den Klemm-Terminals einer Doppelklemme DK1, DK2 praktisch 0 Volt und gleichzeitig wurde so eine einfache Möglichkeit geschaffen, die an der ersten Anschlussklemme angelegte Netzspannung bei Bedarf durch Parallelschaltung an weitere LED-Module weiterzureichen.
In FIG. 2 ist der Aufbau einer runden Lampe, insbesondere eines Ringes aus drei Strängen nach FIG. 1, in FIG. 3 der Aufbau einer rechteckigen Lampe, insbesondere eines Doppelstabes aus vier Strängen nach FIG. 1, in FIG. 4 das Verdrahtungsschema auf Basis von Doppelklemmen DK1 , DK2 und in FIG. 5 der Leiterplattennutzen aus Strängen nach FIG. 1 dargestellt. Wie FIG. 2 und FIG. 3 zeigen kann durch die Benutzung eines Trägers T, welcher in der Haupterstreckungsrichtung mäanderförmig oder sägezahnförmig ausgestaltet ist, eine sehr gute Platzausnutzung und eine räumliche Verteilung der Anschlüsse der Netzspannung erzielt werden. Weiterhin ermöglicht diese Ausgestaltung des Trägers T eine kostengünstige Herstellung (Fertigungsnutzen mit geringstem Material-Verschnitt und Vereinzelung mit einheitlich breitem Fräs-/Stanzkanal) und eine konstruktive Konfiguration der erfindungsgemäßen Lichtquelle, insbesondere unter Berücksichtigung der einfachen Erfüllung von Anforderungen an Lichthelligkeit und Betriebstemperatur einschließlich konstruktiver Gestaltung der Lampe selbst.
Kerngedanke des erfindungsgemäßen Konzepts ist die Selbstregelung im LED-Strang ALI , AL2, ... unter konsequenter Ausnutzung der Strom/Spannungskennlinie einer beliebigen LED durch Umkehr der Vorgehens weise bei der Dimensionierung des Arbeitspunktes einer LED- Schaltung vom Strom zur Spannung.
Da die Flussspannung jeder LED eine Funktion ihres Stromes ist, kann man den in weiten Bereichen dieser Kennlinie annähernd linearen Zusammenhang nutzen, um einen stabilen Arbeitspunkt unter bestimmten Betriebsbedingungen zu dimensionieren, indem man nicht, wie bisher nach Stand der Technik, einen dem Bauteil angemessenen konstanten Strom bereitstellt, wozu man im Allgemeinen weitere Bauteile benötigt, sondern indem man die Flussspannung einer LED-Schaltung bei deren Nennstrom so dimensioniert, dass diese der Versorgungsspannung angepasst ist. Das erreicht man auf überraschende einfache Art und Weise durch Änderung der Anzahl der in Reihe geschalteten LED's und erzielt dabei ebenfalls einen stabilen Arbeitspunkt, jedoch ohne zusätzliche Bauteile.
Ein Leuchtmittel, dass für den Betrieb an Netzspannung ausgelegt werden soll, kann bezüglich seines Arbeitspunktes damit im Gegensatz zu einem mit konstant geregeltem Strom betriebenen Leuchtmittel nun einfach auf die weitgehend konstante Netzspannung als Bezugsgröße Bezug nehmen. Da die Toleranzen der Netzspannung von Netzbetreiber garantiert werden, kann man diese als Konstante in das Bezugssystem aufnehmen und benötigt dadurch keine zusätzlich aktive Strom-Regelung, sondern verwendet den funktionalen Zusammenhang der U/l-Kennlinie der LED zur Stabilisierung des Arbeitspunktes unter Zugrundelegung der Toleranzgrenzen der angelegten Netzspannung.
Es kann sich damit praktisch niemals ein größerer Strom im LED-Strang ALI, AL2, ... einstellen, als durch die Flussspannungs-/ Stromkennlinie definiert, und durch die„konstante" Netzspannung gegeben ist (d.h. Selbstregelung beim erfindungsgemäßen Konzept).
Dieser Kerngedanke des erfindungsgemäßen Konzepts bildet die Basis für das Verständnis der erfinderischen Details, konstruktiven Zusammenhänge und Lösungsvorschläge und liefert damit dem Anwender eine sichere Dimensionierungsgrundlage für die Umsetzung der theoretischen funktionalen Zusammenhänge in praktisch konkrete Leuchtmittel, bei gleichzeitigem Wärmemanagement und Sicherstellung der Isolation. Beispielsweise kann eine Keramikleiterplatte zur thermischen Kopplung und Isolation benutzt werden. Die Keramikleiterplatte dient dabei als Bauteilträger, als Isolator zur Aufnahme in der Lampe und als Wärmekopplungsteil zum Kühlkörper zur Wärmeabfuhr. Die elektrischen Teile sind komplett mit Kunststoff umspritzt und erfüllen entsprechende Normen für Isolation und Kriechstrecken.
Das Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Lichtquelle kann wie folgt beschrieben werden. Die Trägerplatine wird als Aluminium-Substrat-Leiterkarte (IMS = insulated metal Substrate) in einem Fräs-, Stanz- oder Ritznutzen von einem Leiterkartenhersteller gefertigt. Diese Platine ist wie konventionelle Leiterkarten mit SMD-Lötpads und Leiterbahnen ausgestattet. Die Lötpunkte werden im Siebdruckverfahren mit Lötpaste bedruckt. Die anschließende Bestückung der SMD-Bauteile (LED's, Widerstand, Dioden oder Gleichrichter und Kontaktelemente (Anschlussklemmen) erfolgt mit SMD-Bestückautomaten und wird anschließend entweder in reflow-Technik oder wenn verfügbar auch mit einer Dampfphasen- Lötanlage gelötet. Alternativ zu den Anschlussklemmen können auch Verbindungskabel direkt auf entsprechenden Anschlusspads der Leiterkarte/Träger T verlötet werden.
Zur Sicherstellung des Berührungsschutzes und zum Schutz vor Feuchtigkeit und Verschmutzung wird die LED-Modulplatine T vorzugsweise in einem zweistufigen Verfahren (teil-)transparent isoliert.
Zunächst erfolgt mit Hilfe eines Werkzeuges eine nichttransparente Umspritzung der nicht leuchtenden Komponenten mit Hilfe eines Niederdruck-Spritzgussverfahrens (z.B. auf Basis Hotmelt/Schmelzklebstoff wird mit ca. lObar in ein Aluminium Hohlkammerwerkzeug gespritzt).
Dabei wird auf der Oberseite der Trägerplatine T eine ca. 2mm starke Wandung entlang der Kontur und der Befestigungsbohrungen generiert, so dass Kammern gebildet werden. Diese bildet dann die eigentliche „Vergussform" für den 2. Prozess-Schritt. Nun wird mittels transparentem Vergussmittel (z.B. Silikon) eine für das Licht durchlässige, elektrisch und klimatisch isolierende Schutzschicht generiert. Der Verguss erfolgt im Schwerkraftverfahren und kann sowohl bei Raumtemperatur oder beschleunigt unter UV-Bestrahlung aushärten. Insbesondere kann dabei die Trägerplatine T auf der Unterseite als Metallplatte, insbesondere Aluminium-Platte zur Abführung der Wärme von den auf der Oberseite angeordneten Array- LEDs ALI, .. (ggfs. weiteren Einzel-LEDs) zur Unterseite (Verringerung der Wärmebelastung der zumindest teiltransparenten, gegebenenfalls mit Konversionsfarbstoff/ Konversionsfolie versehenen Schutzschicht), ausgebildet sein. Abschließend erfolgt eine einfache Funktionsprüfung zur Absicherung der gewünschten elektrischen und optischen Parameter.
In entsprechender Weise kann die Isolation/Berührungsschutz der netzseitigen Anschlusskabel und Steckverbinder/ Doppelklemme DKl , DK2 erfolgen. Insbesondere werden durch eine Aussparung im Alu-Teil/Unterseite der Trägerplatine T die Kabel der Netzsspannungsversorgung geführt und durch anschließendes Vergießen oder Umspritzen wird die Isolation sichergestellt, wobei der Stecker/Doppelklemme DK1 , DK2 allseitig mit Kunststoff umspritzt ist. Die Anschlusskabel können auch in eine Isolationsbox eingebaut werden, die auch (meist) ausgegossen werden kann. Die Anschlusskabel werden von unten durch die Leiterplatte T geführt und auf Oberfläche an entsprechende Lötpads gelötet. Durch anschließendes Vergießen mit entsprechendem transparentem Kunststoff (beispielsweise wetterfestes Material wie bei Solarzellen) wird die Isolation sichergestellt.
Um die Leiterplatte/Trägerplatine T (Metall Alu, mehrlagige FR4 mit großen Cu-Flächen oder Keramik) thermisch gut mit einem Kühlkörper zu verbinden, sind im Rahmen der Erfindung folgende Möglichkeiten gegeben:
- Einfügen von Wärmeleitpaste (wie bei Transistoren) und anschließendes Verschrauben,
- Spezielle Wärmeleitfolien - Verschrauben,
- Spezielle Wärmeleitfolien - selbstklebend (einfache schnelle Montage möglich),
- Leiterplatte Alu in den Kühlkörper integrieren d.h. Kühlkörper als Leiterplatte ausführen,
- Leiterplatte T als flexible Folie ausführen (Flexprint/IMS insulated moulded Substrat), an den Stellen der Array-LEDs ALI , .. werden Alu-Flächen integriert, die unterhalb der Array-LEDs ALI, .. platziert sind und somit - wie vorstehend beschrieben - mit Wärmeleitpaste oder Wärmeleitfolien auf dem eigentlichen Kühlkörper montiert werden können. Der allenfalls sehr dünne Träger T ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit den notwendigen elektrische leitenden Strukturen versehen, um die lichterzeugenden Elemente (Array-LEDs ALI , .. , gegebenenfalls zusätzliche Einzel- LEDs) elektrisch kontaktieren zu können. Im Falle der Verwendung von LED-Chip erfolgt die elektrische Kontaktierung in der Regel durch einen sogenannten Diebond, der erstens den Chip auf dem Träger befestigt und zweitens einen ersten elektrischen Kontakt erstellt, sowie durch einen sogenannten Drahtbond, der von der oberen Chipfläche auf eine entsprechende Kontaktstelle der Trägerplatte T führt. In anderen Fällen erfolgt mittels des Diebondes nur eine Befestigung des Chip, während die elektrische Kontaktierung mit zwei Drahtbonds geschieht.
In Fällen in denen die erfindungsgemäße Lichtquelle aus LED-Modulen ALI , .. mit sehr vielen lichterzeugenden Elementen, also beispielsweise mit 16 oder 25 LED-Chip pro cm2, ausgestattet wird, ist es wesentlich, dass der dünne Träger T möglichst gut Wärme ableitet. In diesen Fällen ist es von Vorteil, den Träger T so aufzubauen, dass er eine metallische Trägerfolie bzw. -platte aufweist, welche eine dünne elektrisch isolierende Schicht besitzt, also beispielsweise eine einige 10 μηι dicke Kunststoffschicht, besser aber eine 0,5 bis 1 μηι dünne Siliziumoxyd- oder Siliziumnitridschicht oder eine entsprechend dünne beispielsweise mittels Sol-Gel Verfahren aufgebrachte Glas- bzw. Keramikschicht. Auf dieser, allenfalls örtlich geöffneten isolierenden Schicht befindet sich eine nächste, strukturierte metallische Schicht, welche - allenfalls unter Einbezug der unteren metallischen Trägerfolie - die elektrische Kontaktierung der LED-Chip Module ALI , ... , gegebenenfalls Einzel-LED- Chip, ermöglicht. Durch den flexiblen Träger T kann eine Anpassung an die Lampenform, beispielsweise treppenförmig ausgestaltete Lampe, ermöglicht werden
Die erfindungsgemäße Lichtquelle ermöglicht durch ihren modularen Aufbau eine flexible Anpassung an die individuellen Anforderungen des Anwenders, insbesondere hinsichtlich Berührungsschutz und Wänneabführung, und ist dennoch kostengünstig herstellbar.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen. Im Rahmen der Erfindung kann dem Strang von Array-LED's ein Schaltungsmodul, beispielsweise eine Brücke oder ein Transistor (Schalter) vorgeschaltet werden, so dass Funktionen wie Dimmen, Ein/Ausschalten oder auch ein komplettes Lichtmanagement mit Bewegungs- und/oder Helligkeitssteuerung bzw. Zeitschaltfunktion ermöglicht wird. Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die im Patentanspruch 1 definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzel merkmale definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des Patentanspruchs 1 weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann.

Claims

1. Lichtquelle,
- mit einer Serienschaltung von Einzel-LEDs, welche in Reihe mit einem Vorwiderstand geschaltet sind,
- und mit eine Gleichrichterschaltung als Stromquelle, die im Betrieb am Wechselspannungsnetz angeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass an einem Brückengleichrichter (GL) eine Serienschaltung aus mindestens zwei Array-LEDs (ALI , AL2), welche mehrere miteinander verbundene Einzel-LEDs aufweisen, und einem Vorwiderstand (Rl) angeschlossen sind, welche auf einem plattenartigen, mindestens die Array-LEDs (ALI , AL2) tragenden, elektrisch kontaktierenden, Wärme abführenden und Berührungsschutz aufweisenden Träger (T) angeordnet sind und dass zum direkten Betrieb am Wechselspannungsnetz die Summe der Flussspannungen der Array-LEDs (Ul ...Un) so dimensioniert ist, dass diese mindestens 75%, vorzugsweise 80% und maximal 85% der Amplitude der gleichgerichteten Wechselspannung bei Nennspannung entspricht und der Array-LED-Strang (ALI, AL2) erst beim Überschreiten der Summenflussspannung leitend wird.
2. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (T) an seiner Ober- und Unterseite je über seine gesamte Ausdehnung reichende metallische Flächen aufweist, welche zur elektrischen Kontaktierung geeignet sind und welche mittels einer entsprechenden Schicht elektrisch voneinander getrennt aber mechanisch miteinander verbunden sind.
3. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Array-LEDs (ALI , .. , AL5) als Matrixschaltung mit gemischter oder konfigurierbarer Reihen- und Parallelschaltungen der Einzel-LEDs ausgebildet ist.
4. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (T) in der Haupterstreckungsrichtung mäanderförmig oder sägezahnförmig oder wellenförmig ausgestaltet ist und dass die Array-LEDs (ALI, .. , AL5) im gleichen Abstand zueinander und dem Verlauf folgend auf dem Träger (T) angeordnet sind.
5. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schwerpunktlinie des Trägers (T) liegenden Dome (Dl, D2) einerseits zur Befestigung des Trägers (T) andererseits auch zur Wärmeableitung (Wärmesenke) dienen.
6. Lichtquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Beschichtung des Trägers (T) mit Schutzlack.
7. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Anschlusspotentiale der Netzspannung jeweils einer potentialgleichen Doppelklemme (DK1 , DK2) zugeführt werden und dass die Doppelklemmen (DK1 , DK2) räumlich voneinander getrennt auf der Trägerplatine (T) angeordnet sind.
8. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Array-LED-Strang (ALI, AL2, ...) Array-LEDs (ALI, AL2, ...) mit gleichen oder unterschiedlichen Arraygrößen von mindestens zwei Einzel-LEDs, vorzugsweise 4er, 6er, 8er, 9er, 12er, 16er Arraygröße, anordenbar sind.
9. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass die Toleranzen der Flussspannungen der jeweiligen Einzel-LED's im jeweiligen Array-LED (ALI, .. ) zu vernachlässigen sind oder die Zahl der Einzel-LED's größer als der berechnete maximale Wert gewählt wird, der Vorwiderstand (Rl) einen Widerstandswert von annähernd 0 Ω aufweist oder ganz entfällt.
10. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Array-LEDs (ALI , .. ) als LED-Chips ausgestaltet sind.
1 1. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (T) mehrlagig ausgestaltet ist, dass zur Wärmeableitung die unterste Lage metallisch ist, dass darüberliegend eine bestückte Leiterplatte angeordnet ist und dass auf die Oberseite der Leiterplatte eine Beschichtung aufgetragen ist.
12. Lichtquelle nach Anspruch 1 und 4, gekennzeichnet durch den Aufbau eines Ringes aus mindestens drei im Kreis angeordneten mäanderförmigen oder sägezahnförmigen oder wellenförmigen Trägern (T) mit Array-LED-Strängen (ALI, AL2, ...) oder durch den Aufbau eines Doppelstabes aus parallel zueinander angeordneten Trägern (T) mit Array- LED-Strängen (ALI , AL2, ...)■
13. Verfahren zur Herstellung einer Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle modular aus Array-LED-Strängen, wobei der jeweilige LED-Strang eine Serienschaltung aus mindestens zwei Array-LEDs (ALI , AL2) mit mehreren miteinander verbundenen Einzel-LEDs aufweist, aufbaubar ist und dass zur Sicherstellung eines Berührungsschutzes und zum Schutz vor Feuchtigkeit und Verschmutzung eine LED-Modulplatine (T) des Array-LED-Strangs in einem zweistufigen Verfahren teiltransparent isoliert wird, indem
• zunächst mit Hilfe eines Werkzeuges eine nichttransparente Umspritzung der nicht leuchtenden Komponenten mit Hilfe eines Niederdruck-Spritzgussverfahrens erfolgt,
• gleichzeitig auf der Trägerplatine (T) eine Wandung/Steg entlang der Kontur und der Befestigungsbohrungen generiert, welche dann die eigentliche„Vergussform" für den zweiten Prozess-Schritt bildet und
• im zweiten Prozess-Schritt mittels transparentem Vergussmittel (z.B. Silikon) eine für das Licht durchlässige, elektrisch und klimatisch isolierende Schutzschicht generiert wird, wobei der Verguss im Schwerkraftverfahren erfolgt und sowohl bei Raumtemperatur oder beschleunigt unter UV-Bestrahlung aushärten kann.
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