SE520198C2 - Bärbar elektrisk ljuskälla - Google Patents

Description

lO 15 20 25 30 35 520 198 2 Sammanfattning av uppfinningen Enligt en första aspekt tillhandahåller uppfinningen en bärbar elektrisk ljuskälla, vilken innefattar ett hölje och en elektrisk kraftkälla och vilken som ljus- källa har en lysdiod (LED) med högt inre motstånd (dvs vid en ström av w 50 mA ett inre motstånd överstigande 10 Q). Företrädesvis överstiger lysdiodens inre motstånd ll Q och ännu hellre 12 Q och allra helst 13 Q.

Uppfinnaren har till sin förvåning funnit att en lysdiod med högt inre motstånd kan överbelastas avsevärt över tillverkarens angivna maximala spännings- eller strömnivåer utan att fallera och utan någon betydande reducering av lysdiodens livslängd. En lysdiod, som över- belastas på detta sätt, kan emittera betydligt mera ljus än vad som är vanligt, varför en elektrisk ljuskälla en- ligt uppfinningen med fördel kan användas för aktiv be- lysning.

De flesta lysdioderna har ett inre motstånd vilket är alltför lågt (t ex runt 9 Q vid en ström av 50 mA) för att kunna användas i en elektrisk belysning enligt upp- finningen. Ett antal lämpliga lysdioder är emellertid tillgängliga för användning i ljuskällan enligt uppfin- ningen. Företrädesvis är lysdioden en sådan som emitterar ett brett spektrum av våglängder. Lämpligen emitterar lysdioden ljus, vilket en observatör uppfattar som i huvudsak vitt eller vitt med en uppfattbar blå ton.

Det mänskliga ögat anpassar sig för att bli mera känsligt för blått ljus i mörkret, varför ett elektriskt ljus, som emitterar åtminstone visst ljus på blåa våg- längder av betraktaren uppfattas som klarare än synligt ljus med samma intensitet på en längre våglängd.

En speciellt föredragen lysdiod för användning som ljuskälla enligt uppfinningen är LED modell nr NSPW 3lOAS), (491 OKa, Anan-shi, som tillverkas av Nichia Kaminaka-cho, Tokushima 774) Japan.

Den elektriska kraftkällan kan ha en VS-ingång (t ex från nätet), vilken behandlats så att den lämpar sig för 10 15 20 25 30 35 520 198 @ « « = i . . . . » | ~ u 3 användning med lysdioder (t ex spänningen reducerad medelst exempelvis en nedtransformator och omvandlad till likström). Företrädesvis tillhandahåller den elektriska kraftkällan en LS-utgång frän början. Denna kan med för- del innefatta en eller flera elektrokemiska torrceller (t ex en knappcell eller litiumcell, som är välkända för fackmannen). En enda celler eller ett flertal celler, som kan vara serie- eller parallellkopplade, kan användas.

Speciellt föredragna kombinationer är två eller tre knappceller, som användes för att driva en eller tvà Nichia NSPW 3lOAS lysdioder.

Företrädesvis innefattar ljuskällan enligt uppfin- ningen ett flertal lysdioder, som har högt inre motstånd.

Lämpligen användes tvà eller tre sådana lysdioder, vilka kan vara serie- eller företrädesvis parallellkopplade.

Helst har den elektriska ljuskällan enligt uppfin- ningen formen av en ljuskälla, som hàlles i handen, t ex en ficklampa eller ett blinkljus. Lysdiodljuskällans eller -ljuskällornas ringa storlek och valet av lämpliga celler (t ex litiumceller) tilläter ett mycket kompakt arrangemang, som komfortabelt passar i användarens hand- flata. En lateralt utplattad form kan i synnerhet vara att föredra, vilken lätt kan placeras i en byx- eller jackficka. Alternativt kan ljuskällan vara försedd med monteringsorgan (t ex en skruv eller en hake) för monte- ring av ljuskällan på en yta (t ex en vägg eller hylla) eller kanske en spik för placering i underlaget.

Företrädesvis har lysdioden i ljuskällan enligt upp- finningen en tröskelspänning, vilken är högre än den konventionella lysdiodens. Tröskelspänningen är en term, vilken fackmannen känner till och hänför sig till den spänning, vilken appliceras över lysdioden och under vilken mycket ringa ljus emitteras. För de vanligaste lysdioderna är tröskelspänningen typiskt runt 2 volt. I motsats därtill är för lysdioder enligt uppfinningen tröskelspänningen företrädesvis, men inte nödvändigtvis, ungefär 3 volt eller högre. lO 15 20 25 30 35 520 198 » | | - . i. - - ~ | u u 4 Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas med hjälp av ett illustrativt exempel och under hänvis- ning till bifogade ritningar.

Fig 1A är en tabell, som visar utljuset (i lux) fràn en lysdiod, vilken lämpar sig för användning i en ljus- källa enligt föreliggande uppfinning, vid ett antal vär- den av pätryckt spänning (i tiotals millivolt) och ström (mA). också har värden för x och y, som är ett mätt på ut- Fig lB visar resultaten inritade i en graf, som ljusets färg.

Fig 2 visar en graf för integrerad flux mot lysdiod- (i mA) Fig 3 är en graf avseende relativ ljuseffekt för en ljuskälla vid 475 nm och 550 nm kurvan) relativt lysdiodströmmen (i mA) för samma lys- diod.

Fig 4A och 4B visar resultaten av samma tester som i ström för samma lysdiod. (övre kurvan) (nedre fig lA/lB, när de utföres pà en grön lysdiod med ett làgt inre motstànd, vilket icke lämpar sig för användning i en ljuskälla enligt föreliggande uppfinning.

Fig 5 är en graf avseende relativ ljuseffekt kontra våglängden (nm) för en olämplig grön lysdiod och Fig 6 är en graf avseende spänningen kontra lysdiod- strömmen (mA) för ett flertal olika elektriska kraftkäl- lor och för en vit lysdiod, som lämpar sig för användning i en ljuskälla enligt föreliggande uppfinning.

Exempel Uppfinnaren upptäckte av en slump att vissa lysdio- der kunde överbelastas utan att bli icke-operativa och utan någon allvarlig reducering av lysdiodens livslängd.

För att bättra karakterisera denna upptäckt gjordes dessa undersökningar under användning av NSPW 3lOAS-lysdioder fràn Nichia, Japan.

Initiala tester utfördes under användning av lys- dioden med en elektrisk kraftkälla med lågt seriemotstànd men det konstaterades, att lysdiodens inre seriemotstànd 10 15 20 25 30 35 520 198 , . « , _ . 5 i sig var tillräckligt för att begränsa strömmen i den använda testkretsen.

EXEMPEL 1 Belysningsresultat Ström-, spännings- och ljusnivåerna för Nichia lys- diod uppmättes för olika strömvärden. Resultaten visas i fig 1A, 1B. När strömmen ökades från ungefär 70 mA uppåt uppstod en signifikant färgvariation. Detta visas som en förändring av färgtonen från klart vit till ljus blå.

Resultatet upprepades för tre olika provföremål och alla gav likadana resultat. Avståndet mellan lysdioden och ljusmätaren (Minolta Lux Meter) var 25 mm.

Belysningsförmàgan uppmättes med hjälp av dessa be- lysningsstyrka i lux (typiskt för en belyst arbetsmiljö är 500-800 lux). Denna typ av mätning tar hänsyn till ögats gensvar för olika färger.

Tester visade att lux-avläsningen ökade med ström- men, uppnådde ett platå och började falla. Detta innebär att förmågan att verka som en belysningskälla för använd- ning med ögat inte i själva verket blir sämre bortom ungefär 75 mA. Detta innebär inte att det totala utgående ljuset från lysdioden faller utan att en övergång sker mot spektrumets blåa ände och eftersom ögat är mindre känsligt för blåa våglängder minskar lux-värdet.

EXEMPEL 2 Optiska spektra Optiska spektra uppmättes för olika lysdiodströmmar.

Dessa visar hur den relativa uteffekten varierar med våg- längden över hela det synliga spektrumet. Resultaten (data icke visad) demonstrerade en effektspik i spektru- mets blåa ände och en bred platå sträckande sig över till den röda änden. Avståndet mellan lysdioden och spektro- fotometerfiberoptiken var 3 mm. Spektrofotometern var en anordning med beteckningen Ocean Optics PC 1000-4.

Grafernas generella trend är en ökning av den rela- tiva utsignalen när strömmen ökas till ungefär 70 mA, varvid nivåerna uppnår en platå och faller vid högre lO 15 20 25 30 35 520 198 .U n» 6 strömmar. Spektrumets form förändras också, varvid bandet mellan 500 nm och 600 nm undertryckes vid högre strömmar.

Detta är en annan förklaring till blåskiftet såsom varan- de beroende av en undertryckning av de gröna och röda delarna av spektrumet.

Genom integrering av effekten på varje våglängd i varje spektra kan man finna den totala effekten som emit- teras, såsom visas i fig 2. Detta visar också en topp och en platå och till slut ett fall. Toppen förekommer vid ungefär 90 mA drivström. Anledningen till att denna är något högre än lux-resultatet i fig l är att lux-värdena drar fördel av toppen i ögats gensvar till spektrumets gröna område.

En annan vy av samma data kan erhållas genom plott- ning av prestandan på en specifik våglängd över området drivströmmar. Fig 3 visar plottning för 475 nm och 550 nm. Det framgår att 550 nm uppnår en topp vid 80 mA medan 475 nm fortsätter att öka.

EXEMPEL 3 Resultat med konventionell qrön lvsdiod En konventionell grön lysdiod med lågt inre motstånd valdes för jämförande tester. Samma sats information sam- lades för den gröna lysdioden som för den vita lysdioden.

Detta visade samma generella elektriska prestanda men med en något lägre tröskelspänning och lutningsmotstånd.

Optiskt är färgen rent grön. Lux-nivåerna ökar till en topp av ungefär 130 mA men nivån är nästan en faktor av två under den vita lysdioden. Resultaten visas i fig 4 och 5.

EXEMPEL 4 Livslängdstester De vita Nichia lysdioderna kördes med olika strömmar upp till maximalt 250 mA. På denna punkt började anord- ningen pulsera nästan som om en värmeutlösning börjat men detta kan helt enkelt bero på att en tràdförbindelse bröts vid de höga temperaturer, vilka genererades av den relativt höga operationsströmmen. Ytterligare tester på lO 15 20 25 30 35 f . < » . - en anordning, som kördes till denna ström, visade att den skadats och dess uteffekt reducerats ungefär 50% vid en testström av 70 mA.

En làngvarig test över 24 h med kontinuerlig opera- tion vid 100 mA utfördes. Detta visar att ljusuteffekten ändrats i ringa grad både vad gäller nivà och färg. Pol- spänningen hade inte heller påverkats.

EXEMPEL 5 Batteriprov Alla följande tester utfördes pà använda celler - cellernas kondition och deras àterstàende kapacitet var okända. 5.1 Enkla knappceller Dessa celler testades med öppen krets och en belast- ning av 100 ohm. Resultaten var dåliga med ett signifi- kant spänningsfall och ingen tillfredsställande stabili- sering av utsignalen med fortsatt ganska snabbt spän- ningsfall. När belastningen avlägsnades tog det nästan 1 min för den öppna kretsen att återhämta sig. Testresul- taten var spänning med öppen krets 3,01 V typiskt spänning vid belastning Av detta kunde det effektiva batteriseriemotstàndet beräknas till 18 ohm. 5.2 Packe med tre knannceller Här föll utspänningen mycket brant med belastningen.

Testresultat: spänning med öppen krets 8,99 V typiskt spänning vid belastning 4,4 V efter 2 s, 100 ohm belastning.

AV detta kunde det effektiva batteriseriemotstàndet beräknas till 104 ohm. Om detta delas mellan tre celler skulle seriemotstàndet för varje vara 35 ohm. I detta fall förloras halva batterieffekten i själva batteriet.

Tester utförda med den vita lysdioden visade ett strömuttag av ungefär 110 mA men denna föll snabbt. 2,55 V medelvärde efter 2 s. 10 15 20 25 30 35 5.3 spänning med öppen krets Flat litiumcell 3 V-version 3,22 V 3,06 V efter 2 s, belastning. spänning vid belastning 100 ohm Av detta kan det effektiva batteriseriemotstàndet beräknas till 5,2 ohm. Detta var ett bra resultat jämfört med knappcellerna.

Tester utförda med den vita lysdioden visade ett strömuttag av ungefär 8 mA med ett fall i batterispänning till 3,17 V. 5.4 Flat litiumcell 6 V-version 6,36 V 5,85 V efter 2 s, belastning. spänning med öppen krets spänning vid belastning 100 ohm Av detta kan det effektiva batteriseriemotstàndet beräknas till 8,7 ohm. Detta var pà nytt ett bra resultat jämfört med knappcellerna.

Tester utförda med den vita lysdioden visade ett strömuttag av ungefär 115 mA med ett fall i batterispän- ning till 5,17 V.

Batterianalyser Celltestresultaten ovan kan användas för utvärdering av den bästa kombinationen av batteri och lysdiod. Meto- den kallas belastningslinjeanalys och visas i fig 6. Den punkt, i vilken varje given cellutspänning korsar lys- diod-spännings/strömgrafen representerar denna kombina- tions operation. Grafen ger följande operationspunkter: 2x knappceller 60 mA 3x knappceller 50 mA 3 V platt litiumcell 10 mA 6 V platt litiumcell 150 mA Dessa resultat är teoretiskt baserade pà en mot- stàndsförmodan om cellernas utmotstànd. I praktiken är detta inte sant med det effektiva motståndet ökande med ökande belastningsström. Resultaten kan emellertid använ- das för att göra informerade val av hur lysdioderna bäst skall drivas. lO 15 20 25 30 35 520 198 9 Av ovanstående resultat framgår, att prestandan av 3x knappceller förefaller sämre på grund av effektförlus- ten i själva cellen medan 3 V litiumcellen är underopti- mal på grund av klämspänningen och resultatet alltför lågt och potentiellt gäller detta också 6 V litiumcellen på grund av att resultatet blir en ström som har ett ut- gående ljus svagare än de optimala löpande förhållandena. 2x knappcellen synes vara en resonabel kompromiss.

Slutsatser Ovanstående arbete leder till följande slutsatser: Ehuru den maximala kontinuerliga strömmen för anord- ningen är 25 mA befanns det att anordningen kunde fort- sätta att arbeta till 250 mA ehuru skada till slut upp- stod.

Ehuru högre strömmar förorsakade en ökning av den totala emitterade effekten visar den belysningsuteffekt, som erfordras för varje belysningssystem för ögat en klar topp vid ungefär 75 mA. Det finns i själva verket mindre användbar uteffekt när strömmen ökar över denna nivå.

Lux-utresultatet antyder att omsorg erfordras vid konstruktionen av en ficklampa, som använder lysdioder - det är möjligt att ett seriemotstànd måste inkluderas med lysdioden (det normala sättet att driva anordningen) för säkerställande av att strömmen begränsas till den maxima- la lux-nivån.

Anordningen är extremt robust också vid 10 gånger överbelastning. Den långvariga överbelastningen vid 100 mA visade ingen förändring av lysdiodegenskaperna trots att detta utgör en fyrfaldig överbelastning.

Vid höga strömmar blir anordningen varm. Värmet ledes ned längs ledarna och varje ficklampkonstruktion skall säkerställa att det finns en väg för detta värme- flöde.

Det synes föreligga ett lyckat optimum mellan 2x knappcellbatterikombinationen och dess spännings- och motståndsegenskaper och lysdiodens seriemotstànd, som lO 15 520 198 §¿p¿¿,¿¿¿«@ l0 tilláter lysdioden att arbeta pà eller nära sitt optimum för belysningsändamál.

Den maximala operationsströmmen, som specificeras av tillverkaren, mäste reduceras när omgivningstemperaturen ökar (t ex ställes den maximala kontinuerliga strömmen pá 10 mA för en omgivningstemperatur av 60°C). Ehuru en om- givningstemperatur pá denna nivà är osannolik kommer värmeeffekten pà grund av överföring av värme fràn lys- dioden eller lysdioderna till insidan av ficklampans hölje att öka den inre temperaturen över omgivningstem- peraturen.

Valet av batteri är viktigt. Knappcellerna synes ha ett effektivt seriemotstànd, vilket är alltför högt om de köres som en trecellpacke. 3 V flata celler har alltför làg ström och dess polspänning ligger alltför nära lys- diodens tröskelvärde, vilket medför problem med drama- tiskt reducerat ljus med tilltagande omgivningstempera- tur.

Claims (7)

10 15 20 520 198 ll NYA PATENTKRAV

1. l. Bärbar elektrisk ljuskålla, vilken har ett hölje, en elektrisk kraftkålla och vilken som ljuskàlla har en lysdiod (LED) med högt inre motstånd, det vill såga ett inre motstånd överstigande 10 ohm vid en ström av 50 mA.

2. Ljuskålla enligt krav 1, i vilken lysdioden år anordnad att vara överbelastad vid drift.

3. Ljuskålla enligt krav 1 eller 2, vid vilken den elektriska kraftkållan har en LS-utgång.

4. Ljuskålla enligt något av krav l, 2 eller 3, innefattande ett flertal lysdioder med högt inre mot- stånd.

5. Ljuskålla enligt något av föregående krav i form av en i handen hållbar ficklampa eller blinkljus.

6. Ljuskålla enligt något av föregående krav, vid vilken lysdioden har en tröskelspånning av ungefär 3V eller högre.

7. Ljuskålla enligt något av föregående krav, vilken har en lateralt utplattad form, så att den passar i en byx- eller jackficka.