SE532761C2 - Lågenergilampa - Google Patents

Description

U 20 25 30 Flimmerfrekvensen påverkar hur ögat uppfattar belysningen. En kritisk tröskel ligger runt 50 Hz - över den tröskeln uppfattas blinkningarna som ett kontinuerligt flöde.

Ljusutbytet anger hur stort ljusflöde som genereras per tillförd mängd energi. Ljusutbytet h påverkar inte ljuskvaliteten men är desto viktigare ur ekonomisk och miljömässig synvinkel. Den gradvisa ljusutbytesreduktion som de allra flesta ljuskällor uppvisar med tiden kallas ljusnedgàng, och en ljuskällas livslängd anges vanligen som antal brinntimmar innan ljusnedgàngen nått ett visst tröskelvärde.

Förutom ovanstående fysikaliska och fysiologiska egenskaper och begränsningar finns det flera EU-direktiv som anger miljökrav på elektronikprodukter inklusive belysningsutrustning, framförallt de s.k. WEEE- och ROHS- direktiven. WEEE-direktivet, (waste electrical and (2002/96/EG)), hantering/återvinning av avfall som utgörs av eller electronic equipment reglerar innehåller elektriska eller elektroniska produkter. På motsvarande sätt anger RoHS-direktivet, (restriction of hazardous substances in electrical and electronical equipment (2002/95/EG)), förbud av användningen av vissa farliga ämnen som exempelvis bly, kvicksilver och flamskyddsmedel.

EMC-direktivet om elektromagnetisk kompatibilitet innebär både krav på att en apparat inte ska alstra elektromagnetisk strålning som stör annan utrustning och att en apparat ska tåla den elektromagnetiska störning som kan förutses vid avsedd användning. 10 U 20 25 30 Dessa direktiv är en del av den gemensamma EU- rättsliga lagstiftningen och innebär tvingande krav på miljöanpassad produktutveckling för elektronikindustrin.

Ljusförorening sker då onödigt mycket överflödigt artificiellt ljus används eller då ljuset är dåligt riktat och lyser upp mer än avsiktligt. Ljusföroreningar medför att natthimlen blir diffus, vilket gör att till exempel astronomer har svårt att utföra observationer i bebodda trakter. Detta onödiga spridande av ljus kostar så mycket som l0 miljarder US dollar per år bara i USA enligt organisationen International Dark-Sky Association.

Glödlampan, som använts under 130 år, ger omedelbart ljus, kontinuerligt spektrum och god färgàtergivning. Ur ekonomisk och miljömässigt perspektiv är det låga ljusutbytet (~5 %), betydande ljusnedgàng och relativt kort livslängd (750 h) definitiva nackdelar. Dessutom måste den enligt WEBB-direktivet källsorteras eftersom den innehåller skadliga ämnen. Halogenlampan, som är en typ av glödlampa, har endast marginellt högre ljusutbyte, men något mindre ljusnedgång. Den främsta fördelen är att den är en kompaktare ljuskälla vars flöde lättare låter sig samlas och riktas.

Dock avgår energi vid skärmning, och dessutom blir halogenlampan mycket het och kan inte placeras var som helst.

Ett lysrör har en teoretisk verkningsgrad på cza 40%.

I praktiken försvinner dock mycket av ljuset när man kompenserar för färgàtergivning, och när man riktar och skärmar ljuset. Dessutom innehåller alla lysrör kvicksilver, ett ämne som listas i ROHS-direktiven. 10 Ü 20 25 30 Ytterligare får man en fördröjning ifrån det att strömmen slås på till dess att ljuset faktiskt tänds. Ett lysrör har en ungefärlig livslängd på 20 000 h, vilken dock försämras kraftigt vid snabba tänd-släck-intervaller. Livslängden förkortas drastiskt om man tänder och släcker ofta.

Lysrörslampan är i princip ett lysrör på skruvsockel.

Den delar lysrörets nackdelar, och därutöver en ljusnedgàng som är ännu större än hos det vanliga lysröret, vilket ger en lägre total verkningsgrad, omkring 25 %. Förutom den vanliga fördröjningen när man tänder lysrörslampan tar den flera minuter på sig att nå full ljusstyrka, vilket gör att den är olämplig i utrymmen som exempelvis trappuppgångar och toaletter.

Lysdioden, LEDn (Light Emitting Diode), avger ljus då den framspänns med lämplig spänning. En kraftlysdiod, också kallad Power-LED, tål högre spänningar och kan avge starkare ljus än tidigare generationers lysdioder.

Lysdioden har en verkningsgrad på cza 50%, och över 100 000 timmars livslängd, vilken inte pâverkas av hur mycket den tänds och släcks. Lysdioder innehåller inte några miljöpåverkande ämnen som strider mot tidigare nämnda EU-direktiv. Diodljus har ingen fördröjning, är kompakta, robusta och billiga och återfinns i vardagsapplikationer som varningsskyltar och displayer.

Som ljuskälla i belysningsarmaturer förekommer den dock inte så ofta. En anledning är att en lysdiod till skillnad från t.ex. en glödlampa inte är rundstràlande utan lyser huvudsakligen i en enda riktning. Att generera ett kontinuerligt ljusflöde över en större yta är mycket svårt. 10 15 20 25 30 Patentskriften WO 2008/lO8623Al visar en lysdiodbaserad belysningsanordning, där lysdioderna, utplacerade på fem av sex ytor av en kub, tänds och släcks i olika ordning sinsemellan för att generera ljus avsett att uppfattas som kontinuerligt. Nackdelen med denna belysningsanordning är att den inte ger en helt rundstrålande belysning utan en lampa som strålar i fem olika riktningar.

Det finns sålunda ett behov av en lampa med högt ljusutbyte och lågt ljusspill som samtidigt har låg miljöpåverkan.

Sammanfattning av uppfinningen Syftet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en lågenergilampa med förbättrat ljusutbyte och med en mindre miljöpåverkan än dagens lampor Detta syfte åstadkommes med en lågenergilampa innefattande åtminstone en ljuskälla, ett optiksystem som har en stationär och en rörlig del, vilka är anordnade för att rikta och forma ljuset till en tunn ljusspalt och en motor anordnad för att rotera den rörliga delen med en sådan hastighet och på ett sådant sätt att en betraktare uppfattar ljusflödet från lågenergilampan som kontinuerligt.

Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en krets för styrning av den matningsström som krävs för att driva och kontrollera ljuskällan. 10 ß 20 25 30 :ff f al! H* 'HJ Ûi ...å Detta àstadkommes med en krets som matar en pulsmodulerad matningsström till ljuskällan, företrädesvis med en pulsmodulerad fyrkantvåg.

Kort beskrivning av ritningarna Lågenergilampan enligt den föreliggande uppfinningen kommer nu att beskrivas närmare med hänvisning till de bifogade ritningarna, i vilka Figur l schematiskt visar làgenergilampans ingående komponenter enligt en första utföringsform av uppfinningen, Figur 2 är en vy av den rörliga delen av optiksystemet ovanifràn, Figur 3 visar ljusspaltens geometriska egenskaper, Figur 4 schematiskt visar en andra utföringsform av den föreliggande uppfinningen, Figur 5 visar förstegsdelen av styrkretsen, Figur 6 visar ett spanningsdiagram för förstegets testpunkter 1-5, Figur 7 visar slutstegsdelen av styrkretsen, och Figur 8 visar ett spänningsdiagram för slutstegets testpunkter 7-9.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer Figur 1 visar schematiskt de i energilampan ingående komponenterna. Såsom framgår av figur 1 innefattar làgenergilampan en ljuskälla a, ett optiksystem 0, en motor M och en styrkrets K. 10 15 20 25 30 3 El UT rg] u mk!! Ljuskällan a kan i princip vara vilken typ av lampa som helst som avger en riktad ljusstråle. I en föredragen utföringsform utgörs ljuskällan a av en lysdiod (LED), företrädesvis av en kraftlysdiod. Kraftlysdioden genererar relativt lite värme i förhållande till det höga ljusutbytet, samt en försumbar mängd elektromagnetisk strålning vid ren DC-drift. Detta ger en stor fördel i applikationer där kraftlysdioden kan drivas på opulsad likström med måttligt temperaturstyrande effekt, eftersom man då kan göra avkall på extern kylning och skärmning för elektromagnetiska fält.

Under andra förhållanden, eller då andra typer av ljuskällor a används kan det dock vara nödvändigt att använda kylning och/eller skärmning för att uppfylla reglerna enligt EMC-direktivet. I sådana utföringsformer föredras då att ett element, till exempel ett termionikchip, används för att omvandla värme från ljuskällan a till elektrisk energi som sedan kan matas tillbaka in i lampans elektriska system. På så sätt kan man återvinna en del av kylnings- och skärmningsförlusterna och åstadkomma en lampa med högre verkningsgrad.

I en ytterligare utföringsform är ljuskällan a inte en enskild lysdiod utan en sammansättning av dioder med samma eller olika egenskaper vad gäller intensitet, färgtemperatur och färgåtergivning. För att generera ett ljus med god färgåtergivning kan man exempelvis vid sidan av en ljusstark kraftlysdiod låta en röd ljusdiod spilla in ljus från sidan, för att på så sätt kompensera för den första diodens bandspektrumkaraktär. Genom denna möjlighet att använda flera lysdioder som ljuskälla a kan ljusets egenskaper anpassas till olika yttre förutsättningar.

W U 20 25 30 flfi Lä råa! ml Ü! ...tå Optiksystemet O innefattar en stationär del i form av en samlingslíns b som är placerad och anordnad på ett sådant sätt att det riktade ljuset från ljuskällan a kan fokuseras till en smal stràle. Den stationära samlingslinsen b kan till exempel vara en liten kullins eller en dubbelsidig fresnellins. I en föredragen utföringsform, där ljuskällan a är en kraftlysdiod, är samlingslinsen b en integrerad del av denna.

Optiksystemet O innefattar vidare en rörlig del i form av en spegellins c och en ovalcylindrisk lins d.

Spegellinsen c har i denna utföringsform formen av en liksidig vinkelrät prisma som är placerad och anordnad på ett sådant sätt att en infallande ljusstràle har sitt fokus i spegelplanet och sedan böjs av i rät vinkel, dvs. har en inklination i pà 90° relativt en rotationsaxel y, vilket framgår av figur l.

Ljusstrålen som lämnat spegellinsen c passerar sedan genom den ovalcylindriska linsen d. Den ovalcylindriska linsen d formar en ljusspalt S, se figur 3, med ett i huvudsak rektangulärt tvärsnitt. Den ovalcylindriska linsen d väljs och anordnas så att toppvinklarna för ljusspalten S företrädesvis har en vinkelbredd e på l~3° och en vinkelhöjd f på l80°, men naturligtvis kan även andra format användas. Genom att anpassa optiksystemet O kan man till exempel begränsa vinkelhöjden f och pà så sätt generera belysning av enbart ett horisontellt bälte runt lampan.

De båda rörliga delarna av optiksystemet O, spegellinsen c och den ovalcylindriska linsen d är fixerade 10 15 20 25 30 i relation till varandra men kan rotera kring rotationsaxeln y. Optiksystemet O tillsammans med ljuskällan a bör vara hermetiskt inneslutet för att undvika kondens och annan beläggning som försämrar lampans livslängd och ljusutbyte.

Figur 2 visar en vy ovanifràn av de rörliga delarna c och d av optiksystemet 0. Av figur 2 framgår också schematisk den ovan beskrivna ljusspalten S. Om de rörliga delarna c och d av det optiska systemet 0 inte roterar kommer en betraktare endast att se den smala ljusspalten S, dvs ingen rundstràlande lampa. För att en betraktare skall uppleva en normal rundstrålande lampa krävs alltså att de rörliga delarna c och d roterar kring rotationsaxeln y. För att ljusspalten S ska kunna rotera så snabbt att den resulterande belysningen uppfattas som kontinuerlig, har de rörliga delarna c och d av det optiska systemet O mycket liten volym och massa. De rörliga delarna c och d har vidare monterats på en för uppgiften anpassad DC-elmotor M med en mycket låg egenfriktion och hög verkningsgrad.

Motorn M bör med lätthet leverera en rotationshastighet på 8000 rpm och därutöver.

För att ytterligare öka den upplevda intensiteten och därmed verkningsgraden kan styrkretsen K leverera en matningsström i form av en pulsmodulerad fyrkantsvág med pulsfrekvensen p till ljuskällan a. En lämplig pulsvidd kan vara l/10, men genom att variera pulsvidden kan man ytterligare variera intensiteten - ju mindre vinkelbredd e desto högre intensitet. Vidare är pulsfrekvensen p och rotationshastigheten r synkroniserade på ett sådant satt att ljusspalten S från ljuskällan a sekventiellt belyser konsekutiva sektorer av omgivningen. 10 U 20 25 30 Ljusspalten S bör ha hög kontrast, och man kan dessutom ytterligare kompensera för avtagande belysning i ljusspaltens S randområden genom att delvis låta de konsekutiva sektorerna av omgivningen överlappa varandra något.

Genom att använda pulsmodulering blir den upplevda belysningsstyrkan högre än om lysdioden drivits med en konstant strömstyrka. Pulsmoduleringen möjliggör också en energisnålare drift vilket är ett av uppfinningens syften.

På detta sätt kan t ex en lampa på 6W generera över 700 lumen, dvs. avsevärt mer en vanlig 60W glödlampa.

I en variant av denna utföringsform kan matningsströmmen vara helt avslagen under delar av ett rotationsvarv, vilket möjliggör att styra lampan så att exempelvis endast halva rummet belyses. På detta sätt kan samma lampa belysa olika ytor av ett rum beroende på hur styrkretsen K levererar matningsströmmen till lampan.

Styrkretsen K kan som ovan nämnts leverera en lämplig fyrkantpuls till ljuskällan a. Styrkretsen K består av ett försteg där en komparator slår av och på en N-HEX- transistor vid en spänningströskel (t), och ett slutsteg som levererar fyrkantvågen med en lämplig frekvens och pulsvidd beroende på omständigheterna.

Figur 5 visar ett kretsschema över ett försteg i form av en AC/DC-omvandlare. AC/DC-omvandlaren har ett brett inspanningsområde lämpat som försteg i applikationer med strömmar upp till 350 mA. Grundprincipen är att en snabb och strömsnål komparator slår av och på en N-HEX transistor N U 20 25 30 H vid en bestämd spänningströskel. Om försteget ansluts till en sinusformad växelströmskälla med till exempel frekvens 50 Hz kan inspänningsområdet få variera mellan 9 VAC-270 VAC. Försteget har även förmågan att solvera spänningstransienter som normalt förekommer på ett elnät.

Figur 6 visar spänningsdiagram över förstegets testpunkter l-5.

Kretsschema för ett slutsteg som är en del av styrkretsen K visas i figur 7. Slutsteget genererar en fyrkantvåg med en pulsvidd på till exempel l/l0 som är synkroniserad med rotationshastigheten r. Varje gång rotationsaxeln passerar markering för start av nytt varv nollställs också starten av pulserna till ljuskällan a.

Genom denna synkronisering blir det möjligt att framställa en ljusspalt S på exakt samma lägesposition i rotationsfältet. Flera konsekutiva ljusspalter S kan då samverka så att de belyser konsekutiva sektorer av omgivningen sekventiellt, och därmed emulerar ett 360 graders heltäckande rundstrålande ljus. Pulsfrekvensen p till ljuskällan a är anpassad till rotationshastigheten r och ljusspaltens S vinkelbredd e.

Figur 8 visar spänningsdiagram över slutstegets testpunkter 6-8.

I figur 4 visas en andra utföringsform av uppfinningen i vilken den ovalcylindriska linsen c istället har ersatts av en halvcylindrisk lins. I denna utföringsform är vinkelhöjden f betydligt mindre än 180 grader, och har en inklination i skiljd från 90 grader, dvs. en tänkt linje längs ljusspaltens S centrum, där 10 15 20 25 30 êfi EQ [U W! Ü3 .m 12 intensiteten är som störst, pekar snett uppåt eller nedåt, se figur 3. Ljuskällans a matningsström slås vidare endast på när ljusspalten S befinner sig inom vissa mycket begränsade rotationsvinklar. På så sätt kan lampan enligt föreliggande uppfinning användas exempelvis som strålkastare samt belysa flera föremål samtidigt, utan att belysa någonting annat däremellan. Allt detta kan enligt uppfinningen göras utan skärmningsförluster.

En annan tillämpning är upplysning av tavlor upphängda på ungefär samma höjd i ett rum. Ju mindre total yta som belyses desto högre intensitet har ljuset. En annan föredragen tillämpning är som ljuskälla till gatubelysning, där man utan skärmningsförluster kan åstadkomma belysning av en stor yta utan att direkt ljus spills upp mot natthimlen. I denna utföringsform minimeras reflektionsförlusterna vid ljusets ingång och utträde ur spegellinsen c för alla inklinationer i, eftersom ljusets infallsvinkel är densamma oavsett hur spegellinsen c vinklas. I en variant av denna utföringsform är spegellinsen c en ur alla vinklar högreflekterande dielektrisk spegel, vilket möjliggör ännu mindre massa och volym hos lampan. Ytterligare en föredragen tillämpning är som ljuskälla till fordonsstrålkastare, där man genom anpassning av elektronikkretsen och optikstyrning kan åstadkomma en lampa som förutom att generera helljus och halvljus utan skärmningsförluster dessutom kan koordineras med bilens styrsystem på ett sådant sätt att ljuset riktas åt det håll bilen svänger.

Det är underförstått att även om lågenergilampan enligt föreliggande uppfinning har beskrivits utifrån utföringsformer med vissa särdrag är det uppenbart för 533 ?å'å 13 fackmannen att individuella särdrag i en utföringsform kan kombineras med andra utföringsformer, eller andra individuella särdrag i andra utföringsformer.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 Patentkrav . Làgenergilampa för belysning innefattande åtminstone en ljuskälla (a); ett optiksystem (O) anordnat för att rikta och forma ljuset till en tunn ljusspalt (S); en motor (M) kopplad till en rörlig del (c, d) av optiksystemet (O) för att möjliggöra rotation kring en rotationsaxel (y) därav, och därmed den tunna ljusspalten (S), med en sådan hastighet och på ett sådant sätt att en betraktare uppfattar ljusflödet från lågenergilampan som kontinuerligt, kännetecknad av att en stationär del av optiksystemet (O) innefattar ett optiskt element (b) som koncentrerar ljuset från ljuskällan (a). . En lågenergilampa enligt patentkrav l, i vilken motorn (M) är en lågfriktionsmotor. . En lågenergilampa enligt patentkrav l eller 2, i vilken motorn (M) år roterbar med en rotationshastighet (r) på åtminstone 8000 rpm. . En lågenergilampa enligt något av föregående patentkrav, i vilken ljuskällan (a) innefattar åtminstone två lysdioder. . En lågenergilampa enligt något av föregående patentkrav, vilken innefattar en styrkrets för styrning av ljuskällan (a) med en matningsström som är pulsmodulerad med en pulsfrekvens p. . En lågenergilampa enligt patentkrav 5, i vilken den pulsmodulerade matningsströmmen är en fyrkantvåg. N 20 25 30 7. En lågenergilampa enligt patentkrav 5 eller 6, i vilken styrkretsen för styrning av ljuskällan (a) är konfigurerad för att synkronisera pulsfrekvensen p med rotationshastigheten (r) för den rörliga delen (c, d) på ett sådant sätt att ljusspalten (S) från ljuskällan (a) sekventiellt belyser konsekutiva sektorer av omgivningen. . En lågenergilampa enligt patentkrav 7, i vilken optiksystemet (O) är konfigurerat så att ljusspalten (S) har en vinkelbredd (e) på mellan l-3° i ett plan vinkelrätt mot rotationsaxeln (y). . En lågenergilampa enligt patentkrav 7 eller 8, i vilken optiksystemet (O) är konfigurerat så att ljusspalten (S) har en vinkelhöjd (f) på upp till l80° i ett plan parallellt med rotationsaxeln (y). l0.En lågenergilampa enligt något av patentkraven 5 eller 6, i vilken styrkretsen för styrning av ljuskällan (a) är konfigurerad för att synkronisera pulsfrekvensen p med rotationshastigheten (r) för den rörliga delen (C, d) på ett sådant sätt att endast på förhand utvalda sektorer av omgivningen upplyses. ll.En lågenergilampa enligt något av föregående patentkrav, i vilken den rörliga delen av optiksystemet(O) innefattar ett optiskt element (c) som reflekterar och riktar ljusflödet och ett optiskt element (d) som formar ljusspalten (S) med ett i huvudsak rektangulärt tvärsnitt.