Leuchte mit geringem Stromverbrauch
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft eine Leuchte mit einer künstlichen Lichtquelle zum gleichmäßigen Beleuchten von Flächen und Räumen, die von mehreren, eine Baugruppe darstellenden Halbleiterelement gebildet ist, die Licht in unterschiedlichen Wellenlän¬ genbereichen emittieren.
Üblicherweise werden Wohn-, Verwaltungs-, Behandlungs- und Verkaufsräume sowie Sportstätten oder sonstige Außenanlagen mittels Glüh- oder Halogenlampen, Leuchtstofflampen und anderen Entladungslampen beleuchtet. Auch im Bereich Fotoop¬ tik oder Bühnentechnik werden die vorgenannten Leuchtmittel bzw. Lichtquellen zur Ausleuchtung bzw. zum Anstrahlen von Personen, Flächen und Gegenständen verwen¬ det. Allgemeine Anforderungen wie an die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung, die Mi¬ niaturisierung der Leuchten selbst, die gute Farbwiedergabe, die gute Blendungsbegren¬ zung sowie einen variablen Ausstrahlungswinkel bei hoher Lichtausbeute haben dazu geführt, daß für die vorgenannten Zwecke vorwiegend NV-Halogenlampen oder Leuchtstofflampen verwendet werden. Diese Leuchtmittel bzw. Lichtquellen werden in der Regel durch Reflektoren oder Reflektorsysteme ergänzt, um die gewünschte Be¬ leuchtungsaufgabe zu erfüllen. Es ist allen herkömmlichen Leuchten gemeinsam, daß deren Leuchtmittel in Fassungen gehalten werden oder über die jeweilige Fassung mit dem erforderlichen Strom versorgt werden, der mittels Vorschaltgeräten wie Drosseln oder Transformatoren in der geeigneten Form bereit gestellt wird. Nachteilig bei die¬ sem Stand der Technik ist, daß die Lebensdauer der Lichtquellen relativ niedrig ist und bestenfalls 8000 Betriebsstunden bei Leuchtstofflampen beträgt. Daraus folgen hohe Betriebskosten der Leuchten, nämlich hohe Ersatzteilkosten, als auch hohe Wartungs¬ kosten für den Arbeitsaufwand beispielsweise beim Auswechseln der Lichtquelle selbst. Mindestens ebenso nachteilig wirkt sich der schlechte Wirkungsgrad der vorgenannten Lichtquellen aus, weil ein Großteil der elektrischen Energie anstatt in sichtbares Licht,
ERSATZBLAπ (REGEL 26)
in Konvektionswärme sowie in die unsichtbare Infrarot- und Ultraviolettstrahlung um¬ gewandelt wird, welche überdies auch noch gesundheitsschädlich sein kann. Weitere Nachteile der herkömmlichen Leuchten ergeben sich daraus, daß die Baugröße der Leuchten, welche wesentlich durch den erforderlichen Reflektor mitbestimmt wird, relativ groß ist und über die die Farbe des ausgestrahlten Lichten nicht beeinflußt wer¬ den kann.
Weiter ist bekannt, Lumineszenzdioden einzusetzen. In der Regel handelt es sich dabei um Halbleiterdioden, die bei Stromfluß in Durchlaßrichtung elektromagnetische Strahlung emittieren. Die Wellenlänge der emittierten Strahlung wird im wesentlichen durch das verwendete Halbleitermaterial bestimmt und ist aufgrund der elektronischen Übergänge, die für die Emission ursächlich sind, auf einen schmalen Wellenlängen¬ bereich begrenzt. Als Lumineszenzdioden sind auch LED's mit zwei, drei oder vier Halbleiterelementen bekannt, die je nachdem, welche Anschlußpins, die jeweils zu den unterschiedlichen Halbleiterelementen innerhalb der LED fuhren, angesteuert werden, unterschiedlich farbiges Licht emittieren. Zur Signalisierung von Meßdaten wird je nach Schaltungszustand die ein oder andere Farbe jeweils einzeln erzeugt. Im Stand der Technik ist die Verwendung von LED's im wesentlichen auf den Einsatz in Signal¬ elementen, Lichtschranken, Lochkartenlesegeräten, bei der IR-Fernsteuerung und in Fotodetektoren beschränkt. Auch zur Hinter leuchtung von Displays oder Anzeigen werden Licht emittierende Halbleiterelemente eingesetzt. Aufgrund der zur Verfügung stehenden Lichtausbeute werden LED's heute auch am Automobil als Positions-, Brems- oder Richtungsänderungsleuchten eingesetzt (DE-A 1-42 28 895). Beim Einsatz in Fahrzeugscheinwerfern soll jede Halbleiterlichtquelle nur Licht einer Farbe abstrah¬ len, wobei durch Überlagerung des von sämtlichen Halblichterquellen abgestrahlten Lichtes ein Licht einheitlicher Farbe austreten soll. Die DE-A 1-38 27 083 beschreibt ebenfalls lichtstarke Halbleiterelemente, die in der Farbe rot in einem spitzen Ausstrah¬ lungswinkel 1 - 3 cd erzeugen. Bei all diesen bekannten Anwendungen von Halbleiter¬ elementen als Lichtquelle ist von Nachteil, daß keine leistungsfähigen Leuchten zu verwirklichen sind und das notwendige Weißlicht nicht ohne weiteres zu erreichen ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Leuchte mit kleinen Bau-
maßen aber hohem Wirkungsgrad und hoher Lebensdauer zu schaffen.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die elektronische Baugruppe als integrierter, die einzelnen lichtemittierenden Halbleiterelemente aufneh¬ mender Chip/Schaltkreis ausgebildet ist, daß die Leuchtdioden eine Lichtstärke von jeweils mindestens 0,2 cd aufweisen und daß der Ausstrahlwinkel der Leuchtdioden so groß ist, daß sich aus kurzer Distanz im wesentlichen weißes Licht auf dem auszuleuch¬ tenden Objekt ergibt.
Derartige Baugruppen sind beispielsweise nach der SMD-Technik herstellbar, wobei die einzelnen Halbleiterelemente in den Chip bzw. Schaltkreis integriert sind. Dieser Chip kann beispielsweise herkömmliche Steckverbindungsanschlüsse aufweisen, wobei die gleichmäßige Beleuchtung durch die Verwendung entsprechender Halbleiter¬ elemente möglich ist, die eine Lichtstärke von mindestens 0,2 cd erzeugen und Licht in mindestens drei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen emittieren. Durch additive Überlagerung der Wellenlängenbereich bzw. durch einen entsprechenden Ausstrahlwin¬ kel der Leuchtdioden bzw. Halbleiterelemente ist sichergestellt, daß im wesentlichen weißes Licht das zu beleuchtende Objekt bestrahlt. Durch Einsatz entsprechender Leuchtdioden und ihrer Anordnung und Integrierung in den Schaltkreis erreicht man die angestrebten kostengünstigen Leuchten mit kleinem Baumaß und hohem Wirkungsgrad.
Nach einer zweckmäßigen Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Schaltkreis mit einer in die Lichtquelle integrierten Stromversorgung und Ansteuerung für die Leuchtdioden ausgerüstet ist, die vorzugsweise eine Lichtstärke von jeweils 1 cd erzeugend ausgebildet sind. Da erfindungsgemäß je nach Baugruppe unterschiedliche Halbleiterelemente mit unterschiedlichen Mindestspannungen Verwendung finden kön¬ nen, ist eine auf das jeweilige Halbleiterelement abgestimmte Stromversorgung mit der entsprechenden Spannung von erheblichem Vorteil. Die jeweilige Stromversorgung kann bevorzugt auch ein Regelkreis für die Versorgungsspannung nach Art eines Poten¬ tiometers integriert sein, der die Helligkeit des jeweiligen Halbleiterelementes steuert. Erfindungsgemäß werden Halbleiterelemente eingesetzt, die gleichzeitig die drei Grund¬ farben rot, grün und blau erzeugen. Die aufwendige Anordnung und Ansteuerung un-
ERSATZBLAH (REGEL 26)
terschiedl icher Halbleiterelemente wird dann überflüssig. Bei Leuchtdioden mit 1 cd kann die Zahl der zum Einsatz kommenden Leuchtdioden bzw. Halbleiter vorteilhaft reduziert werden, so daß die Leuchten noch kleiner bauen.
Eine weitere zweckmäßige Ausführung sieht vor, daß die Lichtquelle ein ge¬ schlossenes Gehäuse mit Kunststoff- und/oder Glaskörper aufweist und über den Sockel bzw. die Fassung an das Stromnetz anschließbar ist. Hierbei sind die Halbleiterelemen¬ te direkt in einen Chip integriert und reduzieren nicht nur die Baugröße, sondern ver¬ hindern auch eine Gesundheitsbeeinträchtigung, weil UV-Strahlung oder IR-Strahlungen nicht ausgesendet werden. Da die erfindungsgemäße Lichtquelle bei hoher Lichtausbeu¬ te nur niedrige Temperaturen hervorruft, ist eine Integrierung in ein geschlossens Ge¬ häuse aus Kunststoff oder Glas problemlos möglich, wobei dann die übliche Anschlu߬ technik über Sockel oder Fassung wie bei üblichen Lichtquellen bekannt Verwendung finden kann. Dies hat den vor allem großen Vorteil, daß derartige Lichtquellen bzw. auch insgesamt Leuchten vom Verkehr schnell angenommen werden.
Um derartige Lichtquellen als Komplettlichtversorung zu verwirklichen, ist vorgesehen, daß die Stromversorgung und Ansteuerung für die Leuchtdioden in das geschlossene Gehäuse der Lichtquelle integriert ist. Durch entsprechende Anschlüsse üblicher Bauart an das Stromnetz ist eine Anwendung derartiger Lichtquellen praktisch überall möglich.
Die Vielseitigkeit der Erfindung wird auch dadurch deutlich, daß gemäß einer Weiterbildung vorgesehen ist, daß das Gehäuse aus brennbarem Material wie Pappe, Textilstoff oder Kunststoff besteht. Damit ist aufgrund der günstigen Bauform und der niedrigen Temperaturen, die an den Halbleiterelementen bzw. Leuchtdioden und an der Stromversorgung anliegen, erstmals die Möglichkeit gegeben, dem Gehäuse selbst, d. h. also der Lichtquelle diese für die Optik wichtigen Materialien direkt zuzuordnen. Es ergeben sich damit völlig neue Effekte und Anwendungsmöglichkeiten, ohne daß da¬ durch irgendwelche Gefahren entstehen. Die Wirkung der einzelnen Lichtquelle und damit der Leuchte wird gezielt dadurch erhöht, daß gemäß der Erfindung der Chip auf der Seite mit den Halbleiterelementen verspiegelt ausgebildet ist.
Weiter oben ist bereits erwähnt, daß die Stromversorgung und Ansteuerung für die Leuchtdioden in das geschlossene Gehäuse der Lichtquelle integriert ist. Dabei ist eine den Platzverhältnissen optimal anzupassende Verwirklichung die, bei der die Stromversorgung und Transformation von AC/DC- und DC/DC-Wandlern gebildet ist. Derartige Bauteile können vorteilhaft in den Chip bzw. in das Gehäuse der Lichtquelle mit integriert werden, so daß sie geschützt angeordnet sind und immer voll wirksam werden und darüber hinaus die Möglichkeit bieten, derartige Lichtquellen bzw. Leuch¬ ten an übliche Wechsel ström versorger anzuschließen.
Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der erfindungsgemaßen Leuchte ist vorgesehen, daß den Leuchtdidoden ein optisches Bauelement zur Homogenisierung der Lichtfarbe und der Lichtsträkenverteilung zugeordnet ist. Bei diesem Bauelement han¬ delt es sich zweckmäßigerweise um eine Linse oder Streuscheibe, wobei Linsen beliebi¬ ger Bauform eingesetzt werden können. Über die Bündelung der unterschiedlichen Lichtwellen erfolgt eine zielgerichtete Beeinflussung in der beschriebenen Form.
Aufgrund des sehr niedrigen Stromverbrauches des Schaltkreises bzw. der ein¬ zelnen Leuchtdioden eignet sich die Erfindung besonders für den Einsatz der Solar¬ energie. Erfindungsgemäß ist dementsprechend vorgesehen, daß der Schaltkreis bzw. die Stromversorgung mit Solarzellen verbindbar ausgebildet ist. Damit ist auch in grö¬ ßerem Umfang der Einsatz von Solarzellen und fotovoltaischen Elementen für Außen¬ leuchten oder auch Innenraumleuchten möglich, die in Kombination mit der Nutzung von Tageslicht eingesetzt werden. Hierbei wird das Tageslicht in Strom umgewandelt, der Akkus auflädt und nach Auflösung eines Impulses die gespeicherte Energie für die Stromversorgung der Halbleiterelemente freigibt. Da sich dieser Prozeß ausschließlich im Bereich von Gleichstrom abspielt, fallen vorteilhaft keine Transformationsverluste an. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Schaltkreis bzw. das Gehäuse einen Dämmerungs- oder Zeitschalter aufweist, weil darüber sichergestellt werden kann, daß der Stromverbrauch erst einsetzt, wenn dies aufgrund der Lichtverhältnisse erforderlich wird. Verhindert ist damit, daß aufgrund einer zugeringen Speicherung in den Akkus die Stromversorgung zu früh ausfällt.
Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß eine gleichmäßige Beleuchtung bei Einsatz der erfindungsgemäßen Lichtquelle bzw. der Leuchte möglich ist, da die Halbleiterelemente, die eine Lichtstärke von jeweils wenigstens 0,2 cd erzeu¬ gen und Licht in mindestens drei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen emittieren, mittels einer elektrischen Schaltung gleichzeitig einzeln angesteuert werden und dann durch additive Überlagerung der Wellenlängenbereiche im wesentlichen weißes Licht auf das beleuchtete Objekt abgeben. Da die Leuchtdioden eine Lebensdauer von 100 000 Stunden bei einem nur 25 % igen Leistungsabfall aufweisen, ist hier der besondere Vorteil zu verzeichnen, daß ein Austauschen des Leuchtmittels sich quasi vollständig erübrigt. Da die Leuchtdioden darüber hinaus nur eine sehr geringe Baugröße aufwei¬ sen, läßt sich eine sehr geringe Baugröße der Gesamtleuchte bei hoher Lichtintensität verwirklichen. UV-Strahlung und IR-Strahlung werden vermieden, so daß eine Gesund¬ heitsbeeinträchtigung nicht auftreten kann. Die niedrige Bauform und die niedrigen Temperaturen, die an den Halbleiterelementen und an der Stromversorgung anliegen, gestatten die Verwendung von leicht brennbaren Materialien auch als Gehäusematerial. Dadurch ergeben sich sehr viele neue Applikations- und Designmöglichkeiten. Es wer¬ den mindestens drei Halbleiterelemente verwendet, bevorzugt zur Erzielung einer mög¬ lichst gleichmäßigen Lichtfarbe auf dem beleuchteten Objekt, mindestens neun, be¬ sonders bevorzugt 27. Es ist auch die Möglichkeit, durch Verknüpfung mehrerer klei¬ nerer Elementbaugruppen eine entsprechend große Baugruppe vorzugeben. Die Anzahl der Halbleiterelemente ist nach oben nur durch die Baugröße der Elemente und die maximale Größe der Leuchte begrenzt. Der Lichtaustrittswinkel der verschiedenfarbig strahlenden Halbleiterelemente ist derart groß und die Elemente sind entsprechend an¬ geordnet, so daß das Licht der unterschiedlichen Wellenlängenbereich sich derart über¬ lagert, daß sich im wesentlichen weißes Licht ergibt. Es ist auch möglich, dem weißen Licht durch entsprechende Einstellung der an den jeweiligen Halbleiterelementen anlie¬ genden Versorgungsspannungen oder durch die Wahl der Halbleiterelemente selbst eine Färbung zu geben, falls dies aus beleuchtungstechnischen Gründen gewünscht ist. Vor¬ teilhaft ist weiter, daß die Möglichkeit gegeben ist, die erfindungsgemäße Leuchte mit dem Einsatz von Solarenergie zu koppeln, zumal dadurch Transformationsverluste ver¬ mieden werden können und damit eine noch bessere Ausbeute der vorhandenen Ener¬ gie. Die Integrierung aller Teile einschließlich der Schaltung, der Stromversorgung und
der Ansteuerung in ein komplettes geschlossenes Gehäuse gibt darüber hinaus die vor¬ teilhafte Möglichkeit, derartige Lichtquellen mit handelsüblichen Sockeln oder Fassun¬ gen zu versehen und damit die Verwendung wesentlich zu erleichtern. Schließlich ist durch Einsatz von Akkus oder Batterien die Möglichkeit gegeben, auch transportable Einheiten zu verwirklichen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist. Es zeigen:
Fig. la in persepktivischer Darstellung eine Mehrzahl von Leucht¬ dioden auf einer Platine,
Fig. lb in der Draufsicht eine Mehrzahl von Leuchtdioden auf ei¬ ner Platine,
Fig. 2 in schematischer Darstellung eine Mehrzahl von Leucht¬ dioden auf einer Platine mit einer Sammellinse als opti¬ sches Bauelement,
Fig. 3 ein Chip, in den 25 Halbleiterelemente direkt integriert sind,
Fig. 4 ein geschlossenes Gehäuse, in dem der Chip mit den Halb¬ leiterelementen und die Stromversorgung mit Ansteuerung eingebaut sind und
Fig. 5 ein weiteres Gehäuse, in dem eine Platine mit Leuchtdio¬ den und Stromversorgung und Ansteuerung integriert sind.
Fig. 1 a zeigt einen einfachen Aufbau einer Leuchte 1 bzw. einer Lichtquelle 2, die hier lediglich aus einer Platine 10 mit einer Baugruppe 3 verschiedener Halbleiter 4 bzw. Leuchtdioden 5, 6 besteht. Die Leuchtdioden 4, 5, 6 sind durch eine hier nicht erkennbare seperate Stromversorgung angesteuert.
Fig. 1 b zeigt eine Draufsicht auf die Platine 10 mit der Vielzahl von Leucht-
dioden 4, 5, 6, die hier symmetrisch angeordnet sind.
Fig. 2 zeigt eine Platine 10, der ein optisches Bauelement 16 vorgelagert ist, das die einzelnen Strahlengänge 18, 19, 20 und Farbanteile in einem Brennpunkt 17 überla¬ gert und mischt.
Fig. 3 zeigt einen Chip bzw. einen Schaltkreis 8, der direkt mit Halbleiterele- mεnten bzw. Leuchtdioden 4, 5, 6 bestückt ist und aufgrund seiner Bauform sich für den Einbau in verschiedenste Lichtquellen 2 bzw. Leuchten 1 eignet.
Die Figuren 4 und 5 verdeutlichen, daß die erforderlichen Komponenten wie z. B. der Chip bzw. Schaltkreis 8 oder die Platine 10 mit den Leuchtdioden 4, 5, 6 einem geschlossenen Gehäuse 9 zugeordnet werden können. Dieses geschlossene Gehäuse 9 weist nach Fig. 4 die angenäherte Form einer Glühbirne auf, wobei der integrierte Schaltkreis 8 im Inneren des Gehäuses 9 erkennbar ist. Ebenfalls integriert ist die Stromversorgung 14, die nicht erkennbare Ansteuerung. Der untere Teil 22 des Gehäu¬ ses 9 stellt eine geschlossene Einheit dar und kann auch mit brennbaren Materialien wie Pappe, Stoff oder Kunststoffen beschichtet sein, weil die im Inneren des Gehäuses 9 entstehenden Temperaturen unbeachtlich sind.
An den oberen Teil 22 des Gehäuses 9 angeformt ist ein Sockel 11, der ein Einschrauben in eine korrespondierende Fassung beispielsweise einer Lampe oder Leuchte 1 ermöglicht, um so die vorhandene Technik benutzen zu können. Damit ist ein direkter Anschluß an die Netzversorgung möglich, wobei über die Stromversorgung 14 und die Ansteuerung eine Versorgung und Steuerung der Leuchtdioden 4, 5, 6 mög¬ lich ist.
Nach Fig. 5 kann das Gehäuse 9 auch eine andere Form aufweisen. Hier ist das Gehäuse 9 mit einem Sockel 12 mit Steckelementen 13 ausgerüstet, so daß auch hier der Einsatz beispielsweise in Halogenleuchten möglich wird, wobei dann eine verein¬ fachte Stromversorgung 14 zum Einsatz kommen kann, da in der Regel Transformato¬ ren in der Leuchte 1 bereits vorhanden sind. Das Gehäuse 9 ist über ein Schutzglas 21
ERSATZBLAπ (REGEL 26)
ähnlich wie bei der Ausführung nach Fig. 4 abgeschlossen, so daß ein insgesamt ge¬ schützter Innenraum 23 vorhanden ist. Zur Erhöhung der Lichtintensität kann die Seite 15 der Platine 10 bzw. des Chips 8 mit den Leuchtdioden 4, 5, 6 verspiegelt ausge¬ bildet werden.
Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen.
ERSATZBLAπ (REGEL 26)