WO2001091519A1 - Led lamp - Google Patents

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WO2001091519A1
WO2001091519A1 PCT/DE2001/001862 DE0101862W WO0191519A1 WO 2001091519 A1 WO2001091519 A1 WO 2001091519A1 DE 0101862 W DE0101862 W DE 0101862W WO 0191519 A1 WO0191519 A1 WO 0191519A1
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Josef RÖDIGER
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Roediger Josef
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/02Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps
    • Y02B20/30Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]

Definitions

  • the invention relates to an LED lamp of low to medium light intensity, which can be operated directly on the power supply network.
  • the LED lamp is used wherever no extra low voltage is available, the properties of LED lighting bring advantages and a medium light intensity is sufficient.
  • LED lamps can be used as signal lamps across the entire spectrum from red to blue in industry, in traffic management systems and in advertising.
  • LED white light lamps can be used as spot lighting in machine and optical apparatus construction as well as for edge and emergency lighting.
  • LED infrared lamps are used in the security area and in inspection systems.
  • Luminous LED lamps with an integrated power supply are currently bulky and bulky. LED lighting for image processing and for optical inspection systems are supplied by separate power supplies.
  • an operating principle is suitably implemented that is also used in the prior application DE 100 25 028 A1 / 1 /.
  • a supply voltage of a few 100 V is generated from a battery voltage for the backlighting of liquid crystal displays.
  • Use of the active principle for downward conversion is assigned to the sensor area in 121.
  • a step-down converter can be realized, which can be integrated in the lamp base with the required power conversion.
  • the object of the invention is to provide a new type of LED lamp which can be operated directly on the power supply network and which generates only little heat loss even at higher light intensity.
  • Another important task is the integration of the power supply in a standard base to ensure compatibility with common incandescent lamps. It is an object of the invention to provide an LED lamp which is designed for high vibration loads and a wide temperature range. Another object of the invention is to provide LED lamps in all common signal colors, including IR light and white light. Another object of the invention is to provide LED lamps for operation with 230V / 50Hz and 115V / 60Hz
  • the object of the invention is achieved in that in a closed housing a voltage converter, consisting of a mechanical holder in the form of a hollow cylinder construction, in which an electromechanical converter and a magnetomechanical converter are arranged one behind the other and firmly connected to one another, a control IC for the network operation of the multi-layer actuator and an LED multichip module are accommodated.
  • the electromechanical transducer consists of a monolithic multilayer actuator and the magnetomechanical transducer consists of a magnetoelastic core which is surrounded by a coil with a magnetic circuit.
  • a permanent magnet must be used in the magnetic circuit of the magnetomechanical transducer to generate a magnetic bias.
  • the mechanical pretension generated by the clamping should only slightly exceed the necessary minimum.
  • Ceramic insulators are used for safe electrical isolation.
  • the principle of operation of the voltage converter is based on the simultaneous use of the reciprocal piezo effect and the magnetoelastic effect.
  • the practical implementation of the interaction of the two physical solid-state effects takes place after the Principle of the motor generator, the electromechanical converter working in motor operation and the magnetomechanical converter in generator operation. This is done by means of purely translatory movements in the ⁇ m range, with the actuating forces that build up at the same time. Electrical energy is converted into mechanical energy and mechanical energy into electrical energy with little loss. With this operating principle, you can easily convert a mains voltage into a low voltage of 2V to 16V.
  • Another major advantage of this voltage converter is the implementation of an LED lamp with an extremely compact design and an absolutely safe electrical isolation between the mains voltage and the low voltage generated.
  • the relatively simple and modular structure of the LED lamp creates optimal conditions for automated mass production, which significantly reduces the manufacturing costs.
  • the use of complex LED chip modules and powerful converters suggests a high purchase price, which, however, is often justified at second glance due to the reduced downtimes and maintenance costs.
  • Another very interesting aspect is the fact that the multilayer actuator acts like a capacitor. By means of a two-pulse voltage rectification, the multi-layer actuator is charged each time when the mains voltage increases and discharged again during the decrease, as a result of which mostly only reactive power is generated. However, the energy consumer only has to pay for the active power, which means that the higher purchase costs are refinanced after about half the life. For a safe and efficient energy conversion, some important features of the invention have to be considered when designing the novel LED lamp.
  • thermomechanical temperature compensation must be provided in order to maintain function and efficiency. Since supermagnetostrictive materials have a low relative magnetic permeability, special care must be taken to ensure that the magnetic resistance is kept as low as possible by means of a large air gap area.
  • a hermetically sealed housing should be provided in order to protect the functional elements from the direct influence of environmental influences on the one hand and on the other hand to increase the insulation capacity and service life by introducing extremely dry air.
  • a heat-conducting medium should ensure good heat transfer between the functional elements and the housing.
  • the mains voltage is fed to the two-pulse voltage rectifier IC via the base contacts and is passed on to the multilayer actuator as rectified half-waves with the resulting frequency doubling.
  • the multilayer actuator expands and then contracts again, as a result of which the magnetoelastic core of the magnetomechanical transducer is compressed and relieved again.
  • the magnetomechanical transducer is premagnetized with a permanent magnet. Due to the increasing and decreasing mechanical tension, which acts on the magnetoelastic core, it generates a variable magnetic field. This variable magnetic field creates a voltage in the coil that surrounds the magnetoelastic core. The generated voltage is led to the LED multichip module via the coil connections. The applied voltage generates a current in the direction of flow in the LED chips, which causes them to emit light. The light color is determined by the LED chips used.
  • Fig. 1 representation of the principle of action of the integrated voltage converter
  • FIG. 4 basic circuit of a network-controlled two-pulse voltage rectifier IC on a thyristor basis
  • FIG. 1 shows in simplified form the basic functional elements of the LED lamp according to the invention as well as their basic arrangement and their interaction.
  • a pulsating DC voltage is generated from the AC voltage provided by the supply network via a two-pulse voltage rectifier IC 5, which drives a charging current into the monolithic multilayer actuator 1 with increasing voltage.
  • the two-pulse voltage rectifier IC 5 allows the monolithic multilayer actuator 1 to feed its unconverted energy, which is still present in the form of charge, back into the supply network as a discharge current. Due to the increase and decrease in the applied voltage, the monolithic multilayer actuator 1 expands and then contracts again, as a result of which the magneto-elastic core 2 of the magnetomechanical transducer, consisting of the magneto-elastic core 2 and the coil 4 surrounding it with permanent magnet 13 and Flußleitplatte 12, compressed and relieved again.
  • the permanent magnet 13 introduced into the magnetic circuit generates a magnetic bias of the magnetoelastic core 2.
  • the static magnetic field of the permanent magnet 13 causes the magnetoelastic core 2 to expand in length, thereby doubling its deformability. If the magnetically prestressed magnetoelastic core 2 is pressed together by the monolithic multilayer actuator 1 and then relieved again, it generates a variable magnetic field.
  • This variable magnetic field generates a voltage in the coil 4, which surrounds the magnetoelastic core 2, with which the LED multichip module 11 is supplied. A current in the direction of flow stimulates the LEDs to light up.
  • FIG. 2 shows a possible design example of the LED lamp according to this invention.
  • the axial section of the LED lamp illustrates how a reliable voltage conversion with low heating and a safe electrical isolation between mains voltage and low voltage can be achieved in a confined space.
  • the LED lamp according to this invention has a housing 18 which is provided with cooling fins 17 in the upper region and is formed into a lamp base with integrated base contacts 8.1 and 8.2 in the lower region.
  • this housing 18 there is an LED Multichip module 11, a heat conductor 16, a two-pulse voltage rectifier IC 5 and a voltage converter housed.
  • the voltage converter is composed of an electromechanical converter, the insulator 3, a magnetomechanical converter and the mechanical clamping, consisting of the piezo holder 14 with insulator plate 7 and the magnet holder 15 with slot 21. Via the fine thread 22, the piezo holder 14 is screwed to the magnet holder 15, so that the electromechanical transducer, which is arranged one behind the other and consists of the multilayer actuator 1, and the magnetomechanical transducer which consists of the magnetoelastic core 2 and the coil surrounding it 4 with flux guide plate 12 and permanent magnet 13, mechanically directly coupled via the insulator 3.
  • the mains voltage fed in at the base contacts 8.1 and 8.2 passes via the chip connections 9 to the two-pulse voltage rectifier IC 5, which supplies the monolithic multilayer actuator 1 via the contact 6.
  • the LED multichip module 11 is supplied with the generated voltage from the coil connections 10. Since most of the heat loss is generated by the LED multichip module 11, a heat conductor 16 is provided for better heat dissipation and distribution.
  • the housing 18 is metallized on the inside, in the radiation region of the LED multichip module 11, and is designed as a reflector 19.
  • a transparent cap 20, which can be made of both synthetic and mineral glass, ensures the hermetic closure of the LED lamp.
  • Figure 3 shows again in an idealized form the current-voltage sequence at the multilayer actuator 1 and makes it clear why the product of current and voltage results in zero.
  • FIG. 4 shows the basic circuit structure of the integrated two-pulse voltage rectifier IC 5.
  • the rectification of the voltage takes place via the diodes D of the control bridge, and during the voltage rise the charging current flows into the monolithic multilayer actuator 1 via the diodes D.
  • ten thyristors Th which are network-controlled, the discharge current of the monolithic multilayer actuator 1 is fed back into the supply network during the drop in voltage.
  • a control bridge based on MOSFETs is also possible.
  • the LED lamp according to this invention can also be brought into a compact housing with a standard base which is compatible in terms of its construction, even with greater light intensity. Miniaturization according to the desired light output is also possible.
  • the simple and modular design of the LED lamp creates favorable conditions for automated mass production. Since the piezo multi-layer actuator only has a capacitive load on the power supply network, the active power consumed is correspondingly small, which is a cost advantage for the user.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)

Abstract

With the development of high-capacity and incandescent light LEDs, high intensity LED lamps that can be operated directly on the power supply system are becoming increasingly important. The novel solid state voltage transformer, which is based on modern high-intensity materials, allows a very compact construction in a standard base. The structural shape and the size of the LED lamp are proportionate to the light output. The voltage transformer acts as a capacitive load in the power supply system, which means that only a small proportion is transformed into non-electrical energy therein. As a result, essentially only reactive power is produced, which represents cost advantages. The LED lamps can be used as signal lamps throughout the entire spectrum from red to blue in industry, traffic guidance devices and advertising. LED incandescent lamps can be used for spot lighting in the construction of machines and optical devices and for edge and emergency lighting. LED infrared lamps can be used in the field of safety and in inspection systems.

Description

LED - LampeLed lamp
Die Erfindung betrifft eine LED-Lampe geringer bis mittlerer Lichtstärke, die direkt am Stromversorgungsnetz betrieben werden kann.The invention relates to an LED lamp of low to medium light intensity, which can be operated directly on the power supply network.
Die LED-Lampe kommt überall dort zum Einsatz, wo keine Kleinspannung zur Verfügung steht, die Eigenschaften der LED-Beleuchtung Vorteile bringen und eine mittlere Licht- stärke ausreichend ist.The LED lamp is used wherever no extra low voltage is available, the properties of LED lighting bring advantages and a medium light intensity is sufficient.
Spezielle Einsatzbereiche sind dort, wo eine geringe Wärmeentwicklung gefragt ist, hohe Vibrations- und Stoßbelastungen auftreten, wo bestimmte Lichtfarben benötigt werden und hohe Wartungskosten anfallen. Die LED-Lampen sind als Signallampen über das gesamte Spektrum von Rot bis Blau in der Industrie, in Verkehrsleiteinrichtungen und in der Werbung einsetzbar.Special areas of application are where low heat development is required, high vibration and shock loads occur, where certain light colors are required and high maintenance costs are incurred. The LED lamps can be used as signal lamps across the entire spectrum from red to blue in industry, in traffic management systems and in advertising.
LED-Weißlichtlampen sind als Spotbeleuchtung im Maschinen- und optischen Apparatebau sowie für Kanten- und Notbeleuchtungen einsetzbar. LED-Infrarotlampen finden Anwendung im Sicherheitsbereich und in Inspektionssystemen.LED white light lamps can be used as spot lighting in machine and optical apparatus construction as well as for edge and emergency lighting. LED infrared lamps are used in the security area and in inspection systems.
Für den Betrieb mit Kleinspannung gibt es bereits eine Vielzahl LED-Lampen und LED- Module von geringer bis relativ großer Lichtstärke. Am Markt befindliche kleinere LED- Lampen für den direkten Netzbetrieb haben nur eine sehr geringe Lichtstärke und vernichten etwa das 30- bis 100-fache der benötigten Energie über einen Vorwiderstand. Lichtstärkere LED-Lampen mit integriertem Netzteil sind zur Zeit noch voluminös und unförmig. LED-Beleuchtungen für die Bildverarbeitung und für optische Inspektionssysteme werden von separaten Netzteilen versorgt.A large number of LED lamps and LED modules with low to relatively high light intensity are already available for operation with low voltage. Smaller LED lamps on the market for direct mains operation have only a very low light intensity and destroy about 30 to 100 times the energy required via a series resistor. Luminous LED lamps with an integrated power supply are currently bulky and bulky. LED lighting for image processing and for optical inspection systems are supplied by separate power supplies.
Bei der LED-Lampe gemäß Erfindung wird ein Wirkprinzip geeignet umgesetzt, dass auch in der Voranmeldung DE 100 25 028 A1 /1/ zur Anwendung kommt. Bei dem in 121 vorgestellten Konstruktionsbeispiel wird aus einer Batteriespannung eine Versorgungs- Spannung von einigen 100 V für die Hintergrundbeleuchtung von Flüssigkristallanzeigen erzeugt. Eine Nutzung des Wirkprinzips zur Abwärtswandlung wird in 121 dem Sensorbereich zugeordnet. Mit der Weiterentwicklung des Wirkprinzips und dem Einsatz eines Piezo- Vielschichtaktors läßt sich ein Abwärtswandler realisieren, der bei dem jeweils benötigten Leistungsumsatz im Lampensockel integrierbar ist.In the LED lamp according to the invention, an operating principle is suitably implemented that is also used in the prior application DE 100 25 028 A1 / 1 /. In the design example presented in 121, a supply voltage of a few 100 V is generated from a battery voltage for the backlighting of liquid crystal displays. Use of the active principle for downward conversion is assigned to the sensor area in 121. With the further development of the active principle and the use of a piezo multi-layer actuator, a step-down converter can be realized, which can be integrated in the lamp base with the required power conversion.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer neuartigen LED-Lampen, die direkt am Stromversorgungsnetz betrieben werden kann und auch bei höherer Lichtstärke nur geringe Verlustwärme erzeugt.The object of the invention is to provide a new type of LED lamp which can be operated directly on the power supply network and which generates only little heat loss even at higher light intensity.
Eine weitere wichtige Aufgabe ist die Integration des Netzteils in einem Standardsockel, um Kompatibilität zu gebräuchlichen Glühlampen zu gewährleisten. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine LED-Lampe zur Verfügung zu stellen, die für starke Vibrationsbelastungen und einen weiten Temperaturbereich ausgelegt ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung von LED-Lampen in allen gebräuchlichen Signalfarben, einschließlich IR-Licht und Weißlicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung von LED-Lampen für den Be- trieb mit 230V / 50Hz und 115V / 60HzAnother important task is the integration of the power supply in a standard base to ensure compatibility with common incandescent lamps. It is an object of the invention to provide an LED lamp which is designed for high vibration loads and a wide temperature range. Another object of the invention is to provide LED lamps in all common signal colors, including IR light and white light. Another object of the invention is to provide LED lamps for operation with 230V / 50Hz and 115V / 60Hz
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine LED-Lampe zur Verfügung zu stellen, die eine Miniaturisierung entsprechend dem Energieumsatz und der Lichtstärke zuläßt.It is a further object of the invention to provide an LED lamp which allows miniaturization in accordance with the energy conversion and the light intensity.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass in einem geschlossenen Gehäuse ein Spannungswandler, bestehend aus einer mechanischen Halterung in Form einer Hohlzylinderkonstruktion, in der ein elektromechanischer Wandler und ein magnetomechanischer Wandler in Achsrichtung hintereinander angeordnet und fest miteinander verbunden sind, ein Ansteuer-IC für den Netzbetrieb des Vielschichtaktors und ein LED- Multichip-Modul untergebracht sind. Der elektromechanische Wandler besteht aus einem monolithischen Vielschichtaktor und der magnetomechanische Wandler besteht aus einem magnetoelastischen Kern, der von einer Spule mit Magnetkreis umgeben ist. Im Magnetkreis des magnetomechanischen Wandlers ist ein Permanentmagnet zur Erzeugung einer magnetischen Vorspannung einzusetzen. Die von der Einspannung erzeugte mechanische Vorspannung sollte das notwendige Mindestmaß nur geringfügig überschreiten.The object of the invention is achieved in that in a closed housing a voltage converter, consisting of a mechanical holder in the form of a hollow cylinder construction, in which an electromechanical converter and a magnetomechanical converter are arranged one behind the other and firmly connected to one another, a control IC for the network operation of the multi-layer actuator and an LED multichip module are accommodated. The electromechanical transducer consists of a monolithic multilayer actuator and the magnetomechanical transducer consists of a magnetoelastic core which is surrounded by a coil with a magnetic circuit. A permanent magnet must be used in the magnetic circuit of the magnetomechanical transducer to generate a magnetic bias. The mechanical pretension generated by the clamping should only slightly exceed the necessary minimum.
Zur sicheren galvanischen Trennung werden Keramikisolatoren eingesetzt. Das Wirkprinzip des Spannungswandlers basiert auf der gleichzeitigen Nutzung des reziproken Piezoeffekts und des magnetoelastischen Effekts. Die praktische Umsetzung des Zusammenwirkens der beiden physikalischen Festkörpereffekte erfolgt nach dem Prinzip des Motor-Generators, wobei der elektromechanische Wandler im Motorbetrieb und der magnetomechanische Wandler im Generatorbetrieb arbeitet. Dies geschieht über rein translatorische Bewegungen im μm-Bereich, mit den sich gleichzeitig aufbauenden Stellkräften. Dabei wird elektrische Energie unter geringen Verlusten in mechani- sehe Energie und mechanische Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt. Mit diesem Wirkprinzip kann man in einfacher Weise eine Netzspannung in eine Kleinspannung von 2V bis 16V umwandeln. Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieses Spannungswandlers ist die Realisierung einer LED-Lampe mit einem äußerst kompakten Aufbau und einer absolut sicheren galvanischen Trennung zwischen Netzspannung und er- zeugter Kleinspannung.Ceramic insulators are used for safe electrical isolation. The principle of operation of the voltage converter is based on the simultaneous use of the reciprocal piezo effect and the magnetoelastic effect. The practical implementation of the interaction of the two physical solid-state effects takes place after the Principle of the motor generator, the electromechanical converter working in motor operation and the magnetomechanical converter in generator operation. This is done by means of purely translatory movements in the μm range, with the actuating forces that build up at the same time. Electrical energy is converted into mechanical energy and mechanical energy into electrical energy with little loss. With this operating principle, you can easily convert a mains voltage into a low voltage of 2V to 16V. Another major advantage of this voltage converter is the implementation of an LED lamp with an extremely compact design and an absolutely safe electrical isolation between the mains voltage and the low voltage generated.
Der relativ einfache und modulare Aufbau der LED-Lampe schafft optimale Voraussetzungen für eine automatisierte Massenfertigung, was die Herstellungskosten erheblich reduziert. Der Einsatz von komplexen LED-Chip-Modulen und leistungsfähigen Wandlern läßt ei- nen hohen Anschaffungspreis erwarten, der aber auf den zweiten Blick oftmals wegen der sinkenden Stillstandszeiten und Wartungskosten gerechtfertigt ist. Ein weiterer, sehr interessanter Aspekt ist die Tatsache, dass der Vielschichtaktor wie ein Kondensator wirkt. Durch eine Zweipuls-Spannungsgleichrichtung wird der Vielschichtaktor beim Anwachsen der Netzspannung jedesmal geladen und während des Absinkens wieder entladen, wodurch größtenteils nur Blindleistung erzeugt wird. Vom Energieabnehmer ist aber nur die Wirkleistung zu bezahlen, wodurch die höheren Anschaffungskosten nach etwa der halben Lebensdauer refinanziert: sind. Für eine sichere und effiziente Energieumsetzung sind bei der Gestaltung der neuartigen LED-Lampe noch einige wichtige Merkmale der Erfindung zu berücksichtigen. So ist bei der Verwendung eines Hohizylinders (Hülse) zur mechanischen Einspannung der Funktionselemente ein Schlitz in Längsrichtung, im Bereich des magnetomechanischen Wandlers, vorzusehen, da die Hülse einen massiven Kurzschlußring bildet, was zu hohen elektrischen Verlusten führt. Ebenso ist beim Zusammenschrauben und Spannen des Spannungswandlers darauf zu achten, dass sich das Drehmoment nicht auf die Funktionselemente überträgt, weshalb eine Lagefixierung für die Montage vorgesehen sein muß.The relatively simple and modular structure of the LED lamp creates optimal conditions for automated mass production, which significantly reduces the manufacturing costs. The use of complex LED chip modules and powerful converters suggests a high purchase price, which, however, is often justified at second glance due to the reduced downtimes and maintenance costs. Another very interesting aspect is the fact that the multilayer actuator acts like a capacitor. By means of a two-pulse voltage rectification, the multi-layer actuator is charged each time when the mains voltage increases and discharged again during the decrease, as a result of which mostly only reactive power is generated. However, the energy consumer only has to pay for the active power, which means that the higher purchase costs are refinanced after about half the life. For a safe and efficient energy conversion, some important features of the invention have to be considered when designing the novel LED lamp. When using a hollow cylinder (sleeve) for mechanical clamping of the functional elements, a slot must be provided in the longitudinal direction in the area of the magnetomechanical transducer, since the sleeve forms a massive short-circuit ring, which leads to high electrical losses. When screwing and tightening the voltage converter, it is also important to ensure that the torque is not transferred to the functional elements, which is why a positional fixation must be provided for assembly.
Aufgrund der sehr unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der einzelnen Bauelemente des Spannungswandlers ist für die Erhaltung der Funktion und Effizienz unbedingt eine thermomechanische Temperaturkompensation vorzusehen. Da supermagnetostriktive Werkstoffe eine geringe relative magnetische Permeabilität aufweisen, ist besonders darauf zu achten, dass der magnetische Widerstand durch eine große Luftspaltfläche so gering wie möglich gehalten wird.Due to the very different coefficients of thermal expansion of the individual components of the voltage converter, thermomechanical temperature compensation must be provided in order to maintain function and efficiency. Since supermagnetostrictive materials have a low relative magnetic permeability, special care must be taken to ensure that the magnetic resistance is kept as low as possible by means of a large air gap area.
Um die Funktionselemente zum einen vor der direkten Einwirkung von Umgebungseinflüssen zu schützen und zum anderen die Isolationsfähigkeit und Lebensdauer durch Einbringung von extrem trockener Luft zu erhöhen, sollte ein hermetisch abgeschlossenes Gehäuse vorgesehen werden. Damit im Dauerbetrieb eine gute Ableitung der entstehenden Verlustwärme möglich ist, sollte im Inneren ein Wärmeleitmedium für einen guten Wärmetransport zwischen den Funktionselementen und dem Gehäuse sorgen.A hermetically sealed housing should be provided in order to protect the functional elements from the direct influence of environmental influences on the one hand and on the other hand to increase the insulation capacity and service life by introducing extremely dry air. In order to ensure good dissipation of the resulting heat loss in continuous operation, a heat-conducting medium should ensure good heat transfer between the functional elements and the housing.
Zum Betrieb der LED-Lampe ist diese in eine entsprechende Lampenfassung einzusetzen und die Netzspannung einzuschalten.To operate the LED lamp, insert it into a corresponding lamp holder and switch on the mains voltage.
Über die Sockelkontakte wird dem Zweipuls-Spannungsgleichrichter-IC die Netzspannung zugeführt, die als gleichgerichtete Halbwellen mit der sich dabei ergebenden Frequenzverdopplung zum Vielschichtaktor weitergeleitet wird.The mains voltage is fed to the two-pulse voltage rectifier IC via the base contacts and is passed on to the multilayer actuator as rectified half-waves with the resulting frequency doubling.
Bedingt durch das sinusförmige Ansteigen und Absinken der angelegten Spannung dehnt sich der Vielschichtaktor aus und zieht sich dann wieder zusammen, wodurch der magnetoelastische Kern des magnetomechanischen Wandlers zusammengedrückt und wieder entlastet wird. Der magnetomechanische Wandler ist mit einem Permanentmag- neten vormagnetisiert. Durch die anwachsende und abfallende mechanische Spannung, die auf den magnetoelastischen Kern wirkt, erzeugt dieser ein veränderliches Magnetfeld. Dieses veränderliche Magnetfeld erzeugt in der Spule, die den magnetoelastischen Kern umgibt, eine Spannung. Über die Spulenanschlüsse wird die erzeugte Spannung zum LED-Multichip-Modul geführt. Die angelegte Spannung erzeugt in den LED-Chips einen Strom in Flußrichtung, wodurch diese Licht emittieren. Die Lichtfarbe wird durch die eingesetzten LED-Chips bestimmt.Due to the sinusoidal rise and fall of the applied voltage, the multilayer actuator expands and then contracts again, as a result of which the magnetoelastic core of the magnetomechanical transducer is compressed and relieved again. The magnetomechanical transducer is premagnetized with a permanent magnet. Due to the increasing and decreasing mechanical tension, which acts on the magnetoelastic core, it generates a variable magnetic field. This variable magnetic field creates a voltage in the coil that surrounds the magnetoelastic core. The generated voltage is led to the LED multichip module via the coil connections. The applied voltage generates a current in the direction of flow in the LED chips, which causes them to emit light. The light color is determined by the LED chips used.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der LED-Lampe und das Wirkprinzip des Spannungswandlers anhand von Zeichnungen erläutert.An exemplary embodiment of the LED lamp and the operating principle of the voltage converter are explained below with reference to drawings.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen :The associated drawings show:
Fig. 1 Darstellung des Wirkprinzips des integrierten SpannungswandlersFig. 1 representation of the principle of action of the integrated voltage converter
Fig. 2 Schnittdarstellung der LED-Lampe (Achsschnitt)2 sectional view of the LED lamp (axial section)
Fig. 3 Strom-Spannungsverlauf am Vielschichtaktor (idealer Kondensator) Fig. 4 Prinzipschaltung eines netzgesteuerten Zweipuls-Spannungsgleichrichters-IC auf Thyristorbasis3 current-voltage curve at the multilayer actuator (ideal capacitor) Fig. 4 basic circuit of a network-controlled two-pulse voltage rectifier IC on a thyristor basis
Figur 1 zeigt in vereinfachter Form die grundlegenden Funktionselemente der erfin- dungsgemäßen LED-Lampe sowie deren prinzipielle Anordnung und ihr Zusammenwirken.FIG. 1 shows in simplified form the basic functional elements of the LED lamp according to the invention as well as their basic arrangement and their interaction.
Aus der vom Versorgungsnetz bereitgestellten Wechselspannung wird über einen Zweipuls-Spannungsgleichrichter-IC 5 eine pulsierende Gleichspannung erzeugt, die mit ansteigender Spannung einen Ladestrom in den monolithischen Vielschichtaktor 1 treibt. Bei Absinken der Spannung erlaubt der Zweipuls-Spannungsgleichrichter-IC 5, dass der monolithische Vielschichtaktor 1 seine nicht umgewandelte Energie, die noch in Form von Ladung vorhanden ist, als Entladestrom ins Versorgungsnetz zurückspeist. Bedingt durch das Ansteigen und Absinken der angelegten Spannung dehnt sich der monolithische Vielschichtaktor 1 aus und zieht sich dann wieder zusammen, wodurch der ma- gnetoelastische Kern 2 des magnetomechanischen Wandlers, bestehend aus dem magnetoelastischen Kern 2 und der ihn umgebenden Spule 4 mit Permanentmagnet 13 und Flußleitplatte 12, zusammengedrückt und wieder entlastet wird. Der in den Magnetkreis eingebrachte Permanentmagnet 13 erzeugt eine magnetische Vorspannung des magnetoelastischen Kerns 2. Durch das statische Magnetfeld des Permanentmagneten 13 erfährt der magnetoelastische Kern 2 eine Längendehnung, wodurch sich sein Deformationsvermögen verdoppelt. Wird der magnetisch vorgespannte magnetoelastische Kern 2 von dem monolithischen Vielschichtaktor 1 zusammengedrückt und anschließend wieder entlastet, so erzeugt dieser ein veränderliches Magnetfeld. Dieses veränderliche Magnetfeld erzeugt in der Spule 4, die den magnetoelastischen Kern 2 umgibt, eine Span- nung, mit der das LED-Multichip-Modul 11 versorgt wird. Ein Strom in Flußrichtung regt die LED's zum Leuchten an.A pulsating DC voltage is generated from the AC voltage provided by the supply network via a two-pulse voltage rectifier IC 5, which drives a charging current into the monolithic multilayer actuator 1 with increasing voltage. When the voltage drops, the two-pulse voltage rectifier IC 5 allows the monolithic multilayer actuator 1 to feed its unconverted energy, which is still present in the form of charge, back into the supply network as a discharge current. Due to the increase and decrease in the applied voltage, the monolithic multilayer actuator 1 expands and then contracts again, as a result of which the magneto-elastic core 2 of the magnetomechanical transducer, consisting of the magneto-elastic core 2 and the coil 4 surrounding it with permanent magnet 13 and Flußleitplatte 12, compressed and relieved again. The permanent magnet 13 introduced into the magnetic circuit generates a magnetic bias of the magnetoelastic core 2. The static magnetic field of the permanent magnet 13 causes the magnetoelastic core 2 to expand in length, thereby doubling its deformability. If the magnetically prestressed magnetoelastic core 2 is pressed together by the monolithic multilayer actuator 1 and then relieved again, it generates a variable magnetic field. This variable magnetic field generates a voltage in the coil 4, which surrounds the magnetoelastic core 2, with which the LED multichip module 11 is supplied. A current in the direction of flow stimulates the LEDs to light up.
Figur 2 zeigt ein mögliches Konstruktionsbeispiel der LED-Lampe gemäß dieser Erfindung. Der Achsschnitt der LED-Lampe veranschaulicht, wie auf engstem Raum eine be- triebssichere Spannungswandlung bei geringer Erwärmung und eine sichere galvanische Trennung zwischen Netzspannung und Kleinspannung erreicht wird. Die LED-Lampe gemäß dieser Erfindung besitzt ein Gehäuse 18, das im oberen Bereich mit Kühllamellen 17 versehen und im unteren Bereich zu einem Lampensockel mit integrierten Sockelkontakten 8.1 und 8.2 ausgebildet ist. In diesem Gehäuse 18 ist ein LED- Multichip-Modul 11, ein Wärmeleiter 16, ein Zweipuls-Spannungsgleichrichter-IC 5 und ein Spannungswandler untergebracht.Figure 2 shows a possible design example of the LED lamp according to this invention. The axial section of the LED lamp illustrates how a reliable voltage conversion with low heating and a safe electrical isolation between mains voltage and low voltage can be achieved in a confined space. The LED lamp according to this invention has a housing 18 which is provided with cooling fins 17 in the upper region and is formed into a lamp base with integrated base contacts 8.1 and 8.2 in the lower region. In this housing 18 there is an LED Multichip module 11, a heat conductor 16, a two-pulse voltage rectifier IC 5 and a voltage converter housed.
Der Spannungswandler setzt sich aus einem elektromechanischen Wandler, dem Isolator 3, einem magnetomechanischen Wandler und der mechanischen Einspannung, be- stehend aus der Piezo-Halterung 14 mit Isolatorplatte 7 und der Magnet-Halterung 15 mit Schlitz 21, zusammen. Über das Feingewinde 22 wird die Piezo-Halterung 14 mit der Magnet-Halterung 15 verschraubt, so dass der im Inneren hintereinander angeordnete elektromechanische Wandler , bestehend aus dem Vielschichtaktor 1 , und der magnetomechanische Wandler, bestehend aus dem magnetoelastischen Kern 2 und der ihn umgebenden Spule 4 mit Flußleitplatte 12 und Permanentmagnet 13, über den Isolator 3 mechanisch direkt gekoppelt sind. Die an den Sockelkontakten 8.1 und 8.2 eingespeiste Netzspannung gelangt über die Chipanschlüsse 9 auf den Zweipuls- Spannungsgleichrichter-IC 5, der den monolithischen Vielschichtaktor 1 über die Kontak- tierung 6 versorgt. Von den Spulenanschlüssen 10 wird das LED-Multichip-Modul 11 mit der erzeugten Spannung versorgt. Da die meiste Verlustwärme von dem LED-Multichip-Modul 11 erzeugt wird, ist zur besseren Wärmeableitung und Verteilung ein Wärmeleiter 16 vorgesehen. Das Gehäuse 18 ist innen, im Strahlungsbereich des LED-Multichip-Moduls 11, metalli- siert und als Reflektor 19 ausgebildet. Für den hermetischen Verschluß der LED-Lampe sorgt eine Klarsichtkappe 20, die sowohl aus synthetischem als auch mineralischem Glas sein kann.The voltage converter is composed of an electromechanical converter, the insulator 3, a magnetomechanical converter and the mechanical clamping, consisting of the piezo holder 14 with insulator plate 7 and the magnet holder 15 with slot 21. Via the fine thread 22, the piezo holder 14 is screwed to the magnet holder 15, so that the electromechanical transducer, which is arranged one behind the other and consists of the multilayer actuator 1, and the magnetomechanical transducer which consists of the magnetoelastic core 2 and the coil surrounding it 4 with flux guide plate 12 and permanent magnet 13, mechanically directly coupled via the insulator 3. The mains voltage fed in at the base contacts 8.1 and 8.2 passes via the chip connections 9 to the two-pulse voltage rectifier IC 5, which supplies the monolithic multilayer actuator 1 via the contact 6. The LED multichip module 11 is supplied with the generated voltage from the coil connections 10. Since most of the heat loss is generated by the LED multichip module 11, a heat conductor 16 is provided for better heat dissipation and distribution. The housing 18 is metallized on the inside, in the radiation region of the LED multichip module 11, and is designed as a reflector 19. A transparent cap 20, which can be made of both synthetic and mineral glass, ensures the hermetic closure of the LED lamp.
Die Funktionsabläufe bei der Umwandlung der Spannung wurden bereits in der Beschreibung Figur 1 - Darstellung des Wirkprinzips - eingehend erläutert.The functional sequences during the conversion of the voltage have already been explained in detail in the description of FIG. 1 - representation of the principle of action.
Figur 3 gibt noch einmal in idealisierter Form den Strom-Spannungsablauf am Vielschichtaktor 1 wider und macht deutlich, warum das Produkt aus Strom und Spannung Null ergibt. Real hat ein monolithischer Vielschichtaktor 1 einen Verlustfaktor von tan δ = 0,05 ... 0,08, was dem Verhältnis von Verlustleistung zu Blindleistung entspricht.Figure 3 shows again in an idealized form the current-voltage sequence at the multilayer actuator 1 and makes it clear why the product of current and voltage results in zero. In real terms, a monolithic multilayer actuator 1 has a loss factor of tan δ = 0.05 ... 0.08, which corresponds to the ratio of power loss to reactive power.
Figur 4 zeigt den prinzipiellen Schaltungsaufbau des integrierten Zweipuls- Spannungsgleichrichters-IC 5. Über die Dioden D der Steuerbrücke erfolgt die Gleichrichtung der Spannung und während des Spannungsanstiegs fließt über die Dioden D der Ladestrom in den monolithischen Vielschichtaktor 1. Über die antiparallel geschalte- ten Thyristoren Th, welche netzgesteuert sind, wird der Entladestrom des monolithischen Vielschichtaktors 1 während des Absinkens der Spannung wieder ins Versorgungsnetz gespeist. Eine Steuerbrücke auf Basis von MOSFET's ist ebenfalls möglich.FIG. 4 shows the basic circuit structure of the integrated two-pulse voltage rectifier IC 5. The rectification of the voltage takes place via the diodes D of the control bridge, and during the voltage rise the charging current flows into the monolithic multilayer actuator 1 via the diodes D. ten thyristors Th, which are network-controlled, the discharge current of the monolithic multilayer actuator 1 is fed back into the supply network during the drop in voltage. A control bridge based on MOSFETs is also possible.
Die LED-Lampe gemäß dieser Erfindung läßt sich auch bei größerer Lichtstärke in ein kompaktes und von der Bauform her kompatibles Gehäuse mit Standardsockel bringen. Ebenso ist eine Miniaturisierung entsprechend der gewünschten Lichtleistung möglich. Der einfache und modulare Aufbau der LED-Lampe schafft günstige Voraussetzungen für eine automatisierte Massenfertigung. Da der Piezo-Vielschichtaktor das Stromversor- gungsnetz größtenteils nur kapazitiv belastet, ist die verbrauchte Wirkleistung dementsprechend klein, was für den Nutzer ein Kostenvorteil ist. The LED lamp according to this invention can also be brought into a compact housing with a standard base which is compatible in terms of its construction, even with greater light intensity. Miniaturization according to the desired light output is also possible. The simple and modular design of the LED lamp creates favorable conditions for automated mass production. Since the piezo multi-layer actuator only has a capacitive load on the power supply network, the active power consumed is correspondingly small, which is a cost advantage for the user.
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LegendeLegend
1 monolithischer Vielschichtaktor1 monolithic multilayer actuator
2 magnetoelastischer Kern2 magnetoelastic core
3 Isolator3 isolator
4 Spule4 spool
5 Zweipuls-Spannungsgleichrichter-IC5 two-pulse voltage rectifier IC
6 Kontaktierung6 contacting
7 Isolatorplatte7 insulator plate
8.1 Sockelkontakt 18.1 Base contact 1
8.2 Sockelkontakt 28.2 Base contact 2
9 Chipanschluß9 chip connection
10 Spulenanschluß10 coil connection
11 LED-Multichip-Modul11 LED multichip module
12 Flußleitplatte12 flow guide plate
13 Permanentmagnet13 permanent magnet
14 Piezo-Halterung14 Piezo holder
15 Magnet-Halterung15 Magnet holder
16 Wärmeleiter16 heat conductors
17 Kühllamellen17 cooling fins
18 Gehäuse18 housing
19 Reflektor19 reflector
20 Klarsichtkappe20 transparent cap
21 Schlitz21 slot
22 Feingewinde 22 fine threads

Claims

Patentansprüche claims
1. LED-Lampe, bestehend aus einem elektromechanischen Wandler, aus einem Isolator und aus einem magnetomechanischen Wandler, welcher sich aus einem magne- tostriktiven Kern und der ihn umgebenden Spule einschließlich Magnetkreis zusammensetzt, wobei die Wandlerelemente in Achsrichtung hintereinander angeordnet und in einer mechanischen Halterung fest miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,1. LED lamp, consisting of an electromechanical transducer, an insulator and a magnetomechanical transducer, which is composed of a magnetically restrictive core and the coil surrounding it, including a magnetic circuit, the transducer elements being arranged one behind the other in the axial direction and in a mechanical holder are firmly connected, characterized in that
- dass der elektromechanische Wandler aus einem monolithischen Vielschichtaktor (1) besteht,- That the electromechanical converter consists of a monolithic multilayer actuator (1),
- dass der Isolator (3) und die Isolatorplatte (7) aus Keramik oder einem glasartigen Werkstoff bestehen,- That the insulator (3) and the insulator plate (7) consist of ceramic or a glass-like material,
- dass der magnetoelastische Kern (2) aus einem positiv supermagnetostriktiven Werkstoff besteht,- That the magnetoelastic core (2) consists of a positive supermagnetostrictive material,
- dass eine thermomechanische Temperaturkompensation gegeben ist,- that there is thermomechanical temperature compensation,
- dass eine Zweipuls-Spannungsgleichrichterschaltung (5) in Form eines Chips integriert ist und- That a two-pulse voltage rectifier circuit (5) is integrated in the form of a chip and
- dass ein LED-Multichip-Modul (11) in Chip-on-board-Technologie eingesetzt ist.- That an LED multichip module (11) is used in chip-on-board technology.
2. LED-Lampe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,2. LED lamp according to claim 1, characterized in
- dass der monolithische Vielschichtaktor (1) mit einer gleichgerichteten Netzspannung betrieben wird, wodurch er sich entsprechend dem sinusförmigen Verlauf der Netzspannung ausdehnt und wieder zusammenzieht,that the monolithic multi-layer actuator (1) is operated with a rectified mains voltage, whereby it expands and contracts again in accordance with the sinusoidal profile of the mains voltage,
- dass dadurch der magnetoelastische Kern zusammengedrückt und wieder entlastet wird und- That the magnetoelastic core is thereby compressed and relieved and
- dass die Spule (4), welche den magnetoelastischen Kern (2) umgibt, durch das Zusammendrücken und Entlasten des magnetoelastischen Kerns (2) eine Spannung erzeugt.- That the coil (4) which surrounds the magnetoelastic core (2) generates a voltage by compressing and relieving the magnetoelastic core (2).
3. LED-Lampe nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Zweipuls- Spannungsgleichrichter-IC (5) einen Ladestrom und einen entgegengesetzt fließenden Entladestrom zum monolithischen Vielschichtaktor (1) zuläßt, so dass die nicht umgewandelte und noch in Form von Ladung vorhandene Energie in das Versorgungsnetz zurückfließt. 3. LED lamp according to claim 1 and 2, characterized in that the two-pulse voltage rectifier IC (5) allows a charging current and an oppositely flowing discharge current to the monolithic multilayer actuator (1), so that the unconverted and still in the form of charge Energy flows back into the supply network.
4. LED-Lampe nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der monolithische Vielschichtaktor (1) für eine gleichgerichtete sinusförmige Spannung mit einem Effektivwert von 115V oder 230V bzw. eine Spitzenspannung von +180V oder +360V ausgelegt ist.4. LED lamp according to claim 1 and 2, characterized in that the monolithic multilayer actuator (1) is designed for a rectified sinusoidal voltage with an effective value of 115V or 230V or a peak voltage of + 180V or + 360V.
5. LED-Lampe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der monolithische Vielschichtaktor (1) für eine sinusförmige Wechselspannung mit einem Effektivwert von 115V oder 230V bzw. eine Spitzenspannung von ±180V oder +360V ausgelegt ist.5. LED lamp according to claim 1, characterized in that the monolithic multilayer actuator (1) is designed for a sinusoidal AC voltage with an effective value of 115V or 230V or a peak voltage of ± 180V or + 360V.
6. LED-Lampe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Halterung der Funktionselemente als Hohlzylinderkon- struktion ausgeführt ist, dass die mechanische Vorspannung über die Schraubverbindung mit Feingewinde (22) von der Piezo-Halterung (14) und der Magnet-Halterung (15) erzeugt wird und - dass im Bereich des magnetomechanischen Wandlers ein Schlitz (21) in Längsrichtung in der zylindrischen Magnet-Halterung (15) eingebracht ist.6. LED lamp according to claim 1, characterized in that the mechanical holder of the functional elements is designed as a hollow cylinder construction, that the mechanical bias via the screw connection with fine thread (22) of the piezo holder (14) and the magnet holder ( 15) is generated and - that in the area of the magnetomechanical transducer a slot (21) is made in the longitudinal direction in the cylindrical magnet holder (15).
7. LED-Lampe nach Anspruch 1,4,5 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass zur Vormagnetisierung des magnetoelastischen Kerns (2) ein Permanentmagnet (13) in den Magnetkreis des elektromechanischen Wandlers eingebracht ist.7. LED lamp according to claim 1, 4, 5 and 6, characterized in that a permanent magnet (13) is introduced into the magnetic circuit of the electromechanical transducer in order to premagnetize the magnetoelastic core (2).
8. LED-Lampe nach Anspruch 1 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass zur thermome- chanischen Temperaturkompensation die mechanische Halterung aus einer Legierung oder einem Verbundwerkstoff mit angepaßter thermischer Längendehnung besteht.8. LED lamp according to claim 1 and 6, characterized in that the mechanical holder for thermomechanical temperature compensation consists of an alloy or a composite material with adapted thermal elongation.
9. LED-Lampe nach Anspruch 1 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass ein Bimetall zur thermomechanischen Temperaturkompensation eingesetzt ist.9. LED lamp according to claim 1 and 6, characterized in that a bimetal is used for thermomechanical temperature compensation.
10. LED-Lampe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionselemente unter Einschluß von extrem trockener Luft in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse untergebracht sind. 10. LED lamp according to claim 1, characterized in that the functional elements, including extremely dry air, are accommodated in a hermetically sealed housing.
1. LED-Lampe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Ableitung der Verlustwärme ein Wärmeleitmedium eingebracht ist. 1. LED lamp according to claim 1, characterized in that a heat conducting medium is introduced to dissipate the heat loss.
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