WO2009152916A1

WO2009152916A1 - Led-modul für die allgemeinbeleuchtung

Info

Publication number: WO2009152916A1
Application number: PCT/EP2009/003665
Authority: WO
Inventors: Erwin Baumgartner; Franz Schrank
Original assignee: Lumitech Produktion Und Entwicklung Gmbh
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2009-12-23
Also published as: DE102008025864A1

Abstract

LED Modul für die Allgemeinbeleuchtung zur Erzeugung von weißem Licht hoher Qualität und guter Farbwertwiedergabe, bestehend aus mindestens zwei Lumineszenz-Konversions-LED. Die additive Mischung der verschiedenen Lichtfarben erzeugt einen Weißpunkt, der möglichst genau auf der Planck'schen Kurve liegt. Zur Anregung werden vorteilhaft nur LEDs einer Sorte verwendet, bevorzugt blaue LEDs. Die Intensität der einzelnen Lichtfarben ist durch eine getrennte Ansteuerung einstellbar, dabei liegt mindestens ein Farbort oberhalb der Planck'schen Kurve und mindestens ein Farbort unterhalb der Planck'schen Kurve.

Description

LED Modul für die Allgemeinbeleuchtung

Das CIE-Normvalenzsystem oder CIE-Normfarbsystem ist die Definition der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE - Commission internationale de l'eclairage), Farben beruhend auf dem menschlichen

Farbwahrnehmungsapparat darzustellen. Diese Darstellung erlaubt es einen Farbort mit 2 Koordinaten darzustellen Abb. 1 zeigt die CIE 1931 -Normfarbtafel. Die Abszisse stellt den x-Wert des CIE 1931 Diagramms dar- die Ordinate den y-Wert des CIE 1931 Diagramms.

Die CIE Normfarbtafel.

Die in der Grafik Abbildung 1 verwendete Färbung der Wertebereiche ist nur zur groben Orientierung innerhalb des Farbraumes gedacht. Die auf Ausgabegeräten darstellbaren Farben beschränken sich auf eine dreieckige Fläche im Inneren der Grafik; die Abbildung ist farblich also auf das Monitor- Gamut herunter skaliert. Die sattest-möglichen (kräftigsten) Farbtöne befinden sich an den Kanten des jeweiligen Dreiecks.

Um den vom Betrachter wahrgenommenen dreidimensionalen Farbraum übersichtlicher (nach Farbart) darstellen zu können, wurde die zweidimensionale CIE Normfarbtafel entwickelt. Dabei wird die dritte Komponente z für jeden Punkt der Farbtafel rechnerisch aus den beiden anderen durch die Beziehung x + y + z = 1 ermittelt. Die hufeisenförmige, auch schuhsohlenförmige Fläche möglicher Farben ist bei der CIE Normfarbtafel auf einem Koordinatensystem aufgetragen, auf dem x- und y-Anteil (der CIE- genormten theoretischen Grundfarben X (rot), Y (grün) und Z (blau), siehe CIE XYZ-Farbraum) einer beliebigen Farbe P direkt abgelesen werden können. Durch die Grundbedingung x + y + z = 1 lässt sich der z-Anteil jeweils rechnerisch (z = 1 - x - y) ermitteln. Die Gesamtheit möglicher Farben (ohne Beachtung der Hell-Dunkel-Varianten) werden durch die das Hufeisen umgrenzende Spektralfarblinie (spektral reine Farben) sowie die untere Purpurlinie eingefasst.

Zentraler Bezugspunkt der Tafel ist der in jeder Farbmesssituation wesentliche Weißpunkt W. Der im Diagramm mit W gekennzeichnete Punkt ist dabei derjenige theoretische Weißpunkt, der alle drei Farben zu je 1/3 (x, y und z = 0,333...) enthält. Je nach Beleuchtungssituation kann sich der Weißpunkt allerdings praktisch überall innerhalb des Hufeisens befinden, technisch von Bedeutung ist jedoch nur die Black-Body Kurve (Planck'sche Kurve 1), in deren Verlauf die Farben als Temperatur eines idealen Strahlers (schwarzer Körper) in Kelvin angegeben wird.

DEFINITIONEN

Standardfarbtemperaturen:

Standardisierte Farben mit folgenden korrelierten Farbtemperaturen können mit x,y- Koordinaten wie folgt dargestellt werden:

Tabelle: CIE 1931 Koordinaten von Standardfarbtemperaturen

Phosphore:

Darunter versteht man - im Zusammenhang mit LEDs - allgemein Leuchtstoffe (Luminophore), die die Strahlung einer bestimmten Wellenlänge absorbieren und Strahlung in einer anderen Wellenlänge aussenden (emittieren). Die emittierte Strahlung hat in der Regel eine größere Wellenlänge. Die Anregung des Phosphors erfolgt dabei im UV Bereich oder auch im sichtbaren Bereich, erhältliche Phosphore werden meist in weiten Wellenlängenbereichen angeregt, man spricht von Anregungsspektren. Auch die Emission erfolgt nicht bei einer Wellenlänge, sondern auch über einen bestimmten Wellenlängenbereich. So werden zur Charakterisierung der Phosphore immer mehrere Kenngrößen angegeben, wie Peak-Wellenlänge, dominante Wellenlänge, Halbwertsbreite (Bereich in nm bei einer Intensität von 50% des Maximums) oder Farbort in der CIE Normfarbtafel. Die Emissionswellenlänge bestimmt die Farbe des ausgesendeten Lichtes. Die Quantenausbeute gibt an, welche Anteile der absorbierten Strahlung wieder emittiert werden.

Für die Erzeugung von weißem Licht mit LEDs sind vor allem solche Typen von Interesse, die eine primäre Strahlung mit einer dominanten Wellenlänge von ca. 460 nm absorbieren und Licht im Wellenlängenbereich von 500 bis 650 nm Peakwelienlänge emittieren. Derartige Lösungen sind in einer großen Anzahl von Patenten beschrieben, beispielhaft wird hier auf die Patente WO02/054502A1 oder der DE19638667C2 verwiesen.

Beispielhaft sind in der folgenden Tabelle Phosphore dargestellt:

Tabelle: Peak-Wellenlängen und CIE 1931 Koordinaten von Phosphoren (Beispiele)

Gruppe B:

Gruppe B ist eine Leuchtdiode oder mehrere Leuchtdioden mit einer dominanten Wellenlänge im Wertebereich zwischen 430nm-480nm.

Ebenso kann Gruppe B durch mehrere Leuchtdioden mit unterschiedlichen dominanten Wellenlängen im Wertebereich zwischen 430-480nm gebildet werden. Gruppe G:

Gruppe G ist eine Leuchtdiode oder mehrere Leuchtdioden mit einer dominanten Wellenlänge im Wertebereich zwischen 500nm-570nm. Ebenso kann Gruppe G durch mehrere Leuchtdioden mit unterschiedlichen dominanten Wellenlängen im Wertebereich zwischen 500-570nm gebildet werden.

Gruppe R: Gruppe R ist eine Leuchtdiode oder mehrere Leuchtdioden mit einer dominanten Wellenlänge im Wertebereich zwischen 571 nm-650nm. Ebenso kann Gruppe R durch mehrere Leuchtdioden mit unterschiedlichen dominanten Wellenlängen im Wertebereich zwischen 571-650nm gebildet werden.

Gruppe P:

Gruppe P ist eine Leuchtdiode oder mehrere Leuchtdioden wobei Leuchtdioden der Gruppe B Phosphore anregen. Die Emissionsfarbe (Farbort im CIE Farbdiagramm) wird durch die Art des Phosphors und die Menge des Phosphors bestimmt. LEDs der Gruppe P werden auch mit den Begriffen Phosphor LED und Lumineszenz-Konversions-LED bezeichnet.

Primäre LED:

LEDs der Gruppen B, G und R werden auch als primäre LEDs bezeichnet, weil die Emission direkt genutzt wird.

Sekundäre LED:

LEDs der Gruppe P werden auch als sekundäre LEDs bezeichnet weil die Emission der LED (Primärstrahlung) von einem Phosphor absorbiert wird und in einem anderen Wellenlängenbereich emittiert wird (Sekundärstrahlung).

Weißes Licht:

Farborte auf oder in der Nähe der Plank'schen Kurve sind weißes Licht. Die Planck'sche Kurve beschreibt die von einem schwarzen Körper abgegebene Temperaturstrahlung, angegeben als Reihe von Farborten in der CIE - Normfarbtafel. Diese Farben werden vom menschlichen Betrachter als weiß empfunden. Der maximale Abstand von der Plank'schen Kurve, der noch als weiß empfunden wird, ist hier mit Mac Adams 10 begrenzt (übliche Angabe von Toleranzfeldern für Lichtquellen, je kleiner die Zahl nach Mac Adams, desto kleiner ist das Toleranzfeld).

Einleitung:

Meist stehen bei Leuchtmitteln und deren Entwicklung technische Kenngrößen und Details im Vordergrund. Es wird versucht, messbare Größen wie Helligkeit, Effizienz, Farbwertwiedergabe und andere Werte zu optimieren. Die Bedürfnisse der Nutzer und deren subjektive Empfindungen werden, zumindest in der Entwicklung der Leuchtmittel, wenig berücksichtigt. Diese Aspekte werden meist erst in der Konstruktion und Auslegung der Leuchten, also sehr viel später, berücksichtigt. Die Möglichkeiten des Leuchtendesigners beschränken sich aber im Wesentlichen auf die Auswahl des Leuchtmittels und den Einsatz von Optikkomponenten und Filter.

Im Betrieb kann der Nutzer im günstigen Fall die Helligkeit des Leuchtmittels entsprechend seiner Bedürfnisse einstellen. Glühlampen sind mit handelsüblichen Dimmeinrichtungen einfach in weiten Bereichen der Helligkeit regelbar. Energiesparlampen sind meist nicht in der Intensität regelbar. Die Möglichkeit, die korrelierte Farbtemperatur zu regeln, bietet weder die Glühlampe noch die Halogenlampe noch die Energiesparlampe.

LED Module können, wie die weiter unten beschriebenen, erfindungsgemäßen LED Module, so ausgeführt sein, dass der Nutzer die Farbtemperatur in weiten Bereichen einstellen kann. Dies wird durch die getrennte Ansteuerung verschiedener Emissionsfarben erreicht. Im Vergleich zu einer Filtertechnologie werden hierbei größere Einbußen der Effizienz vermieden.

Für den Einsatz als Leuchtmittel für die Allgemeinbeleuchtung muss die Emissionsfarbe dem Planck'schen Strahlungsgesetz für einen Temperaturstrahler möglichst nahe kommen. Denn nur Farben entlang der Planck'schen Kurve werden vom menschlichen Betrachter als weiß empfunden.

Im erfindungsgemäßen Modul werden die einzelnen Emissionsfarben durch die Emission geeigneter Phosphore erreicht, die Anregung erfolgt für alle eingesetzten Emissionsfarben mit blauen LEDs. Dies ermöglicht Vorteile, die durch die additive Mischung der Emission von roten, grünen und blauen LEDs nicht erreicht werden können.

Stand der Technik:

Weißes LED Licht kann durch die additive Mischung der drei Farben Rot, Grün und Blau erzeugt werden (im Folgenden als RGB Lösung bezeichnet). RGB LED-Lösungen zeichnen sich durch geringe Farbwiedergabe aus. Eine Verbesserung der Farbwiedergabe ist möglich, wenn mehr als die drei Grundfarben gemischt werden (z.B.: RGBA). Mit diesen Ausführungsformen können alle Punkte des durch die LEDs aufgespannten Farbraums und somit alle Farborte des darin eingeschlossenen Abschnittes der Planck'schen Kurve eingestellt werden. Um eine stabile Emission zu erhalten ist ein großer Regelbzw. Steueraufwand notwendig, begründet durch die unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten der jeweiligen LEDs und das unterschiedliche Degradationsverhalten der LEDs über die Betriebsstunden.

In der Phosphorkonversions-Technologie (im Folgenden als Phosphor LED bezeichnet bzw. LEDs der Gruppe P) wird ein Teil des primären blauen Lichtes von einem Konversionsleuchtstoff aufgenommen und als Licht in einem höheren Wellelängenbereich wieder emittiert. Bei der richtigen Mischung von blauen LEDs mit Phosphoren kann weißes Licht erzeugt werden. Die breitere Emission der Phosphore erzeugt ein kontinuierlicheres Spektrum - die Farbwiedergabe ist höher als bei RGB Lösungen. Die einfachste Ausführungsform der Phosphor LED ist eine blaue LED und die Mischung unterschiedlicher Phosphore. Damit kann ein Farbort auf der Planck'schen Kurve eingestellt werden (LEDs der Gruppe P).

Mit dem Gegenstand der DE 200 23 554 U1 wird vorgeschlagen, eine weiß leuchtende LED dadurch zu erhalten, dass eine LED eine primäre Strahlung im Bereich zwischen 370 bis 430 nm erzeugt (UV Bereich), wobei diese Strahlung unter Zuhilfenahme mindestens eines Leuchtstoffes in längerwellige, sichtbare Strahlung konvertiert wird. In der bevorzugten Ausführungsform werden drei Phosphore eingesetzt, die additive Mischung der drei Phosphoremissionen ergibt dann weißes Licht. Nachteilig einer derartigen Konstruktion ist die geringe Effizienz der UV LEDs.

Auch mit LEDs der Gruppe P können Module mit veränderlicher Farbtemperatur aufgebaut werden. Eine bekannte Ausführungsform besteht aus einer 2700K und einer 6500K LED der Gruppe P. Damit können durch die Mischung verschiedener Anteile der jeweiligen LEDs unterschiedliche Farbtemperaturen eingestellt werden. Der größte Nachteil dieser Konstruktion ist, dass die

Farborte nicht auf der Planck'schen Kurve liegen, da die Nicht-Linearität der Plank'schen Kurve nicht durch 2 Punkte abgebildet werden kann. Die

Abweichungen der Farborte von der Planck'schen Kurve können so groß sein, dass dies für den menschlichen Betrachter kein weißes Licht mehr ist.

Die Hybridtechnologie versucht die Vorteile der Phosphor LEDs mit der RGB Technik zu verbinden. In einer bekannten Ausführung wird eine 6500K Phosphor LED mit RGB kombiniert. Die Farbwiedergabe des Lichtes und auch die Effizienz sind gut, die Lichtfarbe kann im Bereich von 2800K bis 6500K variiert werden. Die Konstruktion ist allerdings komplex, eine komplexe Steuerung, Regelung ist erforderlich.

Die Kombination von 3200K Phosphor LED und grünen und blauen LEDs (GB) ist auch bekannt. Es wird dynamisches Licht mit hoher Farbwiedergabe im Bereich 3200K bis 6500K erzielt, die Effizienz ist im Vergleich zur vorigen Lösung geringer (aber auch bei geringerer Komplexität). Die in der deutschen Patentanmeldung DE102007043355.9 beschriebene Ausführungsform einer grün-gelben Phosphor LED sehr guter Effizienz kombiniert mit blauen und roten LEDs kann Weißlicht mit Farbtemperaturen zwischen 2700K und 6500K mit hohem Ra erzeugen. Die Effizienz dieser Hybridlösung ist sehr gut, die Komplexität ist vergleichsweise gering. Die Kombination verschiedenartiger LEDs ist jedoch wegen des damit verbundenen unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten nachteilig.

ERFINDUNG

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein weißes Licht sehr hoher Qualität mit LEDs zu erzeugen. Dies gelingt erfindungsgemäß durch die additive Mischung von mindestens zwei unterschiedlichen Phosphoremissionen.

Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die nachfolgend geschilderte technische Lehre gekennzeichnet.

Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.

Es zeigen: Abbildung 1 : die CIE 1931 Normfarbtafel

Abbildung 2: CIE 1931 Normfarbtafel mit Einzeichnung der Kombination von zwei LEDs der Gruppe P

Abbildung 3: Spektrum einer LED der Gruppe P mit „grüner

Phosphoremission"

Abbildung 4: Spektrum einer LED der Gruppe P mit „gelber

Phosphoremission"

Abbildung 5: Spektrum einer LED der Gruppe P mit „roter

Phosphoremission" Abbildung 6: Spektrum der Kombination von drei LEDs der Gruppe P

Abbildung 7: CIE 1931 Normfarbtafel mit Einzeichnung von drei LEDs der Gruppe P

Abbildung 8: CIE 1931 Normfarbtafel mit Einzeichnung von zwei LEDs der Gruppe P und eine der Gruppe R Abbildung 9: CIE 1931 Normfarbtafel der LEDs der Gruppe P mit

Darstellung von drei LEDs

Abbildung 10: CIE 1931 Normfarbtafel mit Darstellung von drei LEDs der

Gruppe P und der Gruppe G

Abbildung 11 : CIE 1931 Normfarbtafel der LEDs der Gruppe P und

Gruppe B

Abbildung 12: CIE 1931 Normfarbtafel eines Modules, geeignet als Ersatz für Glühbirnen und Halogenlampen mit Farbtemperaturen zwischen 2700K und 3300K

Abbildung 13: Schaltplan mit 10 LEDs, die getrennt voneinander steuer- und regelbar sind.

In Abbildung 1 ist die bekannte CIE 1931 Normdarstellung gezeichnet, wobei etwa bei Position 2 eine blaue Grundfarbe, bei Position 3 eine grüne Grundfarbe und bei Position 4 eine rote Grundfarbe vorhanden ist.

In dem mittleren Teil der Farbabbildung ist die Planck'sche Kurve 1 mit Darstellung verschiedener Farbtemperaturen dargestellt. Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist nun, unter Zuhilfenahme von mindestens zwei sekundären LEDs einen vorbestimmten Farbort auf der Planck'schen Kurve reproduzierbar mit geringen Toleranzen einstellen zu können.

Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, die Farbtemperatur des emittierten Lichtes durch die additive Mischung von mindestens drei LEDs regeln zu können. Hierbei sind bevorzugt drei sekundäre LEDs vorhanden, in einer alternativen Ausführung können auch zwei sekundäre LEDs mit einer primären LED kombiniert werden.

Das erfindungsgemäße LED Modul basiert somit auf mindestens 2 sekundären LEDs der Gruppe P unterschiedlicher Emissionsfarben. In Abbildung 2 wird diese Ausführungsform schematisch dargestellt. Dadurch werden die Farborte P2 und P3 in der CIE Normfarbtafel erzeugt. Zur Anregung der Phosphore werden mindestens zwei LEDs der Gruppe B eingesetzt. Somit werden Farbänderungen bedingt durch unterschiedliche Temperaturkoeffizienten der LEDs, sowohl Wellenlängenänderungen als auch Änderungen der Intensität, von vornherein vermieden.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist, dass man mit einer entsprechenden Ansteuerelektronik für die mindestens zwei angegebenen sekundären LED- Lichtquellen eine exakte Ansteuerung eines Farbortes erreicht, der genau auf der Planck'schen Kurve liegt. Dazu wird für jede sekundäre LED der Strom so eingestellt, dass die additive Mischung der einzelnen Intensitätsanteile reproduzierbar den gewünschten Farbort auf der CIE Normfarbtafel ergibt.

Es muss daher - entgegen den Lösungen nach dem Stand der Technik - kein aufwendiges Sortieren der hergestellten LED's durchgeführt werden. Dieses Sortieren wird allgemein „Binning" genannt, die Gesamtzahl der produzierten LED's wird in unterschiedliche Farbtemperaturklassen aufgeteilt.

Ein Teil der Toleranzen entsprechend den Lösungen nach dem Stand der Technik beruht auf den produktionsbedingten Schwankungen der LED's der Gruppe B. Diese können zur Reduktion der Toleranzen auch in verschiedenen Klassen (Binning) eingekauft und eingesetzt werden. Ein weiterer Beitrag zur gesamten Toleranz wird durch die Streuung der aufgebrachten Menge an Phosphor verursacht.

Das erfindungsgemäße LED Modul bietet entscheidende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Die verbauten LEDs müssen nicht in Klassen sortiert werden, der aufwendige Sortierprozess kann entfallen. Die Anforderungen an die Prozesse in der Aufbringung der Phosphore sind nicht so streng. Zudem kann die Ausbeute erhöht werden, weil durch die abschließende, elektronische Justierung des Farbortes der Ausschuss bedingt durch Abweichungen des Farbortes vermieden werden kann.

In einer Weiterbildung der Erfindung werden jedoch nicht nur zwei Farborte definiert, sondern drei Farborte. Dadurch wird es möglich, dass alle Emissionsfarben innerhalb des Dreieckes der drei Farborte in der CIE Normfarbtafel eingestellt werden können. Diese Ausführungsform wird für eine LED Weißlichtquelle mit einstellbarer Farbtemperatur an Hand von mehrerer Abbildungen im folgenden genauer beschrieben.

Um mehrere Punkte auf der Planck'schen Kurve (nicht linear) einstellen zu können werden mindestens drei Emissionsfarben benötigt, die ein Dreieck über einen bestimmten Abschnitt der Planck'schen Kurve aufspannen. In der Abbildung 6 ist das Spektrum eines Ausführungsbeispieles dargestellt. In den Abbildungen 3, 4 und 5 sind die Einzelspektren der Phosphor LEDs mit der Emission in den Farben grün, gelb und rot dargestellt. Die additive Mischung entsprechender Intensitätsanteile ergibt das „Summenspektrum" der Abbildung 6, der Farbort in der CIE Normfarbtafel der Abbildung 7 ist x = 0,37, y = 0,37, die korrelierte Farbtemperatur ist 4200K.

In der Abbildung 3 ist ein Spektraldiagramm dargestellt und zwar der LEDs der Gruppe P, die eine grüne Phosphoremission aufweisen. Hierbei ist erkennbar, dass bei Position 5 die Emission der blauen LED vorherrscht, während bei Position 6 die Emission des grünen Phosphors zu sehen ist. Diese Spektralverteilung nach Abbildung 3 bildet dann einen Farbort mit der Bezeichnung P1 in der CIE Normfarbtafel der Abbildung 7.

In der Abbildung 4 ist bei Position 7 die Emission der blauen LED erkennbar, bei Position 8 ist der Lichtanteil des gelben Phosphors dargestellt.

Bei Abbildung 5 ist bei Position 9 die Emission der blauen LED erkennbar, während bei Position 10 die Emission des roten Phosphors erkennbar ist.

In Abbildung 6 ist bei Position 11 die Emission der blauen LED erkennbar, wie sie bereits schon in der Abbildung 3 bei Position 5 erkennbar war, während im Zwischenraum zwischen den Positionen 12 und 13 die Mischung der drei Anteile grün, gelb und rot aus den Abbildungen 3 bis 5 erkennbar ist.

Das dargestellte Spektrum stellt einen Farbort in der CIE Normfarbtafel dar, der genau auf der Planck'schen Kurve liegt. Im gezeigten Beispiel wird eine Farbtemperatur von 4200K erreicht. Dies bedeutet, dass über die elektronische Ansteuerung vorbestimmte Intensitätsanteile aus den Abbildungen 3 bis 5 in der additiven Mischung zu einer Spektralverteilung gemäß Abbildung 6 führen. Jeder Farbort innerhalb des eingeschlossenen Dreieckes in Abbildung 7 kann eingestellt werden, somit auch alle Farborte auf der Planck'schen Kurve innerhalb der durch die Punkte P1 , P2 und P3 definierten Dreiecksfläche.

Bezogen auf den Verlauf der Planck'schen Kurve liegen zwei Farborte der Gruppe P über der Planck'schen Kurve und ein Farbort der Gruppe P unter der

Planck'schen Kurve. Durch Addition entsprechender Intensitätsanteile kann jeder Punkt auf der Planck'schen Kurve innerhalb des aufgespannten Dreieckes eingestellt werden. Bezogen auf weißes Licht, können im gezeigten Beispiel alle korrelierten Farbtemperaturen zwischen 6500K und 3000K eingestellt werden.

Wie aus der Abbildung 6 ersichtlich ist, liegt ein großer Vorteil dieser Ausführung in der spektralen Verteilung. Es kommen alle Wellenlängen im sichtbaren Bereich vor. Somit ist die Verteilung ähnlich dem natürlichen Sonnenlicht und einer Glühlampe, die einen künstlichen Temperaturstrahler bildet.

Dieses, in erster Näherung fast kontinuierliche Spektrum, ergibt eine sehr gute Farbwertwiedergabe und ein Ra von mehr als 90 im vorgesehenen Steuerbzw. Regelbereich.

Die in den Abbildungen gezeigten Spektren sind willkürliche Beispiele. Geeignet sind alle Kombinationen von drei Phosphoren im blaugrünen, gelben und roten Bereich, die ein genügend großes Dreieck im Farbraum ergeben, sodass auch ein hinreichend großer Regelbereich zum Treffen der Planck'schen Kurve und entlang der Planck'schen Kurve erhalten wird.

Eine weitere Ausführungsform ist in Abbildung 8 dargestellt: Zwei Farborte der Gruppe P liegen über der Planck'schen Kurve und sind kombiniert mit LEDs der Gruppe R.

In der Ausführung nach Abbildung 8 sind zwei Farborte P1 und P2 erkennbar, die den vorherigen spektralen Verteilungen nach den Abbildungen 3 und 4 entsprechen.

Ein dritter Farbort R1 ist durch eine LED der Gruppe R ergänzt. Der Vorteil dieser Lösung ist, dass die Effizienz im warmweißen Bereich gegenüber dem vorherigen Ausführungsbeispiel verbessert ist. Unter dem Begriff „effizient" wird die fotometrische Effizienz verstanden, und zwar ausgedrückt in der Einheit Lumen/W. Nachteilig ist allerdings, dass in dieser Ausführungsform unterschiedliche Sorten von LEDs eingesetzt werden. Dadurch treten bei Temperaturänderungen auch Farbveränderungen auf, bei Bedarf müssen diese Abweichungen von der Planck'schen Kurve korrigiert werden.

In der Abbildung 9 sind wiederum drei weitere Farborte P4, P5 und P6 dargestellt. Der Farbort P4 ergibt sich aus einer blauen LED + Phosphor. Der Farbort des Punktes P5 ergibt aus ebenfalls einer blauen LED + Phosphor und ebenso ergibt sich der Farbort P6 ebenso aus einer blauen LED + Phosphor.

Der Unterschied des Ausführungsbeispieles ist, dass damit nun ein einziger Farbort P4 oberhalb der Planck'schen Kurve 1 und zwei Farborte P5 und P6 unterhalb der Planck'schen Kurve erreicht werden.

Bei den Farborten nach P5 und P6 werden hierfür rote Phosphore verwendet, während beim Farbort nach P4 grüne Phosphore verwendet werden. Dies ist ein Unterschied zu der Abbildung 7, weil bei der Abbildung 7 lediglich ein durch Phosphor erzeugter Farbort P3 unterhalb der Planck'schen Kurve angesiedelt ist.

Werden entsprechend Abbildung 9 zwei rote Phosphore verwendet, können zusätzliche Flächenbereiche in der CIE Normfarbtafel realisiert werden. Dies ermöglicht eine größere Gestaltungsvielfalt als dies alleine mit Lösungen der vorherigen Ausführungsbeispiele erreichbar ist.

Eine weitere Ausführungsform ist in Abbildung 10 dargestellt: Zwei Farborte der Gruppe P (P5 und P6) liegen unter der Planck'schen Kurve und sind kombiniert mit LEDs der Gruppe G.

Die Abbildung 10 ist eine Variante der Abbildung 9, wo erkennbar ist, dass die Farborte P5 und P6 beibehalten wurden, wobei aber lediglich der Farbort P4 durch eine grüne LED der Gruppe G ausgetauscht wurde.

Aufgrund des Austausches des Farbortes P4 gegen eine LED der Gruppe G (grün) ergibt sich eine verbesserte Sättigung im grüngelben Bereich des Farbspektrums.

Die Abbildung 11 zeigt ein erweitertes Ausführungsbeispiel, bei dem die Farborte P7 und P8 in Verbindung mit einem Farbort B1 verwendet werden. Ein Farbort der Gruppe P (P7, gelb) liegt über der Planck'schen Kurve, ein weiterer Farbort der Gruppe P (P8, rot) liegt unter der Planck'schen Kurve. Die LEDs der Gruppe P sind kombiniert mit LEDs der Gruppe B.

Der Farbort P7 ergibt sich aus einer blauen LED mit einem gelben Phosphor, während der Farbort P8 sich aus einer blauen LED mit rotem Phosphor ergibt.

Schließlich ergibt sich der Farbort B1 aus einer blauen LED allein, die nicht mit Phosphor konvertiert ist.

Es wird damit ein größeres Dreieck aufgespannt, wobei vorteilhaft eine größere Farbsättigung im blauen Bereich erreicht wird und auch die Regelungsmöglichkeiten erweitert sind, weil der große Aufspannbereich des Dreiecks (Dreiecksfläche) die gesamte Planck'sche Kurve bis zum Farbort B1 einspannt und überstreicht.

Eine Alternative ergibt sich in der Abbildung 12, in der drei Farborte P9, P9' und R1 erzeugt sind.

Die Farborte P9 und P9' liegen eng beieinander und erlauben es, mit der additiven Mischung mit R1 , LEDs der Gruppe R, eine Farbtemperatur zwischen 2700K und 3500K zu erzeugen. Der relativ geringe Unterschied der Farborte von P9 und P9' ist günstig für eine elektronische Einstellung des Modules auf eine fixe Farbtemperatur von 2700K oder 3300K, den Farbtemperaturen von Glühlampen und Halogenlampen. Die dynamische Regelung der Farbtemperatur ist in dieser Ausführung nicht vorgesehen.

Damit ergibt sich die Möglichkeit, ein Leuchtmittel mit einer Farbtemperatur zwischen 2700K und 3300K sehr effizient und kostengünstig herzustellen, weil man in der Produktion zur Herstellung der Farborte P9 und P9' in der einfachsten Variante den gleichen Phosphor einsetzen kann und nur die Menge des Phosphors zum Erhalt der Farborte P9 und P9' variiert wird, bei P9' ist die aufgebrachte Menge größer. Selbstverständlich gilt für alle in den vorher genannten Diagrammen angegebenen Farborte, dass eine elektronische Ansteuerung der einzelnen LED notwendig ist, um einen Punkt auf der Planck'schen Kurve 1 anzusteuern, der genau in dem von den Farborten überspannten Dreieck liegt.

Wie bereits ausführlich dargelegt wurde, ermöglicht die elektronische Einstellung des Farbortes auch für diese Ausführungsform eine kostengünstige Herstellung. Es können alle LEDs der Gruppe B (Halbleiter) ohne kostenaufwändige Sortierung in verschiedene Wellenlängenklassen eingesetzt werden. Die Dosierung des Phosphors in der Herstellung muss nicht mit engsten Toleranzen durchgeführt werden. Zur exakten Einstellung des gewünschten Farbortes werden die Farborte P9, P9' und R1 vermessen. Basierend auf diesen Messwerten wird die elektrische Leistung für diese drei Klassen entsprechend eingestellt.

In der Abbildung 13 ist ein Schaltbild für eine Ausführungsform entsprechend der Abbildung 12 dargestellt. Es kann für alle drei Farborte eine Versorgungsspannung von 12V eingesetzt werden. Zur Justierung kann die elektrische Leistung für die drei Farborte z.B. auch mit Vorwiderständen bzw. Konstantstromquellen eingestellt werden. Dadurch wird ein Modul ermöglicht, dass sehr effizient und kostengünstig gefertigt werden kann.

Das Schaltbild nach Abbildung 13 zeigt eine Verwirklichung der Abbildung 12, wobei drei verschiedene Gruppen 14, 15, 16 vorhanden sind. Die LEDs der Gruppe 14 bestehen aus den LEDs des Farbortes P9, die LEDs der Gruppe 15 aus den LEDs des Farbortes P9' und die LEDs der Gruppe 16 aus den LEDs der Gruppe R1.

Diese Kombination erlaubt es zum heutigen Zeitpunkt eine Lichtausbeute von 700 Lumen zu erzeugen und dies entspricht der Lichtausbeute einer 60 Watt Glühlampe. Der Stromverbrauch liegt jedoch bei etwa 9 Watt.

Hieraus ergeben sich die entscheidenden Vorteile der erfindungsgemäßen Ausführungen. Das Wesentliche bei der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass mindestens zwei sekundäre LEDs der Gruppe P mit unterschiedlichen Emissionsfarben verwendet werden. Zur Anregung der Phosphore werden mindestens zwei LEDs der Gruppe B eingesetzt.

Im Vergleich zu bekannten Lösungen werden damit Farbänderungen bedingt durch unterschiedliche Temperaturkoeffizienten der LEDs vermieden, weil nur eine einzige LED-Sorte eingesetzt wird, nämlich die LEDs der Gruppe B.

Dadurch werden auch Wellenlängenänderungen und auch Änderungen der Intensität von vorneherein vermieden, weil sich LEDs der Gruppe B anders verhalten als beispielsweise LEDs der Gruppe R.

Bei einer Temperaturänderung fällt nämlich die Intensität einer blauen LED relativ flach im Bezug auf die Temperaturerhöhung ab, während die Intensität einer rotleuchtenden LED bezüglich einer fortschreitenden Temperatur stärker abfällt.

Wenn man diese beiden kombiniert, erzielt man aufgrund der unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten keinen temperaturstabilen Farbort auf der Planck'schen Kurve.

Hier sind dann eigene Steuer- und Regelungsmechanismen erforderlich, um auch diesen Temperaturgang auszuschalten und stets einen stabilen Punkt auf der Planck'schen Kurve zu erzeugen.

Hier setzt die Erfindung ein, die vorsieht, bevorzugt LEDs mit dem gleichen Temperaturgang zu nutzen d. h. also LEDs der gleichen Gruppe die den gleichen Temperaturgang aufweisen und deshalb spielt eine Änderung der Intensität bei fortschreitender Temperatur keine Rolle, weil alle LEDs den gleichen Temperaturgang aufweisen. Es gibt deshalb keine Farbverschiebungen, d. h. die Farbe bleibt stabil und ändert sich nicht. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, welcher LEDs unterschiedlicher Gruppen einsetzt.

Der Kern der vorliegenden Erfindung liegt also darin, dass man mindestens zwei Farborte bestimmt und wobei mindestens ein Farbort oberhalb der Planck'schen Kurve und mindestens ein Farbort unterhalb der Planck'schen Kurve liegen, um so durch elektronische Regelungsmittel präzise einen Farbort auf der Planck'sche Kurve einstellen zu können. Die Einstellung dieses Punktes erfolgt durch die additive Mischung entsprechender Intensitätsanteile der mindestens zwei Farborte. Vorteilhaft wird nur eine Gruppe von LEDs eingesetzt, dadurch werden Farbverschiebungen bedingt durch unterschiedliches Temperaturverhalten verschiedener LEDs vermieden. Nimmt man mindestens drei Farborte, wobei das in der CIE Normfarbtafel aufgespannte Dreieck dieser Farborte zumindest einen Bereich der Planck'schen Kurve abdeckt, kann innerhalb dieses Dreieckes jeder Punkt, und somit auch jeder Punkt auf der Planck'schen Kurve innerhalb des Dreieckes, eingestellt werden.

Zeichnungslegende

Planck'sche Kurve 9 Position

Position blau 10 Position

Position grün 11 Position

Position rot 15 12 Position

Position 13 Position

Position 14 Gruppe

Position 15 Gruppe

Position 16 Gruppe

Claims

Patentansprüche

1. LED Modul für die Allgemeinbeleuchtung, bestehend aus mindestens zwei Lumineszenz-Konversions-LED (Gruppe P), die in der CIE-Normfarbtafel einen Farbort, durch additive Mischung verschiedener Farborte, erreichen, der auf oder in der Nähe der Planck'schen Kurve (1) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei blaue LEDs (Gruppe B) zur Anregung geeigneter Phosphore unterschiedlicher Emissionsfarbe verwendet werden, deren Intensität durch eine getrennte Ansteuerung einstellbar ist.

2. LED-Modul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 2 sekundäre LEDs (Gruppe P) unterschiedlicher Farborte vorhanden sind.

3. LED-Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei sekundäre LEDs unterschiedlicher Farborte (Gruppe P) und mindestens eine primäre LED (Gruppe B, Gruppe G, Gruppe R) vorhanden sind.

4. LED-Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei sekundäre LEDs (Gruppe P) unterschiedlicher Farborte vorhanden sind.

5. LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung von zwei sekundären LEDs (Gruppe P) zur Erzeugung eines Farbortes P2 oberhalb und eines Farbortes P3 unterhalb der Plank'schen Kurve zur Anregung der Phosphore mindestens zwei LEDs der Gruppe B eingesetzt werden.

6. LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Ansteuerelektronik für die mindestens zwei angegebenen sekundären LED-Lichtquellen (Gruppe P) eine exakte Ansteuerung eines Farbortes erreichbar ist, der genau auf der Planck'schen Kurve (1 ) liegt.

7. LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei drei sekundären LEDs (Gruppe P) Einzelspektren mit der Emission in den Farben grün, gelb und rot additiv gemischt werden.

8. LED-Modul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die additive Mischung entsprechender Intensitätsanteile das „Summen-spektrum" mit einem Farbort im CIE Farbdiagramm mit den Koordinaten x = 0,37, y = 0,37 und einer korrelierten Farbtemperatur 4200K erzeugt ist.

9. LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die additive Mischung der Emission von drei unterschiedlichen LEDs der Gruppe P drei Farborte im blaugrünen, gelben und roten Bereich, ein aus drei Farborten erzeugtes Dreieck im Farbraum ergibt, welches die Plank'sche Kurve einschließt.

10. LED-Modul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Farborte (P1 , P2) der Gruppe P über der Planck'schen Kurve und ein Farbort (P3) der Gruppe P unter der Planck'schen Kurve liegen.

11. LED-Modul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Mischung der Intensitätsanteile alle Farborte innerhalb des aufgespannten Dreieckes einstellbar sind, wobei weißes Licht mit allen korrelierten Farbtemperaturen zwischen 8000K und 2700K einstellbar ist.

12. LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zwei Farborte (P1 , P2) der Gruppe P über der Planck'schen Kurve liegen und ein Farbort (R1 ) erzeugt mit einer LED der Gruppe R unterhalb der Plank'schen Kurve liegt, (Abbildung 8).

13. LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Farbort (P4) oberhalb und zwei Farborte (P5, P6) unterhalb der Plank'schen Kurve erzeugt sind und dass sich alle Farborte (P4, P5, P6) aus jeweils einer blauen LED + Phosphor (Gruppe P) ergibt.

14. LED-Modul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Farborten unter der Plank'schen Kurve (P5 und P6) rote Phosphore und beim Farbort oberhalb der Plank'schen Kurve (P4) grüner Phosphor verwendet werden.

15. LED-Modul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Farbortes oberhalb der Plank'schen Kurve (G1) eine grüne LED der Gruppe G verwendet wird, (Abbildung 10).

16. LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Farbort oberhalb der Plank'schen Kurve (P7) aus einer blauen LED mit einem gelben Phosphor (Gruppe P), ein Farbort unterhalb der Plank'schen Kurve (P8) aus einer blauen LED mit rotem Phosphor (Gruppe P) und ein Farbort (B1) (Gruppe B) aus einer blauen LED erzeugt ist, (Abbildung 11).

17. LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Farborte (P9, P9') über der Plank'schen Kurve aus LEDs der Gruppe P und ein Farbort unter der Plank'schen Kurve (R1) mit einer roten LED der Gruppe R erzeugbar sind, (Abbildung 12).

18. LED-Modul nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Farborte über der Plank'schen Kurve (P9, P9') aus konvertierten blauen LEDs der Gruppe P mit dem gleichen Phosphor jedoch unterschiedlicher Dosierung und ein Farbort unter der Plank'schen Kurve (R1) mit einer roten LED der Gruppe R erzeugbar sind, (Abbildung 12).

19. LED- Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die LEDs aus drei verschiedenen Gruppen bestehen, wobei jede Gruppe getrennt ansteuerbar ist, und jede Gruppe aus einer Serienschaltung einer Reihe gleichartiger LEDs besteht.

20. LED-Modul nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die LEDs der ersten Gruppe (14) aus den LEDs des Farbortes P9, die LEDs der zweiten Gruppe (15) aus den LEDs des Farbortes P9' und die LEDs der dritten Gruppe (16) aus den LEDs der Gruppe R1 bestehen.