WO2002005356A1 - Lamp with an led light source - Google Patents

Abstract

A lamp with an LED light source (3) comprises several unhoused LEDs and a projection optic. The LED dice are arranged on a circuit board made from thermally conducting material, or on a board together with a control circuit and preferably thermally connected to a cooling body by means of the rear face of the circuit board or board. A housing (1) and/or reflector (2) for the lights is provided as cooling body. The projecting optic can comprise a simple or multiple reflector (2), the form of which is formed by the inner side of the housing (1). In particular the LED light source (3) is arranged at the base of the reflector (2) and the reflector (2) cast using a highly transparent polymer.

Description

"Leuchte mit einer LED-Lichtquelle" "Luminaire with an LED light source"

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leuchte mit einer LED-Lichtquelle aus mehreren ungehäusten LEDs und einer Abbildungsoptik, wobei die LED-Dice auf einer Leiterplatte aus thermisch leitfähigem Material angeordnet sind und wobei die Leiterplatte, vorzugsweise über ihre Rückseite, mit einem Kühlkörper thermisch verbunden ist.The present invention relates to a luminaire with an LED light source comprising a plurality of unhoused LEDs and imaging optics, the LED dice being arranged on a circuit board made of thermally conductive material and the circuit board, preferably via its rear side, being thermally connected to a heat sink.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Durch die Verarbeitung von LED^"s in Chip-On-Board Technologie (COBT) können effiziente, lichtstarke und kleinflächige Leuchteinheiten generiert werden. Aufgrund dieser Tatsache und aufgrund ihrer Robustheit und hohen Lebensdauer sind der- artige Lichtquellen für den Einsatz in Fahrzeugen aller Art und für allgemeine Anwendungen (wie z.B. im Haushaltsbereich, im Signalbereich etc.) sehr gut geeignet.By processing LED^"s in chip-on-board technology (COBT) efficient, high-intensity and small-area lighting units can be generated. Due to this fact and due to their robustness and long service life are DER-like light sources for use in vehicles of all types and very well suited for general applications (e.g. in the household area, in the signal area etc.).

Weiters ist bei LED^'s, welche in COBT verarbeitet werden, zu berücksichtigen, dass diese mit einem Kühlkörper thermisch verbunden sein sollen, um die während des Betriebes entstehende Wärme mittels Konvektion abführen zu können. Hierfür ist eine große Kühlfläche (zwischen 5 und 15 cm pro LED) notwendig .Furthermore is to be considered in^LED's, which are processed in COBT that these are to be thermally connected with a heat sink for dissipating the heat generated during operation by means of convection. A large cooling surface (between 5 and 15 cm per LED) is required for this.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, bei der das Problem der Kühlung gut gelöst ist, ist aus derA device of the type mentioned, in which the problem of cooling is well solved, is from the

US 5 936 353 A bekannt. Nachteilig ist der Platzbedarf und das Gewicht des Kühlkörpers.US 5 936 353 A is known. The disadvantage is the space requirement and the weight of the heat sink.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diesen Nachteil zu beseitigen. 02/05356It is an object of the present invention to overcome this disadvantage. 02/05356

- 2 -- 2 -

Diese Aufgabe wird .durch eine Leuchte der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kühlkörper durch ein Gehäuse und/oder durch einen Reflektor der Leuchte gebildet ist. Das Gehäuse bzw. der Reflektor bekommen also eine Doppelfunktion, wodurch der Platzbedarf für den Kühlkörper entfällt; sollte ein zusätzlicher Kühlkörper notwendig sein, dann braucht dieser zumindest weniger Platz.This object is achieved according to the invention by a lamp of the type mentioned at the outset in that the heat sink is formed by a housing and / or by a reflector of the lamp. The housing or the reflector thus have a double function, which means that the space required for the heat sink is eliminated; should an additional heat sink be necessary, then this will at least take up less space.

Die Abbildung der LED-Lichtquellen ist aufgrund deren flächigen Ausdehnung wesenblich anspruchsvoller als für punkt- förmige Lichtquellen, insbesondere da häufig definierteThe mapping of the LED light sources is essentially more demanding than for point-shaped light sources due to their areal expansion, especially since they are often defined

Lichtemissionen in definierten Abstrahlwinkeln für Leuchten in Fahrzeugen gefordert werden (siehe z.B. Vorschriften für Beleuchtungseinrichtung für motorisierte Fahrzeuge: geltende ECE-Regelungen, SAE-Standards bzw. FMVSS108 etc., Vorschrif- ten für Bootslaternen nach IM072 und BSH sowie spezielle nationale oder internationale Vorschriften oder Kundenstandards ) .Light emissions in defined beam angles for lights in vehicles are required (see, for example, regulations for lighting equipment for motorized vehicles: applicable ECE regulations, SAE standards or FMVSS108 etc., regulations for boat lights according to IM072 and BSH as well as special national or international regulations or Customer standards).

Um die vorgegebene Lichtemission zu erreichen, ist daher vorzugsweise vorgesehen, dass die Abbildungsoptik einen Ein- fach- oder Mehrfachreflektor aufweist, dessen Form durch die Innenseite des Gehäuses gebildet ist. Die LED-Lichtquelle kann dabei an der Basis des Reflektors angeordnet und der Reflektor mittels eines hoch-transparenten Polymers vergossen sein. Dadurch wird sowohl der Reflektor als auch die LED- Lichtquelle geschützt und der Reflektor mechanisch fixiert. Damit die Vergussmasse der Hitze während des Betriebs standhält, sollte die Vergussmasse einen Glasübergang größer 100°C aufweisen.In order to achieve the specified light emission, it is therefore preferably provided that the imaging optics have a single or multiple reflector, the shape of which is formed by the inside of the housing. The LED light source can be arranged at the base of the reflector and the reflector can be cast using a highly transparent polymer. This protects both the reflector and the LED light source and mechanically fixes the reflector. In order for the casting compound to withstand the heat during operation, the casting compound should have a glass transition greater than 100 ° C.

Es kann weiters eine Abschlussscheibe, gegebenenfalls mit integrierten Linsen, vorgesehen sein, um die Lichtausbreitung zusätzlich zu beeinflussen.A cover plate, optionally with integrated lenses, can also be provided in order to additionally influence the light propagation.

Auch eine Kombination mit einem kuppeiförmigen Glob Tops ist möglich.A combination with a dome-shaped glob top is also possible.

Um die Lichtausbreitung nicht zu beeinträchtigen ist es zweckmäßig, wenn die LED-Lichtquelle elektrisch mit einer Ansteuerungselektronik, die auf einer separaten Platine angeordnet ist, verbunden ist, wobei die Leiterplatte der Ansteuerungselektronik ebenfalls mit dem Gehäuse bzw. mit dem Reflektor thermisch verbunden ist. Die Leiterplatte der Ansteu- 02/05356In order not to impair the light propagation, it is expedient if the LED light source is electrically connected to control electronics, which is arranged on a separate circuit board, the circuit board of the control electronics also being thermally connected to the housing or to the reflector. The control board 02/05356

- 3 - erungselektronik ist also von der LED-Lichtquelle getrennt, aber dennoch erfolgt die Kühlung über dasselbe Gehäuse bzw. denselben Reflektor. Alternativ kann die Ansteuerungselektronik direkt auf der LED-Platine aufgebracht sein, in einer Art, dass dadurch die Lichtausbreitung nicht gestört wird.- 3 - The electronics are separated from the LED light source, but the cooling is still done via the same housing or the same reflector. Alternatively, the control electronics can be applied directly to the LED circuit board in such a way that the light propagation is not disturbed thereby.

Vorzugsweise weist das Gehäuse zur Erhöhung der effektiven Kühlfläche Rippen oder Schlitze auf. Dadurch können die Außenabmessungen des Gehäuses reduziert werden.The housing preferably has ribs or slots to increase the effective cooling surface. As a result, the outer dimensions of the housing can be reduced.

Der Durchmesser der Abbildungsoptik sollte 2 bis 4 Mal dem maximalen Abstand der Dice auf der Leiterplatte entsprechen. Ist er kleiner, so würde das die Abbildungsqualität beeinträchtigen. Eine größere Ausführungen würde die Leuchte unnötig groß und schwer machen.The diameter of the imaging optics should correspond 2 to 4 times the maximum distance of the dice on the circuit board. If it is smaller, it would affect the image quality. Larger versions would make the lamp unnecessarily large and heavy.

Eine besondere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Reflektor aufweist, der aus mehreren, vorzugsweise drei Ein- oder Mehrfachreflektorsystemen besteht, welche kreisförmig angeordnet sind, sodass die Leuchte über 360° horizontal und über einen definierten Winkel vertikal Licht emittiert. Solch ein Leuchte kann als Bootslaterne verwendet werden.A special embodiment of the present invention is characterized in that it has a reflector which consists of several, preferably three, single or multiple reflector systems which are arranged in a circle, so that the lamp emits light horizontally over 360 ° and vertically over a defined angle. Such a lamp can be used as a boat lantern.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Anhand der beiliegenden Figuren wird die vorliegende Erfindung näher erläutert. Die Fig. 1 bis 5 zeigen verschiedene Ausführungsformen von Gehäusen 1 , die für eine erfindungsgemäße Leuchte verwendbar sind, und Fig. 6 zeigt eine Bootslaterne .The present invention is explained in more detail with reference to the accompanying figures. 1 to 5 show different embodiments of housings 1 that can be used for a lamp according to the invention, and FIG. 6 shows a boat lantern.

BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNGBEST EMBODIMENT OF THE INVENTION

In den Fig. 1-5 haben die Reflektoren 2 verschiedene Aus- formungen. In deren Basis ist jeweils die LED-Lichtquelle 3 angeordnet (nur in Fig. 1 dargestellt), wobei der finale Austrittswinkel des emittierten Lichtes durch den Reflektor und/oder eine optisch angekoppelte Lichtscheibe 5 (siehe Fig. 3) (Fresnel-Linse oder Gauß ' sehe Linse) bestimmt wird. 02/053561-5, the reflectors have two different designs. The LED light source 3 is arranged in each case in its base (only shown in FIG. 1), the final exit angle of the emitted light through the reflector and / or an optically coupled light disk 5 (see FIG. 3) (Fresnel lens or Gauss 'see lens) is determined. 02/05356

Die Dice sollen dabei möglichst symmetrisch auf der Leiterplatte angeordnet sein, damit das abstrahlende Licht keine bevorzugten Richtungen hat. Die Dice können z.B. in einer oder mehreren Reihen angeordnet sein, auch eine rotationssym- metrische Anordnung ist möglich.The dice should be arranged as symmetrically as possible on the circuit board so that the emitting light has no preferred directions. The dice can e.g. be arranged in one or more rows, a rotationally symmetrical arrangement is also possible.

Die Gehäuse 1 haben zur Vergrößerung ihrer Oberfläche Schlitze 1 ' .The housings 1 have slots 1 'to increase their surface area.

Der Raum innerhalb des Reflektors 2 und über der LED-Lichtquelle 3 kann mit einer Vergussmasse 6 (siehe Fig. 4) phasen- angepasst sein, wobei in diesem Fall der finale Ausbreitungswinkel des emittierten Lichtes durch eine geeignete Formung der Austrittsfläche 7 (in diesem Fall zylindrisch konvex) aus dem Reflektor 2 bestimmt wird.The space inside the reflector 2 and above the LED light source 3 can be phase-matched with a sealing compound 6 (see FIG. 4), in which case the final angle of propagation of the emitted light by suitable shaping of the exit surface 7 (in this case cylindrical convex) is determined from the reflector 2.

Bei der Leuchte gemäß Fig. 6 sind drei Reflektoren 2 vorge- sehen, die - in Draufsicht - kreisförmig aneinander gefügt sind, sodass diese Leuchte in horizontaler Richtung 360° abdeckt. Jeweils an der Basis sind LED-Lichtquellen vorgesehen und mit den Reflektoren 2 thermisch verbunden. Oben und unten sind Metallscheiben 8, 9 vorhanden, die mit den Reflektoren 2 thermisch verbunden sind. Sie dienen als Gehäuse und übernehmen auch die Wärmeabfuhr.In the luminaire according to FIG. 6, three reflectors 2 are provided which are joined to one another in a circle in plan view, so that this luminaire covers 360 ° in the horizontal direction. LED light sources are provided at the base and thermally connected to the reflectors 2. There are metal disks 8, 9 at the top and bottom, which are thermally connected to the reflectors 2. They serve as a housing and also take over the heat dissipation.

Eine große Anzahl der geforderten Emissionsf rben können mit derartigen Leuchten realisiert werden, aufgrund der Tatsache, dass LEDs in vielen verschiedenen Farben hergestellt werden können. Allerdings können spezielle Emissionsfarben und insbesondre eine weiße Emission nicht mit einer LED realisiert werden, weil LEDs grundsätzlich schmalbandige Emissionsspektren aufweisen. Möglichkeiten, um wießes Licht zu realisieren, sind z.B. in der US 5 851 905 A, in der WO 00/02262 A und in der US 5 836 676 A beschrieben.A large number of the required emission colors can be realized with such luminaires due to the fact that LEDs can be produced in many different colors. However, special emission colors and in particular white emission cannot be realized with an LED, because LEDs generally have narrow-band emission spectra. Possibilities for realizing white light are e.g. in US 5 851 905 A, in WO 00/02262 A and in US 5 836 676 A.

Um diese Farben zu realisieren, können grundsätzlich zwei Methoden angewandt werden:Basically, two methods can be used to create these colors:

1) Farbkonversion: durch Anordnung eines Luminophors direkt über dem LED-Dice, der die Emission des Dice absorbiert und nachfolgend Photolumineszenzlicht in einer anderen Emissionsfarbe emittiert. 2) Farbmischung: verschiedenfarbige LED-Dice werden in einem speziellem Verhältnis auf einer Platine angeordnet, und die zu erzeugende Emissionsfarbe wird durch definierte Einstellung der Betriebsbedingungen für die jeweilige Die-Sorte eingestellt.1) Color conversion: by placing a luminophore directly above the LED dice, which absorbs the emission of the dice and then emits photoluminescent light in a different emission color. 2) Color mixing: differently colored LED dice are arranged in a special ratio on a circuit board, and the emission color to be generated is set by defined setting of the operating conditions for the respective die type.

Beide Methoden können für die Erzeugung spezieller Emissionsfarben in der vorliegenden Erfindung angewandt werden. Für technische Anwendungen weist allerdings die Variante 2 gegenüber der Variante 1 beträchtliche Vorteile auf, nicht zuletzt aufgrund der Tatsache, dass die Variante 2 ohne Lumi- nophore auskommt, die unter Bestrahlung nur begrenzte Stabilität aufweisen. Weiters gestattet die Variante 2, dass der Farbort durch Einstellung des Stromflusses durch beide LED- Dice gezielt eingestellt werden kann.Both methods can be used for the production of special emission colors in the present invention. For technical applications, however, variant 2 has considerable advantages over variant 1, not least due to the fact that variant 2 does not require luminophores, which have only limited stability under irradiation. Variant 2 also allows the color location to be set by adjusting the current flow through both LED dice.

Eine Möglichkeit zur Erzeugung von weißem Licht nach der Variante 2 besteht darin, dass eine weiße Emissionsfarbe durch eine Kombination von blauen und orangefarbenen LED-Dice erzeugt wird oder durch ein Kombination von LEDs, die σyan und rot-orange emittierten. Weiters kann weißes Licht durch eine Kombination von roten, grünen und orangen oder roten LEDs erzeugt werden.One possibility for generating white light according to variant 2 is that a white emission color is generated by a combination of blue and orange LED dice or by a combination of LEDs which emit σyan and red-orange. Furthermore, white light can be generated by a combination of red, green and orange or red LEDs.

Um eine optimale Lichtausbeute pro LED-Die zu erzielen, wird das relative Verhältnis der Dice derart gewählt, dass die gewünschte Farbemission bei maximalem Stromfluss pro Die erzielt wird. Bestimmende Faktoren hierbei sind die Farborte der LED-Dice sowie das relative Intensitätsverhältnis der Dice bei den gewählten Betriebsparametern. Derart wird in gegenständlicher Erfindung weißes Licht durch eine Kombination von Licht blauer LEDs mit einer dominanten Emissionswellenlänge zwischen 470 und 485 nm und orangefarbenen LEDs mit einer dominanten Emissionswellenlänge zwischen 570 und 590 nm erzeugt .In order to achieve an optimal light output per LED die, the relative ratio of the dice is chosen such that the desired color emission is achieved with maximum current flow per die. The determining factors here are the color locations of the LED dice and the relative intensity ratio of the dice for the selected operating parameters. In this way, white light is generated in the present invention by a combination of light from blue LEDs with a dominant emission wavelength between 470 and 485 nm and orange LEDs with a dominant emission wavelength between 570 and 590 nm.

Alternativ wird in gegenständlicher Erfindung weißes Licht durch eine Kombination von Licht blauer LEDs mit einer dominanten Emissionswellenlänge zwischen 495 und 510 nm und orangefarbenen LEDs mit einer dominanten Emissionswellenlänge zwischen 585 und 600 nm erzeugt. Als weitere Alternative wird weißes Licht durch die Kombination vom Licht blauer LEDs (Wellenlänge zwischen 460 und 480 nm), grüner LEDs (500 bis 530 nm) und orangefarbener LEDs (585 - 595 nm) erzeugt.Alternatively, in the present invention, white light is generated by a combination of light from blue LEDs with a dominant emission wavelength between 495 and 510 nm and orange LEDs with a dominant emission wavelength between 585 and 600 nm. A further alternative is white light through the combination of light from blue LEDs (Wavelength between 460 and 480 nm), green LEDs (500 to 530 nm) and orange LEDs (585 - 595 nm).

Derart wird in gegenständlicher Erfindung cyanfarbenes Licht durch eine Kombination von Licht blauer LEDs mit einer dominanten Emissionswellenlänge zwischen 460 und 485 nm und grünen LEDs mit einer dominanten Emissionswellenlänge zwischen 520 und 540 nm erzeugt.In this way, in the present invention, cyan-colored light is generated by a combination of light from blue LEDs with a dominant emission wavelength between 460 and 485 nm and green LEDs with a dominant emission wavelength between 520 and 540 nm.

Claims

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8. Leuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) zur Erhöhung der effektiven Kühlfläche Rippen oder Schlitze (1') aufweist.8. Luminaire according to one of claims 1 to 7, characterized in that the housing (1) has ribs or slots (1 ') to increase the effective cooling surface.

9. Leuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Durchmesser der Abbildungsoptik 2 bis9. Luminaire according to one of claims 1 to 8, characterized in that the diameter of the imaging optics 2 to

4 Mal dem maximalen Abstand der Dice auf der Leiterplatte entspricht .4 times the maximum distance of the dice on the circuit board.

10. Leuchte nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Reflektor (2) aufweist, der aus mehreren, vorzugsweise drei Ein-oder Mehrfachreflektorsystemen besteht, welche kreisförmig angeordnet sind, so- dass die Leuchte über 360° horizontal und über einen definierten Winkel vertikal Licht emittiert. (Fig. 6)10. Luminaire according to one of claims 2 to 5, characterized in that it has a reflector (2) which consists of several, preferably three single or multiple reflector systems, which are arranged in a circle, so that the luminaire over 360 ° horizontally and Vertically emits light over a defined angle. (Fig. 6)