DE10230105B4

DE10230105B4 - Weiße LED-Lichtquelle

Info

Publication number: DE10230105B4
Application number: DE10230105A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Tasch; Peter Pachler; Hans Christian Dipl.-Ing. Hoschopf
Original assignee: Tridonic Optoelectronics GmbH
Current assignee: Tridonic Jennersdorf GmbH
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2002-07-04
Publication date: 2007-07-26
Anticipated expiration: 2022-07-05
Also published as: ATA10512001A; DE10230105A1; AT414200B

Abstract

Weiße LED-Lichtquelle, bestehend aus verschiedenen LED-Dice, die auf einer Leiterplatte gemeinsam unter einer kuppelförmigen Verkapselung angeordnet sind, wobei die LEDs mittels einer externen Spannungs- oder Stromversorgung in Betrieb genommen werden,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei LEDs (1a, 1b) unterschiedlicher Emissionsfarbe auf GaN-Basis und zumindest zwei LEDs (1c, 1d) unterschiedlicher Emissionsfarbe auf AlInGaP-Basis vorhanden sind,
dass der Stromfluss durch die LEDs (1a, 1b) auf GaN-Basis und der Stromfluss durch die LEDs (1c, 1d) auf AlInGaP-Basis getrennt einstellbar bzw. eingestellt ist und
dass die GaN- (1a, 1b) und die AlInGaP-LEDs (1c, 1d) zueinander parallel geschaltet sind und die LEDs einer Type (1a, 1b bzw. 1c, 1d) aber unterschiedlicher Emissionsfarbe in Serie geschaltet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine weiße LED-Lichtquelle bestehend aus verschiedenen LED-Dice, die auf einer Leiterplatte in einem minimalen Abstand zueinander und gemeinsam unter einer kuppelförmigen Verkapselung angeordnet sind, wobei die LEDs mittels einer externen Spannungs- oder Stromversorgung in Betrieb genommen werden.

LEDs sind in verschiedenen Farben mit hoher Farbsättigung erhältlich. LEDs, die intrinsisch eine sehr breite Emission aufweisen, wie dies speziell für weiße LEDs notwendig ist, sind bisher technologisch nicht erhältlich. Allerdings gibt es verschiedene Verfahren, um durch eine spezielle Anordnung bzw. durch einen speziellen Aufbau weiße Emissionsfarbe basierend auf farbigen LEDs zu erzeugen. Dies kann einerseits dadurch erfolgen, dass durch eine Farbkonversionstechnik aus dem Licht blauer oder ultravioletter LEDs, die mit einem Farbkonversionsmedium überzogen sind, weißes Licht erzeugt wird. Das Farbkonversionsmedium wandelt nämlich einen Teil der blauen Emission in Licht einer niedrigeren Wellenlänge (z. B gelb) um, wodurch in Summe weißes Licht entsteht.

Andererseits kann weißes Licht durch eine Mischung der Emissionsfarben von geeigneten verschiedenfärbigen LEDs erfolgen. Auch derartige Lösungen sind Stand der Technik, siehe z.B. die JP 111 63 412 A2 , wo eine LED-Lichtquelle der eingangs genannten Art beschrieben ist. Es sind dort jeweils drei LED-Chips verschiedener Farbe (rot-grün-blau, RGB) nebeneinander angeordnet. Bei diesen LED-Lichtquellen sind meist vier Kontakte nach außen geführt. Diese werden separat mit drei Zuleitungen und einer gemeinsamen Elektrode angesteuert.

Um die gewünschte Emissionsfarbe einzustellen, müssen diese Kontakte nun separat mit Strom versorgt werden. Bei geeigneter Wahl der Stromstärken kann weißes Licht beliebiger Farbtemperatur erzeugt werden, bei ungeeigneter Wahl können aber verschiedenste Farben entstehen.

Es ist aus der US 58 510 63 A1 bekannt, dass der Ra-Wert bei drei verschiedenfärbigen LEDs noch relativ schlecht ist, bei vier verschiedenfärbigen LEDs jedoch deutlich besser ist. Es wird dabei aber die Steuerung noch schwieriger, weil jetzt der Strom durch vier LEDs richtig eingestellt werden muss.

Für viele Anwendungen, bei denen weißes Licht benötigt wird, kommt diese Methode aufgrund des hohen Steuerungsaufwandes nicht in Frage, so dass üblicherweise weiße LEDs basierend auf der Farbkonversionstechnik eingesetzt werden, wo allerdings der Ra-Wert noch schlechter ist.

Aus der WO 00/57490 A1 ist eine Leuchte bekannt, die zwei InGaN-Leuchtdioden sowie zwei AlInGaP-Leuchtdioden aufweist. In einem alternativen Ausführungsbeispiel enthält eine Leuchte nur zwei Leuchtdioden und zwar eine Leuchtdiode auf GaN-Basis und eine Leuchtdiode auf GaP-Basis.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine LED-Lichtquelle der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen guten Ra-Wert hat, die dennoch einfach anzusteuern ist und die kostengünstiger in der Herstellung und im Betrieb (pro lumen emittiertem Lichtstrom) verglichen mit der Farbkonversionstechnik ist.

Diese Aufgabe wird durch eine LED-Lichtquelle der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest zwei LEDs auf GaN-Basis und zumindest zwei LEDs auf AlInGaP-Basis vorhanden sind, dass der Stromfluss durch die LEDs auf GaN-Basis und der Stromfluss durch die LEDs auf AlInGaP-Basis getrennt einstellbar bzw. eingestellt ist und dass die einzelnen LEDs matrixförmig verschaltet sind, sodass die GaN- und die AlInGaP-LEDs zueinander parallel geschaltet sind und die LEDs einer Type in Serie geschaltet sind.

Die Emissionsspektren der LEDs besitzen eine relativ geringe Halbwertsbreite zwischen 20 und 100 nm. Durch den Einsatz von drei verschiedenfärbigen LED-Chips kann daher nicht gewährleistet werden, dass Lichtintensität über den gesamten sichtbaren Spektralbereich bereit gestellt wird. Letzteres ist aber Voraussetzung, um gute Farbwiedergabe zu erhalten. Aus diesem Grund werden gemäß der vorliegenden Erfindung, um gute Farbwiedergabe zu erhalten, zumindest vier Chips verschiedener Emissionsfarbe zur Erzeugung weißer Emission eingesetzt. Damit dennoch die Ansteuerung einfach bleibt, sind die LEDs gleicher Type jeweils in Serie geschaltet, d.h. von gleich starkem Strom durchflossen. Es hat sich gezeigt, dass durch Veränderung des Verhältnisses der Stromstärken in den beiden parallel geschalteten Zweigen sich die Farbtemperatur ändert, aber kaum andere Abweichungen auftreten. Somit ist die Steuerung der erfindungsgemäßen LED-Lichtquelle sehr einfach.

Der weiße Farbort kann durch eine interne Beschaltung von vorneherein eingestellt sein, so dass keine Einstellungsvorgänge vom Anwender vorgenommen werden müssen. Die LED-Lichtquelle weist dann nur zwei Kontakte nach außen auf. Diese sind entweder mit einer zu definierenden DC-Spannung zu betreiben (in diesem Fall sind zur Regelung der beiden Serienschaltungen zwei Konstantstromquellen auf einer oder mehreren Leiterplatten angeordnet), oder mittels einem zu definierenden Konstantstrom zu betreiben (in diesem Fall ist auf der Platine ein Stromteiler assembliert). Es können aber auch drei Kontakte nach außen geführt werden, um dem Benutzer die Möglichkeit zu geben, die Farbtemperatur einzustellen.

Außer diesen Vorteilen bringt dieses Konzept für den Anwender einen Kostenvorteil: durch die erfindungsgemäße Auswahl der LED-Dice wird erreicht, dass diese jeweils etwa mit den maximal möglichen Betriebsparametern betrieben werden, und dieser Betrieb ergibt das gewünschte weiße Licht. Dies steht im Gegensatz zu dem weißen Licht der RGB-LEDs, bei denen zur Erzeugung der weißen Emission die Betriebsströme einzelner Dice deutlich reduziert werden müssen. Aus diesem Grund kann mit der erfindungsgemäßen Lösung bei gleichen Bauteilkosten mehr weißes Licht erzeugt werden, und das mit einem bedeutend geringeren elektronischen Ansteuerungsaufwand. Im Vergleich zur Farbkonversionstechnik ergibt sich ein Kostenvorteil dadurch, dass die blauen LEDs um mehr als einen Faktor 5 teurer als die orangefarbigen oder roten LEDs sind (bei vergleichbaren Leistungsausbeuten). Da gemäß der vorliegenden Erfindung ein beträchtlicher Teil der eingesetzten LEDs aus diesem langwelligen Emissionsbereich stammt, der mit LEDs günstigerer Einkaufskosten abgedeckt werden kann, wird daher auf günstigere Weise weißes Licht erzeugt.

Um die während des Betriebes der LEDs anfallende Verlust wärme abführen zu können, muss die Lichtquelle mit einem geeignet dimensionierten Kühlkörper thermisch gekoppelt sein. Beim Kühlkörper kann es sich um einen Teil des Leuchtenkörpers handeln.

Vorzugsweise beträgt die Kühloberfläche zumindest 15 cm² und ist diese entweder durch einen Kühlkörper oder die Leiterplatte selbst gebildet. Die Leiterplatte soll gute thermische Leitfähigkeit aufweisen, wie Keramiken, Metallkernleiterplatten oder Kunststoffleiterplatten mit ausgedehnten Kupferleiterbahnen.

Es ist zweckmäßig, wenn die LEDs in Chip-On-Board- oder Flip-Chip-Technologie auf der Leiterplatte angeordnet sind. Diese Technologien gestatten eine Assemblierung der LED-Chips in sehr geringem Abstand zueinander, vorzugsweise beträgt der Abstand maximal 0,4 mm. Dadurch kann eine gute Farbmischung der Emission der einzelnen Chips gewährleistet werden. Durch geeignete Wahl der Materialien kann mit der COB-Technologie eine exzellente thermische Leitfähigkeit im Bereich von 15 bis 80 W/Km erzeugt werden. Aus diesem Grund können die LEDs bei gleichen Betriebstemperaturen mit höheren Betriebsströmen betrieben werden. Die Emissionsverteilung der emittierten Intensität kann durch eine gemeinsame Linse, welche über den Dice angeordnet wird, definiert eingestellt werden.

Typischerweise sind zumindest vier LEDs in den Farben rot, orange, grün und blau vorhanden (Vierbandenweiß). Mit der Emissionsfarbe, die sich aus dieser Kombination ergibt, kann weißes Licht mit guter Farbwiedergabe erzeugt werden.

Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung liegt das Maximum der blauen Emission im Bereich 450–470 nm, das Maximum der grünen Emission im Bereich 530–540 nm, wobei sich der blaue und der grüne Anteil im Spektrum leistungsmäßig um nicht mehr als 50% zueinander unterscheiden, weiters liegt das Maximum der orangefarbenen Emission im Bereich 580–595 nm und das Maximum der roten Emission im Bereich 624–635 nm, wobei der orangefarbene Anteil leistungsmäßig 40–60% des roten Anteiles ausmacht, wodurch ein Ra-Wert > 80 erzielt werden kann. Das ist besser als herkömmliche Leuchtstoffröhren.

Vorzugsweise sind ein blauer und ein grüner LED-Die sowie drei bzw. vier rote bzw. orangefarbene vorhanden. Dadurch kann die Betriebsspannung durch die LEDs in beiden Parallelschaltungen annähernd gleich gut ausgenützt werden und es gibt bei geeigneter Wahl der Betriebsspannung nur einen geringen Spannungsabfall und damit Leistungsverlust an der Elektronik.

Die Kontaktierung des Leuchtmittels kann mittels verschiedener Methoden erfolgen: durch angelötete Drähte; durch mittels SMT-Technik auf die Platine aufgesetzte Stecker; mittels durchlaufender Drähte, die die Platine von der Oberseite kontaktieren (dies kann entweder von der Vorder- oder der Rückseite des Platinenkörpers durchgeführt werden).

Bei der zuletzt genannten Methode werden basierend auf den einzelnen LED-Lichtquellen lineare Zeilenemitter aufgebaut, indem die einzelnen LED-Lichtquellen durch seitlich verlaufende Kontaktstellen mittels durchlaufender Drähte miteinander parallel verschaltet werden. Auf die am Rand der Leiterplatte verlaufenden Kontaktstellen werden die durchlaufenden Kontaktdrähte mechanisch aufgedrückt und hierdurch elektrisch kontaktiert.

Zur Erhöhung des Gesamtlichtstromes können einzelne Punktlichtquellen miteinander kombiniert werden. Wenn mehrere derartige LED-Lichtquellen linear angeordnet sind, eignet sich diese Leuchte als Notlicht. Für derartige Anwendungen wird die Konstantstromquelle, die für den Betrieb der LEDs notwendig ist, direkt auf die Platine assembliert bzw. ist der Betrieb mit einer Konstantstromquelle mit variabler Spannungshöhe durchzuführen. Lineare Anordnungen von Einzelpunktlichtquellen können derart entweder mit Kontaktdrähten von einer zur nächsten Lichtquelle realisiert werden bzw. mittels durchlaufender Kontaktdrähte aufgebaut werden. Letztere Anordnung hat den Vorteil, dass selbst bei einem Ausfall einer Punktlichtquelle die anderen weiter in Betrieb sind.

Anhand der beiliegenden Figuren wird die vorliegende Erfindung näher erläutert. Es zeigt: 1 ein schematisches Schaltbild von LED-Lichtquellen gemäß der vorliegenden Erfindung; 2 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen LED-Lichtquelle von oben; und 3 die spektrale Intensitätsverteilung einer erfindungsgemäßen LED-Lichtquelle.
Zur Erzeugung von weißem Licht werden folgende LED-Chips eingesetzt:

1a blau basierend auf einer GaN-Technologie mit einer Emissionswellenlänge zwischen 475 und 480 nm
1b grün basierend auf einer GaN-Technologie mit einer Emissionswellenlänge zwischen 530 und 540 nm
1c amber basierend auf AlInGaP Grundmaterial mit einer Emissionswellenlänge von 585–595 nm
1d rot basierend auf AlInGaP Grundmaterial mit einer Emissionswellenlänge von 600–610 nm

Die LEDs 1a–1d (siehe 2) sind in einem minimalen Abstand zueinander auf einer Leiterplatte 3 angeordnet, der im Wesentlichen durch verarbeitungstechnische Vorgaben (wie Strukturierungsbreite bzw. Bondbarkeit) gegeben ist. Der mittlere Mittelpunktsabstand zwischen zwei LEDs 1 beträgt 0,6 mm.
Die zwei GaN-LEDs werden mit einem mittleren Betriebsstrom von 30 mA betrieben, während die zwei AlInGaP LEDs mit 70 mA angesteuert werden. Aus diesem Grunde sind die LEDs gleicher Type (1a und 1b bzw. 1c und 1d) in Serie geschaltet, und die beiden Zweige werden – jeder mit einer eigenen Konstantstromquelle 8a und 8b – parallel betrieben (siehe 1).
1 zeigt die Schaltung von mindestens zwei LED-Lichtquellen, wie sie in 2 dargestellt sind. Auf der Leiterplatte 3 (siehe 2) ist eine Konstantstromquelle assembliert, die aus Transistoren 5, Dioden 6 und Steuerwiderständen 7 bestehen. Auf einer weiteren Leiterplatte 3 ist eine weitere Konstantstromquelle für den anderen Zweig untergebracht. Zur Spannungsversorgung wird ein 12 V DC-Netzgerät eingesetzt, das über eine Kontaktstelle 4 angeschlossen ist.
Die Ausdehnung der LED-Lichtquelle beträgt 15 × 15 mm². Es ist eine Polymerlinse 2 vorgesehen, wobei die LED-Dice 1a–1d im Zentrum der Basis diser Polymerlinse 2 angeordnet sind. Die Abbildungsoptik hat einen Durchmesser von 5 mm.
Mit dieser Anordnung wird weiße Emission mit einer Farbtemperatur von 4000 K realisiert. Der Ra-Wert für die Farbwiedergabe beträgt 88. Der emittierte Lichtstrom beträgt 7 lm. Die mittlere Effizienz beträgt 14 lm/W. Die spektrale Intensitätsverteilung (relative Intensität I in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ) ist in 3 dargestellt.
Um die Farbtemperatur auf 5000 K zu ändern, braucht nur der Betriebsstrom der AlInGaP LEDs auf 60 mA reduziert werden.

Claims

Weiße LED-Lichtquelle, bestehend aus verschiedenen LED-Dice, die auf einer Leiterplatte gemeinsam unter einer kuppelförmigen Verkapselung angeordnet sind, wobei die LEDs mittels einer externen Spannungs- oder Stromversorgung in Betrieb genommen werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei LEDs (1a, 1b) unterschiedlicher Emissionsfarbe auf GaN-Basis und zumindest zwei LEDs (1c, 1d) unterschiedlicher Emissionsfarbe auf AlInGaP-Basis vorhanden sind, dass der Stromfluss durch die LEDs (1a, 1b) auf GaN-Basis und der Stromfluss durch die LEDs (1c, 1d) auf AlInGaP-Basis getrennt einstellbar bzw. eingestellt ist und dass die GaN- (1a, 1b) und die AlInGaP-LEDs (1c, 1d) zueinander parallel geschaltet sind und die LEDs einer Type (1a, 1b bzw. 1c, 1d) aber unterschiedlicher Emissionsfarbe in Serie geschaltet sind.
LED-Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der beiden Serienschaltungen zwei Konstantstromquellen (8a, 8b) auf einer oder mehreren Leiterplatten (3) angeordnet sind.
LED-Lichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle mit einem Kühlkörper thermisch gekoppelt ist.
LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühloberfläche zumindest 15 cm² beträgt und diese entweder durch einen Kühlkörper oder die Leiterplatte (3) selbst gebildet ist.
LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (3) gute, thermische Leitfähigkeit aufweist, wie Keramiken, Metallkernleiterplatten oder Kunststoffleiterplatten mit ausgedehnten Kupferleiterbahnen.
LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die LEDs (1a–1d) in Chip-On-Board- oder Flip-Chip-Technologie auf der Leiterplatte (3) angeordnet sind.
LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den LEDs (1a–1d) maximal 0,4 mm beträgt.
LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest vier LEDs (1a–1d) in den Farben rot, orange, grün und blau vorhanden sind.
LED-Lichtquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Maximum der blauen Emission im Bereich 450–470 nm liegt und das Maximum der grünen Emission im Bereich 530–540 nm liegt, wobei sich der blaue und der grüne Anteil im Spektrum leistungsmäßig um nicht mehr als 50% zueinander unterscheiden.
LED-Lichtquelle nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ra-Wert > 80 ist, dass das Maximum der orangefarbenen Emission im Bereich 580–595 nm liegt und dass das Maximum der roten Emission im Bereich 620–635 nm liegt, wobei der orangefarbene Anteil leistungsmäßig 40–60% des roten Anteiles ausmacht.
LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein blauer und ein grüner LED-Dice sowie drei bzw. vier rote bzw. orangefarbene vorhanden sind.
LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung durch angelötete Drähte erfolgt.
LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung durch mittels SMT-Technik auf die Platine aufgesetzte Stecker erfolgt.
LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung mittels durchlaufender Drähte erfolgt, die die Platine von der Oberseite kontaktieren.
LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, derartige LED-Lichtquellen linear angeordnet sind.