DE102009006184A1

DE102009006184A1 - Beleuchtungseinheit

Info

Publication number: DE102009006184A1
Application number: DE102009006184A
Authority: DE
Inventors: Mustafa Dinc; Harald Lunt; Franz X. Dr. Rettenmeier; Jörg Dr. Angerstein
Original assignee: Vishay Electronic GmbH
Current assignee: Vishay Electronic GmbH
Priority date: 2009-01-27
Filing date: 2009-01-27
Publication date: 2010-07-29
Also published as: WO2010086150A1; RU2538783C2; RU2011135732A; EP2384410A1; US20120018623A1; US9000346B2

Abstract

Eine Beleuchtungseinheit zum Beleuchten großer Flächen umfasst eine Trägereinrichtung, an der mehrere Leuchtdioden in einer zweidimensionalen Anordnung befestigt sind. Zwischen den Leuchtdioden sind mehrere separate Reflektorelemente an der Trägereinrichtung befestigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinheit zum Beleuchten großer Flächen, mit einer Trägereinrichtung, an der mehrere Leuchtdioden in einer zweidimensionalen Anordnung befestigt sind.
Eine derartige Beleuchtungseinheit dient typischerweise zur Beleuchtung von Außenflächen (z. B. Straßen, Parkplätze, Fußwege, Sportplätze) oder von Gebäude-Innenräumen (z. B. Industriegebäude, Parkhäuser, Einkaufszentren, Bahnhöfe, Flughäfen). Der Einsatz von Leuchtdioden gestattet eine Verringerung des Energieverbrauchs beispielsweise gegenüber herkömmlichen Natriumdampflampen, Quecksilberlampen, Glühbirnen oder Leuchtstoffröhren.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Beleuchtungseinheit mit Leuchtdioden zu schaffen, die bei einfachem Aufbau leicht an die erwünschte Anwendung anpassbar ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Beleuchtungseinheit mit Leuchtdioden zu schaffen, die einen geringen Energieverbrauch besitzt.
Diese Aufgabe wird durch eine Beleuchtungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Beleuchtungseinheit besitzt eine Trägereinrichtung, an der mehrere Leuchtdioden in einer zweidimensionalen Anordnung befestigt sind, um ein so genanntes Array zu bilden. Die Leuchtdioden sind beispielsweise in mehreren Reihen angeordnet, die sich entlang einer jeweiligen Längsrichtung erstrecken. Diese Reihen sind in Querrichtung, also senkrecht zu der genannten Längsrichtung, benachbart zueinander angeordnet. Die Leuchtdioden bilden hierdurch eine rechteckige Matrix. Alternativ hierzu können die Leuchtdioden beispielsweise gemäß einem Raster mit rundem Umriss, in mehreren konzentrischen Ringen, gemäß einem Dreieck oder gemäß einem sonstigen Polygon (z. B. Sechseck) angeordnet sein. In jedem der genannten Fälle ist eine flächige Beleuchtungseinheit gebildet, um große Flächen beleuchten zu können. Die Leuchtdioden können insbesondere weißes Licht emittieren (z. B. unter Zuhilfenahme Wellenlängenmodifizierender Substanzen). Grundsätzlich ist jedoch ein beliebiges Emissionsspektrum möglich, wobei auch nicht sichtbare Emissionsspektren möglich sind (z. B. infrarote Strahlung) und wobei auch verschiedenfarbige Emissionsspektren kombiniert werden können (z. B. eine Gruppe roter Leuchtdioden, eine Gruppe grüner Leuchtdioden und eine Gruppe blauer Leuchtdioden). Vorzugsweise kommen Leuchtdioden mit einem hohen Lichtstrom zum Einsatz (”high brightness”).
Zwischen den Leuchtdioden sind mehrere Reflektorelemente an der Trägereinrichtung befestigt. Die Reflektorelemente besitzen vorzugsweise eine Längsform und bilden eine Trennwand zwischen wenigstens zwei benachbarten Leuchtdioden. Die Reflektorelemente sind somit mehreren Leuchtdioden zugeordnet, d. h. jedes Reflektorelement ist für mehrere Leuchtdioden als Reflektor wirksam. Das jeweilige Reflektorelement erstreckt sich vorzugsweise seitlich zu den zugeordneten Leuchtdioden, ohne die Leuchtdioden umfänglich (z. B. trichterartig) zu umschließen. Die Reflektorelemente sind separat voneinander und auch separat von der Trägereinrichtung sowie separat von den Leuchtdioden ausgebildet.
Hierdurch sind für die flächige Verteilung der Leuchtdioden Reflektorstrukturen gebildet, die sich zwischen den Leuchtdioden erstrecken. Der Reflektor der Beleuchtungseinheit besitzt hierdurch einen besonders ein fachen und robusten Aufbau. Es sind keine separaten Linsen der Beleuchtungseinheit erforderlich, d. h. keine Linsen zusätzlich zu eventuellen integrierten Linsen der Leuchtdioden selbst. Ferner ist auch kein Füllmaterial in dem Zwischenraum zwischen benachbarten Reflektorelementen zwingend erforderlich.
Vor allem kann die Beleuchtungseinheit durch Auswählen zwischen verschiedenen Reflektorelementen leicht an unterschiedliche Anwendungen oder Kundenwünsche angepasst werden. Zum einen kann in Abhängigkeit von der beabsichtigten Aufstellhöhe der Beleuchtungseinheit und in Abhängigkeit von der beabsichtigten Abstrahlcharakteristik der Beleuchtungseinheit (z. B. Winkelcharakteristik in X/Y-Richtung) beispielsweise anhand einer Berechnungsformel oder eines Datenblatts ein geeigneter Neigungswinkel der Reflektorelemente ausgewählt werden. Mit anderen Worten werden solche Reflektorelemente an der Trägereinrichtung befestigt, deren Neigungswinkel die für eine bestimmte Aufstellhöhe geeignete Abstrahlcharakteristik bewirkt. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise die Anzahl der Reflektorelemente je Trägereinrichtung, die Anordnung der Reflektorelemente an der Trägereinrichtung, die Form der Reflektorelemente und/oder ihre Länge entsprechend ausgewählt werden. Besonders vorteilhaft ist eine derartige Anpassung der Beleuchtungseinheit beispielsweise für eine Straßenbeleuchtung, da Straßenbeleuchtungseinheiten nicht in einheitlicher Höhe montiert sind.
Zum anderen können in Abhängigkeit von der erwünschten Ausleuchtung und Helligkeit mehrere Beleuchtungseinheiten der erläuterten Art in einer Richtung oder in zwei zueinander senkrechten Richtungen nebeneinander angeordnet werden, um die Fläche, entlang derer die Leuchtdioden angeordnet sind, zu vergrößern und hierdurch den Strahlungsfluss (Lichtleistung) zu erhöhen. Insbesondere kann eine zweidimensionale Anordnung von mehreren Beleuchtungseinheiten nach Art eines Mosaiks vorgesehen sein.
Durch die Verwendung mehrerer separater Reflektorelemente kann die Abstrahlcharakteristik besonders genau auf eine gewünschte Anwendung abgestimmt werden. Da die Reflektorelemente zwischen den Leuchtdioden angeordnet sind, ohne dass ein jeweiliges Reflektorelement die Leuchtdioden notwendigerweise umfänglich umschließt, kann die Befestigung der Reflektorelemente an der Trägereinrichtung innerhalb vorteilhaft großer Toleranzen erfolgen, ohne dass dies sich auf die Abstrahlcharakteristik spürbar auswirkt. Somit ist trotz der zusätzlichen Befestigungsschritte (für die mehreren separaten Reflektorelemente) eine kostengünstige Herstellung der Beleuchtungseinheit möglich.
Bevorzugte Ausführungsformen sind nachfolgend und in den Unteransprüchen beschrieben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Reflektorelemente länglich ausgebildet, beispielsweise als Reflektorstege. Hierdurch kann das jeweilige Reflektorelement auf einfache Weise für eine große Anzahl von Leuchtdioden zugleich wirksam sein, nämlich für die an den beiden Längsseiten des jeweiligen Reflektorelements angeordneten Leuchtdioden.
Die Reflektorelemente eine geradlinige Form besitzen, um eine einfache Anordnung zwischen zwei geradlinigen Reihen von Leuchtdioden zu ermöglichen. Alternativ hierzu können die Reflektorelemente eine gekrümmte Form (z. B. C- oder S-förmig) oder eine eckige Form (z. B. L- oder Z-förmig) besitzen. Ferner ist beispielsweise auch eine mäandernde Form möglich, z. B. eine Schlangenlinienform oder eine Zickzackform.
Gemäß einer Ausführungsform verjüngen sich die Reflektorelemente im Querschnitt (d. h. in einer Ebene senkrecht zu der Trägereinrichtung und senkrecht zu der Längserstreckungsrichtung des jeweiligen Reflektorelements) mit zunehmendem Abstand von der Trägerplatine. Hierdurch kann eine erwünschte Abstrahlcharakteristik der Beleuchtungseinheit vorgegeben werden.
Die Reflektorelemente können im Querschnitt (d. h. in einer Ebene senkrecht zu der Trägereinrichtung und senkrecht zu der Längserstreckungsrichtung des jeweiligen Reflektorelements) beispielsweise trapez- oder keilförmig sein. Hierdurch können die Reflektorelemente für die beiden benachbarten Reihen von Leuchtdioden eine Richtfunktion erfüllen.
Die Reflektorelemente können an zwei Längsseiten, die benachbarten Leuchtdioden zugewandt sind, Flanken aufweisen, die bezüglich einer Flächennormalen der Trägereinrichtung um den bereits genannten Neigungswinkel geneigt sind. Indem Reflektorelemente mit unterschiedlichen derartigen Neigungswinkeln bereitgehalten und wahlweise an der Trägereinrichtung befestigt werden, kann eine erwünschte Abstrahlcharakteristik der Beleuchtungseinheit eingestellt werden.
Die genannten Flanken der Reflektorelemente können sich bezogen auf eine parallel zu der Trägereinrichtung verlaufende Längsschnittebene und insbesondere bezogen auf eine Längserstreckungsrichtung des jeweiligen Reflektorelements durchgehend geradlinig oder durchgehend konkav erstrecken. Hierdurch ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau der Reflektorelemente, wobei eine Längenanpassung durch ein einfaches Ablängen möglich ist. Alternativ ist es jedoch beispielsweise auch möglich, dass die Reflektorelemente in Längsrichtung mit einer der Anzahl der benachbarten Leuchtdioden entsprechenden Anzahl von Einbuchtungen ausge bildet sind. Hierdurch wird also für jede Leuchtdiode ein Abschnitt eines Einzelreflektors gebildet.
Vorzugsweise sind die Reflektorelemente an der Trägereinrichtung verschraubt. Alternativ ist es beispielsweise möglich, dass die Reflektorelemente an der Trägereinrichtung angenietet, angeklebt, angelötet, angeschweißt oder durch einen Presssitz befestigt sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind zumindest einige der Leuchtdioden in mehreren Reihen angeordnet sind, wobei die genannten separaten Reflektorelemente zwischen den Reihen von Leuchtdioden an der Trägereinrichtung befestigt sind und im Wesentlichen parallel zu den genannten Reihen von Leuchtdioden verlaufen. Hierdurch kann das jeweilige Reflektorelement für die beiden benachbarten Reihen von Leuchtdioden wirksam sein, während zugleich eine einfache Änderung der Abstrahlcharakteristik durch Austauschen des Reflektorelements möglich ist.
Vorzugsweise ist zwischen jedem Paar von benachbarten Reihen von Leuchtdioden wenigstens ein Reflektorelement an der Trägereinrichtung befestigt. Dies ist (je nach gewünschter Abstrahlcharakteristik) jedoch nicht zwingend erforderlich. Insbesondere können einige Zwischenräume zwischen benachbarten Leuchtdioden oder zwischen benachbarten Reihen von Leuchtdioden auch frei von Reflektorelementen bleiben.
Wie bereits erläutert, werden vorzugsweise Leuchtdioden mit einem hohen Lichtstrom verwendet. Um die hierbei entstehende Verlustleistung wirksam abzuführen, ist es besonderes vorteilhaft, wenn die genannten Reflektorelemente nach Art von Kühlrippen zugleich als Kühleinrichtung wirksam sind. Hierfür ist es bevorzugt, wenn die Reflektorelemente über die Trägereinrichtung mit den Leuchtdioden (beispielsweise mit deren Rückseite) thermisch leitend verbunden sind.
Insbesondere können die Reflektorelemente aus Metall gebildet sein, beispielsweise aus Aluminium (glänzend oder matt), wobei optional eine transparente Schutzschicht vorgesehen sein kann. Hierdurch werden die erwünschten Wärmeleiteigenschaften besonderes wirksam mit geeigneten Reflexionseigenschaften verbunden. Alternativ können die Reflektorelemente jedoch beispielsweise aus einem Metall-beschichteten Kunststoff gebildet sein, beispielsweise aus einem Aluminium-beschichteten Kunststoff. Alternativ oder zusätzlich zu der Verwendung der Reflektorelemente als Kühleinrichtung kann an der den Leuchtdioden abgewandten Seite der Trägereinrichtung ein Kühlkörper angeordnet sein, oder die Trägereinrichtung selbst bildet einen Kühlkörper.
Um die erwünschten Wärmeleiteigenschaften zu erzielen, besitzt die Trägereinrichtung vorzugsweise wenigstens eine Schicht aus Metall, wobei die Reflektorelemente mit der Metallschicht direkt oder über eine wärmeleitende Isolationsschicht (d. h. eine wärmeleitende, jedoch elektrisch isolierende Schicht) verbunden sind. Die Metallschicht besteht beispielsweise aus Kupfer, aus einer Kupferlegierung, aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung.
Bevorzugt ist die genannte Metallschicht an derjenigen Seite der Trägereinrichtung angeordnet, an der die Leuchtdioden befestigt sind, wobei die genannte Isolationsschicht für die von den Leuchtdioden emittierte Strahlung weitestgehend transparent ist, um zugleich als ergänzender Reflektor wirksam zu sein.
Bei der Trägereinrichtung handelt es sich beispielsweise um eine flexible oder starre Leiterplatte, mit einem flexiblen oder starren Träger aus Kunststoff, Metall oder Keramik (z. B. Folie oder Blech) und mit Leiterbahnen, die mit den Leuchtdioden elektrisch verbunden sind, um die Leuchtdioden mit elektrischer Energie zu versorgen. Insbesondere kann die vorgenannte Metallschicht zugleich eine elektrische Leiterbahn bilden.
Eine besonders einfache Beschaltung der Leuchtdioden ergibt sich hierbei, wenn mehrere der Leuchtdioden elektrisch in Serie geschaltet sind. Alternativ hierzu können die Leuchtdioden parallel geschaltet sein, oder die Leuchtdioden sind einzeln angesteuert.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform besitzt die Beleuchtungseinheit einen Lichtsensor, der die Helligkeit des Umgebungslichts misst. Ferner ist eine Auswerteeinrichtung vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, die Energieversorgung der Leuchtdioden in Abhängigkeit von dem Messwert des Lichtsensors zu steuern. Beispielsweise kann die Auswerteeinrichtung aus einer Nachschlagetabelle einen geeigneten Wert des elektrischen Versorgungsstroms in Abhängigkeit von dem Messwert des Lichtsensors und beispielsweise von der Uhrzeit oder einem von außen zugeführten Steuersignal auslesen. Es kann auch ein einfacher Soll/Ist-Vergleich durchgeführt werden.
Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Beleuchtungseinheit einen Funkempfänger und eine Auswerteeinrichtung aufweisen. Der Funkempfänger kann beispielsweise von einer übergeordneten Steuereinheit oder von einer benachbart installierten Beleuchtungseinheit über Funk ein Steuersignal erhalten, das von der Auswerteeinrichtung ausgewertet wird, um die Energieversorgung der Leuchtdioden in Abhängigkeit von dem empfangenen Steuersignal zu steuern. Diese Steuerung kann ein einfaches Ein- und Ausschalten oder ein Dimmen der Leuchtdioden umfassen.
Zusätzlich zu dem Funkempfänger kann die Beleuchtungseinheit einen Funksender aufweisen, damit die Beleuchtungseinheit mit einer übergeordneten Steuereinheit oder einer benachbart installierten Beleuchtungseinheit bidirektional kommunizieren kann. Beispielsweise können mehrere benachbarte Beleuchtungseinheiten hierdurch eine Kommunikationskette bilden, um bei einer niedrigen Reichweite der Funksignale eine große Anzahl von Beleuchtungseinheiten per Funk erfassen zu können. Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung bei Vorhandensein eines Funksenders dazu ausgebildet, Zustandsdaten und/oder Umgebungsdaten mittels des Funksenders auszusenden. Die genannten Zustandsdaten umfassen beispielsweise eine Information über die Funktionsfähigkeit der betreffenden Beleuchtungseinheit, den Stromverbrauch der betreffenden Beleuchtungseinheit, die Funktionsfähigkeit der Leuchtdioden der betreffenden Beleuchtungseinheit, und/oder die Funktionsfähigkeit einer anderen Beleuchtungseinheit (von der zuvor ein entsprechendes Zustandssignal per Funk empfangen worden ist). Die genannten Umgebungsdaten umfassen beispielsweise einen Messwert eines mit der Auswerteeinrichtung verbundenen Lichtsensors, einen Messwert eines mit der Auswerteeinrichtung verbundenen Temperatursensors, und/oder einen zuvor per Funk empfangenen Messwert.
In den beiden vorgenannten Fällen (Vorhandensein eines Lichtsensors oder eines Funkempfängers) kann der Energiebedarf erheblich reduziert werden, indem eine bedarfsabhängige Versorgung der Leuchtdioden erfolgt.
Die Erfindung bezieht sich auch generell auf eine Beleuchtungseinheit mit mehreren Leuchtdioden, bei der unabhängig von der Anordnung der Leuchtdioden und unabhängig von dem Vorhandensein oder der Ausgestaltung eines Reflektors ein Lichtsensor und eine Auswerteeinrichtung oder ein Funkempfänger und eine Auswerteeinrichtung vorgesehen sind, um in der vorstehend erläuterten Weise die Energieversorgung der Leuchtdioden zu steuern.
Ferner bezieht sich die Erfindung auch auf eine Beleuchtungseinrichtung mit mehreren Beleuchtungseinheiten der erläuterten Art, die als ein Modulsystem in einer Richtung oder in zwei zueinander senkrechten Richtungen nebeneinander angeordnet sind. Hierdurch kann unter Verwendung gleicher Trägereinrichtungen die Beleuchtungseinrichtung leicht an einen erwünschten Strahlungsfluss (Lichtleistung) angepasst werden.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Beleuchtungseinheit-Modulsystem mit wenigstens einer Beleuchtungseinheit der vorstehend erläuterten Art, wobei das Modulsystem wenigstens eine Art einer Trägereinrichtung (mit einer vorbestimmten oder wählbaren Anordnung von Leuchtdioden) und unterschiedliche Sätze von Reflektorelementen umfasst, die wahlweise an der Trägereinrichtung befestigbar sind, um die betreffende Beleuchtungseinheit an eine erwünschte Anwendung anzupassen bzw. um eine erwünschte Abstrahlcharakteristik einzustellen. Die Reflektorelemente der unterschiedlichen Sätze (und somit die Reflektorelemente verschiedener Beleuchtungseinheiten) unterscheiden sich bei einem solchen Modulsystem hinsichtlich wenigstens eines der folgenden Merkmale:

– jeweiliger Neigungswinkel bezüglich einer Flächennormalen der Trägereinrichtung,
– Form,
– Länge,
– Anzahl von Reflektorelementen je Trägereinrichtung, und/oder
– Anordnung der Reflektorelemente an der Trägereinrichtung (z. B. Anordnen eines Reflektorelements zwischen jeder Reihe von Leuchtdioden oder nur zwischen jeder zweiten Reihe).

Durch die Verwendung mehrerer separater Reflektorelemente kann die Abstrahlcharakteristik besonders genau eingestellt werden, beispielsweise durch Variieren der Anzahl von Reflektorelementen je Trägereinrichtung oder durch Befestigen von Reflektorelementen mit unterschiedlichen Neigungswinkeln an einer (einzigen) Trägereinrichtung.
Optional kann ein solches Modulsystem auch mehrere unterschiedliche Arten von Trägereinrichtungen umfassen (z. B. unterschiedliche Größe).
Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine Beleuchtungseinheit in einer Perspektivansicht.
2 zeigt eine unbestückte Trägereinrichtung in einer Perspektivansicht.
3 zeigt ein Reflektorelement in einer Perspektivansicht.
4a bis 4d zeigen einen jeweiligen Querschnitt unterschiedlicher Reflektorelemente.
5 zeigt einen Längsschnitt eines Reflektorelements.
6a und 6b zeigen Schaltungen für eine Helligkeitssteuerung.
1 zeigt eine Beleuchtungseinheit mit einer Trägereinrichtung 11, an der mehrere Leuchtdioden 13 befestigt (beispielsweise aufgelötet, gebondet oder leitfähig aufgeklebt) sind. Die Leuchtdioden 13 sind in mehreren Reihen 15 angeordnet, die sich entlang einer jeweiligen Längsrichtung X parallel zueinander erstrecken und bezüglich einer Querrichtung Y benachbart zueinander angeordnet sind, so dass die Leuchtdioden 13 gemäß einem zweidimensionalen Raster angeordnet sind.
Zwischen zwei benachbarten Reihen 15 von Leuchtdioden 13 ist ein jeweiliges stegförmiges Reflektorelement 17 an der Trägereinrichtung 11 befestigt, nämlich in dem hier gezeigten Beispiel angeschraubt. Auch nach außen benachbart zu den beiden in Querrichtung Y äußersten Reihen 15 von Leuchtdioden 13 ist ein jeweiliges Reflektorelement 17 an der Trägereinrichtung 11 befestigt. Jedes Reflektorelement 17 ist somit für mehrere Leuchtdioden 13 als Reflektor wirksam.
Die Leuchtdioden 13 senden typischerweise in einem Nenn-Abstrahlwinkel von ca. 120° sichtbares Licht mit einem im Wesentlichen weißen Emissionsspektrum oder infrarote Strahlung aus. Die Leuchtdioden 13 können zum Beispiel auf wenigstens einer InGaN-Schicht basieren. Es handelt sich um Leuchtdioden 13 mit hohem Lichtstrom, um große Flächen beleuchten zu können.
Die Trägereinrichtung 11 gemäß 1 ist auch in 2 gezeigt. Die Trägeplatte 11 ist plan. Es handelt sich um eine Leiterplatte mit mehreren metallischen Leiterbahnen 19, 21, 23 und mehreren Anschlussflächen (d. h. Lötflächen) 25, 27, 29, 31. Die Leiterbahn 19 ist an einem Ende mit der Anschlussfläche 25 verbunden, die als positiver Versorgungsanschluss dient. Am anderen Ende ist die Leiterbahn 19 mit den Anschlussflächen 27 verbunden, die zur Kontaktierung der jeweiligen Anode der in 2. unteren Leuchtdioden dienen. Die Leiterbahnen 21 verbinden die jeweilige Anschlussfläche 29 einer jeden Reihe 15, die als negativer Versorgungsanschluss dient, mit der Anschlussfläche 31, die zur Kontaktierung der jeweiligen Kathode der in 2 oberen Leuchtdioden dient. Die Leiterbahnen 23 verbinden die jeweilige Anschlussfläche 27 (für die Anode der betreffenden Leuchtdiode) mit der jeweiligen Anschlussfläche 31 (für die Kathode der benachbarten Leuchtdiode derselben Reihe 15). Die vorgenannten Polaritäten können auch vertauscht sein.
Aus 2 ist ersichtlich, dass die Leuchtdioden einer Reihe 15 elektrisch in Serie geschaltet sind (zwischen der Anschlussfläche 25 bzw. der Leiterbahn 19 einerseits und der jeweiligen Anschlussfläche 29 bzw. der jeweiligen Leiterbahn 21 andererseits).
Die Leiterbahnen 19, 21, 23 und die Anschlussflächen 25, 27, 29, 31 bilden eine bereichsweise unterbrochene Metallschicht 32 der Trägereinrichtung 11, die an der in 2 gezeigten Oberseite der Trägereinrichtung 11 angeordnet ist. Diese Metallschicht 32 besitzt bezüglich des Emissionsspektrums der Leuchtdioden 13 reflektierende Eigenschaften und ist größtenteils (nämlich mit Ausnahme der Anschlussflächen 25, 27, 29, 31) mit einer Isolationsschicht 34 bedeckt, die bezüglich des Emissionsspektrums der Leuchtdioden 13 möglichst transparent sein sollte. Die Isolationsschicht 34 bewirkt eine elektrische Isolierung. Sie ermöglicht jedoch eine thermische Kopplung der Reflektorelemente 17 über die Metallschicht 32 mit den Leuchtdioden 13, so dass nicht nur die Metallschicht 32 eine Wärmesenke bildet, sondern auch die (an der Oberseite der Trägereinrichtung 11 frei liegenden) Reflektorelemente 17 als Kühleinrichtung für die Leuchtdioden 13 wirksam sind. Hierfür überlappen die Reflektorelemente 17 mit den seitlichen Bereichen der Leiterbahnen 23. Die Reflektorelemente 17 dienen somit als (vorderseitige) Kühlrippen, um die Verlustwärme der ”high brightness”-Leuchtdioden 13 besser abführen zu können.
Die Reflektorelemente 17 bestehen in dem hier gezeigten Beispiel aus massivem Metall. Hierdurch kann die erläuterte Kühlfunktion besonders gut erfüllt werden. Eines der Reflektorelemente 17 gemäß 1 ist in 3 gezeigt. Die Reflektorelemente 17 besitzen eine Längsform und sind über ihre Länge einstückig ausgebildet. Die Reflektorelemente 17 besitzen einen trapezförmigen Querschnitt, wobei die Reflektorelemente 17 sich mit zunehmendem Abstand von der Trägereinrichtung 11, d. h. entlang einer Flächennormalen Z der Trägereinrichtung 11, verjüngen. Jedes Reflektorelement 17 besitzt entlang seiner beiden Längsseiten eine jeweilige Flanke 33, die die eigentliche Reflektorfläche bildet. An den beiden Längsenden besitzt jedes Reflektorelement 17 einen Befestigungsabschnitt 35 mit einer Bohrung 37. Über die beiden Befestigungsabschnitte 35 wird jedes Reflektorelement 17 an der Trägereinrichtung 11 befestigt, nämlich mittels Schrauben 38, die durch die jeweilige Bohrung 37 geführt sind (vgl. 1).
4a zeigt einen Querschnitt eines Reflektorelements 17 gemäß 1 und 3 entlang einer YZ-Ebene. Aus 4a ist ersichtlich, dass die Flanken 33 bezüglich der Flächennormalen Z der Trägereinrichtung 11 um einen Neigungswinkel α geneigt sind. Dieser Neigungswinkel α kann beispielsweise 10°, 20°, 30°, 40° oder 50° betragen. 4b zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem größeren Neigungswinkel α. Insbesondere können Sätze von Reflektorelementen 17 mit unterschiedlichen Neigungswinkeln α der Flanken 33 vorgesehen sein, mit denen eine jeweilige Trägereinrich tung 11 wahlweise bestückt wird, um eine erwünschte vorbestimmte Abstrahlcharakteristik der betreffenden Beleuchtungseinheit zu erzielen.
4c zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie 4a, wobei der Querschnitt des Reflektorelements 17 hier keilförmig, d. h. dreieckig ist.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß 4a bis 4c sind die Flanken 33 im Querschnitt geradlinig. Alternativ hierzu können die Flanken 33 im Querschnitt konkav gekrümmt sein, um eine modifizierte Abstrahlcharakteristik zu erzielen. Dies ist in 4d gezeigt.
Bei der Ausführungsform der Reflektorelemente 17 gemäß 1 und 3 sind die Flanken 33 in Längsrichtung X durchgehend plan. Alternativ hierzu können die Flanken in Längsrichtung X durchgehend konkav gekrümmt sein, entsprechend dem Querschnitt gemäß 4d.
Eine besonders gute Leuchtdichte ergibt sich, wenn die Höhe der Reflektorelemente 17 (Erstreckung in Z-Richtung) größer ist als deren Breite (Erstreckung in Y-Richtung), wie dies bei den Ausführungsbeispielen gemäß 4a, 4c und 4d der Fall ist.
Gemäß einer weiteren Alternative sind an den Flanken 33 der Reflektorelemente 17 mehrere Einbuchtungen 39 ausgebildet, wobei jede Einbuchtung 39 einer benachbarten Leuchtdiode 13 zugeordnet ist, um für diese einen Reflektorabschnitt zu bilden. Die Einbuchtungen 39 sind also in Längsrichtung X regelmäßig verteilt. 5 zeigt einen Längsschnitt eines solchen Reflektorelements 17, wobei die Schnittebene einer XY-Ebene entspricht, d. h. parallel versetzt zu der Erstreckungsebene der Trägereinrichtung 11 ist. Die Einbuchtungen 39 erstrecken sich hierbei in Betrachtungsrichtung, d. h. entlang der Z-Richtung.
Die im Zusammenhang mit 1 bis 5 beschriebene Beleuchtungseinheit dient als Außenbeleuchtung (z. B. Straßenbeleuchtung) oder zur Beleuchtung großer Flächen eines Gebäude-Innenraums. Diese Beleuchtungseinheit zeichnet sich durch einen einfachen und robusten Aufbau aus, da als optische Elemente im Wesentlichen lediglich die Reflektorelemente 17 erforderlich sind. Da die Reflektorelemente 17 separat von der Trägereinrichtung 11 ausgebildet sind, besitzt die Beleuchtungseinheit einen modularen Aufbau. Hierdurch ist es möglich, eine jeweilige Beleuchtungseinheit wahlweise mit einem von mehreren verschiedenen Sätzen von Reflektorelementen 17 zu bestücken, die sich beispielsweise hinsichtlich des Neigungswinkels α der Flanken 33 der Reflektorelemente 17 unterscheiden. Hierdurch kann auf einfache Weise eine für eine bestimmte Anwendung besonders geeignete Beleuchtungseinheit konfiguriert werden.
Zum Beispiel kann anhand einer einmalig erstellten Nachschlagetabelle (Look-Up Table) bestimmt werden, welcher Neigungswinkel α für eine bestimmte Befestigungshöhe der Beleuchtungseinheit am besten geeignet ist, wobei als Ergebnis der betreffende Satz von Reflektorelementen 17 an der Trägereinrichtung 11 befestigt wird. Auf entsprechende Weise kann auch festgestellt werden, ob mehrere der erläuterten Beleuchtungseinheiten in Längsrichtung (X-Richtung) und/oder in Querrichtung (Y-Richtung) nebeneinander anzuordnen sind. Hierdurch ist also ein modulares System geschaffen, welches es einem Anwender ermöglicht, anhand einfacher Tabellen selbst eine geeignete Konfigurierung einer Beleuchtungseinrichtung (welche erforderlichenfalls aus mehreren Beleuchtungseinheiten der gezeigten Art besteht) zu konfigurieren.
Von besonderem Vorteil ist ferner, dass keine weiteren optischen Elemente, wie beispielsweise Linsen, zwingend erforderlich sind. Es ist auch nicht notwendig, ein zusätzliches Füllmaterial in dem Zwischenraum zwischen benachbarten Reflektorelementen 17 vorzusehen. Es genügt eine einfache transparente Abdeckung als Schutz vor Verschmutzung.
Während für das Ausführungsbeispiel gemäß 1 bis 5 eine rechteckige Anordnung von vier Reihen 15 mit jeweils sechs Leuchtdioden 13 gezeigt ist, sind natürlich auch andere zweidimensionale Anordnungen von Leuchtdioden möglich. Vorzugsweise sind wenigstens zwei Reihen 15 von Leuchtdioden 13 vorgesehen, wobei jede Reihe 15 wenigstens drei Leuchtdioden 13 umfasst. Es ist im Rahmen der Erfindung jedoch auch möglich, die Leuchtdioden beispielsweise gemäß einem Raster mit rundem Umriss oder in mehreren konzentrischen Ringen anzuordnen, wobei die Form der Reflektorelemente grundsätzlich an den Verlauf der Zwischenräume zwischen benachbarten Leuchtdioden angepasst ist.
Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass zwischen zwei Reflektorelementen 17 auch mehrere, insbesondere zwei Reihen 15 von Leuchtdioden verlaufen. Beispielsweise kann bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 bis 5 auch das mittlere Reflektorelement 17, oder das zweite und das vierte Reflektorelement 17 weggelassen werden. Um die Abstrahlcharakteristik gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 bis 5 nur geringfügig zu modifizieren, können auch Reflektorelemente 17 mit mehreren unterschiedlichen Neigungswinkeln α an der Trägereinrichtung 11 befestigt sein.
Anhand der 6a und 6b werden nachfolgend noch zwei besonders vorteilhafte Weiterbildungen einer Beleuchtungseinheit mit mehreren Leuchtdioden erläutert. Die in diesem Zusammenhang beschriebenen Vorteile sind nicht auf eine Beleuchtungseinheit beschränkt, die mehrere Reflektorelemente 17 gemäß 1 bis 5 besitzt. In den beiden nachfol gend beschriebenen Fällen erfolgt eine Steuerung der Leistung der Leuchtdioden und somit eine Steuerung der Helligkeit der Beleuchtungseinheit.
6a zeigt eine Steuerschaltung mit einem Lichtsensor 41, beispielsweise einem Fototransistor oder einer Fotodiode (erforderlichenfalls mit Verstärker). Der Lichtsensor 41 ist derart ausgebildet und an der Beleuchtungseinheit angeordnet, dass der Lichtsensor 41 eine Messung des Umgebungslichts ermöglicht. Beispielsweise kann der Lichtsensor 11 an einer Stirnseite oder einer Rückseite einer Trägereinrichtung für die Leuchtdioden der Beleuchtungseinheit angeordnet sein. Der Ausgang des Lichtsensors 41 ist mit einer Auswerteeinrichtung 43 verbunden, die einen Messwert des Lichtsensors 41 auswertet, um eine Energieversorgungseinrichtung 45 zu steuern, welche die Leuchtdioden 13 der betreffenden Beleuchtungseinheit mit elektrischer Energie versorgt. Bei der Energieversorgungseinrichtung 45 kann es sich beispielsweise um eine steuerbare Stromquelle handeln.
Die Auswerteeinrichtung 43 kann gemäß einer einfachen Ausführungsform einen Komparator aufweisen, der den Messwert des Lichtsensors 41 mit einem gespeicherten oder in sonstiger Weise vorgegebenen Sollwert vergleicht, um in Abhängigkeit von dem Soll/Ist-Vergleich die Energieversorgungseinrichtung 45 zu steuern. Hierdurch wird erreicht, dass bei ausreichendem Umgebungslicht die Beleuchtungseinheit eine verringerte Lichtleistung erzeugt. Somit wird ein verringerter Energieverbrauch ermöglicht.
Alternativ zu der Ausgestaltung der Auswerteeinrichtung 43 mit einem einfachen Komparator kann die Auswerteeinrichtung 43 mit einer Speichereinrichtung 47 verbunden sein, in der eine Nachschlagetabelle hinter legt ist. In diesem Fall kann die Auswerteeinrichtung 43 in Abhängigkeit von dem Messwert des Lichtsensors 41 und in Abhängigkeit von weiteren Parametern (wie beispielsweise Uhrzeit oder Wochentag) einen geeigneten Wert aus der Speichereinrichtung 47 auslesen, welcher der Energieversorgungseinrichtung 45 als Steuersignal übermittelt wird. Alternativ zu einer Nachschlagetabelle kann auch eine vorbestimmten Rechenvorschrift gespeichert sein.
6b zeigt eine ähnliche Steuerschaltung für eine Beleuchtungseinheit mit Leuchtdioden. Diese Ausführungsform umfasst einen Funkempfänger 51, der dazu ausgebildet ist, ein über Funk übermitteltes Steuersignal zu empfangen. Dieses Steuersignal kann von einer zentralen Steuereinheit für mehrere Beleuchtungseinheiten ausgesendet werden. Das Empfangssignal des Funkempfängers 51 wird an eine Auswerteeinrichtung 43 übermittelt, die beispielsweise einen Mikroprozessor umfasst. In Abhängigkeit von dem Empfangssignal des Funkempfängers 51 steuert die Auswerteeinrichtung 43 eine Energieversorgungseinrichtung 45 für die Leuchtdioden 13 der Beleuchtungseinheit. Hierdurch ist auf einfache Weise eine bedarfsabhängige Helligkeitssteuerung der Beleuchtungseinheit möglich, um den Energieverbrauch zu verringern.
Die Auswerteeinrichtung 43 gemäß 6b kann zusätzlich zu dem Empfangssignal des Funkempfängers 51 weitere Parameter oder Eingangssignale berücksichtigen. Insbesondere ist auch eine Kombination der Ausführungsformen gemäß 6a und 6b möglich. Die Auswerteeinrichtung 43 kann also den Messwert eines Lichtsensors 41 und zusätzlich das Empfangssignal eines Funkempfängers 51 berücksichtigen, um aufgrund einer vorbestimmten Rechenvorschrift oder einer Nachschlagetabelle eine Energieversorgungseinrichtung 45 der Beleuchtungseinheit zu steuern.
Außerdem ist es möglich, dass bei der Steuerschaltung gemäß 6b der Funkempfänger 51 zugleich als ein Funksender ausgebildet ist, um eine Sende-/Empfangseinrichtung (so genannter Transceiver) zu bilden. In diesem Fall ist die Auswerteeinrichtung 43 dazu ausgebildet, den Funksender/Funkempfänger 51 zum Aussenden von Zustandsdaten und/oder Umgebungsdaten anzusteuern (beispielsweise von Informationen über die Funktionsfähigkeit der Leuchtdioden 13 oder des Messwerts eines angeschlossenen Lichtsensors 41 gemäß 6a).

11: Trägereinrichtung
13: Leuchtdiode
15: Reihe
17: Reflektorelement
19: Leiterbahn
21: Leiterbahn
23: Leiterbahn
25: Anschlussfläche
27: Anschlussfläche
29: Anschlussfläche
31: Anschlussfläche
32: Metallschicht
33: Flanke
34: Isolationsschicht
35: Befestigungsabschnitt
37: Bohrung
38: Schraube
39: Einbuchtung
41: Lichtsensor
43: Auswerteeinrichtung
45: Energieversorgungseinrichtung
47: Speichereinrichtung
51: Funkempfänger
α: Neigungswinkel
X: Längsrichtung
Y: Querrichtung
Z: Flächennormale der Trägereinrichtung

Claims

Beleuchtungseinheit zum Beleuchten großer Flächen, mit einer Trägereinrichtung (11), an der mehrere Leuchtdioden (13) in einer zweidimensionalen Anordnung befestigt sind, wobei zwischen den Leuchtdioden (13) mehrere separate Reflektorelemente (17) an der Trägereinrichtung (11) befestigt sind.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, wobei jedes Reflektorelement (17) mehreren Leuchtdioden (13) zugeordnet ist.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Reflektorelemente (17) länglich und insbesondere als Reflektorstege ausgebildet sind.
Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reflektorelemente (17) eine geradlinige, eine gekrümmte, eine eckige oder eine mäandernde Form besitzen.
Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reflektorelemente (17) sich bezogen auf eine senkrecht zu der Trägereinrichtung (11) verlaufende Querschnittsebene mit zunehmendem Abstand von der Trägereinrichtung (11) verjüngen.
Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reflektorelemente (17) bezogen auf eine senkrecht zu der Trägereinrichtung (11) verlaufende Querschnittsebene trapezförmig oder keilförmig sind.
Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reflektorelemente (17) Flanken (33) aufweisen, die bezüglich einer Flächennormalen (Z) der Trägereinrichtung (11) geneigt sind.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 7, wobei die Flanken (33) bezogen auf eine senkrecht zu der Trägereinrichtung (11) verlaufende Querschnittsebene geradlinig oder konkav gekrümmt sind.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Flanken (33) bezogen auf eine parallel zu der Trägereinrichtung (11) verlaufende Längsschnittebene durchgehend plan, durchgehend konkav oder mit mehreren Einbuchtungen (39) ausgebildet sind.
Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Höhe der Reflektorelemente (17) größer ist als die Breite.
Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reflektorelemente (17) an der Trägereinrichtung (11) verschraubt, angenietet, angeklebt, angelötet, angeschweißt, verrastet oder durch einen Presssitz befestigt sind.
Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einige der Leuchtdioden (13) in mehreren Reihen (15) angeordnet sind, wobei die Reflektorelemente (17) zwischen den Reihen (15) von Leuchtdioden (13) an der Trägereinrichtung (11) befestigt sind.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 12, wobei zwischen jedem Paar von benachbarten Reihen (15) von Leuchtdioden (13) wenigstens ein Reflektorelement (17) an der Trägereinrichtung (11) befestigt ist.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Reihen (15) von Leuchtdioden (13) entlang einer Längsrichtung (X) verlaufen und entlang einer Querrichtung (Y) benachbart zueinander angeordnet sind, so dass die Leuchtdioden (13) eine zweidimensionale Matrix bilden, wobei die Reflektorelemente (17) sich ebenfalls entlang der Längsrichtung (X) erstrecken.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 14, wobei auch benachbart zu den beiden in Querrichtung (Y) äußersten Reihen (15) von Leuchtdioden (13) ein jeweiliges Reflektorelement (17) an der Trägereinrichtung (11) befestigt ist.
Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei wenigstens zwei Reihen (15) von Leuchtdioden (13) vorgesehen sind, wobei jede Reihe wenigstens drei Leuchtdioden (13) aufweist.
Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reflektorelemente (17) über die Trägereinrichtung (11) mit den Leuchtdioden (13) thermisch leitend verbunden sind, so dass die Reflektorelemente (17) für die Leuchtdioden (13) als Kühleinrichtung wirksam sind.
Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reflektorelemente (17) aus Metall oder aus einem Metallbeschichteten Kunststoff gebildet sind.
Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägereinrichtung (11) wenigstens eine Schicht (32) aus Metall aufweist, wobei die Reflektorelemente (17) mit der Metallschicht (32) direkt oder über eine wärmeleitende Isolationsschicht (34) verbunden sind.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 19, wobei die Metallschicht (32) an derjenigen Seite der Trägereinrichtung (11) vorgesehen ist, an der die Leuchtdioden befestigt sind, wobei die Isolationsschicht (34) transparent ist.
Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägereinrichtung (11) plan ist.
Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägereinrichtung (11) Leiterbahnen (19, 21, 23) aufweist, mit denen die Leuchtdioden (13) elektrisch verbunden sind.
Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere oder alle der Leuchtdioden (13) elektrisch in Serie oder parallel geschaltet sind, oder wobei die Leuchtdioden (13) einzeln angesteuert sind.
Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungseinheit einen Lichtsensor (41) zur Messung des Umgebungslichts und eine Auswerteeinrichtung (43) aufweist, die dazu ausgebildet ist, eine Energieversorgung (45) der Leuchtdioden (13) in Abhängigkeit von einem Messwert des Lichtsensors zu steuern.
Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungseinheit einen Funkempfänger (51) und eine Auswerteeinrichtung (43) aufweist, die dazu ausgebildet ist, eine Energieversorgung (45) der Leuchtdioden (13) in Abhängigkeit von einem Empfangssignal des Funkempfängers zu steuern.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 25, wobei die Beleuchtungseinheit ferner einen Funksender aufweist, wobei die Auswerteeinrichtung (43) dazu ausgebildet ist, den Funksender zum Aussenden von Zustandsdaten und/oder Umgebungsdaten anzusteuern.
Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leuchtdioden (13) ein weißes Emissionsspektrum, ein infrarotes Emissionsspektrum oder verschiedenfarbige Emissionsspektren besitzen.
Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungseinheit ohne separate Linsen und/oder ohne Füllmaterial in dem Zwischenraum zwischen benachbarten Reflektorelementen (17) ausgebildet ist.
Beleuchtungseinrichtung mit mehreren Beleuchtungseinheiten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungseinheiten in einer Richtung oder in zwei zueinander senkrechten Richtungen (X, Y) nebeneinander angeordnet sind.
Beleuchtungseinheit-Modulsystem mit wenigstens einer Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 28, wobei das Modulsystem wenigstens eine Art einer Trägereinrichtung (11) und unterschiedliche Sätze von Reflektorelementen (17) um fasst, die wahlweise an der Trägereinrichtung (11) befestigbar sind, wobei die Reflektorelemente (17) der unterschiedlichen Sätze sich hinsichtlich: – eines jeweiligen Neigungswinkels (α) bezüglich einer Flächennormalen (Z) der Trägereinrichtung (11), – der Form, – der Länge, – der Anzahl von Reflektorelementen (17) je Trägereinrichtung (11), und/oder – der Anordnung der Reflektorelemente (17) an der Trägereinrichtung (11) voneinander unterscheiden.