DE102013107520A1 - LED-Lampe für eine Leuchte und Betriebsverfahren für diese Leuchte - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine LED-Lampe zum Einsatz in Leuchten, die eine konstante Lichtleistung oder Strahlungsleistung abgeben sollen, mit mindestens einer Leuchtdiode (2), die aus einer Leistungselektronik (9) eine elektrische Leistung aufnimmt und die auf einem Kühlkörper (3) einer Kühlstruktur montiert ist und an deren Oberfläche eine Verlustleistung als Abwärme abgibt, wobei an der mindestens einen Leuchtdiode (2) über eine Messeinrichtung deren Temperatur (TLED) ermittelt und mit einem Thermosensor (6) an der Oberfläche der Kühlstruktur die von der LED-Lampe (1) in die Umgebung abgegebene thermische Verlustleistung (Ptherm) durch die Leistungselektronik (9) messbar ist und die elektrische Leistungsaufnahme der LED-Lampe (1) anhand der gemessenen thermischen Verlustleistung (Ptherm) mittels der Leistungselektronik (9) regelbar ist. Weiterhin ist ein Verfahren angegeben, das beim Betrieb der Leuchte Energie einspart und deren Lebensdauer verlängert.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine LED-Lampe zum Einsatz in Leuchten, die eine konstante Lichtleistung oder Strahlungsleistung abgeben sollen, mit mindestens einer Leuchtdiode, die aus einer Leistungselektronik eine elektrische Leistung aufnimmt, und die auf einem Kühlkörper einer Kühlstruktur montiert ist und an deren Oberfläche eine Verlustleistung als Abwärme abgibt, sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser Leuchte.
  • Lampen mit Leuchtdioden (LED) als Lichtquelle (LED-Lampen) bergen auf Grund ihrer hohen Lichtausbeute das Potential zur Anwendung in z.B. Park- und Straßenleuchten. Dazu ist eine Anordnung nötig, mit der das Licht der LED-Lampen zuverlässig verteilt wird. Solche LED-Lampen sind für Straßenlaternen sinnvoll nutzbar, wenn sie zum einen in die bereits bestehenden Straßenlaternen eingesetzt werden können und zum anderen die geforderte Lichtleistung über ihre gesamte Lebensdauer hinweg gewährleistet ist. Letzteres ist erheblich von der Alterung der LEDs abhängig, die wiederum stark von der an der LED herrschenden Temperatur beeinflusst wird.
  • Park- und Straßenleuchten werden derzeit zumeist mit Quecksilberdampf-Lampen betrieben. Die Entwicklung effizienter Lampen (z.B. LED-Lampen), die etwa in so genannten Pilzleuchten eingesetzt werden können, ist eine Herausforderung aufgrund der eingeschränkten Kühlmöglichkeiten, die bauartbedingt sind. Momentan gibt es ein sogenanntes LED-Retrofit für runde Park- und Straßenleuchten das nachfolgend beschrieben wird.
  • Die Firma Siteco vertreibt eine unter der Produktbezeichnung Mod.520 eine runde LED-Lampe, die für den Einsatz in Straßen-Pilzleuchten geeignet ist. Darin sind einzelne LED-Lichtquellen übereinander angeordnet, deren Strahlung durch Reflektoren gelenkt wird. Der Nachteil dieser Bauweise ist ein relativ hoher Montageaufwand. Eine Regelung der Lichtleistung ist nicht vorgesehen. Außerdem ist die Wärmeabfuhr nicht optimal.
  • Die LEDs altern während ihrer Lebenszeit, dadurch sinkt die Lichtausbeute – die Lichtleistung nimmt ab. Dies unterscheidet sie von konventionellen Lampen, wie bspw. der Glühlampe, bei der die Lichtleistung während der gesamten Lebenszeit näherungsweise konstant bleibt. Soll die Lichtleistung annähernd konstant bleiben, ist es notwendig, ein Betriebsverfahren zu entwickeln, das der abnehmenden Lichtleistung Rechnung trägt. Häufig wird die Alterung aber nicht berücksichtigt. Die zugeführte elektrische Leistung Pel bleibt konstant. Während des Betriebs sinken dann die Lichtausbeute und damit auch die Lichtleistung der Lampe. Die reale Lichtleistung (ϕV_Ist) sinkt also während des Betriebs immer weiter ab.
  • Um die geforderte Lichtleistung zu keinem Zeitpunkt der Lebenszeit zu unterschreiten, wird in einigen Ausführungen von LED-Lampen die anfängliche Lichtleistung deutlich höher angesetzt, sodass bei gleichbleibender elektrischer Versorgung die tatsächliche Lichtleistung stets über dem gewünschten Mindestwert bleibt. Der Grad der Alterung wird bei diesem Betriebsverfahren nicht erfasst und die abnehmende Lichtausbeute nicht kompensiert. Dies birgt dreierlei Nachteile:
    Die elektrische Versorgungsleistung (Pel) ist während der gesamten Lebenszeit zu hoch, sodass unnötig viel Energie verbraucht wird. Dies erhöht die Betriebskosten. Außerdem führt die anfänglich zu starke Bestromung zu einer höheren Betriebstemperatur, was den Alterungsprozess weiter beschleunigt und damit die Lebensdauer verkürzt. Zudem ist die tatsächliche Alterungsgeschwindigkeit nicht bekannt. Somit kann auch das Ende der Lebenszeit nicht genau bestimmt werden und das Erbringen der geforderten Lichtleistung ist nicht gesichert.
  • Ein anderes Betriebsverfahren besteht darin, die zugeführte elektrische Leistung über die gesamte Lebenszeit hinweg kontinuierlich anzuheben, z.B. 2% p.a. Im Idealfall wird so die Abnahme der Lichtausbeute genau ausgeglichen. Die exakte Temperatur der LED ist jedoch nicht bekannt, denn sie hängt unter anderem auch von der Umgebungstemperatur ab. Damit ist auch die Alterungsgeschwindigkeit unbekannt. Dieses Verfahren führt in kälteren Umgebungen zu einer Über- und in wärmeren zu einer Unterdimensionierung. Das bedeutet im Fall der Überdimensionierung eine Energieverschwendung und im Fall der Unterdimensionierung die Nichterfüllung der Anforderungen. Die beschriebenen Betriebsverfahren ermöglichen keine Messung der tatsächlich erbrachten Lichtleistung. Ein zuverlässiger Betrieb innerhalb der Anforderungen ist deshalb schwierig.
  • Es könnte auch ein Bild-, Licht- oder Strahlungs-Sensor verwendet werden, der an der Lampe oder am Boden installiert wird. Dies bedeutet allerdings neben zusätzlichen Kosten vor allem Probleme mit Verschmutzung, Alterung und Temperaturempfindlichkeit des Sensors. Diese Lösung ist deshalb wenig praktikabel.
  • In der Patentanmeldung DE 10 2009 050 700 A1 ist eine runde LED-Leuchte für den Ersatz herkömmlicher Lampen beschrieben, die in ihrer Helligkeit gesteuert werden kann. Die LEDs sind mit einer Metallhalterung verbunden. Eine Messung der Verlustleistung wäre hier möglich, ist aber nicht vorgesehen.
  • In der Patentanmeldung DE 10 2009 050 700 A1 ist ein Verfahren zur Stabilisierung des von einer Halbleiterquelle emittierten Lichtes beschrieben. Dazu wird eine Anordnung gezeigt, wie die Temperatur des Halbleiterkristalls der LED über ein thermoelektrisches Element konstant gehalten wird. Dieses Verfahren ist aber nicht zur Kompensation der Alterung der LEDs geeignet.
  • Die Patentanmeldung DE 10 2007 009 532 A1 erläutert, wie durch Pulsweitenmodulation die Lichtintensität der LEDs geregelt werden kann. Dazu wird die thermische Impedanz der Anordnung bestimmt und abhängig von einer gemessenen Temperatur der Betrieb der LEDs geregelt. Alterungsprozesse werden dabei nicht berücksichtigt.
  • In der Patentanmeldung DE 10 2010 006 998 A1 wird eine Temperaturkompensation des Lichtstroms an LED-Leuchten beschrieben, bei der, abhängig von der Umgebungstemperatur oder der Halbleitertemperatur, der Lichtstrom geregelt wird. Eine Kompensation der Alterung der LED-Leuchte ist ausdrücklich nicht die Aufgabe der offenbarten Schaltung.
  • Bekannte Betriebsverfahren sind also nicht geeignet, zuverlässig die Alterung von LEDs zu kompensieren und zu verlangsamen. Damit stellt sich die Aufgabe, eine LED-Lampe anzugeben, bei der die Lichtleistung oder Strahlungsleistung der LEDs oder deren Änderung bestimmt werden kann und ein Betriebsverfahren zu offenbaren, über das dann die Alterung der LEDs kompensiert wird.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und das Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
  • Die hier beschriebene LED-Lampe ist zum Einsatz in Leuchten vorgesehen, die eine konstante Licht- oder Strahlungsleistung abgeben sollen. Sie besitzen mindestens eine Leuchtdiode, die aus einer Leistungselektronik eine elektrische Leistung aufnimmt. Die Leuchtdiode ist auf einem Kühlkörper einer Kühlstruktur montiert und gibt an deren Oberfläche eine Verlustleistung als Abwärme ab. Die LED-Lampe zeichnet sich dadurch aus, dass an der mindestens einen Leuchtdiode über eine Messeinrichtung deren Temperatur ermittelt und mit einem Thermosensor an der Oberfläche der Kühlstruktur die von der LED-Lampe in die Umgebung abgegebene thermische Verlustleistung durch die Leistungselektronik messbar ist und die elektrische Leistungsaufnahme der LED-Lampe anhand der Verlustleistung mittels der Leistungselektronik regelbar ist.
  • Die Bestimmung der Verlustleistung basiert auf der Voraussetzung, dass sich die zugeführte elektrische Leistung Pel in Strahlungsleistung Φe und thermische Leistung aufteilt. Die Strahlungsleistung ergibt sich so zu:
    Figure DE102013107520A1_0002
  • Dabei sind TLED die Temperatur der LED und TA die Oberflächentemperatur der Kühlstruktur. Rth ist die bekannte thermische Impedanz der Kühlstruktur. Aus der emittierten Strahlungsleistung Φe kann wiederum die damit zusammenhängende Lichtleistung ΦV abgeleitet werden. Um diese konstant zu halten ist die zugeführte elektrische Leistung Pel entsprechend zu regeln. Dazu muss die Temperatur der LED T e LED gemessen werden. Dies kann über die Messeinrichtung durch die Messung der elektrischen Betriebswerte der jeweiligen Leuchtdiode erfolgen. Die Temperatur wird dann anhand einer Kennlinie ermittelt. Die Temperaturmessung kann auch über einen Temperaturfühler erfolgen, der nah an der LED auf einem gemeinsamen Träger angebracht ist. Die Messung erfolgt mittels der Leistungselektronik. Die Oberflächentemperatur der Kühlstruktur wird über einen Thermosensor gemessen. Aus der Differenz der Temperaturen, der thermischen Impedanz der Kühlstruktur und dem Wert der zugeführten elektrischen Leistung wird nach obiger Formel die Strahlungsleistung Φe bestimmt. Solange die Strahlungsleistung Φe durch eine entsprechend aus der Leistungselektronik geregelt zugeführte elektrische Leistung konstant gehalten wird, ist auch die abgegebene Lichtleistung ΦV konstant und die Alterung der LEDs ist kompensiert.
  • Sollte die Alterung der LEDs nicht linear mit einer Zunahme der thermischen Verlustleistung erfolgen, kann die Regelung der Licht- oder Strahlungsleistung auch anhand einer Kennlinie erfolgen, die in der Leistungselektronik abgelegt ist.
  • Falls die Leuchte mit einem Beleuchtungsprofil betrieben werden soll, kann dieses Beleuchtungsprofil ebenfalls in der Leistungselektronik abgelegt sein. So kann etwa die Leuchtstärke zu bestimmten Tageszeiten erniedrigt oder erhöht werden.
  • Die LED-Lampe ist besonders für rundstrahlende Leuchten vorgesehen. Daher ist die Kühlstruktur mit einem zylinderförmigen oder rechteckigen Kühlkörper ausgebildet, auf dem rundherum die LED montiert sind. Es kann so eine gleichmäßig um den Umfang des Kühlkörpers verteilte Lichtleistung erreicht werden. Es sind aber auch andere Kühlkörperformen einsetzbar.
  • Um die Wärmeabfuhr zu verbessern ist bei einem zylinderförmigen Kühlkörper vorgesehen, dass er einen inneren Hohlraum besitzt, durch den Luft strömen kann. Die Abgabe der Verlustwärme durch Konvektion wird weiter verbessert, indem in dem inneren Hohlraum Kühlrippen angeordnet sind. Für einen äußeren Schutz besitzt die Kühlstruktur eine transparente äußere Hülle, die um den zylinderförmigen Kühlkörper angeordnet ist. Zwischen der transparenten äußeren Hülle und dem Kühlkörper kann sich auch ein Freiraum befinden, durch den eine zusätzliche Kühlung durch Konvektion erfolgen kann.
  • Die Erfassung der Verlustleistung wird verbessert, wenn die Temperaturen mehrerer LEDs durch die Messeinrichtung erfasst werden. Die Verlustleistung kann dann genauer durch Mittelung der Werte bestimmt werden. Ebenso ist es vorteilhaft, auch mehrere Thermosensoren zur Erfassung der Temperatur an der Außenseite der Kühlstruktur vorzusehen. Dies trägt zu einer genaueren Mittelung der gemessenen Werte bei.
  • Vorteilhaft ist an dem Kühlkörper als Bauelementeträger ein Schraubgewinde mit elektrischen Anschlüssen angeformt. Auf diese Weise kann die LED-Lampe in Standardfassungen mit Schraubgewinde eingesetzt werden.
  • Die an der LED-Lampe entstehende Verlustwärme kann durch mindestens einen thermoelektrischen Generator teilweise in elektrische Energie zurückgewandelt werden. Dazu ist der mindestens eine thermoelektrische Generator eng mit dem Kühlkörper verbunden, um Teile von dessen Wärme aufzunehmen. Die durch die Temperaturdifferenz entstehende elektrische Energie wird vorteilhaft zum Betrieb eines Ventilators genutzt, der Luft um und durch den Kühlkörper treibt. Darüber wird die Abwärme gesenkt und die Lebensdauer der LEDs verlängert. Auch ist dies mit einer besseren Lichtausbeute und einer Energieeinsparung verbunden.
  • In den Figuren sind Ausführungsformen der LED-Lampe beispielhaft dargestellt. Es zeigen:
  • 1 einen schematischen Querschnitt durch eine LED-Lampe;
  • 2 eine LED-Lampe schräg von unten gesehen;
  • 3 eine Explosionszeichnung einer LED-Lampe mit thermoelektrischem Generator und Lüfter.
  • In 1 ist schematisch ein Querschnitt durch eine runde LED-Lampe 1 mit ihren LEDs 2 in einer Kühlstruktur mit einem zylinderförmigen Kühlkörper 3 als Bauteileträger und einer Hülle 4 dargestellt. Die LEDs 2 emittieren eine thermische Leistung Ptherm und eine Strahlungsleistung Φe. Mit dem Temperaturfühler 5 nahe der LEDs 2 wird die Temperatur TLED der LEDs erfasst. Mit dem Thermosensor 6 auf der Hülle 4 wird deren Oberflächentemperatur TA erfasst. Mit diesen Werten und der bekannten thermischen Impedanz Rth kann die Verlustleistung der LED-Lampe 1 bestimmt werden. Damit ergibt sich auch die emittierte Strahlungsleistung Φe. Im Inneren des Kühlkörpers 3 befindet sich der innere Hohlraum 7 mit den Kühlrippen 10, über die die Verlustwärme abgeführt wird. Zwischen der Hülle 4 und dem Kühlkörper 3 kann sich noch ein Hohlraum 13 befinden, der von Luft durchströmt werden kann.
  • 2 zeigt eine Schrägansicht von unten einer runden LED-Lampe 1 mit einer Vielzahl von LEDs 2 auf dem Kühlkörper 3. Nahe der LEDs ist der Temperaturfühler 5 angeordnet, über den die Temperatur der LEDs TLED gemessen wird. An der Hülle 4, die mit dem Hohlraum 13 um den Kühlkörper 3 herum reicht, befindet sich der Thermosensor 6, mit dem die Oberflächentemperatur TA der Kühlstruktur erfasst wird. Durch den inneren Hohlraum 7 kann Luft zur Abführung der Verlustwärme strömen. Die LED-Lampe 1 besitzt ein Schraubgewinde 8, über das die Energie zugeführt wird. In ihm ist hier auch die Leistungselektronik 9 zur Regelung der Strahlungsleistung untergebracht.
  • In 3 sind einige Komponenten einer zweiteiligen Ausführungsform der LED-Lampe in Explosionsdarstellung dargestellt. Der Kühlkörper 3 als Bauteileträger ist hier unterteilt und rechteckig ausgeführt. Er trägt die nicht dargestellten LEDs und die Thermofühler. Er ist jeweils von der ebenfalls rechteckig ausgeführten Hülle 4 umgeben. Zwischen den Hüllen 4 und den Kühlkörperteilen 3 sind jeweils thermoelektrische Generatoren 11 eingefügt, die einen Teil der Verlustwärme in elektrische Energie wandeln. Diese treibt den Ventilator 12, über den die beiden Teile der LED-Lampe zusammengefügt sind. Der Ventilator 12 sorgt für einen Luftstrom durch den inneren Hohlraum 7 mit seinen Kühlrippen 10. Dadurch wird ein großer Teil der Verlustwärme abgeführt und die Lebensdauer der LED-Lampe verlängert. Es ergibt sich eine erhöhte Lichtausbeute und auch eine Energieeinsparung.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    LED-Lampe
    2
    Leuchtdiode LED
    3
    Kühlkörper
    4
    Hülle
    5
    Temperaturfühler
    6
    Thermosensor
    7
    Innerer Hohlraum
    8
    Schraubgewinde
    9
    Leistungselektronik
    10
    Kühlrippen
    11
    Thermoelektrischer Generator
    12
    Lüfter
    13
    Hohlraum
    Ptherm
    thermische Verlustleistung
    Rth
    thermische Impedanz
    Φe
    Emittierte Strahlungsleistung
    TA
    Oberflächentemperatur der Kühlstruktur
    TLED
    Temperatur der LED
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009050700 A1 [0009, 0010]
    • DE 102007009532 A1 [0011]
    • DE 102010006998 A1 [0012]

Claims (15)

  1. LED-Lampe zum Einsatz in Leuchten, die eine konstante Lichtleistung oder Strahlungsleistung abgeben sollen, mit mindestens einer Leuchtdiode (2), die aus einer Leistungselektronik (9) eine elektrische Leistung aufnimmt und die auf einem Kühlkörper (3) einer Kühlstruktur montiert ist und an deren Oberfläche eine Verlustleistung als Abwärme abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass an der mindestens einen Leuchtdiode (2) über eine Messeinrichtung deren Temperatur (TLED) ermittelt und mit einem Thermosensor (6) an der Oberfläche der Kühlstruktur die von der LED-Lampe (1) in die Umgebung abgegebene thermische Verlustleistung (Ptherm) durch die Leistungselektronik (9) messbar ist und die elektrische Leistungsaufnahme der LED-Lampe (1) anhand der gemessenen thermischen Verlustleistung (Ptherm) mittels der Leistungselektronik (9) regelbar ist.
  2. LED-Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur einen zylinderförmigen oder rechteckigen Kühlkörper (3) besitzt.
  3. LED-Lampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (3) einen konzentrischen inneren Hohlraum (7) besitzt, in dem Kühlrippen (10) angeordnet sind.
  4. LED-Lampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass um den Kühlkörper (3) eine transparente äußere Hülle (4) angeordnet ist.
  5. LED-Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kühlkörper (3) ein Schraubgewinde (8) mit elektrischen Anschlüssen angeformt ist.
  6. LED-Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung die elektrischen Betriebswerte der jeweiligen Leuchtdiode (2) misst und deren Temperatur anhand einer Kennlinie ermittelt.
  7. LED-Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung ein Temperaturfühler (5) nahe der Leuchtdiode (2) ist.
  8. LED-Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Thermosensoren (6) vorhanden sind.
  9. LED-Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Thermoelektrischer Generator (11) zur Wandlung von Verlustwärme in elektrische Energie an dem Kühlkörper (3) angebracht ist.
  10. Verfahren zur Regelung der emittierten Lichtleistung oder Strahlungsleistung einer LED-Lampe (1) mit mindestens einer Leuchtdiode (2), die aus einer Leistungselektronik (9) elektrische Leistung aufnimmt und an der Oberfläche einer Kühlstruktur eine Verlustleistung an die Umgebung abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die abgegebene Verlustleistung der LED-Lampe (1) durch die Leistungselektronik (9) mittels einer Messeinrichtung an der Leuchtdiode (2) und einem Thermosensor (6) an der Oberfläche der Kühlstruktur gemessen wird und danach die aus der Leistungselektronik (9) zugeführte elektrische Leistung so geregelt wird, dass die emittierte Lichtleistung oder Strahlungsleistung konstant bleibt.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (TLED) der Leuchtdiode (2) über einen Temperaturfühler (5) bestimmt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung die Temperatur (TLED) der jeweiligen Leuchtdiode (2) über deren elektrische Betriebswerte anhand einer Kennlinie ermittelt.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leistung nach einem Beleuchtungsprofil geregelt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Kühlkörper (3) abgegebene Abwärme durch einen thermoelektrischen Generator (11) in elektrische Energie gewandelt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie zum Betrieb eines Ventilators (12) genutzt wird.
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