EP3599796B1 - Led-lichtband und leuchtsystem - Google Patents

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EP3599796B1
EP3599796B1 EP19188110.1A EP19188110A EP3599796B1 EP 3599796 B1 EP3599796 B1 EP 3599796B1 EP 19188110 A EP19188110 A EP 19188110A EP 3599796 B1 EP3599796 B1 EP 3599796B1
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EP
European Patent Office
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led
circuit board
led light
contact surfaces
light strip
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EP19188110.1A
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English (en)
French (fr)
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EP3599796A1 (de
Inventor
Roland Michal
Franz Witthalm
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Bilton International GmbH
Original Assignee
Bilton International GmbH
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/30—Driver circuits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S4/00—Lighting devices or systems using a string or strip of light sources
    • F21S4/20—Lighting devices or systems using a string or strip of light sources with light sources held by or within elongate supports
    • F21S4/22—Lighting devices or systems using a string or strip of light sources with light sources held by or within elongate supports flexible or deformable, e.g. into a curved shape
    • F21S4/24—Lighting devices or systems using a string or strip of light sources with light sources held by or within elongate supports flexible or deformable, e.g. into a curved shape of ribbon or tape form, e.g. LED tapes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V23/00—Arrangement of electric circuit elements in or on lighting devices
    • F21V23/02—Arrangement of electric circuit elements in or on lighting devices the elements being transformers, impedances or power supply units, e.g. a transformer with a rectifier
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2103/00—Elongate light sources, e.g. fluorescent tubes
    • F21Y2103/10—Elongate light sources, e.g. fluorescent tubes comprising a linear array of point-like light-generating elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2107/00—Light sources with three-dimensionally disposed light-generating elements
    • F21Y2107/70—Light sources with three-dimensionally disposed light-generating elements on flexible or deformable supports or substrates, e.g. for changing the light source into a desired form
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the present invention relates to a light-emitting diode light band (hereinafter “LED light band”) and a lighting system comprising such an LED light band.
  • LED light band a light-emitting diode light band
  • a lighting system comprising such an LED light band.
  • LED light strips usually consist of segments, each typically about 50 mm in length. These segments are connected in parallel to each other and usually operated with a constant DC voltage of 12 V or 24 V. Each of these segments usually has 6 or 7 LEDs.
  • a light-emitting diode current of a segment is kept constant at a predetermined value by means of a current regulator.
  • the light-emitting diode current of a segment is determined by means of an electrical resistor.
  • Such LED light strips are simple and inexpensive to manufacture.
  • a luminous flux of such an LED light strip gradually falls over the length of the LED light strip, since no current regulator is provided according to this variant. In both variants there are significant electrical losses that impair the efficiency of the LED light strips.
  • the US 2018/124889 A1 shows an LED tube lamp in which an LED is arranged on a light strip.
  • the US 2017/328531 A1 shows a circuit board on which several electronic components are connected in series.
  • US 2015/270716 A1 and US 2014/197695 A1 each show a capacitive coupling of a device with several LEDs or with several transmitting electrodes to a power generator.
  • the US 2014/191587 A1 shows a capacitive coupling of a consumer to a transparent layer stack.
  • the US 2011/084624 A1 shows a light source with a large number of LEDs that are capacitively connected to a power supplier.
  • the US 2015/289326 A1 shows a capacitive coupling of an LED which is arranged in a housing.
  • the US 2016/234890 A1 shows a capacitive coupling of an LED module which is embedded between two electrodes.
  • the US 2013/313983 A1 shows a lighting means in which a plurality of LEDs are arranged on a light strip.
  • the object of the present invention is to describe an LED light strip and a lighting system which eliminate or reduce the above-mentioned disadvantages of conventional LED light strips.
  • this comprises a printed circuit board. At least one light-emitting diode, LED, is arranged on a first side of the circuit board. Furthermore, two electrically conductive contact surfaces are arranged for each LED on the first side of the circuit board. Two conductor tracks are arranged on a second side of the circuit board. Two of the electrically conductive contact surfaces are electrically connected to an LED. Of the contact areas that are electrically connected to the same LED, one contact area with one of the two conductor tracks forms a coupling capacitor. The coupling capacitors are set up to generate, based on a high-frequency alternating voltage applied to the conductor tracks, a displacement current in the contact areas for energizing the LED that is electrically connected to the contact areas.
  • light-emitting diodes are understood to mean both light-emitting diode chips and LED components with such a light-emitting diode chip.
  • the light-emitting diodes can be surface-mounted.
  • a light emitting diode chip can be comprise optoelectronic semiconductor bodies or an organic layer sequence.
  • the light-emitting diode chips can be semiconductor chips or OLED chips.
  • the light-emitting diodes preferably emit light in the visible spectral range or in the UV range or in the IR range.
  • LEDs arranged on the first side of the circuit board are supplied with energy independently of one another without contact via the conductor tracks arranged on the second side of the circuit board.
  • Contactless in this context describes the lack of electrical contact between the electrically conductive contact surfaces and the conductor tracks. There is physical contact between the electrically conductive contact surfaces and the conductor tracks via the circuit board.
  • Another advantage is that the individual LEDs are mounted isolated from one another on the circuit board.
  • the LEDs are not electrically connected to one another.
  • the lack of electrical interconnection between the LEDs, as is common with conventional LED light strips, results in a simpler and cost-saving structure of the LED light strip.
  • This also enables the LED light band to be separated between any LED. This is also not possible in conventional light strips due to the interconnection of the LEDs.
  • no plated-through holes through the printed circuit board are required for the LED light band shown here, which likewise simplifies a production process for such a light band and contributes to a reduction in the cost of the light band.
  • the coupling capacitors form a coupling resonant circuit with the inductances of the conductor tracks.
  • the high-frequency alternating voltage that is applied to the conductor tracks can, for example, have a frequency corresponding to a resonance frequency of this oscillating coupling circuit or deviate from this resonance frequency.
  • a rectifier circuit is arranged for each LED on the first side of the circuit board.
  • the displacement current generated in the contact surfaces is converted into a direct current for operating the respective LEDs.
  • so-called alternating current LEDs i.e. LEDs connected in anti-parallel, are used as LEDs instead of a rectifier circuit. In this case, one of the anti-parallel connected LEDs is operated with a half-wave of the displacement current.
  • the circuit board is made at least partially from a plastic material.
  • the circuit board forms a dielectric for the coupling capacitors.
  • polyimides or polyimide-containing substances are suitable as the material for the circuit board.
  • a material of the printed circuit board consists at least partially of polyethylene terephthalate, PET.
  • the printed circuit board is elastically deformable.
  • the entire LED light strip is also elastically deformable. This makes possible flexible and versatile use of the LED light strip in a wide variety of application areas.
  • At least one further LED is arranged on the first side of the circuit board.
  • the contact surfaces electrically connected to the at least one LED have a different two-dimensional extent than the contact surfaces electrically connected to the at least one further LED.
  • An extension parallel to a main plane of extent of the printed circuit board is regarded here as the two-dimensional extension of the contact surfaces.
  • An advantage of this embodiment is that the differently dimensioned contact surfaces result in differently dimensioned coupling capacitors composed of the contact surface and the conductor strip.
  • the coupling capacitors of different LEDs therefore have different capacities. This results in different resonance frequencies for the resonant coupling circuits of different LEDs. Depending on a frequency of the applied alternating voltage, certain LEDs can thus be operated with a resonance frequency of their associated resonant circuit, while other LEDs are operated at this frequency outside the resonance frequency of their associated resonant circuits. This enables a selectively controllable lumen output of individual LEDs or individual groups of LEDs on the LED light strip.
  • LEDs or LED groups with different color temperatures are provided with coupling capacitors of different dimensions in the LED light strip described here.
  • the coupling capacitors of LEDs with a higher color temperature are dimensioned larger than the coupling capacitors of LEDs with a lower color temperature.
  • the lighting system comprises an LED light strip as described above. Furthermore, the lighting system comprises a feed device which is set up to apply a high-frequency AC voltage to the two conductor tracks of the LED light strip.
  • the feed device is set up to apply a high-frequency alternating voltage with a frequency in a range from 1 MHz to 10 MHz to the two conductor tracks.
  • alternating voltages with other frequencies can also be used to operate the LED light strip.
  • the feed device comprises a serial resonance converter, in particular a serial resonance converter with a full bridge circuit.
  • a serial resonance converter in particular a serial resonance converter with a full bridge circuit.
  • the LED light strip 1 comprises an elongated flexible strip-shaped printed circuit board 2.
  • the printed circuit board has a width b1 of approximately 10 mm and a height h1 of approximately 100 ⁇ m, a base material of the circuit board made of a polyimide with a Height of 50 ⁇ m.
  • a plurality of LEDs 3 are mounted on a first side A of the circuit board 2.
  • the LEDs 3 are arranged in a row along a main direction of extent of the LED light strip 1.
  • the LEDs 3 can also be mounted on the circuit board 2 in some other way.
  • other shapes of the circuit board 2 than the elongated strip-shaped circuit board 2 shown here are of course also possible.
  • Figure 2 shows a section of the LED light strip 2 according to Figure 1 , in which an LED 3 of the plurality of LEDs 3 according to Figure 1 you can see.
  • the LEDs 3 are, for example, each an LED chip provided with a leadframe-based plastic coating, for example PLCC2 SMD LEDs, PLCC4 SMD LEDs or PLCC6 SMD LEDs, high-power SMD LEDs and / or LED chip arrays in SMD Housings (so-called CAS LEDs) which are mounted on the circuit board 2 using surface (SMD) mounting technology.
  • a leadframe-based plastic coating for example PLCC2 SMD LEDs, PLCC4 SMD LEDs or PLCC6 SMD LEDs, high-power SMD LEDs and / or LED chip arrays in SMD Housings (so-called CAS LEDs) which are mounted on the circuit board 2 using surface (SMD) mounting technology.
  • SMD surface
  • the LEDs 3 are LED chips that are mounted on the circuit board 2 using chip-on-board (COB) technology.
  • COB chip-on-board
  • the LEDs 3 are centered between two side edges of the circuit board 2 on the first side A. the printed circuit board 2 mounted.
  • an electrically conductive contact surface 4 is arranged on the first side A of the circuit board 2 between each LED 3 and one side edge of the circuit board 2.
  • the contact surfaces 4 are rectangular copper islands which extend parallel to a main plane of extent of the printed circuit board 2.
  • the contact surfaces 4 have a height h2 of approximately 36 ⁇ m and a surface area of approximately 32 mm 2 , with a width b2 of approximately 4 mm and a length 12 of approximately 8 mm.
  • the contact surfaces 4 of different LEDs 3 can, however, also have different planar dimensions. This is below with reference to Figure 3 described in more detail.
  • the contact surfaces 4 are produced, for example, by etching a copper-coated printed circuit board.
  • two electrically conductive conductor tracks 5 are arranged on a second side B of the printed circuit board 2 opposite the first side A.
  • the conductor tracks 5 are made of copper and extend parallel to one another along a longitudinal direction of the strip-shaped printed circuit board 2.
  • the conductor tracks 5 each have a height h3 of approximately 36 ⁇ m and a width b3 of slightly less than 5 mm.
  • the conductor tracks 5, like the contact surfaces 4, are also etched out of a copper coating.
  • Each LED 3 has two contact surfaces 4, that is to say each LED 3 is electrically connected to two contact surfaces 4.
  • the contact surfaces 4 and the conductor tracks 5 are arranged on the circuit board 2 in such a way that one of the two contact surfaces 4 connected to the same LED 3 is opposite one of the two conductor tracks 5. In particular, as large a part as possible overlaps one Expansion area of the contact area 4 or the entire expansion area of the contact area 4 with an expansion area of the opposite conductor track 5.
  • Each contact surface 4 forms a coupling capacitor with the conductor track 5 opposite it.
  • the contact surfaces 4 each represent a first electrode
  • the conductor tracks 5 each represent a second electrode
  • the circuit board 2 lying between them represents a dielectric of these coupling capacitors.
  • a displacement current is generated in the contact surfaces 4 by means of capacitive coupling.
  • One of the conductor tracks 5 represents a forward line, the other a ground return line for applying the high-frequency AC voltage.
  • soldering points or other connection points to connect the conductor tracks 5 to a feed device for applying the high-frequency AC voltage connect (not shown here).
  • a rectifier circuit 6 is also mounted on the first side A of the printed circuit board 2 in order to operate the LEDs 3 with a direct current.
  • the rectifier circuits 6 have diodes and capacitors for rectifying and smoothing the displacement currents that are generated in the contact surfaces 4. The rectifier circuits 6 are explained in more detail with reference to FIG Figure 3 described.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of a lighting system 7 according to an embodiment of the invention.
  • the circuit diagram of the lighting system 7 shows a circuit of an LED light strip 1, for example the LED light strip 1 according to FIG Figures 1 and 2 , of which only the interconnection of a single LED 3 is shown here for the sake of simplicity.
  • the circuit diagram also shows the lighting system 7 according to FIG Figure 3 a circuit of a feed device 8 for applying a high-frequency alternating voltage to the conductor tracks 5.
  • inductances 9 represent the self-inductances according to the Figures 1 and 2
  • the capacitors 10 represent the coupling capacitors belonging to an LED 3, each consisting of a contact surface 4 and the opposite conductor 5.
  • the feed device 8 has a serial resonance converter which applies a nearly sinusoidal, high-frequency alternating voltage to the capacitors 10 via the inductances 9 by means of a full bridge circuit.
  • a voltage of +5 V is applied to a first terminal 13 of the feed device 8, and a second terminal 14 of the feed device 8 is connected to a ground potential GND.
  • the feed device 8 also has transistors 15 which are switched in such a way that a predetermined frequency of the high-frequency alternating voltage is generated.
  • the rectifier circuit 6 has two diodes 11 to rectify the displacement currents generated in the contact surfaces 4.
  • the diodes 11 are, for example, combined in one component as a so-called double diode.
  • a double diode with a periodic peak voltage of 100 V, a forward current of 125 mA and a switching time of a maximum of 4 ns can be used.
  • the rectifier circuit also has two filter capacitors 12, which reduce a residual ripple in the rectified voltage.
  • a center between the two filter capacitors 12 forms a reference potential. In this way, the most constant possible voltage for operating the LED 3 is generated.
  • inductive elements such as, for example, coils, can also be used for smoothing.
  • the transistors 15 are switched in such a way that the predetermined frequency of the high-frequency alternating voltage applied to the conductor tracks 5 corresponds to a resonance frequency of the resonant circuit comprising the inductances 9 and the capacitors 10.
  • the transistors 15 are switched in such a way that the predetermined frequency of the high-frequency alternating voltage deviates from the resonance frequency of the resonant circuit. The greater this deviation, the weaker the resonant coupling via the capacitors 10 and the current that flows through the LED 3 is correspondingly weaker. In this way, a lumen output of the LED 3 is reduced. A luminous flux of the LED 3 is thus greater in the first operating mode than in the second operating mode.
  • the resonance frequency of the oscillating circuit is influenced, among other things, by the area of the coupling capacitors. It is thus possible to interconnect two LEDs with differently dimensioned contact surfaces so that the resonance frequencies of the oscillating circuits belonging to the LEDs vary. In this way, high-frequency alternating voltages with different predetermined frequencies can be generated in the feed device 8, which for example correspond to either the resonance frequency of the resonant circuit of one LED or the other LED. One of the two LEDs is operated in the first operating mode, while the other LED is operated in the second operating mode.
  • a predetermined frequency is selected that deviates, for example, by about 10% from the resonance frequency of the resonant circuit of one LED and by about 5% from the resonant frequency of the resonant circuit of the other LED.
  • whole groups of LEDs can be connected to differently dimensioned coupling capacitors, or any number of differently dimensioned coupling capacitors can be connected to corresponding LEDs, so that resonant circuits with any number of different resonance frequencies are available.
  • the LEDs, which are connected to coupling capacitors of different dimensions can have different colors or color temperatures. In this way, the most varied of dimming scenarios and color constellations can be generated with the lighting system 7.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leuchtdioden-Lichtband (im Folgenden "LED-Lichtband") und ein Leuchtsystem umfassend ein solches LED-Lichtband.
  • Herkömmliche LED-Lichtbänder bestehen gewöhnlich aus Segmenten, die typischerweise jeweils eine Länge von etwa 50 mm aufweisen. Diese Segmente werden parallel zueinander geschaltet und gewöhnlich mit einer konstanten Gleichspannung von 12 V oder 24 V betrieben. Jedes dieser Segmente weist gewöhnlich 6 oder 7 LEDs auf.
  • Im Allgemeinen sind zwei Varianten für ein elektronisches Design solcher LED-Lichtbänder bekannt. Gemäß einer ersten Variante wird ein Leuchtdiodenstrom eines Segments mittels eines Stromreglers konstant auf einem vorbestimmten Wert gehalten. Derartige LED-Lichtbänder sind jedoch verhältnismäßig aufwändig und dementsprechend teuer. Gemäß einer zweiten Variante wird der Leuchtdiodenstrom eines Segments mittels einem elektrischen Widerstand bestimmt. Derartige LED-Lichtbänder sind einfach und kostengünstig herstellbar. Ein Lichtstrom eines solchen LED-Lichtbands fällt jedoch graduell über die Länge des LED-Lichtbands ab, da gemäß dieser Variante kein Stromregler vorgesehen ist. In beiden Varianten treten nicht unerhebliche elektrische Verluste auf, die eine Effizienz der LED-Lichtbänder beeinträchtigen.
  • Die US 2018/124889 A1 zeigt eine LED Röhrenlampe, bei der eine LED auf einem Lichtstreifen angeordnet ist.
  • Die Veröffentlichung "A Review on the Recent Development of Capacitive Wireless Power Transfer Technology" der Autoren Feil Lu et al. (ENERGIES, Bd. 10, Nr. 11, 1. November 2017 (2017-11-01), Seite 1752, XP055608398, DOI: 10.3390/en10111752) offenbart verschiedene Schaltungen, mit denen drahtlos Leistung kapazitiv übertragen werden kann.
  • Die US 2017/328531 A1 zeigt eine Leiterplatte, auf der mehrere elektronische Komponenten in Serie geschaltet sind.
  • Die US 2015/270716 A1 und US 2014/197695 A1 zeigen jeweils eine kapazitive Kopplung einer Vorrichtung mit mehreren LEDs bzw. mit mehreren Sendeelektroden an einen Leistungserzeuger.
  • Die US 2014/191587 A1 zeigt eine kapazitive Kopplung eines Verbrauchers an einem transparenten Schichtstapel.
  • Die US 2011/084624 A1 zeigt ein Leuchtmittel mit einer Vielzahl von LEDs die kapazitiv mit einem Leistungsversorger verbunden sind.
  • Die US 2015/289326 A1 zeigt eine kapazitive Kopplung einer LED, die in einem Gehäuse angeordnet ist.
  • Die US 2016/234890 A1 zeigt eine kapazitive Kpopplung eines LED-Moduls, welches zwischen zwei Elektroden eingebettet ist.
  • Die US 2013/313983 A1 zeigt ein Leuchtmittel, bei dem eine Vielzahl von LEDs auf einem Leuchtstreifen angeordnet sind.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein LED-Lichtband und ein Leuchtsystem zu beschreiben, die die oben genannten Nachteile herkömmlicher LED-Lichtbänder beheben oder mindern.
  • Diese Aufgabe wird durch ein LED-Lichtband und ein Leuchtsystem gemäß der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Der Offenbarungsgehalt der Patentansprüche wird hiermit vollständig durch Rückbezug in die vorliegende Beschreibung aufgenommen.
  • Bei einer Ausführungsform des LED-Lichtbandes umfasst dieses eine Leiterplatte. Auf einer ersten Seite der Leiterplatte ist wenigstens eine Leuchtdiode, LED, angeordnet. Des Weiteren sind auf der ersten Seite der Leiterplatte je LED zwei elektrisch leitende Kontaktflächen angeordnet. Auf einer zweiten Seite der Leiterplatte sind zwei Leiterbahnen angeordnet. Jeweils zwei der elektrisch leitfähigen Kontaktflächen sind mit einer LED elektrisch verschaltet. Von den Kontaktflächen, die mit derselben LED elektrisch verschaltet sind, bildet jeweils eine Kontaktfläche mit jeweils einer der zwei Leiterbahnen je einen Koppelkondensator. Die Koppelkondensatoren sind dazu eingerichtet, basierend auf einer an die Leiterbahnen angelegten hochfrequenten Wechselspannung in den Kontaktflächen einen Verschiebungsstrom zur Bestromung der mit den Kontaktflächen elektrisch verschalteten LED zu erzeugen.
  • Unter Leuchtdioden werden vorliegend sowohl Leuchtdiodenchips als auch LED-Bauteile mit einem solchen Leuchtdiodenchip verstanden. Zum Beispiel sind die Leuchtdioden oberflächenmontierbar. Ein Leuchtdiodenchip kann einen optoelektronischen Halbleiterkörper oder eine organische Schichtenfolge umfassen. Anders ausgedrückt kann es sich bei den Leuchtdiodenchips um Halbleiterchips oder OLED-Chips handeln. Die Leuchtdioden emittieren im bestimmungsgemäßen Betrieb bevorzugt Licht im sichtbaren Spektralbereich oder im UV-Bereich oder im IR-Bereich.
  • Ein Vorteil des hier gezeigten LED-Lichtbands ist es, dass die an der ersten Seite der Leiterplatte angeordneten LEDs unabhängig voneinander kontaktlos über die auf der zweiten Seite der Leiterplatte angeordneten Leiterbahnen mit Energie versorgt werden. Kontaktlos in diesem Zusammenhang beschreibt das Fehlen eines elektrischen Kontakts zwischen den elektrisch leitfähigen Kontaktflächen und den Leiterbahnen. Ein physikalischer Kontakt zwischen den elektrisch leitfähigen Kontaktflächen und den Leiterbahnen besteht über die Leiterplatte.
  • Ein weiterer Vorteil ist es, dass die einzelnen LEDs isoliert voneinander auf der Leiterplatte montiert sind. Die LEDs sind untereinander nicht elektrisch verschaltet. Das Fehlen der elektrischen Verschaltung zwischen den LEDs, wie es bei herkömmlichen LED-Lichtbändern üblich ist, bedingt einen einfacheren und kostensparenden Aufbau des LED-Lichtbands. Außerdem ermöglicht dies ein Trennen des LED-Lichtbands zwischen jeder beliebigen LED. Dies ist in herkömmlichen Lichtbändern ebenfalls aufgrund der Verschaltung der LEDs untereinander nicht möglich. Ferner werden für das hier gezeigte LED-Lichtband keine Durchkontaktierungen durch die Leiterplatte benötigt, was ebenfalls einen Herstellungsprozess eines solchen Lichtbands vereinfacht und zu einer Kostensenkung des Lichtbands beiträgt.
  • Die Kopplungskondensatoren bilden mit den Induktivitäten der Leiterbahnen einen Kopplungsschwingkreis. Die hochfrequente Wechselspannung, die an die Leiterbahnen angelegt wird, kann beispielsweise eine Frequenz entsprechend einer Resonanzfrequenz dieses Kopplungsschwingkreises aufweisen oder von dieser Resonanzfrequenz abweichen.
  • Bei einer Ausführungsform des LED-Lichtbands ist an der ersten Seite der Leiterplatte je LED eine Gleichrichterschaltung angeordnet. Mittels einer solchen Gleichrichterschaltung wird der in den Kontaktflächen erzeugte Verschiebungsstrom in einen Gleichstrom zum Betreiben der jeweiligen LEDs umgewandelt. In einer alternativen Ausgestaltung werden statt einer Gleichrichterschaltung sogenannte Wechselstrom-LEDs, d.h. antiparallelgeschaltete LEDs, als LED verwendet. Hierbei wird je eine der antiparallelgeschalteten LEDs mit je einer Halbwelle des Verschiebungsstroms betrieben.
  • Bei einer Ausführungsform des LED-Lichtbands ist die Leiterplatte zumindest teilweise aus einem Kunststoffwerkstoff gefertigt. Die Leiterplatte bildet ein Dielektrikum der Koppelkondensatoren. Beispielsweise eignen sich als Material für die Leiterplatte Polyimide oder polyimidhaltige Stoffe. In einer alternativen Ausgestaltung besteht ein Werkstoff der Leiterplatte zumindest teilweise aus Polyethylenterephthalat, PET.
  • Bei einer Ausführungsform des LED-Lichtbands ist die Leiterplatte elastisch verformbar. Insbesondere ist auch das gesamte LED-Lichtband elastisch verformbar. Dies ermöglicht eine flexible und vielseitige Verwendung des LED-Lichtbands in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen.
  • Bei einer Ausführungsform des LED-Lichtbands ist wenigstens eine weitere LED auf der ersten Seite der Leiterplatte angeordnet. Die mit der wenigstens einen LED elektrisch verschalteten Kontaktflächen weisen eine andere flächige Ausdehnung auf als die mit der wenigstens einen weiteren LED elektrisch verschalteten Kontaktflächen.
  • Als flächige Ausdehnung der Kontaktflächen wird hier eine Ausdehnung parallel zu einer Haupterstreckungsebene der Leiterplatte angesehen. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist es, dass die unterschiedlich dimensionierten Kontaktflächen unterschiedlich dimensionierte Koppelkondensatoren aus Kontaktfläche und Leiterband zur Folge haben. Die Koppelkondensatoren verschiedener LEDs weisen somit unterschiedliche Kapazitäten auf. Daraus folgen unterschiedliche Resonanzfrequenzen für die Kopplungsschwingkreise verschiedener LEDs. In Abhängigkeit einer Frequenz der angelegten Wechselspannung können somit bestimmte LEDs mit einer Resonanzfrequenz ihres zugehörigen Schwingkreises betrieben werden, während andere LEDs bei dieser Frequenz außerhalb der Resonanzfrequenz ihrer zugehörigen Schwingkreise betrieben werden. Dies ermöglicht einen selektiv kontrollierbaren Lumenausstoß einzelner LEDs oder einzelner Gruppen von LEDs an dem LED-Lichtband.
  • Die selektive Kontrollierbarkeit des Lumenausstoßes unterschiedlicher LEDs oder LED-Gruppen ermöglicht insbesondere ein sogenanntes Human Centric Lighting, HCL, oder eine sogenannte hortikulturelle Beleuchtung, bei denen eine tageslichtähnliche Beleuchtung für Menschen oder Pflanzen und Tiere erzeugt wird. Hierfür werden in dem hierin beschriebenen LED-Lichtband LEDs bzw. LED-Gruppen mit verschiedenen Farbtemperaturen mit unterschiedlich dimensionierten Koppelkondensatoren versehen. Beispielsweise werden die Koppelkondensatoren von LEDs mit einer höheren Farbtemperatur größer dimensioniert als die Koppelkondensatoren von LEDs mit niedrigerer Farbtemperatur. Durch eine entsprechende Verschiebung der Frequenz der angelegten Wechselspannung entsprechend einer Tageszeit oder, beispielsweise, entsprechend einer gemessenen Farbtemperatur eines aktuellen Tageslichts, können so tageslichtähnliche Beleuchtungen durch unterschiedlich starkes Dimmen der LEDs bzw. LED-Gruppen mit unterschiedlichen Farbtemperaturen generiert werden.
  • Bei einer Ausführungsform des Leuchtsystems umfasst das Leuchtsystem ein oben beschriebenes LED-Lichtband. Des Weiteren umfasst das Leuchtsystem eine Einspeisevorrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine hochfrequente Wechselspannung an die zwei Leiterbahnen des LED-Lichtbands anzulegen.
  • Bei einer Ausführungsform des Leuchtsystems ist die Einspeisevorrichtung dazu eingerichtet, eine hochfrequente Wechselspannung mit einer Frequenz in einem Bereich von 1 MHz bis 10 MHz an die zwei Leiterbahnen anzulegen. Selbstverständlich können auch Wechselspannungen mit anderen Frequenzen zum Betreiben des LED-Lichtbands verwendet werden.
  • Bei einer Ausführungsform des Leuchtsystems umfasst die Einspeisevorrichtung einen seriellen Resonanzwandler, insbesondere einen seriellen Resonanzwandler mit einer Vollbrückenschaltung. Eine derartige Einspeisevorrichtung ist insbesondere vorteilhaft, da mit ihr eine annähernd sinusförmige Ausgangsspannung erzeugt werden kann, wodurch eine effiziente kapazitive Kopplung in den Kopplungskondensatoren erzeugt wird.
  • Sämtliche oben beschriebenen Ausgestaltungen eines LED-Lichtbands bzw. eines Leuchtsystems sind entsprechend untereinander bedarfsgemäß kombinierbar.
  • Das LED-Lichtband und das Leuchtsystem werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren 1 bis 3 näher erläutert. In den Figuren werden für Elemente mit im Wesentlichen gleicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet, diese Elemente müssen jedoch nicht in allen Einzelheiten identisch sein. Die Figuren sind grundsätzlich nicht maßstabsgetreu. Die Größenverhältnisse der verschiedenen Bestandteile untereinander entsprechen nicht der Wirklichkeit. Beispielsweise können vergleichsweise kleine Elemente zur besseren Veranschaulichung übertrieben groß dargestellt sein und umgekehrt.
  • In den Figuren zeigen:
    • Figur 1
    eine perspektivische Darstellung eines LED-Lichtbands gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    Figur 2
    eine dreidimensionale Schnittzeichnung eines Ausschnitts des LED-Lichtbands gemäß Figur 1, und
    Figur 3
    ein Schaltbild eines Lichtsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Bei dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines LED-Lichtbands 1 umfasst das LED-Lichtband 1 eine langgestreckte flexible bandförmige Leiterplatte 2. Die Leiterplatte weist eine Breite b1 von etwa 10 mm und eine Höhe h1 von etwa 100 µm auf, wobei ein Basismaterial der Leiterplatte aus einem Polyimid mit einer Höhe von 50 µm besteht. An einer ersten Seite A der Leiterplatte 2 ist eine Mehrzahl von LEDs 3 montiert. Die LEDs 3 sind in einer Reihe entlang einer Haupterstreckungsrichtung des LED-Lichtbands 1 angeordnet. Selbstverständlich können die LEDs 3 auch anderweitig auf der Leiterplatte 2 montiert sein. Ferner sind selbstverständlich auch andere Formen der Leiterplatte 2 als die hier gezeigte langgestreckte bandförmige Leiterplatte 2 möglich.
  • Figur 2 zeigt einen Ausschnitt des LED-Lichtbands 2 gemäß Figur 1, in dem eine LED 3 der Mehrzahl der LEDs 3 gemäß Figur 1 zu sehen ist.
  • Bei den LEDs 3 handelt es sich beispielsweise jeweils um einen mit einer leadframebasierten Kunststoffumhüllung versehenen LED-Chip, beispielsweise um PLCC2 SMD LEDs, PLCC4 SMD LEDs oder PLCC6 SMD LEDs, High-Power SMD LEDs und/oder LED-Chip-Arrays in SMD-Gehäusen (sogenannten CAS-LEDs), die in Oberflächen(SMD)-Montagetechnologie auf der Leiterplatte 2 montiert sind.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform (nicht gezeigt) handelt es sich bei den LEDs 3 um LED-Chips, die in Chip-onboard (COB)-Technologie auf der Leiterplatte 2 montiert sind.
  • Die LEDs 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel mittig zwischen zwei Seitenkanten der Leiterplatte 2 auf der ersten Seite A der Leiterplatte 2 montiert. Neben den LEDs 3 ist zwischen jeder LED 3 und jeweils einer Seitenkante der Leiterplatte 2 je eine elektrisch leitfähige Kontaktfläche 4 auf der ersten Seite A der Leiterplatte 2 angeordnet. Die Kontaktflächen 4 sind in diesem Ausführungsbeispiel rechteckige Kupferinseln, die sich parallel zu einer Haupterstreckungsebene der Leiterplatte 2 erstrecken. Die Kontaktflächen 4 weisen in diesem Ausführungsbeispiel eine Höhe h2 von etwa 36 µm und eine flächige Ausdehnung von etwa 32 mm2, bei einer Breite b2 von etwa 4 mm und einer Länge 12 von etwa 8 mm, auf. Die Kontaktflächen 4 verschiedener LEDs 3 können jedoch auch unterschiedliche flächige Ausdehnungen aufweisen. Dies ist weiter unten mit Bezug auf Figur 3 genauer beschrieben. Die Kontaktflächen 4 werden beispielsweise durch Ätzen einer kupferbeschichteten Leiterplatte hergestellt.
  • An einer der ersten Seite A gegenüberliegenden zweiten Seite B der Leiterplatte 2 sind zwei elektrisch leitfähige Leiterbahnen 5 angeordnet. Die Leiterbahnen 5 bestehen wie die Kontaktflächen 4 aus Kupfer und erstrecken sich parallel zueinander entlang einer Längsrichtung der bandförmigen Leiterplatte 2. Die Leiterbahnen 5 weisen jeweils eine Höhe h3 von etwa 36 µm und eine Breite b3 von etwas weniger als 5 mm auf. Die Leiterbahnen 5 sind ebenfalls, wie die Kontaktflächen 4, aus einer Kupferbeschichtung herausgeätzt.
  • Zu jeder LED 3 gehören zwei Kontaktflächen 4, d.h. jede LED 3 ist mit zwei Kontaktflächen 4 elektrisch verschaltet. Die Kontaktflächen 4 und die Leiterbahnen 5 sind so an der Leiterplatte 2 angeordnet, dass je eine der beiden mit derselben LED 3 verschalteten Kontaktflächen 4 jeweils einer der zwei Leiterbahnen 5 gegenüberliegen. Insbesondere überlappt jeweils ein möglichst großer Teil einer Ausdehnungsfläche der Kontaktfläche 4 oder jeweils die gesamte Ausdehnungsfläche der Kontaktfläche 4 mit einer Ausdehnungsfläche der gegenüberliegenden Leiterbahn 5. Jede Kontaktfläche 4 bildet mit der ihr gegenüberliegenden Leiterbahn 5 einen Koppelkondensator. Die Kontaktflächen 4 stellen jeweils eine erste Elektrode, die Leiterbahnen 5 jeweils eine zweite Elektrode und die dazwischenliegende Leiterplatte 2 ein Dielektrikum dieser Koppelkondensatoren dar.
  • Wird eine hochfrequente Wechselspannung an die Leiterbahnen 5 angelegt, so wird mittels kapazitiver Kopplung ein Verschiebungsstrom in den Kontaktflächen 4 erzeugt. Eine der Leiterbahnen 5 stellt hierbei eine Hinleitung, die andere eine Masserückleitung für das Anlegen der hochfrequenten Wechselspannung dar. Beispielsweise an einem Ende des LED-Lichtbands 1 befinden sich Lötstellen oder andere Anschlussstellen, um die Leiterbahnen 5 mit einer Einspeisevorrichtung zum Anlegen der hochfrequenten Wechselspannung zu verbinden (hier nicht gezeigt).
  • In einem Bereich jeder LED 3 ist ferner jeweils eine Gleichrichterschaltung 6 an der ersten Seite A der Leiterplatte 2 montiert, um die LEDs 3 mit einem Gleichstrom zu betreiben. Die Gleichrichterschaltungen 6 weisen Dioden und Kondensatoren zum gleichrichten und glätten der Verschiebungsströme auf, die in den Kontaktflächen 4 erzeugt werden. Die Gleichrichterschaltungen 6 werden genauer mit Bezug auf Figur 3 beschrieben.
  • Figur 3 zeigt ein Schaltbild eines Leuchtsystems 7 gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung. Das Schaltbild des Leuchtsystems 7 zeigt eine Schaltung eines LED-Lichtbands 1, beispielsweise des LED-Lichtbands 1 gemäß der Figuren 1 und 2, von dem der Einfachheit halber hier nur die Verschaltung eine einzelnen LED 3 gezeigt ist. Außerdem zeigt das Schaltbild des Lichtsystems 7 gemäß Figur 3 eine Schaltung einer Einspeisevorrichtung 8 zum Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung an die Leiterbahnen 5.
  • In der Schaltung des LED-Lichtbands 1 sind zwei Induktivitäten 9 mit jeweils einem in Reihe dazu geschalteten Kondensator 10 gezeigt. Die Induktivitäten 9 stellen die Selbstinduktivitäten der gemäß den Figuren 1 und 2 beschriebenen Leiterbahnen 5 dar. Die Kondensatoren 10 stellen die jeweils zu einer LED 3 gehörenden Koppelkondensatoren aus je einer Kontaktfläche 4 und der gegenüberliegenden Leiterbahn 5 dar.
  • Die Einspeisevorrichtung 8 weist einen seriellen Resonanzwandler auf, der mittels einer Vollbrückenschaltung über die Induktivitäten 9 eine nahezu sinusförmige, hochfrequente Wechselspannung an die Kondensatoren 10 anlegt. Zur Erzeugung der hochfrequenten Wechselspannung liegt an einem ersten Terminal 13 der Einspeisevorrichtung 8 eine Spannung von +5 V an, ein zweites Terminal 14 der Einspeisevorrichtung 8 ist mit einem Massepotenzial GND verbunden. Die Einspeisevorrichtung 8 weist ferner Transistoren 15 auf, die derart geschaltet werden, dass eine vorbestimmte Frequenz der hochfrequenten Wechselspannung erzeugt wird.
  • Zwischen den Kondensatoren 10 und der LED 3 ist eine Gleichrichterschaltung 6, beispielsweise die mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 erwähnte Gleichrichterschaltung 6, angeordnet. Die Gleichrichterschaltung 6 weist zwei Dioden 11 zur Gleichrichtung der in den Kontaktflächen 4 erzeugten Verschiebungsströme auf. Die Dioden 11 sind beispielsweise in einem Bauteil als sogenannte Doppeldiode zusammengefasst. In einer Ausgestaltung kann eine Doppeldiode mit einer periodischen Spitzenspannung von 100 V, einem Durchlassstrom von 125 mA und einer Schaltzeit von maximal 4 ns verwendet werden.
  • Die Gleichrichterschaltung weist ferner zwei Siebkondensatoren 12 auf, die eine Restwelligkeit der gleichgerichteten Spannung vermindern. Eine Mitte zwischen den beiden Siebkondensatoren 12 bildet ein Referenzpotential. Auf diese Weise wird eine möglichst konstante Spannung zum Betreiben der LED 3 erzeugt. In einer alternativen Ausführung können statt der Siebkondensatoren 12 auch induktive Elemente, wie beispielsweise Spulen, zur Glättung verwendet werden.
  • In einem ersten Betriebsmodus des Leuchtsystems 7 werden die Transistoren 15 derart geschaltet, dass die vorbestimmte Frequenz der hochfrequenten Wechselspannung, die an den Leiterbahnen 5 anliegt, einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises, umfassend die Induktivitäten 9 und die Kondensatoren 10, entspricht. In einem zweiten Betriebsmodus des Leuchtsystems 7 werden die Transistoren 15 derart geschaltet, dass die vorbestimmte Frequenz der hochfrequenten Wechselspannung von der Resonanzfrequenz des Schwingkreises abweicht. Je stärker diese Abweichung ist, desto schwächer ist die resonante Kopplung über die Kondensatoren 10 und dementsprechend schwächer ist der Strom, der durch die LED 3 fließt. Auf diese Weise wird ein Lumenausstoß der LED 3 reduziert. Ein Lichtstrom der LED 3 ist somit in dem ersten Betriebsmodus größer als in dem zweiten Betriebsmodus.
  • Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises wird unter anderem durch die Fläche der Koppelkondensatoren beeinflusst. Es ist somit möglich, zwei LEDs mit unterschiedlich dimensionierten Kontaktflächen zu verschalten, sodass die Resonanzfrequenzen der zu den LEDs gehörenden Schwingkreise variieren. Auf diese Weise können hochfrequente Wechselspannungen mit unterschiedlichen vorbestimmten Frequenzen in der Einspeisevorrichtung 8 erzeugt werden, die beispielsweise entweder der Resonanzfrequenz des Schwingkreises der einen LED oder der anderen LED entsprechen. So wird eine der beiden LEDs in dem ersten Betriebsmodus betrieben, während die andere LED in dem zweiten Betriebsmodus betrieben wird.
  • Auch Zwischenzustände sind selbstverständlich möglich, in denen beispielsweise eine vorbestimmte Frequenz gewählt wird, die beispielsweise um etwa 10 % von der Resonanzfrequenz des Schwingkreises der einen LED und um etwa 5 % von der Resonanzfrequenz des Schwingkreises der anderen LED abweicht. Ferner können so ganze Gruppen von LEDs mit unterschiedlich dimensionierten Koppelkondensatoren verschaltet, oder beliebig viele verschieden dimensionierte Koppelkondensatoren mit entsprechenden LEDs verschaltet sein, sodass Schwingkreise mit beliebig vielen verschiedenen Resonanzfrequenzen vorhanden sind. Zusätzlich können die LEDs, die mit unterschiedlich dimensionierten Koppelkondensatoren verschaltet sind, unterschiedliche Farben oder Farbtemperaturen aufweisen. Auf diese Weise können unterschiedlichste Dimmszenarien und Farbkonstellationen mit dem Leuchtsystem 7 erzeugt werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    LED-Lichtband
    2
    Leiterplatte
    3
    Leuchtdiode, LED
    4
    Kontaktfläche
    5
    Leiterbahn
    6
    Gleichrichterschaltung
    7
    Leuchtsystem
    8
    Einspeisevorrichtung
    9
    Induktivität
    10
    Kondensator
    11
    Diode
    12
    Siebkondensator
    13
    erstes Terminal
    14
    zweites Terminal
    15
    Transistor
    GND
    Massepotenzial
    A
    erste Seite der Leiterplatte
    B
    zweite Seite der Leiterplatte
    b1
    Breite der Leiterplatte
    h1
    Höhe der Leiterplatte
    b2
    Breite der Kontaktfläche
    h2
    Höhe der Kontaktfläche
    12
    Länge der Kontaktfläche
    b3
    Breite der Leiterbahn
    h3
    Höhe der Leiterbahn

Claims (9)

  1. LED-Lichtband (1), umfassend:
    - eine Leiterplatte (2), und
    - wenigstens eine auf einer ersten Seite (A) der Leiterplatte (2) angeordnete Leuchtdiode, LED, (3),
    dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Lichtband (1) ferner umfasst:
    - je LED (3) zwei auf der ersten Seite (A) der Leiterplatte (2) angeordnete elektrisch leitfähige Kontaktflächen (4), und
    - zwei auf einer zweiten Seite (B) der Leiterplatte (2) angeordnete Leiterbahnen (5), wobei
    - jeweils zwei der elektrisch leitfähigen Kontaktflächen (4) mit einer LED (3) elektrisch verschaltet sind und von den Kontaktflächen (4), die mit derselben LED (3) verschaltet sind, jeweils eine Kontaktfläche (4) mit jeweils einer der zwei Leiterbahnen (5) je einen Koppelkondensator bildet, wobei die Koppelkondensatoren dazu eingerichtet sind, basierend auf einer an die Leiterbahnen (5) angelegten hochfrequenten Wechselspannung in den Kontaktflächen (4) einen Verschiebungsstrom zur Bestromung der mit den Kontaktflächen (4) elektrisch verschalteten LED (3) zu erzeugen.
  2. LED-Lichtband (1) gemäß Anspruch 1, wobei an der ersten Seite (A) der Leiterplatte (2) je LED (3) eine Gleichrichterschaltung (6) angeordnet ist, wobei die Gleichrichterschaltung (6) dazu eingerichtet ist, den in den Kontaktflächen (4) erzeugten Verschiebungsstrom gleichzurichten und an die jeweilige LED (3) anzulegen.
  3. LED-Lichtband (1) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Leiterplatte (2) zumindest teilweise aus einem Kunststoffwerkstoff gefertigt ist und wobei die Leiterplatte (2) ein Dielektrikum der Koppelkondensatoren bildet.
  4. LED-Lichtband (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Leiterplatte (2) elastisch verformbar ist.
  5. LED-Lichtband (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die elektrisch leitfähigen Kontaktflächen (4) eine flächige Ausdehnung parallel zu der Leiterplatte (2) in einem Bereich von 1 Quadratmillimeter bis 100 Quadratmillimetern aufweisen.
  6. LED-Lichtband (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei wenigstens eine weitere LED (3) auf der ersten Seite (A) der Leiterplatte (2) angeordnet ist und die mit der wenigstens einen LED (3) elektrisch verschalteten Kontaktflächen (4) eine andere flächige Ausdehnung aufweisen als die mit der wenigstens einen weiteren LED (3) elektrisch verschalteten Kontaktflächen (4).
  7. Leuchtsystem (7), umfassend ein LED-Lichtband (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 und eine Einspeisevorrichtung (8), die dazu eingerichtet ist, die hochfrequente Wechselspannung an die zwei Leiterbahnen (5) des LED-Lichtbands (1) anzulegen.
  8. Leuchtsystem (7) gemäß Anspruch 7, wobei die Einspeisevorrichtung (8) dazu eingerichtet ist, die hochfrequente Wechselspannung mit einer Frequenz in einem Bereich von 1 Megahertz bis 10 Megahertz an die wenigstens zwei Leiterbahnen (5) anzulegen.
  9. Leuchtsystem (7) gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Einspeisevorrichtung (8) einen seriellen Resonanzwandler umfasst.
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