Beschreibung

LEUCHTMITTEL MIT MINDESTENS EINER LED Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leuchtmittel mit mindestens einer LED. Leuchtmittel mit LEDs zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer und einen hohen Wirkungsgrad aus. Um sie auch in herkömmlichen Fassungen zu betreiben, sind so genannte Retrofit-Lampen auf dem Markt erhältlich, die vom Aussehen her einer gewöhnlichen Glühlampe ähneln, in deren Inneren jedoch LEDs als Leuchtmittel verwendet werden.

Seit der Einführung von LEDs bei der Herstellung von

Retrofit-Lampen sind große Verbesserungen hinsichtlich

Effizienz, Farbwiedergabe und Lebensdauer erzielt worden.

Dies ist allerdings aktuell nur möglich unter relativ hohen Herstellungskosten. Insbesondere wenn beispielsweise in einem gesamten Haus von Glühlampen auf Retrofit-Lampen umgestellt werden soll, fallen erhebliche Kosten an, sodass die

Umstellung entweder nur für einen Teil der Leuchtmittel erfolgt oder ganz unterbleibt. Auf diese Weise wird nicht nur bezogen auf ein einzelnes Haus, sondern auch weltweit eine beträchtliche Energiemenge vergeudet. Die zu deren

Bereitstellung benötigten Ressourcen könnten anderweitig besser genutzt werden. Bestehende Lösungen benötigen

elektronische Treiber, die die Netz-Wechselspannung auf eine für die jeweilige LED angepasste Gleichspannung wandeln. In den meisten Fällen wird hierzu ein Schaltnetzteil verwendet, beispielsweise ein Buck-Konverter . Retrofit-Lampen sind insbesondere als A-Lampen, B-Lampen, P-Lampen und G-Lampen erhältlich .

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein eingangs genanntes Leuchtmittel, insbesondere eine

Retrofit-Lampe, bereitzustellen, die sich durch niedrigere Herstellungskosten auszeichnet als die bekannten Lösungen. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leuchtmittel mit den Merkmalen von Patentanspruch 1.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Retrofit-Lampe besonders günstig hergestellt werden kann, wenn diese ohne elektronische Treiber auskommt. Um auf diese zu verzichten, ist eine alternative, möglichst

kostengünstige Vorrichtung zur Regelung des Stroms durch die mindestens eine LED vorzusehen. Erfindungsgemäß wird diese Funktion durch mindestens einen Glühfaden realisiert, der seriell zu der mindestens einen LED geschaltet ist. Unter einem Glühfaden ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein herkömmlicher Glühdraht, ein so genanntes Filament, zu verstehen .

Die Erfindung macht sich den Umstand zunutze, dass mit steigender Temperatur der elektrische Widerstand des

Glühfadens ebenfalls steigt. Dadurch wird der Stromfluss reduziert, wodurch die Temperatur sinkt. Eine sinkende

Temperatur führt zu einer Reduktion des elektrischen

Widerstands, wodurch der Stromfluss wieder steigt, usw. Auf diese Weise wird zum einen der der mindestens einen LED zugeführte Strom geregelt, zum anderen ein Teil des durch die Regelvorrichtung in Form des Glühfadens fließenden Stroms ebenfalls, wie bei einem Leuchtmittel gewünscht, in

Lichtenergie umgewandelt. Dadurch kann ein Leuchtmittel bereitgestellt werden, das sich durch einen hohen

Wirkungsgrad und einen hohen Anteil an LED-Licht auszeichnet. Die Herstellungskosten sind niedrig, da keine elektronische Treiberschaltung für den Betrieb der LEDs benötigt wird.

Besonders vorteilhaft ist der Umstand, dass sich beim Betrieb eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels ein weitgehend

flickerfreier Betrieb realisieren lässt, da der Glühfaden eine konstante Grundhelligkeit zu der von einem

erfindungsgemäßen Leuchtmittel im sichtbaren

Wellenlängenbereich emittierten Strahlung beisteuert. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass bei der Herstellung auf bestehende Herstellungskonzepte von Glühlampen zurückgegriffen werden kann.

Eine bevorzugte Variante der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Leuchtmittel einen Glaskolben umfasst, in dem der mindestens eine Glühfaden angeordnet ist, wobei der Glaskolben mit einem Schutzgas gefüllt ist. Dieses Schutzgas umfasst bevorzugt ein Gemisch aus 93% Argon und 7% Stickstoff und insbesondere kein Halogen. Die Mischung ist daher wie bei handelsüblichen Glühlampen. Die mindestens eine LED und der mindestens eine Glühfaden sind bevorzugt beide innerhalb des Glaskolbens angeordnet.

Bei einer anderen Variante der vorliegenden Erfindung umfasst das Leuchtmittel einen Glaskolben, in dem der mindestens eine Glühfaden angeordnet ist, wobei der Glaskolben mit einem Gas gefüllt ist, das mindestens ein Halogen, insbesondere Brom, umfasst. Dadurch wird ein Halogenbrenner realisiert, wobei ein Glaskolben vorgesehen sein kann, in dem der den Glühfaden umfassende Glaskolben sowie die mindestens eine LED

angeordnet sind. Die mindestens eine LED und der mindestens eine Glühfaden sind bei dieser Variante demnach

unterschiedlichen atmosphärischen Randbedingungen ausgesetzt. Bevorzugt weist das Leuchtmittel einen ersten und einen zweiten Anschluss zum Koppeln mit einer Versorgungsspannung, insbesondere einer Versorgungswechselspannung, auf. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass das Leuchtmittel mindestens eine erste und eine zweite LED umfasst, die antiparallel zueinander geschaltet sind. Auf diese Weise können beide Teilwellen der Versorgungswechselspannung genutzt werden. Auf diese Weise kann ein mögliches Flickern weiter reduziert werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Leuchtmittel einen Gleichrichter umfassen, der mit dem ersten und dem zweiten Anschluss gekoppelt ist. Insbesondere bei dieser Variante kann das Leuchtmittel mindestens eine erste und eine zweite LED umfassen, die parallel zueinander geschaltet sind. Dies resultiert ebenfalls in einem reduzierten Flickern.

Allerdings können zwei parallel zueinander geschaltete LEDs auch bei der Variante ohne Gleichrichter verwendet werden, wenn beispielsweise mindestens zwei LEDs parallel zueinander geschaltet sind und mindestens zwei weitere LEDs antiparallel zu der ersten Parallelschaltung. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Leuchtmittel

mindestens eine erste und eine zweite LED umfasst, die seriell zueinander geschaltet sind. Dabei bilden die LEDs einen sogenannten LED-Strang. Dies kann sowohl bei der

Variante mit und bei der Variante ohne Gleichrichter der Fall sein. Damit kann erreicht werden, dass die gesamte über dem LED-Strang abfallende Spannung erhöht und somit der

Arbeitspunkt des LED-Strangs optimiert wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann zumindest eine erste und eine zweite LED eine unterschiedliche Forward-

Spannung aufweisen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Halbwelle der speisenden Wechselspannung besonderes effizient genutzt werden können. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Leuchtmittel

mindestens zwei LEDs umfasst, die in unterschiedlichen

Wellenlängenbereichen emittieren. Auf diese Weise kann der Farbort des von einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel

abgegebenen Lichts eingestellt werden.

Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die mindestens eine LED und der mindestens eine Glühfaden derart dimensioniert sind, dass zwischen 15% und 30%, bevorzugt zwischen 20% und 25%, der Versorgungsspannung an der mindestens einen LED abfallen. Durch eine derartige

Dimensionierung kann eine maximale Helligkeit der von dem Leuchtmittel abgegebenen Strahlung bei gegebener

Versorgungsspannung erreicht werden. Eine derartige Dimensionierung resultiert daher in einem besonders hohen Wirkungsgrad des Leuchtmittels.

Bei einer alternativen Vorgehensweise kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine LED und der mindestens eine

Glühfaden derart dimensioniert sind, dass zwischen 70% und 90%, bevorzugt zwischen 75% und 85%, insbesondere 80%, der optischen Leistung von der mindestens einen LED erzeugt werden. Die in den letzten beiden Absätzen als vorteilhaft vorgeschlagenen Dimensionierungsregeln gelten sowohl für eine Realisierung des Glühfadens in einem Schutzgas als auch innerhalb eines Halogenbrenners.

Auch bei einer derartigen Dimensionierung kann ein besonders hoher Wirkungsgrad und damit eine besonders große optische Leistung bei einer vorgegebenen Versorgungsspannung erzielt werden .

In einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass das Leuchtmittel einen Glaskolben sowie einen

thermischen Schild umfasst, wobei die mindestens eine LED und der mindestens eine Glühfaden in dem Glaskolben angeordnet sind, wobei der thermische Schild zwischen der mindestens einen LED und dem mindestens einen Glühfaden angeordnet ist. Als thermischer Schild kommt insbesondere ein metallischer

Reflektor in Betracht, der zwischen der mindestens einen LED und dem Glühfaden angebracht ist.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im Nachfolgenden werden nunmehr Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen in:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Schaltplan für ein erstes Ausführungsbeispiel eines

erfindungsgemäßen Leuchtmittels ; Fig. 2 in schematischer Darstellung einen Schaltplan für ein zweites Ausführungsbeispiel eines

erfindungsgemäßen Leuchtmittels ;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines

Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen

Leuchtmittels ;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren

Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen

Leuchtmittels; und

Fig. 5 die optische Leistung P _opt in Abhängigkeit der über den LEDs abfallenden Spannung U _L ED bei einer

Versorgungsspannung von U _V =220V.

Für gleiche und gleichwirkende Elemente werden im

Nachfolgenden dieselben Bezugszeichen verwendet.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Schaltbild für ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Leuchtmittels. Als Spannungsversorgung dient eine

Wechselspannungsquelle U _v , die beispielsweise eine

Wechselspannung mit einer Amplitude von 220 V bereitstellen kann. Zwischen die Anschlüsse der Wechselspannungsquelle U _v ist die Serienschaltung eines Glühfadens GF einerseits sowie zweier antiparallel geschalteter LEDs LEDl und LED2

andererseits gekoppelt. Der gestrichelt eingezeichnete

Bereich 10 gibt an, welche Bauelemente bevorzugt auf einer gedruckten Leiterplatte angeordnet werden können.

Wie zu erkennen ist, wird der Glühfaden GF nicht auf der Leiterplatte 10 angeordnet. Durch die gestrichelt

eingezeichnete Umrandung 12 soll zum Ausdruck gebracht werden, dass der Glühfaden GF in der gleichen Atmosphäre betrieben werden kann wie die LEDs, beispielsweise einem von herkömmlichen Glühlampen bekannten Schutzgas, das bevorzugt ein Gemisch aus 93% Argon und 7% Stickstoff umfasst, jedoch kein Halogen. Alternativ kann der Glühfaden GF in einer anderen Atmosphäre als die LEDs LED1, LED2 betrieben werden, um mittels des Glühfadens GF einen Halogenbrenner zu

realisieren. Hierbei wird der Glühfaden GF in einem separaten Glaskolben betrieben, der mit einem Gas gefüllt ist, das mindestens ein Halogen, insbesondere Brom, umfasst.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel hat den

Vorteil, dass durch die dargestellte antiparallele

Verschaltung der LEDs LED1, LED2 beide Teilwellen der

Versorgungswechselspannung U _v zur Erzeugung von LED-Licht genutzt werden können. Wie für einen Fachmann offensichtlich, könnten weitere LEDs den beiden LEDs LED1, LED2 parallel geschaltet werden, bevorzugt in zwei antiparallelen Paketen, um Helligkeitsschwankungen zu minimieren. Weiterhin können zu jeder LED LED1, LED2 eine oder mehrere LEDs seriell

geschaltet werden, zur Vermeidung von Helligkeitsschwankungen auch jeweils in zwei antiparallelen Paketen. Eine LED LED1, LED2 kann beispielsweise aus mehreren Halbleiter-Chips, beispielsweise 3V (InGaN) , und mehreren HochVolt-Chips , beispielsweise 48V, bestehen, die in Reihe bzw. parallel geschaltet sind. Damit kann der Betrieb der LEDs in

geeigneter Weise an die Versorgungswechselspannung U _v

angepasst werden.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels ist zwischen die beiden

Anschlüsse der Versorgungswechselspannung U _v ein

Brückengleichrichter 14 geschaltet, der in bekannter Weise vier Dioden Dl, D2, D3, D4 umfasst. Zwischen die Ausgänge des Brückengleichrichters 14 ist die Serienschaltung eines

Glühfadens GF sowie zweier LEDS LEDl, LED2 geschaltet. LEDl, LED2 sowie der Brückengleichrichter 14 sind auf einer Platine 10 angeordnet. Anstelle der in Fig. 2 dargestellten

Serienschaltung der LEDs LEDl, LED2 können auch mehrere LEDs parallel geschaltet sein, wobei wiederum jede parallel geschaltete LED durch eine Serienschaltung mehrerer LEDs ersetzt werden kann. Auf diese Weise - dies gilt auch für Fig. 1 - lässt sich eine optimale Abstimmung zwischen

Versorgungswechselspannung U _v , Glühfaden GF und den LEDs erzielen, um eine Helligkeit des von einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel abgegebenen Lichts bzw. den Farbort wunschgemäß einzustellen. Weiterhin läßt sich damit eine optimale

Aufteilung der Versorgungswechselspannung U _v zwischen den LEDs und dem Glühfaden GF einstellen. Der Widerstand des Glühfadens GF definiert den auch durch die mindestens eine LED fließenden Strom. Über eine geeignete Wahl des Widerstands des Glühfadens GF kann, wie erwähnt, das Verhältnis des Lichts aus der mindestens einen LED und dem Glühfaden GF eingestellt werden. Das Licht der beiden

Lichtquellen wird gemischt, sodass ein effizientes und zugleich weitgehend flickerfreies Licht erzeugt wird.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels 16 am Beispiel einer A-Lampe mit einem Sockel 18 vom Typ E27. Diese weist einen Glaskolben 20 auf, in dem eine für Glühlampen übliche Schutzgas-Atmosphäre herrscht, die beispielsweise 93% Argon und 7% Stickstoff, jedoch kein Halogen, umfassen kann. Innerhalb des Glaskolbens 20 ist ein Glühfaden GF sowie eine Vielzahl von LEDs angeordnet, wovon beispielhaft die LEDl dargestellt ist. Um die mindestens eine LEDl und den Glühfaden GF thermisch zu entkoppeln, ist die LEDl nahe am Sockel 18 angeordnet, der Glühfaden GF davon möglichst weit räumlich getrennt. Durch diese räumliche

Trennung wird die Lebensdauer der LEDl durch die vom

Glühfaden GF abgegebene thermische Strahlung nicht negativ beeinflusst. Zur weiteren thermischen Entkopplung oder alternativ könnte zwischen der mindestens einen LED LEDl und dem Glühfaden GF ein thermischer Schild angeordnet sein.

Dabei kann es sich beispielsweise um einen metallischen

Reflektor handeln.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels 16 ist innerhalb des Glaskolbens 20 ein weiterer Glaskolben 22 angeordnet, in dem der Glühfaden GF angeordnet ist. Die Atmosphäre innerhalb des Glaskolbens 22 enthält mindestens ein Halogen, insbesondere Brom. Durch den Glühfaden GF und den Glaskolben 22 samt

Füllung ist hierbei ein Halogenbrenner 24 realisiert.

Innerhalb des Glaskolbens 20 kann die bereits aus dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel bekannte

Schutzgasatmosphäre vorgesehen sein. Innerhalb des

Glaskolbens 20, aber außerhalb des Glaskolbens 22 sind vorliegend zwei LEDS LED1, LED2 angeordnet.

Selbstverständlich kann die Anzahl der LEDs beliebig sein, beispielsweise eins, zwei, drei, vier usw.

Fig. 5 zeigt den Verlauf der optischen Leistung P _opt (a.u. = arbitrary units) in Abhängigkeit der über der mindestens einen LED abfallenden Spannung U _L ED bei einer

Versorgungswechselspannung von U _V =220V. Die Differenz

zwischen der Versorgungswechselspannung U _v und der über der mindestens einen LED abfallenden Spannung entspricht daher der über dem Glühfaden GF abfallenden Spannung.

Der Arbeitspunkt wird demnach über die Anzahl der in Serie geschalteten LEDs, d.h. insbesondere deren

Vorwärtsspannungen, sowie den Widerstand des Glühfadens GF festgelegt. Wie zu erkennen ist, ist die vom Glühfaden GF abgegebene optische Leistung P _opt um so größer, je weniger Spannung U _L ED über der mindestens einen LED abfällt. Bei dem Anteil der von der mindestens einen LED gelieferten optischen Leistung P _opt ergibt sich ein Maximum bei einer Spannung von U _L ED=80V. Für die Summe aus den beiden optischen

Teilleistungen, d.h. die des Glühfadens GF sowie die der mindestens einen LED, ergibt sich ein Maximum bei einer

Spannung von U _L ED = 54V. Das Gesamtsystem würde in diesem Arbeitspunkt eine Effizienz größer 20% erreichen. Wenn davon ausgegangen wird, dass eine Glühlampe üblicherweise eine

Effizienz zwischen 2% und 5% aufweist, ergibt sich hierdurch eine deutliche Steigerung der Effizienz gegenüber einer

Glühlampe alleine. Würden LEDs alleine betrieben werden, könnte man zwar eine Effizienz zwischen 25% und 30% erzielen, jedoch auf Kosten einer teuren Treiberelektronik. Auf diese kann bei einem erfindungsgemäßen Leuchtmittel verzichtet werden. Insofern bleibt festzuhalten, dass ein maximaler Wirkungsgrad erzielt werden kann, wenn die mindestens eine LED sowie der mindestens eine Glühfaden derart dimensioniert sind, dass zwischen 20% und 25% der Versorgungsspannung U _v an der mindestens einen LED abfallen. Umgekehrt lässt sich aus der Darstellung von Fig. 5 schließen, dass sich ein optimaler Wirkungsgrad dann ergibt, wenn die mindestens eine LED und der mindestens eine Glühfaden GF derart dimensioniert sind, dass zwischen 75% und 85%, insbesondere 80%, der optischen Leistung P _opt von der mindestens einen LED erzeugt werden.

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Bezugszeichenliste

10 Leiterplatte

12 Umrandung

14 Brückengleichrichter

16 Leuchtmittel

18 Sockel

20 Glaskolben

22 Glaskolben

24 Halogenbrenner

Dl, D2, D3, D4 Dioden

GF Glühfaden

LED1, LED2 LEDs

Popt optische Leistung

ULED Spannung

U _v VersorgungsSpannung