DE19948592A1 - Durch Leuchtdioden angeregte fluoreszierende Phosphorleuchtenanordnung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine fluoreszente Lichtquelle, die eine Reihe von Leuchtdioden, deren Licht im Ultraviolettbereich auf eine Phosphorschicht trifft, umfasst.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein fluoreszente Leuchtmittel.

Beschreibung des Standes der Technik

Die frühe Technologie der künstlichen Beleuchtung verwendete einen Metallglüh­ draht, wie etwa einen Wolframglühdraht, der innerhalb eines geschlossenen, evaku­ ierten Glaskolbens enthalten ist. Durch den Glühdraht wird ein elektrischer Strom ge­ leitet und das Metall beginnt aufgrund des Widerstandes der sich bewegenden Elekt­ ronen des elektrischen Stroms im Wolfram hell zu glühen. Dieses Konzept hat eine extrem geringe Energieumwandlungsrate zur Bereitstellung von sichtbarem Licht zur Folge, die in den großen Wärmeverlusten und der relativ kurzen Lebensdauer des Wolframglühdrahtes begründet liegt. Dennoch war diese Technologie der Wärme­ lichtquelle für eine gewisse Zeit kommerziell erfolgreich.

In den späten 1930ern resultierte die Technologie der fluoreszenten Lichtquelle in einer beträchtlichen Energieeinsparnis gegenüber den Glühdrahtsystemen. Die typi­ sche Fluoreszenzleuchte ist ein elektrisches Entladungsgerät, das einen Niederdruck- Quecksilberdampfentladungsbogen verwendet, um eine Ultraviolett-Energiequelle zu erzeugen. Diese Energie wird von einer Beschichtung aus Phosphor an der Innen­ seite einer Glasröhre absorbiert und der Phosphor wandelt die Ultraviolett-Energie in eine sichtbare Wellenlänge einer speziellen Farbe um. Der Prozeß, mit dem der Phosphor die Ultraviolett-Strahlung absorbiert und den angeregten Zustand durch Abgeben sichtbarer Strahlung abbaut, wird im allgemeinen als Fluoreszenz bezeich­ net. Die Wellenlängen des erzeugten Lichts ist durch die Zusammensetzung des Phosphors bestimmt; eine derartige Zusammensetzung des Phosphors und die Be­ stimmung und Berechnung, um daraus die gewünschte Wellenlänge und damit die erreichbare Lichtfarbe zu erhalten, sind dem Fachmann wohlbekannt und sind damit nicht Gegenstand dieser Erfindung. Beispielsweise kann der Phosphor ein Fluorid des Lanthanums, Gadoliniums oder Yttriums, das durch Erbium oder Thulium aktiviert und jeweils durch Ytterbium sensibler gemacht wurde, enthalten. Diese Phosphorzusam­ mensetzungen haben ein Anregungsspektrum, das sich von ungefähr 9000 bis 10.400 Å erstreckt. Oxidsulfide des Lanthaniums, Gadoliniums oder Yttriums, aktiviert durch Erbium oder Thulium und anschließend durch Ytterbium empfindlicher gemacht, können ebenso verwendet werden. Der Phosphor kann auf dem transparenten, vor­ zugsweise aus Glas bestehenden Umhüllungsbereich der Beleuchtungsanordnung in einer Reihe von Arten aufgetragen werden. Er kann in einem geeigneten Binder ge­ löst und als Farbe auf die Oberfläche aufgetragen werden oder Phosphorkristalle können auf einer solchen Oberfläche für bestmöglichen Kontakt mit den Kristallen der Leuchtdioden aufgewachsen werden und die Kristalle können auf einer Seite ge­ schliffen und poliert und mit einem transparenten Bindemittel oder ähnlichem zusam­ mengefügt werden.

Auf Quecksilber basierende fluoreszente Leuchtquellen weisen viele Vorteile und Nachteile auf. Zunächst umfassen die Vorteile eine bessere Beleuchtungswirkung als eine Glühbeleuchtung und eine erwartete mittlere Lebensdauer ist mehr als 10 bis 20 mal so groß. Somit verringert die Fluoreszenttechnologie die Anzahl der für eine fest­ gelegte Zeitdauer benötigten Leuchten und den damit verbundenen Aufwand zum Ersetzen der Glühbirnen. Andererseits beinhalten die Nachteile fluoreszenter Licht­ quellen die nicht gerade ideale Energieumwandlung in Licht (lediglich ungefähr 23 der gesamten Lampenleistung einer konventionellen Fluoreszenzleuchte werden tat­ sächlich in sichtbares Licht umgewandelt), die Notwendigkeit für schwere und teure elektrische Komponenten, um den Entladungsbogen innerhalb der Lampe zu erzeu­ gen und zu regulieren, und die Anwesenheit von Quecksilber und Edelgasen (für ge­ wöhnlich Argon, Krypton, Neon oder eine Mischung davon) bei der Lampenentsorgung, wodurch möglicherweise Umweltschäden entstehen.

Die Anmelderin kennt die folgenden Patente, die zum Stand der Technik gehören und sich im allgemeinen auf das Thema der vorliegenden Erfindung beziehen:

US-Patent-Nr.
Patentinhaber
3 529 200	Potter et al.
3 591 941	Jaffe
3 593 055	Geusic et al.
3 659 136	Grodkiewicz
3 774 086	Vincent
4 035 686	Fleming
4 385 343	Plumly
4 473 834	Soclof
4 847 508	Kokubu
5 020 252	De Boef
5 251 392	McManigal
5 276 591	Hagerty
5 365 411	Rycroft
5 452 190	Priesemuth
5 640 792	Smith et al.
5 653 523	Roberts

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die mit dem Stand der Technik, wie er oben beschrieben ist, verknüpften Probleme zu beseitigen.

Überblick über die Erfindung

Die vorliegende Endung stellt eine Beleuchtungsanordnung mit einem Gehäuse be­ reit. Elektrische Energie wird von außen in das Gehäuse geleitet. Eine Reihe von Leuchtdioden, deren Ausgangswellenlänge zur Anregung eines Phosphors, der im Ultraviolett-Bereich des elektromagnetischen Spektrums anregbar ist, ausreichend ist, ist innerhalb des Gehäuses montiert. Es ist eine Elektroenergie-Umformungs­ einrichtung vorgesehen, um elektrische Energie in eine bekannte Spannung zur Ver­ wendung mit den Leuchtdioden umzuwandeln. Eine lichtemittierende transparente Oberfläche mit einem inneren Oberflächenbereich, die einen Teil des Gehäuses bil­ den kann, ist vorgesehen. Eine Beschichtung aus Phosphormaterial, das durch Ultra­ violett-Strahlung anregbar ist, wird auf dem Glas im Inneren des Gehäuses ange­ bracht, wobei von der transparenten Oberfläche ein für das bloße Auge sichtbares Lichtspektrum emittiert wird, wenn die Phosphorbeschichtung durch das von den Dio­ den emittierte Licht angeregt ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist ein schematischer horizontaler Querschnitt der Leuchtenanordnung der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In Fig. 1 ist eine Beleuchtungsanordnung 100 der vorliegenden Endung darge­ stellt. Die Anordnung 100 besteht aus einem äußeren Gehäuse 101 mit sich parallel erstreckenden Seitenwandelementen 101a und 101c, die eine flache obere Oberflä­ che oder Wand 101b schneiden, die wiederum eine Öffnung 104 zum Aufnehmen einer konventionellen elektrischen Zuleitung 103a und 103b, die zu einem Netzteil führen (nicht gezeigt), aufweist. Die elektrischen Zuleitungen 103a, 103b führen zu einem Umsetzer 106 zum Umwandeln des elektrischen Stromes in eine bekannte und leicht berechenbare Spannung für die Verwendung in den Leuchtdioden der vorlie­ genden Erfindung.

Das Gehäuse 101 hat ebenfalls ein zweites unteres Ende 101d, das jeweils an sei­ nem jeweiligen Ende die jeweiligen Gehäuseseitenelemente 101a, 101c abschließt. Eine lichtemittierende Fläche 101d, die in einer oder mehreren Richtungen orientiert ist, um einen Strahl oder Strahlen von Licht, das für das bloße Auge sichtbar ist, ist typischerweise durchsichtig oder, alternativ, getönt oder gefärbt und ist aus Glas, Plastik oder einem anderen glatten Material, das eine nach innen zeigende glatte Oberfläche 101d-1 aufweist, hergestellt; auf diese Oberfläche wird der Phosphor auf­ getragen, um die Beschichtung 102 bereitzustellen. "Durchsichtig" bzw. "transparent" bezeichnet dabei einen Bereich von Flächen, der von vollkommen transparent bis abgeschattet, getönt oder gefärbt reicht, wobei selbstverständlich ist, daß der Betrag an Durchlässigkeit auswählbar ist, abhängig von der Menge bzw. Art des Lichtspekt­ rums, das von der Anordnung und durch diese hindurch emittiert werden soll.

Im Inneren des Gehäuses 101 zwischen dem oberen Ende 101b und dem Glas 101d-1 ist ein Gehäuseelement 105 befestigt, das sich parallel zwischen den Seitenele­ menten 101a, 101c erstreckt. Das Gehäuseelement 105 beherbergt eine Reihe von einzelnen ausgerichteten ultraviolett-emittierenden Leuchtdioden, die auf dem Ge­ häuseelement befestigt sind und in Fig. 1 mit 106a, 106b, 106c, 106d, 106e, 106f, 106g, 106h, 106i, 106j, 106k, 106l und 106m bezeichnet sind. Es können ein oder mehrere Gehäuseelemente 105 mit dazugehörigen Leuchtdioden vorgesehen wer­ den, wenn dies gewünscht oder notwendig sein sollte.

Die Leuchtdioden, die in der vorliegenden Erfindung bevorzugt verwendet werden, sind von der Nichia America Corporation hergestellt und emittieren Strahlung im Ult­ raviolett-Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Die bevorzugten InGaN- Dioden haben eine Wellenlänge im Maximum der Intensität von ungefähr 371 nm und eine Linienbreite von ungefähr 8.6 nm beim halben Maximum mit einem Ausgangs­ signal innerhalb von 6 nm eines der sekundären Ultraviolett-Ausgangsmaxima eines Quecksilberentladungsbogens, der in aktuellen oder vergangenen Fluoreszenzlicht­ quellen zu finden ist. Es wird angenommen, daß die Lebenserwartung dieser Art von Dioden etwa 100.000 Stunden übersteigt und eine geeignete Leuchtstärke für die Phosphorbeschichtung des Glases oder der anderen glatten Oberfläche bereitstellt.

Die Art des Phosphors, der Beschichtung und der Einrichtung zum Beschichten der transparenten Oberfläche, die zur Anwendung in der vorliegenden Erfindung gewählt wurden, sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Fluoreszenzlichtquellen wohlbe­ kannt.

Es ist ebenfalls bekannt, daß ultraviolette elektromagnetische Strahlung für den Men­ schen schädlich sein kann und es soll betont werden, daß ein konventioneller Strah­ lenschutz mittels geeigneter Gehäusekomponenten bereitzustellen ist. Ferner soll betont werden, daß die vorliegenden Erfindung eine Lichtquelle bereitstellt, deren In­ tensität in einfacher Weise durch Bereitstellung einer Regelschaltung gesteuert wer­ den kann, im Gegensatz zu komplizierten, umfangreichen Steuerungen, die häufig in herkömmlichen Fluoreszenzbeleuchtungssystemen notwendig sind. Da Leuchtdioden einen hohen Wirkungsgrad aufweisen, können ferner Niederspannungsgeräte, Solar- und andere Energiequellen sowie mit Gleichstrom betriebene Batteriesysteme in ein­ facher Weise angepaßt werden, um als elektrische Energiequelle zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung zu dienen.

Obwohl die Erfindung in bezug auf spezielle Ausführungsformen detailliert beschrie­ ben wurde, die lediglich zur Erläuterung dienen, ist es nicht beabsichtigt, die Erfin­ dung auf diese Ausführungsformen zu beschränken, da alternative Ausführungsfor­ men und Betriebsweisen für den Fachmann aufgrund dieser Offenbarung offensicht­ lich sind. Folglich sind auch Modifikationen mit eingeschlossen, die ausgeführt werden können, ohne vom Grundgedanken der beschriebenen Erfindung abzuweichen.

Claims (3)

1. Eine Leuchtenanordnung mit:
einem Gehäuse;
einer in das Gehäuse übertragenen Quelle elektrischer Energie;
mehreren Leuchtdioden, die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind und eine Ausgangswellenlänge aufweisen, die zur Anregung von Phosphor, der durch einen Ultraviolett-Bereich des elektromagnetischen Spektrums anregbar ist, ausreicht;
einer Umformereinrichtung zum Konvertieren von Leistung in eine bekannte Spannung, die von mehreren der Leuchtdioden verwendet wird;
einer lichtemittierenden transparenten Fläche mit einem inneren Oberflächen­ bereich; und
einer Beschichtung aus mit Ultraviolett-Strahlung anregbarem Phosphor, die auf dem inneren Oberflächenbereich der transparenten Umhüllung aufgebracht ist, wobei durch die Beschichtung und durch die transparente Fläche ein für das bloße Auge sichtbares Lichtspektrum erzeugt wird, wenn die Phosphorbe­ schichtung von dem von den Dioden emittierten Licht angeregt ist.

2. Die Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei jede Diode eine Wellenlänge von 371 nm im Intensitätsmaximum und eine Linienbreite von ungefähr 8,6 nm beim halben Intensitätsmaximum aufweist.

3. Die Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Ausgangsstrahlung jeder Diode nicht weniger als 6 nm von einem sekundären Ultraviolett-Ausgangsmaximum eines fluoreszierenden Quecksilberentladungsbogens entfernt liegt.