DE2062209A1 - Festkörper Lampenanordnung - Google Patents
Festkörper LampenanordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Pestkörper-Lampenanordnungen. Diese
Lampen werden gewöhnlich aus einem ebenen Plättchen ("chip") eines Materials, wie Galliumarsenid, Galliumphosphid oder
Siliziumcarbid hergestellt, das in geeigneter Weise mit einem
Dotierungsmaterial dotiert ist, so daß sich ein p-n-übergangsbereich bildet, der sichtbares oder Infrarot-Licht aussendet,
wenn ein Strom hindurchgeht. Von dem durch den Übergangsbereich abgegebenen Licht tritt infolge des Grenzwinkels des
Diodenmaterials nur ein kleiner Bruchteil durch die Oberfläche der Diode aus. Dadurch wird der größte Teil des Lichtes reflektiert und im Innern des Diodenmaterials absorbiert. Die rela-
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tiv kleine Lichtmenge, welche durch die Diodenoberfläche austritt,
wird so gebeugt, daß sich eine halbkugelförmige oder "Lambert'sehe" Lichtverteilung außerhalb der Diode bildet.
Aus den obengenannten Gründen haben Pestkörper-Lichtquellen einen geringen Wirkungsgrad und erzeugen eine niedrige Lichtintensität.
Ein Weg zur Erhöhung des Wirkungsgrades und der Lichtleistung einer lichtaussendenden Diode besteht darin, das Diodenmaterial
in die Form einer Kugel oder einer Teilkugel zu bringen. Der das Licht erzeugende Übergangsbereich ist dann in dem Bereich
zwischen dem Mittelpunkt und dem sogenannten "Weierstrass'sehen
Radius" der Kugel lokalisiert. Dieses Verfahren ist nicht völlig geeignet, da das Diodenmaterial kostspielig
ist und nur schwer zu einer Kugelform verarbeitet werden kann. Außerdem besitzt es einen hohen Lichtabsorptionskoeffizienten,
wodurch die für die Herstellung der Kugel erforderliche größere Materialmenge einen beträchtlichen Lichtanteil absorbiert.
Ein anderes Verfahren ist in seiner Auswirkung ähnlich dem zuvor beschriebenen und besteht darin, ein lichtaussendendes
Diodenplättchen an einem Punkt zwischen dem Mittelpunkt und dem Weierstrass'sehen Radius eines kugelförmigen Materials
einzuschließen, welches einen Brechungsindex größer als 1 oder größer als der Brechungsindex von Luft besitzt. Dadurch
wird der Grenzwinkel der Diode erhöht, wodurch ein größerer Anteil des Lichtes aus der Diode austritt. Ein Verfahren zur
Erhöhung der Helligkeit einer Lampenanordnung, wenn ein Lichtstrahl in einem engen Austrittswinkel erwünscht oder zulässig
ist, besteht darin, eine Pokussierungslinse zur Konzentration des ausgesandten Lichtes in einem relativ engen Strahlenbündel
vorzusehen.
Obwohl diese zuvor|bekannten Techniken Verbesserungen der Lichtausgangsleistung von Festkörper-Lampen gebracht haben,
bestand weiterhin eine Notwendigkeit zur Schaffung von Anordnungen zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrades und der
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Lichtausgangsleistung, und zwar in einer Weise, die praktisch
und wirtschaftlich herstellbar ist.
Die Erfindung umfaßt in einer bevorzugten Ausführungsform ein
Halterungs- oder Tragteil, das mit einer Vertiefung mit polierten reflektierenden kegelförmigen Seiten versehen ist. In der
Vertiefung des Tragteils ist ein lichtaussendendes Diodenelement befestigt. Benachbart zu der Unterseite der Diode ist in
der Vertiefung des Tragteils eine Delle vorgesehen, so daß nur ein schmaler Bereich der unteren Diodenoberfläche in Berührung mit dem Tragteil steht. Vorzugsweise ist die Delle
kreisförmig und das Diodenelement ist quadratisch, so daß nur j
die Bereiche an den Ecken des Diodenelementes in Kontakt mit dem Tragteil stehen. Diese Konstruktion bringt den Grenzwinkel
für die Lichtaussendung an der unteren Oberfläche der Diode auf ein Minimum und damit die innere Lichtreflexion an dieser
unteren Oberfläche auf ein Maximum. Dadurch wird die nutzbare Lichtmenge erhöht, welche durch die obere und die Seitenflächen
der Diode ausgesandt wird. Die polierten, schräg verlaufenden Seitenwände der Vertiefung in dem Halteteil reflektieren das an den Seitenflächen des Diodenelementes abgestrahlte
Licht nach oben, so daß es zusammen mit dem durch die obere Fläche des Diodenelementes abgestrahlten Licht zu der nutzbaren
Lichtleistung der Lampe beiträgt. Die Anordnung kann in Kunststoff oder Glas eingehüllt werden. Die elektrischen Ver- f
bindungen werden oben auf dem Diodenelement und an der unteren Fläche der Diode über das Halteteil, an dem sie befestigt ist,
hergestellt.
Es folgt eine Erläuterung der Erfindung anhand einer Beschreibung und von Abbildungen einer bevorzugten Ausführungsform.
Fig. 1 ist eine Seitenansicht im Schnitt einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 ist eine Draufsicht eines auf sdnem Halteteil befestigten
Diodenelementes,
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Pig. 3 ist ein Querschnitt durch Fig. 2 längs der Linie 3-3,
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht der Lampenanordnung
vor dem Einbau in die Hülle.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung entsprechend den
Abbildungen umfaßt ein lichtaussendendes Festkörper-Diodenelement 11, das auf einem metallischen Halteteil oder Tragteil
befestigt ist. Das Teil 12 ist mit einer Vertiefung 13 versehen, welche polierte, geneigt verlaufende Seitenwände 14 besitzt.
Am Boden der Vertiefung 13 ist eine konzentrische Vertiefung 16 vorgesehen. Die Diode 11 ist eben und quadratisch,
wobei die Kantenlängen des Quadrates etwa gleich dem Innendurchmesser der Vertiefung 16 sind. Die Diode 11 ist so auf
dem Halteteil 12 in dem vertieften Bereich 14 über der Vertiefung 16 befestigt, daß die unten liegenden Eckenbereiche der
Diode 11 elektrisch und mechanisch durch Löten oder andere geeignete Mittel mit dem Halteteil 12 verbunden sind. Das Halteteil
12 ist an einem elektrischen Zuleitungsstab 17 befestigt. Ein zweiter elektrischer Zuleitungsstab 18 ist in einem
Abstand von dem Stab 17 angebracht, und eine Verbindungsleitung 19 ist elektrisch mit dem oberen Ende des Stabes 18 und
der Oberseite der Diode 11 verbunden. Das Halteteil 12, die Diode 11, die Anschlußleitung 19 und die oberen Teile der Zuleitungsstäbe
17 und 18 werden durch ein Material 21, wie ein Glas oder einen Kunststoff des Acryltyps oder ein Kunstharz,
eingehüllt, welches optisch das von der Diode 11 erzeugte Licht durchläßt und so geformt ist, daß es eine gewünschte
Fokussierung oder Verformung des Lichtbündels ergibt. Weitere Einzelheiten über eine lichtaussendende Diode 11 können der
US-Patentschrift 3 ^58 779 entnommen werden.
Es ist bekannt, daß der optische Grenzwinkel der lichtaussendenden
Diodenoberfläche erhöht wird und dadurch mehr Licht durch die Oberfläche abgestrahlt wird, wenn die Oberfläche
durch ein Material begrenzt wird, welches einen Brechungs-
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index größer als Luft besitzt. Es wurde gefunden., daß das Metall,
aus dem beispielsweise das Halteteil 12 besteht., auf dem
das Diodenelement 11 befestigt ist und/oder der Kleber oder das Lötmittel zur Befestigung des Diodenelementes an dem Metall
das Licht an der Verbindungsfläche der Diode absorbieren
und siieuen. Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung ist der
größte Teil der unteren Fläche des Diodenelementes 11 durch Luft begrenzt (oder wahlweise durch Stickstoff oder ein anderes
Material mit einem geringen Brechungsindex), und dadurch wird der Grenzwinkel an der unteren Oberfläche verringert und
man erhält eine maximale innere Lichtreflexion an der unteren
Oberfläche und dadurch eine Erhöhung der nutzbaren Lichtleistung an der oberen Fläche und den Seitenflächen des Diodenelementes. Die polierten, geneigt verlaufenden Seitenwände
der Vertiefung 13 reflektieren das an den Seitenflächen des
Diodenelementes austretende Licht nach oben. Dadurch werden
der Wirkungsgrad und die Lichtausgangsleistung der Lampe weiter erhöht. Ein geeigneter Neigungswinkel für die Seitenwände
14 liegt im Bereich von etwa 30 bis 45° bezüglich der vertikalen
Achse.
Das zur Einkapselung verwendete Material 21 besitzt einen relativ
hohen Brechungsindex, und da es in Berührung mit der
oberen Fläche und den Seitenflächen des Diodenelementes 11
steht, erhöht es den optischen Grenzwinkel dieser Oberflächen {(
und vergrößert damit die durch die Oberflächen abgestrahlte Lichtmenge. Der obere Teil der Einkapselung 21 ist in einer
Halbkugelform abgerundet, und das Diodenelement 11 wird an oder zwischen dem Mittelpunkt und dem "Weierstrass1sehen Radius"
der Halbkugel angebracht, um die gewünschte Verteilung der Lichtstrahlung von der Lampe zu erhalten. Das Einkapselungsmittel
21 erfüllt zusätzlich zu den obigen Funktionen noch den Zweck, die Zuleitungsstäbe 17» 18 und-die benachbarten
Bauteil in ihrer gegenseitigen Lage zu halten.
Die Abbildung zeigt die Lampe und ihre Teile zur besseren
Übersichtlichkeit in einem vergrößerten Maßstab. Bei einer
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bevorzugten Größe eines praktischen Teils besitzt beispielsweise die Einkapselung eine Höhe von etwa 6 mm.
Es ist zu beachten, daß die Lampe gemäß der Erfindung neben der erzielten Steigerung des Wirkungsgrades und der Lichtausgangsleistung
einer Pestkörper-Lampe auch noch auf praktische Weise und wirtschaftlich herstellbar ist und die üblicherweise
große kreisförmige Halteplatte zur Befestigung des Diodenelement'es beseitigt.
Aus der vorstehend gegebenen technischen Lehre im Zusammenhang mit der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
kann der Fachmann leicht im Rahmen dieser technischen Lehre liegende weitere Ausführungsformen herleiten.
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Claims (3)
- 2UG2209AnsprücheFestkörper-Lampe, umfassend ein Paar elektrischer Zuleitungen, eine lichtaussendende Diode und ein Befestigungsmittel, an dem eine Fläche der Diode zur Halterung der Diode und zur Herstellung einer elektrischen Verbindung befestigt ist, dadurch gekennzeichnet , daß sie als Halterungsvorrichtung ein Tragteil (12) aus einem elektrisch leitenden Material besitzt, auf dem die lichtausstrahlende Diode (11) in einer solchen Weise befestigt ist, daß ein Hauptteil der Oberfläche der Diode von Luft oder einem anderen Material mit einem niedrigen Brechungsindex begrenzt ist, wodurch der optische Grenzwinkel dieser Oberfläche der Diode auf ein Minimum reduziert wird.
- 2. Festkörper-Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Tragteil (12) aus elektrisch leitendem Material besteht und mit einer Vertiefung (13) versehen ist, die eine Bodenfläche mit einer Vertiefung (16) sowie reflektierende, geneigt verlaufende Seitenwände (1*1) besitzt, welche in Richtung der unteren Oberfläche nach innen zusammenlaufen. „
- 3. Festkörper-Lampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die lichtaussendende Diode (11) im wesentlichen quadratisch ist, die Vertiefung (16) kreisförmig ist und einen geringeren Durchmesser als die Diagonale der lichtaussendenden Diode besitzt und die lichtaussendende Diode (11) nur in der Nähe ihrer Ecken an dem Tragteil (12) befestigt ist.1T. Festkörper-Lampe nach Anspruch 1, dadurch- gekennzeichnet , daß der erste Zuleitungsstab (18) mit einem Punkt auf der Diode (11), der zweite Zuleitungsstab (17) mit dem Tragteil (12) verbunden ist und ein Einkapselungsmittel (21) so angeordnet ist, daß es die10 9828/1285lichtaussendende Diode (11), den Tragteil (12), die Anschlußleitung (19) und Teile der elektrischen Zuleitungsstäbe (17, 18) einhüllt und in ihrer gegenseitigen Lage hält.Pestkörper-Lampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberfläche der Einkapselung (21) oberhalb der oberen Oberfläche der lichtaussendenden Diode (11) im wesentlichen halbkugelförmig zur Beeinflussung der Verteilung des von der Lampe abgestrahlten Lichtes gestaltet ist.109828/1285
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