(12) Oversettelse av europeisk patentskrift

Transkript

1 (12) Oversettelse av europeisk patentskrift (11) NO/EP B1 (19) NO NORGE (51) Int Cl. F21K 99/00 ( ) Patentstyret (21) Oversettelse publisert (80) Dato for Den Europeiske Patentmyndighets publisering av det meddelte patentet (86) Europeisk søknadsnr (86) Europeisk innleveringsdag (87) Den europeiske søknadens Publiseringsdato (30) Prioritet , DE, (84) Utpekte stater AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR (73) Innehaver Lumitech Produktion und Entwicklung GmbH, Technologiepark 10, 8380 Jennesdorf, AT-Østerrike (72) Oppfinner BAUMGARTNER, Erwin, Hohenrainstrasse 93B, A-8042 Graz, AT-Østerrike SCHRANK, Franz, Hilmar Sturm Weg 7, A-8079 Raaba, AT-Østerrike (74) Fullmektig Zacco Norway AS, Postboks 2003 Vika, 0125 OSLO, Norge (54) Benevnelse Led-modul, led-lysmiddel og led-lampe for energieffektiv gjengivelse av hvitt lys (56) Anførte publikasjoner DE-A US-A US-A US-A US-A US-A US-B US-B WO-A-2007/ REGINA MUELLER-MACH ET AL: "High-Power Phosphor-Converted Light-Emitting Diodes Based on III-Nitrides" IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, US, Bd. 8, Nr. 2, 1. März 2002 ( ), XP ISSN: X

2 1 LED-MODUL, LED-LYSMIDDEL OG LED-LAMPE FOR ENERGIEFFEKTIV GJENGIVELSE AV HVITT LYS Teknikkens stand: Mange forskjellige utførelser av EL-lamper hvor det genereres hvitt lys basert på LED-er, er kjent. I det vesentlige er det kjent to forskjellige utførelsestyper. I den første blandes emisjonen av tre monokrome LED-er additivt til hvitt. Som oftest brukes ved dette grunnfargene rød, grønn og blå, ofte betegnet som RGB. Den andre utførelsesformen baserer seg på anvendelsen av konversjonslysstoffer, ofte kort betegnet som fosfor. Ved dette absorberes en del av den primære emisjonen av LED-en (som oftest blå i bølgelengdeområdet på ca. 460nm) av fosforen og emitteres som sekundærstråling i høyere bølgelengde. Emisjonsbølgelengden kan herved variere fra 500 nm (grønn) til 630 nm (rød). Ved anvendelse av en fosfor med emisjon av en komplementærfarge (for blå er dette gul) kan man additivt realisere hvite emisjoner. Slike løsninger er beskrevet i et stort antall patenter, som f.eks. i WO 02/054502A1, DE C2, eller WO2007/ Ulempene med EL-lamper ifølge teknikkens stand er ved RGB-utførelsene emisjonsfargens temperaturavhengighet, fordi de enkelte LED-ene har forskjellige temperaturkoeffisienter og også forskjellig adferd over deres levetid. Dette kan kompenseres ved en tilsvarende kostbar styring eller regulering, som f.eks. beskrevet i DE T2. 30 En ytterligere essensiell ulempe med RGB-løsninger er den lave fargegjengivelsen. Ved kombinasjon av LED-ene oppgitt i tab. 01 oppnås en Ra8-verdi på 22. Spektrumet er vist i fig. 01. Abscissen viser bølgelengden i nm - ordinatene viser intensiteten. Tab. 01: RGB LED-er Lysfarge x y Dom. bølgel. (nm) blå 0,1442 0, ,9 grønn 0,1983 0, ,7

3 2 Lysfarge x y Dom. bølgel. (nm) rød 0,7000 0, ,4 5 Ved tilføyelse av amber-led-er kan fargegjengivelsen økes. Ved kombinasjon av LED-ene oppgitt i tab. 02 oppnås en Ra8-verdi på 82. Det respektive spektrumet er vist i fig. 2. Ved denne ekstra LED-en øker derimot innsatsen som er nødvendig for styring eller regulering. Tab. 02: RGBA LED-er Lysfarge x y Dom. bølgel. (nm) blå 0,1442 0, ,9 grønn 0,1983 0, ,7 amber 0,6010 0, ,0 rød 0,7000 0, ,4 10 Ved utførelsen "blå LED pluss fosfor" kan det deles inn i 2 grupper - gruppen med LED-løsninger som emitterer kaldt lys (f.eks.: 6500K) og gruppen som emitterer varmt lys (f.eks.: 3000K). 15 Ved utførelser med fargetemperatur på 6500K er effektiviteten høy, men løsningen har en utilstrekkelig fargegjengivelse på ca. Ra8= Denne utførelsesformen kan således bare betinget brukes for generell belysning Med utførelsen fargetemperatur 3000K kan en Ra8>90 oppnås. En betydelig ulempe med denne løsningen er at fosforemisjonen foregår over et relativt vidt bølgelengdeområde (stor halvverdibredde). Den med fosfor genererte radiometriske energien (strålingseffekt) emitteres i bølgelengdeområdet fra 520 til 800nm. Kurven V(lambda) for øyets lysømfintlighet vurderer denne energien ved bølgelengder fra 650nm som bare svært lav. Derfor sløses det unødvendig med energi. Disse sammenhenger beskrives nærmere ved hjelp av figurer og tabeller.

4 3 Kort beskrivelse av figurene: Fig. 01: Teknikkens stand, spektrum RGB-løsning 3000K Fig. 02: Teknikkens stand, spektrum RGBA-løsning 3000K 5 Fig. 03: Teknikkens stand, spektrum fosforløsning 3000K og V(lambda) Fig. 04: Teknikkens stand, sammenligning av kumulert strålingseffekt med kumulert lysstrøm Fig. 05: CIE 1931 normtavle 10 Fig. 06: Emisjon av fosforer med forskjellig peakbølgelengde, fremstilt i CIE 1931 fargerom Fig. 07: Reduksjon av strålingseffekt med økende konsentrasjon av fosforene Fig. 08: Fosforenes effektivitet i lumen per watt som funksjon av konsentrasjonen (fremstilt er den stigende x-aksen av CIE 1931-koordinatene); for lettere sammenlignbarhet er verdiene normert til den blå LED-en (= 1) 15 Fig. 09: Eksempel på en fargeblanding av LED-er fra gruppe P og av LED-er fra gruppe R i CIE 1931-fargerommet Fig. 10: Eksempel på en fargeblanding av LED-er fra gruppe P og av LED-er fra gruppe R, fremstilt som spektrum; lyshetsømfintlighetskurven V(lambda) er også tegnet inn 20 Fig. 11: Sammenligning av den kumulerte strålingseffekten med den kumulerte lysstrømmen av forsøkslampen i henhold til fig. 09 Fig. 12: Eksempel på en fargeblanding av LED-er fra gruppe P, av LED-er fra gruppe B og av LED-er fra gruppe R i CIE 1931-fargerommet 25 Fig. 13: Eksempel på en LED-modul i henhold til eksempelet fra fig. 12, hvorved effekten til LED-ene fra gruppe B og LED-ene fra gruppe R imidlertid kan reguleres og styres. Således kan alle tre fremstilte spektraene realiseres med en modul Fig. 14: Koplingsskjema for fire LED-er i serie Fig. 15: Koplingsskjema for fire LED-er, to grupper separat styr- og regulerbare 30 Fig. 16: Koplingsskjema for seks LED-er, tre grupper separat styr- og regulerbare

5 4 Fig. 17: Fremstilling av en LED-modul med 18 LED-er; tre grupper separat styrog regulerbare Fig. 18: Fremstilling av et LED-lysmiddel med standard sokkel E27 5 Fig. 19: Fremstilling av en LED-lampe med reflektor; det kan brukes en LEDmodul eller flere Fig. 20: skjematisk fremstilling av en LED-modul med LED-er fra gruppe B og LED-er fra gruppe R under et felles fosforelement For å generere varmhvitt lys ( K) må også røde fosforer anvendes. Et respektivt 3000K-spektrum er vist i fig. 3. Abscissen i fig. 3 viser bølgelengden i nm - ordinatene viser intensiteten normert til 1. Også inneholdt i fig. 3 er kurven for øyets lyshetsømfintlighet V(lambda). Viktig er betraktningen av flateområdet xx fra 600 nanometer. Dette flateområdet xx resulterer mellom det fallende kurvegrenet av V(lambda)-kurven og spektrumet. 20 I dette området vurderes strålingseffekten ved V(lambda) som svært dårlig. Det betyr at man trenger relativt mye energi for å generere lite lys. Grunnen for dette er at fosforene emitterer i et bredt spektrum. Tab. 03: Trinn på 10nm - kumulert, radiometrisk energi (strålingseffekt) i % og tilhørende kumulerte lumen i % min. nm maks. nm 3000K-mW 3000K-Im ,01% 0,00 % ,02 % 0,00 % ,03 % 0,00 % ,04 % 0,00 % ,08 % 0,00 % ,28 % 0,01 % ,48 % 0,09 % ,59 % 0,43 % ,19 % 0,86 %

6 5 min. nm maks. nm 3000K-mW 3000K-Im ,97 % 1,30 % ,23 % 1,78 % ,49 % 2,52 % ,13 % 4,02 % ,42 % 7,11 % ,34 % 12,23 % ,79 % 19,23 % ,67 % 27,71 % ,98 % 37,36 % ,73 % 47,77 % ,90 % 58,38 % ,42 % 68,53 % ,16 % 77,55 % ,93 % 84,98 % ,56 % 90,65 % ,91 % 94,61 % ,84 % 97,10 % ,31 % 98,56 % ,27 % 99,33 % ,71 % 99,70 % ,69 % 99,87 % ,23 % 99,95 % ,37 % 99,98 % ,16 % 99,99 % ,64 % 100,00 % ,87 % 100,00 % ,89 % 100,00 %

7 6 min. nm maks. nm 3000K-mW 3000K-Im ,72 % 100,00 % ,40 % 100,00 % ,96 % 100,00 % ,00 % 100,00 % 5 Med 80 % av den radiometriske energien (strålingseffekt) genereres 99 % av lysstrømmen. 20 % av den radiometriske energien (fra ca. 650 nm) genererer kun 1 % av lysstrømmen. Fig.4 viser denne sammenhengen grafisk. Abscissen i fig.4 viser bølgelengden i nm - ordinaten viser den kumulerte strålingseffekten og den kumulerte lysstrømmen i %. 10 Alle fosforkonversjonsløsninger genererer, forårsaket av den brede emisjonen av røde fosforer og de røde fosforenes lave effektivitet (fig. 08), strålingseffekt som vurderes dårlig av V(lambda). 20 % av strålingseffekten er nødvendig for å generere 1 % av lyset I tillegg til de ovenfor beskrevne utførelsesformer er også blandingsformer kjent. Eksempelvis nevnes her DE A1 der det ved behov kan reguleres en monokromatisk rød LED i tillegg til en hvitt emitterende LED (med fosfor). Slik realiseres en undervannslampe, hvorved lampens bruker kan utligne forskjellige rekkevidder av enkelte spektralfarger betinget av en bølgelengdeavhengig absorpsjon i visse områder. I DE B3 beskrives en konstruksjon der det i tillegg til hvite LED-er (blå pluss fosfor) også kan anvendes de fire fargene cyan, grønn, gul og rød. På denne måte oppnås det en svært god fargegjengivelse, men ingen forbedring av effektiviteten. 25 I DE U1 beskrives kombinasjonen av en hvit LED med gul. Det vesentlige trekket er at den blå andelen skal kompenseres med gul. Åpenbart anvendes et kaldthvitt med en høy blåandel, noe som ikke i noe tilfelle muliggjør en realisering av et LED-lysmiddel med høy effektivitet. 30 DE U 1 beskriver lamper for bioreaktorer, hvorved det brukes om mulig det bølgelengdeområdet for fototrope cellekulturer som denne cellekulturen trives best i, de enkelte spektralområder kan også styres enkeltvis.

8 7 I DE U1 beskrives en gatelykt, hvorved hovedandelen i den spektrale emisjonen ligger i området grønn, men også rød, amber, blå og hvit anvendes. 5 Som ulemper ifølge teknikkens stand kan det nevnes utilstrekkelig fargegjengivelse, ineffektiv utnyttelse av den radiometriske energien (strålingseffekt) samt en teknisk kompleks konstruksjon. 10 Formålet med den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe en LED-modul for LED-lysmiddel og LED-lamper, som har høyest mulig effektivitet og høy fargegjengivelse og samtidig ikke ulempene fra kjente løsninger. 15 For oppnåelsen av det angitte formålet er oppfinnelsen karakterisert ved den tekniske læren ifølge krav 1. LED-modulen ifølge oppfinnelsen forener fordelene ved fosforbaserende LEDløsninger med fordelene ved RGB-løsninger. Definisjoner: 20 CIE 1931: CIE-normvalenssystem eller CIE-normfargesystem er definisjonen av den Internasjonale Belysningskomisjonen (CIE - Commission internationale de l'éclairage), der fargene fremstilles basert på det menneskelige fargeoppfatningsapparatet. Denne fremstillingen tillater å fremstille et fargelocus (tysk: Farbort) med 2 koordinater. Fig. 5 viser CIE 1931-diagrammet. Abscissen viser x-verdien av CIE 1931-diagrammet - ordinaten γ-verdien av CIE diagrammet. Det hesteskoformede området av mulige farger er ved CIE-normfargetavlen lagt inn i et koordinatsystem fra hvilket x- og γ-andel (av de CIE-normerte teoretiske grunnfarger X, Y og Z, (også kalt CIE XYZ-fargelocus) av en vilkårlig farge A, B, C, E kan leses av direkte. Gjennom grunnbetingelsen x + y + z = 1 kan z- andelen i hvert tilfelle bestemmes kalkulatorisk (z = 1 - x - y). Alle mulige farger er innfattet av spektralfargelinjen (spektralt rene farger) samt purpurlinjen.

9 Sentralt referansepunkt i tavlen er hvitpunktet A (ca K) som er vesentlig i hver fargemålesituasjon. Avhengig av belysningssituasjonen kan dette befinne seg praktisk talt overalt innenfor hesteskoen, teknisk av betydning er derimot kun Black-Body-kurven i dens forløp fargene A, B, C, D, E oppgis som temperatur av en ideal stråler (sort legeme) i kelvin. Utover det brukte fargerommet kan spektralfargen som tilsvarer den spesielle situasjonen, leses av fra spektralfargelinjen. På den nøyaktig motsatte siden av A, B, C, D, E kan komplementærfargene leses av fra en forlenget linje. Punktet viser hvorved den ytterste (reneste) komplementærfargen som i dette tilfellet defineres ved snittet med purpurlinjen. Punktene A, B, C, D, E som er oppgitt i figur 5, refererer til følgende forklaring: Opprinnelig ble CIE-normvalenssystem fremfor alt utviklet med tanke på belysningsspørsmål. Systemet tillater prinsipielt enhver tenkbar kombinasjon av X-, Y- og Z-verdier, for enkelthetens og sammenlignbarhetens skyld ble det likevel definert bestemte normlysfarger som alle mer eller mindre befinner seg på black-body-kurven og tilsvarer en bestemt fargetemperatur. Tabell 3A: Normbelysninger ifølge CIE CIEnormbelysning CIEnormbelysning A CIEnormbelysning B CIEnormbelysning C x-verdi γ-verdi Bemerkning 0,4476 0,4074 Lysspektrum lignende en glødelampe 0,3484 0,3516-0,3101 0,3162 Hvitpunkt av NTSC-TV-normen CIEnormbelysning E 1/3 1/3 Hvitpunkt av CIE-RGB-fargerommet; X, Y og Z med eksakt like andeler D5000 hhv. D50 0,3457 0,3585 Hvitpunkt for Wide-Gamut-RGB og Color- Match-RGB D5500 hhv. D55 0,3324 0,3474 Lysspektrum lignende gjennomsnittlig

10 9 CIEnormbelysning x-verdi γ-verdi Bemerkning dagslys, spektrum lignende et sort legeme ved 5500 kelvin D6500 hhv. D65 0, , Hvitpunkt for srgb, Adobe-RGB og PAUSECAM-TV-normen, spektrum lignende et sort legeme ved 6504 kelvin D7500 hhv. D75 0,2990 0,3149 D9300 0,2848 0,2932 Spektrum lignende et sort legeme ved 7500 kelvin Spektrum lignende et sort legeme ved 9300 kelvin 5 Standardfargetemperaturer: 10 Standardiserte farger med følgende fargetemperaturer kan vises med x,ykoordinater som følger Tabell 4: CIE 1931-koordinater av standardfargetemperaturer Farge x-cie 1931 y-cie K 0,313 0, K 0, 346 0, K 0,380 0, K 0,409 0, K 0,440 0, K 0,463 0,420 Fosforer:

11 Med dette menes generelt lysstoffer som absorberer strålingen av en bestemt bølgelengde og sender ut (emitterer) stråling med en annen bølgelengde. Den emitterte strålingen har som regel en større bølgelengde. Eksitering av fosforen foregår herved i UV-området eller også i det synlige området. Tilgjengelige fosforer eksiteres som oftest i vide bølgelengdeområder, man snakker av eksiteringsspektra. Også emisjonen foregår ikke ved én bølgelengde, men også over et bestemt bølgelengdeområde. Derfor oppgis alltid flere parametere for karaktisering av fosforene, som peakbølgelengde, dominant bølgelengde, halvverdibredde (område i nm ved en intensitet av 50 % av maksimumet) eller fargelocus i CIE(1931)-fargerommet. Emisjonsbølgelengden bestemmer fargen på det utsendte lyset. Kvanteutbyttet angir hvilke andeler av den absorberte strålingen emitteres igjen For genereringen av hvitt lys med LED-er er fremfor alt slike typer interessant som absorberer en primær stråling med en dominant bølgelengde på ca. 460 nm og emitterer lys i bølgelengdeområdet på 500 til 630 nm peakbølgelengde. Slike løsninger er beskrevet i et stort antall patenter, eksempelvis henvises her til de allerede tidligere siterte patentene WO02/054502A1 eller DE C2. Eksempelvis er det i tabell 5 fremstillt fosforer: Tabell 5: Peakbølgelengder og CIE 1931-koordinater av fosforer Fosforbetegnelse Peakbølgelengde [nm] CIE 1931 x CIE 1931 y P ,342 0,608 P ,448 0,538 P ,568 0,430 P-YAG 559 0,451 0, Fosforene som er nevnt ovenfor, er standard typer som er kommersielt tilgjengelig i produksjonsmengder. Vesentlig for fordelaktig anvendelse er peakbølgelengden og fargelocuset i CIE-fargerommet 30 Fig.06 viser eksempelvis fargeblandingen av blå LED-er med fosforer. Abscissen i fig. 6 viser x-koordinaten - ordinaten viser γ-koordinaten av CIE 1931-

12 11 diagrammet. Avhengig av fosforens eller fosforblandingens konsentrasjon kan hver punkt på linjen mellom den blå LED-en og fosforen (eller blandingen) innstilles. 5 Effektivitet: I tillegg til de ovenfor beskrevne prosessene av absorpsjon og emisjon opptrer det ved anvendelsen av fosforene også alltid lysspredning og refleksjon. Disse to prosessene fører til en reduksjon av lysutbyttet. Hvis det anordnes fosforelementer med økende konsentrasjon av fosforen over en LED med dominant bølgelengde på ca. 460 nm, kan det ved målinger av strålingseffekten [i watt] umiddelbart påvises at tapene øker med fosforens konsentrasjon. Fig.07 tydeliggjør denne sammenhengen. Abscissen i fig. 7 viser x-koordinaten av CIE 1931-diagrammet og ordinaten viser strålingseffekt i mw. Her blir det tydelig at strålingseffekten avtar tydelig ved økende konsentrasjon av fosforen. Denne sammenhengen gjelder for alle fosforer som for tiden er kjente og som er tilgjengelig for målinger. 25 For anvendelse som lyskilde er det imidlertid nødvendig med en vekting i henhold til øyets ømfintlighet (V-lambda). Hvis man gjennomfører denne vektingen og så betrakter lysintensiteten (i lumen) som funksjon av fosforkonsentrasjonen, stiger intensiteten først, gjennomløper et maksimum og avtar deretter igjen. Det betyr at tapene dominerer fra en viss mengde fosfor. Fig. 08 tydeliggjør denne sammenhengen. 30 Abscissen i fig. 8 viser x-koordinaten av CIE 1931-diagrammet og ordinaten viser effektiviteten (Im/W) som er normert til den blå LED-en. 35 Dette betyr for lyskildens effektivitet at det for hver anvendte fosfortype finnes et maksimum av effektivitet, oppgitt i lumen/watt. Figur 08 viser at fosforen P- 535 har den maksimale effektiviteten ved CIE 1931 x-koordinat x ca. 0,31.

13 12 5 Figur 08 viser også at fosforen P-565 har den maksimale effektiviteten ved CIE 1931 x-koordinat x ca. 0,41. Figur 08 viser videre at fosforen P-610 har den maksimale effektiviteten ved CIE 1931 x-koordinat over et verdiområde fra x ca. 0,39 til x ca. 0,56. Videre viser fig. 8 at fosforer har forskjellige effektivitetsmaksimumer. Fosfor P-535 er mer effektiv enn P Oppfinnelsen bruker erkjennelsen om kun å drive et LED-lysmiddel slik at hver av fosforene som emitterer stråling, drives i sitt effektivitetsmaksimum (eller i et område rund maksimumet). Det er riktignok foretrukket å gjennomføre driften i maksimumet selv. Oppfinnelsen omfatter imidlertid også en driftsmåte i et område fra inntil minus 20 % av maksimumet til den gjeldende fosforen eller de gjeldende fosforblandingene. Man innstiller altså en fargeverdi som tilsvarer dette maksimumet eller som ligger nær det. Gruppe B: 20 Gruppe B er en lysdiode eller flere lysdioder med en dominant bølgelengde i verdiområdet mellom 380nm-480nm. Likeså kan gruppe B dannes av flere lysdioder med forskjellige dominante bølgelengder i verdiområdet mellom 380nm-480nm. Gruppe G: 25 Gruppe B er en lysdiode eller flere lysdioder med en dominant bølgelengde i verdiområdet mellom 500nm-560nm. Likeså kan gruppe G dannes av flere lysdioder med forskjellige dominante bølgelengder i verdiområdet mellom 500nm-560nm. 30 Gruppe R: 35 Gruppe R er en lysdiode eller flere lysdioder med en dominant bølgelengde i verdiområdet mellom 600nm-640nm. Likeså kan gruppe R dannes av flere lysdioder med forskjellige dominante bølgelengder i verdiområdet mellom 600nm-640nm.

14 13 Gruppe P: 5 Gruppe P er en lysdiode eller flere lysdioder, hvorved lysdiodene fra gruppe B eksiterer fosforer. Konsentrasjonen av fosforer/fosforblandinger velges slik at den fotometriske effektiviteten (Im/W) ligger på maksimumet eller nær maksimumet. Oppfinnelse 10 Løsningsansatsen ifølge oppfinnelsen benytter fosforenes (gruppe P) effektivtet som oppnås i området av maksimumet av effektiviteten (Im/W)), for å generere hvitt lys fra denne Fig. 09 viser denne fargeblandingen i CIE Her genereres varmhvitt lys av fargetemperaturen 3000K ved fargeblanding av LED-er fra gruppe P og gruppe R. Fargeblandingens spektrum er vist i fig.10. Abscissen i fig. 10 viser bølgelengden i nm - ordinaten viser intensiteten i mw. Videre er V(lambda)- kurven vist i fig. 10. Denne blandingen av LED-er fra gruppe P med LED-er fra gruppe R utgjør en optimal energibalanse mellom strålingseffekt og fotometrisk effektivitet (Im/W). Fargegjengivelsen Ra8 er 91. Denne optimale energibalansen ifølge oppfinnelsen oppstår ved utnyttelse av den høyeste effektiviteten av fosforene (gruppe P) kombinert med reduksjonen av flaten xx ved det fallende kurvegrenet av V(lambda)-kurven (utnyttelse av gruppe R). Det skraverte området viser den i forhold til teknikkens stand (fig. 3) sterkt minimerte flaten xx i fig. 10. Med denne minimerte flaten xx i fig. 10 oppnås den vesentlige fordelen av oppfinnelsen i forhold til teknikkens stand Løsningene ifølge teknikkens stand prøver ved hjelp av fargekonversjon (fosforer) å treffe plankkurven nøyaktig. Opfinnelsen avviker bevist fra denne veien og utnytter eksempelvis fosforens (gruppe P)maksimale effektivitet i forbindelse med den lave halverdibredden til LED-ene fra gruppene B og R. I områdene av lav vekting ved V(lambda)-kurven er en lav halvverdibredde nemlig av fordel

15 14 5 Tilsvarende måleverdier fra et forsøksmønster kan finnes i tabell 6 og fig. 11. Ved blanding av LED-er fra gruppe R med LED-er fra gruppe P oppstår det hvitt lys. Det herved genererte spektrumet vises i fig. 10. Tab. 06: Trinn på 10nm - kumulert radiometrisk energi (strålingseffekt) i % og tilsvarende kumulerte lumen i % min. maks. 3000K oppfinnelse-mw 3000K oppfinnelse-im ,01 % 0,00 % ,02 % 0,00 % ,03 % 0,00 % ,06 % 0,00 % ,13 % 0,00 % ,50 % 0,01 % ,14 % 0,11 % ,94 % 0,45 % ,27 % 0,90 % ,51 % 1,36 % ,92 % 1,80 % ,05 % 2,34 % ,50 % 3,44 % ,82 % 6,03 % ,28 % 11,04 % ,89 % 18,75 % ,40 % 28,67 % ,43 % 39,80 % ,57 % 50,89 % ,47 % 60,88 % ,98 % 69,24 % ,18 % 75,98 %

16 15 min. maks. 3000K oppfinnelse-mw 3000K oppfinnelse-im ,86 % 81,98 % ,59 % 89,12 % ,24 % 96,87 % ,27 % 99,04 % ,40 % 99,62 % ,80 % 99,85 % ,84 % 99,94 % ,63 % 99,98 % ,24 % 99,99 % ,70 % 100,00 % ,05 % 100,00 % ,31 % 100,00 % , 51 % 100,00 % ,67 % 100,00 % ,78 % 100,00 % ,87 % 100,00 % ,94 % 100,00 % ,00 % 100,00 % 5 Fig. 11 viser denne sammenhengen grafisk. Abscissen i fig. 11 viser bølgelengden i nm - ordinaten viser den kumulerte strålingseffekten eller den kumulerte lysstrømmen i %. 92 % av strålingseffekten genererer 99 % av lysstrømmen. 8 % av den radiometriske energien (fra 650nm) genererer 1 % av lysstrømmen (se fig. 11). 10 Med utførelsen ifølge oppfinnelsen blir det muliggjort at en LED-modul, et LEDlysmiddel eller en LED-lampe har både en enestående effektivitet og en svært god fargegjengivelse. Sammenlignet med en løsning som kun er basert på fosfor

17 16 er effektiviteten (ved sammenlignbar fargeverdigjengivelse) forbedret med minst 20 %. I et realisert eksempel som ble bygd opp og kontrollert, ble det oppnådd en energiinnsparing på 25 % En ytterligere essensiell fordel med denne løsningen er at ved å tilføye LED-er fra gruppe B (blå LED-er) kan fargetemperaturen reguleres eller styres trinnløst på en svært enkel måte. Dermed spennes det opp et fargerom som ligger mellom hjørnepunktene til hver av gruppene (gruppe B, gruppe P, gruppe R), og dermed kan alle fargene innenfor dette fargerommet avbildes. Fig. 12 viser fargerommet som er spennt opp av de 3 gruppene. 15 Spesielt kan det dermed genereres hvitt lys langs planckkurven på en svært effektiv måte og med høy fargegjengivelse. Tilsvarende måleverdier fra et forsøksmønster viser at fargetemperaturen er styr- eller regulerbar mellom 2500 og 8000K, og at fargegjengivelsen Ra8 ligger ved ca. 90 over hele fargetemperaturområdet Innstillingen av en fargetemperatur, f.eks. 4200K, foregår på den måten at med utgangspunkt i fargelocuset for gruppe P økes intensiteten til gruppe B inntil det ønskede blandingsfargelocuset genereres på den rette linjen mellom punktene for gruppe P og gruppe B. Intensiteten til gruppe R må økes inntil målfargelocuset (f.eks.: 4200K) på planckkurven oppnås. Fig. 12 viser blandingen av de 3 gruppene til målfargelocuset 4200K. Fig. 13 viser spektrene til fargelocusene 2800K, 4200K og 6500K. En foretrukket utforming av LED-modulen er en LED-modul ifølge oppfinnelsen på COB (Chip on Board)-basis. 30 En ytterligere fordelaktig utførelse av en LED-modul er karakterisert ved at LEDene fra gruppe P og LED-ene fra gruppe R er anordnet under et felles fargekonversjonslag. 35 I en ytterligere fordelaktig utforming baserer LED-modulen ifølge oppfinnelsen seg på SMD-LED-komponenter. I figur 14 er det som første utførelseseksempel vist en seriekopling av flere LEDer for oppnåelse av fargelocuset.

18 17 Det dannes 3 stykker LED-er fra gruppe P med én LED fra gruppe R som LEDmodul. 5 Antallet valgte LED-er er avhengig av de enkelte LED-enes ytelse. Antallet LEDer og deres forhold til hverandre kan derfor ikke forstås på en begrensende måte. Forholdet kunne også vært 2 : 1 eller 4 : 2 eller lignende. 10 Figur 15 viser som forandret utførelseseksempel at LED-ene fra gruppe P kan styres separat fra LED-ene fra gruppe R. Slik er en mer nøyaktig regulering mulig. Planckkurven for det respektive fargelocuset kan treffes enda mer nøyaktig. 15 Fig. 16 viser et koplingsskjema med 6 LED-er, igjen separat regulerbare. I tillegg til LED-ene fra gruppe P og gruppe R anvendes LED-er fra gruppe B. Med denne utførelsen kan fargetemperaturen innstilles i området fra 2500K til 8000K. 20 Figur 17 viser en COB LED-modul med 18 LED-er inkl. stikkobling. Fargetemperaturen kan styres eller reguleres mellom 2500K-8000K. Den viste modulen har nå en effektivitet på 601m/W over hele reguleringsområdet samt en RA8-verdi på over I fig. 18 er en LED-modul ifølge oppfinnelsen og den tilhørende elektronikken bygd inn i et hus, hvorved den elektriske tilkoblingen og formen og dimensjonene velges slik at et normert standardlysmiddel kan erstattes. Spesielt normerte glødelamper, normerte halogenglødelamper eller normerte fluorescenslamper og kompakte fluorescenslamper. Slike normerte lamper kan spesielt være definert ifølge en av standardene E** (spesielt E27), G*, GU*, M*, B* eller T*. LED-modulen ifølge oppfinnelsen kan alstå, innbygget i standardlysmidler, med suksess erstatte en glødelampe osv. ifølge en av disse standardene. 35 Et LED-lysmiddel ifølge figur 18 har nå et eksemplarisk effektopptak fra 8 til 10 watt elektrisk effekt og en lyseffekt i området fra 500 og 600 lumen. Det betyr at de 10 watt som blir tatt opp her, samsvarer med tanke på lyseffekten omtrent

19 18 5 effekten av en 60 watt-glødelampe. Med varianten som er beskrevet i figur 18 spares det ca. 80 % av energien. I figur 19 er et LED-lysmiddel utstyrt med en eller flere av de tidligere beskrevne LED-modulene. Tildekningen tjener som støvbeskyttelse og/eller som diffusor. Kjølelegemet har kjøleribber som sikrer en gunstig varmebortledning. 10 Fig. 19 viser en LED-modul ifølge oppfinnelsen, bygd inn i en lampe. Der er LEDmodulen bygd inn i en reflektor som har kjølelegemer anordnet ved sin bunnflate. Gjennom reflektorens vinkel er avstrålingskarakteristikken konsentrert i et sentralt midtområde. Dette er et eksempel for å vise at LEDmodulen også kan bygges inn i en lampe og ikke bare brukes som lysmiddel. 15 Fig. 20 viser skjematisk en LED-modul med LED-er fra gruppe B og LED-er fra gruppe R under et felles fosforelement. Denne utførelsen er spesielt fordelaktig med tanke på blandingen av de spektrale andelene, og anvendelsen av et diffusorelement kan falle bort. 20 Det integrerte lysmiddelet som er vist her, forener på svært lite rom LED-er fra gruppe P og LED-er fra gruppe R på et felles substrat. De er elektrisk konduktivt kontaktert på substratet. 25 LED-ene fra gruppe B eksiterer fosforen til å stråle, som så avgir sin konversjonsstråling utover. Siden fosforen ikke påvirker strålingen av LED-ene fra gruppe R, oppstår på overflaten av det tildekkende fosforelementet det ønskede hvite lysinntrykket av den additive blandingen av stråling fra gruppe P og gruppe R. 30 Sammenfattende gjengis de vesentlige trekkene ved oppfinnelsen i form av en kort oppramsing: LED-modul med optimal energibalanse - effektivitet LED-modul med Ra8 85, typ LED-modul bygd opp i COB-teknologi eller SMD-teknologi LED-er fra forskjellige grupper under ett fosforelement LED-modul ifølge oppfinnelsen for LED-lysmiddel med standard sokkel (f.eks.: E27)

20 19 Lamper med LED-moduler ifølge oppfinnelsen med reflektor Lamper med LED-moduler ifølge oppfinnelsen med linser LED-moduler med styr- og regulerbar fargetemperatur LED-modulen ifølge oppfinnelsen genererer på svært effektivt måte hvitt lys av høy kvalitet (Ra8>85). Derfor kan denne LED-modulen foretrukket brukes for anvendelser i generell belysning, butikkbelysning, kontorbelysning, museumsbelysning, medisinteknikk, industribelysning osv. Den styr- og regulerbare fargetemperaturen tillater en trinnløs endring av S/Pforholdet (skotopisk/fotopisk). Dermed kan denne LED-modulen fordelaktig brukes i veibelysningen. Ved den trinnløse endringen av fargetemperaturen tas det hensyn til behovene til det menneskelige øyet ved demringssynet (mesopisk). Tabell 07: S/P-forhold av mønstrene i henhold til fig. 13 Fargetemperatur S/P-forhold 2800K 1,4 4200K 1,8 6500K 2,3 20

21 20 P a t e n t k r a v 1. LED-modul bestående av 5 (a) minst én LED fra en gruppe P av LED-er, som omfatter én eller flere LED-er som eksiterer fosforer eller fosforblandinger, fra en gruppe B av LED-er, hvorved gruppen B av LED-er omfatter én eller flere LED-er med en dominant bølgelengde i området fra 380 nm til 480 nm, og (b) minst én LED fra en gruppe R av LED-er, hvorved gruppen R av LED-er har én eller flere LED-er, hver med en dominant bølgelengde i området fra 600 nm til 640 nm, og/eller 10 (c) minst én LED fra gruppen B og/eller (d) minst én LED fra gruppen G, hvorved gruppen G av LED-er har én eller flere LED-er, hver med en dominant bølgelengde i området fra 500 nm til 560 nm, (e) hvorved strålingene til den minst ene LED-en fra gruppen P og den minst ene ytterligere LED-en er blandet additivt, 15 karakterisert ved (f) at fosforens eller fosforblandingens konsentrasjon av den minst ene LED-en fra gruppen P er valgt slik at dens fotometriske effektivitet målt i Im/W avhengig av CIE x-koordinaten ligger i maksimumet eller ikke mer enn 20 % under maksimumet, og 20 (g) at den minst ene LED-en fra gruppen P og den minst ene ytterligere LED-en er utformet og styrbar slik (i) at hvitt lys genereres og det hvite lysets fargelocus ligger på eller nær planckkurven, og (ii) at fargegjengivelsen Ra8 er minst LED-modul ifølge krav 1, karakterisert ved at LED-modulen består utelukkende av LED-er fra gruppen P og gruppen R, og at det genererte hvite lyset har en fast fargetemperatur i området mellom 2500 K og 8000 K LED-modul ifølge krav 1, karakterisert ved at LED-modulen består utelukkende av LED-er fra gruppen P og gruppen B og at det genererte hvite lyset har en fast fargetemperatur i området mellom 5000 K og 8000 K.

22 LED-modul ifølge krav 1, karakterisert ved at LED-modulen består utelukkende av LED-er fra gruppen P og gruppen G, at fosforen i LED-ene fra gruppen P har en peakbølgelengde i verdiområdet mellom nm og at det genererte hvite lyset har en fast fargetemperatur i området mellom 2500 K og 8000 K LED-modul ifølge krav 1, karakterisert ved at LED-modulen består av LEDer fra gruppen P og gruppen R og gruppen B og er styr- eller regulerbar på en slik måte at det genererte hvite lysets fargetemperatur kan innstilles trinnløst innenfor i det minste et delområde av det området til planckkurven som befinner seg innenfor fargerommet som spennes opp av fargelocusene til LED-ene fra gruppen P, gruppen R og gruppen B LED-modul ifølge krav 5, karakterisert ved at LED-modulen er styr- eller regulerbar på en slik måte at det genererte hvite lysets fargetemperatur kan innstilles trinnløst i området fra 2500 til 8000 K LED-modul ifølge et av kravene 1, 2, 5 eller 6, karakterisert ved at LED-er fra gruppe B og LED-er fra gruppen R er anordnet under et felles fargekonversjonslag LED-modul ifølge krav 1, karakterisert ved at LED-modulen består av LEDer fra gruppen P og gruppen G og gruppen B og er styr- og regulerbar på en slik måte at det genererte hvite lysets fargetemperatur kan innstilles trinnløst innenfor i det minste et delområdet av det området til planckkurven som befinner seg innenfor fargerommet som spennes opp av fargelocusene til LEDene fra gruppen P, gruppen G og gruppen B, hvorved fosforen til gruppen P har en peakbølgelengde i verdiområdet mellom nm LED-modul ifølge krav 8, karakterisert ved at LED-modulen er styr- eller regulerbar på en slik måte at det genererte hvite lysets fargetemperatur kan innstilles trinnløst i området fra 2500 til 8000 K Standardlysmiddel med en LED-modul ifølge et av kravene 1-9.

23 1

24 2

25 3

26 4

27 5

28 6

29 7

30 8

31 9

32 10

33 11

34 12

35 13

36 14

37 15

38 16

39 17

40 18

41 19

42 20