[0001] Die Erfindung betrifft allgemein eine Leuchte, insbesondere Langfeldleuchte, umfassend
eine mit einem Montagekörper verbindbare Optik umfassend mehrere Einzeloptiken, die
in Einbaulage optisch optimiert im Verhältnis zu LEDs mindestens eines LED-Moduls
angeordnet sind, um eine gewünschte Lichtverteilungskurve für eine Sehaufgabe zu realisieren.
Im Besonderen betrifft die Erfindung somit eine lange Leuchte mit langen LED-Modulen
und langen optischen Systemen.
[0002] Lang im Sinne dieser Erfindung ist eine Leuchte, die länger als 560 bis 600 mm ist;
die Breite ist üblicherweise deutlich geringer mit 150 bis 200 mm. Einzeloptiken sind
mehrere in der Optik vorgesehene Optiken, welche in Einbaulage den einzelnen LEDs
zugeordnet sind und mit diesen, also vorzugsweise angeordnet in der optischen Achse
der LED, eine lichttechnisch hocheffiziente Lichtverteilungskurve zur Realisierung
der jeweiligen Sehaufgabe verwirklichen. Vorzugsweise sind die Einzeloptiken als Kollimatorlinsen
in der Optik ausgebildet.
Stand der Technik
[0003] Bei bisherigen Leuchten werden LED-Module an einem Montagekörper fixiert, welcher
auch zur thermischen Kühlung dient, also als Kühlkörper. Die meist unterschiedliche
Längenausdehnung des optischen Systems, des LED-Moduls, üblicherweise bestehend aus
einem ersten Kunststoff mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem Montagekörper,
üblicherweise bestehend aus Metall oder einem anderen Kunststoff, jedenfalls aber
mit einem von dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten,
möglichst genau abzustimmen, damit auch im Betrieb durch die Erwärmung lichttechnisch
hocheffiziente Leuchten bereitgestellt werden. Dies sind Leuchten, welche eine für
die jeweilige Seh- bzw. Arbeitsaufgabe gewünschte Lichtverteilungskurve (LVK) ohne
durch Erwärmung bedingte Lateralverschiebung der Achsen der Leuchtmittel, insbesondere
einzelner LEDs, zu dem zugehörigen optischen System, vorzugsweise Einzellinsen, besonders
bevorzugt Kollimatorlinsen, auftreten. Die Linsen bzw. das optische System sollen
also an genau der gewünschten Position in Bezug auf das Leuchtmittel, insbesondere
die einzelnen LEDs eines LED Rasters positioniert sein, und zwar unabhängig von unterschiedlichen
Materialpaarungen der eingesetzten Werkstoffe für das optische System und den Montagekörper.
[0004] Angepasst an die derzeitige maximale Länge von LED-Modulen bestehen Optiken mit Einzellinsen
in einer Länge von maximal ca. 600 mm, bei der sich durch eine geeignete, mittige
Positionierung eine Ausdehnung von üblicherweise max. 1mm der Kunststoff-Optik zur
LED-Platine noch relativ gut kompensieren lässt.
[0005] Längere Optiken sind wünschenswert, insbesondere um Kosten für die Montage und Herstellung
von Langfeldleuchten, Lichtbändern und dergleichen zu reduzieren, z.B. mittels Extrudieren.
Bei längeren Optiken besteht jedoch das Problem einer ungenauen Positionierung des
optischen Systems mit mehreren zueinander beabstandeten Einzellinsen zu der optischen
Achse der zugehörigen LEDs auf einer LED-Platine bei Erwärmung. Wärme bewirkt eine
Ausdehnung, insbesondere eine Längenausdehnung der Optik und somit eine Verschiebung
der Linsen aus den mit den optischen Achsen der einzelnen LEDs zusammenfallenden Sollpositionen,
so dass die Lichtverteilungskurven nicht mehr hocheffizient sind und insofern negativ
beeinflusst werden. Daneben wird die insbesondere für Arbeitsplätze relevante Entblendung
zur Vermeidung zu hoher Leuchtdichten oberhalb eines Blickwinkels von 65 Grad im Verhältnis
zur Horizontalen negativ beeinflusst, welche einen direkten Einblick auf einzelne
Leuchtmittel vermeiden soll.
[0006] Um längere Optiken mit einzelnen Linsen, in der Regel bis zu einer Länge von ca.
1500mm mit einfachen Mitteln realisieren zu können, muss eine geeignete Möglichkeit
vorgesehen werden, die Längenausdehnung von Kunststoffoptiken im Verhältnis zu denen
der LEDs zu minimieren bzw. an diese anzupassen.
[0007] DE 10 2010 016 385 A1 beschreibt eine Beleuchtungsanordnung mit einem Kühlkörper, wenigstens einer auf
dem Kühlkörper montierten Leuchtdiode und einer vor der Leuchtdioden montierten entblendenden
Beleuchtungsoptik, wobei die Beleuchtungsoptik einen gerillten, lichtdurchlässigen,
kegelstumpfförmigen oder im Querschnitt im Wesentlichen trapezförmigen Entblendungskörper
umfasst, wobei die Stirnseite des Einblendungskörpers mit geringerem Durchmesser eine
Aussparung aufweist und wobei der Entblendungskörper mit der Aussparung derart vor
der Leuchte angeordnet ist, dass diese außeraxial zur Kegelstumpfachse des Entblendungskörper
angeordnet ist. Dabei können auch mehrere Entblendungskörper linear zu einer Optik
integriert und vor den zugehörigen, auf dem Kühlkörper montierten Leuchtdioden, angebracht
sein. Eine gewisse Verschiebung der Optik gegenüber der Platine durch unterschiedliche
thermische Ausdehnung wird dabei in Kauf genommen.
Technisches Problem (Aufgabe)
[0009] Ausgehend von diesem Stand der Technik befasst sich die Erfindung mit dem technischen
Problem, diese Nachteile zumindest teilweise zu vermeiden und insbesondere eine genaue
Positionierung von den einzelnen LEDs eines LED-Moduls zu den einzelnen optischen
Linsen auch bei langen Leuchten jederzeit zu gewährleisten.
[0010] Die Erfindung befasst sich demnach mit dem Problem, die meist unterschiedlichen Längenausdehnungen
von optischen Systemen, LED-Modulen und Montagekörpern so aufeinander abzustimmen,
dass die Effizienz der Leuchten bei Erwärmung nicht negativ beeinflusst wird. Durch
die Erfindung sollen also lange, lichttechnisch hocheffiziente Leuchten zur Realisierung
der für die Sehaufgabe geforderten Lichtverteilungskurven bei gleichzeitiger Entblendung
bereitgestellt werden.
Erfindung
[0011] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Langfeldleuchte oder einem Lichtbandsystem
im Wesentlichen bereits dadurch gelöst, dass mehrere LED-Module von der Optik aufgenommen
und mit ihr ohne direkte Verbindung mit dem Leuchtengehäuse bzw. dem Montagekörper
verbunden sind. Ferner weist die Optik ein Mehrfaches der Länge eines LED-Moduls auf.
Damit wird eine "schwimmende" Lagerung der LED-Module an dem ansonsten starren Montagekörper
zur Kompensierung bei der Wärmeausdehnung im Betrieb erzielt. Die Erfindung geht insofern
einen gänzlich neuen Weg, weil sie das LED-Modul nunmehr der Optik zuordnet und nicht
mehr dem Montageköper bzw. dem Leuchtengehäuse.
[0012] Erfindungsgemäß ist die LED-Platine des LED-Moduls, also das plattenförmige Trägerelement
mit den an den Anwendungsfall angepasst auf dieser aufgebrachten LEDs, welche sich
kollinear entlang einer gemeinsamen Längsachse erstrecken, nicht mehr einem starren
Gehäuse oder Kühlkörper zugeordnet, sondern der Optik. Die Verbindung wird erfindungsgemäß
also zwischen Optik und LED realisiert. Durch die erfindungsgemäß schwimmende Lagerung
wird gewährleistet, dass die LEDs der LED-Module jederzeit im Verhältnis zur Optik
zentriert sind. Wenn sich die Optik bei Erwärmung ausdehnt, bewegt sich das LED-Modul
mit und die Zentrierung der LEDs zu der jeweiligen Linse ist weiterhin gewährleistet.
[0013] Erfindungsgemäß ist die Optik ausgebildet zur Aufnahme der LED-Module bzw. zur Verbindung
mit diesen. Dieses kann beispielsweise durch Vorsehen von Aufnahmen bzw. Aufnahmeschlitzen
an der Optik erfolgen, die sich in Einbaulage in Längserstreckungsrichtung der Leuchte
erstrecken und in welche die Längsseiten der LED-Platine des LED-Moduls so einschiebbar
oder einschnappbar sind, dass sich die Optik in Einbaulage in Strahlungsrichtung also
in Richtung der optischen Achse der einzelnen LEDs brückenartig über diese LEDs erstreckt,
und zwar dergestalt, dass jederzeit die höchste optische Effizienz erzielt werden
kann.
[0014] Bei der fertigungstechnisch bevorzugten Ausführungsform ist die Optik als einstückiges
Spritzguss- oder Extrusionsspritzgussteil ausgebildet.
[0015] Die optische Effizienz, insbesondere der Reflexionsgrad, kann weiter verbessert werden,
indem die Materialien der Optik und der LED-Module denselben oder einen sehr ähnlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
[0016] Erfindungsgemäß weist die Optik ein Mehrfaches der Länge der LED-Module auf, insbesondere
das 3-fache, so dass also 3 LED-Module in Längserstreckungsrichtung kollinear zueinander
und hintereinander in der Optik angeordnet sind.
[0017] Bei der Entwicklung der Erfindung hat sich nämlich gezeigt, dass viele heute am Markt
vorhandenen LED-Module die Kühlleistung des LED-Moduls mit der auf dem plattenförmigen
Kunststoffträger aufgebrachten Kupferschicht eine ausreichende Eigenkühlleistung bereitstellen,
dass keine weiteren Kühlkörper benötigt werden, insbesondere keine direkte Verbindung
der LED-Platine mit dem Montagekörper notwendig ist. Dieses ist insbesondere bei Mid-power
LED-Modulen mit Lichtströmen von 1000 bis 2000 lm (Lumen) möglich, wobei die einzelnen
LEDs Lichtströme von 30 - 50 lm realisieren. Durch Zusammenfassen mehrerer dieser
LED Module in der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich damit Standardleuchten mit
an die jeweilige Sehaufgabe individuell anpassbaren Lichtströmen von 4000 bis 6000
Lumen, insbesondere für den Arbeitsplatzbereich realisieren.
[0018] Derartige Leuchten sind z.B. in Büros, in Fluren, z.B. eingebaut in Lichtkanäle,
aber auch im Shop- oder im Retail-Bereich und sogar als Lichtbänder in Produktions-
oder Werkshallen verwendbar.
[0019] Das LED-Modul wird bevorzugt mit einer langen Optik verbunden bzw. in dieser fixiert.
Die Optik wird vorzugsweise in einem Extrusions-Spritzguss-Verfahren hergestellt und
die Platine des LED-Moduls durch z.B. durch Laminierung von vorzugsweise glasfaserverstärkten
Kunstoffen, die besonders bevorzugt mit alternierender Faserrichtung unter Einbindung
der Leiterbahnen und evtl. weiterer elektronischer Komponenten aufeinander laminiert
werden zur Bildung des endgültigen Moduls bzw. dessen "Substrats", auf dem die LEDs
befestigbar sind.
[0020] Um eine genaue Positionierung der Optik im Verhältnis zu den einzelnen LEDs der LED-Module
unter allen Betriebsbedingungen zu gewährleisten, ist vorzugsweise zwischen der Optik
und dem LED-Modul mindestens ein Zentriermittel ausgebildet zur Verbindung des LED-Moduls
mit der Optik vorgesehen, z.B. in Form eines Schnapphakens oder eines Zentrierstifts.
Wenn sich die Optik aufgrund von thermischer Einwirkung im Betrieb ausdehnt, wird
das LED-Modul durch dieses Zentriermittel somit im dem gleichen Maße mitgenommen,
so dass jede LED weiterhin in der optischen Sollposition genau zentriert ist gegenüber
der Optik bzw. einem Optikelement, wie z.B. einer in der Optik ausgebildeten Linse.
[0021] Vorzugsweise werden mehrere, z.B. ca. 560 mm lange LED-Module gemäß Zhaga-Standard
in doppelt, dreimal oder sogar viermal so lange Optiken eingesetzt bzw. in diesen
aufgenommen.
[0022] Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Optik ausgebildet zur längsverschieblichen
Aufnahme der LED-Module, z. B. durch sich in Längsrichtung erstreckende Aufnahmerillen
optisch optimiert beabstandet zu der die LEDs des LED-Moduls in Einbaulage domartig
überspannenden Linsen.
[0023] Bei der bevorzugten Ausführungsform weisen der Werkstoff des LED-Moduls bzw. der
Trägerplatte (Substrat) des LED-Moduls und die Optik einen ähnlichen oder denselben
Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Als bevorzugte Materialien für die Fertigung der
Optik haben sich lichttechnisch hochwirksame, insbesondere glaskare Kunststoffe erwiesen,
dabei insbesondere PMMA mit einem Brechungsindex von 1,49 und einem Transmissionsgrad
von 92%, aber auch PC.
[0024] Durch die erfindungsgemäße Ausbildung fungiert der Montagekörper nur noch zur Versteifung
der Leuchte, schließt die Optik nach hinten hin ab und bietet Raum für elektrische
und/oder elektronische Komponenten, insbesondere ein Betriebsgerät und Befestigungspunkte.
Er muss somit nicht mehr die Funktion des Kühlkörpers zur Kühlung der LEDs bereitstellen
und kann insofern wesentlich filigraner ausgebildet werden, insbesondere gestalterisch
zurück treten. Insofern kann bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
auch völlig auf zusätzliche Kühlkörper verzichtet werden.
[0025] Zwischen der Optik und dem LED-Modul kann ein Zentrierelement vorgesehen sein. Durch
die Kombination der schwimmenden Lagerung der Bauteile und dem Zentrierelement kann
sich das LED-Modul somit unabhängig von der Optik und auch zu den optischen Linsen
bei thermischer Ausdehnung in Verhältnis zu dem Zentrierpunkt bewegen. Dieses Zentrierelement
bewirkt somit eine Lagefixierung der beiden Bauteile im Verhältnis zueinander. Vorzugsweise
ist das Zentrierelement mittig zwischen LED-Modul und Optik angeordnet, womit die
auftretende Längenausdehnung bei Erwärmung halbiert wird.
[0026] Bei der bevorzugten Ausbildung umfasst die Zentrierung einen Dorn (Stift) oder Schnapphaken
an einem Bauteil, welches in Einbaulage in wirkverbindend in den komplementär ausgebildeten
Fügepartner bzw. das Gegenelement eingreift.
[0027] Die erfindungsgemäße Ausbildung ermöglicht darüber hinaus erstmalig die Fertigung
und den Einsatz von langen Optiken, was den Montageaufwand insbesondere bei Langfeldleuchten
und Lichtbändern deutlich verringert, weil weniger Bauteile montiert und verschraubt
werden müssen, was insbesondere bei der Überkopfmontage problematisch sein kann.
[0028] Bei einer bevorzugten Weiterentwicklung sind die Leuchte und insbesondere die Optik
mit dem/den integrierten LED-Modul(en) mittels Dichtungen abgedichtet zur Realisierung
hoher Schutzarten. Bei der bevorzugten Ausführungsform erfolgt dieses durch einen
vorzugsweise umlaufenden Dichtkanal zwischen Optik und LED-Modul zur Aufnahme einer
Dichtung, z.B. umfassend eine Dichtschnur oder einen Dichtschaum. Aber auch eine vollflächige
Verklebung ist gut realisierbar.)
[0029] Die Verdrahtung der LED-Platinen erfolgt vorzugsweise durch rückseitig aufgebrachte
Verbindungsklemmen von der Rückseite her.
[0030] Die Platinen des LED-Moduls umfassen vorzugsweise ein glasfaserverstärktes Trägermaterial,
insbesondere FR4, CEM3.
[0031] Der Leuchtenkörper besteht vorzugsweise aus wärmeleitendem Kunststoff, um die anfallende
Erwärmung besser abführen zu können, kann aber auch aus Metall bestehen.
[0032] Der Kern der Erfindung liegt somit darin, die LED-Platine des LED-Moduls nicht mehr
an dem Montagekörper, zu montieren, sondern an der Optik, was vorzugsweise mittels
Haltestiften oder anderen Halteelementen erfolgt. Somit ändert sich auch bei längeren
Optiken nicht mehr die Lage der Linsen der Optik gegenüber den LEDs, so dass die Optiken
auch bei Erwärmung selbstregulierend immer hocheffizient sind. Durch die Erfindung
wird somit mit einfachen Mitteln eine besonders genaue Abbildegenauigkeit erzielt,
also die optisch optimierte Positionierung jeder einzelnen Linse im Verhältnis zu
der zugehörenden LED.
[0033] Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung lassen sich dem nachfolgenden
Teil der Beschreibung entnehmen, indem zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Vorrichtung anhand von zwei Zeichnungen näher erläutert sind. Es zeigen:
- Fig. 1
- einen schematischen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Leuchte; und
- Fig. 2
- einen vergrößerten schematischen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Leuchte.
[0034] Gleiche oder gleichwirkende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
[0035] Demnach besteht die langgestreckte Langfeldleuchte im Wesentlichen aus einem in den
Figuren oberseitigen Montagekörper 2, welcher ein sich in den Figuren in der Horizontalen
erstreckendes Oberteil definiert, das mit einer quer zu dem durch dieses Oberteil
definierten Oberebene einen am Rand quer nach unten ragenden, umlaufenden Randsteg
2a aufweist.
[0036] Oberseitig auf dem Montagekörper 2 ist ein Betriebsgerät aufgesetzt, welches aber
auch bei einer alternativen Ausführungsform in den Montagekörper 2 integriert sein
kann.
[0037] An dem Montagekörper 2 bzw. an dessen umlaufendem Randsteg 2a ist eine komplementär
zu der Geometrie und zum Aufbau des Montagekörpers 2 ausgebildete, einteilige und
lichtdurchlässige Optik 6 angeordnet, welche also eine optische Lichtaustrittsfläche
zum Oberteil parallel nach unten versetzt zur Ebene des Montagekörpers 2 definiert
und bei den vorliegenden Ausführungsformen die gleiche Länge wie der Montagekörper
aufweist und insofern ebenfalls am Rand einen quer nach oben zur Optikebene verlaufenden
Randsteg 6a aufweist, so dass die Randstege 2a, 6a in Einbaulage stoßseitig übergangslos
aneinander anliegen und somit einen geschlossenen, länglich kastenförmigen Leuchtenkörper
bilden.
[0038] Integriert in die Optik, also einteilig mit dieser ausgebildet sind in Längsrichtung
äquidistant zueinander angeordnete optische Linsen 6b, welche im Querschnitt im Wesentlichen
parabolisch ausgebildet sind und deren Scheitelpunkte jeweils optisch optimiert genau
unterhalb der optischen Achse der korrespondierenden LEDs 8a auf zwei LED-Modulen
8 angeordnet sind.
[0039] Etwa mittig zwischen dem LED-Modul 8 und der Optik 6 sind zwei stabförmige Zentrierelemente
10 angeordnet, welche eine genaue Lagefixierung der optischen Linsen 6b gegenüber
von den optischen Achsen der LEDs 8a der beiden LED-Module 8 realisieren.
[0040] An den oberseitigen Stirnenden der länglich rechteckig ausgebildeten LED-Module 8
sind elektrische Verbindungselemente 12 angeordnet, die dazu ausgebildet sind, das
LED-Modul mit dem Betriebsgerät 4 und/oder ein LED-Modul 8 mit einem benachbarten
LED-Modul zu verbinden.
[0041] Die Figur 2 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer grundsätzlich ähnlich ausgebildeten
Langfeldleuchte, bei welcher zur Realisierung einer Länge von z.B. 2400 mm insgesamt
vier der länglichen LED-Module 8 kollinear zueinander in der Optik 14 längsverschieblich
aufgenommen sind.
[0042] Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand
der einzelnen Patentansprüche, sondern aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche
untereinander. Alle in den Unterlagen - einschließlich der Zusammenfassung - offenbarten
Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung
werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination
gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Bezugszeichenliste
[0043]
- 2
- Montagekörper
- 2a
- Randsteg
- 4
- Betriebsgerät
- 6
- Optik
- 6a
- Randsteg
- 6b
- Linse
- 8
- LED-Modul
- 8a
- LED
- 10
- Zentrierelement
- 12
- Verbindungselement
- 14
- Optik