具有全向发光和优化热耗散的LED光源 【技术领域】
本发明涉及一种LED光源(LED-发光二极管)，一种包括这种LED光源的灯和这种光源的制造方法。
背景技术
光源是灯的发光物。既有光源例如有白炽灯(也称为白炽灯泡)，卤化物灯或者荧光灯。由于LED领域的不断发展，LED作为光源在应用中也变得越来越受到关注，目前仍主要是白炽灯，卤化物灯或者荧光灯占优势。
LED是基于二极管的半导体装置。如果正向电流流过该二极管，它就发光。通过半导体材料的选择和掺杂，所发出光的波长可能会受到影响。
产生白色光的LED(白光LED)可通过用荧光染料覆盖蓝光LED来制造。可选地，也可以将几个发出不同颜色光的发光二极管互相连接，使得由于颜色的增加而产生白光。白光LED可被用作能够通过可焊的连接焊盘直接焊接在电路板上的SMD器件(Surface MountedDevice，表面安装器件)。而且，白光LED也可以被预制在电路板上而得到(例如在一个尺寸为25×25mm2的方形电路板上)。
光源的重要特性是它以流明每瓦特(lm/W)表示的发光效率以及它的功率消耗。目前，可用的白光LED典型地显示达到50lm/W的发光效率以及2.5W每LED的绝对功率消耗。所以白光LED的发光效率高于白炽灯和卤化物灯的发光效率(典型的在10lm/W至20lm/W的范围)，但是低于荧光灯的发光效率(达到110lm/W)。
为了代替传统的光源，像白炽灯或卤化物灯，LED光源应该发出相当的光通量。用于高电压操作(即230V或110V的供电电压)的相当75W的白炽灯，例如提供大约900lm的光通量。为了用LED光源达到该75W白炽灯的光通量的大约一半，例如具有50lm/W和2.5W每LED功率的四个白光LED可以被互连，产生500lm的光通量。
由于LED的结构形状，相对于具有几乎全向发光特性的白炽灯来说，LED具有单个LED只达到典型120°到最大180°的发光角度范围的缺陷。
对于几个LED的互连，必须确保LED的热损失被充分耗散，因为否则LED变得过热并被损坏。
由文件DE 20013605U1可知一种提供多个SMD-LED作为光源的细长管状光源。由此将成串的SMD-LED安装在中空体的表面。
另外，由文件DE 102004004947A1可知一种提供传统白炽灯的形状的光源。为此目的，将几个LED安装在该光源内部立方体的或八面体形状的支撑上。这样装配的缺陷是该支撑不能确保热的充分耗散。
【发明内容】
所以本发明的目的是提供一种尽可能提供全向发光特性并在提供足够高光通量的同时提供热的充分耗散的LED光源。
本发明的另一个目的是提供这种光源的制造方法。
在本发明下的任务通过独立权利要求的特征被解决。
依据本发明权利要求1的LED光源包括多个支撑，有利地为相似类型的支撑。所述支撑各自有角度。有利地，所述支撑是有角度地金属片。
另外，设置所述支撑使得该支撑的有角度支撑部分相邻，从而并排安放。该有角度支撑部分的表面的立体角基本上对应于多面体的不同立体角。因而可以提供不仅该立体角对应于多面体的立体角，而且该有角度支撑部分在形状和关于彼此的设置上基本上对应于多面体的侧面。
根据本发明，LED光源进一步提供多个(有利地为白光)LED元件，例如白光LED-SMD，设置在该有角度的支撑部分上。有利地，在每个有角度支撑部分上设置至少一个LED元件。单个LED元件的热分别从该有角度支撑部分开始经由该支撑的其余部分被耗散。在应用意义上，LED元件不仅可以是单独的LED，而且也可以是带有相关电路板的LED。
由于以不同多面体立体角的LED元件的设置，能够获得LED光源的全向发光特性。由于为单个LED元件配置有角度的支撑，单个LED元件的热可以从该有角度支撑部分开始经由该支撑的其余部分以充足的方式被耗散。由于有角度支撑的使用，以此方式为每个LED元件不仅配置在其上设置LED元件并且对应于该有角度支撑部分的表面，而且配置对应于该支撑的其余部分的另外的冷却表面。所以，可用于热的去除的表面明显被扩大。
据指出，有角度的支撑不是强制地通过弯曲平坦的原始支撑来制造。而是，这样的支撑可以通过在一个角下装配两个支撑部分来得到。
另外，该LED光源不是强制地通过连接分离的有角度支撑来制造。它可以这样被配置，例如，最初在其上随后设置或排列LED元件的支撑部分首先被装配，并且该有角度支撑部分随后被安装。
有利地，对于有角度支撑部分相邻的至少两个支撑，有角度支撑部分和该支撑的其余部分之间的内角对应于所述两个支撑的该相邻有角度支撑部分之间的外角的一半。所以，由于用于热耗散的该支撑的其余部分引起的遮蔽可被最小化。
根据优选实施方式，两个或更多个支撑，特别是所有支撑，平行于公共轴线设置。因而如果支撑的第一组在沿该公共轴线的第一方向延伸，同时支撑的第二组在沿该公共轴线的相反方向延伸是有利的。
有利地，如果有角度支撑部分基本上对应于多面体不同侧表面或对应于所述侧表面的部分，以使得能够设置相邻的支撑部分以使它们形成多面体。
有利地，该LED光源提供至少四个LED元件。即使在120°每LED元件的发光角范围，也能够以这种方式获得几乎全向的发光特性。
多面体可以是柏拉图体，其侧表面是正多边形，彼此全等，并且在正多边形的每个角各自相同的数目汇合。四面体(4面)，六面体(6面)，八面体(8面)，十二面体(12面)和二十面体(20面)各自形成柏拉图体。
对应地，可以有利地设置多面体是四面体并且LED光源包括四个有角度支撑部分，其中该四个有角度支撑部分的立体角基本上对应于该四面体的四个立体角。特别地，该四个有角度支撑部分可以在形状和关于彼此的设置上基本上对应于四面体的面。通过根据四面体的立体角设置有角度支撑部分，几乎全向的发光特性可以用已备好的四个LED产生。
如果沿公共轴线设置两个或更多个支撑，如果该支撑沿所述轴线形成沟道是有利的，例如通过围绕该公共轴线弯曲该支撑。所以，热也能够经由该支撑的内侧耗散。
为了进一步提高热耗散，该支撑可以有利地被安装在杆挤压型材(bar extrusion profile)上，例如，在铝杆挤压型材上。在这种情况下，热经由该热导良好的杆挤压型材耗散。
为了增加该支撑的表面，可以设置该支撑提供孔。由于如此增加的表面，热耗散进一步提高。
有利地，LED光源各自包括插座。这应该优选地是用于高电压操作(典型230V或110V)或低电压操作(典型12V)的常规光源插座。这允许使用LED光源作为现有光源(例如，白炽灯或卤化物灯泡)的代替品。
另外，有利地在该LED光源中配置电子镇流器(变压器)。
根据本发明的权利要求21的灯包括如前所述的LED光源。
根据本发明制造LED光源的方法包括根据权利要求23的多个步骤。在第一步骤中，配置多个有角度的支撑。在该有角度支撑部分上分别设置多个LED元件，其中在该LED光源的操作期间，单个LED元件的热分别从该有角度支撑部分开始经由该支撑的其余部分被耗散。在另一步骤中，设置所述支撑以使该有角度支撑部分相邻并且该有角度支撑部分的表面的立体角基本上对应于多面体的不同立体角。
本发明另外的优选实施方式将在从属权利要求中说明。
【附图说明】
下面参照附图以几个示例性实施方式来详述本发明；其中示出了：
图1根据本发明具有有角度支撑部分的四面体形状布局的LED光源的第一示范实施方式；
图2理想的四面体；
图3在图1中示出的LED光源的辐射图；
图4根据本发明具有有角度支撑部分的四面体形状布局和冷却金属片的镗孔的LED光源的第二示范实施方式；
图5根据本发明具有冷却金属片上有管形曲线的有角度支撑部分的四面体形状布局的LED光源的第三示范实施方式；
图6根据本发明具有六个LED的LED光源的第四示范实施方式；
图7理想的立方八面体；
图8在图6中示出的LED光源的辐射图；以及
图9具有插座的LED光源，变压器外罩和由玻璃或塑料制作的可选的外罩。
【具体实施方式】
下面的表格表示具有独立于使用的白光LED数量和LED特性(以瓦特表示的功率每LED以及以流明每瓦特表示的发光效率)的暖白(大约3500K)光色的白光LED光源的发光效率和总功率损耗。以此方式低光通量位于500lm到750lm的范围，高光通量接着从1000lm开始。另外，必须设定的是光源在总功率损耗从30W开始变得非常热。超过40W的总功率损耗，光源变得如此热以至于被损坏。
具有2.5W功率损耗和50lm/W发光效率的白光LED目前已经可用。要说明的是从2008年开始具有5W每LED功率损耗和50lm/W发光效率或可选地具有2.5W每LED功率损耗和70lm/W发光效率的白光LED将要商用。
如从上表可以看出的，作为具有大约900lm光通量的传统75W白炽灯的代替品，至少四个，优选为六个具有50lm/W发光效率和2.5W每LED功率损耗的白光LED应该被互连，然后分别产生500lm或750lm的光通量。
图1示出了根据本发明具有四个白光LED 4.i(i＝1，2，3和4)的LED光源的第一示范实施方式。外罩，插座和用来控制LED的电路组件的描绘被略去。该LED光源包括四个有角度的支撑1.i，其中单独的支撑1.i可以作为有角度支撑部分2.i和该支撑的其余部分3.i的基础。这种支撑1.i不强制必须通过弯曲均匀的整体形成的原始支撑来制造而是也可以通过在一个角装配两个支撑部分2.i和3.i来得到。在这种情况下，该两个支撑部分2.i和3.i不强制必须由相同的材料来制造。优选地，该支撑1.i包括金属的有角度冷却金属片，特别是有角度的铝金属片。
在有角度支撑部分2.i上安装至少一个具有相关电路板(未显示)的LED 4.i。相关于支撑1.i的长度延伸，该LED 4.i被不对称地安装在该支撑1.i上。电路板不必被限制到该有角度支撑部分2.i，而是也可以扩展到该支撑的其余部分3.i。该支撑1.i也可以是该电路板的部分；在这种情况下电路板层，例如氧化铝层，接管该支撑的功能。优选地，具有LED 4.i的电路板分别被安装在支撑1.i上。
支撑部分3.i分别平行于公共轴线设置。具有其支撑部分3.i的两个支撑1.i平行于彼此分别设置。这两个平行设置的支撑1.1和2.1，沿该公共轴线在一个方向延伸，而另两个平行于彼此设置的支撑1.3和1.4，沿该公共轴线在对应相反指向的方向延伸。有角度支撑部分2.i和相关支撑部分3.i之间的内角对应于两个平行支撑1.i的两个有角度支撑部分2.i之间的外角的一半。
如图1中进一步所示，分别有一个LED 4.i安装在其上的四个支撑1.i被设置以使在有角度支撑部分2.i上的LED 4.i位于基本上对应于多面体(此处为四面体)立体角的立体角中。这使得全向发光特性成为可能。为了聚光(spot light)的近似形成，LED 4.i应该被汇集到优选靠近的有角度支撑部分2.i上。所以，在图1中不仅有角度支撑部分2.i的立体角对应于四面体的立体角，而且有角度支撑表面2.i基本上一起形成四面体。作为对照图2中示出了理想的四面体。
为了以一个四面体的形状设置有角度的支撑部分，有角度支撑部分2.i以基本上等腰梯形的形状朝向其末端收窄。可选地，有角度支撑部分2.i也能够分别以等边三角形的形式实现。
在LED光源的操作中，单个LED 4.i的热损失可以从有角度支撑部分2.i开始经由支撑部分3.i以充足的方式耗散。这是由于除了各自的LED 4.i设置于其上的表面，对于每个LED 4.i的有角度的支撑1.i的使用，即配置了按支撑部分3.i的形状的另外的冷却表面。所以可用于热耗散的表面实质上被扩大以使热阻降低。
图3示出了在图1中示出的LED光源的辐射图。在该辐射图中示出了LED 4.i的单个辐射组成部分5.i，其已被投影在公共平面上。每个LED 4.i分别提供120°的发光角。总辐射来自于单个辐射组成部分5.i的叠合。如从图3可见的，根据图1的LED光源提供全向发光特性。
在图4中示出了根据本发明LED光源的第二示范实施方式。在图1和图4中两个光源被设有相同附图标记的那些部分彼此对应。对比在图1中示出的光源，支撑1.i，特别是图4的光源的支撑部分3.i提供孔6。优选地，所述孔通过冷却金属片打孔生成。由于在支撑1.i中的孔6，可用于热耗散的表面被扩大以使热阻降低。
图5示出了根据本发明LED光源的第三实施方式。在图1和图5中两个光源被设有相同附图标记的那些部分彼此对应。对比显示于图1中示出的光源，图5中所示的光源的支撑部分3.i围绕公共轴线被弯成弧形，以使该支撑部分3.i基本上形成管形冷却体。所以，可用于热耗散的表面被扩大，因为支撑部分3.1和3.2或3.3和3.4各自的相对侧表面被用作该冷却体对该冷却体周围环境的热偶。如果将支撑1.i安装于杆挤压型材上，特别是在铝杆挤压型材上，以使由支撑部分3.i形成的该沟道用该杆挤压型材填充，能够进一步降低热阻。
在图6中示出了根据本发明LED光源的第四示范实施方式。在图1和图6中两个光源具有相同附图标记的那些部分彼此对应。对比依据图1的示范实施方式，在如图6中所示的示范实施方式中，六个白光LED被互连，以得到相比图1所示的具有四个白光LED的示范实施方式较高的光通量。
如前表中所能看出的，750lm的光通量可以通过互连六个具有50lm/W发光效率和2.5W每LED功率的白光LED得到。如图6中所能看出的，支撑部分3.i平行于公共轴线设置。具有其各自支撑部分3.i的三个支撑1.i，即支撑1.1，1.2和1.3或1.4，1.5和1.6分别彼此面对。该三个支撑1.1，1.2和1.3沿公共轴线在一个方向延伸，而支撑1.4，1.5和1.6沿公共轴线在所述一个方向的反方向延伸。
在其上各自设置LED 4.i的支撑1.i被设置以使有角度支撑部分2.i的立体角基本上对应于立方八面体六个被选择的立体角，该立方八面体具有共计14个侧表面和相应14个立体角。在图7中示出乐理想的立方八面体用于比较。因此，有角度支撑部分2.i的表面的形状不必须对应于立方八面体的侧表面的表面形状。这样，图6中所示的有角度支撑部分2.i各自提供三角形的表面，而图7中所示的立方八面体不仅包括三角形还包括正方形作为侧面。
与图5中所示的具有弧形支撑部分3.i的示范实施方式相似，支撑部分3.1，3.2和3.3或3.4，3.5和3.6各自的相对侧表面自由站立以使所述表面可以被用作冷却体对冷却体周围环境的热偶。另外，支撑1.i能够-如图5的示范实施方式中的情形-也被安装在杆挤压型材上以使对周围环境的支撑3.i的相对侧表面的热偶进一步增加。
图8示出了图6中所示的LED光源的辐射图。在该辐射图中示出了LED 4.i的单个辐射组成部分5.i，其已被投影在公共平面上。每个LED 4.i分别提供120°的发光角。总辐射来自于单个辐射组成部分5.i的叠合。如从图8可见的，根据图6的LED光源示出了全向发光特性。由于六个LED 4.i的使用以及因此单个LED的圆锥形立体角的较大重叠，辐射的角度依赖性与图3中所示的具有四个LED 4.i的辐射图相比较低。
图9中概略示出了带有插座6的完整LED光源，变压器外罩7和可选的由玻璃或塑料制成的外罩8。该LED光源还包括装备有LED元件的支撑安排，例如根据图1的支撑安排。可选地，也可以包括图4，5和6的支撑安排。如图9所示的插座6是常规的230V灯或12V灯的插座；例如在高电压插座情况下E14、E27、G9、B15d或R7s型的插座或在低电压插座情况下Gy6.35、Gx5.3型的插座。另外，该插座可以是双端代替单端。变压器外罩7包围用于控制LED的电路组件(不可见)。优选地，AC电压操作的电路组件包括变压器，将插座电压(例如230V或12V)减小到较低的值。另外，在AC电压操作中，配置整流器。由于LED以恒流操作，电路组件优选地包括电路装置(例如倍增器或JFET电流源)用来以恒流操作该LED。该电路组件之后是支撑安排，其LED由电路组件控制。但是，也可以将该电路组件部分地或甚至全部安装在该支撑安排上。
可选择地，配置透明玻璃或塑料外罩8，其包围该支撑安排并且，例如，被配置为管形。因此，该外罩可以用洁净的或光滑的玻璃或单独的塑料制造。
如图9所示的光源合适作为传统光源的代替，特别是传统白炽灯或卤化物灯。