DE60008855T2 - Dreidimensionale led matrix zur beleuchtung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Beleuchtungssysteme und, im Besonderen, auf eine verbesserte Matrixstruktur für Licht emittierende Dioden, welche als Beleuchtungsquellen eingesetzt werden.
  • Eine Licht emittierende Diode (LED) ist eine Art Halbleiteranordnung, präzise ausgedrückt, ein pn-Übergang, welcher bei Zuführen von Strom elektromagnetische Strahlung emittiert. Typischerweise weist eine Licht emittierende Diode ein Halbleitermaterial auf, bei welchem es sich um eine entsprechend ausgewählte Gallium-Arsen-Phosphor-Verbindung handelt. Durch Verändern des Verhältnisses von Phosphor zu Arsen kann die Wellenlänge des von einer Licht emittierenden Diode emittierten Lichts eingestellt werden.
  • Mit der Weiterentwicklung von Halbleitermaterialien und der Optiktechnologie werden Licht emittierende Dioden zunehmend zu Beleuchtungszwecken verwendet. Zum Beispiel werden Licht emittierende Dioden großer Helligkeit zur Zeit bei Kraftfahrzeugsignalen, Verkehrsampeln und -zeichen, großflächigen Displays usw. eingesetzt. Bei den meisten dieser Verwendungszwecke sind mehrere Licht emittierende Dioden so in einer Matrixstruktur geschaltet, dass sie eine große Lichtmenge erzeugen.
  • 1 zeigt eine typische Anordnung in Reihe geschalteter, Licht emittierender Dioden 1 bis m. Energieversorgungsquelle 4 führt den Licht emittierenden Dioden über Widerstand R1, welcher den Stromsignalfluss in den Dioden steuert, ein Hochspannungssignal zu. Licht emittierende Dioden, welche auf diese Weise geschaltet sind, ergeben gewöhnlich eine Energieversorgungsquelle mit hohem Wirkungsgrad und geringen thermischen Beanspruchungen.
  • Eine Licht emittierende Diode kann zuweilen ausfallen. Bei dem Ausfall einer Licht emittierenden Diode kann es sich entweder um einen Ausfall durch einen offenen Stromkreis oder einen Ausfall durch einen Kurzschluss handeln. Zum Beispiel wirkt bei Kurzschlussausfall die Licht emittierende Diode 2 als Kurzschluss, wobei über die Licht emittierende Diode 2 Strom von der Licht emittierenden Diode 1 bis 3 wandern kann, ohne dabei Licht zu erzeugen. Dagegen wirkt die Licht emittierende Diode 2 bei einem Ausfall durch einen offenen Stromkreis als offener Stromkreis und bewirkt als solcher, dass die in 1 dargestellte, gesamte Matrix erlischt.
  • Um sich dieser Situation zu widmen, wurden weitere Anordnungen Licht emittierender Dioden vorgeschlagen. Zum Beispiel zeigt 2(a) eine andere typische Anordnung Licht emittierender Dioden, welche sich aus mehreren Zweigen aus Licht emittierenden Dioden, wie z.B. 10, 20, 30 und 40, welche parallel geschaltet sind, zusammensetzt. Jeder Zweig weist in Reihe geschaltete, Licht emittierende Dioden auf. Zum Beispiel weist Zweig 10 in Reihe geschaltete, Licht emittierende Dioden 11 bis n1 auf. Stromversorgungsquelle 14 führt den Licht emittierenden Dioden über Widerstand R2 ein Stromsignal zu.
  • Licht emittierende Dioden, welche auf diese Weise geschaltet sind, weisen ein größeres Maß an Zuverlässigkeit als Licht emittierende Dioden, welche gemäß der in 1 dargestellten Anordnung geschaltet sind, auf. Bei Ausfall durch einen offenen Stromkreis bewirkt der Ausfall einer Licht emittierenden Diode in einem Zweig, dass sämtliche Licht emittierende Dioden in diesem Zweig erlöschen, ohne dabei die Licht emittierenden Dioden in den restlichen Zweigen zu beeinflussen. Jedoch ist die Tatsache, dass sämtliche Licht emittierende Dioden in einem bestimmten Zweig durch einen, auf einen offenen Stromkreis zurückzuführenden Ausfall einer einzigen Licht emittierenden Diode erlöschen, noch immer ein nicht wünschenswertes Ergebnis. Bei Kurzschlussausfall kann der Ausfall einer Licht emittierenden Diode in einem ersten Zweig bewirken, dass dieser Zweig im Vergleich zu den anderen Zweigen einen höheren Stromfluss aufweist. Der höhere Stromfluss durch einen einzelnen Zweig kann bewirken, dass dieser mit einer anderen Stärke als die Licht emittierenden Dioden in den restlichen Zweigen beleuchtet wird, was ebenfalls ein nicht wünschenswertes Resultat darstellt.
  • Es wurden weitere Anordnungen Licht emittierender Dioden vorgeschlagen, um dieses Problem zu beheben. Zum Beispiel zeigt 2(b) eine weitere typische Anordnung Licht emittierender Dioden, die aus WO 00/20085 bekannt ist. Wie bei der in 2(a) dargestellten Anordnung zeigt 2(b) vier Zweige aus parallel geschalteten, Licht emittierenden Dioden, wie z.B. 50, 60, 70 und 80. Jeder Zweig weist außerdem in Reihe geschaltete, Licht emittierende Dioden auf. Zum Beispiel weist Zweig 50 in Reihe geschaltete, Licht emittierende Dioden 51 bis n5 auf. Stromversorgungsquelle 54 führt den Licht emittierenden Dioden über Widerstand R3 Stromsignale zu.
  • Die in 2(b) dargestellte Anordnung weist ferner zwischen aneinander grenzenden Zweigen aus Licht emittierenden Dioden Nebenschlüsse auf. Zum Beispiel ist Nebenschluss 55 zwischen den Licht emittierenden Dioden 51 und 52 von Zweig 50 und zwischen den Licht emittierenden Dioden 61 und 62 von Zweig 60 geschaltet. Gleichermaßen ist Nebenschluss 75 zwischen den Licht emittierenden Dioden 71 und 72 von Zweig 70 und zwischen den Licht emittierenden Dioden 81 und 82 von Zweig 80 geschaltet.
  • Die Licht emittierenden Dioden, welche auf diese Weise geschaltet sind, weisen ein größeres Maß an Zuverlässigkeit als Licht emittierende Dioden, die gemäß den in 1 oder 2(a) dargestellten Anordnungen geschaltet sind, auf. Dieses ergibt sich, da bei einem Ausfall durch einen offenen Stromkreis auf Grund des Ausfalls einer einzelnen Licht emittierenden Diode in diesem Zweig ein kompletter Zweig nicht erlischt. Stattdessen fließt Strom über die Nebenschlüsse, um eine ausgefallene, Licht emittierende Diode zu umgehen.
  • Bei dem Kurzschlussausfall ist an eine Licht emittierende Diode, die ausfällt, keine Spannung angelegt, wodurch bewirkt wird, dass der gesamte Strom durch den, die ausgefallene, Licht emittierende Diode aufweisenden Zweig fließt. Wenn zum Beispiel die Licht emittierende Diode 51 kurzgeschlossen wird, fließt Strom durch den oberen Zweig. Somit sind bei der in 2(b) dargestellten Anordnung bei Kurzschließen einer einzelnen Licht emittierenden Diode die entsprechenden Licht emittierenden Dioden 61, 71 und 81 in jedem der anderen Zweige ebenfalls erloschen.
  • Die in 2(b) dargestellte Anordnung stößt ebenfalls auf weitere Probleme. Zum Beispiel ist es, um sicherzustellen, dass alle Licht emittierende Dioden in der Anordnung die gleiche Helligkeit aufweisen, bei der Anordnung erforderlich, dass parallel geschaltete, Licht emittierende Dioden an Durchlassspannungscharakteristiken angepasst wurden. Zum Beispiel müssen Licht emittierende Dioden 51, 61, 71 und 81, die parallel geschaltet sind, eng angepasste Durchlassspannungscharakteristiken aufweisen. Andernfalls verändert sich der Stromsignalfluss durch die Licht emittierenden Dioden, wodurch bewirkt wird, dass die Licht emittierenden Dioden eine ungleichartige Helligkeit aufweisen.
  • Um dieses Problem der sich ändernden Helligkeit zu verhindern, müssen die Durchlassspannungscharakteristiken jeder Licht emittierenden Diode vor deren Verwendung getestet werden. Darüber hinaus müssen Gruppen von Licht emittierenden Dioden mit ähnlichen Spannungscharakteristiken in eng zusammengefasste Gruppen (d.h. Gruppen von Licht emittierenden Dioden, bei welchen die Durchlassspannungscharakteristiken nahezu identisch sind) eingeteilt werden. Die eng zusammengefassten Gruppen von Licht emittierenden Dioden müssen dann parallel zueinander in einer Anordnung von Licht emittierenden Dioden vorgesehen werden. Dieser Gruppeneinteilungsvorgang ist kostspielig, zeitaufwendig und ineffizient.
  • In US 5 806 965 ist eine Anordnung von Licht emittierenden Dioden offenbart, bei welcher die Dioden auf Leiterplatten angeordnet sind, um eine dreidimensionale Konfiguration vorzusehen.
  • Somit besteht ein weiterer Bedarf an einer verbesserten, dreidimensionalen Anordnung von Licht emittierenden Dioden, welche nicht die bekannten Probleme aufweist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist ein Beleuchtungssystem eine große Anzahl von elektrisch leitenden, in einer dreidimensionalen Anordnung vorgesehenen Zweige (102) auf, wobei die Zweige (102) parallel zu der Energieversorgungsquelle geschaltet sind, jeder der Zweige (102) mindestens eine Licht emittierende Diode (110) sowie
    eine große Anzahl Nebenschlüsse (114) aufweist, wobei jeder der Nebenschlüsse (114) einen Anodenanschluss einer Licht emittierenden Diode (110) in einem der Zweige mit einem Kathodenanschluss von mindestens zwei entsprechenden, jeweils in einem benachbarten Zweig vorgesehenen, Licht emittierenden Dioden (111), so verbindet, dass eine entsprechende Gruppe von Licht emittierenden Dioden zusammen mit ihren entsprechenden Kopplungsnebenschlüssen eine Zelle (101) definieren, und wobei jeder Nebenschluss (114) eine Licht emittierende Diode (112) aufweist.
  • Durch die dreidimensionale Anordnung kann das Beleuchtungssystem aus mehreren, verschiedenen Richtungen betrachtet werden, wodurch sich das System besonders gut für Einsätze, wie z.B. Schreibtischlampen, Lichtsignale, Sicherheitsleuchten, Leuchtreklame usw., eignet. In einem Ausführungsbeispiel ist die dreidimensionale Anordnung so vorgesehen, dass jede der Licht emittierenden Dioden auf einem Anzeigefeld angeordnet ist.
  • In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Beleuchtungssystem drei Zweige und einen dreieckigen Querschnitt auf. In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Beleuchtungssystem sechs Zweige und einen hexagonalen Querschnitt auf. Ungeachtet der Anzahl der Zweige kann das Beleuchtungssystem ebenfalls mindestens einen zentralen Zweig mit zusätzlichen, um diesen angeordneten Zweigen auf weisen. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist mindestens einer der Zweige mit dem zentralen Zweig verbunden, während in einem weiteren Ausführungsbeispiel jeder der Zweige mit dem zentralen Zweig verbunden ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist jeder Zweig einer Zelle mit zwei oder mehreren weiteren Zweigen in der Zelle verbunden. Damit ist in jeder Zelle der Anodenanschluss einer Licht emittierenden Diode in einem Zweig über Nebenschlüsse mit dem Kathodenanschluss von entsprechenden Licht emittierenden Dioden einer großen Anzahl benachbarter Zweige verbunden. Folglich weist jeder der Nebenschlüsse eine Licht emittierende Diode auf.
  • Die Anordnung von Licht emittierenden Dioden gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Verwendung von Licht emittierenden Dioden mit unterschiedlichen Durchlassspannungscharakteristiken, wobei noch immer sichergestellt ist, dass alle der Licht emittierenden Dioden in der Anordnung im Wesentlichen die gleiche Helligkeit aufweisen. Vorteilhafterweise ist das Beleuchtungssystem der vorliegenden Erfindung so ausgelegt, dass bei Ausfall einer Licht emittierenden Diode in einem Zweig die verbleibenden Licht emittierenden Dioden in diesem Zweig nicht erlöschen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Beleuchtungssystem mindestens zwei Zellen auf, welche in Kaskade angeordnet sind, wobei die in Kaskade angeordneten Zellen nacheinander so geschaltet sind, dass der Kathodenanschluss jeder Licht emittierenden Diode in einem Zweig mit einem Anodenanschluss einer Licht emittierenden Diode des gleichen Zweigs in einer nächsten, nachfolgenden Zelle verbunden ist.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist jeder Zweig des Beleuchtungssystems ein Stromregelungselement, wie zum Beispiel ein Widerstandselement, auf, welches zum Beispiel als das erste und das letzte Element in jedem Zweig geschaltet ist.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 – eine typische Anordnung von Licht emittierenden Dioden, wie diese bei einem Beleuchtungssystem nach dem Stand der Technik eingesetzt wird;
  • 2(a) – eine andere typische Anordnung von Licht emittierenden Dioden, wie diese bei einem Beleuchtungssystem nach dem Stand der Technik eingesetzt wird;
  • 2(b) – eine weitere typische Anordnung von Licht emittierenden Dioden, wie diese bei einem Beleuchtungssystem nach dem Stand der Technik eingesetzt wird;
  • 3(a) – eine dreidimensionale Anordnung von Licht emittierenden Dioden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3(b) – einen Querschnitt der dreidimensionalen Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3(c) – einen erweiterten Querschnitt der dreidimensionalen Anordnung von Licht emittierenden Dioden gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4(a) – eine weitere dreidimensionale Anordnung von Licht emittierenden Dioden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4(b) – einen Querschnitt der dreidimensionalen Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4(c) – einen erweiterten Querschnitt der dreidimensionalen Anordnung von Licht emittierenden Dioden gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 5(a) – noch eine weitere dreidimensionale Anordnung von Licht emittierenden Dioden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 5(b) – einen Querschnitt der dreidimensionalen Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; sowie
  • 5(c) – einen erweiterten Querschnitt der dreidimensionalen Anordnung von Licht emittierenden Dioden gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 3(a) zeigt eine Anordnung 100 von Licht emittierenden Dioden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie bei einem Beleuchtungssystem eingesetzt. Das Beleuchtungssystem weist eine große Anzahl elektrisch leitender Zweige auf, wobei diese so angeordnet sind, dass sie eine dreidimensionale Anordnung bilden. Es sei erwähnt, dass, gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, die Anordnung so vorgesehen sein kann, dass jede der Licht emittierenden Dioden auf einem Anzeigefeld angeordnet ist.
  • In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Beleuchtungssystem drei Zweige und einen dreieckigen Querschnitt auf. Der dreieckige Querschnitt ist ebenfalls in 3(b) dargestellt, obgleich die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht in ihrem Anwendungsbereich nicht eingeschränkt ist. Jeder der Zweige 102(a), 102(b) und 102(c) von 3(a) wird als Zweigendknoten 102(a), 102(b) und 102(c) in 3(b) bezeich net. 3(c) zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, in welchem der dreieckige Querschnitt auf jeder der Seiten wiederholt wird, um drei zusätzliche, dreieckige Querschnitte mit insgesamt sechs Zweigen zu bilden, wobei das Ende jedes Zweigs durch die Zweigendknoten 102(a) bis 102(f) gekennzeichnet ist. Bei der vorliegenden Erfindung besteht die Möglichkeit, dass jede Anzahl Zweige und jede Querschnittsform eingesetzt werden können.
  • Zurückkommend auf 3(a) weist jeder Zweig Licht emittierende Dioden auf, welche in Reihe geschaltet sind. Eine Gruppe von Licht emittierenden Dioden sämtlicher Zweige definiert eine Zelle. Die in 3(a) dargestellte Anordnung zeigt in Kaskade angeordnete, aus Licht emittierenden Dioden gebildete Zellen 101(a), 101(b) bis 101(n). Es sei erwähnt, dass, gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, jede beliebige Anzahl Zellen gebildet werden kann.
  • Jede Zelle 101 von Anordnung 100 weist eine erste Licht emittierende Diode (wie z.B. die Licht emittierende Diode 110) von Zweig 102(a), eine erste Licht emittierende Diode (wie z.B. die Licht emittierende Diode 111) von Zweig 102(b) sowie eine erste Licht emittierende Diode (wie z.B. die Licht emittierende Diode 116) von Zweig 102(c) auf. Jeder der Zweige mit den Licht emittierenden Dioden ist zu Beginn (d.h. vor der ersten Zelle) über Widerstände (wie z.B. Widerstände 103, 104 und 105) parallel geschaltet. Die Widerstände weisen vorzugsweise die gleichen Widerstandswerte auf, um sicherzustellen, dass über jeden Zweig eine gleiche Strommenge aufgenommen wird.
  • Der Anodenanschluss der Licht emittierenden Diode in jedem Zweig ist mit dem Kathodenanschluss von entsprechenden Licht emittierenden Dioden in benachbarten Zweigen verbunden. Zum Beispiel ist der Anodenanschluss der Licht emittierenden Diode 110 über einen Nebenschluss (wie z.B. Nebenschluss 114) mit einer darin geschalteten, Licht emittierenden Diode (wie z.B. der Licht emittierenden Diode 112) mit dem Kathodenanschluss der Licht emittierenden Diode 111 verbunden. Des Weiteren ist der Anodenanschluss der Licht emittierenden Diode 110 über einen Nebenschluss (wie z.B. Nebenschluss 124) mit einer darin geschalteten, Licht emittierenden Diode (wie z.B. der Licht emittierenden Diode 121) mit dem Kathodenanschluss der Licht emittierenden Diode 116 verbunden.
  • Ebenso ist der Anodenanschluss der Licht emittierenden Diode 111 über einen Nebenschluss (wie z.B. Nebenschluss 115) mit einer darin geschalteten, Licht emittierenden Diode (wie z.B. der Licht emittierenden Diode 113) mit dem Kathodenanschluss der Licht emittierenden Diode 110 verbunden. Der Anodenanschluss der Licht emittierenden Diode 111 ist ebenfalls über einen Nebenschluss (wie z.B. Nebenschluss 120) mit einer darin geschalteten, Licht emittierenden Diode (wie z.B. der Licht emittierenden Diode 118) mit dem Kathodenanschluss der Licht emittierenden Diode 116 verbunden. Die Energieversorgungsquelle 199 führt den Licht emittierenden Dioden über die Widerstände 103, 104 und 105 ein Stromsignal zu. An den Kathodenanschlüssen der letzten Licht emittierenden Dioden in jedem Zweig sind in Anordnung 100 zusätzliche Widerstände 106, 107 und 108 vorgesehen.
  • Licht emittierende Dioden, welche gemäß der in 3(a) dargestellten Anordnung geschaltet sind, weisen ein Maß an Zuverlässigkeit auf, welches mit Licht emittierenden Dioden, die gemäß der in 2(b) dargestellten Anordnung geschaltet sind, vergleichbar ist. Dieses ergibt sich , da bei Ausfall durch einen offenen Stromkreis ein gesamter Zweig nicht auf Grund des Ausfalls einer Licht emittierenden Diode in diesem Zweig erlischt. Stattdessen fließt Strom über Nebenschlüsse 114, 115 usw., um eine ausgefallene, Licht emittierende Diode zu umgehen. Wenn zum Beispiel die Licht emittierende Diode 110 von 3(a) ausfällt, fließt Strom über Zweig 102(b) und die Licht emittierende Diode 113 sowie über Zweig 102(c) und die Licht emittierende Diode 122 noch immer zu der Licht emittierenden Diode 140 (und beleuchtet diese dadurch). Darüber hinaus fließt noch immer Strom von Zweig 102(a) über Nebenschlüsse 114 und 124 jeweils zu benachbarten Zweigen 102(b) und 102(c).
  • Ferner erlöschen Licht emittierende Dioden in weiteren Zweigen und Nebenschlüssen nicht auf Grund des Ausfalls einer Licht emittierenden Diode in einem Zweig. Dieses ergibt sich, da die Licht emittierenden Dioden nicht parallel geschaltet sind. Wenn zum Beispiel die Licht emittierende Diode 110 kurzgeschlossen wird, fließt Strom durch den oberen Zweig 102(a), welcher keinen Spannungsabfall aufweist, und ebenfalls jeweils durch die Licht emittierenden Dioden 112 und 121 in Nebenschlüssen 114 und 124. Die Licht emittierenden Dioden 112 und 121 bleiben beleuchtet, da der durch diese fließende Strom, im Gegensatz zu dem bei der Anordnung von 2(b) erfolgenden Abfall, lediglich um eine geringe Höhe abfällt. Die Licht emittierenden Dioden 112 und 116 sowie die Nebenschlüsse, welche mit deren Eingangsanschlüssen verbunden sind, bleiben ebenfalls beleuchtet, da ein Stromfluss durch diese über die Zweige 102(b) und 102(c) aufrechterhalten wird.
  • Zudem werden bei der Anordnung 100 von Licht emittierenden Dioden ebenfalls weitere Probleme, die sich bei bekannten Anordnungen von Licht emittierenden Dioden zeigten, verringert. Zum Beispiel stellt die erfindungsgemäße Anordnung 100 von Licht emittierenden Dioden gemäß einem Ausführungsbeispiel sicher, dass sämtliche Licht emittierende Dioden der Anordnung die gleiche Helligkeit aufweisen, ohne dass die Notwendigkeit besteht, dass die Licht emittierenden Dioden an die Durchlassspannungscharakteristiken eng angepasst wurden. Zum Beispiel können die Licht emittierenden Dioden 110, 111, 112, 113, 116, 117, 118, 121 und 122 der in 3(a) dargestellten Anordnung Durchlassspannungscharakteristiken aufweisen, welche nicht so eng wie die Durchlassspannungscharakteristiken der Licht emittierenden Dioden 51, 61, 71 und 81 der in 2(b) dargestellten Anordnung angepasst sind. Dieses ergibt sich, da, im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen, die Licht emittierenden Dioden in Zelle 101 der Anordnung 100 nicht parallel zueinander geschaltet sind.
  • Da die Licht emittierenden Dioden in jeder Zelle nicht parallel geschaltet sind, muss der Spannungsabfall an den Dioden nicht gleich sein. Daher müssen die Durchlassspannungscharakteristiken jeder Licht emittierenden Diode nicht identisch mit anderen sein, um gleiche Beleuchtungsstärken vorzusehen. Mit anderen Worten, der Stromfluss durch eine Licht emittierende Diode mit einer niedrigeren Durchlassspannung steigt nicht an, um die Durchlassspannung der Licht emittierenden Diode an die höhere Durchlassspannung einer anderen Licht emittierenden Diode anzugleichen.
  • Da es nicht erforderlich ist, Licht emittierende Dioden mit eng angepassten Durchlassspannungscharakteristiken zu haben, besteht bei der vorliegenden Erfindung nicht die Notwendigkeit, Licht emittierende Dioden mit eng angepassten Spannungscharakteristiken zusammenzufassen. Daher werden durch die vorliegende Erfindung zusätzliche Herstellungskosten und -zeit, welche durch den Gruppeneinteilungsvorgang bekannter Anordnungen von Licht emittierenden Dioden erforderlich werden, reduziert.
  • 4(a) zeigt eine dreidimensionale Anordnung 200 von Licht emittierenden Dioden, wie bei einem Beleuchtungssystem verwendet, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die in 4(a) dargestellte Anordnung zeigt erneut eine dreidimensionale Matrixstruktur mit in Kaskade geschalteten Zellen 201(a), 201(b) bis 201(n) aus Licht emittierenden Dioden. Gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kann eine beliebige Anzahl Zellen 201 in Kaskade geschaltet werden. Es sei erwähnt, dass, gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorlie genden Erfindung und wie zuvor erwähnt, die Anordnung so konfiguriert sein kann, dass jede der Licht emittierenden Dioden auf einem Anzeigefeld angeordnet ist.
  • In dem in 4(a) dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Beleuchtungssystem sechs Zweige und einen hexagonalen Querschnitt auf. Der hexagonale Querschnitt ist ebenfalls in 4(b) dargestellt, obgleich die vorliegende Erfindung in ihrem Anwendungsbereich in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt ist. Jeder der Zweige 202(a) bis 202(f) von 4(a) wird als Zweigendknoten 202(a) bis 202(f) in 4(b) bezeichnet. 4(c) zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, in dem der hexagonale Querschnitt auf jeder Seite wiederholt wird, um sechs zusätzliche, hexagonale Querschnitte mit insgesamt vierundzwanzig Zweigen zu bilden, wobei das Ende jedes Zweigs durch die Zweigendknoten 202(a) bis 202(x) gekennzeichnet ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht die Möglichkeit, eine beliebige Anzahl Zweige und Querschnittsform einzusetzen.
  • Zurückkommend auf 4(a) weist jede Zelle 201 von Anordnung 200 entsprechende Licht emittierende Dioden von sechs Zweigen 202(a) bis 202(f) auf. Die Zweige 202(a) bis 202(f) sind zu Beginn (d.h. vor der ersten Zelle) über Widerstände 203 bis 208 jeweils parallel geschaltet. Die Widerstände weisen vorzugsweise die gleichen Widerstandswerte auf um sicherzustellen, dass über jeden Zweig eine gleiche Strommenge aufgenommen wird. Die Energieversorgungsquelle 299 führt den Licht emittierenden Dioden über Widerstände 203 bis 208 Strom zu. In Anordnung 200 werden an den Kathodenanschlüssen der letzten Licht emittierenden Dioden der dargestellten Anordnung zusätzliche Widerstände (wie z.B. die als Widerstände 209 bis 212 dargestellten) verwendet.
  • In jeder Zelle ist der Anodenanschluss der Licht emittierenden Diode in einem Zweig über einen Nebenschluss mit einer darin geschalteten, Licht emittierenden Diode mit dem Kathodenanschluss der Licht emittierenden Diode in einem benachbarten Zweig verbunden. Somit ist zwischen den aneinander grenzenden Zweigen 202(a) und 202(b) der Anodenanschluss der Licht emittierenden Diode 210 über den Nebenschluss 214 mit einer darin geschalteten, Licht emittierenden Diode 212 mit dem Kathodenanschluss der Licht emittierenden Diode 211 verbunden. Darüber hinaus ist der Anodenanschluss der Licht emittierenden Diode 211 über den Nebenschluss 215 mit einer darin geschalteten, Licht emittierenden Diode 213 mit dem Kathodenanschluss der Licht emittierenden Diode 210 verbunden.
  • Gleichermaßen ist zwischen den benachbarten Zweigen 202(b) und 202(c) der Anodenanschluss der Licht emittierenden Diode 211 über Nebenschluss 220 mit dem Kathodenanschluss der Licht emittierenden Diode 216 verbunden. Nebenschluss 220 weist die darin geschaltete, Licht emittierenden Diode 218 auf. Der Anodenanschluss der Licht emittierenden Diode 216 ist über Nebenschluss 219 mit dem Kathodenanschluss der Licht emittierenden Diode 211 verbunden. Nebenschluss 219 weist die darin geschaltete, Licht emittierende Diode 217 auf. Zudem ist zwischen den aneinander grenzenden Zweigen 202(f) und 202(a) der Anodenanschluss der Licht emittierenden Diode 225 über Nebenschluss 223 mit dem Kathodenanschluss der Licht emittierenden Diode 210 verbunden. Nebenschluss 223 weist die darin geschaltete, Licht emittierende Diode 222 auf. Der Anodenanschluss der Licht emittierenden Diode 210 ist über Nebenschluss 224 mit dem Kathodenanschluss der Licht emittierenden Diode 225 verbunden. Nebenschluss 224 weist die darin geschaltete, Licht emittierende Diode 221 auf.
  • Obgleich in 4(a) nicht dargestellt, sind zusätzliche, Licht emittierende Dioden mit den Zweigen 202(d) und 202(e) verbunden, von denen jeder ebenfalls an benachbarte Zweige gekoppelt ist, um Nebenschlüsse mit dazwischen liegenden, Licht emittierenden Dioden vorzusehen. Es sei erwähnt, dass zudem, gemäß verschiedenen weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, jeder der Zweige in einer Zelle, und nicht bloß die sich in der unmittelbaren Nähe befindlichen, über Nebenschlüsse mit irgendwelchen oder allen weiteren Zweigen in der Zelle verbunden sein kann. Somit kann zum Beispiel Zweig 202(a), wie in 4(a) dargestellt, neben der Ankopplung an die Zweige 202(b) und 202(f), über Nebenschlüsse mit 202(c), 202(d) oder 202(e) verbunden sein.
  • Licht emittierende Dioden, welche gemäß der in 4(a) dargestellten, dreidimensionalen Anordnung geschaltet sind, weisen ein hohes Maß an Zuverlässigkeit auf, da bei Ausfall durch einen offenen Stromkreis auf Grund des Ausfalls einer Licht emittierenden Diode in diesem Zweig nicht ein ganzer Zweig erlischt. Stattdessen fließt Strom über die Nebenschlüsse (z.B. die Nebenschlüsse 214 oder 215 usw.), um eine ausgefallene, Licht emittierende Diode zu umgehen. Wenn zum Beispiel die Licht emittierende Diode 211 von 4(a) ausfällt und ein offener Stromkreis besteht, fließt noch immer Strom über Zweig 202(a) und die Licht emittierende Diode 212 sowie über Zweig 202(c) und die Licht emittierende Diode 218 zu der Licht emittierenden Diode 241 (und beleuchtet diese dadurch). Darüber hinaus fließt noch immer Strom von Zweig 202(b) zu den benachbarten Zweigen 215 und 219.
  • Des Weiteren erlöschen bei einem Kurzschlussausfall Licht emittierende Dioden in anderen Zweigen und Nebenschlüssen auf Grund des Ausfalls einer Licht emittierenden Diode in einem Zweig nicht. Dieses ist darauf zurückzuführen, dass die Licht emittierenden Dioden nicht parallel geschaltet sind. Wenn zum Beispiel die Licht emittierende Diode 210 kurzgeschlossen wird, fließt Strom durch den oberen Zweig 202(a), welcher keinen Spannungsabfall aufweist, und fließt ebenfalls jeweils durch die Licht emittierenden Dioden 212 und 221 in den Nebenschlüssen 214 und 224. Die Licht emittierenden Dioden 212 und 221 bleiben beleuchtet, da der durch diese fließende Strom, im Gegensatz zu dem in der Anordnung von 2(b) stattfindenden Abfall, lediglich um eine geringe Höhe abfällt. Die Licht emittierenden Dioden 211, 216 usw. sowie die Nebenschlüsse, welche mit deren Eingangsanschlüssen verbunden sind, bleiben ebenfalls beleuchtet, da ein Stromfluss durch diese über die Nebenschlüsse 202(b) bis 202(f) aufrechterhalten wird.
  • Wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen, eliminiert die in 4(a) dargestellte Anordnung von Licht emittierenden Dioden ebenfalls das sich bei den bekannten Anordnungen zeigende Problem, wonach es erforderlich ist, dass die Licht emittierenden Dioden in einer Zelle eng angepasste Durchlassspannungscharakteristiken aufweisen. Zum Beispiel sind die Licht emittierenden Dioden in Zelle 201 von Anordnung 200, speziell die Licht emittierenden Dioden 210 bis 225, nicht parallel zueinander geschaltet, wodurch bewirkt wird, dass der Stromfluss durch eine Licht emittierende Diode eine niedrigere Durchlassspannung aufweist, um die Durchlassspannung der Licht emittierenden Diode an die höhere Durchlassspannung einer anderen Licht emittierenden Diode anzugleichen. Somit werden durch die vorliegende Erfindung die zusätzlichen Herstellungskosten und die zusätzliche Herstellungszeit, welche durch den Gruppeneinteilungsvorgang der bekannten Anordnungen von Licht emittierenden Dioden erforderlich sind, reduziert.
  • 5(a) zeigt eine dreidimensionale Anordnung 300 von Licht emittierenden Dioden, wie bei einem Beleuchtungssystem verwendet, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die in 5(a) dargestellte Anordnung zeigt erneut eine dreidimensionale Matrixstruktur mit in Kaskade geschalteten Zellen 301 aus Licht emittierenden Dioden. Es sei erwähnt, dass, gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, eine beliebige Anzahl Zellen 301 in Kaskade geschaltet werden kann.
  • In dem in 5(a) dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Beleuchtungssystem sieben Zweige (sechs äußere Zweige und einen zentralen Zweig) auf und sieht einen hexagonalen Querschnitt vor. Der hexagonale Querschnitt ist ebenfalls in 5(b) dargestellt, obgleich die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht in ihrem Anwendungsbereich nicht eingeschränkt ist. Jeder der Zweige 302(a) bis 302(g) von 5(a) wird als Zweigendknoten 302(a) bis 302(g) in 5(b) bezeichnet. 5(c) zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, in welchem der hexagonale Querschnitt auf jeder seiner Seiten wiederholt wird, um sechs zusätzliche, hexagonale Querschnitte mit insgesamt einunddreißig Zweigen zu bilden, wobei das Ende jedes Zweigs durch die Zweigendknoten 302(a) bis 302(ee) gekennzeichnet ist. Die vorliegende Erfindung sieht vor, eine beliebige Anzahl äußere Zweige und zentrale Zweige einzusetzen. Es sei ebenfalls erwähnt, dass die Begriffe "äußere" und "zentrale" lediglich eine mögliche Nähe beschreiben, und dass die Anordnung anders als die in 5(a) dargestellte konfiguriert sein kann.
  • Zurückkommend auf 5(a), weist Anordnung 300 Zweige 302(a) bis 302(g) auf, wobei jeder Zweig eine große Anzahl Licht emittierender Dioden, welche in Reihe geschaltet sind, aufweist. Eine Gruppe von entsprechenden, Licht emittierenden Dioden jedes Zweigs (zusammen mit Kopplungsnebenschlüssen, welche weiter unten näher erläutert werden) bildet eine Zelleneinheit. Jede Zelle 301 von Anordnung 300 umfasst eine Gruppe von Licht emittierenden Dioden von den sechs äußeren Zweigen 302(a) bis 302(f). Darüber hinaus weist Zelle 301 einen zentralen Zweig 302(g) auf, mit welchem, gemäß einem Ausfihrungsbeispiel, jeder der äußeren Zweige verbunden ist. Gemäß verschiedenen weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, ist der zentrale Zweig 302(g) mit einem oder mehreren äußeren Zweigen 302(a) bis 302(f) verbunden. Obgleich in 5(a) lediglich ein einziger zentraler Zweig dargestellt ist, sieht die vorliegende Erfindung vor, dass mehr als ein zentral angeordneter Zweig eingesetzt werden kann.
  • Wie zuvor erwähnt, weist jede Zelle 301 von Anordnung 300 eine erste Licht emittierende Diode (wie z.B. die Licht emittierende Diode 310) von Zweig 302(a), eine erste Licht emittierende Diode (wie z.B. die Licht emittierende Diode 311) von Zweig 302(b) sowie eine erste Licht emittierende Diode (wie z.B. die Licht emittierende Diode 316) des zentralen Zweigs 302(g) auf. Jeder der Zweige mit den Licht emittierenden Dioden ist zu Beginn (d.h. vor der ersten Zelle) über Widerstände (wie z.B. Widerstände 303, 304 und 305) parallel geschaltet. Die Widerstände weisen vorzugsweise vorgegebene Widerstandswerte auf, um sicherzustellen, dass über jeden Zweig eine gleiche Menge Strom aufgenommen wird.
  • Der Anodenanschluss der Licht emittierenden Diode in jedem Zweig ist an den Kathodenanschluss entsprechender Licht emittierender Dioden in anderen Zweigen gekoppelt. Zum Beispiel ist der Anodenanschluss der Licht emittierenden Diode 310 über einen Nebenschluss (wie z.B. Nebenschluss 314) mit einer darin geschalteten, Licht emittierenden Diode (wie z.B. der Licht emittierenden Diode 312) mit dem Kathodenanschluss der Licht emittierenden Diode 311 verbunden. Des Weiteren ist der Anodenanschluss der Licht emittierenden Diode 310 über einen Nebenschluss (wie z.B. Nebenschluss 324) mit einer darin geschalteten, Licht emittierenden Diode (wie z.B. der Licht emittierenden Diode 321) mit dem Kathodenanschluss der Licht emittierenden Diode 316 verbunden.
  • Gleichermaßen ist der Anodenanschluss der Licht emittierenden Diode 311 über einen Nebenschluss (wie z.B. Nebenschluss 315) mit einer darin geschalteten, Licht emittierenden Diode (wie z.B. der Licht emittierenden Diode 313) mit dem Kathodenanschluss der Licht emittierenden Diode 310 verbunden. Der Anodenanschluss der Licht emittierenden Diode 311 ist über einen Nebenschluss (wie z.B. Nebenschluss 320) mit einer darin geschalteten, Licht emittierenden Diode (wie z.B. der Licht emittierenden Diode 318) ebenfalls mit dem Kathodenanschluss der Licht emittierenden Diode 316 verbunden. Die Energieversorgungsquelle 399 führt den Licht emittierenden Dioden über die Widerstände 303 bis 308 ein Stromsignal zu. Es werden in Anordnung 300 an den Kathodenanschlüssen der letzten Licht emittierenden Dioden in jedem Zweig zusätzliche Widerstände 391, 392 usw. eingesetzt.
  • Licht emittierende Dioden, welche gemäß der in 5(a) dargestellten Anordnung geschaltet sind, weisen ein hohes Maß an Zuverlässigkeit auf. Dieses ergibt sich, da bei Ausfall durch einen offenen Stromkreis auf Grund des Ausfalls einer Licht emittierenden Diode in diesem Zweig nicht der gesamte Zweig erlischt. Stattdessen fließt Strom über Nebenschlüsse 314, 315 usw., um eine ausgefallene, Licht emittierende Diode zu umgehen. Wenn zum Beispiel die Licht emittierende Diode 310 von 5(a) ausfällt, fließt über Zweig 302(b) und die Licht emittierende Diode 313 sowie über Zweig 302(g) und die Licht emittierende Diode 322 noch immer Strom zu anderen Licht emittierenden Dioden in Zweig 302(a). Zudem fließt jeweils über die Nebenschlüsse 314 und 324 noch immer Strom von Zweig 302(a) zu den benachbarten Zweigen 302(b) und 302(c).
  • Des Weiteren erlöschen bei einem Kurzschlussausfall auf Grund des Ausfalls einer Licht emittierenden Diode in einem Zweig keine Licht emittierenden Dioden in anderen Zweigen und Nebenschlüssen. Dieses ergibt sich, da die Licht emittierenden Dio den nicht parallel geschaltet sind. Wenn zum Beispiel die Licht emittierende Diode 310 kurzgeschlossen wird, fließt Strom durch den oberen Zweig 302(a), welcher keinen Spannungsabfall aufweist, und fließt ebenfalls jeweils durch die Licht emittierenden Dioden 312 und 321 in den Nebenschlüssen 314 und 324. Die Licht emittierenden Dioden 312 und 321 bleiben beleuchtet, da der durch diese fließende Strom, im Gegensatz zu dem, bei der Anordnung von 2(b) erfolgenden Abfall, lediglich um eine geringe Höhe abfällt. Die Licht emittierenden Dioden 311 und 316 sowie die Nebenschlüsse, welche mit deren Eingangsanschlüssen verbunden sind, bleiben ebenfalls beleuchtet, da über die Zweige 302(b) bis 302(g) ein Stromfluss durch diese aufrechterhalten wird.
  • Darüber hinaus werden bei Anordnung 300 von Licht emittierenden Dioden ebenfalls weitere, bei den bekannten, Licht emittierenden Anordnungen auftretende Probleme verringert. Zum Beispiel stellt die erfindungsgemäße Anordnung 300 von Licht emittierenden Dioden gemäß einem Ausführungsbeispiel sicher, dass sämtliche Licht emittierende Dioden in der Anordnung die gleiche Helligkeit aufweisen, ohne dass die Licht emittierenden Dioden eng angepasste Durchlassspannungscharakteristiken aufweisen müssen. Zum Beispiel können die Licht emittierenden Dioden 310, 311, 312, 313, 316, 317, 318, 321 und 322 der in 5(a) dargestellten Anordnung Durchlassspannungscharakteristiken aufweisen, welche nicht so eng wie die Durchlassspannungscharakteristiken der Licht emittierenden Dioden 51, 61, 71 und 81 der in 2(b) dargestellten Anordnung angepasst sind. Dieses ergibt sich, da, im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen, die Licht emittierenden Dioden in Zellen 301 von Anordnung 300 nicht parallel zueinander geschaltet sind.
  • Wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen muss, da Licht emittierende Dioden in jeder Zelle von Anordnung 300 nicht parallel geschaltet sind, der Spannungsabfall an den Dioden nicht gleich sein. Daher müssen die Durchlassspannungscharakteristiken jeder Licht emittierenden Diode nicht mit anderen identisch sein, um gleiche Beleuchtungsstärken vorzusehen, und der Stromfluss durch eine Licht emittierende Diode mit einer niedrigeren Durchlassspannung steigt nicht an, um die Durchlassspannung der Licht emittierenden Diode an die höhere Durchlassspannung einer anderen Licht emittierenden Diode anzugleichen. Auf Grund der Tatsache, dass es nicht erforderlich ist, Licht emittierende Dioden mit eng angepassten Spannungscharakteristiken in Gruppen einzuteilen, werden bei der vorliegenden Erfindung zusätzliche Herstellungskosten sowie zusätzli cthe Herstellungszeit, die durch den Verbindungsvorgang von bekannten Anordnungen von Licht emittierenden Dioden erforderlich werden, reduziert.
  • Wie zuvor erwähnt, kann durch die erfindungsgemäße, dreidimensionale Anordnung von Licht emittierenden Dioden das Beleuchtungssystem aus mehreren verschiedenen Richtungen betrachtet werden. Folglich ist das Beleuchtungssystem der vorliegenden Erfindung insbesondere für Einsätze, wie z.B. Schreibtischlampen, Lichtsignale, Sicherheitsleuchten, Leuchtreklame usw., gut geeignet. Dagegen sind die meisten bekannten Anordnungen von Licht emittierenden Dioden so ausgelegt, dass diese praktisch nur aus einer einzigen Richtung betrachtet werden können.

Claims (11)

  1. Beleuchtungssystem (100), welches aufweist: eine Energieversorgungsquelle; eine große Anzahl von elektrisch leitenden, in einer dreidimensionalen Anordnung vorgesehenen Zweige (102), wobei die Zweige (102) parallel zu der Energieversorgungsquelle geschaltet sind, jeder der Zweige (102) mindestens eine Licht emittierende Diode (110) aufweist und jede Licht emittierende Diode in einem Zweig zusammen mit entsprechenden Licht emittierenden Dioden in den restlichen Zweigen eine Zelle (101) definiert; sowie eine große Anzahl Nebenschlüsse (114), wobei in jeder Zelle für jede Licht emittierende Diode in jedem der Zweige einer der Nebenschlüsse (114) einen Anodenanschluss der Licht emittierenden Diode (110) in einem der Zweige mit einem Kathodenanschluss von mindestens zwei entsprechenden, jeweils in einem benachbarten Zweig vorgesehenen, Licht emittierenden Dioden (111) verbindet, und wobei jeder Nebenschluss (114) eine Licht emittierende Diode (112) aufweist.
  2. Beleuchtungssystem (100) nach Anspruch 1, wobei ein Querschnitt der großen Anzahl Zweige (102) rechteckig ist.
  3. Beleuchtungssystem (100) nach Anspruch 2, wobei jede Seite des Querschnitts weiterhin zusätzliche rechteckige Teile aufweist, um zusätzliche Zweige zu bilden.
  4. Beleuchtungssystem (100) nach Anspruch 1, wobei ein Querschnitt der großen Anzahl Zweige (102) hexagonal ist.
  5. Beleuchtungssystem (100) nach Anspruch 4, wobei jede Seite des Querschnitts der großen Anzahl Zweige (102) weiterhin zusätzliche hexagonale Teile aufweist, um zusätzliche Zweige zu bilden.
  6. Beleuchtungssystem (100) nach Anspruch 1, wobei die große Anzahl Zweige weiterhin mindestens einen zentralen Zweig (302(g)) aufweist.
  7. Beleuchtungssystem (100) nach Anspruch 6, wobei mindestens einer der großen Anzahl Zweige über einen Nebenschluss mit mindestens einem zentralen Zweig (302(g)) verbunden ist.
  8. Beleuchtungssystem (100) nach Anspruch 1, wobei der Zweig (102) weiterhin einen Widerstand aufweist.
  9. Beleuchtungssystem (100) nach Anspruch 1, wobei bei jedem Zweig (102) der Widerstand ein erstes Element darstellt.
  10. Beleuchtungssystem (100) nach Anspruch 1, wobei bei jedem Zweig (102) der Widerstand ein letztes Element darstellt.
  11. Beleuchtungssystem (100) nach Anspruch 1, wobei Licht emittierende Dioden jeder der Zellen unterschiedliche Durchlassspannungscharakteristiken aufweisen.
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