CN101646898A - 半导体灯模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体灯模块，其具有一体的电子驱动装置，在所述半导体灯模块中半导体光源(3)安装在表面导电的盘状的模块上，并且所述模块具有良好的导热性，并且其中所述电子驱动装置围绕所述半导体光源定位，并且其中所述电子驱动装置由具有至少两个带状导线平面的印刷电路板(500)组成，并且第一平面(510)在安装状态下向外指向发光方向，而第二平面(515)由集成在模块内的封闭的空腔包封。

Description

半导体灯模块
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的半导体灯模块。
背景技术
例如在WO 2006/066530 A1中公开了一种半导体灯模块和一种汽车前照灯。这个已公布的专利申请描述了一种半导体灯模块，其具有：至少一个发光二极管芯片；构成为散热体的外壳，所述外壳部分地包围至少一个发光二极管芯片；以及用于相对于散热体在明确的位置和方向上固定至少一个发光二极管芯片的固定件，其中散热体设有用于将半导体灯模块安装在汽车前照灯内的紧固机构。
与在普通照明中的应用相比，在汽车上的应用具有提高的要求结构。它必须克服如非常高和非常低的温度、湿度和喷水的不利的环境影响，并且机械构造由于在汽车中出现的碰撞和振动明确地更结实地构成。对电子装置也提出了特殊的要求。为此包括非常大的输入电压范围，这与相对于电磁适应性的非常严格的控制完全一样，可经受住来自汽车电气系统的大的电压跃变和过压峰值。
如从上述现有技术中可看出，半导体光源日益增加地被直接应用在散热体，这保证了明显提高的散热。但是驱动电路依然将在印刷电路板上获得空间，因此出现驱动电路和半导体光源如何能够在半导体灯模块上获得空间的问题。因为例如LED(发光二级管)或OLED(有机发光二极管)的新式的半导体光源借助高的电流和常常以脉冲形式激励，所以半导体灯模块常常具有电磁干扰的问题。在机动车辆中的使用总是要结合少量的可用空间，并且因为由于维护能力的原因必须允许模块的简单的更换，所以需要半导体光源的激励和半导体光源形成尽可能紧凑的单元。
发明内容
因此本发明的目的是，提供一种半导体灯模块，在所述半导体灯模块中与上述现有技术相比改善了电磁适应性。
该目的通过权利要求1的特征得以实现。在从属权利要求中说明了本发明的尤其有利的实施方式。
根据本发明的半导体灯模块由具有导热能力的盘状模块组成，在所述盘状模块上一个或多个半导体光源大约设置在中心。这个区域相对于环绕的区域突起。沿着模块的圆周存在大约与突起的区域等高度的侧壁，在所述区域上存在半导体光源。因此产生沿发光方向开口的内部空间。在突起的区域和侧壁上具有更深地存在的凸肩。模块至少在表面具有传导性并且与驱动电路的接地电连接。驱动电路位于圆形的印刷电路板上，所述印刷电路板具有比模块略微小的直径并且在中心在半导体光源的区域内留有空间。该印刷电路板可固定在模块上并且压在中心及凸肩上的边缘上。在模块内的内部空间和印刷电路板构成空腔。印刷电路板与模块导电地连接，并且半导体光源连接在印刷电路板上的驱动电路上。
通过这个机械构造获得紧凑式半导体灯模块，所述半导体灯模块确保用于半导体光源的良好的导热。驱动电路集成在模块上并且在驱动电路和半导体光源之间的导线能够保持非常的短。通过在模块内的空腔印刷电路板能够在两侧装有电子元件。第一带状导线平面向外指向发光方向，第二带状导线平面向内指向并且完全由空腔包围。
在此，引起电磁干扰的所有电路优选位于第二带状导线平面上。
散热体能够一体地安装在具有导热能力的模块上，其中散热体能够具有肋片状的结构，但是也能够具有分开的散热元件。分开的散热元件能够具有不同的形式，例如蜂窝状形式或水滴状形式。原理上可设想所有可能的形式，但是首先是轴对称的形式。
如果打算使用半导体灯模块作为射灯用于普通照明，那么散热体能够借助例如蜂窝状的内部结构构成管状。因此达到通过散热体产生连续的气流的烟囱效应。为此需要在模块片的背光侧上的进气口。
另一个实施形式提出，散热体不是模块片的一部分，而是可安装在模块片上。
半导体光源能够为LED或OLED。
为了屏蔽由在第二带状线路平面上的电路产生的电磁干扰，有利的是，印刷电路板具有中间层，所述中间层与模块片电连接并且因此位于地电位上。
附图说明
图1示出在第一实施形式中的根据本发明的半导体灯模块的三维分解图；
图2示出根据本发明的半导体灯模块的第二实施形式的等比例图；
图3a示出根据本发明的半导体灯模块的第一实施形式的俯视图；
图3b示出根据本发明的半导体灯模块的第二实施形式的斜视图；
图4示出根据本发明的半导体灯模块的第二实施形式的第一变形方案的等比例图；
图5a、5b示出根据本发明的半导体灯模块的第二实施形式的第二变形方案的等比例图；
图6a、6b示出根据本发明的半导体灯模块的第二实施形式的第三变形方案的等比例图；
图7a、7b示出根据本发明的半导体灯模块的第二实施形式的第四变形方案的等比例图；
图8示出设置在印刷电路板上的驱动逻辑电路的框图；
图9a、9b示出具有第一和第二带状导线平面的印刷电路板的等比例图。
具体实施方式
在图1、3a和3b中示出第一实施形式。它包括盘状的半导体灯模块，在所述半导体灯模块上能够固定有散热体。
根据本发明的第一实施形式的半导体灯模块包括基本上圆柱形对称的罐状铝质外壳100，其具有圆盘状的底部101和在底部101上形成的侧壁102，所述侧壁102沿着圆柱体的外壳表面延伸。底部101和侧壁102形成内部空间。外壳100尤其构成为压铸铝质件。外壳100的底部101在其内侧具有一体地与底部101构成的凸起103，所述凸起103具有高的中间部分1030和两个更深地存在的平台1031、1032。中间部分1030的顶部的超出外壳100的底部101的高度高于两个设置在中间部分的不同侧上的平台1031、1032。中间部分的顶部形成用于由陶瓷制品组成的支座板的支承面，所述陶瓷制品用作五个发光二极管芯片和主光学单元的支座。支座板2确保了在金属的外壳100，尤其是凸起103和发光二极管芯片3之间的电绝缘。五个发光二极管芯片3成一排地设置在支座板2上并且由框架壁包围。但是也能够成两排地设置六个发光二极管芯片。发光二极管芯片3发出蓝色的光并且设有荧光材料涂层(芯片层涂层)，以便改变由发光二极管芯片3产生的部分电磁放射的波长，使得照明设备在其工作期间发出显现白色的光。发光二极管芯片3例如为薄膜发光二极管芯片，例如在文献I.Schnitzer et al.，Appl.Phys.Lett.63(16)，18.Oktober 1993，2174-2176中说明了所述薄膜发光二极管芯片的基本原理。支座板2借助于自动插入元件设备以预定的距离和以相对于设置在第一平台1031上的空心圆柱形的腹板105和设置在第二平台1032上的长孔104明确地定义的方向粘合在平台103的中间部分1030的顶部。具有设置在其上的发光二极管芯片3的支座板2设置在长孔104和空心圆柱形腹板105之间。圆柱形的空心腹板105的顶部和具有椭圆形横向腹板的腹板106的顶部具有与中间部分1030的顶部相同的超出外壳101的高度。
在第一平台1031的区域内，凸起103具有两个设置在平台1031的不同侧的分别具有销钉1090、1100的凸耳状的形成的部分109、110。销钉1090、1100用于铆固装配印刷电路板500，所述装配印刷电路板500压在第一平台1031和第二平台1032的顶部以及三个此外分别设有销钉1110、1120、1130的支承面111、112、113上。上述支承面111、112、113等距离地沿着分布在侧壁102的内侧上的环形腹板114设置。装配印刷电路板500(图9a、9b)具有两个基本上矩形的穿孔501、502，中间部分1030和腹板105、106以及销钉107、108凸起穿过所述穿孔。用于发光二极管芯片3的工作设备的部件装配在装配印刷电路板上。工作设备尤其包括内部的电源509、故障检测逻辑电路512、降低定额值逻辑电路508和用于位于带状线路平面510上的直流变压器的驱动逻辑电路，以及用于从机动车辆的位于第二带状线路平面上的汽车电气系统电压给LED供电的输入端滤波器(506)和直流变压器(507)。与温度有关的电阻525，尤其是所谓的NTC(具有负温度系数的电阻)连接在降低定额值逻辑电路508上。该逻辑电路确保在高温的情况下借助降低的电能驱动发光二极管芯片3。故障检测512通过状态输出端540(插头，例如借助于开路集电极实施)用信号传递LED或LED串的故障。因此可能在机动车辆仪表板上指示。输入端滤波器506确保导线连接的干扰不能够通过载流引线传向外界。因此，由于其脉冲的工作导致强的电磁干扰的承载电能的大的部件全部位于第二带状导线平面515上，所述第二带状导线平面515在印刷电路板500的安装状态下向内指向内部空间。因此，在指向发光方向的第一带状线路平面510上只存在借助来自内部的电源509的小信号电压操纵的逻辑组件。印刷电路板500通过五个固定点1090、1100、1110、1120、1130与外壳100连接。固定能够通过螺纹连接、铆接、焊料焊接、熔焊焊接、热压等实现。印刷电路板优选铆接在外壳上。这种固定产生连接孔5090、5100、5110、5120、5130的相对于外壳100的良好的导电能力。连接孔最好与只带有地电位的第三带状导线平面连接。第三带状线路平面内置在第一和第二带状线路平面之间的印刷电路板内。第三带状线路平面屏蔽所有由于承载电能的部件在第二带状线路平面515上产生的干扰。导线连接的干扰通过在∏形布局中的输入端滤波器(506)被过滤。在此首先十分重要的是，LED驱动电路的输入端滤波器具有在驱动电路的接地带状导线平面上的非常好的耦合。这个耦合能够以DC或AC的方式进行。如果由于电路技术的原因直接的DC连接是不可能的，那么以AC的方式建立连接。以AC的方式意味着通过耦合电容器C耦合。几乎圆盘状的装配印刷电路板500的边缘终止于用于密封环600的环状的支承面114的内侧，使得装配印刷电路板500与接地的带状导线平面和外壳底部101以及环状腹板114或位于其上的密封环600一起形成空腔，所述空腔包围所有的干扰部件并且向外屏蔽干扰。因此半导体灯模块呈现出最佳的电磁兼容性(EMV)性能。
为了除了最佳的EMV性能还保证发光二极管芯片3的最佳的工作，驱动电路应该还具有其它的特征。对于发光二极管芯片3的最佳的驱动，稳流调节是必需的。由于不稳定的机动车辆电气系统推荐一种升压-降压(Boost-Buck)变压器布局(直流变压器的同时增高和降低转换器)。为了保持在框架内的半导体灯模块的发热，驱动电路必须具有超过80％的良好的效率。故障诊断电路和降低定额值逻辑电路的特征在前面已经讨论，因此在这里不再重复。为了同样保持超过寿命的前照灯的发光，能够提供光输出调节(在预设的窗口中调节LED的光通量)。对于其它的应用，例如组合的倒车/刹车灯或在普通照明中的可调暗的照明设备，能够设有用于借助于PWM(脉冲宽度调制)调暗的输入端530。为了排除由于例如连接半导体灯模块的错误的极化连接的不正确的操作而导致的损坏，能够设有极性颠倒保护二极管。如果半导体灯模块被设计用于机动车辆应用，那么过压保护(如果由于尤其是电感的负载转换突然在机动车辆电气系统中出现高于通常的电气系统电压的电压，那么不会毁坏驱动电路。)通常是必需的。也能够设有用于发光二极管芯片3的输出端的短路强度。
从上述在机动车辆(Kfz)中的用于半导体灯模块的LED驱动电路应该具有特征中，可以改进一种具有随后在图8中所示的框图的电路。为了使用于LED的驱动电路具有高的效率，必须使用直流变压器507。所以LED驱动器的核心件是直流变压器507，所述直流变压器507根据连接的发光二极管3的数量具有增高或降低转换器特性或者两者的组合。因为直流变压器507以确定的频率工作，所以由于EMV技术的原因需要在目前的直流变压器507前面设置输入端滤波器(例如∏形滤波器)。为了不影响滤波器的工作方式，这个输入端滤波器应该直接或至少间接地连接在直流变压器的系统接地(535)上并且因此也连接在冷却的元件上(在这里：具有或不具有散热体的外壳100)。滤波器的交流方式的连接能够借助于耦合电容C耦合实现。因为，由于电路技术的原因输入端滤波器接地545能够具有与剩下的LED驱动电路(系统接地535)不同的参考接地，所以实施上述措施。防止LED驱动电路极性颠倒的极性颠倒保护二极管连接在输入端滤波器506的后面。除了在图8中示出的借助于二极管的被动的保护外，当然肖特基二极管(Schottky-Diode)是有利的，借助于MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的主动的极性颠倒保护是可能的。连接有温度探头的降低定额值电路508负责与温度有关的电流调节用于防止二极管热损坏。温度探头525通过热耦合在LED(或者LED串或LED列)上来监控LED的温度。LED的在禁止的范围(根据使用的LED的数据页)内的导通电流ILED的过范围立刻导致该电流的减弱。除了温度监控电路508(降低定额值)外还提供故障检测电路512。如果在LED驱动器输出端存在至少由一个LED组成的LED串中的中断或者没有连接LED，那么在故障检测输出端540用信号传递。有利的是，输出端构成为开路集电极。因此提供了连接具有用于继续处理故障信号的不同的电压的不同的逻辑电路(例如通过上拉电阻连接)的可能性。
除了凸耳状的形成的部分109和空心圆柱形的腹板105以外，借助导热的糊状物充满的槽115构成在凸起103中。与温度有关的电阻(525)设置在槽115上，所述电阻与导热的糊状物接触并且用作温度传感器，以便测量发光二极管芯片3的工作温度。侧壁102具有沿着外壳100的圆周设置的三个切口1021、1022、1023，在所述切口内分别设置有平行于外壳底部101延伸的表面120、130、140。这些表面120、130、140具有超出外壳底部101的相同的高度并且分别通过指向外壳100的内部的缺口1141、1142、1143限定。朝外壳底部101的方向阶梯状变小的穿通的孔121设置在第一表面120内，所述孔从表面120延伸至外壳底部101的外侧。孔121构成为使得圆柱形的凹部122设置在表面120内，所述圆柱形的凹部的外半径相当于孔121的第一大半径并且其内半径相当于所述孔的第二小半径。孔121的深度在第一大半径范围内只有几毫米，而孔121的在第二小半径范围内的区域从凹部122的底部延伸至外壳底部101的外侧。也就是说，凹部122的超出外壳底部101的底部的高度只比表面120、130、140的超出外壳底部101的高度小几毫米。穿通的孔131、141同样分别设置在其它两个表面130、140内，所述孔的半径分别与第一孔121的窄的区域的半径一致。此外，两个通孔150设置在外壳底部101内，所述通孔用于使电连接电缆穿过，所述电连接电缆用于给操作设备的装配在装配印刷电路板上的部件供电。此外，外壳底部101最好具有用于固定散热体(未画出)的三个其它的孔。同样，除了纯电缆型式外还可使用如在第二实施形式中的具有插头的变形方案。
第二实施形式与第一实施形式的不同在于，散热体一体地形成在半导体灯模块上。因为在其它方面结构类型与在第一实施形式中的相同，所以在这里只说明相对于第一实施形式的不同之处。
在图2、4、5a、5b、6a、6b、7a和7b中以不同的变形方案示出第二实施形式。该实施形式具有一体地在半导体灯模块上形成的散热体。其优点在于，更好的导热以及更简单的并且因此总的半导体灯模块的成本更低的装配。具有用于插座的通孔来替代用于连接电缆的通孔150。但是也能够如在第一实施形式中说明的一样设有电缆型式。对于散热体的实施方式可设想不同的变形方案。
散热体的性能主要取决于在容积内哪些条件占主导地位，散热体位于所述容积内。如果存在强制通风，那么与如果只能够利用自然对流相比能够不同地构成散热体。在多数照明装置中，主要是在汽车前照灯中只能够利用自然对流。汽车前照灯将其光线大致水平地照射在地面上，因此半导体灯模块也沿大约水平的方向安装在前照灯内。
在第二实施形式的第一变形方案中，散热体具有肋片状结构。因为在散热体上将空气加热，所以发生从下至上的自然对流。因此在这两种方法中必须已知模块的安装位置，以便在其冷却处使散热片对准空气流，以致因此还达到最大的冷却效应。也就是说，在这里使用者必须考虑安装处的位置。此外能够发生的是，在通过肋片702形成的通道的内部流动的空气不与散热体壁接触并且因此热量不能够从冷却壁散出。这降低了最大可能的冷却作用。如在图4中可看出，在其它方面冷却空气在其流动时只是由于在背光侧形成的具有触点722的插座720而受到干扰。
如在图5a和5b中所示，第二实施形式的第一变形方案是具有例如蜂窝状的穹顶机构的分开的散热元件的散热体。在该散热体概念中，空气能够沿各个方向流过散热体，因此安装位置不再必须取决于气流。如在散热体的肋片形式中，通过散热元件“形成空隙”地设置并且因此空气不能够无阻碍地流过蜂窝状穹顶达到附加的冷却效应。通过强制湍流阻止流动通道的形成并且利用全部空气来散热。
由于在散热元件的背流侧上的气流的湍流，流动速度下降并且因此通过对流的散热也下降。通过选择散热元件的在空气动力学上改进的形式，因此例如在图6a和6b中提供的第三变形方案的水滴形式706，能够避免这个缺点。在这里也能够通过散热元件706的偏移的定位产生流动通道形成效应。然而在这个形式中，必须再次注意安装位置，因为空气动力学的形式只是在已知气流方向的情况下，例如通过风扇或通过从下至上的自然对流，才能够充分发挥其优点。
如果在散热体的下面存在热源，那么通过对称的管状结构能够产生均匀流动并且因此产生烟囱效应。第二实施形式的第四变形方案具有带有腹板710和蜂窝形开口708的蜂窝状的结构(图7a和7b)。然而这个冷却形式假定，发光二极管芯片3位于照明装置的底端并且因此几乎垂直地向下发光。这个应用在汽车中很少使用，但是例如在普通照明中起作用。射灯是可能的应用，在所述射灯中能够通过这样的蜂窝状散热体利用烟囱效应。

Claims (14)

1.一种半导体灯模块，具有一体的电子驱动装置，在所述半导体灯模块中半导体光源安装在表面导电的盘状的模块上，并且所述模块具有良好的导热性，其特征在于，所述电子驱动装置围绕所述半导体光源定位，并且其中所述电子驱动装置由具有至少两个带状导线平面的印刷电路板(500)组成，并且第一平面(510)在安装状态下向外指向发光方向，而第二平面(515)由集成在所述模块内的封闭的空腔包封，并且其中所述印刷电路板(500)的接地的导线与所述模块的表面电连接。
2.如权利要求1所述的半导体灯模块，其特征在于，引起电磁干扰的电路主要位于所述第二带状导线平面上。
3.如权利要求1或2所述的半导体灯模块，其特征在于，所述半导体灯模块具有一体地形成的散热体。
4.如权利要求3所述的半导体灯模块，其特征在于，所述散热体设有散热片。
5.如权利要求3所述的半导体灯模块，其特征在于，所述散热体设有分开的散热元件。
6.如权利要求5所述的半导体灯模块，其特征在于，所述分开的散热元件具有轴向对称的形式。
7.如权利要求5所述的半导体灯模块，其特征在于，所述分开的散热元件具有蜂窝状或水滴状形式。
8.如权利要求3所述的半导体灯模块，其特征在于，所述散热体具有管状结构并且在所述散热体的下边缘存在进气口，使得通过出现的烟囱效应促进空气循环。
9.如权利要求1或2所述的半导体灯模块，其特征在于，外部的散热体能够安装在所述半导体灯模块上。
10.如前述权利要求中任一项所述的半导体灯模块，其特征在于，所述半导体光源由至少一个LED组成。
11.如前述权利要求中任一项所述的半导体灯模块，其特征在于，所述半导体光源由至少一个OLED组成。
12.如前述权利要求中任一项所述的半导体灯模块，其特征在于，所述印刷电路板具有另一个带状导线平面，并且所述另一个带状导线平面为接地平面且与所述模块表面电连接。
13.如前述权利要求中任一项所述的半导体灯模块，其特征在于，连接汽车地线/接地(545)的输入端滤波器(506)直接地或通过耦合电容器(C耦合)连接于驱动电路的接地(535)。
14.如前述权利要求中任一项所述的半导体灯模块，其特征在于，所述模块由铝组成。
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