DE10102353A1 - LED-Signalmodul - Google Patents

LED-Signalmodul

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein LED-Signalmodul, bei dem die LED-Bauelemente (2) staubdicht verkapselt sind. Das Modul besitzt ein Baugruppengehäuse, das im Wesentlichen von einer Leiterplatte (10, 100), einem Modulträger (20) und einer Optikplatte (30) gebildet ist. Auf der Leiterplatte (10, 100) befinden sich ausschließlich die LED-Bauelemente (2) und Buchsenleisten (6) zum Anschließen der LED-Bauelemente (2) an eine extern angeordnete Ansteuerelektronik. Weiterhin ist an der Rückseite der Leiterplatte (10, 100) eine Kühleinrichtung (3) für die LED-Bauelemente angeordnet. Die Leiterplatte (10, 100) ist in den Modulträger (20) montiert, der die Leiterplatte (10, 100) umschließt und auf dem Modulträger (20) ist eine Optikplatte (30) montiert, die die LED-Bauelemente (2) überspannt. Sämtliche Anschlüsse zwischen den drei Baugruppengehäusekomponenten sind staubdicht ausgeführt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein LED-Signalmo­ dul, bei dem insbesondere die LED-Bauelemente zumindest staubdicht und bevorzugt auch wasserdicht verkapselt sind.
Leuchtdioden (im Folgenden kurz LEDs genannt) kommen in zu­ nehmendem Maße in Straßenverkehrs- und Eisenbahn-Leuchtsigna­ len zum Einsatz. Die LED-Signalmodule, die in der Regel an Stelle von herkömmlichen Leuchtmitteln eine Mehrzahl von LED- Bauelementen als Leuchtmittel enthalten, sind am Einsatzort extremen und aggressiven klimatischen, chemischen, biologi­ schen und mechanischen Umweltbedingungen ausgesetzt und müs­ sen gegen eine Beeinträchtigung durch diese unfreundlichen Bedingungen geschützt sein.
Signalisierungseinrichtungen auf der Basis von LEDs müssen auf die Eigenschaften dieser Leuchtmittel abgestimmt sein. So gibt es Einflüsse, welche bei Verwendung herkömmlicher Si­ gnallampen und -leuchtmittel, wie Glübirnen oder Propanleuch­ ten, unkritisch sind, aber bei Verwendung von LEDs als Leuchtmittel von funktionsbestimmender Bedeutung sind. Schon bei der Vorsorge gegen oder Beseitigung von Verschmutzungen durch Staub und Ähnlichem ergeben sich Unterschiede. So las­ sen sich bei herkömmlichen Signalgebern die Komponenten, die Einfluß auf die Lichtstärke haben, wie beispielsweise die Lampe, die Abschlussscheibe und der Farbfilter, vergleichs­ weise problemlos mechanisch durch Abwischen reinigen. In LED- Signalmodulen bilden die LEDs in der Regel zusammen mit ab­ bildenden optischen Bauelementen ein optisches System, dessen Einzelteile für Reinigungsmaßnahmen nur schwer zugänglich oder dagegen gar empfindlich sind.
Eine weitere Einflußgröße ist die Wärmeableitung von den LEDs, deren Lebensdauer von der Chiptemperatur im Betrieb beeinflußt ist. Je besser die Wärmeableitung, umso größer die Lebensdauer der LEDs.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein LED-Signalmodul zur Verfügung zu stellen, das gegen die oben angesprochenen schädigenden Umgebungseinflüsse ausreichend geschützt ist. Weiterhin soll ein solches Modul eine mög­ lichst geringe thermische Belastung der LED-Bauelemente auf­ weisen.
Die erstgenannte Aufgabe wird durch ein LED-Signalmodul mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 oder 4 gelöst. Vorteil­ hafte Weiterbildungen des Moduls sind Gegenstand der Patent­ ansprüche 2, 3 und 5 bis 14.
Bei einem ersten LED-Signalmodul gemäß der Erfindung ist an einer ersten Hauptfläche einer elektrisch isolierenden Lei­ terplatte eine Mehrzahl von LED-Bauelementen und an einer der ersten Hauptfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche der Leiterplatte eine Kühleinrichtung zur Kühlung der LED-Bauele­ mente angeordnet. Leiterbahnen zur Verschaltung der LED-Bau­ elemente sind mittels einer Mehrzahl von zumindest staubdich­ ten, bevorzugt auch wasserdichten wärmeleitenden Durchführun­ gen durch die Leiterplatte von der ersten Hauptfläche zur zweiten Hauptfläche thermisch leitend durchkontaktiert. Die wärmeleitenden Durchführungen sind mit der Kühleinrichtung wärmeleitend verbunden.
Bei einem weiteren LED-Signalmodul gemäß der Erfindung ist an einer ersten Hauptfläche einer Metallkern-Leiterplatte eine Mehrzahl von LED-Bauelementen, eine Buchsenleiste und eine Leiterbahnstruktur zur Verschaltung der LED-Bauelemente und der Buchsenleiste angeordnet. An einer der ersten Hauptfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche der Leiterplatte ist eine Kühleinrichtung angeordnet. Die Metallkernplatine weist im Bereich von Anschlußkontakten der Buchsenleiste einen oder mehrere Durchbrüche auf, durch den bzw. die die Buchsenleiste für eine Steckerleiste von der zweiten Hauptfläche her zu­ gänglich ist. Die Buchsenleiste ist mittels einer Dichtungs­ schicht zumindest staubdicht von dem Bereich, in dem sich die LED-Bauelemente befinden, abgetrennt.
Eine geringe thermische Belastung der LED-Bauelemente, das heißt eine geringe Temperaturerhöhung der LED-Bauelemente im Betrieb des Moduls wird vorteilhafterweise dadurch erreicht, dass sich auf der Leiterplatte als Wärmequellen im Wesentli­ chen nur die LED-Bauelemente befinden und diese zudem mittels einer Kühleinrichtung (zum Beispiel ein Metall-Kühlkörper be­ kannter Art), die in thermischem Kontakt mit Leiterbahnen zur Verschaltung der LED-Bauelemente bzw. mit der Metallkernpla­ tine steht. Weitere verlustwärmeproduzierende Bauelemente, insbesondere einer Energieversorgungs- und/oder Steuerein­ richtung, sind weitestgehend entfernt von der Leiterplatte angeordnet.
Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen des Moduls ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Fig. 1 bis 5 beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
Fig. 1, eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispieles;
Fig. 2, eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles;
Fig. 3, eine schematische Schnittdarstellung eines LED-Si­ gnalmoduls gemäß einer bevorzugten Weiterbildung;
Fig. 4, eine schematische Schnittdarstellung einer bevorzug­ ten Ausgestaltung der Gehäuseabdichtung des LED-Signalmoduls; und
Fig. 5, eine schematische Darstellung der Rückseite des Si­ gnalmoduls gemäß dem Ausführungsbeispiel.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist eine Leiterplatte 10 vorgesehen, die eine elektrisch isolierende Trägerplatte 14 aufweist. Auf einer ersten Hauptfläche 11 der Trägerplatte 14 ist eine elektrische Leiterbahnstruktur 4 aufgebracht, die zur Verschaltung und elektrischen Stromversorgung für eine Mehrzahl von auf die erste Hauptfläche motierten LED-Bauele­ menten 2 dient.
Die LED-Bauelemente 2 weisen vorzugsweise eine oberflächen­ montierbare LED-Bauform auf. Es können aber auch Ra­ dialbauformen von LED-Bauelementen verwendet werden, die in Durchsteckmontage auf der Leiterplatte 10 befestigt sind. Ebenso ist eine sogenannte Chip-on-Board-Montage denkbar, bei der ungehäuste LED-Chips unmittelbar auf die Leiterplatte 10 montiert werden.
An einer der ersten Hauptfläche 11 gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche 12 der Leiterplatte 10 ist eine Kühleinrichtung 3, beispielsweise ein herkömmlicher metallischer Kühlkörper mit Kühllamellen, angeordnet. Diese ist mit den elektrischen Leiterbahnen 4 über zumindest staubdichte, bevorzugt auch wasserdichte wärmeleitende Durchführungen 50 und einer elek­ trisch isolierenden Wärmeleitfolie 8 verbunden.
Die wärmeleitenden Durchführungen 50, die beispielsweise aus metallischem Material gefertigt sind, und die Wärmeleitfolie 8, beispielsweise eine kommerziell erhältliche Folie mit der Bezeichnung HI-FLOW™ 625 der Firma Bergquist, gewährleisten vorteilhafterweise eine gute Ableitung der im Betrieb der LED-Bauelemente von diesen erzeugten Verlustwärme, wodurch die Temperaturerhöhung der LED-Bauelemente im Betrieb und da­ mit die Alterung der LED-Bauelemente so weit wie möglich ver­ ringert ist.
An der zweiten Hauptfläche 12 der Leiterplatte ist weiterhin eine Buchsenleiste 6 montiert. Die elektrischen Anschlußkon­ takte 7, beispielsweise Federkontakte für Stifte einer Stec­ kerleiste, sind mittels staubdichten elektrisch leitenden Durchführungenen 51 mit den auf der ersten Hauptfläche 11 an­ geordneten elektrischen Leiterbahnen 4 elektrisch verbunden.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist eine Metallkern­ leiterplatte 100 vorgesehen, die mit einer elektrisch isolie­ renden Schicht 104 versehen ist. Auf der isolierenden Schicht 104 befindet sich, eine Mehrzahl von LED-Bauelementen 2, eine Buchsenleiste 6 und eine Leiterbahnstruktur 4 zur elektri­ schen Verschaltung der LED-Bauelemente 2 und der Buchsenlei­ ste 6. Auf der der Isolierschicht 104 gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte ist eine Kühleinrichtung 3 angeordnet, die vorzugsweise in direktem Kontakt mit dem Metallkern der Metallkernplatine 100 steht.
Die Metallkernplatine 100 weist im Bereich von Anschlußkon­ takten 7 der Buchsenleiste 6 mehrere Durchbrüche 103, zum Beispiel Bohrungen auf, über die die Federkontakte 7 der Buchsenleiste 6 für Kontaktstifte einer Steckerleiste von der Kühlkörperseite her zugänglich ist. Die Buchsenleiste 6 ist mittels einer Dichtungsschicht 9, zum Beispiel ein Kunst­ stoff-Verguß, staubdicht von dem Bereich, in dem sich die LED-Bauelemente 2 befinden, abgetrennt.
Bei der schematischen Schnittansicht gemäß Fig. 3 ist prin­ zipiell gezeigt, wie eine Anordnung gemäß Fig. 1 oder 2 in einem Modulgehäuse angeordnet ist. Die Leiterplatte 10 bzw. 100 mit den LED-Bauelementen 2, der Buchsenleiste 6 und dem Kühlkörper 3 befindet sich in einem Modulträger 20. Zwischen Modulträger 20 und Leiterplatte 10, 100 ist eine staubdichte Verbindung ausgebildet. Auf einer umlaufenden Seitenwand des Modulträgers 20 ist eine Optikplatte 30, beispielsweise ein Linsenträger, aufgesetzt, die die LED-Bauelemente 2 über­ spannt. Der Randbereich der Optikplatte 30 bildet mit der umlaufenden Seitenwand des Modulträgers 20 eine staubdichte Verbindung aus, so daß das Innere des Baugruppengehäuses, das im Wesentlichen von der Leiterplatte 10, 100, dem Modulträger 20 und der Optikplatte 30 gebildet ist, staubdicht von der Umgebung abgetrennt ist.
Der Modulträger und die Optikplatte bestehen vorzugsweise beide aus transparentem Kunststoff, wodurch das im Betrieb entstehende Streulicht der LEDs zu einer verbesserten Seiten­ sichtbarkeit des Signals führt.
Vorzugsweise ist über der Optikplatte 30 ein Abschlussglas 60 und/oder eine Streuscheibe 70 angeordnet, wodurch vorteilhaf­ terweise eine Reduzierung von einfallendem UV-Strahlung er­ zielt wird, die zu einer beschleunigten Degradation der LED- Bauelemente führen würde.
In Fig. 4 ist ein detaillierter Ausschnitt einer bevorzugten Ausführungsfrom der Gehäuseabdichtung schematisch darge­ stellt. Ein Modulträger 20, der hier im Wesentlichen die Form eines um die Leiterplatte 10 umlaufenden Trägerringes oder -rahmens aufweist, ist an der Stirnfläche seiner umlaufenden Seitenwand 24 mit einem Falz 21 versehen, auf dessen Auflage­ fläche 22 die Leiterplatte 10 aufgelegt ist. Zwischen der Leiterplatte 10 und der Auflagefläche auf der Seitenwand 24 befindet sich der Rand der Wärmeleitfolie 8, die an dieser Stelle die Funktion einer Dichtungsschicht erfüllt.
Auf der Leiterplatte 10 liegt in Bereichen zwischen den LED- Bauelementen 2 die Optikpatte 30, beispielsweise eine Linsen­ platte, auf, die mit dem Modulträger 20 beispielsweise ver­ schraubt ist und dadurch den Rand der Leiterplatte auf die Seitenwand 24 des Modulträgers 20 presst. Die LED-Bauelemente 2 finden in Ausnehmungen 34 der Optikplatte 30 Platz.
Weiterhin besitzt die Optikplatte eine am äußeren Rand umlau­ fende Wulst 31, die sich ausgehend von der dem Modulträger 20 zugewandten Unterseite der Optikplatte in Richtung des Modul­ trägers 20 erstreckt und über den gesamten Umfang über die Seitenwand 24 greift und mit dieser teilweise überlappt.
Sowohl die auf die Seitenwand 24 aufliegende Innenseite der Wulst 31 als auch die entsprechende Auflagefläche der Seiten­ wand 24, weisen je eine Abschrägung 25, 33 auf, so daß ein sicheres "Einrasten" des Modulträgers 20 in die Optikplatte 30 möglich ist und gleichzeitig eine staubdichte Verbindung erzeugt wird. Die Abschrägung 25 der Seitenwand 24 ist dazu besonders bevorzugt weniger steil als die Abschrägung 33 der Wulst 31.
Selbstverständlich kann umgekehrt auch der Modulträger 20 eine umlaufende Wulst aufweisen, die dann über die äußere Seitenwand der Optikplatte 30 greift.
Schließlich weist der Modulträger 20 ein Aufnahmeelement 26 für den Kühlkörper 3 auf, mit dem der Kühlkörper 3 gegen die Wärmeleitfolie 8 gedrückt ist.
In dem Modul liegen Teilbereiche 35 der der Leiterplatte 10 zugewandten Seite der Optikplatte 30 zwischen den LED-Bau­ elementen 2 auf der ersten Hauptfläche 11 der Leiterplatte 10 auf und drücken die Leiterplatte 10 gegen den Falz 21 des Mo­ dulträgers 20.
Die Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung Ansicht der Rückseite einer fertig montierten Baugruppe, in der der Kühl­ körper 3 mit Aussparungen für zwei Buchsenleisten 6, die Un­ terseite der umlaufenden Seitendwand 24 des Modulträgers 20 und die Wulst 31 der Optikplatte 30 zu erkennen sind.
Die Buchsenleisten 6 dienen zur Verbindung der LED-Bauele­ mente 2 mit extern angeordneten elektronischen Bauelementen zu deren Ansteuerung. Auf der Leiterplatte sind besonders be­ vorzugt nur die LED-Bauelemente 2 und die Buchsenleisten 6 montiert, so daß keine zusätzliche Verlustwärme in der Nähe der LED-Bauelemente durch Ansteuerelektronik entsteht. Wei­ terhin erlaubt diese Anordnung vorteilhafterweise einen ge­ trennten Austausch von LED-Signallampe und Ansteuerelektro­ nik.

Claims (14)

1. LED-Signalmodul (1), bei dem
an einer ersten Hauptfläche (11) einer elektrisch iso­ lierenden Leiterplatte (10) eine Mehrzahl von LED-Bauele­ menten (2) und an einer der ersten Hauptfläche (11) ge­ genüberliegenden zweiten Hauptfläche (12) der Leiter­ platte (10) eine Kühleinrichtung (3) angeordnet ist,
auf der ersten Hauptfläche (11) angeordnete, insbeson­ dere zur Verschaltung der LED-Bauelemente (2) vorgesehene Leiterbahnen (4) mittels einer Mehrzahl von staubdichten wärmeleitenden Durchführungen (50) durch die Leiterplatte (10) mit der zweiten Hauptfläche (12) der Leiterplatte (10) wärmeleitend verbunden sind und
die wärmeleitenden Durchführungen (5) mit der Kühlein­ richtung (3) wärmeleitend verbunden sind.
2. LED-Signalmodul nach Anspruch 1, bei dem an der zweiten Hauptfläche (12) der Leiterplatte eine Buchsenleiste (6) angeordnet ist, deren elektrische Anschlußkontakte (7) mittels staubdichten elektrisch leitenden Durchführunge­ nen (51) mit den auf der ersten Hauptfläche (11) angeord­ neten elektrischen Leiterbahnen (4) verbunden sind.
3. LED-Signalmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zwischen der zweiten Hauptfläche (12) der Leiter­ platte (10) und der Kühleinrichtung (3) eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie (8) angeordnet ist.
4. LED-Signalmodul, bei dem
an einer ersten Hauptfläche (101) einer Metallkern-Lei­ terplatte (100) eine Mehrzahl von LED-Bauelementen (2), eine Buchsenleiste (6) und eine Leiterbahnstruktur (4) zur Verschaltung der LED-Bauelemente (2) und der Buchsen­ leiste (6) angeordnet ist,
an einer der ersten Hauptfläche (101) gegenüberliegen­ den zweiten Hauptfläche (102) der Leiterplatte (100) eine Kühleinrichtung (3) angeordnet ist,
die Metallkernplatine (100) im Bereich von Anschlußkon­ takten (7) der Buchsenleiste (6) einen oder mehrere Durchbrüche (103) aufweist, über den bzw. die die Buch­ senleiste (6) für eine Steckerleiste von der zweiten Hauptfläche (102) der Leiterplatte (10) her zugänglich ist, und
die Buchsenleiste (6) mittels einer Dichtungsschicht (9) staubdicht von dem Bereich, in dem sich die LED-Bau­ elemente (2) befinden, abgetrennt ist.
5. LED-Signalmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der ein umlaufender Rand (13) der elektrischen Lei­ terplatte (10) in einen umlaufenden Falz (21) eines Mo­ dulträgers (20) eingepaßt ist und zwischen der Leiter­ platte (10) und einer Auflagefläche (22) des Falzes (21) für die Leiterplatte (10) ein umlaufendes staubdichtes Dichtungselement (23) angeordnet ist.
6. LED-Signalmodul nach Anspruch 3 und 5, bei dem ein umlau­ fender Rand der Wärmeleitfolie (8) als umlaufendes Dich­ tungselement (23) genutzt ist.
7. LED-Signalmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem an der ersten Hauptfläche (11) der Leiterplatte (10) eine Optikplatte (30), insbesondere ein Linsenträger angeordnet ist, die auf einer um die Leiterplatte (10) umlaufenden Seitenwand (24) des Modulträgers (20) oder auf einem um die Mehrzahl von LED-Bauelementen (2) umlau­ fenden Rand der Leiterplatte (10) aufsitzt und mit dieser bzw. diesem eine staubdichte Gehäusedichtung aufweist.
8. LED-Signalmodul nach Anspruch 7, bei der die Optikplatte (30) eine über die Seitenwand (24) des Modulträgers (20) bzw. über die Stirnseite der Leiterplatte (10) greifende umlaufende Wulst (31) aufweist, die mit der Seitenwand (24) des Modulträgers (20) bzw. mit der Stirnseite der Leiterplatte (10) die staubdichte Gehäusedichtung (40) ausbildet.
9. LED-Signalmodul nach Anspruch 8, bei dem sowohl die Sei­ tenwand (24) des Modulträgers (20) bzw. die Stirnseite der Leiterplatte (10) als auch die umlaufende Innenseite (32) der Wulst (31) abgeschrägt ist, wobei die Schräge (33) der Wulst (31) steiler ist als die Schräge (25) der Seitenwand (24) des Modulträgers (20) bzw. der Stirnseite der Leiterplatte (10) und die beiden Schrägen (25, 33) aufeinandergepresst sind und die staubdichte Gehäusedich­ tung (40) ausbilden.
10. LED-Signalmodul nach Anspruch 7, 8 oder 9, bei dem Teil­ bereiche (35) der der Leiterplatte (10) zugewandten Seite der Optikplatte (30) zwischen den LED-Bauelementen (2) auf der ersten Hauptfläche (11) der Leiterplatte (10) aufliegt und die Leiterplatte (10) gegen den Falz (21) des Modulträgers (20) drückt.
11. LED-Signalmodul nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem der Modulträger (20) und die Optikplatte (30) aus ei­ nem transparenten Kunststoffmaterial gefertigt ist.
12. LED-Signalmodul nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem der Optikplatte (30) in Abstrahlrichtung des Moduls ein Abschlußglas (60) nachgeordnet ist.
13. LED-Signalmodul nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei dem der Optikplatte (30) in Abstrahlrichtung des Moduls eine Streuscheibe (70) nachgeordnet ist.
14. LED-Signalmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem auf der Leiterplatte (10) im Wesentlichen nur die LED-Bauelemente (2) im Betrieb des Moduls wesentliche Verlustwärme produzieren und weitere verlustwärmeprodu­ zierende Bauelemente, insbesondere einer Energieversorgungs- und/oder Steuereinrichtung, weitestgehend entfernt von der Leiterplatte (10) angeordnet sind.
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