DE102004013226A1 - LED-Reflektor-Einheit - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mehrzahl von LED Elementen, die gut wärmeableitend auf einem Substrat angeordnet sind und derart eine räumlich gekrümmte Reflektor Einheit anstrahlen. DOLLAR A Die ein- oder mehrfach reflektierte Strahlung wird durch eine beispielsweise kreis- oder linienförmige Öffnung mit etwa entgegengesetzter Richtung ausgekoppelt. DOLLAR A Durch eine entsprechende Gestaltung des Reflektors und der Austrittsöffnung kann die Form des austretenden Lichtstrahls beispielsweise kreis- oder linienförmig oder entsprechend der grafischen Gestaltung als Pfeil oder dergleichen mit einem weitgehend einstellbaren Abstrahlwinkel ausgebildet werden.

Description

  • In der EP 1 357 332 A2 Ishida & Tatsukawa (Koito Manufacturing Co., Ltd., Tokyo – Japan "Light source unit for vehicular lamp") wird eine Lichtquelle für eine Fahrzeuglampe beschrieben, die ein Licht emittierendes Halbleiterelement (LED) enthält und einen Reflektor, bei dem das von der LED emittierte Licht überwiegend orthogonal beziehungsweise davon etwa 15° abweichend reflektiert wird. Durch diese Reflektoranordnung kann ein kleinere Bauweise erreicht werden, als bei konventionellen Reflektoren. Zusätzlich kann der Reflektor ohne Berücksichtigung der Wärmeentwicklung der LED gestaltet werden und die LED kann substanziell als Punktlichtquelle betrachtet werden und damit kann die Reflektion trotz Reduktion der Reflektor Größe kontrolliert werden. In der optischen Achse des reflektierten Strahls kann zusätzlich eine Linse angeordnet werden.
  • Damit wird beispielhaft ein indirektes Reflektorsystem auf Basis einer etwa orthogonalen Ablenkung beschrieben.
  • Nachteil der EP 1 357 332 A2 ist, dass nur mit einer geringen Leistungsdichte gearbeitet werden kann, weil die wärmeableitende Leiterplatte sich in Körperkontakt mit dem Gehäuse befindet und hierdurch kein freier Luftzugang zu der Leiterplatte erfolgen kann. Die Leiterplatte ist deshalb auf einen guten Wärmeübergang zwischen der Leiterplatte selbst und dem Gehäuse angewiesen. Wegen der indirekten Umlenkung des Lichtes an dem Reflektor erfolgen erhebliche Lichtverluste.
  • Lichtverluste entstehen auch dadurch, dass die lichtimitierende Fläche der LED nicht genau dem Reflektor gegenüberliegt, so dass es seitliche, hintere Bereiche gibt, die im Bereich der Totalreflektion liegen und die deshalb Licht schlucken und dieses nicht nach vorne zur lichtaussendenden Öffnung bringen.
  • In der US 6,641,284 B2 Stopa & Smith (Whelen Engineering Company, Inc., Chester, CT – USA "LED light assembly") wird eine Lichtquelle beschrieben, die einen parabolischen Reflektor zur Kollimation von Licht einer LED benützt. Die LED wird dabei im Fokus des Reflektors angeordnet und hat einen größeren Abstrahlwinkel, als jener reflektierte Lichtstrahl mit dem Reflektor. Eine optionale zusätzliche Kollimationslinse ist derart vor der LED angeordnet, dass jene Strahlen, die über den Parabolreflektor gehen würden, kollimiert werden. Die LED's sind in einer linearen Reihe angeordnet.
  • In dieser US 6,641,284 ist ein konventionelles LED-Reflektor System beschrieben. Nachteil dieser Anordnung ist die geringe Leistungsdichte, weil die wärmeabgebende Leiterplatte direkt im Reflektorbereich sitzt und die Wärme nur nach oben abgegeben werden kann. Um eine günstige Wärmeableitung zu verwenden, benötigt diese Anordnung einen groß dimensionierten Kühlkörper, welcher die Wärme nach unten abgibt.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die kostengünstige Herstellung einer LED Reflektor Einheit mit einer hohen Leistungsdichte.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche.
  • Die Erfindung betrifft eine Mehrzahl von LED Elementen, die gut wärmeableitend auf einem Substrat mit beispielsweise ring- oder linienförmiger Gestaltung und gegebenenfalls unter einem bestimmten Winkel angeordnet sind und eine räumlich gekrümmte Reflektor Einheit anstrahlen.
  • Die ein- oder mehrfach reflektierte Strahlung wird durch eine beispielsweise kreis- oder linienförmige Öffnung mit in etwa 180° entgegengesetzter Strahlrichtung ausgekoppelt und dadurch wird eine hohe Leistungsdichte anstelle einer üblichen hohen Strahlungsleistung erzielt.
  • Durch eine entsprechende Gestaltung des Reflektors und der Austrittsöffnung kann die Form des austretenden Lichtstrahls gestaltet werden. Der Lichtstrahl kann beispielsweise kreis- oder linienförmig oder entsprechend der grafischen Gestaltung als Pfeil oder dergleichen mit einem weitgehend einstellbaren Abstrahlwinkel ausgebildet werden.
  • Die Reflektor Einheit kann in einer ersten Ausführungsform durch einen geeignet räumlich gestalteten Hohlkörper gebildet werden, der innenseitig eine reflektierende Beschichtung aufweist. In einer weiteren Ausführungsform kann der Hohlkörper durch einen geeigneten transparenten Stoff in Form von Kunststoffen oder glasähnlichen Stoffen gebildet werden, dabei wird die räumlich gestaltete Oberfläche mit einer reflektierenden Schicht versehen.
  • Unter einer Mehrzahl von LED Elementen, die gut wärmeableitend auf einem Substrat mit beispielsweise ring- oder linien-förmiger Gestaltung angeordnet sind, werden LED-Elemente in Chip-Form als auch in SMT-Form und auch in axialer Bauform verstanden. Bei kleinen Bauformen werden LED-Chip-Elemente direkt auf gut wärmeableitende Substrate mittels diverser Bondtechnologien montiert und es eine Serien- und Parallelschaltung der LED-Elemente (sehr kostengünstig) erreicht werden. Zusätzlich können weitere Komponenten, wie Vorwiderstände und Dioden zur Vermeidung der Beschädigung durch falsch gepolte Anschlüsse und dergleichen elektronische Bauteile auf das Substrat montiert und elektrisch verdrahtet werden.
  • Erfindungsgemäß wurde gefunden, dass LED-Elemente in Form von radialen LED Elementen, LED-CHIP-Elementen und SMT-LED-Elementen auf Leiterplatten-Substraten derart montiert werden können, dass bei Verwendung eines entsprechend gestalteten Reflektors ausschließlich reflektiertes Licht mit hoher Leistungsdichte durch eine optische Öffnung nahezu um 180° rückwärts ausgekoppelt werden kann.
  • Vorteil der Erfindung ist, dass nun bei hoher Leistungsdichte eine hohe optische Abstrahlung gewährleistet werden kann, weil eine optimale Kühlung der wärmeabgebenden Leiterplatte erreicht wird. Damit ist es möglich, eine hohe Leistungsdichte bei kleinem Strahldurchmesser, bzw. "Brennfleck" zu erreichen.
  • Zwei Version werden vorgeschlagen:
    • a) LED Chips auf Aluminium PCB mit Optik beim Chip
    • b) LED Chips auf Aluminium PCB ohne Optik, dicht and dicht – entsprechend ist der Reflektor etwas anders zu berechnen, da mit einer großen Strahlungsdivergenz der Chips zu rechnen ist.
  • Als Reflektor wird (aus Kostengründen) ein Kunststoff Spritzgussteil vorgesehen, welches auf der Innenseite effizient verspiegelt ist (z.B. wie ein üblicher Fahrradreflektor).
  • Bei geeigneter optimierter Reflektorkrümmung ist vorgesehen, daß nahezu beliebige Strahlgeometrien, diverse Strahlungswinkel, ja sogar eine punktförmige Fokusierung des Lichtes außerhalb der Anordnung erreicht werden.
  • Damit kann beispielsweise ein leistungsfähiger Autoscheinwerfer hergestellt werden. Bei geeigneter Ausbildung der Reflektorfläche werden sogar Aufblendund Ablendlicht durch Inbetriebnahme verschiedener LED Gruppen erzielt.
  • Das technische Prinzip der Erfindung wird durch eine Transformation einer ringförmigen "Linienlichtquelle" in eine gerichtete, möglichst punktförmige Strahlungsquelle verwirklicht. Geeignete Ray-Trace Programme können das Problem der idealen Reflektorgeometrie iterativ lösen, indem sie die "Reflektorkrümmung", den idealen Kurvenverlauf und den idealen Abstand zur LED Lichtquelle optimieren. Es wird angenommen, dass der Krümmungsverlauf tatsächlich weder sphärisch noch parabolisch ist.
  • Eine Variante ist eine ringförmige Anordnung von LED Chips "dicht an dicht" mit der Transformation durch einen optimierten Reflektor zu einem möglichst punktförmigen Fokus außerhalb der Anordnung.
  • Geht man z.B. von einem Umfang von 16 cm der ringförmigen LED Anordnung aus und schafft eine Packungsdichte von geschätzten 90% des Umfanges so ergeben sich 14,4 cm verwendbarer Umfang – bei einer Kantenlänge üblicher LED Chips von 0.3 mm ergibt dies ca. 480 Chips. Unter Verwendung von Hochleistungs (IR) Chips (oder VCSELs) mit einer optischen Leistung von bis zu 50 mW/Chip ergibt dies eine Summe von 50 mW × 480 = 24 W cw als reine Lichtleistung. Wenn man diese Leistung in einem Fokus von etwa 1 mm2 konzentriert, sind damit Prozesse wie Löten und Schneiden durchaus möglich.
  • Nachdem die Leiterplatte gerade und eben ausgebildet ist und an der Frontseite des Reflektors angeordnet ist, wird sie direkt von Luft angeströmt. Daher bedarf es keiner groß dimensionierten Kühlkörper und es wird eine ausgezeichnete Kühlwirkung erzielt.
  • Weiterer Vorteil ist, dass die Randbereiche der Leiterplatte wärmeleitend mit dem Reflektorgehäuse verbunden sind, so dass dieses ebenfalls noch zur Wärmeableitung verwendet wird.
  • Aufgrund der Abstrahlung von indirektem Licht ergibt sich der weitere Vorteil, dass praktisch keine Bereiche mit Totalreflektion vorhanden sind, weil auch die seitlichen, äußeren Bereiche des Reflektors, auf welche die Strahlen der LED's auftreffen, eine entsprechende nach innen in die Reflektormitte gerichtete Strahlung erzeugen. Es wird also eine Reflektion mit hohem Wirkungsgrad erzielt.
  • Von besonderem Vorteil ist, dass der Bodenbereich des Reflektors aus zwei spiegelsymmetrisch zueinander angeordneten Teilreflektoren besteht.
  • Anstatt der Ausbildung von zwei nebeneinander liegenden Teilreflektoren können auch eine Vielzahl derartiger ausgebauchter Teilreflektoren auf einer Umfangslinie gleichmäßig verteilt im Bodenbereich angeordnet sein.
  • Wichtig bei der Erfindung ist, dass man aufgrund der Anordnung der LED's im äußeren Bereich einer etwa ringförmigen Leiterplatte nun eine hohe Belegungsdichte des äußeren Kreisringes mit entsprechenden LED erreichen kann, während dies bei anderen Maßnahmen nicht möglich ist. Damit können auf engstem Raum eine Vielzahl von LED angeordnet werden, so dass bei der Verwirklichung einer derartigen Anordnung eine hohe Leuchtdichte bei geringem optischem Öffnungswinkel erreicht wird. Damit wird eine sehr hell strahlende Lichtquelle auf geringstem Raum realisiert.
  • Es ist selbstverständlich möglich, die in der Leiterplatte angeordnete Lichtaustrittsöffnung noch in verschiedener Weise auszubilden. Sie kann abgedeckt sein oder sie kann auch im Randbereich entsprechende Unterbrechungen, Muster, Gravierungen und dergleichen aufweisen. Ebenso können im Randbereich bzw. über die gesamte Fläche der Lichtaustrittsöffnung entsprechende Symbole oder Grafiken angeordnet werden.
  • Als Substrate werden thermisch gut ableitende Systeme, insbesondere auf Basis eines Aluminiumkernes verwendet. Die thermische Ableitung kann durch die Verwendung von Kühlkörpern erhöht werden. Im Substrat wird eine optische Öffnung zur Auskoppelung des reflektierten Lichtes vorgesehen.
  • Der Reflektor kann als Hohlkörper oder als Vollkörper mit einer entsprechenden Reflektionseigenschaft ausgebildet sein.
  • Die Ausbildung der reflektierenden Oberfläche wird in Abhängigkeit von den verwendeten LED-Elementen gewählt beziehungsweise auf Basis der Abstrahlcharakteristika der LED-Elemente berechnet. Die reflektierende Oberfläche kann aus einer Vielzahl einzelner reflektierender Elemente gebildet werden und auf diese Weise wird die Leistungsdichte und Abstrahlcharakteristik des reflektierten Lichtstrahls auf die gewünschten Anforderungen optimiert.
  • In oder vor der optischen Öffnung können Linsen-Systeme angeordnet werden. Damit kann die Strahlcharakteristik des Lichtstrahls in Kombination mit der räumlichen Gestaltung des Reflektors und der Abstrahlcharakteristika der LED-Elemente beziehungsweise deren Anordnung auf dem Substrat optimiert werden.
    •
  • Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungsfiguren näher beschrieben.
  • Dabei zeigen:
  • 1: eine schematische Darstellung einer LED Reflektor Einheit konventioneller Bauart,
  • 2: eine schematische Darstellung einer LED Reflektor Einheit konventioneller Bauart mit der Anordnung des LED-Elementes im Brennpunkt eines parabolischen Reflektors,
  • 3: eine schematische Darstellung einer LED Reflektor Einheit einer erfindungsgemäßen Art mit parabolartigem Reflektor,
  • 4: eine schematische Darstellung einer LED Reflektor Einheit einer erfindungsgemäßen Art mit halbkugelförmigem Reflektor,
  • 5: eine schematische Darstellung einer LED Reflektor Einheit einer erfindungsgemäßen Art mit parabolisch angenähertem Reflektor,
  • 6: eine schematische Darstellung eines ringförmigen Substrates,
  • 7: eine schematische Darstellung eines länglichen Substrates,
  • 8: eine schematische Darstellung eines Substrates mit radialem LED-Element,
  • 9: eine schematische Darstellung eines Substrates mit SMT-LED-Element,
  • 10: eine schematische Darstellung eines Substrates mit LED-CHIP-Element,
  • 11: eine schematische Darstellung eines Substrates mit LED-CHIP-Element und einseitiger Bondung,
  • 12: eine schematische Darstellung einer LED Reflektor Einheit mit integriertem Linsen-System,
  • In 1 wird eine schematische Darstellung einer LED Reflektor Einheit (1) konventioneller Bauart aufgezeigt. In dieser Ausführungsform werden üblicherweise ein oder mehrere LED-Bauelemente (2) auf einem Substrat (7) verwendet und dabei wird der Reflektor (3) aus einem innen verspiegelt ausgeführten Blech oder Kunststoffteil gebildet. Da übliche LED-Elemente (2) keine perfekte Punktlichtquelle darstellen, sondern eine endliche Emissionsfläche aufweisen, kann hier der Parabolspiegel nur annäherungsweise für die Erzeugung eines gebündelten Lichtstrahls (4, 6) aus direkt emittiertem Licht (4) und reflektiertem Licht (6) verwendet werden.
  • In 2 wird eine weitere schematische Darstellung einer LED Reflektor Einheit (1) konventioneller Bauart mit der Anordnung des LED-Elementes (2) im Brennpunkt eines parabolischen Reflektors (3) aufgezeigt. In dieser konventionellen Ausführung wird das LED-Element (2) auf dem Substrat (7) etwas erhöht möglichst im Brennpunkt des parabolischen Reflektors (3) auf dem Träger (8) montiert und kann derart ein verbesserter gebündelter reflektierter Lichtstrahl (6) erzeugt werden, wobei auch hier entsprechend der Abstrahlcharakteristik des LED-Elementes (2) ein direkt emittiertes Licht (4) wirkt.
  • In 3 wird eine schematische Darstellung einer LED Reflektor Einheit (1) einer erfindungsgemäßen Art mit parabolartigem Reflektor (3) aufgezeigt. Unter einem parabolartigen Reflektor (3) wird ein Reflektor verstanden, der je nach Art der Abstrahlcharakteristik des verwendeten LED-Elementes (2) einen möglichst effizienten Lichtstrahl (6) mit hoher Leistungsdichte und derart hohem Wirkungsgrad bewirkt.
  • Die LED-Elemente (2) können dabei radiale LED-Elemente (10) oder SMT-LED-Elemente (12) oder direkt montierte LED-CHIP-Elemente (11) sein.
  • Bei diesen LED-Elementen (2, 10, 11, 12) können wahlweise optische Elemente zur Gestaltung der Emissionscharakteristik verwendet werden.
  • Radiale LED-Elemente (10) und SMT-LED-Elemente (12) werden üblicherweise bereits mit linsenartigen Systemen hergestellt und es kann derart die direkte Lichtemission (4) von einer nahezu halbkugelförmigen Emission bis zu einem Emissionskegel von beispielsweise einigen 6° oder 12° oder 30° oder 60° (je nach Anforderung) gestaltet werden.
  • Bei direkt montierten LED-CHIP-Elementen (11) wird oftmals nur eine passivierende Epoxidharzabdeckung hergestellt. Oftmals werden in dieses Epoxidharz anorganische, farbkonvertierende Pigmente beigemischt und es wird derart eine gewünschte Emissionsfarbe, insbesondere die Farbe weiß mit allen Farbtönen, realisiert.
  • Das Substrat (7) dient für die
    • • mechanische, die
    • • elektrische und die
    • • thermische Montage der LED-Elemente (2) und zur Bildung der
    • • optischen Öffnung (5).
  • Ein ganz wesentlicher Punkt bei dieser gegenüber dem Stand der Technik um etwa 180° gedrehten Anordnung besteht darin, dass hier übliche Leiterplatten verwendet werden können. Insbesondere können jedoch sogenannte Aluminiumkern-Leiterplatten verwendet werden, die ein hohes thermisches Ableitverhalten aufweisen.
  • Der Reflektor (3) kann aus einem Hohlkörper mit einer innenliegenden Beschichtung versehen werden. In diesem Fall können metallische Bleche entsprechend geformt werden oder es werden thermoplastische Spritzgussteile mit einer innenliegenden reflektierenden Beschichtung verwendet.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung können auch transparente Vollkörper verwendet werden, deren Außenfläche beziehungsweise Oberfläche verspiegelt beschichtet ist und dadurch eine Lichtreflektion bewirkt, damit wird der Austritt eines Lichtstrahls (6) durch die optische Oberfläche (5) bewirkt.
  • Der Vollkörper kann dabei aus transparentem, thermoplastischem Kunststoff, wie Polycarbonat (PC) oder Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polystyrol (PS) und dergleichen transparenten Kunststoffen beziehungsweise aus Blends oder Kombinationen daraus bestehen.
  • Weiter können zwei Kunststoffsorten miteinander kombiniert werden, beispielhaft durch einen Zweikomponentenspritzguß, wobei ein Kunststoff beispielsweise eine galvanisierbare, beziehungsweise bekeimbare Oberfläche aufweist und der andere Kunststoff eine nicht bekeimbare, beziehungsweise nicht galvanisierbare Oberfläche aufweist.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann der Vollkörper glasartig aufgebaut sein und es wird dabei selektiv die Oberfläche mit einer reflektierenden Schicht versehen.
  • Die Lichtstrahlen (4, 6) sind nur beispielhaft eingezeichnet. Die Optimierung des Reflektors (3) unter Verwendung der speziellen Abstrahlcharakteristika der LED-Elemente (2) zur Erzielung einer gewünschten Strahlform (6) wird mittels Computersimulation errechnet.
  • In 4 wird eine schematische Darstellung einer LED Reflektor Einheit (1) einer erfindungsgemäßen Art mit halbkugelförmigem Reflektor (3) aufgezeigt. In dieser Ausführungsform werden insbesondere weitgehend isotrop strahlende LED-Elemente (2), bevorzugt in Form von direkt montierten LED-CHIP-Elementen (11) verwendet und ist diese Ausführung sehr klein und kostengünstig herzustellen. Die in der 4 eingezeichneten Emissions-Lichtstrahlen (4) sind nur beispielhaft aufgezeigt und können von einer nahezu 180° Abstrahlcharakteristik bis zu einer andersartigen Abstrahlcharakteristik ausgebildet sein.
  • In 5 wird eine schematische Darstellung einer LED Reflektor Einheit (1) einer erfindungsgemäßen Art mit parabolisch angenähertem Reflektor (3) aufgezeigt. In dieser Ausführungsform werden insbesondere LED-Elemente (2) mit einer für diese Ausbildung des Reflektors (3) geeigneten Abstrahlcharakteristik zur Generierung eines gewünschten Lichtstrahls (6) verwendet.
  • In 6 wird eine schematische Darstellung eines ringförmigen Substrates (7) aufgezeigt. Es soll dabei veranschaulicht werden, dass eine übliche Leiterplattentechnik und eine übliche Montagetechnik zur Befestigung der LED-Elemente (2) und zur Erzeugung der optischen Öffnung (5) verwendet werden kann.
  • Ganz wesentlich dabei ist, dass die Verlustleistung in Form von Wärme weitgehend über das Substrat (7) abgeleitet werden kann. Für die Lebensdauer und die mögliche Helligkeit der gesamten LED Reflektor Einheit (1) ist die Temperatur des LED-Elementes (2) der wesentlichste einschränkende Parameter.
  • Je besser das LED-Element (2) thermisch auf dem Substrat (7) befestigt ist und je besser das Substrat (7) die Verlustwärme ableiten kann, um so heller und/oder umso länger wird die Lebensdauer bei gleichbleibender Lichtqualität bleiben. Je nach verwendeter LED-Technologie und Montagetechnologie kann die Dichte beziehungsweise kann die Anzahl der LED-Elemente (2) erhöht werden. Bei Wahl der direkten Montage von LED-CHIP-Elementen (11) kann eine Vielzahl engst benachbarter LED-Elemente (2) montiert werden. Die Ausführungsart ist nicht auf eine kreisrunde Form beschränkt, sondern kann oval, rechteckig, buchstabenförmig, symbolförmig und derartig ausgeführt werden.
  • In 7 wird eine schematische Darstellung eines länglichen Substrates (7) aufgezeigt. Hier gelten die bereits genannten Parameter und Kriterien ebenso. Diese Ausführung soll beispielhaft eine longitudinale optische Öffnung (5) mit hoher Leistungsdichte zeigen.
  • In 8 wird eine schematische Darstellung eines Substrates (7) mit radialem LED-Element (10) aufgezeigt. Radiale-LED-Elemente (10) sind die klassischen und ältesten LED-Elemente (2). Dabei können polymere Linsenssystem als auch Glaslinsen verwendet werden und diese Elemente können mit einem Kunststoff-Gehäuse als auch mit einem Metallgehäuse oder in einer TO-artigen Bauform hergestellt und verwendet werden. Für die Bestückung auf üblichen Leiterplattensubstraten (7) mit Leiterbahnen (14) werden Aufnahmelöcher benötigt und wird üblicherweise der elektrische Kontakt (9) rückseitig durch Löten hergestellt.
  • Zur Erhöhung des thermischen Ableitvermögens können Kühlkörper (15) auf die Rückseite des Substrates (7) montiert werden.
  • In 9 wird eine schematische Darstellung eines Substrates (7) mit SMT-LED-Element (12) aufgezeigt. Derartige SMT-LED-Elemente (12) werden mittels SMT-Bestückungsautomaten auf die Verdrahtungsseite (7, 14) eines Leiterplattensubstrates (7) montiert. Dabei werden üblicherweise Klebepunkte zur Fixieren des SMT-LED-Elementes (12) verwendet und werden Lötstrukturen beziehungsweise Lötdepots auf den Kontaktflächen der Leiterbahnen (14) aufgebracht. Die elektrischen Kontakte (13) werden durch einen Lötprozess gebildet.
  • Auch hier können zur Erhöhung des thermischen Ableitvermögens Kühlkörper (15) auf die Rückseite des Substrates (7) montiert werden.
  • In 10 wird eine schematische Darstellung eines Substrates (7) mit LED-CHIP-Element (11) aufgezeigt. In dieser Ausführung werden COB (Chip-on-Board) Techniken verwendet. Im aufgezeigten Fall wird ein Draht-Bondprozess (16) zur elektrischen Kontaktierung der Leiterbahnen (14) verwendet. Das LED-CHIP-Element (11) wird thermisch gut leitend auf dem Substrat (7) befestigt.
  • Nach dem Bondprozess erfolgt üblicherweise eine transparente oder semitransparente Passivierung mittels geeigneter Kunststoffe, insbesondere mittels spezieller schnell härtender Epoxidharze. Diese können mittels Dispenser in Tropfenform aufgebracht werden oder es können mittels Thermopressformen bestimmte Formen einschließlich entsprechender Linsenformen hergestellt werden. Oftmals werden noch anorganische farbkonvertierende Beimengungen hinzugegeben und es können derart beispielsweise aus blau beziehungsweise bläulich emittierenden LED-CHIP-Elementen (11) weiß beziehungsweise weißlich emittierende LED-Elemente (2) hergestellt werden.
  • Auch hier können zur Erhöhung des thermischen Ableitvermögens Kühlkörper (15) auf die Rückseite des Substrates (7) montiert werden.
  • In 11 wird eine schematische Darstellung eines Substrates (7) mit LED-CHIP-Element (11) und einseitiger Bondung (16) aufgezeigt. Diese Darstellung soll nur beispielhaft die Vielzahl an möglichen Ausführungsformen der Montage von LED-CHIP-Elementen (11) aufzeigen. Dabei wird ein IC-Basiskontakt (17) mittels Löten oder Schweißen oder elektrisch leitendem Kleben zur Verbesserung der thermischen Kopplung zum Substrat (7) verwendet und nur ein Bonddraht (16). Alle weiteren Punkte gelten wie in 10 genannt.
  • In 12 wird eine schematische Darstellung einer LED-Reflektor-Einheit (1) mit integriertem Linsen-System (18) aufgezeigt. In dieser Ausführungsform kann der Reflektor (3) als Vollkörper mit integral angeformtem Linsen-System (18) ausgebildet werden. Es kann jedoch das Linsen-System (18) auch als eigenständiges Element in der optischen Öffnung (5) angeordnet werden.
  • Ferner kann das Linsen-System (18) in Form von klassischen Sammel- und/oder Streu- Linsen gebildet werden oder es können Fresnel- artige Linsenelemente verwendet werden.
  • In der Ausführung mit einem Vollkörper aus transparentem Kunststoff oder Glas muß das Substrat (7) mit den diversen LED-Elementen (2) optimal lichttechnisch angekoppelt werden. Dies kann durch entsprechende Formgebung erfolgen und es kann zusätzlich ein entsprechend härtbares, transparentes flüssiges Kunstharz zugefügt werden, das unter UV-Einwirkung und/oder thermisch beziehungsweise über die Zeit aushärtet.
  • In einer speziellen Weiterbildung kann der Vollkörper (3) mittels Einlegespritzgusstechnik hergestellt werden. Dabei wird das Substrat (7) mit den diversen LED-Elementen (2) in ein Spritzgusswerkzeug beziehungsweise in ein Presswerkzeug gelegt und eine thermoplastische transparente Masse wird eingespritzt beziehungsweise presstechnisch zu der Reflektor-Einheit (3) mit angeformtem Substrat (7) gefertigt. Dabei wird eine optimale lichttechnische Ankoppelung der LED-Elemente (2) an den Vollkörper (3) erzielt und gleichzeitig werden die LED-Elemente (2) luftdicht abgeschlossen und damit bestens gegen Umwelteinflüsse geschützt. Anschließend muss noch die Oberfläche reflektierend beschichtet werden. Weiter kann in einem zweiten Spritzvorgang ebenfalls die reflektierende Wirkung erzielt werden und/oder es kann das Linsensystem (18) integrativ angeformt werden oder es kann das Linsensystem (18) zusätzlich gestaltet werden.
  • Weiter können mit einem zweiten Spritzgussvorgang entsprechende konstruktive Elemente zusätzlich hergestellt beziehungsweise integrativ angeformt werden. Diese ganz spezielle Art der Ausbildung einer LED Reflektor Einheit (1) ist insbesondere aufgrund der hohen Lebensdauer der LED-Elemente (2) von einigen 10.000 bis 100.000 Stunden und darüber sehr interessant, da in diesen Fällen auf keinen LED-Element (2) Austausch zu achten ist. Gegenüber Hohlkörper-Reflektoren (3) bieten derartige Vollkörper-Reflektoren (3) den Vorteil, dass keine Verschmutzung oder Kondenswasserbildung möglich ist und nur die optische Öffnung (5) und/oder das Linsensystem (18) gereinigt werden muss.
    • 1
    LED Reflektor Einheit
    2
    LED-Element
    3
    Reflektor Einheit
    4
    Direkt emittiertes Licht
    5
    Optische Öffnung
    6
    Reflektiertes Licht
    7
    Substrat
    8
    Träger
    9
    Elektrische Anschlüsse Radial
    10
    Radiales LED-Element
    11
    LED-CHIP-Element
    12
    SMT-LED Element
    13
    Elektrische Kontakte
    14
    Leiterbahnen
    15
    Kühlkörper
    16
    Drahtbondkontakte
    17
    IC-Basiskontakt
    18
    Linsensystem

Claims (13)

  1. LED Reflektor Einheit (1) auf Basis einer Mehrzahl von LED Elementen (2) und einer Reflektor Einheit (3) zur Erzeugung eines Lichtstrahles (6), dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (6) ausschließlich durch reflektiertes Licht (6) erzeugt wird, das durch eine optische Öffnung (5) ausgekoppelt wird.
  2. LED Reflektor Einheit (1) zur Erzeugung eines Lichtstrahles (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektor Einheit (3) aus einem geeignet räumlich gestalteten Hohlkörper mit einer reflektierenden Innenbeschichtung gebildet ist.
  3. LED Reflektor Einheit (1) zur Erzeugung eines Lichtstrahles (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektor Einheit (3) aus einem geeignet räumlich gestalteten transparenten Vollkörper mit einer reflektierenden Außenbeschichtung gebildet ist.
  4. LED Reflektor Einheit (1) zur Erzeugung eines Lichtstrahles (6) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektor Einheit (3) aus einem thermoplastischen Kunststoff und/oder einem glasförmigen Stoff gebildet ist und je nach Ausführungsform im Falle eines Hohlkörpers innen oder im Falle eines Vollkörpers außen reflektierend beschichtet ist und die räumlich geeignet reflektierenden Flächen aus einer großflächen Reflektoreinheit oder aus beliebig kleinen einzelnen Reflektoreinheiten beziehungsweise Reflektorelementen gebildet sind.
  5. LED Reflektor Einheit (1) zur Erzeugung eines Lichtstrahles (6) nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von LED Elementen (2) auf Basis von LED-CHIP-Elementen (11) und/oder SMT-LED-Elementen (12) und/oder Radialen-LED-Elementen (10) gebildet werden und auf einem Substrat (7) mit guter thermischer Ableitwirkung und elektrischer Beschaltung (9, 13, 14) montiert sind und wahlweise je nach Ausführung und Anforderung optische Elemente zur Formung des direkt emittierten Lichtes (4) aufweisen und wahlweise je nach Ausführung und Anforderung mit einem Winkel von 0° bis 30° zur Oberfläche des Substrates (7) montiert sind.
  6. LED Reflektor Einheit (1) zur Erzeugung eines Lichtstrahles (6) nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (7) mit den Leiterbahnen (14) einen Aluminiumkern zur thermischen Ableitung aufweist.
  7. LED Reflektor Einheit (1) zur Erzeugung eines Lichtstrahles (6) nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (7) mit einem Kühlkörper (15) zur thermischen Ableitung ausgeführt ist.
  8. LED Reflektor Einheit (1) zur Erzeugung eines Lichtstrahles (6) nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der optischen Öffnung (5) ein Linsen-System (18) angeordnet ist.
  9. LED Reflektor Einheit (1) zur Erzeugung eines Lichtstrahles (6) nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der optischen Öffnung (5) ein Linsen-System (18) als integraler Bestandteil der Reflektoreinheit (3) angeordnet ist.
  10. LED Reflektor Einheit (1) zur Erzeugung eines Lichtstrahles (6) nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsensystem (18) aus einer Sammel- und/oder Streulinse besteht und diese Linsen konventionell als auch stückweise in Form eines Fresnell-Systems ausgebildet sind.
  11. Herstellung einer LED Reflektor Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Bildung eines Lichtstrahls (6) mit einer hohen Leistungsdichte bei kleinem Strahldurchmesser (5) und der Verwendung des Substrates (7) zur Spannungsversorgung der Mehrzahl an LED-Elementen (2), wobei etwaige zusätzliche Vorwiderstandskomponenten und/oder Dioden zur Vermeidung der Beschädigung durch falsch gepolte Anschlüsse und dergleichen elektronische Bauteile auf das Substrat (7) montiert und elektrisch verdrahtet werden.
  12. Herstellung einer LED Reflektor Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Bildung eines Lichtstrahls (6) mit einer hohen Leistungsdichte bei kleinem Strahldurchmesser (5) und der Verwendung des Substrates (7) zur Spannungsversorgung der Mehrzahl an LED-Elementen (2), wobei die Vollkörperreflektor-Einheit (3) in einem Einlegespritzgußvorgang oder einem Einlegepressformvorgang integrativ an das Substrat (7) mit den diversen LED-Elementen (2) angeformt wird und anschließend die reflektierende Oberfläche hergestellt wird.
  13. Anwendung einer LED Reflektor Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Bestrahlung von Elementen.
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