DE102004047682A1 - LED-Array - Google Patents

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Abstract

In einem LED-Array mit mindestens zwei LED-Chips (2) ist ein Temperatursensor (3) enthalten, und es ist eine Regelung des Betriebsstroms der LED-Chips (2) in Abhängigkeit von der von dem Temperatursensor (3) erfassten Temperatur vorgesehen. Dadurch wird eine lange Betriebszeit der LED-Chips (2) mit einem hohen Betriebsstrom ermöglicht, wobei die Gefahr einer thermischen Überlastung vermindert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein LED-Array nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • LED-Arrays zeichnen sich durch eine hohe Effizienz, eine hohe Lebensdauer, eine schnelle Ansprechzeit und eine vergleichsweise geringe Empfindlichkeit gegen Stöße und Vibrationen aus. LED-Arrays werden aus diesem Grund immer häufiger in Beleuchtungseinrichtungen eingesetzt, bei denen bisher oftmals Glühlampen verwendet wurden, insbesondere in Kfz-Scheinwerfern, Leselampen oder Taschenlampen.
  • Bei zu derartigen Beleuchtungszwecken eingesetzten LED-Arrays werden die LED-Chips in der Regel mit sehr hohen Betriebsströmen betrieben, um eine möglichst hohe Leuchtdichte zu erzielen. Damit ist jedoch eine hohe Wärmeentwicklung verbunden. Bei kompakten Leuchtdioden-Beleuchtungseinrichtungen sind oftmals auch strahlformende optische Elemente integriert, die sehr nah an den LED-Chips oder sogar auf den LED-Chips angeordnet sind. Die Wärmeabstrahlung der Chips wird dadurch zusätzlich erschwert.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein LED-Array anzugeben, bei dem die Gefahr einer thermischen Überlastung der LED-Chips verringert ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein LED-Array mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Ein LED-Array mit mindestens zwei LED-Chips enthält gemäß der Erfindung einen Temperatursensor, und es ist eine Regelung eines Betriebsstroms der LED-Chips in Abhängigkeit von der von dem Temperatursensor erfassten Temperatur vorgesehen.
  • Durch die temperaturabhängige Regelung des Betriebsstroms der LED-Chips des LED-Arrays kann eine Beeinträchtigung der Funktion oder sogar ein Ausfall der LED-Chips durch thermische Überlastung vermieden werden. Beispielsweise kann die von dem Temperatursensor erfasste Temperatur von einer Auswerteschaltung, die bevorzugt außerhalb des LED-Arrays angeordnet ist, ausgewertet werden, und der Betriebsstrom der LED-Chips vermindert werden, sobald die von dem Temperatursensor erfasste Temperatur einen kritischen Wert erreicht. Auf diese Weise können die LED-Chips vorteilhaft über lange Betriebszeiten im Grenzbereich ihrer thermischen Belastbarkeit betrieben werden.
  • Bei einem LED-Array, das eine Vielzahl von LED-Chips enthält, ist die Erfindung besonders vorteilhaft anwendbar, da mit der Anzahl der LED-Chips auch die Wärmeentwicklung steigt. Besonders bevorzugt enthält ein LED-Array gemäß der Erfindung mindestens vier LED-Chips.
  • Um eine möglichst gute Übereinstimmung zwischen der von dem Temperatursensor erfassten Temperatur und der Temperatur der strahlungsemittierenden aktiven Schichten der LED-Chips zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn der Temperatursensor einen möglichst geringen Abstand zu mindestens einem der LED-Chips aufweist. Bevorzugt beträgt der Abstand zwischen dem Temperatursensor und mindestens einem LED-Chip des LED-Arrays 5 mm oder weniger, besonders bevorzugt 3 mm oder weniger.
  • Weiterhin ist es für die Temperaturmessung der LED-Chips voretlhaft, wenn die einzelnen LED-Chips des LED-Arrays keine LED-Gehäuse aufweisen.
  • Das LED-Array umfasst bevorzugt einen Chipträger, auf dem die LED-Chips angeordnet sind, und der Temperatursensor ist auf dem Chipträger befestigt. Alternativ kann ein Chipträger, auf dem die LED-Chips befestigt sind, auf einen Trägerkörper montiert sein, und der Temperatursensor auf dem Trägerkörper befestigt sein. Der Trägerkörper und der Chipträger sind dabei vorzugsweise miteinander verklebt. Der Temperatursensor wird bevorzugt auf dem Chipträger oder auf dem Trägerkörper durch Löten oder Kleben befestigt. Damit wird eine genau definierte Temperaturmessung sichergestellt, insbesondere auch in Umgebungen, in denen das LED-Array Stößen oder Vibrationen ausgesetzt ist, beispielsweise bei der Verwendung in einem Kraftfahrzeug.
  • Besonders vorteilhaft ist die Erfindung für kompakte LED-Arrays, bei denen der Chipträger und/oder der Trägerkörper eine Grundfläche von 300 mm2 oder weniger aufweisen. Der Chipträger weist vorzugsweise eine Höhe von weniger als 1 mm, beispielsweise etwa 0,5 mm bis 0,7 mm, und der Trägerkörper eine Höhe von etwa 1 mm bis 1,5 mm auf.
  • Der Temperatursensor ist vorzugsweise ein Thermoelement. Weiterhin kann der Temperatursensor auch ein temperaturabhängiger Widerstand sein, der einen negativen Temperaturkoeffizienten (NTC-Widerstand) oder einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC-Widerstand) aufweisen kann. Alternativ kann auch ein Halbleiterbauelement, beispielsweise ein Transistor oder eine Diode, als Temperatursensor verwendet werden, indem eine temperaturabhängige elektrische Eigenschaft eines derar tigen Halbleiterbauelements von einer Auswerteschaltung erfasst wird.
  • Besonders vorteilhaft ist die Erfindung für LED-Arrays, bei denen aufgrund einer hohen Verlustleistung der LED-Chips die Wärmeentwicklung sehr hoch ist, und, beispielsweise durch eine hohe Umgebungstemperatur oder die Bauform des LED-Arrays bedingt, die Wärmeabfuhr erschwert ist. Insbesondere wird die Wärmeabfuhr bei LED-Arrays oftmals durch strahlformende optische Elemente, die sehr nah an den LED-Chips oder sogar auf den LED-Chips angeordnet sind, erschwert. Beispielsweise kann als strahlformendes optisches Element ein optischer Konzentrator vorgesehen sein, mit dem die Abstrahlcharakteristik des LED-Arrays vorteilhaft beeinflusst wird.
  • Der optische Konzentrator ist bevorzugt ein CPC-, CEC- oder CHC-artiger optischer Konzentrator, womit ein Konzentrator gemeint ist, dessen reflektierende Seitenwände zumindest teilweise und/oder zumindest weitestgehend die Form eines zusammengesetzten parabolischen Konzentrators (compound parabolic concentrator, CPC), eines zusammengesetzten elliptischen Konzentrators (compound elliptic concentrator, CEC) und/oder eines zusammengesetzten hyperbolischen Konzentrators (compound hyperbolic concentrator, CHC) aufweisen.
  • Ein LED-Array gemäß der Erfindung kann beispielsweise ein Teil einer Beleuchtungseinrichtung, insbesondere ein Teil eines KFZ-Scheinwerfers, sein. Da LED-Arrays in Beleuchtungseinrichtungen oftmals einer hohen Umgebungstemperatur ausgesetzt sind, die beispielsweise in einem KFZ-Scheinwerfer etwa 125° betragen kann, ist die Erfindung für derartige Beleuchtungseinrichtungen besonders vorteilhaft.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von drei Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 3 näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1a eine schematisch dargestellte Aufsicht auf den Chipträger eines ersten Ausführungsbeispiels eines LED-Arrays gemäß der Erfindung,
  • 1b eine schematische Darstellung eines Querschnitts entlang der Linie AB des in 1a dargestellten ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
  • 2a eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf den Trägerkörper eines zweiten Ausführungsbeispiels eines LED-Arrays gemäß der Erfindung,
  • 2b eine schematische Darstellung eines Querschnitts entlang der Linie CD des in 2a dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und
  • 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines LED-Arrays gemäß der Erfindung.
  • Auf dem in der 1a in der Aufsicht und in der 1b im Querschnitt dargestellten Chipträger 1 des ersten Ausführungsbeispiels eines LED-Arrays gemäß der Erfindung sind sechs LED-Chips 2 montiert, wobei die einzelnen LED-Chips jeweils kein Gehäuse aufweisen. Die LED-Chips 2 sind z.B. weißlichtemittierende LED-Chips 2. Der Chipträger 1 ist vorzugsweise aus einer Keramik gefertigt. Die Grundfläche des Chip trägers 1, auf der die LED-Chips 2 montiert sind, weist vorteilhaft eine Fläche von 300 mm2 oder weniger auf. Auf dem Chipträger 1 ist ein Temperatursensor 3 befestigt, der beispielsweise ein Thermoelement, ein temperaturabhängiger Widerstand oder ein Halbleiterbauelement sein kann. Der Abstand d zwischen dem Thermoelement 3 und dem nächstgelegenen LED-Chip 2 beträgt vorzugsweise 5 mm oder weniger. Durch den geringen Abstand zwischen dem Thermoelement und zumindest einem der LED-Chips 2 und dadurch, dass die einzelnen LED-Chips 2 jeweils kein LED-Gehäuse aufweisen, sind die Temperatur an dem Messpunkt des Temperatursensors 3 und die tatsächliche Temperatur der LED-Chips 2 vergleichsweise gut miteinander korreliert.
  • Bei dem in der 2a in der Aufsicht und in der 2b im Querschnitt gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel eines LED-Arrays gemäß der Erfindung sind mehrere LED-Chips 2 auf einem gemeinsamen Chipträger 1 montiert. Der Chipträger 1 ist auf einem Trägerkörper 4 montiert, auf dem auch der Temperatursensor befestigt ist. Der Temperatursensor 3 ist beispielsweise auf den Trägerkörper 4 gelötet oder geklebt.
  • Auch bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand zwischen dem Temperatursensor 3 und dem nächstgelegenen LED-Chip 2 vorteilhaft nicht mehr als 5 mm. Der Trägerkörper 4 ist bevorzugt aus einem Material mit einer guten Wärmeleitung gefertigt, beispielsweise aus einem Metall. Dadurch kann einerseits eine Wärmeabfuhr der von den LED-Chips 2 erzeugten Wärme über den Trägerkörper 4 erfolgen, und andererseits ist auch eine gute Übereinstimmung der von dem Temperatursensor 3 gemessenen Temperatur mit der tatsächlichen Temperatur der LED-Chips 2 gewährleistet. Der Trägerkörper 4 weist vorzugsweise eine Grundfläche von 300 mm2 oder weniger auf. Bei spielsweise hat der Trägerkörper 4 eine rechteckige Grundfläche mit einer Länge 1 zwischen einschließlich 10 mm und einschließlich 15 mm und eine Breite b zwischen einschließlich 15 mm und einschließlich 20 mm.
  • Bei dem in 3 im Querschnitt dargestellten Ausführungsbeispiel eines LED-Arrays gemäß der Erfindung ist ein Trägerkörper 4, auf dem ein Chipträger 1 mit mehreren LED-Chips 2 und ein Temperatursensor 3 befestigt ist, in ein Gehäuse 5 eingebaut. Der Temperatursensor 3 ist über zwei Zuleitungen 8, 9 mit einer Steuereinheit 7 verbunden, die außerhalb des Gehäuses 5 angeordnet ist.
  • Die Steuereinheit 7 enthält eine Auswerteschaltung zur Auswertung des von dem Temperatursensor 3 erzeugten Messsignals. Weiterhin enthält die Steuereinheit 7 eine mit der Auswerteschaltung verbundene Ansteuerschaltung, die die LEDs 2 über die Zuleitungen 10, 11 mit einem Betriebsstrom versorgt, der in Abhängigkeit von der von dem Temperatursensor 3 gemessenen Temperatur geregelt wird.
  • Den LED-Chips 2 ist vorteilhaft in ihrer Abstrahlrichtung 13, 14 mindestens ein strahlformendes optisches Element 12 nachgeordnet. Beispielsweise kann es sich bei dem strahlformenden optischen Element 12 um einen CPC (Compound Parabolic Concentrator) handeln, mit dem die Abstrahlcharakteristik der LED-Chips 2 in vorteilhafter Weise beeinflusst wird. Durch ein CPC wird beispielsweise die Strahldivergenz der von den LED-Chips 2 emittierten Strahlung 13, 14 vermindert. Dabei kann jeder einzelnen LED 2 jeweils ein strahlformendes Element 12 nachgeordnet sein. Alternativ kann auch der Gesamtheit der LEDs ein oder einer oder mehreren Gruppen von LEDs 2 ein strahlformendes Element 12 nachgeordnet sein.
  • Das strahlformende optische Element 12 kann sehr dicht an den LED-Chips 2 angeordnet oder sogar auf diese aufgesetzt sein.
  • Je nach gewünschter Abstrahlcharakteristik des LED-Arrays können zusätzlich auch noch weitere strahlformende optische Elemente vorgesehen sein. Beispielsweise kann auf das Gehäuse 5 des LED-Arrays eine Linse 15 aufgebracht sein.
  • Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
    •

Claims (14)

  1. LED-Array mit mindestens zwei LED-Chips (2), dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Array einen Temperatursensor (3) enthält, und eine Regelung eines Betriebsstroms der LED-Chips (2) in Abhängigkeit von der von dem Temperatursensor (3) erfassten Temperatur vorgesehen ist.
  2. LED-Array nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Array einen Chipträger (1) umfasst, auf dem die LED-Chips (2) angeordnet sind, und der Temperatursensor (3) auf dem Chipträger (1) befestigt ist.
  3. LED-Array nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Array einen Chipträger (1) umfasst, auf dem die LED-Chips (2) angeordnet sind, wobei der Chipträger (1) auf einen Trägerkörper (4) montiert ist und der Temperatursensor (3) auf dem Trägerkörper (4) befestigt ist.
  4. LED-Array nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (4) eine Grundfläche von 300 mm2 oder weniger aufweist.
  5. LED-Array nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Chipträger (1) eine Grundfläche von 300 mm2 oder weniger aufweist.
  6. LED-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen mindestens einem der LED-Chips (2) und dem Temperatursensor (3) 5 mm oder weniger beträgt.
  7. LED-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Chips (2) des LED-Arrays keine LED-Gehäuse aufweisen.
  8. LED-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (3) ein Thermoelement ist.
  9. LED-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (3) ein temperaturabhängiger Widerstand ist.
  10. LED-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (3) ein Halbleiterbauelement ist.
  11. LED-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Array mindestens 4 LED-Chips (2) enthält.
  12. LED-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Array mindestens ein optisches Element (12, 15) zur Strahlformung der von den LED-Chips (2) emittierten Strahlung (13, 14) aufweist.
  13. LED-Array nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (12) ein CPC-, CEC- oder CHC-artiger optischer Konzentrator ist.
  14. LED-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Array Teil eines KFZ-Scheinwerfers ist.
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