DE102004053680A1 - Hybridbeleuchtungskörper - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Beleuchtungskörperapparatur, die eine oder mehrere LEDs (4) und eine oder mehrere Stromsteuerungskomponenten und/oder eine andere Komponente (3) des Beleuchtungskörpers, die wärmeleitend an einer Leiterplatte (2) gekoppelt ist, aufweist. Die Leiterplatte (2) wiederum ist wärmeleitend in einem als Gehäuseteil des Beleuchtungskörpers dienenden Kühlelement (1) zum Überführen von durch die LEDs und die Stromsteuerungskomponenten und/oder die anderen Komponenten (3) erzeugter Wärme über die Leiterplatte (2) an das Kühlelement (1) und davon weiter an die übrigen Konstruktionen des Beleuchtungskörpers und an die Umgebung integriert.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Beleuchtungskörperapparatur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Kühlung eines Beleuchtungskörpers mit LEDs.
  • Beim Verwenden der LED-Beleuchtungskörper nach der bekannten Technik wird in ihrer Herstellung auf eine Anpassungsforderung der Spannung gestoßen. Die LED ist nach ihrer Buchstabenabkürzung eine lichtemittierende Diode. Wenn dadurch ein Strom in Vorwärtsrichtung geleitet wird, emittiert eine in der Diode bleibende Leistung Licht. Der Spannungsabfall einer LED-Einheit beträgt etwa 2,0 bis 4,0 V. Der Spannungsabfall wird nach dem Strom wesentlich entsprechend einer dynamischen Emissionskurve einer gewöhnlichen Diode bestimmt. Der Spannungsabfall wiederum verursacht einen Temperaturanstieg in einem Beleuchtungskörper und in allen seinen Komponenten.
  • Wenn sich die Technik entwickelt hat, sind immer effektivere LEDs auf den Markt herausgekommen, die Leistungen von 0,1 W bis zu 5 W aufweisen. Die Leistungen wollen weiter steigen, wenn sich die Technologie entwickelt. Der Hellempfindlichkeitsgrad einer LED ist jedoch nur in der gleichen Kategorie wie der einer Glühlampe, d. h. 6 bis 8 %. Wie es für alle chemischen Reaktionen typisch ist, ist es auch für LEDs typisch, dass ihre voraussichtliche Lebensdauer sinkt, wenn die Temperatur steigt (sog. Arrhenius-Theorie) d. h. wenn der Spannungsabfall zunimmt.
  • Wenn in den Beleuchtungskörpern nach der bekannten Technik die Spannung in einer LED den Schwellenwert der Durchlassspannung überschreitet, steigt der Wert des Stromes beinahe unbeschränkt, weshalb der Strom der LEDs im Allgemeinen mit einer äußeren Komponente, zum Beispiel mit einem Widerstand begrenzt werden soll. Weil die Leistungen der neuen LEDs fortwährend zunehmen, ist es nicht wirtschaftlich und auch nicht technisch mehr möglich, LEDs hintereinander zu schalten und den Strom einer LED mit einem Widerstand zu begrenzen, sondern dazu soll ein elektronisches Schaltglied mit geringfügigem Verlust, die sog. Zerhackerstromquelle verwendet werden.
  • Mit einer derartigen Zerhackerstromquelle kann eine LED mit Strom von einer größeren Spannung so gespeist werden, dass er den Strom mit sehr kleinem Verlust auf einen für die LED richtigen Wert begrenzt. Es sei als Beispiel ein von 24 V zu nehmender Strom von 300 mA für eine LED von 1 000 mW erwähnt. Dabei senkt der Zerhacken die Spannung um etwa 20 V, die durch einen Widerstand begrenzt Leistungsverluste von etwa 6 W verursacht. Dies bedeutet für die ganze Schaltung einen elektrischen Wirkungsgrad von nur etwa 15 %. Wenn die Speisespannung 230V beträgt, ist der Wirkungsgrad nur ein Bruchteil von dem vorigen. Wenn noch der Hellempfindlichkeitsgrad der LED beachtet wird, beträgt der Hellempfindlichkeitsgrad der ganzen Schaltung nur etwa 2 bis 3 %. Der entsprechende elektrische Gesamtwirkungsgrad einer Zerhackerleistungsquelle beträgt etwa 95 %. In LED-Lösungen mit kleiner Leistung hat dieser Leistungsverlust keine wirtschafliche Bedeutung, wenn aber in einem Verwendungsgegenstand mehrere Dutzende LED-Beleuchtungskörper vorhanden sein können, wird der Leistungsverlust schon bedeutsam, und zugleich steigt die Innentemperatur des Beleuchtungskörpers, was wiederum die Lebensdauer der LEDs und der anderen Komponenten senkt. Somit eignen sich die Beleuchtungskörperlösungen nach der bekannten Technik nicht mehr für eine wirtschaftliche Verwendung in Beleuchtungskörpern mit mehreren LEDs mit großer Leistung von 0,1 bis 5 W.
    •
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Beleuchtungskörper nach dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 zu entwickeln, mit dem die oben erwähnten Probleme gelöst werden können. Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Beleuchtungskörper gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er eine oder mehrere LEDs und eine oder mehrere Stromsteuerungskomponenten und/oder eine andere Komponente des Beleuchtungskörpers, die wärmeleitend an einer Leiterplatte gekoppelt ist, sowie wenigstens ein in der Leiterplatte wärmeleitend integriertes, als Gehäuseteil des Beleuchtungskörpers dienendes Kühlelement zum Überführen von durch die LEDs und die Stromsteuerungskomponenten und/oder die anderen Komponenten erzeugter Wärme über die Leiterplatte an das Kühlelement und davon weiter an die übrigen Konstruktionen des Beleuchtungskörpers und an die Umgebung aufweist.
  • Die vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung beruht darauf, dass ein Beleuchtungskörper, der eine oder mehrere LEDs, insbesondere LEDs mit großer Leistung von 0,1 bis 5 W, aufweist, die in einer Leiterplatte installiert sind und die Strom von einer sie mit Strom speisenden Leistungsquelle erhalten, infolge eines durch die LEDs und die anderen Komponenten verursachten Leistungsverlusts geheizt wird, was die Verkürzung der Lebensdauer der LEDs und der anderen Komponenten verursacht. Somit sind erfindungsgemäß die LEDs und die sie steuernden Komponenten an einem gedrückten Schaltbrett befestigt, das weiter wärmeleitend an einem als Gehäuse des Beleuchtungskörpers dienenden Kühlelement befestigt ist, das die entstehende Wärme von der Leiterplatte und von den darin befindlichen Komponenten an die übrigen Konstruktionen des Beleuchtungskörpers und davon weiter an die Umgebung überführen soll. Vorzugsweise ist das Kühlelement eine Metallplatte/ein Metallprofil, die/das auf gut wärmeleitende Weise in der Leiterplatte integriert ist, wobei auch die LEDs und die sie steuernden Komponenten auf gut wärmeleitende Weise an der Leiterplatte befestigt sind. Die auf diese Weise durchgeführte Wärmeübertragung von der Leiterplatte und von den darin befindlichen Komponenten und von ihrer Nähe ermöglicht eine lange Lebensdauer der LEDs und der Komponenten. Somit wird erfindungsgemäß ein kompakter Beleuchtungskörper geschaffen, in dem die LEDs und die Stromsteuerungskomponenten sowie die eventuellen anderen Komponenten des Beleuchtungskörpers wärmeleitend an dem gedrückten Schaltbrett installiert sind, das ihrerseits wärmeleitend an dem als Gehäuse des Beleuchtungskörpers oder als dessen Teil dienenden Kühlelement befestigt ist, das vorzugsweise eine wärmeleitende Metallplatte oder ein wärmeleitendes Metallprofil ist.
  • Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Erfindung und des erfindungsgemäßen Systems besteht darin, dass sie kompakte Leistungsquelle-Beleuchtungskörperkonstruktionen ermöglichen, in denen die Leistungsquelle und die Lichtquellen in einer dichten Konstruktion gut abgekühlt sind. Dabei können die Lebensdauer der auch in der dichten Konstruktion befindlichen LEDs und anderen Komponenten normal gehalten werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet das Kühlelement wenigstens einen Teil des Gehäuses des Beleuchtungskörpers, wobei das Kühlelement eine an der Leiterplatte befestigte, gut wärmeleitende Platte oder ein an der Leiterplatte befestigtes, gut wärmeleitendes Profil, vorzugsweise eine Metallplatte/ein Metallprofil oder eine Metallbekleidung ist. Weiter ist in der vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Leiterplatte in ihrer Gänze an der Oberfläche des Kühlelements oder der Kühlelemente montiert, aber die Leiterplatte kann auch nur teilweise an der Oberfläche des Kühlelements montiert sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht das Kühlelement aus zwei oder mehreren aufeinander liegenden Überzügen, Platten oder Profilen oder aus einer ihrer Kombinationen.
  • Nach den Merkmalen der Erfindung ist die Leiterplatte am Kühlelement durch ein wärmeleitendes Klebemittel, mechanisch oder durch Vulkanisieren zur effektiven Überführung von Wärme über die Leiterplatte an das Kühlelement befestigt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die Erfindung wird jetzt im Zusammenhang mit den vorteilhaften Ausführungsformen unter Hinweis auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Prinzipbild einer mit einem Kühlelement versehenen Beleuchtungskörperapparatur nach der vorliegenden Erfindung und
  • 2 ein Bild eines Beleuchtungskörpers nach der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • In 1 ist ein Prinzipbild einer Beleuchtungskörperanordnung nach der vorliegenden Erfindung dargestellt, in der LEDs 4 an einer Leiterplatte 2 installiert sind, an der wiederum ein Kühlelement 1 befestigt ist. Die Leiterplatte 2 kann zum Beispiel ein aus Glasfiberfaserlaminat hergestelltes gedrücktes Schaltbrett sein, auf dessen einer Seite oder beiden Seiten eine elektrisch leitende und wärmeleitende Kupferfolie oder elektrisch leitende und wärmeleitende Kupferleiter vorhanden sind, welche gedrückten Schaltbretter gewöhnlich bei der Herstellung der sogenannten Mehrschichtenleiterplatten verwendet werden. Aber neben der vorigen kann die Leiterplatte eine andersartige Leiterplatte oder ein gedrücktes Schaltbrett sein, in dem anstatt der Kupferfolie ein anderer elektrischer Leiter und anstatt des Glasfiberfaserlaminats ein anderes Unterlagenmaterial verwendet worden ist. Eine derartige Leiterplatte kann auch ein Teil einer größeren Gesamtheit sein und sie kann je nach der Anwendung auch mehrere andere Komponenten neben den Grundkomponenten des Beleuchtungskörpers aufweisen.
  • Nach der vorliegenden Erfindung wird die Leiterplatte 2 am Kühlelement 1 befestigt, das in dieser beispielhaften Ausführungsform ein Aluminiumblech ist, das die durch die in der Leiterplatte 2 befindlichen LEDs 4 und Komponenten 3 erzeugte Wärme von der Leiterplatte 2 ableiten soll. Das erwähnte Aluminiumblech dient auch als Gehäuseteil des Beleuchtungskörpers, wobei es die Wärme auch an die übrigen Konstruktionen des Beleuchtungskörpers und dadurch effektiv in die umgebende Luft überführt. Das Kühlelement 1 kann auch aus einem anderen Metall, Metallgemisch oder aus einem anderen gut wärmeleitenden Material bestehen. Die Befestigung der Leiterplatte 2 am Kühlelement wird in eine möglichst effektive Wärmeüberführung ermöglichender Weise durchgeführt. In dieser Ausführungsform ist die Befestigung der Leiterplatte 2 am Kühlelement 1 unter Verwendung eines Klebemittels durchgeführt worden, das gut wärmeleitend ist. Die Befestigung könnte jedoch auch zum Beispiel dadurch durchgeführt werden, dass die Leiterplatte 2 an das Kühlelement 2 vulkanisert wird. Zur Befestigung kann auch eine mechanische Weise angewandt werden und zwischen der Leiterplatte und dem Aluminiumblech kann eine die Wärmeleitfähigkeit verbessernde Siliziumpaste oder ein anderes die Wärmeübertragung förderndes Mittel verwendet werden. Hierdurch wird eine integrierte, durch die Leiterplatte 2 und das Kühlelement 2 gebildete, gut wärmeleitende Konstruktion zustande gebracht.
  • Die in der Leiterplatte 2 befindlichen Komponenten 3 sind in dieser Ausführungsform Stromsteuerungskomponenten, aber sie können auch andere mit der Funktion des Beleuchtungskörpers verbundene Komponenten sein. Die Stromsteuerungskomponenten wiederum bilden einen aktiven strombegrenzenden Umformer, wie eine Zerhackerstromquelle.
  • Die Kühlelemente können von ihrer Form her Platten oder verschiedene Profile sein. Die Profile können nach dem jeweiligen Bedarf und dem Zustand in der Beleuchtungskörperapparatur frei variieren. Alternativ kann das Kühlelement 1 ein dünner Überzug sein, der auf die Leiterplatte 2 bewirkt worden ist. Solche Kühlelemente 1 können auch aus zwei oder mehreren Schichten bestehen, die eine gleiche oder eine voneinander abweichende Wärmeübertragungsfähigkeit aufweisen. Dabei kann zum Beispiel an der Leiterplatte ein dünner, gut wärmeleitender Überzug befestigt werden, der wiederum an dem gut wärmeleitenden Gehäuse des Beleuchtungskörpers befestigt wird, wobei ein zweilagiges Kühlelement zustande gebracht wird.
  • Von dem Kühlelement 1 wird die durch die LEDs 4 und die anderen Komponenten 3 erzeugte Wärme vorzugsweise an das Gehäuse der Beleuchtungskörperapparatur und davon weiter an die Umgebung geleitet. Diese Leitung von Wärme von dem Kühlelement 1 an die Umgebung wird einfach zum Beispiel dadurch bewirkt werden, dass die Leiterplatte auf wärmeleitende Weise am Gehäuse der Beleuchtungskörperapparatur befestigt wird, wobei das Kühlelement 1 wenigstens einen Teil des Gehäuses des Beleuchtungskörpers bildet. Dabei kann die durch die Komponenten des Beleuchtungskörpers erzeugte Abwärme an die Umgebung ununterbrochen übergeführt werden und der Beleuchtungskörper kann nicht zu viel geheizt werden. Dabei kann die Leiterplatte 2 derart gewählt werden, dass ihre Befestigung am Gehäuse des Beleuchtungskörpers (am Kühlelement) leicht ist und eine möglichst gut wärmeleitende Befestigung geschaffen wird. Dabei kann auch in Frage kommen, dass die Leiterplatte nur teilweise im Kühlelement 1 integriert ist, wobei ein Teil ihrer Fläche gar nicht im Kühlelement 1 oder somit im Gehäuse des Beleuchtungskörpers integriert ist. Alternativ und vorzugsweise ist die Leiterplatte 2 jedoch über ihre ganze Fläche im Kühlelement 1, d. h. im Gehäuse des Beleuchtungskörpers, integriert.
  • Die in den Beleuchtungskörperapparaturen nach der modernen Technik zu verwendenden LEDs 4 können eine Leistung von sogar 0,1 bis 5 W besitzen, was bedeutet, dass die durch sie erzeugte Abwärme eine große Rolle für das Aufheizen der Beleuchtungskörperapparatur spielt. Die LEDs sowie die sie mit Strom speisende Leistungsquelle oder ein Teil ihrer Komponenten und die anderen Komponenten 3 der Beleuchtungskörperapparatur werden an der Leiterplatte, vorzugsweise an dem gedrückten Schaltbrett befestigt, das für diese LEDs 4 und Komponenten 3 eine mechanische, elektrische und wärmeleitende Befestigungsunterlage bildet. Weil die LEDs 4 und die Komponenten 3 im Zusammenhang mit der Verwendung der Beleuchtungskörperapparatur auch selbst geheizt werden, ist es vorteilhaft, dass sie auf gut wärmeleitende Weise an der Leiterplatte 2 befestigt werden. Ihre Befestigung wird in der Praxis mittels eines gut wärmeleitenden Klebemittels oder zum Beispiel mittels einer Siliziumpaste durchgeführt. Hierdurch kann die während der Verwendung entstehende Abwärme möglichst effektiv direkt von den LEDs 4 und den Komponenten 3 über die Leiterplatte 2 an das Kühlelement 1 und davon weiter über das Gehäuse der Beleuchtungskörperapparatur an die Umgebung übergeführt werden.
  • Wenn den oben erwähnten Prinzipien nach der vorliegenden Erfindung gefolgt werden, wird eine Konstruktion für einen Beleuchtungskörper zustande gebracht, die eine kompakte Konstruktion ist, in der die LEDs, ihre Stromquelle oder Stromquellen und die anderen eventuellen Komponenten an eine gut Wärme (Leistungsverlust) leitende Kühlplatte-Leiterplattenkonstrukfion installiert werden, wobei die sogenannte Hybridkonstruktion gebildet wird, in der die Kühlplatte wenigstens ein Teil des Gehäuses des Beleuchtungskörpers ist, an dem die Leiterplatte mit ihren Komponenten auf möglichst effektiv wärmeleitende Weise befestigt ist. Beim Verwenden einer derartigen erfindungsgemäßen Konstruktion kann auch eine Konstruktion eines Beleuchtungskörpers mit LEDs mit einer Leistung von 0,1 bis 5 W oder sogar mit größerer Leistung zu einer kompakten und einheitlichen Gesamtheit gemacht werden, ohne dass die Lebensdauer der LEDs oder der anderen Komponenten durch die Wirkung der entstehenden Abwärme erheblich kürzer wird.
  • In 2 ist ein Beispiel für eine vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. In dieser Ausführungsform ist eine in einem Beleuchtungskörper befindliche Leiterplatte 2, an der LEDs 4, Stromsteuerungskomponenten und andere eventuelle Komponenten installiert sind, wärmeleitend an einer einen Teil des Gehäuses des Beleuchtungskörpers bildenden Platte 1 befestigt, die vorzugsweise aus Aluminium besteht und die zugleich ein Kühlelement 1 bildet. Das Gehäuse des Beleuchtungskörpers weist in dieser Ausführungsform auch einen zweiten Gehäuseteil 6 auf, der je nach der Ausführungsform aus derselben Material wie das Kühlelement 1 oder aus einem verschiedenen Material bestehen kann. Darüber hinaus weist der Beleuchtungskörper einen Gehäuseteil 5 auf, der eine wesentlich durchlässige Linse 5 des Beleuchtungskörpers bildet. Hierdurch wird in einer derartigen Lösung die durch die LEDs und die anderen Komponenten erzeugte Wärme von einem als Teil des Gehäuses dienenden Aluminiumblech 1, an dem die Leiterplatte befestigt ist, an die Umgebung geleitet. In einer solchen Lösung besteht der Beleuchtungskörper aus einem integralen einheitlichen Teil, in dem an dem als Kühlelement des Beleuchtungskörpers dienenden Gehäuse oder an einem Teil des Gehäuses die die LEDs und die Stromsteuerungskomponenten sowie die eventuellen anderen Komponenten aufweisende Leiterplatte und eventuell auch der mit derselben Gesamtheit verbundene Linsenteil des Beleuchtungskörpers befestigt ist. Diese erfindungsgemäße Lösung bewirkt einen möglichst kompakten und einheitlichen Beleuchtungskörper, bei dem die Lebensdauer der Komponenten nicht von einer normalen abweicht.
  • Es ist für einen Fachmann offenbar, dass wenn sich die Technik entwickelt, die Grundidee der Erfindung auf viele verschiedene Weisen verwirklicht werden kann.
  • Die Erfindung und ihre Ausführungsformen sind somit nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern sie können im Rahmen der Patentansprüche variieren.
    •

Claims (12)

  1. Beleuchtungskörper, dadurch gekennzeichnet, dass er eine oder mehrere LEDs (4) und eine oder mehrere Stromsteuerungskomponenten und/oder eine andere Komponente (3) des Beleuchtungskörpers, die wärmeleitend an einer Leiterplatte (2) gekoppelt ist, sowie wenigstens ein in der Leiterplatte (2) wärmeleitend integriertes, als Gehäuseteil des Beleuchtungskörpers dienendes Kühlelement (1) zum Überführen von durch die LEDs und die Stromsteuerungskomponenten und/oder die anderen Komponenten (3) erzeugter Wärme über die Leiterplatte (2) an das Kühlelement (1) und davon weiter an die übrigen Konstruktionen des Beleuchtungskörpers und an die Umgebung aufweist.
  2. Beleuchtungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (1) wenigstens einen Teil des Gehäuseses des Beleuchtungskörpers bildet.
  3. Beleuchtungskörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge-kennzeichnet, dass das Kühlelement (1) eine gut wärmeleitende Platte oder ein gut wärmeleitendes Profil ist, die/das an der Leiterplatte (2) befestigt ist.
  4. Beleuchtungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (1) eine Metallplatte/ein Metallprofil oder eine Metallbekleidung ist.
  5. Beleuchtungskörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (1) ein Aluminiumblech/-profil oder ein Aluminiumüberzug ist.
  6. Beleuchtungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (2) in ihrer Gänze an der Oberfläche des Kühlelements oder der Kühlelemente (1) montiert ist.
  7. Beleuchtungskörper nach einem der Anscprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (2) nur teilweise an der Oberfläche des Kühlelements (1) montiert ist.
  8. Beleuchtungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement aus zwei oder mehreren aufeinander liegenden (1) Überzügen, Platten oder Profilen oder aus einer ihrer Kombinationen besteht.
  9. Beleuchtungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (2) am Kühlelement (1) mit einem wärmeleitenden Klebemittel zum effektiven Überführen von Wärme über die Leiterplatte (2) an das Kühlelement (1) befestigt ist.
  10. Beleuchtungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (2) am Kühlelement (1) mechanisch und mittels einer wärmeleitenden Siliziumpaste zum Überführen von Wärme über die Leiterplatte (2) an das Kühlelement (1) befestigt ist.
  11. Beleuchtungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (2) am Kühlelement (1) durch Aufheizen mittels eines schmelzenden Klebemittels, d. h. durch Vulkanisieren, zum Überführen von Wärme über die Leiterplatte (2) an das Kühlelement (1) befestigt ist.
  12. Beleuchtungskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strombegrenzungskomponente oder -komponenten einen aktiven strombegrenzenden Umformer bilden.
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