DE102005018175A1

DE102005018175A1 - LED-Modul und LED-Beleuchtungseinrichtung mit mehreren LED-Modulen

Info

Publication number: DE102005018175A1
Application number: DE102005018175A
Authority: DE
Inventors: Ulf Brune; Bernd-Heiner Scholz
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2006-10-26
Also published as: JP2008537344A; KR20080005279A; WO2006111133A1; US20090021181A1; CN101164378A; EP1872624A1; CN100531493C

Abstract

Bei einem LED-Modul (11) mit einem LED-Array aus mehreren LED-Chips (2) und einer Steuereinheit (7) zur Regelung eines Betriebsstroms der LED-Chips (2) ist die Steuereinheit (7) auf einem Träger (4) des LED-Moduls (11) angeordnet und weist ein elektronisches Speichermedium zur Speicherung von Betriebsdaten der LED-Chips (2) auf, wobei eine Regelung des Betriebsstroms in Abhängigkeit von den gespeicherten Betriebsdaten vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein LED-Modul gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine LED-Beleuchtungseinrichtung mit mehreren derartigen LED-Modulen.
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.

Bei zu Beleuchtungszwecken eingesetzten LED-Modulen, insbesondere bei LED-Modulen für Kfz-Scheinwerfer, soll die emittierte Lichtstärke auch nach einer vergleichsweise langen Betriebsdauer, beispielsweise nach einer Betriebsdauer von mehreren tausend Stunden, nicht wesentlich von der zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme emittierten Lichtstärke abweichen. Die von den LED-Chips eines LED-Moduls emittierte Lichtstärke kann aber möglicherweise aufgrund von Degradationserscheinungen mit zunehmender Betriebsdauer zumindest geringfügig abnehmen.

Ein derartiger Degradationseffekt kann sich insbesondere dann störend auswirken, wenn in einer LED-Beleuchtungseinheit, die eine Mehrzahl von LED-Modulen umfasst, nach einer vergleichsweise langen Betriebsdauer ein einzelnes LED-Modul, beispielsweise aufgrund eines Defekts, ausgetauscht werden muss. Zum einen kann es dabei vorkommen, dass die Lichtstärke des Ersatzmoduls von der Lichtstärke der übrigen Module abweicht, insbesondere wenn es im Gegensatz zu den übrigen LED-Modulen noch keine alterungsbedingte Verminderung der Lichtstärke aufweist.

Zwar wird die technische Funktion der LED-Beleuchtungseinrichtung durch geringfügige Unterschiede der Lichtstärke der einzelnen LED-Module in der Regel nicht wesentlich beeinträchtigt, allerdings können oftmals bereits geringfügige Unterschiede von einem Betrachter wahrgenommen und eventuell als störend empfunden werden. Zudem sind beispielsweise im Straßenverkehr die Lichtstärke betreffende gesetzliche Vorschriften einzuhalten.

Zur Vermeidung unterschiedlicher Helligkeiten gleichartiger LED-Module, die durch Fertigungstoleranzen bedingt sind, werden LED-Module in der Regel in Helligkeitsgruppen ausgeliefert. Die Helligkeit der einzelnen LED-Module wird also nach der Fertigung gemessen und jedes LED-Modul einer seiner Helligkeit entsprechenden Helligkeitsgruppe zugeordnet. Bei der Endmontage einer LED-Beleuchtungseinrichtung, die mehrere LED-Module umfasst, werden vorteilhaft ausschließlich LED-Module aus der gleichen Helligkeitsgruppe verwendet. Bei einem Austausch eines der LED-Module ist es allerdings aufwendig, die Helligkeitsgruppierung des auszutauschenden Moduls festzustellen und das LED-Modul durch ein LED-Modul der gleichen Helligkeitsgruppe zu ersetzen.

Um insbesondere einer Verminderung der Helligkeit eines LED-Moduls aufgrund von Alterungserscheinungen der LED-Chips entgegenzuwirken, ist aus der Druckschrift EP 1 341 402 A2 bekannt, die Helligkeit der von einem LED-Modul emittierten Strahlung zu messen und das Messsignal dem Netzgerät des LED-Moduls zuzuführen, um den Stromfluss durch das LED-Modul derart zu regeln, dass die Helligkeit des LED-Moduls konstant ist.

Bei einigen Anwendungen von LED-Modulen ist die Realisierung einer derartigen Regelschaltung aber mit einem vergleichsweise hohen technischen Aufwand verbunden. Häufig ist für den Betrieb des LED-Moduls auch kein separates Netzgerät vorgesehen, an das eine Rückkopplung eines Messsignals, beispielsweise der emittierten Helligkeit, zur Regelung der Stromversorgung erfolgen könnte. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn ein in einem Kfz-Scheinwerfer enthaltenes LED-Modul von einer Kraftfahrzeugbatterie mit elektrischer Spannung versorgt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes LED-Modul anzugeben, das sich insbesondere durch eine hohe Langzeitstabilität der emittierten Lichtstärke und eine Vorkehrung, durch die der Austausch des LED-Moduls durch ein gleichartiges LED-Modul vereinfacht wird, auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch ein LED-Modul nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des LED-Moduls sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Bei einem LED-Modul mit einem LED-Array aus mehreren LED-Chips und einer Steuereinheit zur Regelung eines Betriebsstroms der LED-Chips ist gemäß mindestens einer Ausführungsform der Erfindung die Steuereinheit auf einem Träger des LED-Moduls angeordnet und umfasst ein elektronisches Speichermedium zur Speicherung von Betriebsdaten der LED-Chips, wobei eine Regelung des Betriebsstroms in Abhängigkeit von den gespeicherten Betriebsdaten vorgesehen ist.

Vorteilhaft weist die Steuereinheit, beispielsweise ein Microcontroller, ein Mittel zur Erfassung der Betriebsdauer der LED-Chips auf, wobei die Betriebsdauer in dem elektronischen Speichermedium gespeichert wird. Die Erfassung der Betriebsdauer der LED-Chips des LED-Arrays durch die Steuereinheit ermöglicht es insbesondere, die Betriebsparameter des LED-Moduls an die Alterungseigenschaften der LED-Chips anzupassen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Betriebsstrom der LED-Chips mittels der Steuereinheit in Abhängigkeit von der Betriebsdauer geregelt. Insbesondere ist vorgesehen, den Betriebsstrom der LED-Chips mit zunehmender Betriebsdauer zu erhöhen. Auf diese Weise wird eine Abnahme der Helligkeit der von den LED-Chips emittierten Strahlung mit zunehmender Betriebsdauer aufgrund von Degradationserscheinungen der LED-Chips entgegengewirkt.

Die Erhöhung des Betriebsstroms erfolgt bevorzugt derart, dass eine vorgegebene Mindesthelligkeit nicht unterschritten wird. Besonders bevorzugt erfolgt die Regelung des Betriebsstroms der LED-Chips derart, dass die Helligkeit der emittierten Strahlung zumindest annähernd konstant ist. Damit wird vorteilhaft erreicht, dass Unterschiede in der Helligkeit von ansonsten gleichartigen LED-Modulen, die sich durch die Betriebsdauer der LED-Chips voneinander unterscheiden, nicht wahrnehmbar sind.

Die Erhöhung des Betriebsstroms der LED-Chips erfolgt vorzugsweise zu in der Steuereinheit gespeicherten voreingestellten Zeitpunkten. Beispielsweise kann die Erhöhung des Betriebsstroms nach vorher festgelegten Zeitintervallen der Betriebsdauer erfolgen. Die Zeitintervalle, nach denen die Betriebsstromstärke erhöht wird, müssen nicht notwendigerweise gleich lang sein. Weiterhin muss auch die Stromstärke nicht notwendigerweise nach den vorgegebenen Zeitintervallen jeweils um den gleichen Betrag erhöht werden. Vielmehr erfolgt die Festlegung der Zeitintervalle, nach denen jeweils eine Erhöhung der Stromstärke erfolgt, und die Festlegung des Betrags der jeweiligen Erhöhung der Stromstärke vorteilhaft nach Erfahrungswerten zum Degradationsverhalten der LED-Chips.

Die in dem elektronischen Speichermedium gespeicherten Betriebsdaten können beispielsweise von der Steuereinheit weiterverarbeitet werden, um den Betriebsstrom in Abhängigkeit von den bisherigen Betriebsdaten zu regeln. Insbesondere können die gespeicherten Betriebsdaten von der Steuereinheit zur Festlegung der Zeitintervalle, nach denen die Betriebsstromstärke zum Ausgleich von Degradationserscheinungen erhöht werden soll, oder der Beträge der jeweiligen Erhöhung der Stromstärke verwendet werden. Neben der Betriebsdauer können auch weitere Betriebsparameter in dem Speicher der Steuereinheit gespeichert und für derartige Berechnungen herangezogen werden. Insbesondere kann bei LED-Modulen, bei denen ein Betrieb der LED-Chips des LED-Arrays in mehreren Betriebsarten mit verschiedenen Betriebsstromstärken vorgesehen ist, auch eine Speicherung der Betriebszeiten in den einzelnen Betriebsarten erfolgen. Beispielsweise kann bei einem LED-Modul, das in einem Kfz-Frontscheinwerfer verwendet wird, ein Betrieb der LED-Chips mit verschiedenen Stromstärken in den Betriebsarten Standlicht, Abblendlicht oder Fernlicht vorgesehen sein.

Weiterhin ist mit Vorteil in dem elektronischen Speichermedium der Steuereinheit eine Helligkeitsgruppierung der LED-Chips gespeichert. Unter einer Helligkeitsgruppierung wird dabei eine Angabe über die Helligkeit bei einer Referenzstromstärke verstanden. Die Stromstärke, die zum Erzielen einer bestimmten Helligkeit erforderlich ist, kann auch bei ansonsten gleichartigen Chips zumindest geringfügig variieren. Aus diesem Grund werden LEDs üblicherweise in sogenannten Helligkeitsgruppierungen an Kunden ausgeliefert, um Unterschiede in der Helligkeit bei nebeneinander angeordneten LEDs beim Betrieb mit gleicher Stromstärke zu vermeiden.

Die Speicherung der Helligkeitsgruppierung in dem elektronischen Speichermedium der Steuereinheit des LED-Moduls hat den Vorteil, dass der Betriebsstrom der LED-Chips anhand dieser Information automatisch auf den für eine vorgesehene Helligkeit erforderlichen Wert geregelt werden kann. Das LED-Modul kann also vorteilhaft ohne Rücksicht auf die Helligkeitsgruppierung neben anderen gleichartigen LED-Modulen verwendet werden, ohne dass dabei Unterschiede in der Helligkeit auftreten.

Das LED-Modul weist vorzugsweise eine Schnittstelle zum Auslesen der gespeicherten Betriebsdaten und/oder zur Programmierung der Steuereinheit auf. Bei der Schnittstelle handelt es sich bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung um eine serielle Schnittstelle. Insbesondere kann mittels der Schnittstelle bei einem Austausch eines LED-Moduls in einer Beleuchtungseinrichtung, die mehrere gleichartige LED-Module umfasst, die Betriebsdauer des auszutauschenden LED-Moduls ausgelesen werden und somit bei dem LED-Modul, welches das auszutauschende LED-Modul ersetzen soll, der Betriebsstrom zur Anpassung der Helligkeit an die übrigen LED-Module eingestellt werden.

Bei dem Träger des LED-Moduls handelt es sich vorzugsweise um eine Leiterplatte, beispielsweise um eine Metallkernplatine. Die Breite des Trägers beträgt bei einer bevorzugten Ausführungsform 12 mm oder weniger. Vorteilhaft fungiert der Träger als Wärmesenke für die von den LED-Chips erzeugte Wärme. Der Träger enthält vorzugsweise mindestens eine elektrische Anschlussstelle, mittels derer insbesondere die Steuervorrichtung elektrisch kontaktiert werden kann. Als Anschlussstelle ist zum Beispiel ein Stecker vorgesehen. Die elektrische Verbindung der auf dem Träger angeordneten Elemente des LED-Moduls, insbesondere der Steuereinheit mit den LED-Chips, erfolgt vorzugsweise über Leiterbahnen auf dem Trägerkörper.

Die Stromversorgung des LED-Moduls kann sowohl mit Gleichspannung als auch mit Wechselspannung erfolgen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das LED-Modul mit einer Versorgungsspannung zwischen einschließlich 8 V und einschließlich 24 V betrieben. Insbesondere kann es sich bei der Versorgungsspannung um die Spannung einer Kraftfahrzeug-Batterie handeln, die beispielsweise etwa 12 V beträgt.

Vorzugsweise ist auf dem Träger des LED-Moduls ein Mittel zur Transformierung der Versorgungsspannung auf die zum Betrieb des LED-Arrays vorgesehene Betriebsspannung enthalten. Die Betriebsspannung des LED-Arrays hängt insbesondere von der Anzahl der verwendeten LED-Chips, die vorzugsweise in Reihe geschaltet sind, ab, und beträgt beispielsweise 18,5 V oder weniger.

Die Transformierung der Versorgungsspannung auf die Betriebsspannung erfolgt beispielsweise mit einem Hochsetzsteller, der auf dem Träger des LED-Moduls angeordnet ist. Die Transformierung der Versorgungsspannung auf die Betriebsspannung des LED-Arrays durch ein auf dem Träger angeordnetes Element hat insbesondere den Vorteil, dass das LED-Modul ohne weitere Vorkehrungen direkt an die Versorgungsspannung, beispielsweise eine Batteriespannung in einem Kraftfahrzeug, angeschlossen werden kann.

Die LED-Chips des LED-Arrays sind vorzugsweise auf einen Chipträger montiert, der auf dem Träger befestigt ist. Der Träger und der Chipträger sind dabei vorzugsweise miteinander verklebt. Der Chipträger ist beispielsweise aus einer Keramik, vorzugsweise AlN, gefertigt. Vorteilhaft ist der Chipträger eine Wärmesenke für die von den LED-Chips emittierte Wärme.

Die LED-Chips enthalten vorzugsweise ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere In_xAl_yGa_1-x-yN, In_xAl_yGa_1-x-yP oder In_xAl_yGa_1-x-yAs, jeweils mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1. Dabei muss das III-V-Verbindungshalbleitermaterial nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach einer der obigen Formeln aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die physikalischen Eigenschaften des Materials im wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhalten obige Formeln jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.

Besonders bevorzugt sind die LED-Chips sogenannte Dünnfilm-Leuchtdiodenchips, bei denen eine funktionelle Halbleiterschichtenfolge zunächst epitaktisch auf einem Aufwachssubstrat aufgewachsen wurde, anschließend ein neuer Träger auf die dem Aufwachssubstrat gegenüberliegende Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht und nachfolgend das Aufwachssubstrat abgetrennt wurde. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass das Aufwachssubstrat wiederverwendet werden kann.

Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174-2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip ist in guter Näherung ein Lambert'scher Oberflächenstrahler und eignet sich von daher besonders gut für die Anwendung in einem Scheinwerfer.

Eine bevorzugte Ausführungsform des LED-Moduls enthält einen Temperatursensor, und es ist eine Regelung eines Betriebsstroms der LED-Chips in Abhängigkeit von einer von dem Temperatursensor erfassten Temperatur vorgesehen. Dazu ist der Temperatursensor mit der Steuereinheit verbunden, beispielsweise durch Leiterbahnen auf dem Träger. 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. Insbesondere kann die von dem Temperatursensor erfasste Temperatur von der Steuereinheit 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.

Die Temperaturüberwachung mittels des Temperatursensors ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das LED-Array eine Vielzahl von LED-Chips enthält, da mit der Anzahl der LED-Chips auch die Wärmeentwicklung steigt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das LED-Array mindestens vier LED-Chips. Beispielsweise kann das LED-Array sechs LED-Chips aufweisen.

Bei dem Temperatursensor handelt es sich beispielsweise um einen NTC- oder PTC-Widerstand, ein Halbleiterbauelement oder ein Thermoelement. Wenn die LED-Chips des LED-Arrays auf einen Chipträger montiert sind, ist der Temperatursensor bevorzugt auf dem Chipträger befestigt. Alternativ kann der Temperatursensor auch auf dem Träger angeordnet sein. Die Befestigung des Temperatursensors auf dem Chipträger oder auf dem Träger erfolgt vorzugsweise durch Löten oder Kleben.

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.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das LED-Modul einen Lichtdetektor, beispielsweise eine Photodiode. Vorteilhaft ist eine Regelung des Betriebsstroms der LED-Chips durch die Steuereinheit in Abhängigkeit von einer von dem Lichtdetektor gemessenen Lichtstärke vorgesehen. Dazu ist der Lichtdetektor vorzugsweise mit der Steuereinheit verbunden, beispielsweise über Leiterbahnen auf dem Träger.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Lichtdetektor derart angeordnet, dass er zumindest einen Teil der von den LED-Chips emittierten Strahlung, beispielsweise Streustrahlung empfängt. In diesem Fall kann das Signal des Lichtdetektors von der Steuereinheit derart ausgewertet werden, dass durch einen Soll-/Istwertvergleich die von den LED-Chips emittierte Helligkeit auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Lichtdetektor dazu geeignet, die Umgebungshelligkeit zu detektieren. Der Lichtdetektor ist dazu vorzugsweise derart angeordnet und/oder ausgerichtet, dass er vor allem Licht von außerhalb des LED-Moduls detektiert. In diesem Fall trifft vorteilhaft zumindest nur ein geringer Teil der von den LED-Chips des LED-Moduls emittierten Strahlung auf den Lichtdetektor. Ein von der Umgebungslichtstärke abhängiges Signal, das von dem Lichtdetektor an die Steuereinheit geliefert wird, kann von der Steuereinheit insbesondere dazu verwendet werden, den Betriebsstrom der LED-Chips derart zu regeln, dass die von dem LED-Modul emittierte Lichtstärke an die Umgebungslichtverhältnisse angepasst ist.

Vorteilhaft kann das Signal des Lichtdetektors von der Steuereinheit auch zur Bewirkung eines automatischen Ein- oder Ausschaltvorgangs ausgewertet werden. Beispielsweise kann auf diese Weise bei einem in einem Kfz-Scheinwerfer verwendeten LED-Modul bei verringerter Umgebungshelligkeit, zum Beispiel bei Einfahrt in einen Tunnel oder bei einsetzender Dämmerung, ein automatischer Einschaltvorgang bewirkt werden.

Den LED-Chips des LED-Arrays ist in ihrer Abstrahlrichtung bevorzugt mindestens ein strahlformendes optisches Element nachgeordnet. Vorteilhaft wird die Divergenz der von den LED-Chips emittierten Strahlung durch das strahlformende optische Element vermindert.

Das strahlformende optische Element ist vorzugsweise ein Hohlkörper mit einer den LED-Chips zugewandten Lichteintrittsöffnung und einer der Lichteintrittsöffnung gegenüberliegenden Lichtaustrittsöffnung, wobei zumindest ein Teil der von dem oder den LED-Chip/s emittierten Strahlung an einer Wandung des Hohlkörpers zur Lichtaustrittsöffnung hin reflektiert wird.

Eine vorteilhafte Ausführung des strahlformenden optischen Elements besteht darin, dass sich der Querschnitt des Hohlkörpers von der Lichteintrittsöffnung zu der gegenüberliegenden Lichtaustrittsöffnung hin vergrößert. Weiterhin kann der Hohlkörper eine Symmetrieachse aufweisen, die parallel zu einer Hauptstrahlrichtung der LED-Chips ist.

Das strahlformende optische Element kann zum Beispiel ein mit einem Vergussmaterial gefüllter Hohlkörper sein. Bei dem Vergussmaterial handelt es sich bevorzugt um ein UV-stabiles Material, wie beispielsweise Silikon.

Eine Wandung des Hohlkörpers weist bevorzugt eine Krümmung auf, um eine gewünschte optische Funktionalität zu realisieren. Insbesondere kann die Wandung des Hohlkörpers asphärisch, beispielsweise parabolisch, elliptisch oder hyperbolisch, gekrümmt sein.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das strahlformende optische Element als ein CPC-, CEC- oder CHC-artiger optischer Konzentrator ausgebildet, womit hierbei sowie im folgenden ein Konzentrator gemeint ist, dessen reflektierende Seitenflächen zumindest teilweise und/oder zumindest weitestgehend die Form eines zusammengesetzten parabolischen Konzentrators (Compound Parabolic Concentrator, CPC), eines zusammengesetzten elliptischen Konzentrators (Compound Elliptic Concentrator, CEC) oder eines zusammengesetzten hyperbolischen Konzentrators (Compound Hyperbolic Concentrator, CHC) aufweisen. Dabei ist die den LED-Chips zugewandte Oberfläche des Abdeckkörpers der eigentliche Konzentratorausgang, so dass Strahlung, verglichen mit der üblichen Anwendung eines Konzentrators zum Fokussieren, in umgekehrter Richtung durch diesen läuft und somit nicht konzentriert wird, sondern den Abdeckkörper mit verringerter Divergenz durch die gegenüberliegende Oberfläche verlässt.

Eine LED-Beleuchtungseinrichtung gemäß der Erfindung umfasst mehrere der zuvor beschriebenen LED-Module. Ein LED-Modul gemäß der Erfindung kann insbesondere ein Teil eines Kfz-Scheinwerfers sein, wobei der Kfz-Scheinwerfer vorteilhaft mehrere derartige LED-Module enthält.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den 1 und 2 näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematisch dargestellte Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines LED-Moduls gemäß der Erfindung und
2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts entlang der Linie I-II des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Das in den 1 und 2 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel eines LED-Moduls 11 gemäß der Erfindung enthält ein LED-Array, bei dem sechs LED-Chips 2 auf einen gemeinsamen Chipträger 1 montiert sind.
Die LED-Chips 2 weisen eine aktive Zone auf, die vorzugsweise ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere In_xAl_yGa_1-x-yN, In_xAl_yGa_1-x-yP oder In_xAl_yGa_1-x-yAs mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, enthält. Die aktive Zone kann als Single-Heterostruktur, Doppel-Heterostruktur, Einfach-Quantentopfstruktur oder Mehrfach-Quantentopfstruktur ausgebildet sein. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss ("confinement") eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit u.a. Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Der Chipträger 1 besteht bevorzugt aus einer Keramik. Insbesondere kann der Chipträger 1 AlN enthalten. Die LED-Chips 2 des LED-Arrays sind vorzugsweise in Reihe geschaltet. Alternativ können die LED-Chips 2 auch parallel geschaltet sein.
Das LED-Modul 11 weist einen Träger 4 auf, auf den insbesondere der Chipträger 1 mit den LED-Chips 2 montiert ist. Der Träger 4 weist vorzugsweise eine Breite b von 12 mm oder weniger auf. Insbesondere kann es sich bei dem Träger 4 um eine Metallkernplatine handeln, die vorteilhaft als Wärmesenke für die von den LED-Chips 2 erzeugte Wärme fungiert, wobei die von den LED-Chips 2 erzeugte Wärme über den Chipträger 1 an die Metallkernplatine 4 abgegeben wird. In dem Träger 4 können Bohrungen vorgesehen sein, um das LED-Modul beispielsweise mittels Schrauben oder Passstiften in einer Beleuchtungseinrichtung zu montieren.
Auf dem Träger 4 des LED-Moduls 11 ist weiterhin eine Steuereinheit 7 angeordnet. Die Steuereinheit 7 ist beispielsweise ein elektronischer Chip, der vorzugsweise in Flip-Chip-Technologie auf den Träger 4 montiert ist. Die Steuereinheit 7 weist vorteilhaft ein elektronisches Speichermedium 8 zur Speicherung von Betriebsdaten der LED-Chips 2 auf. Der Betriebsstrom der LED-Chips 2 wird von der Steuereinheit 7 in Abhängigkeit von den gespeicherten Betriebsdaten geregelt.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Steuereinheit 7 ein Mittel zur Erfassung der Betriebsdauer der LED-Chips 2 aufweist, wobei die Betriebsdauer in dem elektronischen Speichermedium 8 gespeichert wird und der Betriebsstrom der LED-Chips 2 in Abhängigkeit von der Betriebsdauer geregelt ist.
Die Regelung des Betriebsstroms der LED-Chips 2 in Abhängigkeit von der Betriebsdauer erfolgt dabei vorzugsweise derart, dass der Betriebsstrom mit zunehmender Betriebsdauer erhöht wird, um eine Abnahme der Helligkeit aufgrund von Degradationserscheinungen der LED-Chips 2 entgegenzuwirken. Auf diese Weise kann insbesondere erreicht werden, dass die Helligkeit der von den LED-Chips 2 emittierten Strahlung auch nach einer langen Betriebsdauer von beispielsweise mehreren tausend Stunden zumindest nicht wesentlich von einem Ausgangswert zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme abweicht.
Die Helligkeit der von dem LED-Modul 11 emittierten Strahlung ist also vorteilhaft zeitlich konstant. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein Lichtstrom von 400 lm aufrecht erhalten wird.
Die Zeitpunkte, zu denen die Betriebsstromstärke der LED-Chips 2 zum Ausgleich von Alterungserscheinungen der LED-Chips jeweils erhöht wird, sind bevorzugt in dem elektronischen Speichermedium 8 der Steuereinheit 7 gespeichert. Eine Erhöhung der Betriebsstromstärke erfolgt also automatisch jeweils dann, wenn die von der Steuereinheit 7 erfasste und aufsummierte Betriebsdauer der LED-Chips 2 mit den voreingestellten Zeitpunkten übereinstimmt. Der Betrag der Erhöhung und die Zeitintervalle, nach denen jeweils eine Erhöhung stattfindet, wird vorteilhaft aus Erfahrungswerten zum Alterungsverhalten der LED-Chips 2, beispielsweise aus einem gemessenen Verlauf der Lichtstärke in Abhängigkeit von der Zeit, bestimmt.
Anstelle einer derartigen stufenweisen Erhöhung der Betriebsstromstärke kann alternativ auch eine kontinuierliche Erhöhung der Betriebsstromstärke in Abhängigkeit von der Betriebsdauer der LED-Chips 2 vorgesehen sein.
Weiterhin ist mit Vorteil in dem elektronischen Speichermedium 8 der Steuereinheit 7 eine Helligkeitsgruppierung der LED-Chips 2 gespeichert. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass der Betriebsstrom der LED-Chips 2 anhand dieser Information von der Steuereinheit 7 automatisch auf den für eine vorgesehene Helligkeit erforderlichen Wert geregelt werden kann. Dadurch treten vorteilhaft keine wahrnehmbaren Unterschiede in der Helligkeit auf, wenn das LED-Modul 11 neben anderen gleichartigen LED-Modulen angeordnet ist.
Zum Auslesen der gespeicherten Betriebsdaten weist die Steuereinheit 7 vorteilhaft eine Schnittstelle (nicht dargestellt) auf. Insbesondere kann es sich bei der Schnittstelle um eine serielle Schnittstelle handeln. Über die serielle Schnittstelle kann auch eine Programmierung der Steuereinheit 7 erfolgen.
Als externer Anschluss, beispielsweise für die serielle Schnittstelle oder die Stromversorgung der Steuereinheit 7, ist ein Stecker 6 vorgesehen.
Je nach Verwendungszweck des LED-Moduls 11 kann entweder eine Wechselspannung, beispielsweise eine Netzspannung, oder eine Gleichspannung, beispielsweise eine Batteriespannung, insbesondere eine Batteriespannung einer Kraftfahrzeugbatterie, zur Stromversorgung vorgesehen sein. Zur Transformierung der Versorgungsspannung, zum Beispiel mit einem Hochsetzsteller, können auf dem Träger 4 dafür erforderliche elektronische Komponenten, beispielsweise eine Drosselspule 9 und ein Kondensator 10, angeordnet sein.
Weiterhin ist auf den Träger 4 des LED-Moduls 11 vorteilhaft ein Temperatursensor 3 angeordnet, der mit der Steuereinheit 7 verbunden ist. Die Verbindung der auf dem Träger 4 enthaltenen elektronischen Komponenten erfolgt beispielsweise über Leiterbahnen (nicht dargestellt) auf dem Träger 4. Der Temperatursensor 3, beispielsweise ein temperaturabhängiger Widerstand, ein Thermoelement oder ein Halbleiterbauelement mit temperaturabhängigen Eigenschaften, steht in thermischem Kontakt mit den LED-Chips 2, beispielsweise durch Wärmeleitung oder Konvektion. Insbesondere dient der Temperatursensor dazu, bei Überschreiten einer kritischen Temperatur eine Verminderung des Betriebstroms der LED-Chips 2 durch die Steuereinheit 7 zu bewirken.
Weiterhin enthält das LED-Modul 11 bevorzugt einen Lichtdetektor 5, der beispielsweise auf dem Chipträger 1 angeordnet und mit der Steuereinheit 7 verbunden ist. Der Lichtdetektor 5 ist beispielsweise auf dem Chipträger 1 angeordnet, um zumindest einen Teil der von den LED-Chips 2 emittierten Strahlung zu empfangen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Signal des Lichtdetektors 5 von der Steuereinheit 7 derart ausgewertet wird, dass durch einen Soll-/Istwertvergleich die von den LED-Chips 2 emittierte Helligkeit auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird.
Alternativ könnte der Lichtdetektor 5 auch an anderer Stelle auf dem Träger 4 montiert sein, um beispielsweise die Umgebungshelligkeit oder zumindest einen Teil der von eventuell vorhandenen benachbarten LED-Modulen emittierten Strahlung zu empfangen. In diesem Fall kann das von dem Lichtdetektor 5 erzeugte Signal von der Steuereinheit 7 derart ausgewertet werden, dass der Betriebsstrom der LED-Chips 2 derart geregelt wird, dass die von dem LED-Modul 11 emittierte Lichtstärke an die Umgebungslichtverhältnisse angepasst ist.
Zur Strahlformung der von den LED-Chips 2 emittierten Strahlung ist vorteilhaft mindestens ein optisches Element 12 vorgesehen. Insbesondere kann ein optisches Element 12 vorgesehen sein, das die Divergenz der von den LED-Chips 2 emittierten Strahlung verringert. Beispielsweise kann es sich bei dem optischen Element 12 um nicht abbildenden optischen Konzentrator handeln, der vorzugsweise sehr nah an den LED-Chips 2 angeordnet oder sogar auf diese aufgesetzt ist.
Der nicht abbildende optische Konzentrator ist bevorzugt ein CPC-, CEC- oder CHC-artiger optischer Konzentrator, 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.
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. Beispielsweise können auf dem Träger 4 auch mehrere LED-Arrays und mehrere Steuervorrichtungen 7 angeordnet sein.

Claims

LED-Modul (11) mit mindestens einem LED-Array aus mehreren LED-Chips (2) und mindestens einer Steuereinheit (7) zur Regelung eines Betriebsstroms der LED-Chips (2), dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Steuereinheit (7) auf einem Träger (4) des LED-Moduls (11) angeordnet ist und ein elektronisches Speichermedium (8) zur Speicherung von Betriebsdaten der LED-Chips (2) aufweist, und eine Regelung des Betriebsstroms in Abhängigkeit von den gespeicherten Betriebsdaten vorgesehen ist.
LED-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Steuereinheit (7) ein Mittel zur Erfassung der Betriebsdauer der LED-Chips (2) aufweist, wobei die Betriebsdauer in dem elektronischen Speichermedium (8) gespeichert wird und der Betriebsstrom der LED-Chips (2) in Abhängigkeit von der Betriebsdauer geregelt ist.
LED-Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erhöhung des Betriebsstroms der LED-Chips (2) mit zunehmender Betriebsdauer vorgesehen ist.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Helligkeitsgruppierung der LED-Chips (2) in dem elektronischen Speichermedium (8) gespeichert ist.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Modul (11) eine Schnittstelle zum Auslesen der gespeicherten Betriebsdaten und/oder zur Programmierung der mindestens einen Steuereinheit (7) aufweist.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Träger (4) des LED-Moduls (11) ein Mittel zur Transformierung einer Versorgungsspannung auf eine zum Betrieb des LED-Arrays vorgesehene Betriebsspannung angeordnet ist.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Modul (11) einen Temperatursensor (3) enthält.
LED-Modul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung des Betriebsstroms der LED-Chips (2) in Abhängigkeit von einer von dem Temperatursensor (3) gemessenen Temperatur vorgesehen ist.
LED-Modul nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen mindestens einem der LED-Chips (2) und dem Temperatursensor (3) 5 mm oder weniger beträgt.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Modul einen Lichtdetektor (5) enthält.
LED-Modul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtdetektor (5) ein Umgebungslichtdetektor ist.
LED-Modul nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung des Betriebsstroms der LED-Chips (2) in Abhängigkeit von einer von dem Lichtdetektor (5) gemessenen Lichtstärke vorgesehen ist.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine LED-Array einen Chipträger (1) umfasst, auf dem die LED-Chips (2) angeordnet sind, wobei der Chipträger (1) auf dem Träger (4) angeordnet ist.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (4) eine Breite von 12 mm oder weniger aufweist.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine LED-Array mindestens 4 LED-Chips (2) enthält.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine LED-Array mindestens ein optisches Element (12) zur Strahlformung der von den LED-Chips (2) emittierten Strahlung aufweist.
LED-Modul nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (12) ein nicht abbildender optischer Konzentrator ist.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Teil eines Kfz-Scheinwerfers ist.
LED-Beleuchtungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere LED-Module (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 umfasst.