DE102007043862A1

DE102007043862A1 - Leuchtkette mit verteilter Treiberschaltung

Info

Publication number: DE102007043862A1
Application number: DE102007043862A
Authority: DE
Inventors: Simon Dr. Schwalenberg; Harald Stoyan
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2009-03-19
Also published as: US20090072760A1; US8159147B2

Abstract

Die Leuchtkette weist mehrere Leuchtmodule auf, wobei mindestens zwei der Leuchtmodule mindestens einen Satz aus mindestens einer Lichtquelle und einer Treiberschaltung zur Ansteuerung der mindestens einen Lichtquelle aufweisen und die Treiberschaltungen eines Satzes der jeweiligen Leuchtmodule elektrisch parallel miteinander verbunden sind und die Lichtquellen dieses einen Satzes der jeweiligen Leuchtmodule elektrisch seriell miteinander verbunden sind und die Treiberausgänge der Treiberschaltungen an einem Knotenpunkt zur gemeinsamen Stromversorgung aller Lichtquellen dieses einen Satzes zusammengeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leuchtkette mit mehreren Leuchtmodulen, ein Leuchtmodul zur Verwendung in einer Leuchtkette und ein Verfahren zum Betreiben einer Leuchtkette.
Bisher weisen Leuchtketten mit mehreren Leuchtmodulen eine Treiberschaltung zur Ansteuerung bzw. Stromversorgung von auf den Leuchtmodulen vorhandenen Leuchtdioden (LEDs) auf, die auf einem zusätzlichen, nicht leuchtenden Modul untergebracht ist, was vergleichsweise aufwändig ist und Platz benötigt. Alternativ kann die eine Treiberschaltung auf einem der Leuchtmodule untergebracht sein; dies bewirkt jedoch, dass die Wärmeverteilung über die einzelnen Leuchtmodule ungleichmäßig ist, was zu Schwankungen in den optischen Parametern führt. Alternativ kann die Treiberschaltung in einem externen Gerät untergebracht sein, was jedoch ebenfalls vergleichsweise aufwändig ist und Platz benötigt. Eine weitere Art der Ansteuerung der LEDs kann durch eine elektrische Parallelschaltung der LEDs erreicht werden, was eine nur vergleichsweise ungleichmäßige Ansteuerung der LEDs ermöglicht.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur Ansteuerung von Lichtquellen von Leuchtmodulen bereitzustellen, welche vergleichsweise platzsparend und kostengünstig ist und die optischen Parameter der Lichtquellen wenig beeinflusst.
Die Aufgabe wird mittels einer Leuchtkette nach Anspruch 1 oder 3, eines Leuchtmoduls nach Anspruch 2 und eines Verfahrens nach Anspruch 13 gelöst.
Die Leuchtkette weist nach einem Gesichtspunkt mehrere Leuchtmodule auf, wobei mindestens zwei der Leuchtmodule mindestens einen Satz aus mindestens einer Lichtquelle und einer Treiberschaltung zur Ansteuerung, insbesondere Stromversorgung, der mindestens einen Lichtquelle ausgerüstet sind. Die Treiberschaltungen eines Satzes der jeweiligen Leuchtmodule sind elektrisch parallel miteinander verbunden. Die zugehörigen Lichtquellen sind hingegen elektrisch seriell miteinander verbunden. Die Treiberausgänge der obigen Treiberschaltungen werden an einem Knotenpunkt zur gemeinsamen Stromversorgung aller zugehörigen Lichtquellen zusammengeführt. Durch diese gleichmäßige Verteilung der Treiberschaltungen auf die Leuchtmodule bei elektrisch paralleler Verschaltung und folgendes Führen des von den Treiber(teil)schaltungen ausgegebenen Summenstroms durch die seriell geschalteten Lichtquellen lässt sich die Vorrichtung ohne weitere Baugruppen (externe Treibergeräte, eigene Module) einfach und kostengünstig aufbauen, und es lässt sich eine Wärmeverlustleistung gleichmäßig auf alle so ausgestalteten Leuchtmodule verteilen, was eine weitgehend verlustwärmeunabhängige Leuchtcharakteristik ergibt.
Das Leuchtmodul, das insbesondere zur Verwendung in der Leuchtkette geeignet ist, weist mindestens eine durchgehende Lichtquellenleitung mit mindestens einer zwischengeschalteten Lichtquelle auf, insbesondere mit mindestens einer Leuchtdiode. Unter durchgehend wird hier insbesondere eine elektrische Leitung verstanden, welche am Leuchtmodul mindestens einen Eingangs- und einen Ausgangsanschluss aufweist, also durch das Leuchtmodul hindurchgeführt wird. Das Leuchtmodul weist ferner mindestens eine durchgehende Lichtquellenversorgungsleitung zur Leistungsversorgung der Lichtquelle und mindestens eine durchgehende Treiberversorgungsleitung zum Betrieb mindestens einer Treiberschaltung auf, die der Ansteuerung mindestens einer Lichtquelle dient. Eine Treiberschaltung speist die mindestens eine durchgehende Treiberversorgungsleitung.
Die Leuchtkette weist unter einem anderen Gesichtspunkt mehrere hintereinander geschaltete obige Leuchtmodule auf, wobei bei mindestens einem Leuchtmodul, insbesondere einem endständigen Leuchtmodul, die Lichtquellenversorgungsleitung und die Lichtquellenleitung elektrisch miteinander verbunden sind. In diesem Leuchtmodul wird dadurch der über die Lichtquellenversorgungsleitung geführte (aufaddierte) Summenstrom der Treiber(teil)schaltungen in die in der Lichtquellenleitung seriell geschalteten Lichtquellen eingespeist.
Es ist vorteilhaft, wenn die Treiberschaltung einen elektrischen Widerstand und/oder mindestens einen Transistor und/oder mindestens eine Diode aufweist. Es ist ferner vorteilhaft, wenn die Treiberschaltung eine Stromsteuerschaltung, insbesondere eine Stromkonstanterschaltung, ist. Der Treiberausgang ist insbesondere zur Ansteuerung von LEDs vorteilhafterweise, aber nicht zwingend, ein Stromausgang. Für andere Lichtquellen mag der Treiberausgang beispielsweise als Leistungs- oder Spannungsausgang ausgestaltet sein.
Es ist für einen einfachen Aufbau vorteilhaft, wenn die Treiberschaltung mit einem ihrer Versorgungseingänge mit einer Kathodenseite der zugehörigen, also auf dem gleichen Leuchtmodul vorhandenen, Lichtquelle elektrisch verbunden ist, da sich so eine höhere Potenzialdifferenz als bei der Verbindung mit der Anodenseite ergibt. Jedoch ist es grundsätzlich auch möglich, die Treiberschaltung mit einer Anodenseite der Lichtquelle elektrisch zu verbinden. Es kann alternativ auch vorteilhaft sein, wenn die Treiberschaltung für jeden ihrer Versorgungseingänge mit einer eigenen Treiberversorgungsleitung verbunden ist.
Es kann zur Steigerung der Leuchtstärke vorteilhaft sein, wenn jedes Leuchtmodul mehrere Lichtquellen pro Satz aufweist, insbesondere Leuchtdioden mit gleichem Lichtsprektrum, z. B. weiße oder gleichfarbige LED, insbesondere zwei grüne LEDs.
Es ist zur, insbesondere flexiblen, Farbeinstellung und/oder zur Erhöhung der Leuchtstärke vorteilhaft, wenn jedes Leuchtmodul mehrere Sätze aus mindestens einer Lichtquelle und einer Treiberschaltung zur Stromversorgung der mindestens einen Lichtquelle aufweist. Diese zusammengeschalteten Sätze werden auch Stränge genannt.
Es ist, insbesondere zur variablen Einstellung einer Farbabstrahlung, vorteilhaft, wenn mindestens drei Sätze aus mindestens einer Lichtquelle und einer zugehörigen Treiberschaltung vorhanden sind (entsprechend mindestens drei Strängen), wobei die Lichtquellen mindestens zweier Sätze bzw. Stränge zueinander jeweils andersfarbig sind.
Es ist zur Einstellung einer weißen Farbabstrahlung vorteilhaft, wenn die Lichtquellen eines Leuchtmoduls mindestens mit Farben abstrahlen, welche eine solche weiße additive Farbmischung ermöglichen, insbesondere der Farben RGB, speziell RGGB. Dies kann dem Vorhandensein mindestens eines R-, G- bzw. B-Strangs entsprechen, insbesondere eines roten Strangs, zweier grüner Stränge und eines blauen Strangs, bzw. eines Vielfachen davon.
Vorzugsweise weist das Leuchtmodul einen Kühlkörper auf. Durch eine Integration des Kühlkörpers in das Leuchtmodul wird dieses besser gekühlt, wodurch eine Lichtausgabe gleichmäßiger wird und zudem eine Lebensdauer verlängert wird. Ferner braucht sich ein Nutzer nicht mehr oder nicht mehr so intensiv um die Kühlung einer Leuchtkette zu kümmern, wodurch die Anwenderfreundlichkeit erhöht wird. Dies gilt insbesondere bei Unterbringung der Leuchtkette in einem sog. Leuchtkasten, bei dem sich eine gleichmäßige Hinterleuchtung von Leuchtflächen (z. B. Werbekästen oder Leuchtbuchstaben) mit verbesserten optischen Eigenschaften und verbesserter und vereinfachter Kühlung und damit erhöhter Zuverlässigkeit ergibt.
Vorzugsweise sind die Leuchtquellen an einer Vorderseite einer Platine angeordnet, und der Kühlkörper ist mit einer Rückseite der Platine verbunden.
Vorzugsweise ist der Kühlkörper mittels eines Haftmittels an der Platine befestigt. Das Haftmittel ist bevorzugt eine thermisch leitfähige Klebeverbindung und kann, je nach Bedarf, elektrisch leitend oder isolierend sein. Alternativ kann der Kühlkörper mittels eines mechanischen Verbindungselements an der Platine befestigt sein, wobei vorzugsweise zwischen dem Kühlkörper und der Platine eine Zwischenlage aus TIM-Material angeordnet ist.
Bevorzugt ist ein Leuchtmodul, bei dem der Kühlkörper Haltelaschen zur Befestigung des Leuchtmoduls aufweist. Dabei ist der Kühlkörper vorzugsweise in einer länglichen Form ausgebildet. Die Form des Kühlkörpers entspricht bevorzugt den Platinenabmessungen. Die Haltelaschen setzen dann vorzugsweise an einem Seitenrand im Bereich der Mitte der zugehörigen Längsachse ans. Als längliche Form kann beispielsweise eine ovale, eine mehreckige oder eine rechteckige Grundform, oder Mischformen davon, verwendet werden, wobei die Kontur der Seitenränder davon lokal abweichen kann. Allerdings sind Kühlkörper und/oder Platine nicht auf eine längliche Form beschränkt, sondern können beliebig geformt sein, z. B. in runder oder quadratischer Form. Auch können sich die Haltelaschen an beliebiger Position befinden.
Der Kühlkörper weist zur effektiven Kühlung vorzugsweise ein Kissen aus Kühlstiften auf, wobei noch bevorzugter die Höhe der Haltelaschen kleiner ist als die Höhe der Stifte. Insbesondere bevorzugt ist ein Leuchtmodul, bei dem die Haltelaschen und die Stifte einen Höhenunterschied zwischen ca. 0,05 und ca. 0,3 mm aufweisen.
Bevorzugt wird ferner ein Leuchtmodul, bei dem der Kühlkörper aus Aluminium besteht, insbesondere aus Aluminium mit einem Reinheitsgrad von über 95%, speziell von über 98%. Allgemein kann der Kühlkörper aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen, z. B. unter Verwendung von Kupfer, Zink und/oder Magnesium. Im Einzelnen weist der Kühlkörper ein auf einer Platte aufgesetztes Kissen aus regelmäßig angeordneten Stiften gleicher Höhe auf.
Der Kühlkörper ist zur Erhöhung des thermischen Emissionsgrads vorzugsweise oberflächenbehandelt, z. B. beschichtet oder anodisch oxidiert.
Zur Verbesserung der optischen Eigenschaften und der Wärmeabstrahlung weist der Kühlkörper eine helle Farbe mit hohem Lichtreflexionsgrad auf.
Die Leuchtquellen sind vorzugsweise Leuchtdioden, können aber auch andersartige Leuchtmittel umfassen wie Glüh-, Leuchtstofflampen, Kompaktentladungslampen und so weiter.
Das Leuchtmodul kann für einige oder alle auf ihm montierten Leuchtquellen eine gemeinsame Optik, insbesondere Streuoptik, aufweisen, z. B. eine gemeinsame Streulinse. Es wird zur Verringerung der Einbauhöhe jedoch besonders bevorzugt, wenn jeder Leuchtquelle eine eigene Streuoptik zum Streuen des von der jeweiligen Leuchtquelle abgestrahlten Lichts zugeordnet ist, insbesondere eine breit abstrahlende Linse, wie eine sog. ARGUS-Linse. Statt einer Streulinse kann auch jedes andere geeignete Lichtstreuelement verwendet werden.
Zur Steigerung der Effizienz kann auch eine Auskoppeloptik vewendet werden.
Bevorzugt ist ein Leuchtmodul, bei dem die Platine bzw. das Substrat oder die Aufbautechnologie eine gute Wärmeleitfähigkeit bzw. geringen Wärmewiderstand aufweist. Besonders bevorzugt ist ein Leuchtmodul, bei dem die Platine eine Metallkernplatine ist.
Es wird bevorzugt, wenn das Leuchtmodul einen Deckel zumindest zur Abdeckung der Platine aufweist. Zur Verbesserung der Gleichförmigkeit einer Lichtausstrahlung, insbesondere von Lichtkästen, weist der Deckel äußerlich eine Reflektivität von mehr als 60% im sichtbaren Bereich des Lichts auf. Bevorzugt wird dabei, dass der Deckel so ausgebildet ist, dass er im aufgesetzten Zustand den Kühlkörper zumindest teilweise seitlich überdeckt. Der Deckel kann aus Kunststoff oder Metall bestehen. Es kann, insbesondere bei einer Verwendung in Innräumen, bevorzugt sein, wenn der Deckel im aufgesetzten Zustand einen darunter liegenden Innenraum des Leuchtmoduls nicht luftdicht verschließt. Vorteilhafterweise sind dann zum mechanischen Schutz und zum Korrosionsschutz elektrische Kontakte stromführender Teile auf der Platine mit einer Lackschicht überzogen, insbesondere mit einem Lack der beim Aufbringen eine Viskosität im Bereich von 100–3000 mPas aufweist, um sich gleichförmig deckend verteilen zu können.
Die Aufgabe wird auch gelöst mittels einer Leuchtkette mit mindestens zwei in Reihe geschalteten obigen Leuchtmodulen.
Bei dem Verfahren zum Betreiben einer Leuchtkette, wobei die Leuchtkette mehrere der Leuchtmodule umfasst, die wiederum jeweils mindestens einen Satz aus mindestens einer Lichtquelle und einer Treiberschaltung zur Ansteuerung der mindestens einen Lichtquelle aufweisen, werden:

– die Treiberschaltungen eines Satzes der jeweiligen Leuchtmodule elektrisch parallel mit Strom versorgt; und
– die Ströme der Treiberschaltungen dieses einen Satzes von Leuchtmodulen zur Versorgung der Lichtquellen an einem Knotenpunkt zusammengeführt und
– die Lichtquellen dieses einen Satzes der jeweiligen Leuchtmodule elektrisch seriell mit den zusammengeführten Strömen der Treiberschaltungen versorgt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen schematisch näher erläutert. Dabei können zur übersichtlicheren Darstellung gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein. Zur besseren Übersichtlichkeit sind elektrische Eingänge und Ausgänge nicht besonders eingezeichnet oder mit Bezugszeichen versehen; jedoch sind diese für den Fachmann aus den Figuren ersichtlich vorhanden. Es sollte zudem klar sein, dass die Ausführungsbeispiele nicht dazu gedacht sind, die Erfindung zu beschränken.
1 zeigt skizzenhaft eine Leuchtkette mit mehreren Leuchtmodulen gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 zeigt eine skizzenhaft ein Leuchtmodul gemäß einer weiteren Ausführungsform;
3 zeigt eine skizzenhaft ein Leuchtmodul gemäß noch einer weiteren Ausführungsform;
4 zeigt eine skizzenhaft ein Leuchtmodul gemäß noch einer weiteren Ausführungsform;
5 zeigt skizzenhaft eine Leuchtkette mit mehreren Leuchtmodulen gemäß einer weiteren Ausführungsform;
6 zeigt ein Leuchtmodul in Explosionsansicht von schräg vorne;
7 zeigt das Leuchtmodul aus 6 in Explosionsansicht von schräg hinten.
1 zeigt eine Leuchtkette 1, z. B. zur Hintergrundbeleuchtung von Leuchtfeldern, mit n mehreren hintereinander zusammengeschalteten Leuchtmodulen m1, m2, ..., mn. Die Leuchtmodule weisen den gleichen konstruktiven Grundaufbau auf. Jedes der Leuchtmodule m1, m2, ..., mn weist eine Leuchtdiode 2 und eine LED-Treiberschaltung in Form einer Stromsteuerschaltung 3 zur Stromversorgung der Leuchtdiode(n) 2 auf. Die Stromsteuerschaltung 3 hängt elektrisch zwischen zwei jeweils durchgehenden Treiberversorgungsleitungen 4, 5. Eine dieser Versorgungsleitungen 5 entspricht einer durchgehenden Lichtquellenleitung 5, der die LED 2 zwischengeschaltet ist. In der gezeigten Ausführungsform ist die Stromsteuerschaltung 3 mit einem ihrer Versorgungseingänge mit einer Kathodenseite der zugehörigen LED 2 elektrisch verbunden. Durch den Abgriff des benötigten – hier im Vergleich zur Treiberversorgungsleitung 4 niedrigeren – Spannungspotentials an der Kathode der auf dem jeweiligen Leuchtmodul m1, m2, ..., mn platzierten LED 2 wird vorteilhafterweise eine Verbindungsleitungen zwischen den Leuchtmodulen m1, m2, ..., mn eingespart.
Treiberausgänge der Steuerschaltung 3 sind jeweils mit einer durchgehenden Lichtquellenversorgungsleitung 6 elektrisch verbunden. Auf den Leuchtmodulen m1, m2, ..., mn – 1 werden die Treiberausgänge nicht zur LED 2 geführt, sondern über die Lichtquellenversorgungsleitung 6 verbunden. Erst auf dem letzten, also endständigen Leuchtmodul mn wird die Lichtquellenversorgungsleitung 6 mit der Lichtquellenleitung 5 elektrisch verbunden.
In anderen Worten werden die Teilströme der einzelnen, elektrisch parallel geschalteten Steuerschaltungen 3 alle an einem Knotenpunkt 7 auf dem endständigen Leuchtmodul mn zusammengeführt und dann der Summenstrom durch die seriell geschalteten LEDs 2 geleitet.
Das Leuchtmodul mn, bei dem die Lichtquellenversorgungsleitung 6 mit der Lichtquellenleitung 5 elektrisch verbunden ist, kann beispielsweise aus der Grundform der anderen Leuchtmodule m1, m2, ... dadurch abgeleitet werden, dass zwischen in der Grundform offenen Kontakte 14 der Lichtquellenversorgungsleitung 6 und der Lichtquellenleitung 5 eine Brücke 15 eingesetzt wird.
Alternativ können alle Leuchtmodule der Grundform mit offenen Kontakten entsprechen, wobei zum Betrieb der Leuchtkette der freie Anschluss der Lichtquellenversorgungsleitung 6 des endständigen Leuchtmoduls mit dem freien Anschluss der Lichtquellenleitung 5 elektrisch verbunden wird. Diese Variante weist den Vorteil auf, dass die Länge der Leuchtkette flexibel und im Feld angepasst werden kann und im wesentlichen nur durch die maximale Leistungsaufnahme begrenzt wird.
Die gezeigte Leuchtkette 1 weist den Vorteil auf, dass erstens kein gesondertes Modul zur Ansteuerung der Leuchtdioden 2 benötigt wird und zweitens aufgrund der Verteilung der Treiberkomponenten auf die voneinander zumindest thermisch, aber üblicherweise auch örtlich gerennten, einzelnen Leuchtmodule m1, m2, ..., mn die auftretende Verlustleistung, die in Wärme umgesetzt wird, ebenfalls auf die einzelnen Leuchtmodule m1, m2, ..., mn verteilt wird. Dies führt zu homogeneren Betriebsbedingungen der einzelnen LEDs 2. Auftretende Verlustleistungsschwankungen aufgrund Schwankungen der elektrischen Parameter der LEDs 2 erscheinen so nicht punktuell an einem Ort, was vorteilhafterweise eine punktuelle Erwärmung und deren Einfluss auf die optischen Parameter der LEDs 2 abschwächt.
Das Leuchtmodul m1 kann auch gleich dem Leuchtmodul m2 ausgestaltet sein.
Die gezeigte elektrische Verkettung von LEDs 2 kann auch als Strang bezeichnet werden. Die gezeigte Anordnung entspricht dann in anderen Worten einem LED-Strang auf der Leuchtkette 1 mit einer verteilten Treiberschaltung.
2, 3 und 4 zeigen Leuchtmodule ni, pi, ri analog zu den Leuchtmodulen m2 aus 1, bei denen die Treiberschaltung 3 nun genauer ausgeführt ist.
2 zeigt ein Leuchtmodul ni, bei dem die Stromsteuer- bzw. Stromkonstanterschaltung lediglich einen Widerstand 8 aufweist. Dieser ist so ausgelegt, dass sich durch die parallele Verschaltung und somit der Verkleinerung des Summenwiderstandes der gewünschte Summenstrom am Zusammenführungsknoten bei vorgegebener Versorgungsspannung einstellt.
3 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform einer Stromsteuer- bzw. Stromkonstanterschaltung eines Leuchtmoduls pi, welche außer Widerständen 9a, 9b auch pnp-Transistoren 10a, 10b aufweist. Diese Schaltung verzweigt sich von der oberen Versorgungsleitung 4 in einen linken Ast ("Basiszweig"), in dem ein Transistor 10a und ein Widerstand 9a ("Basiswiderstand") wie gezeigt in Reihe geschaltet sind und der zur unteren Versorgungsleitung 5 führt, welche der Lichtquellenleitung 5 entspricht, und in einen rechten Ast, bei dem ein Widerstand 9b und ein Transistor 10b wie gezeigt in Reihe geschaltet sind und der zur Lichtquellenversorgungsleitung 6 führt. Die Äste sind dadurch miteinander gekoppelt, dass die Basis des jeweiligen pnp-Transistors 10a, 10b zwischen den Transistor 10b, 10a und den Widerstand 9b, 9a des jeweils anderen Asts eingekoppelt ist. Die Basis des Transistors 10a des linken Asts ist somit elektrisch mit dem Emitteranschluss des Transistors 10b des rechten Asts verbunden. Die Basis des Transistors 10b des rechten Asts ist hingegen elektrisch mit dem Kollektoranschluss des Transistors 10b des rechten Asts verbunden.
Im Betrieb fließt ein LED-Versorgungs(teil)strom von der oberen Versorgungsleitung 4 durch den linken Ast bzw. Basiszweig durch den Transistor 10a und den Widerstand 9a, da die Basis des Transistors 10a über den Widerstand 9b des rechten Asts angesteuert wird. Da über den Transistor 10a eine definierte Spannung abfällt, wird auch die Basis des Transistors 10b des rechten Asts angesteuert, so dass ein LED-Versorgungs(teil)strom von der Treiberversorgungsleitung 4 durch den rechten Ast zur Lichtquellenversorgungsleitung fließt. Durch Dimensi onieren des Basiswiderstands 9a lässt sich u. a. die Stromverstärkung einstellen. Der Widerstand 9b des rechten Asts ist so ausgelegt, dass sich durch den an der Emitter-Basis-Strecke des Transistors 10a festen Spannungsabfall ein n-tel des gewünschten Summenstroms einstellt.
4 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform einer Stromsteuer- bzw. Stromkonstanterschaltung eines Leuchtmoduls ri, bei dem nun in Gegensatz zur Ausführungsform von 3 im linken Ast statt des Transistors 10a zwei in Reihe geschaltete Dioden 11 vorhanden sind. Über die Dioden 11 fällt jeweils eine konstante Spannung von beispielsweise 0,6 V bis 0,7 Volt ab, so dass die Basis des Transistors 10b auf der entsprechenden Spannung liegt, z. B. 1,2 V bis 1,4 Volt. Dadurch lässt sich der Strom von der oberen Versorgungsleitung 4 durch den Widerstand 9b zur Lichtquellenversorgungsleitung 6 entsprechend konstant halten.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Leuchtkette 12, bei der im Gegensatz zur der Leuchtkette 1 aus 1 nun eine eigenen Treiberversorgungsleitung 13 vorhanden ist. Die Lichtquellenleitung 5 fungiert somit nicht mehr gleichzeitig als Treiberversorgungsleitung, sondern dient nur noch der seriellen Verschaltung der LEDs 2. Diese Ausführungsvariante weist den Vorteil auf, dass die Einstellung der Versorgungsspannung für die Treiberschaltung(en) einfacher ist, benötigt jedoch im Vergleich zur Leuchtkette 1 eine zusätzliche Leitung.
6 und 7 zeigen jeweils ein Leuchtmodul 101. In der gezeigten Ausführungsform weist jedes Modul 101/Glied der Kette eine mit mehreren LEDs 102, 103, 104 mit jeweiligen in Abstrahlrichtung angeordneten Streuoptiken 105 und weiteren Elektronikkomponenten, insbesondere Treiberschaltungen (ohne Abb.) bestückte Platine 106 auf. Vorder- und rückseitig der Platine 106 befinden sich ein Deckel 107 bzw. ein Kühlkörper 108.
Im Einzelnen werden eine rote LED 102, eine dieser gegenüberliegende blaue LED 103 und zwei dazu benachbart angeordnete grüne LEDs 104 (nur eine davon dargestellt) pro Modul 101 verwendet. Dadurch ist die gesamte leuchtende Fläche der LEDs für Grün größer gewählt als für Rot und Blau (Leuchtflächenverhältnis Grün:Rot:Blau = 2:1:1). Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Farbmischung für weißes Licht aus, da für eine Weißmischung der Grünanteil besonders hoch ist. Dadurch können vergleichsweise preiswerte LEDs 102, 103, 104 verwendet werden, die zudem nicht bis an ihre Leistungsgrenzen angesteuert zu werden brauchen. Besonders geeignet ist dazu eine Ansteuerung der LEDs 102, 103, 104 mit einem Leuchtanteil von Grün:Blau:Rot von 60:30:10. Außer weiß können durch eine geeignete Ansteuerung der LEDs 102, 103, 104 mittels pulsweiten-modulierten Versorgungsstroms alle anderen möglichen Farbmischungen erzeugt werden.
Entlang der Kette sind LEDs gleicher Farbe 102, 103, 104 elektrisch in Reihe geschaltet (sog. "Stränge"), wobei für die Farbe Grün zwei getrennte Reihenschaltungen (d. h., zwei Stränge) genutzt werden. Der Strom pro Strang wird mittels einer Parallelschaltung von auf die einzelnen Leuchtmodule 101 verteilten, gleich aufgebauten Treiberschaltungen eingestellt, welche die überschüssige Leistung, die aufgrund der fertigungsbedingten unterschiedlichen Vorwärtsspannungen der LEDs 102, 103, 104, unterschiedlich sein kann, in Wärme umsetzen. Dabei sind diese Komponenten auf den Modulen 101/Platinen 106 der Kette angeordnet, um die Wärme gleichmäßig über die Platinen 106 zu verteilen, was zu homogeneren Betriebsbedingungen der einzelnen Module 101 führt.
Die elektrische Verbindung erfolgt über eine ein- oder mehrpolige elektrische Leitung, z. B. das gezeigte Flachbandkabel 109, oder über einzelne Leitungen, jeweils beispielsweise als Litze oder Volldraht ausgebildet, welche an die Platine 106 angeschlossen wird. Zur Stromversorgung eines weiteren Moduls (nicht dargestellt) werden die Stromversorgungsleitungen durch die Platine 106 durchgeschleift und bis zu einem anderen Kabelanschluss geführt, von dem wiederum ein Kabel 109 zum anderen Modul führt. Diese beiden Kabel 109 bzw. elektrisch verbundenen Kabelanschlüsse sind somit elektrisch miteinander verbunden. Jedoch reicht zur Stromversorgung des Moduls 101 nur ein Stromanschluss aus.
Die LEDs 102, 103, 104 können mit oder ohne aufgesetzte Streuoptik 105 ausgestattet sein und in gehäuster Form (LED-Chip in einem Gehäuse) oder ungehäuster Version (nur der LED-Chip) vorliegen. In dieser Ausführungsform weist jede der LEDs 102, 103, 104 eine gleichartige flache Streulinse 105 mit breitem Abstrahlwinkel auf. Dadurch lässt sich mit einfachen Mitteln eine Möglichkeit zur vergleichsweise gleichmäßigen Ausleuchtung bei gleichzeitig weiten Sichtwinkeln erreichen. Zudem weist der gezeigte Aufbau eine nur geringe Bauhöhe im Bereich der Leuchtelemente 102, 103, 104 auf.
Die gezeigte Platine 106 ist eine Metallkernplatine, aufweisend eine strukturierte Kupferschicht auf einem Dielektrikum 1010, z. B. aus Polyimid oder Epoxidharz, sowie ein Substrat 1011, z. B. aus Aluminium, Kupfer oder einem anderen Metall. Dabei wird die auf der Platine 106 erzeugte Wärme über deren große Grenzfläche besonders effektiv an den Kühlkörper 108 abgegeben.
Der Kühlkörper 108 besteht vorzugsweise aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Aluminium. Alternativ können auch Kühlkörper 108 unter Verwendung von Kupfer, Zink und/oder Magnesium verwendet werden, oder allgemein unter Verwendung von gut leitenden Materialien, wie Metallen. Der Kühlkörper 108 ist mittels einer thermisch leitfähigen Klebeverbindung (elektrisch leitend oder isolierend) an die Rückseite der Platine 106 angebracht. Im Einzelnen weist der Kühlkörper 108 ein auf einer Platte 1012 aufgesetztes Kissen aus regelmäßig angeordneten Stiften 1013 gleicher Höhe auf.
Zur Befestigung an einer Montageoberfläche, z. B. einer Wand, besitzt der Kühlkörper 108 Haltelaschen 1014. Die hier gezeigte Anordnung der Haltelaschen 1014 in der Mitte der langen Kanten 108a bzw. der längeren Seitenränder des länglichen Kühlkörpers 108 ist aus zwei Gründen besonders vorteilhaft: Erstens ist dann die Entfernung zu den Wärmequellen (LEDs, elektrische/elektronische Komponenten) gering. Daraus resultiert eine besonders starke Aufwärmung der Haltelaschen 1014, welche für eine zusätzliche Entwärmung des Moduls 101 durch Wärmeleitung über die Haltelaschen 1014 zur Montageoberfläche sorgt. Zweitens bieten für eine Kühlung durch freie Konvektion am Kühlkörper 108 die langen Kühlkörperkanten 108a der durchströmenden Luft eine größere Querschnittsfläche (bessere Kühlung), und ein diesbezüglich negativer Einfluss der Haltelaschen 1014 wirkt sich weniger stark aus als bei Vorsehen an den kurzen Kanten 108b mit kleinerer Querschnittsfläche für die Luft. Dies führt zu thermischen Eigenschaften des Kühlkörpers 108, welche weniger von der Ausrichtung des Kühlkörpers 108 (z. B. vertikal oder horizontal) an einer Montageoberfläche abhängen als bei anders angeordneten Haltelaschen 1014.
Die Länge der Stifte 1013 ist so gewählt, dass sie weiter nach hinten von der Platte 1012 herausstehen als die Haltelaschen 1014 (Höhenunterschied vorzugsweise von 0,05 bis 0,3 mm). Dies gewährleistet den Kontakt eines oder mehrerer Stifte 1013 mit der Montageoberfläche und somit eine zusätzliche Entwärmung durch Konduktion über die Auflageflächen der Stifte 1013 auf der Montageoberfläche, die vorzugsweise aus Metall besteht. Die Befestigung des Kühlkörpers 108 mittels der Haltelaschen 1014 wird hier durch Schrauben realisiert, deren Schraubenlöcher in den Haltelaschen 1014 dargestellt sind (ohne Bezugszeichen).
Für eine bessere Wärmeabführung ist der Kühlkörper 108 oberflächenbehandelt, z. B. mittels einer Pulverbeschichtung oder einer Anodisierung. Dadurch wird ein höherer thermischer Emissionsgrad als der des Rohmaterials erreicht (bessere System-Entwärmung durch erhöhte Wärmestrahlung). Gleichzeitig schützt die Beschichtung den Kühlkörper vor schädlichen Umwelteinflüssen. Vorteilhaft ist eine helle Farbe mit hohem Lichtreflexionsgrad der Beschichtung, um die optischen Eigenschaften im diffus-reflektierenden Leuchtkasten zu erhöhen.
Der Kühlkörper 108 weist an den kurzen Seiten 108b eine Vertiefung 1015 in Form einer Sicke auf. In Kombination mit dem Deckel 107, welcher an der entsprechenden Stelle eine Auswölbung 1016 besitzt, wird ein Führungskanal für die Kabel 109 erschaffen. Bei einer Zugkraft auf das Kabel 109 in willkürlicher Orientierung (z. B. nach oben, unten, rechts oder links) erfolgt durch diesen Kanal eine Übertragung der Kraft auf Lötstellen der Kabel 109 mit der Platine 106 dergestalt, dass die Kraft nur in einem kleinen, möglichst unempfindlichen Winkelbereich zur Platinenoberfläche gerichtet ist. So werden Scher- und Schälkräfte auf die Lötstellen vermieden.
Der Deckel 107 besteht aus thermisch belastbarem und UV-stabilem Kunststoff. Vorteilhaft ist eine helle Färbung, verbunden mit einer Reflektivität von mehr als 60% im sichtbaren Bereich des Lichts zur Verbesserung der optischen Eigenschaften des Moduls 101 im Leuchtkasten. Der Deckel 107 ist so geformt, dass er den Kühlkörper 108 teilweise seitlich verdeckt und so die Gesamtreflektivität des Moduls 101 erhöht. Der Deckel 107 besitzt Aussparungen 1017, welche so ausgebildet sind, dass die LEDs 102, 103, 104 ihr Licht ungehindert in Ort und Winkel abstrahlen können. Die Befestigung des Deckels 107 erfolgt über einen Schnappmechanismus mittels Kunststoffstiften 1018, welche durch entsprechende Bohrungen (ohne Bezugszeichen) in der Platine 106, 1010, 1011 und im Kühlkörper 108 geführt werden und einrasten. Der Deckel 107 besitzt zudem die Eigenschaft, dass er den darunter liegenden Innenraum des Moduls 101 nicht luftdicht verschließt, sondern Feuchtigkeit ein- und austreten lässt. Auf diese Weise wird die Ansammlung von Kondenswasser vermieden.
Für den Schutz vor Kondenswasser/Korrosion und schadhaften Gasen, sind die elektrischen Kontakte der stromführenden Teile auf der Platine 106, 1010 mit einer Lackschicht überzogen. Dies verringert das Risiko der Ausbildung von Luft- und Kriechstrecken. In der gezeigten Ausführungsform besitzt der Lack zur Qualitätsprüfung fluoreszierende Eigenschaften. Die Viskosität des Lacks ist vorzugsweise so gewählt, dass er über den Effekt der Kapillarwirkung eine vollständige Benetzung der Kontakte erreicht. Vorteilhaft sind Viskositäten im Bereich von 100–500 mPas.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt.
So kann die Treiberschaltung mit anderen Schaltungselementen gleichwirkend ausgestaltet werden, z. B. mit npn-Transistoren oder anderen Transistoren statt der pnp-Transistoren.
Es können auch andere Lichtquellen anstatt Leuchtdioden eingesetzt werden, z. B. Entladungslampen oder Leuchtstoffröhren. Die Treiberschaltung kann zur Ansteuerung der Lichtquelle(n) geeignet ausgebildet sein, z. B. auch als pulsweitenmodulierender Treiber.
Auch kann die Treiberschaltung mit einem oder mehreren Detektionselementen zur Erfassung eines Lichtstroms bzw. einer Lichtstärke ausgerüstet sein, welche von der LED oder der LED-Kette ausgestrahlt wird und den Treiberstrom entsprechend anpassen.
Auch kann statt einer – einfarbigen oder weißen – LED ein LED-Cluster aus mehreren verschiedenfarbigen LEDs verwendet werden, deren Licht additiv farbgemischt wird, z. B. ein LED- Cluster aus den Grundfarben RGB, z. B. RGGB, zur additiven Farbmischung auf weiß.
Die Leuchtkette kann auch mehrere Stränge (zusammengeschaltete Sätze mit jeweils mindestens einer Lichtquelle und einer Stromsteuerschaltung) umfassen, wobei jeder Strang jeweils LEDs einer Farbe ansteuert, z. B. eine Leuchtkette mit vier Strängen RGGB.

1: Leuchtkette
2: LED
3: Steuerschaltung
4: Treiberversorgungsleitung
5: Treiberversorgungsleitung/Lichtquellenleitung
6: Lichtquellenversorgungsleitung
7: Zusammenführungsknotenpunkt
8: Widerstand
9a: Widerstand
9b: Widerstand
10a: Transistor
10b: Transistor
11: Diode
12: Leuchtkette
13: Treiberversorgungsleitung
14: Kontakt
15: Brücke
101: Leuchtmodul
102: rote LED
103: blaue LED
104: grüne LED
105: Streuoptik
106: Platine
107: Deckel
108: Kühlkörper
108a: lange Kante
108b: kurze Kante
109: Kabel
1010: Dielektrikum
1011: Substrat
1012: Platte
1013: Stift
1014: Haltelasche
1015: Vertiefung
1016: Auswölbung
1017: Aussparung
1018: Kunststoffstift
mi: Leuchtmodul
ni: Leuchtmodul
pi: Leuchtmodul
ri: Leuchtmodulsi Leuchtmodul

Claims

Leuchtkette (1; 12) mit mehreren Leuchtmodulen (m1–mn; ni; pi; ri; si; 101), wobei – mindestens zwei der Leuchtmodule (m1–mn; ni; pi; ri; si; 101) mindestens einen Satz aus mindestens einer Lichtquelle (2) und einer Treiberschaltung (3; 8; 9, 10; 9, 10, 11) zur Ansteuerung der mindestens einen Lichtquelle (2) aufweisen und – die Treiberschaltungen (3; 8; 9, 10; 9, 10, 11) eines Satzes der jeweiligen Leuchtmodule (m1–mn; ni; pi; ri; si; 101) elektrisch parallel miteinander verbunden sind und – die Lichtquellen (2) dieses einen Satzes der jeweiligen Leuchtmodule (m1–mn; ni; pi; ri; si; 101) elektrisch seriell miteinander verbunden sind und – die Treiberausgänge der Treiberschaltungen (3; 8; 9, 10; 9, 10, 11) an einem Knotenpunkt (7) zur gemeinsamen Stromversorgung aller Lichtquellen (2) dieses einen Satzes zusammengeführt werden.
Leuchtmodul (m1, m2; ni; pi; ri; si; 101), insbesondere zur Verwendung in einer Leuchtkette (1; 12) nach Anspruch 1, ausweisend – mindestens eine durchgehende Lichtquellenleitung (5) mit mindestens einer zwischengeschalteten Lichtquelle (2), insbesondere mindestens einer Leuchtdiode; – mindestens eine durchgehende Lichtquellenversorgungsleitung (6); – mindestens eine durchgehende Treiberversorgungsleitung (4, 5; 12) zum Betrieb mindestens einer Treiberschaltung (3) zur Ansteuerung der mindestens einen Lichtquelle (2); – wobei eine Treiberschaltung mindestens eine durchgehende Treiberversorgungsleitung (4, 5; 12) speist.
Leuchtkette (1; 12) mit mehreren hintereinander geschalteten Leuchtmodulen (m1, m2; ni; pi; ri; si; 101) nach Anspruch 2, bei der bei mindestens einem Leuchtmodul (mn) die Lichtquel lenversorgungsleitung (6) und die Lichtquellenleitung (5) elektrisch miteinander verbunden sind.
Vorrichtung (1; 12; m1, m2; ni; pi; ri; si) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Treiberschaltung (3) eine Stromsteuerschaltung oder eine Stromkonstanterschaltung ist.
Vorrichtung (1; m1, m2; ni; pi; ri; si) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Lichtquellenleitung (5) einer Versorgungsleitung der Treiberschaltung (3) entspricht.
Vorrichtung (1; m1, m2; ni; pi; ri; si) Anspruch 5, bei der die Treiberschaltung (3) mit einem ihrer Versorgungseingänge mit einer Kathodenseite der zugehörigen Lichtquelle (2) elektrisch verbunden ist.
Vorrichtung (12; m1, m2; ni; pi; ri; si) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Treiberschaltung (3) für jeden ihrer Versorgungseingänge mit einer eigenen Treiberversorgungsleitung (4, 12) verbunden ist.
Vorrichtung (1; 12; m1, m2; ni; pi; ri; si) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jedes Leuchtmodul mehrere Lichtquellen pro Satz aufweist, insbesondere zwei grüne LEDs.
Vorrichtung (1; 12; m1, m2; ni; pi; ri; si) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jedes Leuchtmodul mehrere Sätze aus mindestens einer Lichtquelle (2) und einer Treiberschaltung (3; 8; 9, 10; 9, 10, 11) zur Stromversorgung der mindestens einen Lichtquelle (2) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der mindestens drei Sätze aus mindestens einer Lichtquelle (2) und einer zugehörigen Treiberschaltung (3; 8; 9, 10; 9, 10, 11) vorhanden sind, wobei die Lichtquellen mindestens zweier Sätze zueinander jeweils andersfarbig sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Lichtquellen (2) eines Leuchtmoduls mindestens mit Farben abstrahlen, welche eine weiße additive Farbmischung ermöglichen, insbesondere der Farben RGB, speziell RGGB.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Leuchtmodul (101) einen Kühlkörper (108) aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Leuchtkette (1; 12), wobei die Leuchtkette (1; 12) mehrere Leuchtmodule (m1–mn; ni; pi; ri; si; 101) umfasst, die jeweils mindestens einen Satz aus mindestens einer Lichtquelle (2) und einer Treiberschaltung (3; 8; 9, 10; 9, 10, 11) zur Ansteuerung der mindestens einen Lichtquelle (2) aufweisen, wobei – die Treiberschaltungen (3) eines Satzes der jeweiligen Leuchtmodule (m1–mn; ni; pi; ri; si) elektrisch parallel mit Strom versorgt werden und – die Ströme der Treiberschaltungen (3) dieses einen Satzes von Leuchtmodulen (m1–mn; ni; pi; ri; si; 101) zur Versorgung der Lichtquellen (3) an einem Knotenpunkt (7) zusammengeführt werden und – die Lichtquellen (2) dieses einen Satzes der jeweiligen Leuchtmodule (m1–mn; ni; pi; ri; si; 101) elektrisch seriell mit den zusammengeführten Strömen der Treiberschaltungen (3) versorgt werden.