DE102008062675B4

DE102008062675B4 - Elektrische Lampe mit integrierter Elektronik

Info

Publication number: DE102008062675B4
Application number: DE102008062675A
Authority: DE
Inventors: Ludger Dr. Wilken
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2028-12-18
Also published as: DE102008062675A1

Abstract

Elektrische Lampe mit integrierter Elektronik, wobei die Lampe einen Kolben und darin ein Leuchtmittel aufweist, wobei der Kolben an einem Ende mit einem Sockel versehen ist, wobei im Sockel eine elektronische Schaltung mit mindestens einer Platine und eine Kühlvorrichtung untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung zumindest ein Kupfermetall-Blech und ein Kupfermetall-Gewebeband umfasst, und dass die elektronische Schaltung mindestens eine Platine aufweist, die mit dem Kupfermetall-Blech in thermischer Verbindung steht, wobei das Kupfermetall-Blech mit dem Kupfermetall-Gewebeband in thermischem Kontakt steht, das seinerseits mit dem Sockel in thermischem Kontakt steht, so dass die Abwärme der Platine vom Kupfermetall-Blech weiter über das Kupfermetall-Gewebeband an den Sockel geleitet wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine elektrische Lampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1, vorzugsweise eine Entladungslampe mit integrierter Elektronik, die eine Vorrichtung aufweist, welche die in der Elektronik und der Lampe erzeugte Wärme, die zu einer Erwärmung der Elektronik führt, zu dem Sockel der Lampe abführt, wo diese dann über die Fassung durch Konvektion, Strahlung und Wärmeleitung an die umgebende Luft und die Leuchte geleitet wird, was zu einer Temperaturverringerung in der Elektronik und an elektronischen Bauelementen führt, womit es möglich wird, Lampen mit höheren Leistungen einzusetzen oder kostengünstigere Bauelemente mit niedrigeren Grenztemperaturen zu verwenden. Es handelt sich um Lampen mit integriertem Vorschaltgerät, insbesondere eine Hochdruckentladungslampe (Plug-In Elektronik Lampe) oder eine Niederdruckentladungslampe mit Elektronik (Kompaktleuchtstofflampe) oder auch eine Glühlampe mit Elektronik. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Kühlblech aus Metall, das sich vorteilhaft für derartige elektrische Lampen eignet.
Stand der Technik
In WO 2005/060309 A2 , US 4 322 658 , DE 10 2006 052 901 A1 , DE 195 39 809 A1 wird eine Anordnung zur Kühlung einer Lichtquelle, insbesondere einer LED als Lichtquelle, beschrieben. Eine bekannte Technik wird anhand von 1 erklärt. Die Lampe 1 ist mit dem Elektronikgehäuse 2 verbunden und dem Lampensockel, bestehend aus dem metallischen Gewinde 3 und dem Kontaktplättchen mit dem Isolator 4. Im Elektronikgehäuse befinden sich die elektronischen Bauelemente, wobei hier mit 5 ein Transistor und mit 6 ein Kondensator gezeigt ist. Die Verbindung der Elektronik zum metallischen Gewinde 3 des Lampensockels wird durch einen Draht 7 realisiert. Bei der Produktion der Lampe wird der Lampensockel auf das Gehäuse aufgeschoben, wobei der Draht 7 so ausgerichtet wird, dass dieser sich zwischen dem metallischen Gewinde 3 und dem Gehäuse 2 befindet. Danach wird am unteren Bereich das metallische Gewinde gequetscht, wobei die Quetschung aus zwei Teilen besteht, einer schneidförmigen Quetschung über den gesamten Umfang und einer punktuellen Quetschung 8 an mehreren Stellen des Umfangs. Durch diese Quetschung werden die mechanische Befestigung des Lampensockels mit dem Elektronikgehäuse und ein guter elektrischer Kontakt zwischen dem metallischen Gewinde 3 des Lampensockels und dem Draht 7 realisiert.
Die vollständige Lampe mit der Elektronik wird in die Fassung einer Leuchte eingeschraubt. Hierbei hat das metallische Gewinde der Lampe einen elektrischen Kontakt zu dem metallischen Gewinde 8 der Fassung, die gewöhnlich mit dem Rückleiter elektrisch verbunden ist. Zur mechanischen Befestigung ist das metallische Gewinde 8 mit dem isolierenden Material der Fassung 9 verbunden. Letzteres ist schließlich mit einem Übergangsstück 10 an das Gehäuse der Leuchte 11 befestigt.
Der Brenner 13 der Lampe erzeugt Strahlung im sichtbaren Bereich und im Infrarotbereich. Ein Teil der Infrarotstrahlung PL1 geht durch den Außenkolben hindurch und trifft auf das Elektronikgehäuse 2 und erwärmt das Gehäuse und die Luft im Inneren des Elektronikgehäuses. Ein Teil der Wärme PL2 geht über Wärmeleitung durch den Glaskolben in das Elektronikgehäuse. Die Elektronik erzeugt ebenfalls Wärme. Im Anwendungsbeispiel soll der Transistor 5 die Wärme PT1 erzeugen, die durch Strahlung und Konvektion die Luft in der Elektronik aufwärmt. Die warme Luft in der Elektronik erwärmt schließlich das Elektronikgehäuse, das durch Konvektion die umgebende Luft in der Leuchte und durch Strahlung das Gehäuse der Leuchte aufwärmt. Insgesamt gibt das Elektronikgehäuse 2 die Wärmeleistung PG1 ab. Die warme Luft im Elektronikgehäuse erwärmt ebenfalls das metallische Gewinde 3 des Lampensockels. Durch den guten thermischen Kontakt mit dem Gewinde 9 der Fassung wird die Wärmeleistung PG2 zum Isolator 10 der Fassung geleitet. Von der isolierenden Fassung wird ein Teil der Wärme PF1 über Konvektion und Strahlung an die Umgebung abgegeben und ein anderer Teil der Wärme PF2 über das Übergangsstück 11 an das Gehäuse der Leuchte 12 geleitet. Das Gehäuse der Leuchte gibt schließlich durch Strahlung und Konvektion die Wärme an die umgebende Luft ab.
Die sich an den einzelnen Bauelementen einstellenden Temperaturen sind abhängig von der Außentemperatur, der Lampenleistung, der Verlustleistung der Elektronik, von der Größe der Leuchte und der Ausrichtung der Lampe in der Leuchte. Je höher die Temperaturen an den Bauelementen sind, desto temperaturbeständigere und teurere Bauelemente müssen eingesetzt werden, um eine bestimmte Lebensdauer für die Elektroniklampe zu gewährleisten.
Die an einem Kondensator 6 messbare Temperatur TK ist wegen der vernachlässigbar kleinen Verlustleistung ähnlich der mittleren Lufttemperatur im Elektronikgehäuse. Die Temperatur an der Verbindungsstelle und dem Gehäuse des Transistors TT wird bestimmt durch die Transistorverlustleistung und die Temperatur der umgebenden Luft im Elektronikgehäuse.
Ein Ziel bei der Entwicklung einer Lampe mit Elektronik ist es, die Temperaturen an den einzelnen Bauelementen und in der Luft der Elektronik möglichst klein zu halten. Hierzu sind verschiedene Maßnahmen denkbar. Eine Maßnahme ist die Verringerung der Verlustleistung der Elektronik. Eine weitere bekannte Maßnahme ist die Vergrößerung des Elektronikgehäuses, womit sich die Oberfläche vergrößert und damit mehr Wärme durch Konvektion und Infrarotstrahlung abgegeben werden kann. Leider wird die Gehäusegröße in der Regel durch mechanische Vorgaben stark eingeschränkt.
Aus der WO 87/05436 A1 ist eine Lampe bekannt, bei der im Sockel elektronische Bauteile integriert sind, die mit einem Gießharz ummantelt sind.
Darstellung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Anordnung zu schaffen, die zusätzliche Wärme aus der Elektronik für eine Lampe abführt und damit zu einer Verringerung der Temperatur an den einzelnen Bauelementen der Elektronik führt. Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1, oder 8 oder 23.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß ist die Lampe mit integrierter Elektronik ausgestattet, wobei die Lampe ein Entladungsgefäß aufweist, das an einem Ende mit einem Sockel versehen ist, wobei im Sockel eine elektronische Schaltung mit mindestens einer Platine und eine Anordnung untergebracht sind, die die Wärme von den einzelnen Bauelementen ableitet und zur Fassung und zum Gehäuse leitet. Diese Anordnung kann ein Wärmeleiter oder ein Verguss oder eine Verbindung von beiden sein.
Der Wärmeleiter besteht vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Material, wie Kupfer oder Aluminium, das mit der Platine und/oder den einzelnen Bauelementen und dem metallischen Sockel im thermischen Kontakt steht und damit die Wärme von der Platine und/oder den einzelnen elektrischen Bauelementen zum metallischen Sockel leitet.
Der Verguss besteht vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Material wie einem Polyurethan, das im flüssigen Zustand beispielsweise durch eine Öffnung in der Platine hindurch in das Gehäuse mit der eingebauten Platine und dem aufgesetzten Schraubsockel eingefüllt wird, die Hohlräume ausfüllt, aushärtet und nach dem Aushärten vorzugsweise eine elastische Masse bildet, die an den Oberflächen der Platine, der elektrischen Bauteile, dem Gehäuse und dem Schraubsockel haftet und damit die von den elektrischen Bauteilen erzeugte Wärme zum Gehäuse und zum Schraubsockel leitet.
An den vorliegenden Ausführungsbeispielen wird die Funktion dieser Anordnung zur Abfuhr der Wärme basierend auf einem Wärmeleiter und einem Verguss separat erläutert.
Die Temperatur TG am metallischen Gewinde 3 des Lampensockels ist bei der Brennlage mit dem Sockel nach oben in der Regel kleiner als die Temperatur am verlustbehafteten Transistor TT oder am Kondensator TK. Damit besteht ein gewisses Potential für die Abführung von zusätzlicher Wärme über den Schraubsockel der Lampe an die Fassung und das Leuchtengehäuse. Es wird vorgeschlagen eine Anordnung, im Weiteren „Anordnung zur Wärmeabfuhr” genannt, in das Elektronikgehäuse zu integrieren, die die Wärme von der Platine und/oder den relevanten elektronischen Bauteilen an den metallischen Schraubsockel der Lampe führt. Damit kann die zusätzliche Wärme über die Fassung an die umgebende Luft durch Konvektion und Strahlung abgegeben werden. Insbesondere bei Fassungen mit einem keramischen Isolator, z. B. Porzellan, ist eine gute Wärmeleitung durch die Fassung zur Oberfläche gewährleistet. Durch die Anordnung zur Wärmeabfuhr wird daher die Fassung effektiv zur Kühlung mit einbezogen. Hierdurch wird die wirksame Kühloberfläche des Systems bestehend aus Lampe mit Elektronik und Fassung mehr als verdoppelt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 Querschnitt einer Lampe mit Elektronik in einer Leuchte nach dem Stand der Technik.
2 Querschnitt einer Lampe mit Elektronik in einer Leuchte mit integrierter Anordnung zur Wärmeabfuhr bestehend aus einem metallischen Wärmeleiter.
3 Schema des metallischen Wärmeleiters nach 2, bestehend aus einem Blech, an dem die zu kühlenden Bauteile angeschraubt werden.
4 Schema des metallischen Wärmeleiters nach 2, bestehend aus einem Blech, mit Halteklammern, die ein zeitsparendes Einquetschen der Bauelemente bei der Montage ermöglichen.
5 Schema des metallischen Wärmeleiters nach 2, bestehend aus einem Blech, einem Ring und Stegen, die durch ihre Federwirkung einen mechanischen und damit auch thermischen Kontakt mit dem Schraubsockel herstellen.
6 Querschnitt einer Lampe mit Elektronik in einer Leuchte mit Anordnung zur Wärmeabfuhr bestehend aus einer Vergussmasse, die nur einen Teil der Elektronik ausfüllt.
7 Querschnitt einer Lampe mit Elektronik in einer Leuchte mit Anordnung zur Wärmeabfuhr bestehend aus Vergussmasse, wobei die Elektronik vollständig vergossen ist.
8 Querschnitt einer Lampe mit Elektronik in einer Leuchte mit Anordnung zur Wärmeabfuhr bestehend aus Vergussmasse und einer Kühlvorrichtung.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Die Funktion der Anordnung zur Wärmeabfuhr besteht aus einem Wärmeleiter, einem Verguss oder der Kombination von beiden. Die Funktion dieser Anordnung soll getrennt behandelt werden, wobei zunächst die Funktion der Anordnung basierend auf einem Wärmeleiter und anschließend die Funktion basierend auf einem Verguss erläutert wird. Im dritten Teil wird schließlich die Kombination einer Anordnung basierend auf einem Wärmeleiter und einem Verguss beschrieben.
Die Funktion der Anordnung basierend auf einem Wärmeleiter soll anhand der 2 erläutert werden. Der Wärmeleiter besteht in einem konkreten Ausführungsbeispiel aus einem Kupferblech 14 und einem Kupfergewebeband 15 die miteinander, z. B. durch eine Lötverbindung, verbunden sind.
Das Kupferblech wird mit der Platine 19 thermisch und mechanisch verbunden, was durch eine direkte Lötverbindung oder mittels Kontaktstiften erreicht werden kann. Das Kupfergewebeband 15 wird, ähnlich wie in 1 der Draht 7, zwischen dem metallischen Schraubsockel 3 und dem Elektronikgehäuse 2 eingelegt und durch die Quetschung thermisch und elektrisch mit dem metallischen Schraubsockel verbunden. Hierbei wirkt sich günstig aus, dass sich das Kupfergewebeband 15 an die jeweilige Form anpasst.
Die verlustbehafteten Bauteile, wie der Transistor 5, werden mechanisch und thermisch mit dem Kupferblech 14 verbunden, wobei die Verbindung durch eine Schraube 16 realisiert werden kann. Auf der Platine befinden sich in der Regel verlustbehaftete Bauelemente, z. B. ein Widerstand 17. Zu einer effektiven Wärmeabfuhr wird auf der Platine eine dicke Schicht Kupfer aufgebracht (Dickschichtkupfer 18), die mit dem Kupferblech 14 thermisch verbunden wird, z. B. durch Löten.
Die vom Transistor 5 erzeugte Wärme wird zu einem kleinen Teil PT1 über Konvektion an die umgebende Luft abgegeben und zu einem größeren Teil PT2 über die Kühlvorrichtung an den Sockel der Lampe geführt, womit sich der Sockel zusätzlich aufwärmt und damit ein größerer Teil der Wärme PG2 an die Fassung und weiter an die umgebende Luft und das Gehäuse der Leuchte abgegeben werden kann. Insgesamt ist die Kühlung des Elektronikgehäuses verbessert, womit die Temperatur an den Bauteilen, z. B. am Transistor TT und am Kondensator TK, deutlich geringer ist als ohne Kühlvorrichtung. Damit erfüllt die Kühlvorrichtung die gestellte Aufgabe.
In der ersten Ausführungsform für den Wärmeleiter hat das Kupferblech 14 die Maße (3): Dicke = 0,5 mm, a 30 mm, b = 35 mm, c = 14 mm. Die nach unten ausgebildeten Stege 19 dienen zur thermischen und mechanischen Fixierung mit der Platine, wobei die mechanische und thermische Verbindung vorzugsweise durch Löten hergestellt wird. Das Kupfergewebeband 15 hat die Maße: Breite = 14 mm, Dicke = 0,4 mm, Länge = 15 mm.
An das Kupferblech 14 werden die zu kühlenden elektronischen Bauelemente befestigt, wobei viele verschiedene Techniken, wie Schrauben, Löten, Kleben, Quetschen verwendet werden können. Im Ausführungsbeispiel (3) befindet sich im Kupferblech in der Mitte mit einem Abstand von d = 20 mm zur Unterkante eine Bohrung 41, die für eine Schraubverbindung mit einem elektronischen Bauteil mit der Gehäusebauform TO 220 Gehäuse vorgesehen ist.
Bei automatisierten Bestückungsvorrichtungen stellt die Herstellung der Schraubverbindung oder Klebeverbindung zwischen dem Bauteil und der Kühlvorrichtung einen zusätzlichen Arbeitsschritt dar. Durch die zusätzliche Ausbildung von Halteklammern in Gestalt von aus der Ebene des Blechs herausgebogenen flügelartigen Schienen 42 am Kupferblech 14 (siehe auch dazu 4) kann das Kupferblech 14 über das Bauteil gesteckt werden und zwar so, dass durch die Klemmverbindung über die Schienen 42 ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Bauteil und dem Kühlkörper realisiert wird. Durch die geeignete Formgebung dieser Schienen 42 als zweimal rechtwinkelig aus der Blechebene abgebogenes Stück, dessen freies Ende nochmals in Richtung Blechebene zurückgebogen ist, ist es möglich, elektronische Bauteile mit sehr unterschiedlichen Gehäusebauformen zu verwenden z. B. TO 263, TO 220, TO 92. In vorteilhafter Weise ist es auch möglich, eine solche Kühlvorrichtung mit Klemmbacken aus einem einzelnen Blech durch Stanzen und Biegen herzustellen. Bei entsprechender Ausformung der Kühlvorrichtung ist es ebenso möglich, an dieser Kühlvorrichtung mehrere Bauteile für Kühlzwecke zu befestigen.
Durch Verwendung von Bauteilen mit isoliertem Gehäuse oder einem Isoliermaterial zwischen dem Gehäuse und dem Kühlkörper ist es möglich eine gute thermische Verbindung zu erzielen, aber trotzdem das Bauteil mit einem anderen elektrischen Potential als dem Wärmeleiter zu betreiben.
Zur Kostenreduzierung ist es möglich, den Wärmeleiter nur mit den zu kühlenden elektrischen Bauteilen zu verbinden, womit die Verbindung zu der Platine entfällt. Der erforderliche elektrische Kontakt kann durch einen Draht oder durch das Bauteil realisiert werden.
Der Wärmeleiter ist vorzugsweise schwarz lackiert, wobei dieser Lack eine hohe Emissionsrate im Infrarotbereich haben sollte, um eine hohe Absorption von Infrarotstrahlung zu erhalten und damit eine zusätzliche Kühlwirkung zu erzielen.
Der Wärmeleiter sollte eine gute thermische Verbindung zu dem Schraubsockel haben, was durch verschiedene Techniken, wie einem flexiblen wärmeleitenden Material, einer federnden Verbindung, einer Lötverbindung oder Schraubverbindung erreicht werden kann.
Das flexible wärmeleitende Material kann ein Gewebeband, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium sein. Durch geeignete Techniken wird dieses flexible Material zwischen dem Gehäuse und dem metallischen Schraubsockel eingequetscht, womit eine gute thermische Verbindung zum Schraubsockel erzielt wird.
Bei der federnden thermischen Verbindung kann der Wärmeleiter aus einem geformten Blech 45 (5) bestehen, mit einer flachen Seite 46, an der die elektrischen Bauelemente thermisch kontaktiert werden und die mit der Platine verbunden wird, und einem gedachten Ring 47, realisiert mittels mehrerer, z. B. drei, stegartiger Federteile 48, die so ausgearbeitet sind, dass diese unter mechanischer Spannung stehen und durch ihre federnde Wirkung innen am Sockel, hier Schraubsockel, anliegen können.
Ebenso ist es möglich, den Wärmeleiter an den metallischen Teil des Schraubsockels anzulöten. Hierzu wird der Kühlkörper vorzugsweise so ausgeformt, das dieser schlüssig mit dem metallischen Teil des Schraubsockels abschließt.
Ebenso ist es möglich, den Wärmeleiter so auszubilden, dass dieser ein Gewinde enthält, auf das der metallische Schraubsockel angeschraubt werden kann.
Bevorzugt ist die Lampe eine Lampe mit Elektronik. Dies kann eine Plug-In-Elektronik-Lampe mit einer Halogen-Metalldampflampe, einer Natriumdampf-Hochdrucklampe oder einer anderen Entladungslampe sein, und einer elektronischen Schaltung, die den Betrieb an dem konventionellen Vorschaltgerät einer Quecksilberdampf-Hochdrucklampe ermöglicht. Dies kann auch eine Lampe mit einer Glühlampe, einer Halogenlampe, einer Niederdruckentladungslampe, einer Metalldampflampe, einer Natriumdampf-Hochdrucklampe und anderen Entladungslampen sein und einer elektronischen Schaltung, die den Betrieb an der Netzspannung ermöglicht.
Die Funktion der Anordnung, basierend auf einem Verguss, wird an den folgenden Eigenschaften der Vergussmassen und den sich hieraus erforderlichen Ausführungsformen in 6, 7 und 8 erläutert.
Vergussmassen werden zur elektrischen Isolation, zur Kühlung, zum Schutz vor Korrosion und dem Schutz vor äußeren Störeinflüssen wie Feuchtigkeit und Schmutz von elektronischen Schaltungen eingesetzt. Es gibt viele Vergussmassen mit unterschiedlichen Eigenschaften:
Asphaltverguss, z. B. CHP-1 (OSRAM Sylvania Potting) besteht aus einer Mischung aus Silikaten, Stearamiden, Hydrolenen und Asphalt. Durch das Aufheizen des Asphaltvergusses auf 150°C kann dieser im flüssigen Zustand in die Elektronik eingefüllt werden, füllt die Hohlräume aus und wird mit dem Abkühlen fest. Da Asphalt bei Temperaturen größer 90°C zähflüssig wird, dürfen die Bauteiltemperaturen diese Temperatur nicht überschreiten. Mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,7 W/mK ist eine gute Wärmeabfuhr möglich.
Ein mögliches Vergussmaterial ist insbesondere in EP 1 439 555 A1 beschrieben.
Eine Siliconvergussmasse, z. B. Elastosil RT 745 (Wacker Silicone), ist ein gießbarer, bei höheren Temperaturen vulkanisierbarer, additionsvernetzender RTV-2 Siliconkautschuk. Es besteht aus zwei flüssigen Komponenten, die gemischt werden und dann innerhalb einer Zeit zu einer gummiartigen Substanz gelieren. Die gelierte Siliconvergussmasse klebt oder haftet an den Oberflächen der elektronischen Bauelemente und dem Gehäuse. Sie ist über einen größeren Temperaturbereich von –50°C bis 150°C weich (ShoreA = 15) und beständig. Die Wärmeleitfähigkeit ist mit 0,2 W/mK für Vergussmassen vergleichsweise klein, während der thermische Längenausdehnungskoeffizient mit 300·10^–6 K^–1 für Vergussmassen vergleichsweise groß ist.
Eine Polyurethanvergussmasse, z. B. ISO-PUR K 760 (MV 6:1, ISO-Elektra), ist ein mineralisch gefülltes kalthärtendes Zwei-Komponenten-Polyurethangießharz. Im Ausgangszustand besteht es aus einem flüssigen Harz und Härter, die miteinander vermischt werden und innerhalb einer gewissen Zeit, z. B. 30 Minuten in einen gummiartigen Zustand gelieren. Der ausgehärtete gummiartige Verguss klebt an den begrenzenden Oberflächen, z. B. der Bauelemente. Er ist über einen Temperaturbereich von –30°C bis 120°C dauerhaft und bis 180°C kurzzeitig beständig. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt 0,7 W/mK und der thermische Längenausdehnungskoeffizient ist 110·10^–6 K^–1. Dieser Ver guss ist mit ShoreA = 70 im Vergleich zu manchen anderen Vergussmassen (Elastosil RT 745) relativ hart.
Im Folgenden wird hier als Vergussmasse eine Substanz bezeichnet, die im Verarbeitungszustand flüssig oder zähflüssig ist. Diese Substanz soll innerhalb einer gewissen Zeit aushärten oder gelieren und dabei in einen festen oder gummiartigen Zustand übergehen. Bei einer festen Substanz sollen die Oberflächen der zu kühlenden Bauelemente und der wärmeabführenden Flächen aufgrund der Formstabilität berührt werden. Bei einer gummiartigen Substanz soll die Substanz an die Oberflächen der zu kühlenden Bauelemente und der wärmeabführenden Flächen kleben bleiben, womit ein guter Wärmeübergang gewährleistet wird. Diese Substanz soll im ausgehärteten oder gelierten Zustand elektrisch isolierend sein und eine gewisse thermische Wärmeleitfähigkeit haben.
An der Lampe mit Elektronik entstehen insbesondere an aktiven elektronischen Bauteilen bei ungünstigen Betriebsbedingungen, in engen Leuchten, beim Betrieb mit dem Lampensockel nach oben und bei erhöhten Außentemperaturen, Temperaturen bis 125°C. In der Außenbeleuchtung kann die Elektronik im Winter im ausgeschalteten Zustand auf bis zu –30°C abkühlen. Der in der Lampe mit Elektronik einzusetzende Verguss sollte vorzugsweise über den Temperaturbereich von –30°C bis 125°C einsetzbar sein. Diese Bedingungen werden relativ gut durch die Polyurethanvergussmasse, z. B. ISO-PUR K 760, MV 6/1, ISO-Elektra erfüllt.
Vergussmassen haben einen deutlich größeren thermischen Längenausdehnungskoeffizienten als Kunststoffe oder Me talle (Kupfer, 16,5·10^–6 K^–1). Bei ungeeigneter Ausführung können diese unterschiedlichen Längenausdehnungen bei Temperaturwechseln z. B. von –30°C bis 125°C zu großen mechanischen Spannungen in den Zuleitungen der Bauelemente und der Lötstellen und zum Bruch dieser führen. Diese Eigenschaften müssen bei der Lampe mit Elektronik, die eine Wärmeabfuhr basierend auf einem Verguss verwendet, geeignet berücksichtigt werden.
Die Funktion der Anordnung zur Wärmeabfuhr basierend auf einem partiellen Verguss soll anhand der 6 erläutert werden:
Das Gehäuse der Lampe mit Elektronik besteht aus zwei Teilen. Am Gehäuseoberteil 20 ist die Lampe 21 mit dem Entladungsgefäß befestigt. Am Gehäuseunterteil 22 ist der Schraubsockel 23 befestigt. Im Gehäuseunterteil befindet sich die Elektronik, die hier beispielhaft bestehen soll aus der Platine 24, auf der ein SMD-Widerstand 25 aufgelötet ist, einem Kondensator 26 und einem Transistor 27. Gehäuseoberteil und Gehäuseunterteil sind zusammengefügt und werden z. B. durch Schnappverbindungen zusammengehalten. Der elektrische Kontakt von der Lampe zur Elektronik wird durch die Leitung 28 und die Kontaktfeder 29 hergestellt, wobei nur eine von mehreren gezeigt ist.
Vor dem Zusammenbau von Gehäuseoberteil und Gehäuseunterteil wird in das Gehäuseunterteil mit dem Schraubsockel und der Elektronik, wo der Schraubsockel der Erde zugewandt ist, der flüssige bzw. zähflüssige Verguss eingefüllt, beispielsweise durch eine Bohrung 30 in der Platine. Die Menge des Vergusses wird so eingestellt, dass nach dem Aushärten oder Gelieren des Vergusses noch ein Luftraum zwischen der Platine und dem Verguss verbleibt. Hierbei könnte der Abstand zwischen dem Verguss und dem höchsten auf der Platine gelöteten elektronischen Bauteil (SMD) 1 mm betragen.
Damit sind die bedrahteten und zu kühlenden Bauelemente, wie der Transistor 27, in der Vergussmasse 40 eingebettet. Die durch die eingebetteten Bauteile erzeugte Wärme kann über den Verguss an das Gehäuse und an den Sockel geleitet werden. Bei Temperaturänderungen kann sich der Verguss in den vorhandenen Luftraum ausdehnen. Damit werden auf die Leitungen und Lötstellen der eingebetteten Bauteile keine besonderen mechanischen Spannungen ausgeübt, womit der Bruch der Leitungen und Lötstellen vermieden wird. Bei Temperaturänderungen wird sich mit dem Verguss auch die Platine im Gehäuse bewegen. Die federnden Kontakte 29 sorgen trotz dieser Bewegung für einen zuverlässigen elektrischen Kontakt zur Lampe.
Dieser partielle Verguss der Elektronik hat den Nachteil, dass die auf der Platine aufgelöteten Bauelemente (SMD) nicht gekühlt werden. Zudem werden weitere positive Eigenschaften des Vergusses, wie die elektrische Isolation, nicht genutzt. Daher wird vorgeschlagen, die Elektronik der Lampe vollständig zu vergießen.
Die Funktion der Anordnung zur Wärmeabfuhr basierend auf einem vollständigen Verguss der Elektronik soll anhand weiterer Eigenschaften einer Vergussmasse und an den hieraus resultierenden technischen Lösungen in 7 erläutert werden:
Durch die unterschiedlichen thermischen Längenausdehnungen zwischen dem Verguss und den Bauelementen werden bei Temperaturwechseln mechanische Spannungen auf SMD-Bauelemente ausgeübt, die zum Bruch der Lötstellen führen können. Wegen der kleinen Bauhöhen von etwa 1 mm sind die absoluten Wegunterschiede bei den thermischen Ausdehnungen recht klein (ca. 10 μm). Diese kleinen Wegänderungen können durch eine Formänderung bei ausreichend weichen Vergussmassen kompensiert werden. Geeignet hierfür ist beispielsweise der Polyurethanverguss ISO-Pur K 760 mit 12 Anteilen Harz und einem Anteil Härter (MV 1/12, ISO-Elektra). Silikonverguss wie Elastosil RT 745 ist ebenso geeignet, wobei anzumerken ist, dass es aufgrund der dreimal so großen Längenausdehnung auch entsprechend größere Verformungen erfordert.
Zur Kompensation der unterschiedlichen thermischen Längenausdehnungen werden die Leitungen der Bauelemente in Schlaufenform 31 (7) oder auch Sickenform ausgebildet. Diese können je nach den jeweiligen Raumverhältnissen in Richtung parallel zum Draht oder senkrecht hierzu ausgebildet sein. Ein möglicher Abstand des Endes der Schlaufe zum Draht könnte 2 mm sein.
Der für den Verguss von Platinen mit SMD Bauteilen geeignete Verguss wird in die Elektronik eingefüllt und zwar so, dass möglichst kein Luftraum in der Elektronik verbleibt. Es ist sogar möglich, den Verguss auf die Oberfläche der Platine zu bringen (32 in 7), wobei allerdings die Kontaktstellen (33 in 7) für die Kontaktfedern durch geeignete Maßnahmen nicht vergossen werden sollten.
Nach dem Gelieren oder Aushärten füllt der Verguss den Hohlraum in der Elektronik weitgehend aus. Bei Tempera turänderungen werden die kleinen Wegunterschiede, die sich bei den dünnen SMD Bauelementen ergeben, durch die Stauchung des Vergusses kompensiert. Bei den bedrahteten Bauelementen werden die etwas größeren Wegunterschiede durch die Ausdehnung in den Schlaufen der Zuleitungen ausgeglichen, womit größere mechanische Spannungen auf den Leitungen vermieden werden.
Die Funktion der Anordnung zur Wärmeabfuhr basierend auf einer Kombination aus einem Wärmeleiter und einem Verguss soll anhand von 8 erläutert werden:
Die Wärmeleitung der Vergussmasse ist mit etwa 0,7 W/mK im Vergleich zu Kupfer mit 400 W/mK sehr klein. Es ist möglich, durch einen Wärmeleiter viel Wärme über vergleichsweise große Strecken zu übertragen, während durch einen Verguss die relativ einfache Kontaktierung dieses Wärmeleiters zu den Bauelementen, dem Gehäuse und dem Sockel erfolgen kann.
Zu diesem Zweck wird in die Elektronik ein thermisch gut leitfähiges Material, z. B. in Form eines Bleches aus Kupfer eingeführt (34 in 8). Dieses sollte möglichst nahe an den zu kühlenden Bauteilen liegen, muss jedoch nicht unbedingt einen Kontakt zu diesen haben. Ebenso sollte es möglichst nahe an den Sockel der Lampe gehen, muss aber auch hier nicht notwendigerweise im direkten mechanischen Kontakt zum Sockel stehen. Die Elektronik wird vergossen. Die Zwischenräume zwischen dem Wärmeleiter, den Bauelementen und dem Sockel werden durch den Verguss ausgefüllt. Damit wird ebenfalls die Wärme von den Bauelementen über den Verguss, den Wärmeleiter und den Verguss an den Sockel übertragen, womit die gewünsch te Kühlwirkung erzielt wird. Bei einem Vollverguss der Elektronik muss wiederum, sofern SMD Bauelemente verwendet werden, ein geeigneter Verguss gewählt werden. Ebenso sollen die Leitungen der Bauelemente Schlaufen für die Ausdehnung aufweisen.

Claims

Elektrische Lampe mit integrierter Elektronik, wobei die Lampe einen Kolben und darin ein Leuchtmittel aufweist, wobei der Kolben an einem Ende mit einem Sockel versehen ist, wobei im Sockel eine elektronische Schaltung mit mindestens einer Platine und eine Kühlvorrichtung untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung zumindest ein Kupfermetall-Blech und ein Kupfermetall-Gewebeband umfasst, und dass die elektronische Schaltung mindestens eine Platine aufweist, die mit dem Kupfermetall-Blech in thermischer Verbindung steht, wobei das Kupfermetall-Blech mit dem Kupfermetall-Gewebeband in thermischem Kontakt steht, das seinerseits mit dem Sockel in thermischem Kontakt steht, so dass die Abwärme der Platine vom Kupfermetall-Blech weiter über das Kupfermetall-Gewebeband an den Sockel geleitet wird.
Elektrische Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupfermetall-Blech mit der Platine mechanisch verbunden ist, insbesondere über eine Lötverbindung oder durch Kontaktstifte.
Elektrische Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebeband mit dem Sockel rein mechanisch, insbesondere durch Einquetschen zwischen Sockelhülse und Gehäuse der Elektronik, verbunden ist.
Elektrische Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine mit einer Kupfermetall- Schicht zumindest teilweise bedeckt ist, die mit dem Kupfermetall-Blech thermisch verbunden ist.
Elektrische Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupfermetall-Blech Halteklammern aufweist.
Elektrische Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Kühlvorrichtung schwarz lackiert ist.
Elektrische Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupfermetall-Blech mit dem Sockel über eine Steckverbindung in Kontakt steht.
Elektrische Lampe mit integrierter Elektronik, wobei die Lampe ein Entladungsgefäß oder eine Glühwendel aufweist, das an einem Ende mit einem Sockel, der ein Gehäuse umfasst, versehen ist, wobei im Gehäuse eine elektronische Schaltung mit mindestens einer Platine untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung zur Abfuhr der Wärme integriert ist, die die Wärme von den elektronischen Bauelementen und der Platine zum Sockel und/oder zum Gehäuse leitet.
Elektrische Lampe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Kühlung aus einem wärmeleitenden Material, z. B. aus Kupfer oder Aluminium besteht, das eine gute thermische Verbindung zwischen den einzelnen Bauteilen und der Platine und dem Sockel der Lampe herstellt.
Elektrische Lampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Material ein festes Material, insbesondere ein Blech und ein flexibles Material, insbesondere ein Gewebeband ist, die thermisch miteinander verbunden sind, insbesondere durch eine Lötverbindung, wobei das feste Material bevorzugt mit der Platine und den elektrischen Bauelementen thermisch verbunden ist und das flexible Material seinerseits mit dem Sockel in thermischem Kontakt steht, so dass die Abwärme der Platine und der verbundenen elektrischen Bauelemente vom festen Material weiter über das flexible Material an den Sockel geleitet wird.
Elektrische Lampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das feste Material, insbesondere das Kupferblech mit der Platine mechanisch verbunden ist, insbesondere über eine Lötverbindung oder durch Kontaktstifte.
Elektrische Lampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Material, insbesondere das Kupfergewebeband, mit dem Sockel rein mechanisch, insbesondere durch Einquetschen zwischen Sockelhülse und Gehäuse der Elektronik, verbunden ist.
Elektrische Lampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine mit einer Kupfermetall-Schicht zumindest teilweise bedeckt ist, die mit dem festen wärmeleitenden Material thermisch verbunden ist.
Elektrische Lampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das feste wärmeleitende Material Halteklammern aufweist.
Elektrische Lampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Anordnung schwarz lackiert ist.
Elektrische Lampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das feste, wärmeleitende Material mit dem Sockel über eine Steckverbindung in Kontakt steht.
Elektrische Lampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Kühlung eine Masse ist, die im flüssigen oder zähflüssigen Zu stand in das Gehäuse hineinläuft, die Hohlräume ausfüllt, die Bauelemente und die Platine benetzt und die Masse aushärtet, wobei die Masse vorzugsweise elastisch bleibt und einen thermischen Kontakt zwischen der Platine und den Bauelementen mit dem Sockel und dem Gehäuse der Lampe herstellt.
Elektrische Lampe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse eine Polyurethan-Vergussmasse, insbesondere ein mineralisch gefülltes, kalthärtendes, Zwei-Komponenten-Polyurethangießharz ist.
Elektrische Lampe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse ein Material ist, das auf Asphalt basiert.
Elektrische Lampe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse ein Material ist, das auf Silikonkautschuk basiert.
Elektrische Lampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall-Blech aus thermisch gut leitfähigem Material, insbesondere Aluminium, besteht.
Elektrische Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebeband aus einem thermisch gut leitfähigen Material, insbesondere Aluminium, besteht.
Elektrische Lampe mit integrierter Elektronik, wobei die Lampe einen Kolben und darin ein Leuchtmittel aufweist, wobei der Kolben an einem Ende mit einem Sockel versehen ist, wobei im Sockel eine elektronische Schaltung mit mindestens einer Platine und eine Kühlvorrichtung untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung zumindest ein Metall-Blech umfasst, und dass die elektronische Schaltung mindestens eine Platine aufweist, die mit dem Metall-Blech in thermischer Verbindung steht, wobei das Metall-Blech eine flache Seite aufweist und zwei flügelartige Klemmschienen, die so gestaltet sind, dass elektronische Komponenten darin eingeklemmt sind.
Elektrische Lampe nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Metall-Blech heraus ein gedachter Ring aus einzelnen Federteilen gebogen ist, der als Klemmvorrichtung zur Halterung des Me tallblechs innen im Sockel dient, wobei der Sockel insbesondere ein Schraubsockel ist.