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Die
Erfindung betrifft ein Modul für
Leuchtanwendungen, insbesondere ein LED-Treibermodul, speziell für Videoprojektoren,
und eine Projektionsvorrichtung, insbesondere einen Videoprojektor,
mit mindestens einem solchen Modul.
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LED-Treiber
zur Anwendung bei einer Videoprojektion sind heutzutage typischerweise
so ausgelegt, dass sie Ströme
von 30 A innerhalb von 1 μs aus-
und einschalten können.
Dafür sind
Schaltungstopologien erforderlich, bei denen Leistungstransistoren
in einem Linearbetrieb betrieben werden. Dabei entstehen hohe Verlustleistungen,
wodurch eine Kühlung
der Transistoren problematisch ist.
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Beispielsweise
sind LED-Treiber bekannt, bei denen drei Leistungstransistoren der
Baureihe TO220 für
die Farbkanäle
rot, grün
und blau der Videoprojektion auf einem gemeinsamen Kühlkörper befestigt
sind. Die Transistoren werden durch eine untergelegte Standard-Isolierfolie
elektrisch vom Kühlkörper isoliert.
Bei einer typischen Verlustleistung von 20 W eines Leistungstransistors
entsteht ein Temperaturgefälle
zwischen diesem Leistungstransistor und dem Kühlkörper von ca. 60°C, entsprechend
3 K/W, da die Standard-Isolierfolie lediglich eine Wärmeleitfähigkeit
von ca. 0,5 W/(m·K)
aufweist. Aus einer maximal zulässigen
Betriebstemperatur des Leistungstransistors von 115°C folgt eine zulässige maximale
Betriebstemperatur des Kühlkörpers von
ca. 55°C.
Eine Verbesserung eines thermischen Übergangswiderstands zwischen
dem Leistungstransistor und dem Kühlkörper und damit durch die Isolierfolie
kann durch eine dafür
speziell ausgelegte Isolierfolie mit einer vergleichsweise hohen Wärmeleitfähigkeit
von ca. 2 W/(m·K)
oder durch ein größeres Transistorgehäuse erreicht
werden, da der thermische Übergangswiderstand
sowohl von der thermischen Durchtrittsfläche als auch der Wärmeleitfähigkeit der
Isolierschicht abhängt.
Auch kann eine zwangsweise Lüftung
durch einen Ventilator vorgesehen sein. Jedoch sind diese Methoden
vergleichsweise teuer und im Falle des Ventilators auch laut und
voluminös.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vergleichsweise
preiswerte Möglichkeit zur
Wärmeableitung
von Wärmequellen
eines Moduls für
Leuchtanwendungen, insbesondere eines LED-Moduls, bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des
unabhängigen
Anspruchs gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
sind insbesondere den abhängigen
Ansprüchen
entnehmbar.
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Ein
Modul für
Leuchtanwendungen weist mindestens einen Kühlkörper und mindestens eine über eine
elektrisch isolierende Isolierfolie an dem mindestens einen Kühlkörper befestigte
Wärmequelle
auf, wobei zwischen der Isolierfolie und dem Kühlkörper ein Wärmespreizungselement eingefügt ist, welches
eine höhere
Wärmeleitfähigkeit
aufweist als die Isolierfolie.
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Durch
das Wärmespreizungselement
kann bereits für
den Fall, dass das Wärmespreizungselement
nicht großflächiger ist
als die Wärmequelle, eine
verbesserte Wärmeableitung
von der Wärmequelle
zum Kühlkörper erreicht
werden, da das Wärmespreizungselement
zu einer Homogenisierung der Wärmeverteilung
an seiner Kontaktfläche
mit der Isolierschicht führt.
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Aufgrund
der verbesserten Wärmeabfuhr kann
auf eine Verwendung von Isolierfolien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit
und von Wärmequellen
mit einem vergrößerten Gehäuse zur
Aufrechterhaltung einer ausreichenden Kühlung der mindestens einen Wärmequelle
verzichtet werden. Vielmehr können preiswerte
Standardisolierfolien sowie kleine und billige Wärmequellen bzw. Bauelemente,
wie TO220-Transistoren, verwendet werden.
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Gemäß einer
Ausgestaltung kann das Wärmespreizungselement
eine untere Kontaktfläche
mit der Isolierfolie aufweisen, welche größer ist als eine obere Kontaktfläche des
Wärmespreizungselements mit
der Wärmequelle.
So kann ein Wärmeübertrag auf
die Isolierfolie und damit auch eine Wärmeabfuhr von der Wärmequelle
um ungefähr
einen Faktor gesteigert werden, welcher einem Verhältnis der
Kontaktfläche
zwischen dem Wärmespreizungselement und
der Isolierfolie zu der Kontaktfläche zwischen dem Wärmespreizungselement
und der Wärmequelle
entspricht.
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Es
ist eine weitere Ausgestaltung, dass das Wärmespreizungselement eine untere
Kontaktfläche mit
der Isolierfolie aufweist, welche mindestens 4 cm2,
insbesondere ungefähr
6 cm2 misst. Dies stellt eine ausreichende
Wärmeabfuhr
für die
meisten üblicherweise
eingesetzten Wärmequellen
unter Verwendung von nicht auf eine erhöhte Wärmeabfuhr ausgelegten Isolierfolien
und Gehäusen
bereit.
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Auch
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass das Wärmespreizungselement eine Dicke
von mindestens 0,5 mm, insbesondere ungefähr 1 mm, aufweist, um eine
effektive Wärmespreizung
bis an die seitlichen Randbereiche des Wärmespreizungselements zu gewährleisten.
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Eine
Wärmeabfuhr
kann vorteilhafterweise dadurch verstärkt werden, dass das Wärmespreizungselement
eine Wärmeleitfähigkeit
von mindestens 15 W/(m·K)
aufweist, insbesondere von mindestens 150 W/(m·K). Dazu kann das Wärmespreizungselement
aus Keramik (z. B. AlN) und/oder Metall (z. B. Aluminium, Kupfer
oder eine Legierung davon) bestehen.
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Ein
hoher geometrisch bedingter Wärmespreizungseffekt
kann vorteilhafterweise dadurch erreicht werden, dass mindestens
zwei Wärmequellen auf
einem gemeinsamen Wärmespreizungselement angeordnet
sind und also die Fläche
zwischen den mindes tens zwei Wärmequellen
durchgehend mit dem Wärmespreizungselement
belegt ist.
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Für eine einfache
Montage kann es vorteilhaft sein, wenn mindestens zwei Wärmespreizungselemente
auf einer gemeinsamen Isolierfolie angeordnet sind. Dadurch kann
ein Zuschneiden der Isolierfolie auf dem Kühlkörper vermieden werden.
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Das
Modul kann insbesondere als ein Treibermodul für eine Leuchtvorrichtung ausgestaltet sein,
wobei mindestens eine Wärmequelle
ein Treiberbaustein zum Betreiben mindestens einer Halbleiterlichtquelle,
insbesondere Leuchtdiode oder Laserdiode, ist.
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Der
mindestens eine Treiberbaustein kann bevorzugt als ein Leistungstransistor
ausgestaltet sein, insbesondere vom Typ TO220.
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Die
Aufgabe wird auch mittels einer Projektionsvorrichtung, insbesondere
eines Videoprojektors, z. B. eines Beamers, mit mindestens einem
solchen Modul gelöst.
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Die
Projektionsvorrichtung kann gemäß einer
Ausgestaltung mindestens eine Halbleiterlichtquelle, insbesondere
Leuchtdiode oder Laserdiode, aufweisen. Diese wird vorzugsweise
mittels des Treibermoduls angesteuert.
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Als
eine Leuchtdiode kann eine einzeln gehäuste und anzuschließende Leuchtdiode
verwendet werden, z. B. eine Hochleistungsleuchtdiode. Alternativ
oder zusätzlich
kann als die mindestens eine Lichtquelle mindestens ein LED-Submount
verwendet werden, welches mehrere auf einen gemeinsamen Substrat
('Submount') montierte LED-Chips
aufweist.
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In
den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
schematisch genauer beschrieben. Dabei kön nen zur besseren Übersichtlichkeit
gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen
versehen sein.
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1 zeigt
als Schnittdarstellung in Seitenansicht ein LED-Treibermodul nach
dem Stand der Technik;
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2 zeigt
als Schnittdarstellung in Seitenansicht ein erfindungsgemäßes LED-Treibermodul.
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1 zeigt
als Schnittdarstellung in Seitenansicht ein LED-Treibermodul 1 nach dem Stand
der Technik zum Betreiben von Leuchtdioden eines Videoprojektors
(o. Abb.). Das LED-Treibermodul 1 umfasst
einen metallischen Kühlkörper 2,
auf dem drei Treiberbausteine 3r, 3g, 3b in
Form von Leistungstransistoren aufgebracht sind. Jeder der Treiberbausteine 3a, 3b, 3c ist
dazu vorgesehen, einen jeweiligen Farbkanal des Videoprojektors
mit jeweils einer oder mehreren Leuchtdioden einer gleichen Farbe – z. B.
rot, grün
oder blau – anzusteuern.
Zur elektrischen Isolierung der Treiberbausteine 3r, 3g, 3b von dem
Kühlkörper 2 ist
dazwischen jeweils eine elektrisch isolierende Isolierfolie 4 eingefügt. Die
Isolierfolie 4 ist über
eine Kontaktfläche 5 mit
dem jeweiligen Treiberbaustein 3r, 3g bzw. 3b verbunden
und über
eine Kontaktfläche 6 mit
dem Kühlkörper 2.
Eine elektrische Kontaktierung der Treiberbausteine 3a, 3b, 3c kann
beispielsweise mittels Drahtbondens realisiert sein. Die elektrische
Isolierfolie 4 weist standardmäßig eine vergleichsweise geringe
Wärmeleitfähigkeit λ1 von ca.
0,5 W/(m·K)
auf, ist aber preiswert.
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Bei
einem Betrieb des LED-Treibermoduls 1 erzeugen die Treiberbausteine 3r, 3b, 3g jeweils
eine Verlustwärme,
welche durch die jeweilige Isolierfolie 4 zum Kühlkörper 2 abgeführt wird.
Ein Wirkungsgrad einer solchen Wärmeabfuhr
hängt wesentlich
auch von der Wärmeleitfähigkeit λ1 der Isolierfolie 4,
von der Größe der Kontaktfläche 5 sowie
(aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit λ1 von W/(m·K) der
Isolierfolie 4 jedoch nur in geringerem Maße) von
der Größe der Kontaktfläche 6 ab.
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Für den Fall,
dass die Treiberbausteine 3r, 3b, 3g Leistungstransistoren
der Baureihe TO220 darstellen, erzeugen diese jeweils eine typische
Verlustleistung von 20 W. Dadurch entsteht ein Temperaturgefälle zwischen
diesem Treiberbaustein 3r, 3b, 3g und
dem Kühlkörper 2 von
ca. 60°C,
entsprechend 3 K/W. Aus einer maximal zulässigen Betriebstemperatur des
Treiberbausteins 3r, 3b bzw. 3g von 115°C folgt eine
zulässige
maximale Betriebstemperatur des Kühlkörpers 2 von ca. 55°C. Eine solche Temperatur
kann in einem Videoprojektor jedoch leicht überschritten werden, was zu
einer Überhitzung
und damit zu einem Ausfall der Treiberbausteine 3r, 3b, 3g führen kann.
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Bisher
sind zur Vermeidung einer solchen Überhitzung drei Maßnahmen
bekannt. Die erste Maßnahme
sieht eine erzwungene Kühlung
des Kühlkörpers mittels
eines Ventilators vor, was jedoch den Videoprojektor erheblich vergrößert und
ein nachteiliges höheres
Betriebsgeräusch
erzeugt. Die zweite Maßnahme
beinhaltet eine Verwendung einer Isolierfolie mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit λ1 von bis
zu ca. 2 W/(m·K),
z. B. einer TIM(”Thermal
Interface Material”)-Folie,
wobei eine solche Folie jedoch erheblich teurer als eine Standardfolie
ist. Eine dritte Maßnahme
umfasst eine Verwendung von Leistungstransistoren mit einem größeren Gehäuse als
Treiberbausteine 3r, 3b, 3g, was die
Kontaktfläche 5 vergrößert; jedoch
sind solche Nichtstandard-Leistungstransistoren erheblich teurer
als z. B. die üblichen
TO220-Leistungstransistoren.
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2 zeigt
als Schnittdarstellung in Seitenansicht ein erfindungsgemäßes LED-Treibermodul 10.
Im Gegensatz zu der bekannten Ausführungsform aus 1 ist
nun zwischen der Isolierfolie 4 und dem jeweiligen Treiberbaustein 3r, 3b, 3g ein
Wärmespreizungselement 7 in
Form eines Aluminiumplättchens
von 1 mm Dicke bzw. Höhe
(entlang der z-Ausdehnung) und einer ebenen Flächenausdehnung (senkrecht zur
z-Achse) von 6 cm2 eingefügt. Die
ebene Flächenausdehnung,
im Folgenden einfach Fläche
genannt, des Wärmespreizungselements 7 ist
größer als
eine obere Kontaktfläche 8 zwischen
dem Wärmespreizungselement 7 und
dem jeweiligen Treiberbaustein 3r, 3b, 3g.
Die Isolierfolie 4 weist eine leicht größere ebene Flächenausdehnung bzw.
Fläche
auf als das Wärmespreizungselement 7, so
dass die gesamte untere Seite des Wärmespreizungselements 7 eine
untere Kontaktfläche 9 zu
der Isolierfolie 4 bilden kann. Durch die Verwendung der preiswerten
Wärmespreizungselemente 7 wird
die Wärmeabfuhr
auf eine einfache, kompakte und preiswerte Weise erheblich verstärkt, wie
im Folgenden genauer beschrieben wird.
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Bei
einem Betrieb der Treiberbausteine 3r, 3b, 3g wird
nun deren Verlustwärme
durch die obere Kontaktfläche 8 auf
das jeweilige Wärmespreizungselement 7 übertragen.
Dort wird aufgrund der sehr hohen Wärmeleitfähigkeit λ2 von Aluminium die Wärme erstens
in ihrer Verteilung vergleichmäßigt und zweitens über die
gesamte ebene Ausdehnung verteilt bzw. gespreizt. Dadurch wird die
Verlustwärme im
Wesentlichen gleichmäßig über die
gesamte untere Kontaktfläche 9 auf
die Isolierschicht 4 übertragen. Die
Wärmeabfuhr
von dem jeweiligen Treiberbaustein 3r, 3b, 3g kann
dadurch in etwa um einen Faktor erhöht werden, welcher dem Verhältnis zwischen der
unteren Kontaktfläche 9 zu
der oberen Kontaktfläche 8 entspricht.
Die Höhe
von 1 mm des Wärmespreizungselements 7 gewährleistet
die effektive Wärmespreizung
bis zu seinem seitlichen Rand.
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Mittels
dieser Maßnahme
kann beispielsweise für
den Fall einer Verwendung von kleinen und preiswerten TO220-Transistoren
der thermische Widerstand zwischen der Wärmequelle 3r, 3g, 3b und dem
Kühlkörper 2 von
ca. 3 K/W auf ca. 1 K/W verringert werden und die Wärmeabfuhr
entsprechend verstärkt
werden. Die maximal zulässige
Temperatur an dem Kühlkörper 2 kann
dann von 55°C
auf 95°C
steigen, wodurch für
die meisten Anwen dungsfälle
auf die teure Isolierfolie, die teuren großen Leistungstransistoren und
den Ventilator verzichtet werden kann.
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Selbstverständlich ist
die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel
beschränkt.
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- 1
- Treibermodul
- 2
- Kühlkörper
- 3b
- Treiberbaustein
- 3g
- Treiberbaustein
- 3r
- Treiberbaustein
- 4
- Isolierfolie
- 5
- Kontaktfläche
- 6
- Kontaktfläche
- 7
- Wärmespreizungselement
- 8
- obere
Kontaktfläche
- 9
- untere
Kontaktfläche
- 10
- Treibermodul
- d
- Dicke
- λ1
- Wärmeleitfähigkeit
- λ2
- Wärmeleitfähigkeit