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Die
Erfindung betrifft eine Leuchtdiodenanordnung, die insbesondere
zu Beleuchtungszwecken dienen kann.
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Für
die Beleuchtung von Räumen sowie auch zur Beleuchtung von
Außenbereichen dienen zunehmend Leuchtdioden, von denen
meistens mehrere zu einem Modul oder einer Leuchtdiodenanordnung
zusammengefasst sind.
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Eine
solche Leuchtdiodenanordnung ist beispielsweise der
DE 10 2006 048 230 A1 zu
entnehmen. Danach umfasst die Leuchtdiodenanordnung eine Tragplatte,
die mit einem Kühlkörper in Flächenanlage
steht, um Verlustwärme abzuleiten. Zur Abdeckung der Leuchtdiode
und der Tragplatte dient eine transparente Haube, deren Rand mut
dem Kühlkörper verbunden ist. Die Haube weist
einen zu der Leuchtdiode hin gerichteten Vorsprung auf, der eine Ausnehmung
aufweist, in die die Leuchtdiode ragt.
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Sind
auf einem Leuchtdiodenmodul viele Leuchtdioden angeordnet, um einen
hohen Lichtstrom zu erzeugen, wird es bevorzugt, die Leuchtdioden
in Reihe zu schalten. Die Leuchtdiodenreihenschaltung wird über
eine entsprechende elektronische Versorgungsschaltung aus einer
geeigneten Quelle wie beispielsweise dem öffentlichen Energieversorgungsnetz
mit Leistung versorgt.
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Werden
die Leuchtdioden mit einer Spannung kleiner als 50 V versorgt, stellt
die elektrische Sicherheit an den Leuchtdioden kein wesentliches Problem
dar. Allerdings wird angestrebt, höhere Leuchtdioden-Versorgungsspannungen
zu wählen, um die Umsetzungsverluste in der Stromversorgungsschaltung
gering zu halten. Es können dabei über den miteinander
in Reihe geschalteten Leuchtdioden Spannungen von beispielsweise
etwa 400 V abfallen, die eine zuverlässige elektrische
Isolation des Leuchtdiodenmoduls erfordern. Die elektrische Sicherheit
soll bei erhöhten Sicherheitsanforderungen auch im Brandfalle
gewährleistet sein.
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Davon
ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Leuchtdiodenanordnung
anzugeben, die auch bei hohen Sicherheitsanforderungen zu Beleuchtungszwecken
eingesetzt werden kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Bei
der Leuchtdiodenanordnung, die zu Beleuchtungszwecken vorgesehen
ist, ist ein Basisträger vorgesehen, auf dem mindestens
ein Licht abgebendes Halbleiterelement sowie Leiterzüge
zur Stromversorgung des Halbleiterelements angeordnet sind, die
mit Anschlüssen des Halbleiterelements verbunden sind,
wobei außerdem über dem Basisträger mindestens
ein Lichtauslasselement vorgesehen ist, das das Halbleiterelement
abdeckt, wobei unter dem Lichtauslasselement und dabei über
den Anschlüssen ein Abdeckelement mit hohem Feuerwiderstand
angeordnet ist, um die Anschlüsse abzudecken und eine elektrische
Isolierung derselben zu erbringen.
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Die
Leiterzüge liegen vorzugsweise an der Vorderseite des elektrisch
isolierenden oder mit einer Isolations schicht versehenen Basisträgers,
an dem auch das Halbleiterelement angeordnet ist. Die Anzahl der
Halbleiterelemente ist dabei zweckentsprechend festgelegt. Im Einzelfall
mag ein einzelnes Halbleiterelement genügen. In der Regel
trägt der Basisträger jedoch eine ganze Gruppe
von Halbleiterelementen, die elektrisch vorzugsweise in Reihe geschaltet
sind. Die Halbleiterelemente sind zur Stromversorgung mit den spannungsführenden
Leiterzügen verbunden.
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Zur
Lichtausleitung kann über dem Basisträger optional
mindestens ein Lichtauslasselement, beispielsweise in Form einer
transparenten Abdeckplatte, angeordnet sein. Im bevorzugten Ausführungsfalle
ist über jedem Halbleiterelement einzeln ein Lichtauslasselement,
beispielsweise in Gestalt einer Linse, vorzugsweise aus Kunststoff,
angeordnet. Die Linse ist an dem Halbleiterelement oder im Basisträger
befestigt. Die Linse kann eine lichtbrechende massive Linse, eine
Zonenlinse oder eine beugungsoptische Linse sein.
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Die
an dem Rand des Halbleiterelements angeordneten Verbindungsstellen,
bei denen die Anschlüsse des Halbleiterelements elektrisch
mit den Leiterzügen verbunden sind, sind beispielsweise Schweißstellen
oder Lötstellen. Die Verbindungsstellen haben eine Dicke,
die größer ist als die Dicke der Leiterzüge.
Die Verbindungsstellen sind vorzugsweise mit einem feuerfesten Abdeckelement
abgedeckt, das fest mit der Leuchtdiodenanordnung verbunden ist.
Unabhängig von der Dicke einer ansonsten auf der die Halbleiterelemente
tragenden oberen Seite angeordneten Vergussschicht stellt das feuerfeste Abdeckelement
den Berührungsschutz der Leuchtdiodenanordnung auch dann
noch sicher, wenn diese beispielsweise durch Feuereinwirkung teilweise
zerstört ist und beispielsweise die Kunststofflinsen bereits
abgeschmolzen sind. Außerdem kann das Abdeckelement im
Falle eines elektrischen Kurzschlusses, Durchschlags oder eines
Produk tionsfehlers, der einen Lichtbogen zwischen den Anschlüssen
des Halbleiterelements verursachen könnte, die Entzündung
der Plastiklinsen über dem Halbleiterelement verhindern.
Das feuerfeste Abdeckelement kann ein flaches plattenförmiges
oder streifenförmiges Keramikelement sein, das an mindestens
einer Seite des Halbleiterelements entlang führt. Bevorzugterweise ist
das Abdeckelement als flacher Rahmen ausgebildet, dessen mittlerer
Ausschnitt geringfügig größer ist als
das Halbleiterelement. Der Keramikrahmen kann somit um das Halbleiterelement
herum angeordnet werden.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei dem Keramikelement um eine elektrisch isolierende
Keramik, insbesondere aber eine Oxydkeramik. Vorzugsweise ist sie
mittels einer Kunststoffmasse über den Verbindungsstellen
gehalten, wobei sich die Kunststoffmasse zwischen die Anschlüsse
des Halbleiterelements erstreckt und die Verbindung zwischen dem
Abdeckelement und dem Basisträger herstellt. Als Kunststoffmasse
kommt insbesondere eine dauerelastische Kunststoffmasse in Frage.
Bevorzugt wird ein Silikonkunststoff.
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Das
Halbleiterelement kann zur Lichterzeugung einen oder mehrere pn-Übergänge
aufweisen, die jeweils für sich als Leuchtdioden angesehen
werden können. Außerdem kann das Halbleiterelement in
einem Gehäuse mehrere Licht erzeugende Chips enthalten.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Leuchtdiodenanordnung
mehrere untereinander gleich ausgebildete Halbleiterelemente, die
jeweils im Wesentlichen Licht im gleichen Spektralbereich erzeugen.
Es kann sich um sichtbares Licht, beispielsweise weißes
Licht, handeln. Es ist auch möglich, kurzwelliges zum Beispiel
blaues Licht zu erzeugen, das durch ein an dem Halbleiterelement oder
darüber angebrachten Konversionselement zumindest teilweise
in Licht einer längeren Wellenlänge umgesetzt
wird, um ein Mischlicht zu erzeugen, das einen gewünschten,
z. B. weißen Lichteindruck hervorruft. Die Halbleiterelemente
können auch UV-Licht erzeugen, das von dem Konversionselement,
d. h. entsprechendem Leuchtstoff, in sichtbares Licht umgewandelt
wird. Weiter ist es möglich, die Leuchtdiodenanordnung
mit mehreren Halbleiterelementen zu versehen, die in einem Gehäuse
mehrere verschiedenfarbige Lichtquellen vereinigen, die zusammen einen
weißen Lichteindruck hervorrufen. Es ist darüber
hinaus möglich, mehrere Halbleiterelemente auf einem gemeinsamen
Basisträger vorzusehen, wobei die Halbleiterelemente Licht
unterschiedlicher Farbe erzeugen, das sich zusammen zu weißem
Licht mischt.
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Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung
sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder von Unteransprüchen.
Die Zeichnung beschränkt sich auf wesentliche Aspekte der
Erfindung und sonstiger Gegebenheiten. Die Zeichnung ist ergänzend
heranzuziehen.
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Es
zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Leuchtdiodenanordnung, in ausschnittsweiser
Schnittdarstellung,
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2 die
Leuchtdiodenanordnung nach 1 ohne Leuchtdiodenabdeckung,
in ausschnittsweiser Draufsicht,
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3 die
Leuchtdiodenanordnung nach 2 ohne Abdeckelement,
in einer anderen Größe,
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4 eine
abgewandelte Ausführungsform einer Leuchtdiodenanordnung,
in Draufsicht mit länglichen Abdeckelement, in ausschnittsweiser
Darstellung, und
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5 eine
Leuchtdiodenanordnung ähnlich 1 mit dickerem
Verguss, in ausschnittsweiser Schnittdarstellung.
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In 1 ist
eine Leuchtdiodenanordnung 1 veranschaulicht, die zu Beleuchtungszwecken
dienen kann. Die Leuchtdiodenanordnung 1 umfasst einen
vorzugsweise plattenförmigen Basisträger 2,
der beispielsweise durch eine Leiterplatte gebildet sein kann. Die
Leiterplatte kann durch einen elektrisch isolierenden Kunststoffkörper
gebildet sein, der an seiner in 1 oberen
Vorderseite Leiterzüge 3, 4, 5 zur
Stromversorgung eines Halbleiterelements 6 trägt.
Der Basisträger 2 kann alternativ durch eine Metallplatte,
beispielsweise einer Aluminiumplatte gebildet sein, die an ihrer
Oberseite mit einer elektrisch isolierenden Schicht beispielsweise
einer Aluminiumoxidschicht versehen ist, die ihrerseits die Leiterzüge 3, 4, 5 trägt.
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Das
Halbleiterelement 6 enthält wenigstens einen Halbleiter
mit einer Licht emittierenden Stelle, beispielsweise eine Leuchtdiode.
Das Halbleiterelement 6 kann durch einen Nackt-Chip gebildet
sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst es jedoch ein
kleines Kunststoffgehäuse 7, das an mindestens einer
oder wie dargestellt, zwei verschiedenen Seiten Anschlüsse 8, 9, 10, 11, 12, 13 aufweist.
Die Anzahl der Anschlüsse 8 bis 13 richtet
sich dabei nach elektrischen Erfordernissen und kann bei verschiedenen Ausführungsformen
zweckentsprechend variieren. Die Anschlüsse 6 bis 13 können
an einer Seite des Gehäuses 7 oder auch an verschiedenen,
beispielsweise einander gegenüber liegenden Seiten angeordnet
sein. Vorzugsweise sind sie im Wesentlichen gleich lang, so dass
sich jeweils in einer Reihe liegende Verbindungsstellen 14, 15, 16 zu
den Leiterzügen 3, 4, 5, ergeben.
Entsprechende Verbindungsstellen 17, 18, 19 ergeben
sich an den Anschlüssen 11, 12, 13.
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Die
Verbindungsstellen 14 bis 19 können Lötstellen
sein, an denen die Anschlüsse 8 bis 13 mit den
Leiterzügen 3, 4, 5 (3a, 4a, 5a)
verbunden sind. Wie 1 erkennen lässt, stellen
die Verbindungsstellen 14 bis 19 Erhebungen oberhalb
der Leiterzüge 3, 4, 5 dar.
Dies ist in 1 am Beispiel der Verbindungsstellen 16 und 19 veranschaulicht.
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Das
Halbleiterelement 6 weist an seiner von dem Basisträger 2 weg
weisenden Vorderseite ein Lichtaustrittsfenster 20 auf,
das eben oder wie dargestellt gewölbt ausgebildet sein
kann. Über dem Lichtaustrittsfenster 20 kann optional
ein Lichtauslasselement 21 angeordnet sein, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel
durch eine Linse 22 gebildet ist. Mit der Linse 22 kann
eine gewünschte vorgegebene Lichtverteilung erreicht werden.
Die Linse 22 oder ein sonstiges Lichtauslasselement 21 ist
an dem Basisträger 2 ortsfest gehalten. Dazu dient
beispielsweise ein Sockel 23. Dieser übergreift
das Halbleiterelement 6 und die zugehörigen Verbindungsstellen 14 bis 19.
Sein Rand 24 kann stirnseitig mit dem Basisträger 2 verklebt
sein. Der Sockel 23 kann aus einem Kunststoff ausgebildet
sein. Er kann aus undurchsichtigem Material ausgebildet und mit
der Linse 22 fest verbunden sein. Alternativ kann er aus
dem gleichen Material wie die Linse 22 bestehen und an
die Linse 22 einstückig angeformt sein.
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Der
Basisträger 2 ist an seiner Vorderseite mit einer
Schicht 25 bestehend aus einer Vergussmasse versehen. Es
handelt sich dabei beispielsweise um ein Epoxydharz, das eine feste
Verbindung mit dem Basisträger 2 und dem Rand 24 eingeht.
Damit schließt die Schicht 25 den Rand des Sockels 23 hermetisch
dicht ab, so dass der umschlossene Innenraum 26 keinen
externen Korrosionseinflüssen unterliegt. Außerdem
stellt der Sockel 23 im Normalfall einen Berührungsschutz
sicher, so dass eine Berührung der in Betrieb befindlichen
Leuchtdiodenanordnung gefahrlos möglich ist.
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Zur
Erhöhung der Sicherheit sind die Verbindungsstel len 14 bis 19 mit
einem feuerfesten vorzugsweise aus einem Keramikmaterial bestehenden elektrisch
auch in erwärmten Zustand nicht leitfähigen, Abdeckelement 26 versehen.
Beispielsweise wird dies wie in 2 dargestellt,
durch eine flache mit einer zentralen Öffnung versehene
und somit als Rahmen ausgebildete Platte gebildet. Die zentrale Öffnung
des Abdeckelements 26 ist an dem Umriss des Gehäuses 7 des
Halbleiterelementes 6 angepasst. Damit deckt der von dem
Abdeckelement 26 gebildete Rahmen insbesondere die Bereiche
oberhalb der Verbindungsstellen 14 bis 19 ab.
Der Rahmen kann wie in 2 veranschaulicht umlaufend einteilig
ausgebildet sein. Er kann auch an den Ecken oder den Kanten ein
oder mehrere Unterbrechungsstellen aufweisen und somit durch zwei
oder mehrere Elemente gebildet sein.
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Das
Abdeckelement 26 ist vorzugsweise auf die Verbindungsstellen 14 bis 19,
sowie dem Basisträger 2 aufgeklebt. Dazu dienen
Anhäufungen 27, 28 von Kunststoffmasse,
die aus 3 ersichtlich sind. 3 stellt
einen Zwischenschritt der Herstellung dar, bei der die Verbindungsstellen 14 bis 19 jeweils
mit Raupen aus der Kunststoffmasse bedeckt sind. Die von den Raupen
gebildeten Materialanhäufungen 27 erstrecken sich
entlang der Flanken des Gehäuses 7 und bestehen
beispielsweise aus einem zunächst noch nicht ausgehärteten
Kunststoff. Auf diesen wird das rahmenförmige Abdeckelement 26 aufgesetzt,
so dass es vom Kunststoff benetzt und nach aushärten desselben
von dem Kunststoff festgehalten wird. Vorzugsweise ist der Kunststoff
ein vernetzter Silikon-Gummi, der keine thermosplastischen Eigenschaften
aufweist und somit auch bei Hitzeeinwirkung seine Haltefunktion
weiter erfüllt.
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Die
insoweit beschriebene Ausführungsform der Leuchtdiodenanordnung 1 weist
eine erhöhte elektrische Sicherheit auf. Die außerhalb
der Sockel 23 verlaufenden Leiterzüge 3, 4, 5 (3a, 4a, 5a)
sind durch eine ausreichend dicke Schicht 25 elektrisch isolierender
Vergussmasse vor Berührung geschützt. Im Brandfalle
kann es geschehen, dass die Linsen 22 und gegebenenfalls
auch die Sockel 23 schmelzen und womöglich (bei
hängender Leuchtmontage) nach unten abtropfen. Selbst wenn
dies geschieht, ist die elektrische Sicherheit noch immer gewährleistet. Das
Keramik-Abdeckelement 26 deckt, die möglicherweise
noch unter höherer Spannung von beispielsweise bis zu 400
V stehenden Verbindungsstellen 14 bis 19 sicher
ab.
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4 veranschaulicht
eine leicht abgewandelte Ausführungsform der Leuchtdiodenanordnung 1.
Die Halbleiterelemente 6a, 6b weisen wiederum Anschlüsse 8a bis 13a sowie 8b bis 13b auf,
die durch Abdeckelemente 26 abgedeckt sind. In 4 oben
sind Kunststoffanhäufungen 27a, 27b veranschaulicht,
die auf die Anschlüsse 8ba bis 10a sowie 8b bis 10b aufgebracht
sind. In 4 unten sind gestrichelt die
Kunststoffanhäufungen 28a, 28b veranschaulicht,
auf denen bereits das hier streifenförmig ausgebildete
Abdeckelement 6 liegt. Ein eben solches streifenförmiges
Abdeckelement wird auch auf die Kunststoffanordnung 27a, 27b aufgebracht.
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Wird
dann auf den Basisträger 2 die zuvor schon beschriebene
Schicht 25 aufgebracht, kann diese relativ dünn
gehalten werden. Die elektrische Isolierung und feuersichere Abdeckung
der spannungsführenden Anschlüsse 8a bis 13b obliegt
nicht der für diese Zwecke eventuell nicht ausreichend
dicken Schicht 25, sondern den Abdeckelementen. Die Leuchtdiodenanordnung
nach 4 kann, wie zuvor beschrieben, mit einzelnen Linsen
oder auch mit einer Abdeckplatte versehen werden, beispielsweise aus
Kunststoff die den Basisträger 2 im Wesentlichen ganz überdeckt.
Wird dieser durch Hitzeeinwirkung, mechanische Einwirkung oder sonstige
zerstörerische Einflüsse entfernt bleibt die Be rührungssicherheit
der Leuchtdiodenanordnung 1 dennoch erhalten.
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5 veranschaulicht
eine weitere Ausführungsform der Leuchtdiodenanordnung 1,
für die die Beschreibung der Leuchtdiodenanordnung 1 nach 1 entsprechend
gilt. Im Unterschied zu der vorigen Beschreibung ist jedoch die
Schicht 25 etwas dicker ausgebildet. Außerdem
kann der Rand 24, wie dargestellt, mindestens eine, vorzugsweise
mehrere, Aussparungen aufweisen, so dass die Vergussmasse der Schicht 25 in
den Innenraum 26 eindringen kann. Wiederum führt
jedoch das Abdeckelement 27 zur Sicherstellung der elektrischen
Isolation auch im Falle einer Zerstörung der Linse 22 und/oder
des Sockels 23. Abweichend von der vorstehenden Beschreibung
kann der Sockel 23 auch aus einem feuerfesten keramischen
Material ausgebildet sein, wobei er dann die Funktion des Abdeckelements 27 übernimmt.
In diesem Fall stellt der Sockel 23 das Abdeckelement dar.
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Die
Leuchtdiodenanordnungen 1 aller vorgenannten Ausführungsformen
können, wie in 1 und 5 jeweils
gestrichelt angedeutet ist, bedarfsweise mit einem Kühlkörper 30 versehen
sein, der in Flächenanlage mit der Rückseite des
Basisträger 2 steht und der Wärmeabfuhr
dient.
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Eine
erfindungsgemäße Leuchtdiodenanordnung weist einen
Basisträger 2 mit darauf angeordneten Licht erzeugenden
Halbleiterelementen 6 auf, beispielsweise in Form von Leuchtdioden.
Die Anschlüsse der Halbleiterelemente 6 sind mit
Leiterbahnen 3, 4, 5 zur elektrischen
Kontaktierung verlötet. Die entsprechende Leiterbahnen
und Halbleiterelemente tragende Vorderseite des Basisträgers 2 ist zur
elektrischen Isolierung mit einer Isolierschicht 25 versehen.
Diese kann relativ dünn sein, so dass sie die Anschlüsse
der Halbleiterelemente 6 nicht oder nicht ausrei chend abdeckt.
Die Anschlüsse der Halbleiterelemente 6 sind jedoch
durch ein oder mehrere, vorzugsweise aus Keramik bestehende, Abdeckelemente
zum Benutzer hin abgedeckt. Ein solches Abdeckelement 27 ist
an den Anschlüssen den Halbleiterelements 6 und
dem darunter liegenden Basisträger 2 durch einen
geeigneten vorzugsweise nicht thermoplastischen Kunststoff gehalten.
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Mit
diesem Konzept kann trotz geringer Dicke der Schicht 25 eine
sehr hohe elektrische Sicherheit erreicht werden. Die Schichtdicke
der Schicht 25 kann geringer als 3 mm sein. Mit diesem
Konzept können auch weitere optische Elemente wie Linsen 22 sehr
dicht an die Halbleiterelemente 6 herangebracht werden,
was insgesamt die Gestaltung lichtstarker Leuchtdiodenanordnungen
mit sehr kleinen mechanischen Abmessungen ermöglicht.
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- 1
- Leuchtdiodenanordnung
- 2
- Basisträger
- 3,
4, 5
- Leiterzüge
- 6
- Halbleiterelement
- 7
- Gehäuse
- 8–13
- Anschlüsse
- 14–19
- Verbindungsstellen
- 20
- Lichtaustrittsfenster
- 21
- Lichtauslasselement
- 22
- Linse
- 23
- Sockel
- 24
- Rand
- 25
- Schicht
- 26
- Innenraum
- 27
- Abdeckelement
- 28,
29
- Kunststoffmasse
- 30
- Kühlkörper
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006048230
A1 [0003]