-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein LED-Modul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung zur Lichtabgabe mit einem derartigen LED-Modul und zugeordneten optischen Vorrichtungen.
-
Ausgangspunkt für die vorliegende Erfindung ist die momentan gängige Verschaltung von LEDs auf ebenen Trägerplatinen zu LED-Modulen, die Bestandteile einer Anordnung zur Lichtabgabe – vorzugsweise einer im Wesentlichen homogenen Lichtabgabe – bilden. Eine Möglichkeit eine derartige im Wesentlichen homogene Lichtabgabe bei solchen Lichtabgabeanordnungen zu erzielen, besteht dabei darin, eine gleichmäßige Anordnung von im Wesentlichen gleichen LEDs auf der Trägerplatine zu wählen.
-
Allerdings besteht bei einer derartigen Anordnung oftmals das Problem eines Wärmestaus im Zentrum bzw. mittleren Bereich der Platine, was darauf zurückzuführen ist, dass jede LED bei Betrieb im Wesentlichen derselben Stromlast unterliegt und damit in etwa dieselbe thermische Last auf dem Träger und in den LEDs verursacht, allerdings im Randbereich einer Platine diese Wärme besser an die Umgebung bzw. einen mit der Platine gekoppelten Kühlkörper abgegeben werden kann. Um die Lebensdauer der LEDs zu verlängern bzw. diese dauerhaft in einem vorgeschriebenen Temperaturbereich betreiben zu können, muss deshalb die gestaute Wärme effizient abgeführt bzw. die thermische Last des Trägers reduziert werden. Insbesondere müssen etwaige Kühlungsmaßnahmen derart ausgelegt werden, dass auch in dem mittleren Bereich der Platine, der der höchsten thermischen Belastung unterliegt, keine Überhitzung der LEDs auftreten kann.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, die thermische Belastung für ein LED-Modul, bestehend aus einem Träger und sich darauf befindenden LEDs, gleichmäßiger zu verteilen, vorzugsweise zusätzlich zu verringern, und dabei trotz allem eine für einen Betrachter im Wesentlichen gleichmäßige Lichtabgabe durch das LED-Modul zu erzielen.
-
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Gegenständen gelöst. Besondere Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Gemäß der Erfindung ist ein LED-Modul vorgesehen, welches aus einer Anordnung elektronisch verschalteter LEDs und einem Träger für die LEDs besteht, wobei die Anordnung der LEDs derart gewählt ist, dass die durch den Betrieb der LEDs verursachte thermische Belastung im Wesentlichen gleichmäßig über den Träger verteilt ist.
-
Dadurch, dass während des Betriebes die thermische Belastung des Trägers gleichmäßig verteilt ist, lassen sich vorteilhafterweise in gewissen Temperaturbereichen die Größe benötigter Kühlkörper deutlich verringern. Unter Umständen ist deren Anwesenheit sogar überhaupt nicht mehr erforderlich. Insbesondere letzteres hätte dann zur Folge, dass die Größe von Leuchten, die ein erfindungsgemäßes LED-Modul beinhalten, deutlich reduziert werden kann und ferner auch die Herstellungskosten reduziert werden können.
-
Die Wahl der Anordnung der LEDs auf dem Träger ist dabei insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der LEDs ungleichmäßig, vorzugsweise zusätzlich symmetrisch ist, und dass die Dichte – d. h. die Anzahl von LEDs pro Fläche – der LEDs in einem äußeren bzw. Randbereich des Trägers größer ist als in einem inneren bzw. mittleren Bereich des Träger. Dieser Wahl liegt die bereits oben erwähnte Erkenntnis zugrunde, dass die Wärme auf dem Träger besser über dessen Randbereiche abgeführt werden kann, als dies im zentralen Bereich der Fall ist.
-
Es erweist sich ferner als vorteilhaft für die Wahl der Anordnung, wenn alle LEDs im Wesentlichen identisch sind. Ferner wird davon ausgegangen, dass die elektronische Verschaltung der LEDs derart gewählt ist, dass jede LED im Wesentlichen derselben Stromlast unterliegt und somit in etwa gleicher Weise während des Betriebs Licht und Wärme erzeugt.
-
Der Träger ist ferner vorzugsweise derart gestaltet, dass die LEDs auf dessen Oberfläche in einer Ebene angeordnet sind.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Anordnung zur Lichtabgabe vorgesehen, die ein erfindungsgemäßes LED-Modul in der zuvor beschriebenen Weise aufweist, sowie eine optische Vorrichtung zur Beeinflussung der Lichtabgabe. Im Folgenden werden zwei verschiedene optische Vorrichtungen beschrieben, die in vorteilhafterweise mit dem LED-Modul kombiniert werden können.
-
Eine erste Variante einer geeigneten optischen Vorrichtung besteht dabei in einem Zellenrastersystem, das aus wannenförmigen Einzelzellen besteht, in denen die LEDs des LED-Moduls angeordnet sind. Vorzugsweise ist dabei das Zellenrastersystem fest mit dem LED-Modul verbaut.
-
Jede Einzelzelle des Zellenrasters definiert vorzugsweise mehrere ortsfeste Positionierungsmöglichkeiten, die eine flexible Positionierung der LEDs in der Zelle ermöglichen. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer Positionierungslinie erfolgen, welche eine bestimmte Anzahl an LED-Positionierungsmöglichkeiten aufweist. Die Anordnung der Einzelzellen ist homogen bzw. weist ein gleichmäßiges Raster auf.
-
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des LED-Moduls unterscheidet sich nunmehr allerdings die Anzahl der LEDs in den Einzelzellen. Vorzugsweise sind die Positionierungsmöglichkeiten dabei derart ausgelegt, dass in einer Zelle, die sich in einem Randbereich des Trägers befindet, mehr LEDs platziert werden können als in einer Zelle, die sich in einem mittleren Bereich des Trägers befindet. Bei einer Vollbesetzung des Trägers mit LEDs sind somit in den Randbereichen des Trägers deutlich mehr LEDs vorzufinden als in den mittleren Bereichen. Das Zellenrastersystem sorgt allerdings dafür, dass bei seitlicher bzw. schräger Betrachtung des LED-Moduls die LEDs nicht unmittelbar sichtbar sind. Für einen Betrachter ist dementsprechend die inhomogene Lichtabgabe unter seitlicher bzw. schräger Betrachtung nicht erkennbar.
-
Eine zweite Variante einer geeigneten optischen Vorrichtung besteht in einem Linsensystem, das aus einer Anordnung von vielen Linsenelementen und einem Träger für die Linsenelemente besteht, wobei die Linsenelemente vorzugsweise klein gegenüber den Abmessungen des Linsenträgers sind, dicht beieinander liegen und im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. Diese optische Vorrichtung muss nicht in einem unmittelbaren Kontakt zu dem LED-Modul stehen sondern kann vorzugsweise durchaus einen gewissen Abstand zu diesem aufweisen.
-
Vorzugsweise sind die Linsenelemente des Linsensystems auf einer ebenen Fläche angeordnet, die insbesondere parallel zur Fläche des Trägers des LED-Moduls ausgerichtet ist.
-
Weiterhin vorzugsweise sind die optischen Achsen aller Linsenelemente parallel zueinander. Diese Auslegung der Linsenelemente ist besonders vorteilhaft, um das vom LED-Modul abgestrahlte Licht zu homogenisieren bzw. zu vergleichmäßigen.
-
Aus der Sicht eines Betrachters, der das erfindungsgemäße LED-Modul vor allem frontal durch ein solches Linsensystem betrachtet, erscheint die Lichtabgabe des LED-Moduls im Wesentlichen homogen, da das lückenhafte Erscheinungsbild der Lichtpunkte, das verursacht wird durch die lückenhafte Anordnung der LEDs auf dem Modul, insgesamt durch die dichte gleichmäßige Anordnung der vorzugsweise kleinen Linsen im Wesentlichen kompensiert wird. Aus der Sicht des Betrachters erscheinen die einzelnen gleichmäßig angeordneten Linsen als einzelne gleichmäßig angeordnete Lichtpunkte, was wiederum das angestrebte im Wesentlichen homogene Erscheinungsbild der Lichtabgabe zur Folge hat.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Frontskizze eines ersten Ausführungsbeispiels erfindungsgemäßen Anordnung zur Lichtabgabe, bestehend aus einem erfindungsgemäßen LED-Modul und einem Zellenrastersystem als optischer Vorrichtung zur Beeinflussung der Lichtabgabe;
-
2 eine Skizze der Rückseite der Anordnung zur Lichtabgabe gemäß 1;
-
3 eine Querschnittskizze der Anordnung zur Lichtabgabe gemäß 1;
-
4 eine perspektivische Skizze der Anordnung zur Lichtabgabe gemäß 1;
-
5 eine Frontskizze eines erfindungsgemäßen LED-Moduls; sowie
-
6 eine Querschnittskizze eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Lichtabgabe, bestehend aus einem erfindungsgemäßen LED-Modul gemäß 5 und einem Linsensystem als optischer Vorrichtung zur Beeinflussung der Lichtabgabe.
-
In 1 ist eine Frontskizze einer Lichtabgabeanordnung 1 gezeigt, die aus einem erfindungsgemäßen LED-Modul 2 und einem Zellenrastersystem 4 besteht. Das Zellenrastersystem 4 besteht in üblicher Weise aus gleichmäßig angeordneten Einzelzellen 6, die im vorliegenden Fall zu fünf horizontalen Reihen mit je sechs Einzelzellen 6 angeordnet sind. Das LED-Modul 2 besteht aus dem Träger 7 und den LEDs 3. Das Zellenrastersystem 4 ist üblicherweise auf das LED-Modul 2 aufgesetzt und befestigt. Die Anordnung ist dabei derart, dass die den jeweiligen Einzelzellen 6 zugeordneten LEDs 3 in den Bodenbereich der Zelle hineinragen. Hierdurch ist sichergestellt, dass das Licht der LEDs 3 vollständige für die gewünschte Lichtabgabe genutzt werden kann.
-
Jede Einzelzelle 6, die vorzugsweise Abmessungen in der Größenordnung von ca. 3 bis 5 cm aufweist, definiert mehrere ortsfeste Positionierungsmöglichkeiten, die eine flexible Positionierung der LEDs 3 ermöglichen. Im vorliegenden Fall ist hierzu jeweils eine Positionierungslinie 5 vorgesehen, auf die jeweils eine bestimmte Anzahl an LEDs 3 platziert sind. Insbesondere in den Randbereichen sind hierbei – anders als üblich – mehrere LEDs 3 innerhalb einer Zelle vorgesehen. Die elektrische Verschaltung des LED-Moduls 2 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Der Träger 7 ist im Wesentlichen vorzugsweise eben.
-
Die Anzahl der innerhalb einer bestimmten Einzelzelle 6 platzierten LEDs 3 hängt von der jeweiligen Position der betrachteten Einzelzelle 6 ab. Je zentraler die Einzelzelle 6 im Hinblick auf die Fläche des LED-Moduls 2 liegt, desto weniger LEDs 3 sind vorgesehen, wobei allerdings je Zelle 6 zumindest einer LED vorgesehen ist. Hierdurch wird bei Betrieb des LED-Moduls 2 eine im Wesentlichen gleichmäßige thermische Belastung des LED-Moduls 2 bei maximal möglicher LED-Besetzung gewährleistet. Da insgesamt weniger LEDs 3 auf dem erfindungsgemäßen LED-Modul 2 vorhanden sind als auf üblichen vergleichbaren LED-Modulen, die vor allem eine gleichmäßige LED-Anordnung aufweisen, wird auch das Temperaturniveau insgesamt reduziert.
-
In 3 ist eine Querschnittskizze der Lichtabgabeanordnung 1 aus 1 gezeigt. Hierbei ist erkennbar, dass die Einzelzellen 6 in diesem speziellen Beispiel leicht schräg nach oben ausgerichtet sind. Die Anwendung der Erfindung lässt sich problemlos auch auf andere Stellungen der Einzelzellen 6 anwenden. Ferner ist in dieser Darstellung auch die Wannenform der Einzelzellen 6 ersichtlich, wobei selbstverständlich die Zellen des Rasters auch eine Kreisform oder eine ovale Form aufweisen könnten.
-
In 2 ist die Rückseite der Lichtabgabeanordnung 1 aus 1 und 3 skizziert. Die leichte Schrägstellung der Einzelzellen 6 sowie deren Wannenform sind hier ebenfalls zu erkennen. In 4 ist perspektivische Skizze der Lichtabgabeanordnung 1 aus 1 bis 3 gezeigt.
-
Wird über die dargestellte Anordnung Licht abgegeben, so führt die erfindungsgemäße Belegung der Zellen 6 mit LEDs 3 bzw. die ungleichmäßige Anordnung der LEDs3 dazu, dass durch die LEDs 3 im mittleren bzw. zentralen Bereich des Moduls 2 weniger Wärme generiert wird. Da auf der anderen Seite im Randbereich des Moduls 2 die Wärme besser abgeleitet werden kann, ergibt sich insgesamt gesehen eine etwa gleichmäßige thermische Belastung über die gesamte Fläche hinweg. Gleichzeitig ist aufgrund der Wirkung des Rasters die unterschiedliche Lichtabgabe über die Zellen 6 hinweg nur schwer erkennbar. Da zumindest eine LED 3 pro Zelle vorgesehen ist, ergibt sich insgesamt ein im Wesentliches homogenes Erscheinungsbild bzgl. der Lichtabgabe.
-
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen LED-Moduls 8 gezeigt, bestehend aus einem Träger 9 in länglicher, rechteckiger und ebener Ausführungsform und einer Anordnung von LEDs 10, bestehend aus zwei Reihen mit jeweils zwanzig LEDs 10. Die Ausgestaltung des Trägers 9 ist selbstverständlich nicht nur auf diese Form beschränkt ist. Ferner besitzt das LED-Modul 8 eine Symmetrieachse in länglicher Richtung. An einem schmalen Ende des Trägers 9 sind elektrische Kontakte 11 für die Stromversorgung des LED-Moduls 8 dargestellt.
-
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist im Sinne der Erfindung die Dichte der LEDs 10 in einem äußeren Bereich des Trägers 9 höher als in einem mittleren Bereich um unter Berücksichtigung der effizienteren Wärmeleitung im Randbereich der Platine die thermische Last des Trägers 9 bei Betrieb gleichmäßiger zu verteilen. Dies zeigt sich in diesem Ausführungsbeispiel speziell dadurch, dass an beiden schmalen Enden des Trägers 9 jeweils eine beliebig betrachtete LED-Reihe mit einer Gruppe von fünf LEDs 10 beginnt, wobei allerdings im zentraleren Bereich nur noch Dreier- und Zweiergruppen in größeren Abständen voneinander vorgesehen sind. Aufgrund der Achsensymmetrie des LED-Moduls 8 gelten diese Eigenschaften auch für die andere LED-Reihe.
-
In 6 ist eine Querschnittskizze eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Lichtabgabe 13 gezeigt, bestehend aus einem erfindungsgemäßen LED-Modul 8 gemäß 5 in vereinfachter Darstellung und einem Linsensystem 14 als optischer Vorrichtung zur Beeinflussung der Lichtabgabe. Das Linsensystem 14 besteht aus einem Linsenträger 15, der durch ein plattenförmiges, lichtdurchlässige Element gebildet ist, in welches Linsenelemente 16 eingebettet sind.
-
Vorzugsweise sind die Linsenelemente 16 klein gegenüber den Abmessungen des Linsenträgers 15. Ferner liegen die Linsenelemente 16 dicht beieinander und ebenfalls vorzugsweise sind die Linsenelemente 16 im Wesentlichen identisch. Weiterhin vorzugsweise sind die optischen Achsen aller Linsenelemente 16 parallel zueinander ausgerichtet.
-
Das LED-Modul 8 und das Linsensystem 14 müssen nicht zwangsläufig dieselbe Form aufweisen. Die relative Anordnung zwischen LED-Modul 8 und Linsensystem 14 ist dabei derart gewählt, dass aus möglichst viel Licht ein möglichst homogenes Erscheinungsbild hinsichtlich der Lichtabgabe entsteht. Auf diese Weise ist die geringere Dichte der LEDs 10 bzw. das Fehlen einzelner LEDs 10 im mittleren Bereich des Trägers 9 aufgrund des Verschwimmens bzw. Verschmelzens einzelner Lichtpunkte optisch kaum bis gar nicht wahrnehmbar. Dieser Effekt ist abhängig vom Abstand zwischen dem Beobachter und einer Leuchte, die die Lichtabgabeanordnung 14 enthält.
-
Die Lichtabgabeanordnungen 1 und 13 sind in beliebiger Weise miteinander kombinierbar. Dies ist selbstverständlich im Rahmen der technischen Umsetzbarkeit und Vorteilhaftigkeit bzw. Nützlichkeit zu verstehen. Im Vordergrund steht letztendlich die thermisch optimierte Auslegung von optischen Systemen.
