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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung mit mindestens einer auf einem Träger angeordneten Halbleiterlichtquelle und einer Optik für die mindestens eine Halbleiterlichtquelle, wobei die Optik mittels einer Halterung am Träger fixiert ist. Die Beleuchtungseinrichtung ist beispielsweise Bestandteil eines Fahrzeugscheinwerfers, der zum Erzeugen eines Tagfahrlichts oder Nebellichts oder anderer Lichtverteilungen im Frontbereich des Fahrzeugs dient. Während des Betriebs der Beleuchtungseinrichtung werden ihre Komponenten erwärmt und dehnen sich unterschiedlich stark aus. Aufgrund der unterschiedlich starken thermischen Ausdehnung der Optik und der Halterung sowie des Trägers können eine Dejustierung zwischen der Optik und der mindestens einen Halbleiterlichtquelle sowie mechanische Spannungen zwischen der Optik und der Halterung und auftreten.
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Darstellung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Beleuchtungseinrichtung bereitzustellen, bei der während des Betriebs eine Dejustierung zwischen Optik und Halbleiterlichtquelle weitgehend vermieden wird und mechanische Spannungen zwischen Optik und Halterung reduziert werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Beleuchtungseinrichtung mit den Merkmalen aus dem Anspruch 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
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Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung besitzt mindestens eine auf einer Oberfläche eines Trägers angeordnete Halbleiterlichtquelle und eine Optik für die mindestens eine Halbleiterlichtquelle sowie eine am Träger fixierte Halterung für die Optik, wobei die Optik mindestens drei am Rand der Optik angeordnete Positionierungselemente aufweist, die passgerecht auf entsprechende Halterungselemente der Halterung abgestimmt sind und zur Fixierung der Optik in Richtungen parallel zur Trägeroberfläche dienen. Zusätzlich sind Optik und Halterung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung derart ausgebildet, dass bei Raumtemperatur, das heißt bei einer Temperatur von 20°C, zwischen der Optik und ihrer Halterung eine Fuge vorgesehen ist.
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Durch die oben beschriebene Konstruktion der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung ist gewährleistet, dass im Temperaturbereich von –40°C bis 120°C eine thermisch bedingte Kontraktion oder Ausdehnung der Optik und ihrer Halterung während des Betriebs der Beleuchtungseinrichtung weder zu einer extrem hohen mechanischen Belastung der Optik bzw. ihrer Halterung, die Verformungen der Optik oder der Halterung verursachen würden, noch zu einer Dejustierung zwischen der Optik und der mindestens einen Halbleiterlichtquelle führt. Insbesondere wirkt die Fuge zwischen Optik und Halterung als Dehnungsfuge, die eine thermische Ausdehnung der Optik in ihrer Halterung ohne Verursachung nennenswerter mechanischer Spannungen ermöglicht. Außerdem verhindern die Positionierungselemente der Optik und die passgerecht darauf abgestimmten Halterungselemente der Halterung eine Dejustierung zwischen der Optik und der mindestens einen Halbleiterlichtquelle.
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Die Optik der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung besteht vorzugsweise aus Kunststoff, und besonders bevorzugt aus Silikon, beispielsweise aus Liquid Silicone Rubber (LSR), um eine einfache und kostengünstige Fertigung zu gewährleisten. Die Optik kann dadurch beispielsweise als Kunststoffspritzgussteil bzw. als Silikonspritzgussteil ausgebildet sein. Silikon hat den zusätzlich den Vorteil einer Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen und gegenüber Bestrahlung mit Licht aus dem blauen Spektralbereich im Vergleich zu anderen Kunststoffen.
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Der Träger der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung ist vorzugsweise als Metallkernplatine ausgebildet. Die Metallkernplatine besitzt eine Leiterschicht, die durch isolierendes Keramikmaterial vom Metallkern getrennt ist. Dadurch wird eine gute Kühlung der auf der Leiterschicht des Trägers befestigten Halbleiterlichtquellen ermöglicht. Alternativ kann der Träger als eine FR4-Platine ausgebildet sein und beispielweise aus einem Verbundwerkstoff FR4 mit Metallkern bestehen (z.B. FR4 mit Kupferkern). Die Abkürzung FR4 bezeichnet einen elektrisch nicht leitenden Verbundwerkstoff, der aus Epoxidharz und Glasfasergewebe besteht.
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Vorzugsweise besitzt die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mehrere, in mindestens einer Reihe angeordnete Halbleiterlichtquellen und ihre Optik weist mindestens eine Aneinanderreihung von Optiksegmenten auf, die den in mindestens einer Reihe angeordneten Halbleiterlichtquellen zugeordnet sind. Dadurch kann z.B. die ADB-Funktionalität (d.h. blendfreies Fernlicht) mit diesem Lichtmodul realisiert werden. Für gezielte Optimierung des Lichtbildes kann eine Anpassung der Optik an die einzelnen Halbleiterlichtquellen vorgenommen werden.
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Vorteilhafterweise sind mindestens zwei erste Positionierungselemente und mindestens zwei passgerecht darauf abgestimmte erste Halterungselemente vorgesehen und derart ausgebildet, dass sie zur Fixierung der Optik parallel zur Aneinanderreihungsrichtung der mindestens einen Aneinanderreihung von Optiksegmenten dienen. Außerdem sind vorteilhafterweise mindestens zwei zweite Positionierungselemente und mindestens zwei passgerecht darauf abgestimmte zweite Halterungselemente vorgesehen und derart ausgebildet, dass sie zur Fixierung der Optik senkrecht zur Aneinanderreihungsrichtung der mindestens einen Aneinanderreihung von Optiksegmenten dienen. Dadurch ist gewährleistet, dass die Zuordnung zwischen den Optiksegmenten und der jeweiligen Halbleiterlichtquelle beim Betrieb der Beleuchtungseinrichtung erhalten bleibt und nicht durch eine thermisch bedingte Ausdehnung oder Kontraktion der Optik beeinträchtigt wird.
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Vorzugsweise sind die Positionierungselemente jeweils als am Rand der Optik angeordnete Aussparung oder am Rand der Optik angeordneter Vorsprung ausgebildet, und die Halterungselemente sind jeweils als passgerecht darauf abgestimmter Vorsprung oder passgerecht darauf abgestimmte Aussparung an der Halterung ausgebildet, um auf einfache und kostengünstige Weise eine Positionierung bzw. Führung des Optikrands an der Halterung in unterschiedlichen Richtungen parallel zur Oberfläche des Trägers, auf dem die mindestens eine Halbleiterlichtquelle angeordnet ist, zu ermöglichen.
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Vorteilhafterweise ist jeweils eine parallel zum Rand der Optik gemessene Abmessung der Positionierungselemente passgerecht auf eine entsprechende Abmessung der Halterungselemente abgestimmt. Beispielsweise ist eine Breite der Positionierungselemente jeweils auf eine Breite der Halterungselemente abgestimmt. Dadurch wird eine genaue Ausrichtung zwischen der Optik und ihrer Halterung erreicht, ohne dass die Wirkung der zwischen Optik und Halterung angeordneten Fuge als Dehnungsfuge beeinträchtigt wird. Besonders bevorzugt sind für den vorgenannten Zweck die Positionierungselemente jeweils parallel zum Rand der Optik formschlüssig zu den Halterungselementen ausgebildet. Beispielsweise entspricht jeweils die Breite der Positionierungselemente der Breite der Halterungselemente, um einen Formschluss zu erzielen.
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Vorteilhafterweise ist die Halterung für die Optik der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung als Rahmen ausgebildet, der die mindestens eine Halbleiterlichtquelle umschließt. Der Rahmen behindert nicht die Lichtemission der mindestens einen Halbleiterlichtquelle in Richtung der Optik und seine Seitenwände können beispielsweise lichtreflektierend ausgebildet sein, um das Licht der Halbleiterlichtquellen in Richtung der Optik zu lenken. Außerdem ermöglicht die Rahmenstruktur eine einfache und sichere Fixierung der Halterung am Träger sowie an der Optik. Insbesondere sind die auf die Positionierungselemente der Optik abgestimmten Halterungselemente vorzugsweise am Rand des Rahmens angeordnet.
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Vorzugsweise ist zusätzlich eine Klemmvorrichtung vorgesehen, um eine zuverlässige und erschütterungssichere Befestigung der Optik an der Halterung mittels Klemmsitz zu gewährleisten. Vorteilhafterweise besitzt die Klemmvorrichtung zu diesem Zweck eine Metallklemme, die den Rand der Optik und die Halterung zumindest teilweise umschließt. Dadurch kann insbesondere eine sichere Befestigung der Optik an der Halterung in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Trägers gewährleistet werden. Die Klemmkraft wird vorzugsweise mit Hilfe von an der Optik angegossenen Klemmelementen hergestellt.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung als Fahrzeugleuchte und insbesondere als Fahrzeugscheinwerfer oder als Bestandteil eines Fahrzeugscheinwerfers ausgebildet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 eine auseinander gezogene isometrische Darstellung der Komponenten einer Beleuchtungseinrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
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2 eine Draufsicht auf die in 1 abgebildete Beleuchtungseinrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
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3 eine isometrische Darstellung der in den 1 und 2 abgebildeten Beleuchtungseinrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
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4 eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts von Optik und Halterung der in den 1 bis 3 abgebildeten Beleuchtungseinrichtung in schematischer Darstellung
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Die Beleuchtungseinrichtung 1 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist als Bestandteil eines Fahrzeugscheinwerfers ausgebildet und dient beispielsweise zum Erzeugen einer Lichtverteilung für blendfreies Fernlicht, Nebellicht, Tagfahrlicht oder Positionslicht.
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Die Beleuchtungseinrichtung 1 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt eine Gruppe 2 von zehn Halbleiterlichtquellen 20, einen Träger 3 für die Halbleiterlichtquellen 20, eine Optik 4 und eine Halterung 5 für die Optik 4 sowie eine Metallklemme 6 zur Befestigung der Optik 4 an der Halterung 5.
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Die Halbleiterlichtquellen 20 sind jeweils als weißes Licht emittierende Leuchtdioden ausgebildet, die auf der Oberfläche des Trägers 3 in einer Reihe angeordnet und montiert sind. Die Leuchtdioden 20 sind jeweils einzeln und separat voneinander sowie als Gruppe gemeinsam ansteuerbar.
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Der Träger 3 ist als Metallkernplatine ausgebildet, die eine metallische Leiterschicht besitzt, die durch isolierendes Keramikmaterial, beispielsweise Aluminiumoxidkeramik, vom Metallkern getrennt ist. Die Leuchtdioden 20 sind auf der Oberfläche 30 der Metallkernplatine 3, auf der Seite montiert, die der Optik 4 zugewandt ist. Zusätzlich sind auf der Oberfläche 30 der Metallkernplatine 3 elektronische Komponenten (nicht abgebildet) einer Betriebsschaltung für die Halbleiterlichtquellen 20 und ein als Buchse ausgebildetes elektrisches Anschlusselement 8 zur Energieversorgung der Beleuchtungseinrichtung 1 und zum Lesen von Daten eines auf der Metallkernplatine 3 angeordneten temperaturabhängigen Widerstands (NTC), der zur Überwachung der Temperatur der Halbleiterlichtquellen 20 dient, angeordnet.
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Die Halterung 5 besteht aus Kunststoff oder aus Metallguss und ist als rechteckiger Rahmen ausgebildet, der am Träger 3 mittels Schrauben starr befestigt ist. Die rahmenartige Halterung 5, der Träger 3 und die Optik 4 bilden zusammen einen Innenraum, in dem die Leuchtdioden 20 angeordnet sind.
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Die rahmenartige Halterung 5 bildet an einer vom Träger 3 abgewandten Kante 50 der Halterung 5 eine Vertiefung 500 zur Aufnahme der Optik 4 mit einer parallel zur Oberfläche 30 des Trägers 3 verlaufenden Auflagefläche 501 für eine den Halbleiterlichtquellen 20 zugewandte Unterseite der Optik 4 aus. Im Bereich der Vertiefung besitzt die rahmenartige Halterung 5 mehrere Halterungselemente 51, 52, die an der vom Träger 3 abgewandten Kante 50, entlang des Umfangs der rahmenartigen Halterung 5 angeordnet sind. Die Halterungselemente 51, 52 sind als Vorsprünge ausgebildet, die jeweils von der vorgenannten Kante 50 der rahmenartigen Halterung 5 abstehen. Die Halterungselemente 51, 52 dienen zur Fixierung der auf der Kante 50 der rahmenartigen Halterung 5 aufliegenden Optik 4 in Richtungen parallel zur Oberfläche 30 des Trägers 3.
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Die Optik 4 besteht aus transparentem Silikon und ist als Silikonspritzgussteil ausgebildet. Sie bildet eine Abdeckung für die auf der Oberfläche des Trägers 3 angeordneten Halbleiterlichtquellen 20 und ist als optische Linse ausgebildet. Die Optik 4 ist einstückig ausgebildet und besitzt einen umlaufenden Rand 40. Eine Unterseite der Optik 4 liegt auf der vom Träger 3 abgewandten Kante 50 des Rahmens 5 auf. Die Optik 4 ist mit einer Aneinanderreihung 41 von zehn Optiksegmenten 410 ausgestattet, die jeweils als optische Linsen ausgebildet und den einzelnen Leuchtdioden 20 der Gruppe 2 von Leuchtdioden 20 zugeordnet sind. Jedem Optiksegment 410 ist genau eine Leuchtdiode 20 zugeordnet.
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Die Optik 4 weist mehrere Positionierungselemente 42, 43 auf, die entlang ihres Randes 40 angeordnet sind. Die Positionierungselemente 42, 43 sind jeweils als Aussparungen am Rand 40 der Optik 4 ausgebildet und passgerecht auf die als Vorsprünge ausgebildeten Halterungselemente 51, 52 der rahmenartigen Halterung 5 abgestimmt. Die Anzahl der Positionierungselemente 42, 43 stimmt mit der Anzahl der Halterungselemente 51, 52 überein.
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Erste Positionierungselemente 42 sind parallel zur Aneinanderreihungsrichtung der Aneinanderreihung 41 von Optiksegmenten 410 und zu beiden Seiten der Optiksegmente 410 entlang des Randes 40 der Optik 4 angeordnet. Sie dienen im Zusammenspiel mit darauf passgerecht abgestimmten ersten Halterungselementen 51 der rahmenartigen Halterung 5 zur Fixierung der Optik 4 an der Halterung 5 in Richtungen parallel zur Aneinanderreihungsrichtung der Aneinanderreihung 41 von Optiksegmenten 410. Die ersten Halterungselemente 51 sind zu diesem Zweck an den parallel zur Aneinanderreihungsrichtung der Aneinanderreihung 41 von Optiksegmenten 410 verlaufenden Rahmenabschnitten der Halterung 5 angeordnet. Die Breite der als Aussparungen ausgebildeten ersten Positionierungselemente 42 ist jeweils passgerecht auf die Breite der als Vorsprünge ausgebildeten ersten Halterungselemente 51 abgestimmt, so dass die als Vorsprünge ausgebildeten ersten Halterungselemente 51 der Halterung 5 formschlüssig in den als Aussparungen ausgebildeten ersten Positionierungselementen 42 der Optik 4 angeordnet sind.
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Zweite Positionierungselemente 43 sind senkrecht zur Aneinanderreihungsrichtung der Aneinanderreihung 41 von Optiksegmenten 410 und benachbart zum ersten bzw. zum letzten, zehnten Optiksegment entlang des Randes 40 der Optik 4 angeordnet. Sie dienen im Zusammenspiel mit darauf passgerecht abgestimmten zweiten Halterungselementen 52 der rahmenartigen Halterung 5 zur Fixierung der Optik 4 an der Halterung 5 in Richtungen senkrecht zur Aneinanderreihungsrichtung der Aneinanderreihung 41 von Optiksegmenten 410. Die zweiten Halterungselemente 52 sind zu diesem Zweck an den senkrecht zur Aneinanderreihungsrichtung der Aneinanderreihung 41 von Optiksegmenten 410 verlaufenden Rahmenabschnitten der Halterung 5 angeordnet. Die Breite der als Aussparungen ausgebildeten zweiten Positionierungselemente 43 ist jeweils passgerecht auf die Breite der als Vorsprünge ausgebildeten zweiten Halterungselemente 52 abgestimmt, so dass die als Vorsprünge ausgebildeten zweiten Halterungselemente 52 der Halterung 5 formschlüssig in den als Aussparungen ausgebildeten zweiten Positionierungselementen 43 der Optik 4 angeordnet sind.
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Die den Halbleiterlichtquellen 20 zugewandte Unterseite der Optik 4 liegt auf der von der Kante 50 der rahmenartigen Halterung 5 gebildeten Auflagefläche 501 auf und die Abmessungen der Optik 4 und der Halterung 5 in Richtungen parallel zur Oberfläche 30 des Trägers 3 sind derart ausgebildet, dass bei Raumtemperatur im Bereich der Vertiefung eine umlaufende Fuge 7 bzw. ein umlaufender Spalt zwischen dem Rand 40 der Optik 4 und der rahmenartigen Halterung 5 vorhanden ist. Während des Betriebs der Beleuchtungseinrichtung 1 erwärmen sich die Komponenten der Beleuchtungseinrichtung 1 und dehnen sich dadurch aus. Aufgrund ihres vergleichsweise großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten dehnt sich die aus Silikon bestehende Optik 4 stärker aus als die Halterung 5. Dadurch verringert sich die Breite der Fuge 7 zwischen Optik 4 und Halterung 5. Die Fuge 7 wirkt als Dehnungsfuge. Sie verhindert, dass durch die unterschiedliche thermische Ausdehnung von Optik 4 und Halterung 5 verursachte mechanische Spannungen von der Halterung 5 auf die Optik 4 übertragen werden. Im Temperaturbereich von –40°C bis 120°C kann sich die Optik 4 in Richtungen parallel zur Oberfläche des Trägers 3 nahezu ungehindert ausdehnen. Erst bei einer Temperatur von 120°C schließt sich die Fuge 7 zwischen dem Rand 40 der Optik 4 und der rahmenartigen Halterung 5. Der oben beschriebene Formschluss zwischen den Positionierungselementen 42, 43 und den Halterungselementen 51, 52 bleibt aufgrund der von den Aussparungen 42, 43 und den Vorsprüngen 51, 52 gebildeten Verzahnungsstruktur (4) zwischen Optik 4 und Halterung 5 während der thermisch bedingten Kontraktion bzw. Expansion von Optik 4 und Halterung 5 erhalten.
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Die Metallklemme 6 besteht aus Blech, beispielsweise aus Stahl- oder Edelstahlblech oder aus Aluminiumblech. Die Metallklemme 6 besitzt einen rahmenartigen Abschnitt 60, der am Rand 40 der Optik 4 auf der vom Träger 3 abgewandten Seite der Optik 4 anliegt, und zwei vom rahmenartigen Abschnitt 60 rechtwinklig abgewinkelte, einander gegenüberliegende Seitenteile 61, die an der Außenseite der rahmenartigen Halterung 5 klemmend anliegen. Die zwei einander gegenüberliegenden Seitenteile 61 der Metallklemme 6 weisen jeweils Federlaschen 611 auf, die mit Durchbrüchen 611A versehen sind, durch die jeweils ein von der Außenseite der rahmenartigen Halterung 5 abstehender Steg 55 hindurchragt. Der rahmenartige Abschnitt 60 der Metallklemme 6 weist ein Fenster 600 auf, das passgerecht auf die Abmessungen der Aneinanderreihung 41 von Optiksegmenten 410 abgestimmt ist.
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Mit Hilfe der Federlaschen 611 und der Stege 55 wird die Optik 4 klemmend an der Halterung 5 befestigt und insbesondere in der Richtung senkrecht zur Oberfläche 30 der Metallkernplatine 3 an der Halterung 5 fixiert. Der Rand 40 der Optik 4 ist nach Art eines Sandwichs klemmend zwischen der vom Träger 3 abgewandten Kante 50 der rahmenartigen Halterung 5 und dem rahmenartigen Abschnitt 60 der Metallklemme 6 fixiert. Die Optik 4 besitzt an ihrer von der Metallkernplatine 3 abgewandten Oberseite eine Vielzahl von Stegen 44, die am Rand 40 der Optik 4 angeordnet sind und als Abstandshalter zwischen der Optik 4 und dem rahmenartigen Abschnitt 60 der Metallklemme 6 dienen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Beleuchtungseinrichtung
- 2
- Gruppe von Halbleiterlichtquellen
- 20
- Halbleiterlichtquellen
- 3
- Träger, Metallkernplatine
- 4
- Optik
- 40
- Rand der Optik
- 41
- Aneinanderreihung von Optiksegmenten
- 410
- Optiksegment
- 42
- erste Positionierungselemente
- 43
- zweite Positionierungselemente
- 44
- Stege auf der Oberseite der Optik
- 5
- Halterung
- 50
- Kante der Halterung
- 500
- Vertiefung
- 501
- Auflagefläche für die Optik
- 51
- erste Halterungselemente
- 52
- zweite Halterungselemente
- 55
- Stege an der Halterung
- 6
- Metallklemme
- 60
- rahmenartiger Abschnitt der Metallklemme
- 600
- Fenster im rahmenartigen Abschnitt
- 61
- Seitenteil der Halterung
- 611
- Federlaschen
- 611A
- Durchbruch in der Federlasche
- 7
- Fuge
- 8
- elektrisches Anschlusselement
