DE102020003086A1

DE102020003086A1 - Elektrische Baugruppe

Info

Publication number: DE102020003086A1
Application number: DE102020003086.6A
Authority: DE
Inventors: Marius Sillmann; Jürgen Goldmann; Franz Padinger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2020-05-22
Filing date: 2020-05-22
Publication date: 2021-11-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Baugruppe (2), umfassend eine Leiterplatte (3) und eine Mehrzahl darauf angeordneter LEDs (4).
Erfindungsgemäß
- ist die Leiterplatte (3) aus Kunststoff ausgebildet,
- sind die LEDs (4) in mehrere Bauelementgruppen (6) aufgeteilt, wobei die LEDs (4) jeder Bauelementgruppe (6) elektrisch in Reihe geschaltet sind und die Bauelementgruppen (6) zueinander elektrisch parallel geschaltet sind, wobei jede Bauelementgruppe (6) eine Mehrzahl von elektrischen Vorwiderständen (5) umfasst, die mit den LEDs (4) der jeweiligen Bauelementgruppe (6) elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei nacheinander abwechselnd ein elektrischer Vorwiderstand (5) und mindestens eine LED (4) angeordnet ist,
- ist ein Widerstandswert der elektrischen Vorwiderstände (5) der jeweiligen Bauelementgruppe (6) höher als für einen zulässigen Stromfluss durch die LEDs (4) der jeweiligen Bauelementgruppe (6) erforderlich, und
- weisen Leiterbahnen (7) auf der Leiterplatte (3) an verschiedenen Positionen der Leiterplatte (3) eine unterschiedliche Dicke auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Baugruppe nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der DE 10 2014 008 262 A1 beschrieben, ein hintergrundbeleuchtetes Autoemblem, bei dem nur das Automarkenzeichen beleuchtet wird, bekannt. Das LED-hintergrundbeleuchtete Automarkenemblem im Heckbereich eines Kraftfahrzeuges ist mit dem Standlicht und dem Abblendlicht sowie direkt mit der Kennzeichenbeleuchtung im Heckbereich gekoppelt und wird auch hiermit an- und ausgeschaltet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte elektrische Baugruppe anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Baugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine elektrische Baugruppe umfasst eine Leiterplatte und eine Mehrzahl darauf angeordneter LEDs (Licht emittierende Dioden).
Erfindungsgemäß ist die Leiterplatte aus Kunststoff ausgebildet und die LEDs sind in mehrere Bauelementgruppen aufgeteilt, insbesondere jeweils zwei LEDs pro Bauelementgruppe, wobei die LEDs jeder Bauelementgruppe elektrisch in Reihe geschaltet sind und die Bauelementgruppen zueinander elektrisch parallel geschaltet sind, wobei jede Bauelementgruppe eine Mehrzahl von elektrischen Vorwiderständen, insbesondere zwei elektrische Vorwiderstände, umfasst, die mit den LEDs der jeweiligen Bauelementgruppe elektrisch in Reihe geschaltet sind, und wobei nacheinander abwechselnd ein elektrischer Vorwiderstand und mindestens eine LED angeordnet ist, insbesondere abwechselnd ein elektrischer Vorwiderstand und eine LED. Zusätzlich ist vorteilhafterweise ein Widerstandswert der elektrischen Vorwiderstände der jeweiligen Bauelementgruppe höher als für einen zulässigen Stromfluss durch die LEDs der jeweiligen Bauelementgruppe erforderlich ist. Des Weiteren weisen Leiterbahnen auf der Leiterplatte, welche insbesondere als Silberleiterbahnen mittels Siebdruck ausgebildet sind, an verschiedenen Positionen der Leiterplatte eine unterschiedliche Dicke auf.
Die erfindungsgemäße elektrische Baugruppe kann beispielsweise zur Ausbildung eines beleuchteten Emblems verwendet werden, insbesondere zur Ausbildung eines beleuchteten Markenemblem eines Fahrzeugherstellers, welches an einem Fahrzeug anbringbar ist. Insbesondere bei einer solchen Verwendung der elektrischen Baugruppe ist keine Kühlung der elektrischen Baugruppe auf herkömmliche Weise möglich. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist eine solche Kühlung nicht erforderlich, da durch diese erfindungsgemäße Lösung eine thermische Optimierung und somit ein funktionierendes Thermomanagement der elektrischen Baugruppe erreicht wird.
Ohne die erfindungsgemäße Lösung, beispielsweise bei Aufteilung der LEDs in Zweiergruppen und Dreiergruppen mit jeweils einem einzelnen auf eine Effektivspannung von 10 V ausgelegten Vorwiderstand, würde es bei vorgeschriebenen elektrischen Belastungstests, beispielsweise bei einer transienten Überspannung von 17 V für 60 Minuten, zu Ausfällen einzelner LED-Gruppen durch massive Hitzeentwicklung einzelner elektrischer Vorwiderstände kommen, welche sich in die insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildete Leiterplatte einschmelzen und die gedruckten Silberleiterbahnen durchtrennen. Die Hitzeentwicklung erfolgt zudem auf der Leiterplatte asymmetrisch und besonders im Bereich einer Spannungseinspeisung. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird dies verhindert, denn bei der erfindungsgemäßen Lösung wird, wie oben beschrieben, eine variable Dicke der siebgedruckten Leiterbahnen verwendet, um dadurch eine Widerstandssteuerung der Leiterbahnen zu erreichen. Des Weiteren wird für das Thermomanagement die erfindungsgemäße Optimierung mittels der elektrischen Vorwiderstände vorgenommen, welche bei der erfindungsgemäßen Lösung überdimensioniert sind und auf der Leiterplatte delokalisiert angeordnet sind, d. h. nicht ein elektrischer Vorwiderstand pro Bauelementgruppe, sondern der Widerstandswert, welcher zudem größer ist als erforderlich, wird auf mehrere Vorwiderstände pro Bauelementgruppe aufgeteilt und diese werden auf der Leiterplatte verteilt angeordnet, insbesondere abwechselnd nacheinander jeweils ein elektrischer Vorwiderstand und eine LED. Dadurch wird mittels der erfindungsgemäßen Lösung eine thermisch stabile elektrische Schaltung auf der aus Kunststoff ausgebildeten Leiterplatte erreicht.
Ohne die erfindungsgemäße Lösung wäre die elektrische Baugruppe und somit das insbesondere als Emblem ausgebildete Bauteil nicht in der Lage, die elektronischen Anforderungen zu bestehen. Es wäre dann beispielsweise zusätzlich eine teure Vorschaltplatine zur Reduzierung der Spannung erforderlich, welche durch die erfindungsgemäße Lösung vermieden wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 schematisch eine Schnittdarstellung eines Bauteils, und
2 schematisch in Draufsicht einen Ausschnitt einer elektrischen Baugruppe.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Bauteils 1, welches im dargestellten Beispiel als ein beleuchtetes Emblem ausgebildet ist, insbesondere als ein beleuchtetes Markenemblem eines Fahrzeugherstellers, welches an einem Fahrzeug anbringbar ist.
Das Bauteil 1 umfasst eine elektrische Baugruppe 2 mit einer Leiterplatte 3 aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polymethylmethacrylat (PMMA), auf welcher eine Mehrzahl von LEDs 4 und eine Mehrzahl elektrischer Vorwiderstände 5 angeordnet sind. 2 zeigt eine schematische Darstellung dieser elektrischen Baugruppe 2 in einer Draufsicht, wobei hier aus Gründen der vereinfachten und übersichtlichen Darstellung nur ein Abschnitt dieser elektrischen Baugruppe 2 dargestellt ist.
Die LEDs 4 und elektrischen Vorwiderstände 5 sind in mehrere Bauelementgruppen 6 aufgeteilt, wobei die LEDs 4 und elektrischen Vorwiderstände 5 jeder Bauelementgruppe 6 elektrisch in Reihe geschaltet sind und die Bauelementgruppen 6 zueinander elektrisch parallel geschaltet sind. Eine elektrische Kontaktierung der LEDs 4 und der elektrischen Vorwiderstände 5 erfolgt über Leiterbahnen 7, welche als siebgedruckte Silberleiterbahnen auf der Leiterplatte 3 ausgebildet sind.
Die Leiterplatte 3 ist vorteilhafterweise opak und transluzent ausgebildet, so dass von den LEDs 4 abgestrahltes Licht diffus streuend hindurchstrahlen kann. Die Leiterplatte 3 bildet somit auch einen Diffusor.
Zum Schutz der LEDs 4 und der elektrischen Vorwiderstände 5 und zur Ausbildung des Emblems ist eine Abdeckung 8 vorgesehen. Diese Abdeckung 8 ist beispielsweise aus Polycarbonat (PC) und/oder Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und/oder aus einem oder mehreren anderen Materialien ausgebildet. Beispielweise ist diese Abdeckung 8 verchromt. Sie wird dann beispielsweise auch als Chromcover bezeichnet. Bei einer verchromten Ausbildung der Abdeckung 8 ist die Abdeckung 8 beispielsweise aus Polycarbonat und Acrylnitril-Butadien-Styrol (PC/ABS) oder aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder aus einem oder mehreren anderen Materialien ausgebildet. Die Abdeckung 8 bildet beispielsweise ein Dekorteil des Bauteils 1. An einer den LEDs 4 zugewandten Innenseite der Abdeckung 8 ist vorteilhafterweise eine, beispielsweise weiße, Reflektorfolie 9 angeordnet. Durch diese Ausbildung des Bauteils 1 wird die mittels Lichtstrahlen S dargestellte Abstrahlung des Lichts der LEDs 4 erreicht.
Um das als Emblem ausgebildete Bauteil 1 am Fahrzeug befestigen zu können, ist im dargestellten Beispiel zudem ein Klebeband 10 vorgesehen, welches an einer von den LEDs 4 abgewandten Unterseite der Leiterplatte 3 angeordnet ist.
Zum Verbinden der Abdeckung 8 mit der Leiterplatte 3 ist beispielsweise ein Vollverguss mit einem hier nicht dargestellten UV-Klebstoff vorgesehen, welcher in einen Klebekanal K zwischen der Leiterplatte 3 und der Abdeckung 8 eingebracht ist, diesen Klebekanal K vollständig ausfüllt und durch die transluzente Leiterplatte 3 hindurch mittels einer UV-Lampe ausgehärtet wurde.
Bei einer herkömmlichen Ausbildung der elektrischen Baugruppe 2, beispielsweise bei einer Anordnung der LEDs 4 in Zweiergruppen und Dreiergruppen mit jeweils einem elektrischen Vorwiderstand 5, der auf eine Effektivspannung von 10 V ausgelegt ist, würde es bei vorgeschriebenen elektrischen Belastungstests, beispielsweise bei einer transienten Überspannung von 17 V für 60 Minuten, zu Ausfällen einzelner LED-Gruppen durch massive Hitzeentwicklung einzelner elektrischer Vorwiderstände 5 kommen, welche sich in die Leiterplatte 3 aus thermoplastischem Kunststoff einschmelzen und die gedruckten Silberleiterbahnen durchtrennen. Zudem würde eine Hitzeentwicklung der Leiterbahnen 7 asymmetrisch und besonders im Bereich einer elektrischen Spannungseinspeisung stattfinden.
Die Überhitzung der elektrischen Vorwiderstände 5 resultiert daraus, dass bei dem hier beschriebenen Anwendungsfall des beleuchteten Emblems, insbesondere des zur Anbringung am Fahrzeug vorgesehenen beleuchteten Markenemblems, keine Möglichkeit einer Kühlung der elektrischen Baugruppe 2, insbesondere der Leiterplatte 3, über herkömmliche Kühlkonzepte besteht. Insbesondere ist keine Kühlung durch Luftzufuhr, mittels Kühlsegmenten oder über einen Wärmetransport nach außen möglich. Insbesondere bei einer elektrischen Überspannung überhitzen die elektrischen Vorwiderstände 5, da diese elektrische Überspannung an den elektrischen Vorwiderständen 5 abfällt.
Die asymmetrische Hitzeverteilung resultiert aus einem bei den gedruckten Silberleiterbahnen auch bei kurzen Distanzen nicht zu vernachlässigenden Widerstandsabfall. Dabei steigt der elektrische Widerstand, der an den Leiterbahnen 7 abfällt, mit zunehmender Entfernung zur elektrischen Spannungseinspeisung an. Dieser elektrische Widerstand, der an den Leiterbahnen 7 abfällt, belastet somit auch bei Überspannung nicht den jeweiligen elektrischen Vorwiderstand 5, sondern die Leiterbahnen 7. Als Nebeneffekt wird durch daraus resultierende verschiedene elektrische Spannungen zusätzlich auch ein von den LEDs 4 erzeugtes Lichtbild negativ beeinflusst.
Um diese Probleme zu lösen und eine thermisch stabile elektrische Schaltung auf der Leiterplatte 3 und somit eine thermisch stabile elektrische Baugruppe 2 für das Bauteil 1 zu realisieren, ohne zusätzliche Kühlkonzepte zu verwenden, sind ein Thermomanagement und thermische Optimierungen vorgesehen, welche im Folgenden, insbesondere anhand des in 2 schematisch dargestellten Beispiels, beschrieben werden.
Bei der hier beschriebenen Lösung ist vorgesehen, dass die Bauelementgruppen 6, welche zueinander elektrisch parallel geschaltet sind, jeweils die gleiche Anzahl LEDs 4 aufweisen, im dargestellten Beispiel jeweils zwei LEDs 4, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind. Des Weiteren sind die Bauelementgruppen 6 auf größere elektrische Spannungen ausgelegt. Hierzu werden insbesondere überdimensionierte elektrische Vorwiderstände 5 verwendet. Insbesondere ist ein Widerstandswert der elektrischen Vorwiderstände 5 der jeweiligen Bauelementgruppe 6 höher als für einen zulässigen Stromfluss durch die LEDs 4 der jeweiligen Bauelementgruppe 6 erforderlich. Dadurch fällt auch bei einer normalen elektrischen Spannung mehr elektrische Spannung an den Vorwiderständen 5 ab, aber die höheren Vorwiderstände 5 halten größere Belastung aus ohne zu überhitzen.
Des Weiteren sind die elektrischen Vorwiderstände 5 geteilt, d. h. es ist in der jeweiligen Bauelementgruppe 6 nicht ein einzelner großer elektrischer Vorwiderstand 5 vorgesehen, sondern mehrere kleine elektrische Vorwiderstände 5, welche zueinander und zu den LEDs 4 ihrer Bauelementgruppe 6 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Dabei ist vorgesehen, dass die elektrischen Vorwiderstände 5 vorteilhafterweise zwischen den LEDs 4 angeordnet sind, d. h. in der jeweiligen Bauelementgruppe 6 ist nacheinander abwechselnd ein elektrischer Vorwiderstand 5 und eine LED 4 angeordnet, wie in 2 gezeigt. Hier sind, wie bereits beschrieben, pro Bauelementgruppe 6 zwei LEDs 4 und somit auch zwei elektrische Vorwiderstände 5 vorgesehen, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind. Somit ist in der jeweiligen Bauelementgruppe 6 ein elektrischer Vorwiderstand 5, danach eine LED 4, danach wieder ein elektrischer Vorwiderstand 5 und danach wieder eine LED 4 angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet.
Elektrotechnisch ergibt diese Aufteilung der elektrischen Vorwiderstände 5 keinen relevanten Unterschied, jedoch wird dadurch eine optimierte Wärmeverteilung erreicht, indem wenige starke lokale Erhitzungspunkte vermieden werden und stattdessen mehrere auf der Leiterplatte 3 stärker flächig verteilte Erwärmungspunkte mit einer geringeren Erwärmung erreicht werden. D. h. durch diese Lösung wird eine bessere Verteilung der sich erwärmenden Vorwiderstände 5 auf der Leiterplatte 3 erreicht, wodurch eine starke Erhitzung der Leiterplatte 3 an wenigen Punkten durch wenige große elektrische Vorwiderstände 5 vermieden wird und stattdessen eine flächig verteilte geringere Erwärmung der Leiterplatte 3 an vielen Punkten durch viele kleinere elektrische Vorwiderstände 5 erreicht wird, welche die Leiterplatte 3 und die Leiterbahnen 7 nicht schädigt.
Vorteilhafterweise werden zusätzlich die gedruckten Leiterbahnen 7 mit verschiedenen Dicken ausgeführt, um den Anteil der elektrischen Spannung, der an den Leiterbahnen 7 abfällt, konstanter zu gestalten. Insbesondere werden die Leiterbahnen 7 im Bereich der elektrischen Spannungseinleitung dicker, insbesondere breiter, ausgebildet und mit zunehmendem Abstand zur elektrischen Spannungseinleitung zunehmend dünner, insbesondere schmaler, ausgebildet.
Bei dieser Lösung ist die elektrische Schaltung somit hinsichtlich eines Thermomanagements optimiert, insbesondere durch die variable Leiterbahndicke und einen aktiven Wärmeabbau durch die beschriebene Auslegung und Positionierung der elektrischen Vorwiderstände 5.
Bezugszeichenliste

1: Bauteil
2: Baugruppe
3: Leiterplatte
4: LED
5: Vorwiderstand
6: Bauelementgruppe
7: Leiterbahn
8: Abdeckung
9: Reflektorfolie
10: Klebeband
K: Klebekanal
S: Lichtstrahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014008262 A1 [0002]

Claims

Elektrische Baugruppe (2), umfassend eine Leiterplatte (3) und eine Mehrzahl darauf angeordneter LEDs (4), dadurch gekennzeichnet, dass - die Leiterplatte (3) aus Kunststoff ausgebildet ist, - die LEDs (4) in mehrere Bauelementgruppen (6) aufgeteilt sind, wobei die LEDs (4) jeder Bauelementgruppe (6) elektrisch in Reihe geschaltet sind und die Bauelementgruppen (6) zueinander elektrisch parallel geschaltet sind, wobei jede Bauelementgruppe (6) eine Mehrzahl von elektrischen Vorwiderständen (5) umfasst, die mit den LEDs (4) der jeweiligen Bauelementgruppe (6) elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei nacheinander abwechselnd ein elektrischer Vorwiderstand (5) und mindestens eine LED (4) angeordnet ist, - ein Widerstandswert der elektrischen Vorwiderstände (5) der jeweiligen Bauelementgruppe (6) höher ist als für einen zulässigen Stromfluss durch die LEDs (4) der jeweiligen Bauelementgruppe (6) erforderlich, und - Leiterbahnen (7) auf der Leiterplatte (3) an verschiedenen Positionen der Leiterplatte (3) eine unterschiedliche Dicke aufweisen.
Elektrische Baugruppe (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (7) als Silberleiterbahnen mittels Siebdruck ausgebildet sind.
Elektrische Baugruppe (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelementgruppen (6) jeweils zwei LEDs (4) aufweisen.
Elektrische Baugruppe (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelementgruppen (6) jeweils zwei elektrische Vorwiderstände (5) aufweisen.