DE19912233C1

DE19912233C1 - LED-Modul für Bahnsignaleinrichtungen

Info

Publication number: DE19912233C1
Application number: DE19912233A
Authority: DE
Inventors: Simon Bluemel
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 1999-03-18
Filing date: 1999-03-18
Publication date: 2000-08-03
Anticipated expiration: 2019-03-19

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein LED-Modul, mit einer regelmäßigen Anordnung von LEDs (10), wobei jede LED (10) mit einer Linse (20) versehen ist, die LEDs (10) auf einer Platine (1) montiert sind, eine Grundplatte (2) vorgesehen ist, die eine der LED-Anordnung entsprechende regelmäßige Anordnung von Linsen (20) enthält, und die Grundplatte (2) derart in bezug auf die Platine (1) angeordnet ist, daß jede LED (10) im Brennpunkt der ihr zugehörigen Linse (20) positioniert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein LED-Modul, welches insbesondere in Bahnsignaleinrichtungen eingesetzt werden kann.

In der konventionellen Bahnsignalisierungstechnik wird übli cherweise eine starke Lichtquelle mit kleinen Abmessungen wie z. B. der Glühfaden einer Glühlampe, in den Brennpunkt einer optischen Linse gestellt und in Augenhöhe des Zugführers ins Unendliche projiziert. Aufgrund der hohen Leuchtdichte der Lichtquelle entsteht eine sehr große Lichtstärke bei einem sehr kleinen Abstrahlwinkel, so daß das Signal auch aus gro ßer Entfernung (< 3 km) noch eindeutig zu erkennen ist.

Bekanntermaßen haben Glühlampen jedoch eine begrenzte Lebens dauer, wobei der Ausfall der für eine Bahnsignaleinrichtung verwendeten Glühlampe stets mit einem Totalausfall der gesam ten Signaleinrichtung verbunden ist. Deshalb müssen die Glüh lampen bei den Bahnsignaleinrichtungen vorsorglich in regel mäßigen Zeitabständen gewechselt werden. Diese Zeitabstände sind weit kürzer als die durchschnittliche Lebensdauer der Lampe, so daß mit den Auswechslungen ein erheblicher Materi al- und Zeitaufwand verbunden ist.

Aus Sicherheitsgründen werden bei den Bahnsignaleinrichtungen Glühlampen eingesetzt, die eine zweite Glühwendel besitzen. Diese zweite Glühwendel wird bei Ausfall der ersten Glühwen del zugeschaltet. Dadurch daß die zweite Glühwendel jedoch nicht optimal im Fokus der Linse angeordnet ist, sinkt die Lichtstärke des Bahnsignals im Fehlerfall auf ca. 12% ab. Da her muß auch in diesem Fall eine Reparatur umgehend erfolgen.

Aufgrund der hohen Ausfallempfindlichkeit konventioneller Glühlampen bietet es sich daher an, als Lichtquellen Halblei ter-Lichtemissionsdioden (LEDs) einzusetzen, da LEDs nicht nur eine erheblich höhere Lebensdauer, sondere auch einen besseren Wirkungsgrad bei der Umwandlung elektrischer Energie in Strahlungsenergie im sichtbaren Spektralbereich und - da mit verbunden - eine geringere Wärmeabgabe und einen insge samt geringeren Platzbedarf aufweisen. Um jedoch eine für ei ne Bahnsignaleinrichtung oder eine vergleichbare Einrichtung wie einen Scheinwerfer geeignete LED-Anordnung bereitzustel len, bedarf es ebenso wie bei der konventionellen Bahnsi gnaleinrichtung einer Optik, die geeignet ist, das von den einzelnen LEDs abgestrahlte Licht derart zu bündeln, daß es auch in relativ großer Entfernung als eine ausgedehnte und hell leuchtende Lichtquelle wahrgenommen wird. Ein System aus einer LED-Anordnung mit nur einer Linse ist nicht geeignet, da hierbei der Abstrahlwinkel nicht unter einen physikalisch bedingten Grenzwert reduzierbar ist.

Aus der US 5 850 126 ist eine LED-Modulanordnung für Si gnalzwecke bekannt, bei der die LEDs auf eine Platine mon tiert sind und der Platine eine einzelne Diffusionslinse nachgeordnet ist, die eine einheitliche Lichtstreuung bewir ken soll.

Aus der US 5404282 ist ein LED-Modul bekannt, bei welchem eine Anzahl LEDs zwischen zwei parallelen, elektrisch leiten den Stäben fest montiert wird. Gemäß der Fig. 3 dieser Druck schrift werden die darin verwendeten LEDs jeweils mit ihren elektrischen Zuleitungen in einen transparenten Kunststoff wie Epoxidharz eingegossen. Eine Linse kann dadurch herge stellt werden, daß die Lichtaustrittsfläche dieses entstehen den Kunstharzblocks mit einem Höcker, d. h. einem nach außen gewölbten Abschnitt versehen wird. Jede aus einer LED und ei ner Linse bestehende Einheit muß jedoch einzeln auf diese Weise gefertigt werden. Für die Herstellung einer Matrix aus mehreren LEDs mit zugehörigen Linsen ist diese Herstellungs art zu aufwendig. Außerdem führt bei der beschriebenen Anord nung der Ausfall der LED dazu, daß auch die Linse nicht mehr verwendet werden kann, wodurch diese Anordnung sehr unflexi bel wird.

Es ist, daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein LED- Modul, insbesondere für den Einsatz in einer Bahnsignalein richtung oder einem Scheinwerfer anzugeben, welches möglichst einfach hergestellt und aufgebaut und mög lichst flexibel verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Demgemäß beschreibt die Erfindung ein LED-Modul mit einer regelmäßigen Anordnung von LEDs, wobei jede LED mit ei ner Linse versehen ist, und wobei die LEDs auf einer Platine montiert sind, eine Grundplatte vorgesehen ist, die eine der LED-Anordnung entsprechende regelmäßige Anordnung von Linsen enthält, und die Grundplatte derart in bezug auf die Platine angeordnet ist, daß jede LED im Brennpunkt der ihr zugehöri gen Linse positioniert ist.

Nach einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante der Erfin dung enthält die Grundplatte eine der LED-Anordnung entspre chende Anordnung von Vertiefungen, in welche die Linsen als einzeln gefertigte Bauteile einsteckbar sind. Bevorzugterwei se sind die Linsen dabei jeweils derart aufgebaut, daß sie einen vierkantförmigen Hauptkörper mit einer nach außen ge wölbten Lichtaustrittsfläche, und einen im Querschnitt gegen über dem Hauptkörper verjüngten und zu der Vertiefung der Grundplatte entsprechenden komplementären Sockel aufweisen.

Es kann auch vorgesehen sein, daß in der Grundplatte anstelle der Vertiefungen Erhebungen angeordnet sind, auf die die Lin sen aufsteckbar sind.

Nach einer weiteren Ausführungsvariante sind die Linsen inte gral in der Grundplatte ausgebildet. In diesem Fall muß die Grundplatte aus einem für die Emissionswellenlänge der LEDs transparenten Material bestehen.

Weiterhin bevorzugt ist, daß die Grundplatte und/oder die Linsen Polymethylmethacrylat (PMMA) enthalten. Unabhängig von der Wahl des Materials der Grundplatte und der Linsen ist es ferner wünschenswert, wenn die Grundplatte und/oder die Lin sen - gegebenenfalls als einstückiges Teil - im Spritzguß hergestellt sind.

Eine für das erfindungsgemäße LED-Modul bevorzugt verwendete LED ist beispielsweise in dem Artikel "SIEMENS SMT-TOPLED für die Oberflächenmontage" von F. Möllmer und G. Waitl in der Zeitschrift Siemens Components 29 (1991), Heft 4, S. 147 im Zusammenhang mit Bild 1 beschrieben. Diese Form der LED ist äußerst kompakt und erlaubt die Anordnung einer Vielzahl von LEDs auf der Platine.

Das erfindungsgemäße LED-Modul eignet sich besonders für den Einbau in eine Bahnsignaleinrichtung oder einen für andere Zwecke verwendeten Scheinwerfer oder dergleichen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines einzigen Ausfüh rungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seiten- oder Querschnittsansicht auf ein erfin dungsgemäßes LED-Modul;

Fig. 2A eine Seitenansicht einer bei einem erfindungsgemäßen LED-Modul eingesetzten Linse; und Fig. 2B eine Ansicht der Linse von der Seite der Lichtaustrittsfläche.

Ein erfindungsgemäßes LED-Modul mit einer Platine 1 und einer Grundplatte 2 ist in Fig. 1 in einer Seitenansicht darge stellt. Auf der Platine 1 sind eine Mehrzahl von LEDs 10 in der Anordnung einer Matrix dargestellt. Als Platine 1 wird vorzugsweise eine Metallkernplatine eingesetzt, um die Wär meableitung von den LEDs zu verbessern, wodurch die Lichtaus beute der LEDs verbessert werden kann. Die LEDs werden bevor zugterweise in der Oberflächenmontagetechnik SMT (Surface- Mount Technology) auf der Platine 1 montiert. Als LED 10 kann dabei die bereits erwähnte SIEMENS SMT-TOPLED® eingesetzt werden. Der schaltungstechnische Aufbau der LEDs 10 kann so erfolgen, daß mehrere getrennte, voneinander unabhängige Stromkreise angeordnet werden. Dadurch kann eine hohe Aus fallsicherheit des Moduls gewährleistet werden. Beispielswei se können die LEDs 10 in zwei unabhängigen Stromkreisen mit jeweils 15 parallelen Strängen angeordnet werden, wobei in jedem einzelnen Strang zwei LEDs 10 in Serie geschaltet sind.

In einem kleinen Abstand von der Oberseite der LEDs 10 ist die die Linsenanordnung enthaltende Grundplatte 2 angeordnet. Die Platine 1 und die Grundplatte 2 können in geeigneter Wei se miteinander starr verbunden sein, damit ihre relative Lage zueinander konstant bleibt.

Die Grundplatte 20 enthält eine Vielzahl Linsen 20, die ein zeln jeweils den LEDs 10 zugeordnet sind. Es kann eine Grund platte 20 verwendet werden, in deren lichtaustrittsseitiger Oberfläche die Linsen 20 beispielsweise als Erhebungen ge formt sind, so daß die Linsen 20 integral mit der Grundplatte 2 verbunden sind. Bevorzugt ist jedoch eine Anordnung wie in Fig. 1, bei der die Linsen 20 als einzelne Bauteile gefertigt sind und in die Grundplatte 2 eingesteckt werden können. Dazu ist die Grundplatte 2 nach Art eines Setzkastens mit einer Anzahl von Vertiefungen 25 geformt, die in derselben matrix förmigen Anordnung wie die LEDs 10 vorliegen. Diese Vertie fungen 25 weisen beispielsweise einen kreisrunden Querschnitt auf.

In Fig. 2A, B ist eine einzelne Linse 20 in einer Seitenansicht (A) und einer Ansicht von der Seite der Lichtaustrittsfläche dargestellt. Die Linse 20 besteht demnach aus einem vierkant förmigen Hauptkörper 21 und einen daran auf der der Seite der Lichtaustrittsfläche gegenüberliegenden Seite angeschlossenen Sockel 22, der gegenüber dem Hauptkörper 21 im Querschnitt verjüngt ist. Der Sockel 22 ist zu der Vertiefung 25 der Grundplatte 2 komplementär, so daß im eingesetzten Zustand der Linse 20 die an der Grenze des Sockels 22 zum Hauptkörper 21 überstehende Fläche des Hauptkörpers 21 auf der Grundplat te 2 aufliegt. Ferner ist der Querschnitt des Hauptkörpers 21 derart dimensioniert, daß im eingesetzten Zustand die Haupt körper 21 der Linsen 20 lückenlos aneinanderliegen. Das er findungsgemäße Ausführungsbeispiel hat somit den Vorteil, daß das Modul bei der Betrachtung aus einer Entfernung von weni gen Metern als homogen ausgeleuchtete Fläche erscheint.

Je nach dem Herstellungsaufwand kann die Komplementarität von Grundplatte 2 und Linsen 20 auch umgekehrt ausgeführt sein, wobei dann anstelle der Vertiefungen 25 in die Grundplatte 2 entsprechende Erhebungen geformt sind und die einzelnen Lin sen 20 mit entsprechenden komplementären Vertiefungen verse hen sind.

Der Hauptkörper 21 weist an der Lichtaustrittsoberfläche eine nach außen gewölbte Fläche 21a auf, durch die die eigentliche Linse gebildet wird. Die Form der gewölbten Fläche 21a ist abhängig von dem Linsenmaterial und seinem Brechungsindex derart, daß die aktive Fläche der LED 10 im Brennpunkt der Linse 20 liegt.

Die Seitenwände des Hauptkörpers 21 und/oder des Sockels 22 können zur Erhöhung der Lichtausbeute als Reflektoren ausge formt sein.

Als Material für die Grundplatte 2 und die Linsen 20 eignet sich besonders gut Polymethylmethacrylat (PMMA) mit einem Brechungsindex von 1,5. Es können aber auch andere Kunststof fe eingesetzt werden, wobei dann gegebenenfalls aufgrund ei nes anderen Brechungsindex die Form der Linse, d. h. die Form der gewölbten Fläche 21a geändert werden muß. Für den Serien einsatz mit großen Stückzahlen wird vorzugsweise ein spritz gußfähiges Material eingesetzt.

Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, daß bei der Betrachtung des Moduls aus einer Entfernung von weni gen Metern als homogen ausgeleuchtete Fläche erscheint.

Das erfindungsgemäße Modul ist besonders bei Bahnsignalein richtungen vorteilhaft einsetzbar. Es kann aber auch für an dere Signaleinrichtungen wie Ampeln eingesetzt werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind Scheinwerfer, wie Spotschein werfer, oder andere derartige Beleuchtungsgegenstände, wie sie zur Effektbeleuchtung etwa in Diskotheken eingesetzt wer den können.

Die Emissionswellenlänge der LED ist im Prinzip beliebig. Wahlweise können auch mehrfarbige Signale durch Verwendung von LEDs verschiedener Farben erzeugt werden. Um eine konven tionelle Bahnsignaleinrichtung in den optischen Eigenschaften möglichst zu imitieren, kann auch eine Weißlicht-LED einge setzt werden. Dazu muß beispielsweise eine LED möglichst kur zer Wellenlänge, wie GaN im blauen Spektralbereich, verwen det, auf die dann ein geeignetes Konvertermaterial zur Erzeu gung kürzerer Wellenlängen aufgebracht wird, so daß sich durch die Wellenlängenmischung der optische Eindruck einer Weißlichtquelle ergibt.

Bezugszeichenliste

1

Platine

2

Grundplatte

3

LED

4

Linse

5

Hauptkörper

21

a Lichtaustrittsfläche

6

Sockel

25

Vertiefung

Claims

1. LED-Modul, mit

- einer regelmäßigen Anordnung von LEDs (10), wobei
- jede LED (10) mit einer Linse (20) versehen ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die LEDs (10) auf einer Platine (1) montiert sind,
- eine Grundplatte (2) vorgesehen ist, die eine der LED- Anordnung entsprechende regelmäßige Anordnung von Linsen (20) enthält,
- die Grundplatte (2) derart in bezug auf die Platine (1) angeordnet ist, daß jede LED (10) im Brennpunkt der ihr zugehörigen Linse (20) positioniert ist.

2. LED-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Grundplatte (2) eine der LED-Anordnung entsprechende Anordnung von Vertiefungen (25) oder Erhebungen enthält, und
- die Linsen (20) als einzeln gefertigte Bauteile in die Vertiefungen (25) einsteckbar oder auf die Erhebungen auf steckbar sind.

3. LED-Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Linsen (20) jeweils derart aufgebaut sind, daß sie
- einen vierkantförmigen Hauptkörper (21) mit einer nach außen gewölbten Lichtaustrittsfläche, und
- einen im Querschnitt gegenüber dem Hauptkörper (21) verjüngten und zu der Vertiefung (25) der Grundplatte (2) komplementären Sockel (22) aufweisen.

4. LED-Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

- die vierkantförmigen Hauptkörper (21) im eingesteckten Zu stand der Linsen (20) lückenlos aneinanderliegen.

5. LED-Modul nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Seitenwände des Hauptkörpers (21) und/oder des Sockels (22) als Reflektoren ausgeformt sind.

6. LED-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Linsen (20) integral in der Grundplatte (2) ausgebil det sind.

7. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Grundplatte (2) und/oder die Linsen (20) Polymethyl methacrylat (PMMA) enthalten.

6. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Grundplatte (2) und/oder die Linsen (20) im Spritzguß hergestellt sind.

9. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Platine (1) eine Metallkernplatine ist.
- LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
- die LEDs (10) an mindestens zwei unabhängige Stromkreise angeschlossen sind.
- LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
- - die LEDs (10) ein Konversionsmaterial aufweisen, durch die wenigstens ein Teil der von den LEDs (10) emittierten Lichtstrahlung wellenlängenkonvertiert wird, so daß der optische Eindruck von Weißlicht-LEDs entsteht.
- Beleuchtungseinrichtung, enthaltend ein LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
- Signaleinrichtung, insbesondere Bahnsignaleinrichtung, enthaltend ein LED-Modul nach einem der vorhergehenden An sprüche.