DE19922361A1 - LED-Modul für Signaleinrichtungen - Google Patents

LED-Modul für Signaleinrichtungen

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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 lichtbündelnden optischen Einrichtungen (20; 30) enthält. Die lichtbündelnden optischen Einrichtungen können entweder Linsen (20) oder in die Grundplatte (2) integrierte optische Kanäle (30) mit reflektierenden Seitenwänden sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein LED-Modul, welches insbesondere in Signaleinrichtungen 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.
Auch bei anderen Signaleinrichtungen wie Leitsignaleinrich­ tungen, die zur Leuchtmarkierung von Wegen, Straßen oder Start- und Landebahnen in den Boden eingelassen werden, be­ stehen ähnliche Probleme aufgrund der Verwendung herkömmli­ cher Glühlampen als Lichtquellen.
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, sondern 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-A-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 Signaleinrichtungen oder Beleuchtungseinrichtungen anzugeben, welches möglichst einfach hergestellt und aufgebaut und möglichst flexibel ein­ gesetzt 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, die auf einer Platine montiert sind und jeweils mit einer lichtbündelnden optischen Einrichtung versehen sind, wobei ferner eine Grundplatte vor­ gesehen ist, die die lichtbündelnden optischen Einrichtungen in einer der LED-Anordnung entsprechenden regelmäßigen Anord­ nung enthält.
In einer ersten Ausführungsform werden die lichtbündelnden optischen Einrichtungen durch Linsen gebildet. In einer Vari­ ante davon enthält die Grundplatte eine der LED-Anordnung entsprechende Anordnung von Vertiefungen, in welche die Lin­ sen als einzeln gefertigte Bauteile einsteckbar sind. Bevor­ zugterweise sind die Linsen dabei jeweils derart aufgebaut, daß sie einen vierkantförmigen Hauptkörper mit einer nach au­ ßen gewölbten Lichtaustrittsfläche und einen im Querschnitt gegenüber dem Hauptkörper verjüngten und zu der Vertiefung der Grundplatte entsprechenden komplementären Sockel aufwei­ sen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß in der Grund­ platte anstelle der Vertiefungen Erhebungen angeordnet sind, auf die die Linsen aufsteckbar sind.
Nach einer weiteren Variante der ersten Ausführungsform sind die Linsen integral in der Grundplatte ausgebildet. In diesem Fall muß die Grundplatte aus einem für die Emissionswellen­ länge der LEDs transparenten Material bestehen.
In einer zweiten Ausführungsform werden die lichtbündelnden optischen Einrichtungen durch optische Kanäle gebildet, die in die Grundplatte integriert sind und die schräggestellte oder gekrümmte, reflektierende Innenwände aufweisen.
Weitere Ausführungsformen können durch Kombinationen der er­ sten und der zweiten Ausführungsform gebildet werden.
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 Signaleinrichtungen wie Bahnsignaleinrichtungen oder in den Boden eingelassene Leitsignaleinrichtungen oder für andere Zwecke verwendete Beleuchtungseinrichtungen jedwe­ der Art.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen der zwei Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seiten- oder Querschnittsansicht auf eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LED-Moduls;
Fig. 2A eine Seitenansicht einer bei einem LED-Modul nach Fig. 1 eingesetzten Linse; und Fig. 2B eine Ansicht der Linse von der Seite der Lichtaustrittsfläche;
Fig. 3 eine Seiten- oder Querschnittsansicht auf eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LED-Moduls.
Ein erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LED-Moduls mit einer Platine 1 und einer Grundplatte 2 ist in Fig. 1 in einer Seitenansicht dargestellt. Auf der Platine 1 sind eine Mehrzahl von LEDs 10 in der Anordnung einer Matrix darge­ stellt. Die Anordnung kann auch durch eine einzige Zeile von LEDs gebildet werden. Als Platine 1 wird vorzugsweise eine Metallkernplatine eingesetzt, um die Wärmeableitung von den LEDs zu verbessern, wodurch die Lichtausbeute der LEDs ver­ bessert werden kann. Die LEDs werden bevorzugterweise in der Oberflächenmontagetechnik SMT (Surface-Mount Technology) auf der Platine 1 montiert. Als LED 10 kann dabei die bereits er­ wähnte SIEMENS SMT-TOPLED® eingesetzt werden. Der schaltungs­ technische Aufbau der LEDs 10 kann so erfolgen, daß mehrere getrennte, voneinander unabhängige Stromkreise angeordnet werden. Dadurch kann eine hohe Ausfallsicherheit des Moduls gewährleistet werden. Beispielsweise 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. Vorzugsweise werden die Platine 1 und die Grundplatte 2 über eine einrastende Steckverbindung miteinander verbunden.
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 durch eine einrastende Steck­ verbindung eingesteckt werden können. Dazu ist die Grundplat­ te 2 nach Art eines Setzkastens mit einer Anzahl von Vertie­ fungen 25 geformt, die in derselben matrixförmigen Anordnung wie die LEDs 10 vorliegen. Diese Vertiefungen 25 weisen bei­ spielsweise 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 (B) dargestellt. Die Linse 20 besteht demnach aus einem vier­ kantförmigen Hauptkörper 21 und einen daran auf der der Seite der Lichtaustrittsfläche gegenüberliegenden Seite angeschlos­ senen Sockel 22, der gegenüber dem Hauptkörper 21 im Quer­ schnitt verjüngt ist. Der Sockel 22 ist zu der Vertiefung 25 der Grundplatte 2 komplementär, so daß im eingesetzten Zu­ stand der Linse 20 die an der Grenze des Sockels 22 zum Hauptkörper 21 überstehende Fläche des Hauptkörpers 21 auf der Grundplatte 2 aufliegt. Ferner ist der Querschnitt des Hauptkörpers 21 derart dimensioniert, daß im eingesetzten Zu­ stand die Hauptkörper 21 der Linsen 20 lückenlos aneinander­ liegen. Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel hat somit den Vorteil, daß das Modul bei der Betrachtung aus einer Ent­ fernung von wenigen 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.
Durch einfache bauliche Maßnahmen kann erreicht werden, daß ein Einrasten der Steckverbindung erreicht wird. Dies ist dem Fachmann bekannt und soll hier nicht weiter erörtert werden.
Der Hauptkörper 21 weist an der Lichtaustrittsoberfläche eine nach außen gewölbte Fläche 21a auf, durch die die eigentliche Linse gebildet wird. Die gewölbte Fläche 21a kann dabei - ab­ hängig von dem Linsenmaterial und seinem Brechungsindex - derart geformt sein, 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.
Eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LED- Moduls ist in Fig. 3 in einer Seitenansicht dargestellt. Bei dieser wird wie in Fig. 1 eine Platine 1 mit einer regelmäßi­ gen darauf aufgebrachten Anordnung von LEDs 10 verwendet. Die Grundplatte 2 weist hier jedoch als lichtbündelnde optische Einrichtungen eine der LED-Anordnung entsprechende regelmäßi­ ge Anordnung von optischen Kanälen 30 auf, die in die Grund­ platte 2 geformt sind und die reflektierende Seitenwände auf­ weisen. Die Seitenwände sind, wie dargestellt, derart schräg­ gestellt, daß sich der Kanalquerschnitt in Lichtausbreitungs­ richtung vergrößert. Anstelle gerade verlaufender Seitenwände kann auch ein gekrümmter Verlauf vorgesehen sein. Vorzugswei­ se sind dabei die Kanäle 30 als Bohrungen durch die Grund­ platte 2 geformt, die entweder durchgängig sind oder sich zu­ mindest über einen Teil des Querschnitts der Grundplatte 2 erstrecken. Es kann aber auch vorgesehen sein, daß die Kanäle 30 wie bei einer brechungsindexgeführten Glasfaser aus einem Material mit relativ hohem Brechungsindex bestehen, während das die Kanäle 30 umgehende Material der Grundplatte 2 einen relativ niedrigen Brechungsindex aufweist, so daß das auf die Grenzfläche auftreffende Licht an dieser durch Totalreflexion reflektiert wird. Die Änderung des Brechungsindex kann dabei stufenförmig oder graduell verlaufen.
Es können auch weitere Ausführungsformen gebildet werden, die aus beiden beschriebenen Ausführungsformen zusammengesetzt werden. Beispielsweise können bei dem LED-Modul des zweiten Ausführungsbeispiels (Fig. 3) noch zusätzliche Linsen vorgese­ hen werden. Diese können auf einer Seite der Grundplatte 2 auf die Kanäle 30 aufgesetzt werden. Falls die Kanäle 30 durch Bohrungen gebildet werden, können die zusätzlichen Lin­ sen auch wie im ersten Ausführungsbeispiel in diese Bohrungen eingesteckt werden.
Das erfindungsgemäße LED-Modul hat den Vorteil, daß es bei der Betrachtung aus einer Entfernung von wenigen 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 in den Boden eingelassene Leit­ signaleinrichtungen eingesetzt werden, die der Leuchtmarkie­ rung von Wegen, Straßen, Plätzen, Tunnels, Start- und Lande­ bahnen oder dergleichen dienen. Bei derartigen Anwendungen wirkt sich die flache Bauform des erfindungsgemäßen LED- Moduls besonders vorteilhaft aus.
Ein weiteres Anwendungsgebiet sind Ampeln oder Scheinwerfer, wie Spotscheinwerfer, oder andere derartige Beleuchtungsge­ genstände, wie sie zur Effektbeleuchtung etwa in Diskotheken eingesetzt werden 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
10
LED
20
Linse
21
Hauptkörper
21
a Lichtaustrittsfläche
22
Sockel
25
Vertiefung
30
optische Kanäle

Claims (18)

1. LED-Modul, mit
  • - einer regelmäßigen Anordnung von LEDs (10), wobei
  • - jede LED (10) mit einer lichtbündelnden optischen Einrich­ tung (20; 30) 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 licht­ bündelnden optischen Einrichtungen (20; 30) enthält.
2. LED-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die lichtbündelnden optischen Einrichtungen (20; 30) Lin­ sen (20) sind.
3. LED-Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - 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.
4. LED-Modul nach Anspruch 2 oder 3, 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.
5. 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.
6. LED-Modul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die vierkantförmigen Hauptkörper (21) im eingesteckten Zu­ stand der Linsen (20) lückenlos aneinanderliegen.
7. LED-Modul nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Seitenwände des Hauptkörpers (21) und/oder des Sockels (22) als Reflektoren ausgeformt sind.
8. LED-Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. die Linsen (20) integral in der Grundplatte (2) ausgebil­ det sind.
9. LED-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die lichtbündelnden optischen Einrichtungen (20) in die Grundplatte (2) geformte optische Kanäle (30) mit reflek­ tierenden Wänden sind.
10. LED-Modul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Kanäle (30) in die Grundplatte (2) geformte Bohrungen oder Bereiche mit relativ hohem Brechungsindex sind.
11. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Grundplatte (2) und/oder die Linsen (20) Polymethyl­ methacrylat (PMMA) enthalten.
12. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Grundplatte (2) und/oder die Linsen (20) im Spritzguß hergestellt sind.
13. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Platine (1) eine Metallkernplatine ist.
14. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die LEDs (10) an mindestens zwei unabhängige Stromkreise angeschlossen sind.
15. 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.
16. Verwendung eines LED-Moduls nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15 für Beleuchtungseinrichtungen oder Si­ gnaleinrichtungen, insbesondere für Bahnsignaleinrichtungen oder in den Boden eingelassene Leitsignaleinrichtungen zur Leuchtmarkierung von Wegen, Straßen, Tunnels, Start- und Lan­ debahnen und dergleichen.
17. Beleuchtungseinrichtung, enthaltend ein LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
18. Signaleinrichtung, insbesondere Bahnsignaleinrichtung oder in den Boden eingelassene Leitsignaleinrichtung zur Leuchtmarkierung von Wegen, Straßen, Tunnels, Start- und Lan­ debahnen und dergleichen, enthaltend ein LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
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