DE202008016023U1 - Tageslicht-LED-Cluster - Google Patents

Tageslicht-LED-Cluster

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Abstract

Tageslicht-LED-Cluster mit auf einer mehrlagigen Leiterplatte angeordneten Hochleistungs-LED zur Erzeugung einer leistungsstarken und breitbandigen Beleuchtungsstrahlung und diesen zugeordneten schmalbandigen LED zur spektralen Steuerung der Beleuchtungsstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hochleistungs-LED mehrere, die Leiterplatte (1) vollständig durchdringende Wärmeleitkanäle (5) zugeordnet sind, die auf der Unterseite der Leiterplatte (1) mit einer gemeinsamen Wärmeleitfläche (7) verbunden sind, wobei die jeder Hochleistungs-LED zugeordnete Wärmeleitfläche (7) gegenüber einer benachbarten Wärmeleitfläche (7) elektrisch isoliert ist.

Description

  • Die Neuerung betrifft ein Tageslicht-LED-Cluster mit auf einer mehrlagigen Leiterplatte angeordneten Hochleistungs-LED zur Erzeugung einer leistungsstarken und breitbandigen Beleuchtungsstrahlung und diesen zugeordneten schmalbandigen LED zur spektralen Steuerung der Beleuchtungsstrahlung.
  • Zur künstlichen Erzeugung eines Tageslichtspektrums der Beleuchtung werden in einer Fläche nebeneinander LED unterschiedlicher spektraler Emission so kombiniert, daß sich ihr Licht gut mischt und damit als weiß erscheint. Es ist daher vorteilhaft, die LED räumlich nahe aneinander zu platzieren. Dabei dienen Hochleistungs-LED der Erzeugung eines leistungsstarken und breitbandigen Strahlungsfeldes und Standard-LED der Steuerung der spektralen Ergänzung des Gesamt-Strahlungsfeldes. Die Gesamtanordnung einer Vielzahl von Hochleistungs-LED und spektral-spezifischer Standard-LED wird als Cluster bezeichnet.
  • Hochleistungs-LED unterscheiden sich von Standard-LED dadurch, daß sie mit höheren Strömen betrieben werden. Während Standard-LED mit Strömen von 2 mA bis ca. 20 mA betrieben, können Hochleistungs-LED Ströme von bis über 18 A aufnehmen. Ein Großteil der Anregungsenergie wird in Wärme umgesetzt. Dadurch entstehen besondere Anforderungen an die Wärmeableitung, die sich in speziellen Bauformen ausdrücken. Die Wärme kann über die Stromzuleitungen, die Reflektorwanne der LED oder in den LED-Körper eingearbeitete Wärmeleiter abgeführt werden.
  • Die industrielle Verarbeitung von bedrahteten LED ist aufwendig und teuer. LED werden daher hauptsächlich in SMD-Gehäuseform hergestellt. In die Unterseite des Gehäuses wird eine Wärmeleitfläche eingearbeitet, die gleichzeitig als Potentialreferenz für die elektrische Versorgung über eine Leiterplatte dient. Da die Lebensdauer und Lichtleistung der LED stark von der Betriebstemperatur abhängen, kommt dem thermischen Management bei hohen Leistungen eine besondere Bedeutung zu.
  • Bekannte Lösungen bestehen darin, die Wärme von der Wärmeleitfläche der LED über thermische Kanäle in der Leiterplatte an einen auf der Rückseite der Leiterplatte angebrachten Kühlkörper und von diesem an die Umgebung abzuführen. Die Ausgangsöffnungen der Kanäle in der Leiterplatte sind üblicherweise von einer ringförmigen lötbaren Fläche umgeben, die über eine elektrisch isolierende Zwischenschicht im Kontakt mit einem großflächigen Kühlkörper steht.
  • Der Neuerung lag die Aufgabe zugrunde, die Wärmeabführung an der Unterseite der Leiterplatte zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird neuerungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Hochleistungs-LED mehrere, die Leiterplatte vollständig durchdringende Wärmeleitkanäle zugeordnet sind, die auf der Unterseite der Leiterplatte mit einer gemeinsamen Wärmeleitfläche verbunden sind, wobei die jeder Hochleistungs-LED zugeordnete Wärmeleitfläche gegenüber einer benachbarten Wärmeleitfläche elektrisch isoliert ist. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Neuerung nutzt die Tatsache aus, daß bei dem Tageslicht-LED-Cluster um eine Hochleistungs-LED herum mehrere spektral-spezifische LED geringer Leistung und evtl. noch Schaltungselemente auf der Leiterplatte angeordnet sind. Die Stromversorgung und Steuerung der LED erfolgt über Zwischenschichten der Leiterplatte. Der von einer Hochleistungs-LED und der in ihr integrierten Wärmeleitfläche besetzte Flächenbereich ist gering im Vergleich zu den Flächenbereichen, die von den weiteren Bauelementen besetzt sind.
  • Neuerungsgemäß werden alle Wärmeleitkanäle, die einer Hochleistungs-LED zugeordnet sind, auf der Unterseite der Leiterplatte mit einer gemeinsamen Wärmeleitfläche verbunden. Diese Wärmeleitfläche erstreckt sich symmetrisch um die Wärmeleitkanäle herum über einen Flächenbereich, der auf der Oberseite der Leiterplatte mit den weiteren Bauelementen besetzt ist. Dabei ist die jedem Hochleistungs-LED zugeordnete Wärmeleitfläche gegenüber der jeweils benachbarten Wärmeleitfläche einer weiteren Hochleistungs-LED elektrisch isoliert, um die individuelle Potenzialreferenz der einzelnen Hochleistungs-LED nicht zu stören. Die durch diese Anordnung erreichte wesentliche Vergrößerung der Wärmeleitfläche für jede der Hochleistungs-LED führt zu einer wesentlich schnelleren Abführung der über die Wärmeleitkanäle zugeführten Wärmemenge und damit zu einer geringeren durchschnittlichen Betriebstemperatur der Hochleistungs-LED.
  • Bei einer regelmäßigen Anordnung der Hochleistungs-LED in vorzugsweise senkrecht zueinander stehenden Zeilen und Spalten ergeben sich gegeneinander abgegrenzte Rechteckflächen als Wärmeleitflächen. Die Unterseite der Leiterplatte wird damit optimal zur Wärmeableitung genutzt.
  • Die Unterseite der Leiterplatte wird mit einer vorzugsweise mit einer Metallplatte wärmeleitend verpreßt, z. B. durch Kleben oder Verschrauben. Zwischen die Leiterplatte und die Metallplatte wird zweckmäßigerweise eine elektrisch isolierende Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitkleber eingefügt, mit denen alle Zwischenräume bei der Verpressung ausgefüllt werden. Es ist jedoch auch möglich, eine elektrisch isolierende dünne Folie zwischenzulegen, die eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit besitzt. Die Metallplatte sollte als Montageplatte ausreichend stark für eine ebene Verpressung mit der Leiterplatte sein und eine gute Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität besitzen, um die aufgenommene Wärme an die Umgebung oder einen Kühlrippenblock abgeben zu können. Aluminium hat sich als geeignetes Material bewährt.
  • Die Wärmeabgabe an die Umgebung kann beschleunigt werden, wenn die Metallplatte ein von einem Kühlmittel durchströmtes Leitungssystem enthält. Das Leitungssystem kann in die Metallplatte integriert oder auf die Oberfläche aufgebracht sein und die Verlustwärme räumlich getrennt vom Tageslicht-LED-Cluster an ein übliches Kühlrippensystem abgeben. Ein zusätzliches Gebläse kann die Wärmeabfuhr in üblicher Weise unterstützen.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines Tageslicht-LED-Cluster ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Dabei zeigen:
  • 1 einen Ausschnitt der Oberseite der Leiterplatte,
  • 2 einen Ausschnitt der Unterseite der Leiterplatte und
  • 3 im Querschnitt eine mit einer Metallplatte verpreßte Leiterplatte.
  • 1 zeigt in Aufsicht einen Ausschnitt der Oberfläche einer Leiterplatte 1. Die Leiterplatte 1 enthält Leiterbahnen 2 und rechteckige Lötflächen 3 zum Anschließen von LED in SMD-Technologie. Wesentlich für die Neuerung sind die kreisförmigen Flächen 4 mit einer Vielzahl von Wärmeleitkanälen 5. Nicht dargestellte Hochleistungs-LED werden mit ihren Wärmeleitflächen im Kontakt auf dies Flächen 4 aufgesetzt.
  • Bohrungen 6 dienen zum Einsetzen von Schrauben zum Verpressen der Leiterplatte 1 durch eine Metallplatte hindurch mit einem Kühlrippenblock.
  • 2 zeigt in Aufsicht einen Ausschnitt der Unterseite der Leiterplatte 1. Die in den Kreisflächen 4 liegenden Öffnungen der Wärmeleitkanäle 5 sind zentrisch innerhalb einer rechteckigen Wärmeleitfläche 7 angeordnet. Bei der Montage der Hochleistungs-LED auf der Oberseite der Leiterplatte 1 werden die Wärmeleitkanäle 5 mit Lötmittel beschichtet, bzw. gefüllt, wobei gleichzeitig eine wärmeleitende Verbindung zu den Wärmeleitflächen 7 hergestellt wird. Die einzelnen Wärmeleitflächen 7 sind gegeneinander auf der Unterseite der Leiterplatte 1 abgegrenzt und damit voneinander elektrisch isoliert. Die Wärmeleitflächen 7 sind als dünne Kupferschichten auf die Unterseite der Leiterplatte aufgebracht.
  • Die Wärmeleitflächen 7 liegen in Reihen nebeneinander. Zwischen den Reihen besteht ein größerer Zwischenraum für die Anordnung der Bohrungen 6 für eine Verschraubung mit einer Metallplatte.
  • 3 zeigt im Querschnitt eine mit einer Metallplatte 8 durch Einfügen eines elektrisch isolierenden Klebers 9 wärmeleitend verpreßte Leiterplatte 1. Die Leiterplatte 1 hat eine Dicke von ca. 5 mm, die elektrischen und wärmeleitenden Kupferschichten der Leiterplatte 1 haben eine Dicke von etwa 70 μm. Die Metallplatte 8 besteht aus Aluminium und hat eine Dicke von etwa 1,5 mm. Die mit der Metallplatte 8 verklebte Leiterplatte 1 kann zusätzlich mit einem nicht dargestellten Kühlrippenblock durch Schrauben 6 verpreßt sein.

Claims (7)

  1. Tageslicht-LED-Cluster mit auf einer mehrlagigen Leiterplatte angeordneten Hochleistungs-LED zur Erzeugung einer leistungsstarken und breitbandigen Beleuchtungsstrahlung und diesen zugeordneten schmalbandigen LED zur spektralen Steuerung der Beleuchtungsstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hochleistungs-LED mehrere, die Leiterplatte (1) vollständig durchdringende Wärmeleitkanäle (5) zugeordnet sind, die auf der Unterseite der Leiterplatte (1) mit einer gemeinsamen Wärmeleitfläche (7) verbunden sind, wobei die jeder Hochleistungs-LED zugeordnete Wärmeleitfläche (7) gegenüber einer benachbarten Wärmeleitfläche (7) elektrisch isoliert ist.
  2. Tageslicht-LED-Cluster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochleistungs-LEDs in Zeilen und Spalten auf der Leiterplatte (1) angeordnet sind, wobei die Wärmeleitflächen (7) symmetrisch zu einer Wärmekontaktfläche (4) an der Unterseite der Hochleistungs-LEDs angeordnet sind und Seitenlängen aufweisen, die um soviel geringer als der Zeilen- und Spaltenabstand sind, daß eine wirksame elektrische Isolation zur benachbarten Wärmeleitfläche (7) entsteht.
  3. Tageslicht-LED-Cluster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite der Leiterplatte (1) mit einer Metallplatte (8) wärmeleitend verpreßt ist.
  4. Tageslicht-LED-Cluster nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (1) mit der Metallplatte (8) verklebt ist, wobei zwischen die Leiterplatte (1) und die Metallplatte (8) ein elektrisch isolierender Kleber (9) eingefügt ist.
  5. Tageslicht-LED-Cluster nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (8) ein von einem Kühlmittel durchströmbaren Leitungssystem enthält.
  6. Tageslicht-LED-Cluster nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungssystem in die Metallplatte (8) integriert ist.
  7. Tageslicht-LED-Cluster nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungssystem im Wärmekontakt mit der Oberfläche der Metallplatte (8) verbunden ist.
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