DE3132594C2

DE3132594C2 - Leuchtdioden-Baustein für Verkehrssignalleuchten

Info

Publication number: DE3132594C2
Application number: DE3132594A
Authority: DE
Inventors: Herbert 8000 München Krautwald
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-08-18
Filing date: 1981-08-18
Publication date: 1984-08-30
Also published as: DE3132594A1

Abstract

Der Leuchtdioden-Baustein weist eine Mehrzahl lichtemittierender Kristalle (1) auf, die in Ausnehmungen (3) eines gemeinsamen Metall-Trägers (2) angeordnet sind. Die Ausnehmungen (3) sind zur Abstrahlrichtung offen, an den Seitenflächen (3a) parabelartig, an der Bodenfläche (3b) plan ausgebildet und oberflächenverspiegelt. Die jeweiligen Anschlußpunkte (1a, 1b) der Kristalle (1) sind miteinander elektrisch verbunden und an einem Anschlußstiftpaar (4), das elektrisch isoliert (5) in den Träger (2) eingebettet ist, angeschlossen. Der Leuchtdioden-Baustein weist eine gemeinsame, auf dem Träger (2) befestigte (7, 8) Abdeckkappe (6) auf, die unmittelbar über den Kristallen (1) angeordnet und in diesem Bereich (9) konkave, linsenartige, transparente Flächen besitzt, die einen bevorzugten Lichtaustritt ermöglichen. Derartige Bausteine können durch verschiedenartige Anordnung der Kristalle unterschiedliche Formen aufweisen. Aus der Kombination verschiedenförmiger Leuchtdioden-Bausteine lassen sich Signalleuchten mit verschiedenartigen Symbolanzeigen fertigen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Leuchtdiodenbaustein für Verkehrssignalleuchten nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Verkehrssignalanlagen, beispielsweise für den Straßenverkehr, besitzen sehr häufig beleuchtete Signalvorrichtungen, die im wesentlichen ein farbiges Glas oder eine farbige Kunststoffplatte, die in die Öffnung eines Gehäuses eingesetzt ist, und dahinter eine Lichtquelle, meistens eine Glühlampe, aufweisen, Demgegenüber haben Signalleuchten mit einer Vielzahl von Leuchtdioden verschiedene Vorteile, beispielweise lange Lebensdauer, geringen Stromverbrauch, der Ausfall einer Diode bewirkt keinen Ausfall der gesamten Signalleuchte und geringe Bautiefe bei Anordnung auf einer gedruckten Schaltung.

Aus der DE-OS 27 02 823 ist eine elektrisch beleuchtete Signalvorrichtung, die mindestens ein Feld mit einer Vielzahl von elektrisch gespeisten, elektrolumineszenten Dioden und eine durchscheinende oder durchsichtige Abdeckung aufweist, bekannt. Dabei ist die Abdeckung mit Erhebungen versehen, die individuell jeder Diode zugeordnet sind und die eine Bündelung oder Abweichung und bzw. oder Ausrichtung der von den Dioden abgesandten Lichtstrahlen sichern, wobei jede Erhebung eine Linse, vorzugsweise eine sphärische Linse bildet.

Bisher sind aber derartige Signalleuchten in größerem Umfang noch nicht eingesetzt worden, weil noch kein wirtschaftlicher Lösungsweg für Signalleuchten aufgezeigt worden ist, der die Normvorschriften in bezug auf Lichtstärkeverteilung erfüllt und bei dem sich

lü gleichzeitig auf einfache Weise eine unvermeidliche Störung, z. B. durch Ausfall mehrerer Leuchtdioden, leicht und schnell beseitigen läßt Der Ausfall einer oder einiger weniger Leuchtdioden hat noch keinen Einfluß auf die sichere Erkennbarkeit der Signalanzeige einer

Signalleuchte. Bei einer Serienschaltung einer gewissen Anzahl von Leuchtdioden kann der Ausfall einer Leuchtdiode die Anze"<ge störend beeinträchtigen. Deshalb wurde auch schon vorgeschlagen, die einzelnen Dioden teilweise in Reihe und teilweise parallel zu

schalten. Dies erfordert auf der Verdrahtungsseite einen erheblichen schaltungstechnischen Aufwand, der auch in gedruckter Schaltungstechnik noch nicht wirtschaftlich befriedigend gelöst wurde. Zudem bewirkt der Ausfall mehrerer Leuchtdioden, wenn die Anzeige zu Störungen führt, das Auswechseln der gesamten Leuchtdiodenanordnung inklusive der gedruckten Schaltung, da die Dioden üblicherweise in der gediuckten Schaltung eingelötet sind.

Deshalb wurde schon vorgeschlagen, mehrere

jo Leuchtdioden auf einen gemeinsamen Träger ketten- oder matrixartig anzuordnen (Funkschau 1980, Heft 6, Seite 86 oder Electronics 1978, Heft 17, Seite 129). Diese LED-Anzeige-Blöcke sind im allgemeinen für die Anzeige mehrerer alphanumerischer Zeichen vorgesehen, so daß eine Vielzahl von Anschlußstiften erforderlich ist.

In der DE-OS 28 37 596 ist eine Leuchtdioden-Zeile der eingangs genannten Art insbesondere für die Frequenzanzeige in Autoradios beschrieben. Dort sind auf einer Platine Leuchtdioden-Chips angeordnet, denen jeweils ein Lichistreuelement zugeordnet ist. Diese sind von einen die Platine allseits überdeckenden Gießharzkörper umgeben, der über den jeweiligen LED-Chip eine im wesentlichen konvexe Oberfläche aufweist. Zwischen Platine und LED-Chip ist ein hohlspiegelförmig gekrümmter Reflektor angeordnet. Diese LED-Zeile dient zur Anzeige der Frequenz in einem Radio. Dies kann digital oder auf einer Skala mit einem veränderbaren Punkt geschehen. In jedem Fall sind davon mehrere Anschlußstifle an der LED-Zeile erforderlich.

so Ausgehend von der oben genannten deutschen Offenlegungsschrift hat sich der Erfinder die Aufgabe gestellt, einen Leuchtdiodenbaustein für Verkehrssignalleuchten zu schaffen, der eine bessere und den Signalleuchten angepaßte Abstrahlcharakteristik aufweist. Die einzelnen Leuchtpunkte sollen eine hohe Leuchtdichte und eine optimale Ausleuchtung ermöglichen. Darüber hinaus soll eine Vielzahl von Leuchtdiodenbausteinen in beispielsweise gedruckten Schaltungsplatinen in einfacher Weise mit nur wenig Kontaktstiften eingesteckt

bo und zu verschiedenen Sinnbildern und Symbolanzeigen kombiniert werden können.

Diese Aufgabe wird für einen Leuchtdiodenbaustein der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen im Hauptanspruch oder den kennzeichnenden Merkmalen im Nebenanspruch gelöst.

Der Leuchtdiodenbaustein weist einen Körper als Träger mit einer guten Wärmeleitfähigkeit auf, in dem

eine vorgebbare Anzahl Ausnehmungen angeordnet sind, die jeweils einen lichtemittierenden Halbleiterkristall aufweisen. Unmittelbar auf den Träger ist eine sämtlichen Kristallen gemeinsame transparente Abdeckkappe vorgesehen, die mit dem Träger fr:st verbunden ist. Um eine intensivere Lichtabstrahlung zu erreichen, sind die Ausnehmungen im Träger für die lichlemittierenden Kristalle in an sich bekannter Weise als oberflächenverspiegelte Reflektoren ausgebildet. Dabei weisen erfindungsgemäß die Ausnehmungen parabelförmig gekrümmte Seitenflächen und plane Bodenflächen auf. Die einzelnen Kristalle können in den jeweiligen Ausnehmungen mit einem transparenten, elektrisch leitenden Kleber befestigt sein. Der Leuchtdiodenbaustein ist mit einer allen Kristallen gemeinsamen transparenten Abdeckung versehen, die entweder mit dem Träger vergossen oder mit angeformten Rastnasen und dafür vorgesehenen Ausnehmungen des Trägers fest verankert ist, wobei die Abdeckung zwischen den jeweiligen Ausnehmungen für die Kristalle flächig auf dem Träger aufliegt Dabei kann im Bereich der Kristalle zwischen dem Träger und der Abdeckkappe eine lichtdurchlässige Vergußmasse eingebracht sein. Um die Abstrahlcharakteristik zu verbessern und einen bestimmten Winkelbereich intensiver auszuleuchten, sind die jeweiligen, den einzelnen Kristallen zugeordneten gekrümmten Bereiche der Abdeckkappe entsprechend ausgeformt. Erfindungsgemäß sind die gekrümmten Bereiche der Abdeckkappe asymmetrisch zur Mittelachse in vertikaler oder horizontaler Richtung als konkave Oberflächen, die zur Mittelachse geneigt sein können, ausgebildet. Damit wird ein bevorzugter Lichtaustritl in einem Winkel beispielsweise von 0° in der Austrittsachse bis 7° nach unten erreicht, wobei bei 7° die Lichtstärke noch mehr als 50% der Axiallichtstärke beträgt. Der Wert bei spielspielsweise —15° liegt in der Praxis bei einer Lichtstärke von etwa 3 cd. Die elektrischen Anschlüsse der Kristalle sind untereinander auf isoliert angebrachten Leiterbahnen durch Bonden verbunden, wobei eine bestimmte Anzahl der Kristalle in Reihe und diese wiederum miteinander parallel geschaltet sein können. Die derartig kontaklierten Kristalle sind elektrisch an zwei Anschlußstifte angeschlossen, von denen zumindest einer isoliert im Träger eingebettet ist und beide Stifte beispielsweise auf der Rückseile des Leuchtdiodenbausteins angeordnet sein können. Zweckmäßigerweise werden die Anschlußstifte so ausgeführt, so daß sie in Federsteckverbinder, die in eine gedruckte Schaltung eingelötet sind, eingesteckt werden können.

Der gekrümmte Bereich der Abdeckkappe kann in horizontaler Richtung symmetrisch zur Mittelachse der Ausnehmung mit einer konkaven Oberfläche derart versehen sein, daß das emittierte und reflektierte bevorzugt in jeweils einen Winkelbereich von beispielsweise ±11° austritt. Damit wird eine intensivere Ausleuchtung, wie sie für Verkehrsampeln gefordert ist, erreicht. Dabei ist im Randbereich, also bei ± 11°, die Lichtstärke noch größer als 50% der axialen Lichtstärke. Bei einem Winkel von ± 25'' 'iegt der Wert bei einer Lichtstärke von etwa 5 cd. 5>in4 an einem Leuchtdiodenbaustein erfindungsgemäÖ die verschieden gekrümmten Bereiche der Abdeckfläcllen alternierend geordnet, so daß ein Leuchtpunkt bevorzugten vertikalen, ein anderer Leuchtpunkt den horizontalen Bereich ausleuchtet, so erscheint aus den üblichen Betrachtungsabstand der Leuchtdiodenbaustein gleichmäßig mit der gewünschten Lichtverteilung ausgeleuchtet zu sein.

In einer weiteren AusfOhrungsfonn können zu den jeweiligen Kristallen die gekrümmten Bereiche der Abdeckkappe sowohl die unterschiedlichen Krümmungen in Horizontal- und Vertikalrichtung als auch unterschiedliche Oberflächenneigungen aufweisen, so daß jeder Leuchtpunkt des Bausteines den gleichen bevorzugten Lichtaustritt aufweist. Bei beiden Anordnungen ergeben die Leuchtpunkte eines Leuchtdiodenbausteins, z. B. 18 lichtemittierende Kristalle, in der Summe mindestcns einen doppelt so hohen Axialwert in der Lichtstärke gegenüber den Halbwertswinkeln (z. B. horizontal ± 1Γ, vertikal 7°), weil jeder Leuchtpunkt nahezu den gleichen Lichtstärkeanteil im Zentrum aufweist. Nach oben erfolgt erfindungsgemäß bei beiden Anordnungen nahezu keine Abstrahlung.

Weitere Merkmale und Ausführungsformen des Leuchidiodenbausteins und die unterschiedliche Zuordnung zur Bildung verschiedener Symbolanzeigen für Verkehrssignalleuchten werden anhand der Zeichnung an Diagrammen und verschiedenen Ausführungsbeispiclen im einzelnen enäuiert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Leuchtdiodenbaustein in Vorderansicht, F i g. 2 den Leuchtdiodenbaustein im Schnitt nach Fig. 1.

Fig. 3a und 3b Diagramme der Lichtstä^rkenverteilunggcmäßDIN67 521,

F i g. 4 eine symmetrische Ausbildung der den Kristallen zugeordnete gekrümmten Bereiche der Abdeckkappe (Abdeckfläche),

jo F i g. 5 eine erfindungsgemäße asymmetrische Ausbildung der gekrümmten Bereiche,

F i g. 6 einen Leuchtdiodenbaustein mit erfindungsgemäß alternierend angeordneten Abdeckflächen unterschiedlicher Krümmungsbereiche.

J5 Fig. 7 Diagramme der Lichtstärkenverteilung nach dem erfindungsgemäßen Leuchtdiodenbaustein.

F i g. 8 und 9 verschiedene Symbolanzeigen für Signalleuchten kombiniert aus verschiedenförmigen Leuchtdioden-bausteinen und

Fig. 10 eine runde Signalleuchte mit quadratförmigen Leuchtdiodenbausteinen.

In F i g. 1 ist ein Leuchtdiodenbaustein im Schnitt dargestellt. Der Metallträger 2 weist eine Ausnehmung 3 auf, in der der lichtemittierende Halbleiterkristall 1 angeordnet ist. Die Halblciterkrisialle eines Leuchtdiodenbausteins sind parallel in Reihe oder kombiniert angeschlossen und mit dem im Träger 2 angeordneten Steckerstiftpaar verbunden, was im einzelnen nicht dargestellt ist. Die Ausnehmung 3 besitzt parabelförmige Seitenflächen 3.7 und eine plane Bodenfläche 36, die oberflächenvcrspiegelt sind und somit einen Lichtreflektor bilden. Der Kristall 1 ist beispielsweise mil einem transparenten Kleber 3c in der Ausnehmung 3 befestigt. Unmittelbar auf dem Träger 2 und über den einzelnen Kristallen 1 ist eine transparente gegossene Abdeckkappe 6 angeordnet, die mit den Träger 2 fest verbunden ist. Die Abdeckkappe ist hier seitlich über den Träger 2 geführt und mit angeformten Nasen 8 in dafür vorgesehenen Ausnehmungen 7 des Trägers spielfrei

bo angeschlossen. Es kann aber auch die Abdeckkappe 6 auf dem Träger 2 aufgeklebt ist.

Jedem lichtemittierenden Kristall 1 ist ein linsenartig ausgebildeter Bereich 9 der Abdeckkappe 6 zur Ausrichtung des Lichtstrahls zugeordnet. Die Ausbildung

b5 der den Kristallen zugeordneten gekrümmten Bereiche sind in in den F i g. 3 und 4 dargestellt und werden später erläutert.

In F-" i g. 3 ist ein Diagramm für die Lichtstärkenvertei-

5 6

lung Ims dargestellt, wie sie für Signalleuchten gemäß diodenbausteins fällt von 0° (Axialwert) nach oben, also DIN 67 521 gefordert wird. Dabei zeigt Fig. 3a die Ho- in Richtung + 7°, sehr rasch auf den Wert 0 ab. rizontal- und F i g. 3b die Vertikal-Verteilung der Licht- In den F i g. 8 und 9 sind verschiedene Beispiele für

stärke / bezogen auf die Winkelbereiche. Eine Signal- unterschiedliche Symbolanzeigen dargestellt. Dabei leuchte muß symmetrisch zur Mittelachse (0°) in hori- 5 werden Leuchtdiodenbausteine der verschiedensten zontaler Richtung bei jeweils einem Winkel von ± 1 Γ Formgebungen mit jeweils entsprechenden Farben 50% der Lichtstärke I din gegenüber dem Axialwert der kombiniert.

Lichtstärke ('/dw) bei 0° besitzen. In Fig. 9a ist eine Symbolanzeige für eine Fußgän-

In vertikaler Richtung ist in einem Winkel von —7° gerampel für »Gehen« dargestellt. Dabei ist das grünbei der Signalleuchte nach unten eine Lichtstärke /_/JW 10 leuchtende, gehende Männlein aus verschiedenförmigen von 50% gegenüber der Axiallichtstärke bei 0° erfor- Leuchtdiodenbausteinen gemäß Fig. 2 gebildet. Ebenso dcrlich. Eine Lichtabstrahlung nach oben (+ 11°) ist ist das stehende, rotleuchtende Männlein aus den erfinnicht notwendig. Vielmehr soll das normalerweise nach dungsgemäßen Leuchtdiodenbausteinen gebildet und oben (+ 11°). in F i g. 3b mit l,_m gestrichelt dargestellt, stellt das Fußgängersignal »Halt« dar (F i g. 9b). abgestrahlte Licht gemäß der Erfindung nach unten, in- 15 In Fig. 10 ist eine kreisförmige Signalleuchte mit r.erhaib eines Halbwcrtswinkels von —7° abgestrahlt 200 mm Durchmesser dargestellt, die aus einer fviehrwerden. Eine normale Leuchtdiode weist eine zirkum- zahl von quadratförmigen erfindungsgemäßen Leuchtpolare Lichtstärkenverteilung Iimd, wie in Fig. 3a und diodenbausteinen gebildet ist. Dabei treten im Randbe-3b gestrichelt dargestellt, auf. reich kleine Flächen 1 auf, die nicht mit Leuchtpunkten

In Fig.4a ist in Vorderansicht und in Fig.4b im 20 der Leuchtdiodenbausteine erfaßt sind. Ebenso können Schnitt eine konkave Abdeckfläche 9a des gekrümmten kleine Lücken 2 zwischen jeweiligen Leuchtdiodenbau-Bereichs der Abdeckkappe 6 dargestellt, um einen be- steinen auftreten. Wenn diese Flächen 2 bzw. der Abvorzugten Lichtaustritt in horizontaler Richtung, gemäß stand 2 zwischen zwei Leuchtdiodenbausteinen hinrei-DIN 67 521, zu erzielen. Im Gegensatz zu den bekann- chend klein gegenüber der Fläche bzw. der Länge der ten linsenförmigen Erhebungen (9 in Fig. 1) sind sym- 25 Oberfläche eines Leuchtdiodenbausteins ist, tritt für eimetrisch zur Mittelachse A der Ausnehmung 3 bzw. des nen Betrachter aus einer praktischen Entfernung von 3 Kristalls 1 horizontale konkave Flächen 10 und 11 un- oder mehr Metern Absland keine Beeinträchtigung der mittelbar dem Kristall 1 vorgesetzt. Das emittierte und Signalanzeige auf. Aus dieser Entfernung sind diese reflektierte Licht tritt bevorzugt im Winkelbereich von nicht ausgeleuchteten Flächen 1 und 2 nicht zu erken- ± ll^c aus der Abdeckflächc 9a aus. Die Lichtstärken 30 nen. Wenn bei einer Symboldarstellung mit gleichen teilen sich kontinuierlich fallend von der Mitte 0° seit- oder gemischten Leuchtdiodenbausteinen ein geforderlich bis ± 11". tes Symbol nicht konturengerecht, wie z. B. die Leuchtin Fig. 5a ist in Vorderansicht und in Fig. 5b in Sei- flächen 3, dargestellt werden kann, so kann in bekannter tenansicht eine erfindungsgemäße Abdeckfläche 9b des Weise eine Lackabdeckung auf der bombierten Abgekrümmten Bereichs der Abdeckkappe 6 dargestellt, 35 schlußscheibe oder eine eingelegte Maske diesem abum einen bevorzugten Lichtaustritt in vertikaler Rieh- helfen. Im allgemeinen läßt sich aber aus der Kombinatung, gemäß DIN 67 521, zu erzielen. Eine asymmetrisch tion der verschiedenförmigen Leuchtdiodenbausteine zur Mittelachse A konkave 12, dem Kristall 11 unmittel- jedes gewünschte Symbol darstellen.

bar vorgesetzte Abdeckfläche 9b läßt das emittierte und

reflektierte Licht bevorzugt im Winkelbereich von 0° 40 Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

bis 7° austreten. Die konkave Fläche 12 ist gegenüber

der Mittelachse A entsprechend geneigt. Die Lichtstärke fällt kontinuierlich von der oberen Kante der Ausnehmung 3 bei einem Winkel von 0° nach unten auf
einen Winkel von — 7^r ab. 45

Ein Leuchtdiodenbaustein, bei dem die Lichtstärke
der Halbwertswinkeln (±11° und — 7°) mindestens
50% beträgt, kann auf diese Weise je zur Hälfte alternierend mit Abdeckflächen 9a für die horizontale Vorzugsrichtung und mit Abdeckflächen 9b für die vertikale 50
Verzugsrichtung aufgebaut sein, wie in den Fig.5a bis
5d dargestellt. Hier gehen dieselben Bezugszeichen wie
in den Fig. 1,4 und 5. Dabei bedeutet Ioden Axialwert
der Lichtstärke /.

In Fig. 7a ist das Diagramm für die Lichtstärke Iled 55
eines Leuchtpunktes des Leuchtdiodenbausteins mit
konkaver Abdeckfläche 9a in horizontaler Richtung und
in Fig.7b mit konkaver Abdeckfläche 9b in vertikaler
Richtung dargestellt ähnlich der F i g. 3. In F i g. 7a liegt
die Axiallichtstärkc eines Leuchipunktes des erfin- m>
dungsgemäßen Leuchtdiodenbausteins bei 0° (I_n n)
über den geforderten Axialwert Io nach DlN 67 521
(Ims gestrichelt dargestellt). Ebenso liegt die Lichtstärke des Halbwertswinkels bei ± 11° über dem geforderten DIN-Wert. Nach der erfindungsgemäßen Anord- b5
nung ist eine Lichtabstrahlung eines Leuchtdiodenbausteins nach oben nahezu unterbunden, was in Fig. 7b
veranschaulicht ist. Die Lichtstärke Irin eines Leucht-

Claims

Patentansprüche:

1. Leuchtdiodenbaustein für Verkehrssignalleuchten mit einer Mehrzahl von lichtemittierenden Kristallen (1), die in zur Abstrahlrichtung offenen, oberflächenverspiegelten Ausnehmungen (3) eines gemeinsamen Trägers (2) angeordnet sind und eine gemeinsame transparente Abdeckkappe (6) mit jeweils den einzelnen lichtemittierenden Kristallen (1) zugeordneten gekrümmten Bereichen (9) aufweisen, d a durch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (3) parabelförmig gekrümmte Seitenflächen (3a) und plane Bodenflächen (3b) und die gekrümmten Bereiche (9b) der Abdeckkappe (6) jeweils asymmetrisch zur Mittelachse (A) der Ausnehmung (3) vertikal oder horizontal geneigte konkave Oberflächen (12) aufweisen, wobei die Anschlußpunkte der lichtemittierenden Kristalle untereinander elektrisch verbunden und an zwei Anschlußstifte (4) angeschlossen sind.

2. Leuchtdiodenbaustein nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige gekrümmte Bereiche (9a) der Abdeckkappe (6) jeweils symmetrisch zur Mittelachse (A) der Ausnehmung (3) konkave Oberflächen (10, 11) und die übrigen gekrümmten Bereiche (9ö^der Abdeckkappe (6) jeweils asymmetrisch zur Mittelachse (A) der Ausnehmung (3) vertikal oder horizontal geneigte konkave Oberflächen (12) und die Ausnehmungen (3) parabelförmig gekrümmte Seitenflächen (3a) und plane Bodenflächen (36J aufweisen, wobei die Anschlußpunkte der lichtemittierenden Kristalle untereinander elektrisch verbunden und an zwei Anschlußstifte (4) angeschlossen sind.

3. Leuchtdiodenbaustein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristalle (1) matrixartig angeordnet verschiedenartig ausgebildete geometrische Leuchtdiodenbausteine bilden, die zur Bildung verschiedener Symbolan/.eigen oder Signalgeber für Verkehrssignalleuchten zueinander unterschiedlich angeordnet sind.