EP1179219A1 - Led-modul für signaleinrichtungen - Google Patents

Led-modul für signaleinrichtungen

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EP1179219A1
EP1179219A1 EP00943604A EP00943604A EP1179219A1 EP 1179219 A1 EP1179219 A1 EP 1179219A1 EP 00943604 A EP00943604 A EP 00943604A EP 00943604 A EP00943604 A EP 00943604A EP 1179219 A1 EP1179219 A1 EP 1179219A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
led module
module according
led
lenses
light
Prior art date
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Granted
Application number
EP00943604A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1179219B1 (de
Inventor
Günter Waitl
Simon BLÜMEL
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Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
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Filing date
Publication date
Family has litigation
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Application filed by Osram Opto Semiconductors GmbH filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
Publication of EP1179219A1 publication Critical patent/EP1179219A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1179219B1 publication Critical patent/EP1179219B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L5/00—Local operating mechanisms for points or track-mounted scotch-blocks; Visible or audible signals; Local operating mechanisms for visible or audible signals
    • B61L5/12—Visible signals
    • B61L5/18—Light signals; Mechanisms associated therewith, e.g. blinders
    • B61L5/1809—Daylight signals
    • B61L5/1836—Daylight signals using light sources of different colours and separate optical systems
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01F—ADDITIONAL WORK, SUCH AS EQUIPPING ROADS OR THE CONSTRUCTION OF PLATFORMS, HELICOPTER LANDING STAGES, SIGNS, SNOW FENCES, OR THE LIKE
    • E01F9/00—Arrangement of road signs or traffic signals; Arrangements for enforcing caution
    • E01F9/50—Road surface markings; Kerbs or road edgings, specially adapted for alerting road users
    • E01F9/553—Low discrete bodies, e.g. marking blocks, studs or flexible vehicle-striking members
    • E01F9/559—Low discrete bodies, e.g. marking blocks, studs or flexible vehicle-striking members illuminated
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
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    • E01F9/50—Road surface markings; Kerbs or road edgings, specially adapted for alerting road users
    • E01F9/576—Traffic lines
    • E01F9/582—Traffic lines illuminated
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
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    • E01F9/00—Arrangement of road signs or traffic signals; Arrangements for enforcing caution
    • E01F9/50—Road surface markings; Kerbs or road edgings, specially adapted for alerting road users
    • E01F9/576—Traffic lines
    • E01F9/594—Traffic lines movable for reuse at different locations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V5/00—Refractors for light sources
    • F21V5/007—Array of lenses or refractors for a cluster of light sources, e.g. for arrangement of multiple light sources in one plane
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V5/00—Refractors for light sources
    • F21V5/04—Refractors for light sources of lens shape
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    • B61L2207/00—Features of light signals
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F21W—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO USES OR APPLICATIONS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS
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    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the invention relates to an LED module, which can be used in particular in signal devices with a very small beam angle.
  • Conventional railway signaling technology usually uses a strong light source with small dimensions such as the filament of an incandescent lamp, placed in the focus of an optical lens and projected into infinity at the level of the driver. Due to the high luminance of the light source, there is a very high light intensity with a very small beam angle, so that the signal can still be clearly recognized even from a great distance (> 3 km).
  • incandescent lamps have a limited lifespan, the failure of the incandescent lamp used for a railway signal device always being associated with a total failure of the entire signal device.
  • the light bulbs in the railway signaling devices must be replaced at regular intervals. These time intervals are much shorter than the average life of the lamp, so that the replacements involve a considerable amount of material and time.
  • incandescent lamps which have a second incandescent filament are used in the railway signaling devices. This second filament is switched on if the first filament fails.
  • the second filament is not optimally arranged in the focus of the lens, the light intensity of the path signal drops to approx. 12% in the event of an error. Therefore, a repair must be carried out immediately in this case.
  • LEDs semiconductor light-emitting diodes
  • optics are required which are suitable for bundling the light emitted by the individual LEDs in such a way that it also is perceived at a relatively large distance as an extensive and brightly shining light source.
  • a system consisting of an LED arrangement with only one lens is not suitable since the beam angle cannot be reduced below a physically determined limit value.
  • An LED module is known from US-A-5404282, in which a number of LEDs are fixedly mounted between two parallel, electrically conductive rods. According to FIG. 3 of this document, the LEDs used therein are each cast with their electrical leads in a transparent plastic such as epoxy resin.
  • a lens can be produced by providing the light exit surface of this synthetic resin block with a bump, ie a section that is curved outwards.
  • each unit consisting of an LED and a lens must be manufactured individually in this way. This type of production is too complex for the production of a matrix from several LEDs with associated lenses.
  • the failure of the LED means that the lens can no longer be used, making this arrangement very inflexible. It is therefore the object of the present invention to provide an LED module, in particular for use in signaling devices or lighting devices, which can be manufactured and constructed as simply as possible and can be used as flexibly as possible.
  • the invention describes an LED module with a regular arrangement of LEDs, which are mounted on a circuit board and are each provided with a light-bundling optical device, wherein an optical support plate is also provided, which the light-bundling optical devices in one of the LED Arrangement corresponding regular arrangement contains.
  • the light-bundling optical devices are formed by lenses.
  • the optics carrier plate contains an arrangement of depressions corresponding to the LED arrangement, into which the lenses can be inserted as individually manufactured components.
  • the lenses are each constructed in such a way that they have a square-shaped main body with an outwardly curved light exit surface and a base which is tapered in cross-section with respect to the main body and corresponds to the recess of the optics carrier plate.
  • elevations are arranged in the optics carrier plate instead of the depressions, onto which the lenses can be attached.
  • a particular advantage of this embodiment is that the module can be easily and quickly adapted to different areas of application and the parameters specified thereby.
  • the lenses are integrally formed in the optics carrier plate.
  • the optical carrier plate must consist of a material that is transparent to the emission wavelength of the LEDs.
  • the light-bundling optical devices are formed by optical channels which are integrated in the optics carrier plate and which have inclined or curved, reflecting inner walls.
  • a further light-bundling optical device in particular a lens, is arranged directly on each LED component, which is thus connected upstream of the respective light-bundling optical device of the optics carrier plate.
  • the optics carrier plate and / or the lenses contain polymethyl methacrylate (PMMA). Regardless of the choice of the material of the optics carrier plate and the lenses, it is also desirable if the optics carrier plate and / or the lenses - optionally as a one-piece part - are made by injection molding.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • An LED which is preferably used for the LED module according to the invention is, for example, in the article "SIEMENS SMT-TOPLED for surface mounting" by F. Möllmer and G. Waitl in the magazine Siemens Components 29 (1991), issue 4, p. 147 in connection described with picture 1.
  • This form of LED is extremely compact and allows a large number of LEDs to be arranged on the circuit board.
  • the LED module according to the invention is particularly suitable for installation in signaling devices such as railway signaling devices or control signal devices or embedded in the floor lighting equipment of any kind used for other purposes.
  • Fig.l is a side or cross-sectional view of a first embodiment of an LED module according to the invention.
  • FIG. 2A shows a side view of a lens used in an LED module according to FIG. 1; and FIG. 2B shows a view of the lens from the side of the light exit surface;
  • FIG 3 shows a side or cross-sectional view of a second embodiment of an LED module according to the invention.
  • a first embodiment of an LED module according to the invention with a circuit board 1 and an optics carrier plate 2 is shown in a side view in FIG.
  • a plurality of LEDs 10 are shown on the circuit board 1 in the arrangement of a matrix.
  • the arrangement can also be formed by a single row of LEDs.
  • a metal core board is preferably used as the board 1 in order to improve the heat dissipation from the LEDs, as a result of which the luminous efficacy of the LEDs can be improved.
  • the LEDs are preferably mounted on the circuit board 1 using surface mounting technology SMT (Surface-Mount Technology).
  • SIEMENS SMT-TOPLED can be used as LED 10.
  • the circuitry structure of the LEDs 10 can be such that several separate, independent circuits are arranged. This ensures a high level of reliability for the module.
  • the LEDs 10 can be arranged in two independent circuits, each with 15 parallel strands, two LEDs 10 being connected in series in each individual strand.
  • the optics carrier plate 2 containing the lens arrangement is orderly .
  • the circuit board 1 and the optics carrier plate 2 can be rigidly connected to one another in a suitable manner so that their relative position to one another remains constant.
  • the circuit board 1 and the optics carrier plate 2 are preferably connected to one another via a snap-in plug connection.
  • the optics carrier plate 20 contains a plurality of lenses 20, which are individually assigned to the LEDs 10.
  • An optics carrier plate 20 can be used, in whose surface on the light exit side the lenses 20 are shaped, for example, as elevations, so that the lenses 20 are integrally connected to the optics carrier plate 2.
  • an arrangement as in FIG. 1 is preferred, in which the lenses 20 are manufactured as individual components and can be inserted into the optics carrier plate 2 by means of a snap-in plug connection.
  • the optics carrier plate 2 is shaped in the manner of a type case with a number of depressions 25 which are in the same matrix-like arrangement as the LEDs 10. These depressions 25 have, for example, a circular cross section.
  • each LED component 10 Immediately on each LED component 10 is a further light-bundling optical device 11, in particular a lens, which is thus connected upstream of the respective light-bundling optical device 20, 30 of the optics carrier plate 2 in the direction of radiation of the LED component 10.
  • a single lens 20 is shown in a side view (A) and a view from the side of the light exit surface (B).
  • the lens 20 accordingly consists of a square-shaped main body 21 and a base 22 connected to it on the side opposite the side of the light exit surface, which is tapered in cross-section with respect to the main body 21.
  • the base 22 is complementary to the recess 25 of the optics support plate 2, so that in the inserted
  • the surface of the main body 21 projecting at the boundary of the base 22 to the main body 21 rests on the optics carrier plate 2. Furthermore, the cross section of the main body 21 is dimensioned such that the main bodies 21 of the lenses 20 are in contact with one another without gaps in the inserted state. lying there.
  • the exemplary embodiment according to the invention thus has the advantage that the module appears as a homogeneously illuminated surface when viewed from a distance of a few meters.
  • the complementarity of the optical support plate 2 and the lenses 20 can also be carried out in reverse, in which case instead of the recesses 25 corresponding elevations are formed in the optical support plate 2 and the individual lenses 20 are provided with corresponding complementary recesses.
  • the main body 21 has on the light exit surface an outwardly curved surface 21a, through which the actual lens is formed.
  • the curved surface 21a can be shaped such that the active surface of the LED 10 lies in the focal point of the lens 20.
  • the side walls of the main body 21 and / or the base 22 can be shaped as reflectors to increase the luminous efficiency.
  • Polymethyl methacrylate (PMMA) with a refractive index of 1.5 is particularly suitable as the material for the optics carrier plate 2 and the lenses 20. But others can too
  • Plastics are used, the shape of the lens, i.e. the shape of the curved surface 21a must be changed.
  • An injection moldable material is preferably used for series production with large quantities.
  • FIG. 1 A second embodiment of an LED module according to the invention is shown in a side view in FIG.
  • a circuit board 1 with a regular arrangement of LEDs 10 applied thereon is used.
  • the optics carrier plate 2 as light-bundling optical devices, has a regular arrangement of optical channels 30 corresponding to the LED arrangement, which channels are formed in the optics carrier plate 2 and have reflecting side walls.
  • the side walls are inclined in such a way that the channel cross section increases in the direction of light propagation.
  • a curved course can also be provided.
  • the channels 30 are preferably formed as bores through the optics carrier plate 2, which are either continuous or extend at least over part of the cross section of the optics carrier plate 2.
  • the channels 30 consist of a material with a relatively high refractive index, as in the case of a refractive index-guided glass fiber, while the material of the optics carrier plate 2 surrounding the channels 30 has a relatively low refractive index, so that this is due to the Interface light is reflected there by total reflection.
  • the change in the refractive index can be gradual or gradual.
  • Additional lenses can be provided in the LED module of the second exemplary embodiment (FIG. 3). These can be placed on the channels 30 on one side of the optics carrier plate 2. If the channels 30 are formed by bores, the additional lenses can also be inserted into these bores as in the first exemplary embodiment.
  • the LED module according to the invention has the advantage that it appears as a homogeneously illuminated surface when viewed from a distance of a few meters.
  • the module according to the invention can be used particularly advantageously in the case of railway signaling devices. However, it can also be used for other signaling devices, such as guidance signal devices embedded in the ground, which are used to illuminate paths, streets, squares, tunnels, take-off and landing trains or the like.
  • the flat design of the LED module according to the invention has a particularly advantageous effect in such applications.
  • traffic lights or spotlights such as spotlights, or other such lighting objects as can be used for effect lighting, for example in discotheques.
  • the emission wavelength of the LED is arbitrary.
  • multi-colored signals can also be generated by using LEDs of different colors.
  • a white light LED can also be used to imitate the optical properties of a conventional rail signal device as far as possible.
  • an LED with the shortest possible wavelength such as GaN in the blue spectral range, must be used, to which a suitable converter material for producing shorter wavelengths is then applied, so that the optical impression of a white light source results from the mixing of the wavelengths.

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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 Optik-Trägerplatte (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 Optik-Trägerplatte (2) integrierte optische Kanäle (30) mit reflektierenden Seitenwänden sein.

Description

Beschreibung
LED-Modul für Signaleinrichtungen
Die Erfindung betrifft ein LED-Modul, welches insbesondere in Signaleinrichtungen mit sehr kleinem Abstrahlwinkel 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 großer Entfernung (> 3 km) noch eindeutig zu erkennen ist.
Bekanntermaßen haben Glühlampen jedoch eine begrenzte Lebensdauer, wobei der Ausfall der für eine Bahnsignaleinrichtung verwendeten Glühlampe stets mit einem Totalausfall der gesamten Signaleinrichtung verbunden ist. Deshalb müssen die Glühlampen bei den Bahnsignaleinrichtungen vorsorglich in regelmäßigen Zeitabständen gewechselt werden. Diese Zeitabstände sind weit kürzer als die durchschnittliche Lebensdauer der Lampe, so daß mit den Auswechslungen ein erheblicher Material- 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 Glühwendel 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. Daher muß auch in diesem Fall eine Reparatur umgehend erfolgen.
Auch bei anderen Signaleinrichtungen wie Leitsignaleinrichtungen, die zur Leuchtmarkierung von Wegen, Straßen oder Start- und Landebahnen in den Boden eingelassen werden, be- stehen ähnliche Probleme aufgrund der Verwendung herkömmlicher Glühlampen als Lichtquellen.
Aufgrund der hohen Ausfallempfindlichkeit konventioneller Glühlampen bietet es sich daher an, als Lichtquellen Halbleiter-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 insgesamt geringeren Platzbedarf aufweisen. Um jedoch eine für eine Bahnsignaleinrichtung oder eine vergleichbare Einrichtung wie einen Scheinwerfer geeignete LED-Anordnung bereitzustellen, 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 Druckschrift werden die darin verwendeten LEDs jeweils mit ihren elektrischen Zuleitungen in einen transparenten Kunststoff wie Epoxidharz eingegossen. Eine Linse kann dadurch hergestellt 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 einer 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 Anordnung der Ausfall der LED dazu, daß auch die Linse nicht mehr verwendet werden kann, wodurch diese Anordnung sehr unflexibel 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 Optik-Trägerplatte vorgesehen ist, die die lichtbündelnden optischen Einrichtungen in einer der LED-Anordnung entsprechenden regelmäßigen Anordnung enthält. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 18.
In einer ersten Ausführungsform werden die lichtbündelnden optischen Einrichtungen durch Linsen gebildet. In einer Vari- ante davon enthält die Optik-Trägerplatte eine der LED-Anordnung entsprechende Anordnung von Vertiefungen, in welche die Linsen als einzeln gefertigte Bauteile einsteckbar sind. Be- vorzugterweise sind die Linsen dabei jeweils derart aufgebaut, daß sie einen vierkantförmigen Hauptkörper mit einer nach außen gewölbten Lichtaustrittsfläche und einen im Querschnitt gegenüber dem Hauptkörper verjüngten und zu der Vertiefung der Optik-Trägerplatte entsprechenden komplementären Sockel aufweisen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß in der Optik-Trägerplatte anstelle der Vertiefungen Erhebungen angeordnet sind, auf die die Linsen aufsteckbar sind.
Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß das Modul auf einfache und schnelle Weise verschiedenen Anwendungsbereichen und den dadurch vorgegebenen Parametern angepaßt werden kann.
Nach einer weiteren Variante der ersten Ausführungsform sind die Linsen integral in der Optik-Trägerplatte ausgebildet. In diesem Fall muß die Optik-Trägerplatte aus einem für die Emissionswellenlänge der LEDs transparenten Material bestehen.
In einer zweiten Ausführungsform werden die lichtbündelnden optischen Einrichtungen durch optische Kanäle gebildet, die in die Optik-Trägerplatte integriert sind und die schräggestellte oder gekrümmte, reflektierende Innenwände aufweisen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist unmittelbar auf jedem LED-Bauelement eine weitere lichtbündelnde optische Einrichtung, insbesondere eine Linse angeordnet ist, die somit der jeweiligen lichtbündelnden optischen Einrichtung der Optik- Trägerplatte vorgeschaltet ist. Dadurch können vorteilhafter- weise sehr enge Abstrahlwinkel erzielt werden.
Weitere Ausführungsformen können durch Kombinationen der ersten und der zweiten Ausführungsform gebildet werden.
Weiterhin bevorzugt ist, daß die Optik-Trägerplatte und/oder die Linsen Polymethylmethacrylat (PMMA) enthalten. Unabhängig von der Wahl des Materials der Optik-Trägerplatte und der Linsen ist es ferner wünschenswert, wenn die Optik-Trägerplatte und/oder die Linsen - 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 jedweder Art .
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen der zwei Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig.l eine Seiten- oder Querschnittsansicht auf eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LED-Moduls;
Fig.2A eine Seitenansicht einer bei einem LED-Modul nach Fig.l 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 Optik-Trägerplatte 2 ist in Fig.l in einer Seitenansicht dargestellt. Auf der Platine 1 sind eine Mehrzahl von LEDs 10 in der Anordnung einer Matrix dargestellt. 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 verbessert werden kann. Die LEDs werden bevorzugterweise in der Oberflächen ontagetechnik SMT (Surface-Mount Technology) auf der Platine 1 montiert. Als LED 10 kann dabei die bereits erwähnte SIEMENS SMT-TOPLED eingesetzt werden. Der schal- tungstechnische 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 Optik-Trägerplatte 2 an- geordnet . Die Platine 1 und die Optik-Trägerplatte 2 können in geeigneter Weise miteinander starr verbunden sein, damit ihre relative Lage zueinander konstant bleibt. Vorzugsweise werden die Platine 1 und die Optik-Trägerplatte 2 über eine einrastende Steckverbindung miteinander verbunden.
Die Optik-Trägerplatte 20 enthält eine Vielzahl Linsen 20, die einzeln jeweils den LEDs 10 zugeordnet sind. Es kann eine Optik-Trägerplatte 20 verwendet werden, in deren licht- austrittsseitiger Oberfläche die Linsen 20 beispielsweise als Erhebungen geformt sind, so daß die Linsen 20 integral mit der Optik-Trägerplatte 2 verbunden sind. Bevorzugt ist jedoch eine Anordnung wie in Fig.l, bei der die Linsen 20 als einzelne Bauteile gefertigt sind und in die Optik-Trägerplatte 2 durch eine einrastende Steckverbindung eingesteckt werden können. Dazu ist die Optik-Trägerplatte 2 nach Art eines Setzkastens mit einer Anzahl von Vertiefungen 25 geformt, die in derselben matrixförmigen Anordnung wie die LEDs 10 vorliegen. Diese Vertiefungen 25 weisen beispielsweise einen kreis- runden Querschnitt auf.
Unmittelbar auf jedem LED-Bauelement 10 ist eine weitere lichtbündelnde optische Einrichtung 11, insbesondere eine Linse angeordnet ist, die somit der jeweiligen lichtbündeln- den optischen Einrichtung 20,30 der Optik-Trägerplatte 2 in Abstrahlrichtung des LED-Bauelements 10 vorgeschaltet ist.
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 Vierkantförmigen 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 Optik-Trägerplatte 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 Optik-Trägerplatte 2 aufliegt. Ferner ist der Querschnitt des Hauptkörpers 21 derart dimensioniert, daß im eingesetzten Zustand die Hauptkörper 21 der Linsen 20 lückenlos aneinan- derliegen. Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel hat somit den Vorteil, daß das Modul bei der Betrachtung aus einer Entfernung von wenigen Metern als homogen ausgeleuchtete Fläche erscheint .
Je nach dem Herstellungsaufwand kann die Komplementarität von Optik-Trägerplatte 2 und Linsen 20 auch umgekehrt ausgeführt sein, wobei dann anstelle der Vertiefungen 25 in die Optik- Trägerplatte 2 entsprechende Erhebungen geformt sind und die einzelnen Linsen 20 mit entsprechenden komplementären Vertiefungen versehen 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 Lichtaustrittsoberflache 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 ausgeformt sein.
Als Material für die Optik-Trägerplatte 2 und die Linsen 20 eignet sich besonders gut Polymethylmethacrylat (PMMA) mit einem Brechungsindex von 1,5. Es können aber auch andere
Kunststoffe eingesetzt werden, wobei dann gegebenenfalls aufgrund eines anderen Brechungsindex die Form der Linse, d.h. die Form der gewölbten Fläche 21a geändert werden muß. Für den Serieneinsatz mit großen Stückzahlen wird vorzugsweise ein spritzgußfähiges Material eingesetzt.
Eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LED-Moduls ist in Fig.3 in einer Seitenansicht dargestellt. Bei dieser wird wie in Fig.l eine Platine 1 mit einer regelmäßi- gen darauf aufgebrachten Anordnung von LEDs 10 verwendet. Die Optik-Trägerplatte 2 weist hier jedoch als lichtbündelnde optische Einrichtungen eine der LED-Anordnung entsprechende regelmäßige Anordnung von optischen Kanälen 30 auf, die in die Optik-Trägerplatte 2 geformt sind und die reflektierende Sei- tenwände aufweisen. Die Seitenwände sind, wie dargestellt, derart schräggestellt, daß sich der Kanalquerschnitt in Lichtausbreitungsrichtung vergrößert. Anstelle gerade verlaufender Seitenwände kann auch ein gekrümmter Verlauf vorgesehen sein. Vorzugsweise sind dabei die Kanäle 30 als Bohrungen durch die Optik-Trägerplatte 2 geformt, die entweder durchgängig sind oder sich zumindest über einen Teil des Querschnitts der Optik-Trägerplatte 2 erstrecken. Es kann aber auch vorgesehen sein, daß die Kanäle 30 wie bei einer bre- chungsindexgeführten Glasfaser aus einem Material mit relativ hohem Brechungsindex bestehen, während das die Kanäle 30 umgehende Material der Optik-Trägerplatte 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 vorgesehen werden. Diese können auf einer Seite der Optik-Trägerplatte 2 auf die Kanäle 30 aufgesetzt werden. Falls die Kanäle 30 durch Bohrungen gebildet werden, können die zusätzlichen Linsen 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 Bahnsignaleinrichtungen vorteilhaft einsetzbar. Es kann aber auch für andere Signaleinrichtungen wie in den Boden eingelassene Leitsignaleinrichtungen 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 Beleuchtungsgegenstände, 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 konventionelle Bahnsignaleinrichtung in den optischen Eigenschaften möglichst zu imitieren, kann auch eine Weißlicht-LED einge- setzt werden. Dazu muß beispielsweise eine LED möglichst kurzer Wellenlänge, wie GaN im blauen Spektralbereich, verwendet, auf die dann ein geeignetes Konvertermaterial zur Erzeugung kürzerer Wellenlängen aufgebracht wird, so daß sich durch die Wellenlängenmischung der optische Eindruck einer Weißlichtquelle ergibt.

Claims

Patentansprüche
1. LED-Modul, mit einer regelmäßigen Anordnung von einzelnen, insbesondere oberflächenmontierbaren LED-Bauelementen (10), die auf einer Hauptfläche einer elektrischen Anschlußplatte (1), insbesondere einer Platine, montiert sind, wobei jedem LED-Bauelement (10) mindestens eine in Abstrahlrichtung angeordnete lichtbündelnde optische Einrichtung (20; 30) zugeordnet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Optik-Trägerplatte (2) vorgesehen ist, die die entsprechend der regelmäßigen Anordnung der LED-Bauelemente (10) angeordneten optischen Einrichtungen (20; 30) enthält und die Optik-Trägerplatte (2) in einem Abstand zur elektrischen Anschlußplatte (1) über den LED-Bauelementen (10) positioniert ist.
2. LED-Modul nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die lichtbündelnden optischen Einrichtungen (20; 30) Linsen (20) sind.
3. LED-Modul nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Optik-Trägerplatte (2) derart in bezug auf die elektrische Anschlußplatte (1) angeordnet ist, daß jeder LED- Chip der LED-Bauelemente (10) im Brennpunkt der diesem zu- gehörigen Linse (20) positioniert ist.
4. LED-Modul nach Anspruch 2 oder 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Optik-Trägerplatte (2) eine der LED-Anordnung entspre- chende Anordnung von Vertiefungen (25) oder Erhebungen enthält, und die Linsen (20) als einzeln gefertigte Bauteile in die Vertiefungen (25) einsteckbar oder auf die Erhebungen aufsteckbar sind.
5. LED-Modul nach Anspruch 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, 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 Optik-Trägerplatte (2) komplementären Sockel (22) aufweisen.
6. LED-Modul nach Anspruch 5 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die vierkantförmigen Hauptkörper (21) im eingesteckten Zustand der Linsen (20) lückenlos aneinanderliegen.
7. LED-Modul nach Anspruch 5 oder 6 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Seitenwände der Vertiefungen (25) und/oder des Haupt- körpers (21) und/oder des Sockels (22) als Reflektoren ausgeformt sind.
8. LED-Modul nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Linsen (20) integral in der Optik-Trägerplatte (2) ausgebildet sind.
9. LED-Modul nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die lichtbündelnden optischen Einrichtungen (20) in die Optik-Trägerplatte (2) geformte optische Kanäle (30) mit reflektierenden Wänden sind.
10. LED-Modul nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Kanäle (30) in die Optik-Trägerplatte (2) geformte Bohrungen oder Bereiche mit relativ hohem Brechungsindex sind.
11. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Optik-Trägerplatte (2) und/oder die Linsen (20) Polymethylmethacrylat (PMMA) enthalten.
12. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Optik-Trägerplatte (2) und/oder die Linsen (20) im Spritzguß hergestellt sind.
13. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß - unmittelbar auf jedem LED-Bauelement (10) eine weitere lichtbündelnde optische Einrichtung (11) , insbesondere eine Linse angeordnet ist, die somit in Abstrahlrichtung des je- weiligen LED-Bauelements (10) der jeweilig zugeordneten lichtbündelnden optischen Einrichtung (20; 30) der Optik-Trägerplatte (2) vorgeschaltet ist.
14. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Platine (1) eine Metallkernplatine ist.
15. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß - die LEDs (10) an mindestens zwei unabhängige Stromkreise angeschlossen sind.
16. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, 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.
17. Verwendung eines LED-Moduls nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16 für Signaleinrichtungen, insbesondere für Bahnsignaleinrichtungen oder in den Boden eingelassene Leitsignaleinrichtungen zur Leuchtmarkierung von Wegen, Straßen, Tunnels, Start- und Landebahnen und dergleichen.
18. Beleuchtungseinrichtung, enthaltend ein LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
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