EP2396590B1

EP2396590B1 - Leuchtvorrichtung

Info

Publication number: EP2396590B1
Application number: EP10707236.5A
Authority: EP
Inventors: Thomas Preuschl; Florian Zeus
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2030-02-11
Also published as: DE102009008637B4; DE102009008637A1; US8622587B2; EP2396590A1; CN102317674B; US20110310624A1; CN102317674A; JP2012517681A; WO2010092110A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Leuchtvorrichtung, insbesondere eine LED-Retrofitlampe oder ein LED-Modul für eine Retrofitlampe.
LED-Retrofitlampen bzw. deren Lichtquellen werden typischerweise mit einer Schutzkleinspannung ("Safety Extra Low Voltage"; SELV) betrieben. Dazu weist die LED-Retrofitlampe einen Treiber zum Betrieb der LED(s) auf, welcher einen Spannungsregulator zur Umwandlung einer Netzspannung, beispielsweise von 230 V, auf eine Spannung von etwa 10 V bis 25 V umfasst, typischerweise einen Transformator. Die Effizienz eines SELV-Treibers liegt typischerweise zwischen 70% und 80%. Bei SELV-Geräten müssen zum Schutz eines Verbrauchers Isolationsabstände zwischen einer Primärseite und einer Sekundärseite bezüglich des Spannungsregulators von mindestens 5 mm eingehalten werden, um einen durch Kriechströme verursachten Stromschlag des Nutzers vermeiden zu können. Insbesondere sollten von einem Spannungsnetz stammende Überspannungsimpulse von bis zu 4 KV von der Sekundärseite ferngehalten werden, so dass auch dann keine Gefahr für den Nutzer besteht, falls er elektrisch leitende berührbare Teile wie z. B. den Kühlkörper während des Auftretens des Impulses berührt.
LED-Retrofitlampen können beispielsweise so aufgebaut sein, dass die LED(s) auf einem Träger montiert sind, welcher am Kühlkörper verschraubt ist und elektrisch davon isoliert ist. Eine notwendige Länge der Kriechstrecke bzw. Isolierung zwischen potenzialführenden oder elektrisch leitenden Oberflächenbereichen (Kontaktfelder, Leitungsspuren usw., z. B. auf Kupfer und / oder Leitpaste mit z. B. Silber) und dem Kühlkörper wird dadurch erreicht, dass erstens die potenzialführenden Oberflächenbereiche einen Abstand von mindestens 5 mm zu einem Rand des Trägers einhalten und zweitens ein elektrisch isolierender Bereich von mindestens 5 mm um die Verschraubungsstellen eingehalten wird. Jedoch besitzt eine solche Ausgestaltung einen großen Flächenbedarf.
Die US 2006/227558A1 zeigt in den Figuren 14 und 15 eine Beleuchtungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Nachteilig dabei ist die aufwändige Positionierung des Trägers für die Halbleiterlichtquelle, welche über eine Schraube erfolgt, die viel Bauraum auf dem Träger beansprucht.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine besonders kompakte Leuchtvorrichtung, insbesondere LED-Retrofitlampe, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mittels einer Leuchtvorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Leuchtvorrichtung weist auf: einen Kühlkörper mit mindestens einem an seiner Außenseite aufgebrachten Träger für mindestens eine Halbleiterlichtquelle; eine Aussparung zur Aufnahme eines Treibers; und mindestens eine elektrisch isolierende Zuführung, welche die Aussparung mit der Außenseite des Kühlkörpers verbindet; wobei die Zuführung eine an der Außenseite des Kühlkörpers flächenbündig anschließende Auflagefläche aufweist, die zumindest teilweise von dem Träger überdeckt ist. Weiterhin weist die Zuführung einen an der Außenseite des Kühlkörpers nach Außen hervorstehenden Vorsprung auf, wobei eine Oberfläche des Vorsprungs und die Auflagefläche eine Stufe bilden. Der Träger kann beispielsweise als ein Substrat, eine Leiterplatte o. ä. ausgestaltet sein.
Der Kühlkörper kann vorteilhafterweise aus einem gut wärmeleitenden Material mit λ > 10 W/(m·K), besonders bevorzugt λ > 100 W/(m·K), bestehen, insbesondere aus einem Metall wie Aluminium, Kupfer oder einer Legierung davon. Der Kühlkörper kann aber auch vollständig oder teilweise aus einem Kunst stoff bestehen; besonders vorteilhaft zur elektrischen Isolierung und Verlängerung der Kriechstrecken ist ein gut wärmeleitender und elektrisch isolierender Kunststoff, es ist aber auch die Verwendung eines gut wärmeleitenden und elektrisch leitenden Kunststoffs möglich. Der Kühlkörper kann vorzugsweise symmetrisch sein, insbesondere rotationssymmetrisch, z. B. um eine Längsachse. Der Kühlkörper kann vorteilhafterweise Kühlelemente aufweisen, z. B. Kühlrippen oder Kühlstifte.
Die Art der Halbleiter-Lichtquelle ist grundsätzlich nicht beschränkt, jedoch wird als Emitter eine LED bevorzugt. Die Halbleiter-Lichtquelle kann einen oder mehrere Emitter aufweisen. Der oder die Halbleiter-Emitter können auf dem Träger aufgebracht sein, auf dem auf weitere elektronische Bausteine wie Widerstände, Kondensatoren, Logikbausteine usw. montiert sein können. Die Halbleiter-Emitter können beispielsweise mittels herkömmlicher Lötverfahren auf dem Träger aufgebracht sein. Die Halbleiter-Emitter können aber auch durch Chip-Level-Verbindungsarten, wie Bonden (Drahtbonden, Flip-Chip-Bonden) usw. mit einem Substrat verbunden sein ("Submount"), z. B. durch Bestückung eines Substrats aus AlN mit LED-Chips. Auch können ein oder mehrere Submounts auf einer Leiterplatte montiert sein. Bei Vorliegen mehrerer Halbleiter-Emitter können diese in der gleichen Farbe strahlen, z. B. weiß, was eine einfache Skalierbarkeit der Helligkeit ermöglicht. Die Halbleiter-Emitter können aber zumindest teilweise auch eine unterschiedliche Strahlfarbe aufweisen, z. B. rot (R), grün (G), blau(B), bernstein (A) und / oder weiß (W). Dadurch kann ggf. eine Strahlfarbe der Lichtquelle durchgestimmt werden, und es kann ein beliebiger Farbpunkt eingestellt werden. Insbesondere kann es bevorzugt sein, wenn Halbleiter-Emitter unterschiedlicher Strahlfarbe ein weißes Mischlicht erzeugen können. Anstelle oder zusätzlich zu anorganischen Leuchtdioden, z. B. auf Basis von InGaN oder AlInGaP, sind allgemein auch organische LEDs (OLEDs) einsetzbar. Auch können z. B. Diodenlaser verwendet werden.
Der Träger kann als eine Platine oder ein anderes Substrat ausgeführt sein, z. B. als ein kompakter Keramikkörper. Der Träger kann ein oder mehrere Verdrahtungslagen aufweisen.
Die Aussparung weist eine Einführöffnung zum Einführen eines Treibers auf, z. B. einer Treiberplatine. Die Einführöffnung der Aussparung kann sich vorteilhafterweise an einer Rückseite des Kühlkörpers befinden. Die Einführöffnüng und die Zuführung befinden sich vorteilhafterweise an gegenüberliegenden Seiten der Aussparung. Die Aussparung kann beispielsweise zylinderförmig ausgestaltet sein. Die Aussparung kann vorteilhafterweise gegenüber dem Kühlkörper elektrisch isoliert sein, um direkte Kriechstrecken zu vermeiden, z. B. mittels einer elektrisch isolierenden Auskleidung (auch Gehäuse der Treiberkavität, GTK, genannt), z. B. in Form eines durch die Einführöffnung in die Aussparung eingesteckten Kunststoffrohrs. Die Auskleidung kann ein oder mehrere Befestigungselement zur Befestigung des Treibers aufweisen. die Zuführung dient zur Zuführung bzw. Durchführung mindestens einer elektrischen Leitung zwischen dem in der Aussparung befindlichen Treiber und der mindestens einen Halbleiterlichtquelle bzw. dem damit bestückten Träger. Die Zuführung und die Auskleidung können einstückig als ein einziges Element ausgestaltet sein. Mit dem Einführen der Auskleidung in die Aussparung wird dann gleichzeitig auch die Zuführung durch eine Durchgangsöffnung des Kühlkörpers geschoben.
Die mindestens eine elektrische Leitung, die beispielsweise als ein Draht, ein Kabel oder Verbinder jeglicher Art ausgestaltet sein kann, kann mittels jeglicher geeigneten Methode kontaktiert werden, z. B. mittels Lötens, Widerstandsschweißens, Laserschweißens usw.
Der Treiber kann eine allgemeine Ansteuerschaltung zum Ansteuern der mindestens einen Halbleiterlichtquelle sein. Vorzugsweise ist der Treiber als ein Nicht-SELV-Treiber ausgestaltet, insbesondere als ein trafoloser Nicht-SELV-Treiber. Ein Nicht-SELV-Treiber besitzt gegenüber einem SELV-Treiber einen höheren Wirkungsgrad von typischerweise mehr als 90% und kann zudem kostengünstiger aufgebaut werden. Es werden keine Sicherheitsabstände im Treiber von der Primärseite zur Sekundärseite benötigt, so wie es bei einem SELV-Treiber unter Verwendung eines Transformators vorgeschrieben ist. Eine Trennung zwischen Primärseite und Sekundärseite findet vielmehr vornehmlich zwischen Träger und Kühlkörper statt. Bei einem trafolosen Nicht-SELV-Treiber kann der Transformator vorteilhafterweise durch eine Spule Oder eine Buck-Konfiguration / einen Stepdown-Konverter ersetzt werden.
Derjenige Teil der Außenseite des Kühlkörpers, auf welchem der Träger befestigt ist, und die sich flächenbündig daran anschließende Auflagefläche der Zuführung können vorteilhafterweise eine gemeinsame ebene Fläche bilden. Insbesondere kann der Träger teilweise auf einer ebenen Vorderseite oder Stirnseite des Kühlkörpers und teilweise auf der daran bündig und koplanar anschließenden Auflagefläche aufliegen bzw. diese überdecken. Der Träger braucht dabei nicht über die gesamte von ihm überdeckte Fläche flächig aufzuliegen, sondern kann beispielsweise teilweise auch über einen Spalt von der von ihm überdeckten Fläche beabstandet sein.
Durch das Vorsehen der elektrisch isolierenden Auflagefläche (d. h., der Auflagefläche aus elektrisch isolierendem Material) kann die Kriechstrecke lateral verkürzt werden und damit eine lateral kompaktere Leuchtvorrichtung erreicht werden. So mag beispielsweise für den Fall, dass ein innerer Rand eines elektrisch isolierenden Trägers auf der Auflagefläche aufliegt, die Kriechstrecke um den lateralen Abstand des inneren Rands von dem elektrisch leitenden Kühlkörper verlängert werden. Folglich können potenzialführende Flächen des Trägers um denselben Abstand näher an dem Rand positioniert werden, wodurch wiederum der Träger mit geringerer lateraler (seitlicher) Ausdehnung auskommen kann. Allgemein kann eine Kriechstrecke im Bereich der Auflagefläche der Zuführung durch deren elektrisch isolierende Ausführung verlängert werden, da die Kriechströme dann einen längen Weg zum Kühlkörper zurücklegen müssen. Elektrisch leitfähige, insbesondere potenzialbehaftete, Oberflächen können vorteilhafterweise Kupfer und/oder Leitpasten mit z. B. Silber aufweisen.
Vorteilhafterweise kann der Träger mittels einer elektrisch isolierenden Übergangslage an dem Kühlkörper befestigt sein. Die elektrisch isolierende Übergangslage kann zur zuverlässigen Verbindung zwischen Träger und Kühlkörper vorteilhafterweise beidseitig haftfähig sein. Die Übergangslage kann vorteilhafterweise ein thermisches Übergangsmaterial (TIM, "Thermal Interface Material") wie eine Wärmeleitpaste (z. B. Silikonöl mit Zusätzen von Aluminiumoxid, Zinkoxid, Bornitrid oder Silberpulver), eine Folie oder ein Kleber sein. Die Folie kann beispielsweise auch in Art eines doppelseitigen Klebebandes beidseitig mit einem Kleber versehen sein.
Der Kleber kann beispielsweise mittels eines Dispergiervorgangs und eines folgenden Rakelns aufgebracht werden. Die Übergangslage kann ferner die Vorteile einer hohen Durchschlagsfestigkeit und einer Verlängerung des Kriechpfades aufweisen. Auch kann durch die Übergangslage ein schraubenloser Aufbau erreicht werden, durch den ein ansonsten benötigter Isolationsbereich am Träger um die Schraubendurchführungen zum Kühlkörper herum entfallen kann. Dies unterstützt ebenfalls einen kompakten Aufbau der Leuchtvorrichtung.
Jedoch kann der Träger grundsätzlich auch auf andere Weise an dem Kühlkörper befestigt werden. So kann der Träger auch mittels einer oder mehrerer Kunststoffschrauben mit dem Kühlkörper oder durch den Kühlkörper hindurch mit der Auskleidung der Treiberkavität verschraubt sein. Eine weitere Möglichkeit der Befestigung des Trägers ist es, einen in der Auskleidung der Treiberkavität integrierten Kunststoffstift zu verwenden, welcher durch den Kühlkörper und durch den Träger ragt. Der Stift kann zur Befestigung des Trägers beispielsweise heißverstemmt werden. Auch ist eine Befestigung mittels Nietens, insbesondere Taumelnietens möglich, speziell unter Verwendung von Kunststoffnieten. Auch ist eine Befestigung beispielsweise mittels einer mittig durch den Träger geführten Schraube, insbesondere Kunststoffschraube möglich; unter Anderem kann in diesem Fall die Zuführung außermittig angeordnet sein. Eine weitere Möglichkeit der Befestigung besteht in einer magnetische Befestigung, z.B. mit einem magnetischen Pol in der Auskleidung integriert oder befestigt und einem magnetischen Gegenpol an dem Träger befestigt, z. B. durch Kleben usw.
Allgemein kann die Zuführung auch außermittig angeordnet sein, z. B. lateral von der Längsachse des Kühlkörpers oder des Substrats versetzt. Dabei kann die Zuführung auch außerhalb einer lateralen Ausdehnung des Trägers angeordnet sein. Dann kann die mindestens eine elektrische Leitung von seitlich Außen zum Träger geführt werden.
Vorteilhafterweise kann das thermische Übergangsmaterial lateral über einen inneren Rand und / oder einen äußeren Rand über den Träger hinausreichen. Dadurch kann die Kriechstrecke am jeweiligen Rand um diejenige Länge verlängert werden, um die das thermische Übergangsmaterial lateral über den jeweiligen Rand hinaussteht.
Der Träger kann vorteilhafterweise mindestens eine elektrisch isolierende Isolationslage aufweisen. Besonders vorteilhaft kann eine Isolationslage aus einem zumindest in Dickenrichtung thermisch gut und elektrisch schlecht leitenden Material oder Materialverbund bestehen. Besonders vorteilhaft ist eine Isolationslage aus Keramik, wie z. B. mit Al₂O₃, AlN, BN oder SiC. Die Isolierlage kann als Mehrlagenkeramikträger ausgestaltet sein, z. B. in LTCC-Technik. Dabei können beispielsweise auch Lagen mit unterschiedlichen Materialien verwendet werden, z. B. mit unterschiedlichen Keramiken. Diese können beispielsweise abwechselnd hochgradig dielektrisch und niedrig dielektrisch ausgestaltet sein. Auch kann die mindestens eine Isolationslage aus einem typischen Leiterplatten-Basismaterial bestehen, wie FR4, was thermisch weniger vorteilhaft aber sehr kostengünstig ist. Die Isolationslage kann einseitig oder beidseitig aufgebracht sein. Insbesondere ist auch die Verwendung eines isolierten Metall-Substrats (IMS) oder einer Metallkernplatine (MCPCB) als Träger denkbar.
Der Träger kann vorteilhafterweise eine Durchschlagsfestigkeit von mindestens 4 KV aufweisen, damit Überspannungspulse mindestens dieser Größenordnung nicht durch den Träger schlagen.
Vorteilhafterweise kann der Träger mindestens eine Isolationslage und eine dazu unterseitig angeordnete Metalllage aufweisen, wobei die unterseitige Metalllage an einem inneren Rand des Trägers lateral zurückgezogen ist. Dadurch kann eine Kriechstrecke an einem Rand des Trägers noch weiter verlängert werden, da ein Kriechstrom dann einen zusätzlichen Weg von dem Rand der Basismateriallage zu der Metalllage und weiter von der Basismateriallage zum Rand des thermischen Übergangsmaterials zurücklegen muss. Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn die unterseitige Metalllage von dem inneren oder innenseitigen Rand des Trägers um mehr als 1 mm zurückgezogen ist. Zusammen mit dem thermischen Übergangsmaterial ergibt sich so ein in der lateralen Ebene besonders kompakter Kriechweg bzw. Isolationsstrecke, der in die Tiefe S-förmig ist. Zur einfachen Anbringung und Formgestaltung kann die unterseitige Metalllage vorteilhafterweise eine DCB ('Direct Copper Bonding')-Lage aus Kupfer sein. Der Träger kann aber auch oberseitig eine DCB-Lage aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann es auf analoge Weise vorteilhaft sein, wenn der Träger mindestens eine Isolationslage und eine dazu unterseitig angeordnete Metalllage aufweist, wobei die unterseitige Metalllage an einem äußeren Rand des Trägers lateral zurückgezogen ist.
Zur Erreichung eines besonders vorteilhaften Kompromisses zwischen einerseits einer Maximierung der Isolationsstrecke und andererseits einer Minimierung des thermischen Pfads zwischen Lichtquelle(n) und Kühlkörper kann eine Dicke des Trägers vorteilhafterweise im Bereich zwischen 0,16 mm und 1 mm liegen.
Allgemein kann es bevorzugt sein, wenn ein Kriechpfad mindestens 1 mm lang ist, besonders bevorzugt mindestens 5 mm.
Eine zumindest lokale Wärmeleitfähigkeit oder Wärmespreizung des Trägers kann vorteilhafterweise zwischen 20 (W/m·K) und 400 (W/m·K) liegen, z. B. ca. 400 (W/m·K) für eine Kupferlage.
Es kann es vorteilhaft sein, wenn die Zuführung einen an der Außenseite des Kühlkörpers nach Außen hervorstehenden Vorsprung aufweist, wobei eine Oberfläche des Vorsprungs und die Auflagefläche eine rechtwinklige Stufe bilden. Der Vorsprung kann vorteilhafterweise senkrecht von einer ebenen Fläche des Kühlkörpers, z. B. einer ebenen Stirnfläche, hervorstehen. Dadurch kann insbesondere eine in Umlaufrichtung im Wesentlichen gleichmäßige Bauteilgeometrie erreicht werden. Auch kann so der Träger mit engem Spiel (in geringem Abstand um den nach Außen weisenden Vorsprung der Zuführung herum gelegt werden, was ebenfalls eine kompakte Bauweise unterstützt. Der Vorsprung kann dabei als Zentrierhilfe bei der Montage des Trägers auf dem Kühlkörper dienen. Der Träger kann dazu eine mittige Öffnung aufweisen.
Zur gleichmäßigen Verteilung mehrerer LEDs bei gleichzeitig einfacher Auslegung der Kriechstrecken unter Einhaltung vorgegebener Isolationsstrecken kann es vorteilhaft sein, wenn der Träger umlaufend und konzentrisch oder koaxial zu der Zuführung angeordnet ist. Auch wird so eine geringe seitliche Ausdehnung des Trägers relativ zu einer Längsachse des Kühlkörpers erreicht. Es kann zur Einhaltung vorgegebener Isolationsstrecken vorteilhaft sein, wenn die LEDs in Umfangsrichtung gleichmäßig angeordnet sind.
Zur Sicherstellung einer zuverlässigen Befestigung des Trägers auf dem Kühlkörper kann es vorteilhaft sein, wenn die Leuchtvorrichtung ferner mindestens ein Andrückelement zum Andrücken des Trägers auf den Kühlkörper aufweist.
Zur gleichmäßigen Druckaufbringung und daraus resultierenden Vermeidung von Biegespannungen im Träger und seinem lokalen Abheben kann das Andrückelement vorteilhafterweise einen umlaufenden oder teilumlaufenden, insbesondere sektorierten, Ring aus einem - insbesondere elektrisch isolierenden - Material aufweisen.
Zur einfachen Montage kann die Leuchtvorrichtung vorteilhafterweise einen (zumindest teilweise lichtdurchlässigen) Kolben aufweisen (z. B. auf den Kühlkörper geklemmt), der eine Anpresshilfe aufweist, die auf den Träger und / oder das Andrückelement drückt, um einen zusätzlichen Anpressdruck auf den Kühlkörper zu ermöglichen. Beispielsweise kann der Kolben mit einer Anpresshilfe in Form eines umlaufenden Niederhalters für den Träger ausgerüstet sein.
Zur Einhaltung einer geforderten Kriechstrecke kann der Träger vorteilhafterweise oberseitig mindestens einen elektrisch leitenden Oberflächenbereich aufweisen, welcher einen Mindestabstand von einem inneren Rand des Trägers und / oder einem äußeren Rand des Trägers einhält, insbesondere einen Mindestabstand von 3,5 mm oder mehr.
Die Halbleiterlichtquelle kann vorteilhafterweise mittels einer Nicht-SELV-Spannung gespeist werden, jedoch ist auch eine Verwendung mit einer Schutzkleinspannung (SELV) möglich.
Die Leuchtvorrichtung kann besonders vorteilhaft als Retrofitlampe, insbesondere LED-Retrofitlampe, oder als ein Modul dafür ausgestaltet sein.
In den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur besseren Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.

FIG 1: zeigt in Aufsicht eine LED-Retrofitlampe mit einem bestückten Träger gemäß einer ersten Ausführungsform;
FIG 2: zeigt in Aufsicht den Träger aus FIG 1 in einer detaillierteren Darstellung;
FIG 3: zeigt die LED-Retrofitlampe gemäß der ersten Ausführungsform als Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A aus FIG 1 in Seitenansicht;
FIG 4: zeigt einen Ausschnitt aus FIG 3 der LED-Retrofitlampe gemäß der ersten Ausführungsform im Bereich eines Kabelkanals;
FIG 5: zeigt in einer zu FIG 4 analogen Darstellung einen Ausschnitt im Bereich eines Kabelkanals aus einer LED-Retrofitlampe gemäß einer zweiten Ausführungsform;

FIG 1 zeigt in Aufsicht eine LED-Retrofitlampe 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die LED-Retrofitlampe 1 dient hier zum Ersatz einer herkömmlichen Glühbirne mit Edisonsockel und weist daher eine äußere Kontur auf, welche die Kontur der herkömmlichen Glühbirne zumindest in ihrer Grundform grob wiedergibt (siehe auch FIG 3). Die LED-Retrofitlampe 1 weist eine äußere Hülle 2 auf, in die ein LED-Modul 3 eingesetzt ist. Das LED-Modul 3 weist einen Aluminium-Kühlkörper 4 auf, auf dessen hier gezeigter Oberseite bzw. Frontfläche 5 ein Al₂O₃-Träger 6 mit einer achtkantigen Außenkontur befestigt ist. Der Träger 6 ist mit Halbleiterlichtquellen in Form von Leuchtdioden 7 bestückt. Die Leuchtdioden 7 leuchten in den oberen Halbraum, d. h. in dieser Darstellung mit einer Hauptabstrahlrichtung aus der Bildebene hinaus. Der Träger 6 weist ein mittiges Loch auf, mit dem der Träger 6 eng über eine hier als Kabelkanal 8 ausgebildete Zuführung gesteckt werden kann. Der Kabelkanal 8 dient als Element zur Durchführung von elektrischen Leitungen (o. Abb.) von einem in dem Kühlkörper 4 befindlichen Treiber (o. Abb.) zum Träger 6. Der Träger 6 und der Kabelkanal 8 sind somit koaxial bezüglich einer senkrecht aus der Bildachse herausstehenden Längsachse L der Leuchtvorrichtung 1 positioniert, wobei die Längsachse L mittig durch den Kabelkanal 8 verläuft.
FIG 2 zeigt in Aufsicht den Träger 6 aus FIG 1 in einer detaillierteren Darstellung. Eine Frontfläche 5 des Trägers 6 ist mit drei weißen Leuchtdioden 7 bestückt, welche in etwa winkelsymmetrisch um eine Längsachse L angeordnet sind, wobei die Längsachse L mittig durch das Loch 9 des Trägers 6 verläuft. Die Leuchtdioden 7 sind zu ihrer Stromversorgung mittels Kontaktflächen 10a mit dem Träger 6 elektrisch kontaktierbar. Zur Stromversorgung werden elektrische Leitungen (o. Abb.) von dem Treiber durch den Kabelkanal zu Kabelanschlussflächen 10b geführt. Die zur Stromführung verwendeten elektrischen Leiterbahnen werden durch eine entsprechend strukturierte (hier stark vereinfacht dargestellte) außenseitige Kupferlage 11 gebildet. Sowohl die Kontaktflächen 10a als auch die Kabelanschlussflächen 10b und die Kupferlage 11 stellen potenzialführende Oberflächenbereiche dar, welche gegen den Kühlkörper 4 über ausreichend lange Isolationsstrecken zumindest mittels des Trägers 6 elektrisch isoliert sind. Die Kupferlage 11 ist nicht vollständig umlaufend ausgeführt, sondern weist einen sich radial bezüglich der Längsachse L erstreckenden Spalt 12 auf, um einen Kurzschluss zu vermeiden.
FIG 3 zeigt die LED-Retrofitlampe 1 gemäß der ersten Ausführungsform als Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A aus FIG 1. Die LED-Retrofitlampe 1 überragt die Außenkontur einer herkömmlichen Glühlampe nicht und kann mit ihrem Edisonsockel 13 als Ersatz für eine entsprechende Glühlampe verwendet werden. Im Kühlkörper 4 ist eine zylinderförmige Aussparung in Form einer Treiberkavität 14 vorhanden, welche an ihrer seitlichen Mantelfläche 15 und oberen Endfläche 16 mit einer elektrisch isolierenden Auskleidung 17 (im Folgenden auch "Gehäuse der Treiberkavität", GTK, genannt) aus einem Kunststoff belegt ist. Eine untere Einführöffnung 18 ist elektrisch gegen den Kühlkörper 4 isolierend von einem Aufsatz 19 verschlossen, welcher auch den Edisonsockel 13 beinhaltet. In der Treiberkavität 14 bzw. der Auskleidung 17 ist eine Treiberplatine 20 aufgenommen, welche alle oder zumindest einige der zum Betreiben der Leuchtdioden 7 benötigten Elemente aufweist. Die Treiberplatine 20 ist dazu mit dem Edisonsockel 13 elektrisch zur Stromversorgung verbunden und gibt die zum Betreiben der Leuchtdioden 7 benötigte Spannung und / oder Strom über elektrische Kabel 21 an die Leuchtdioden 7 weiter. Dazu ist die Treiberplatine 20 über die elektrischen Kabel 21 mit geeigneten Kabelanschlussflächen 10b verbunden. Der auf der Treiberplatine 20 implementierte Treiber ist hier ein trafoloser Nicht-SELV-Treiber. Eine Trennung zwischen Primärseite und Sekundärseite findet vornehmlich zwischen dem Träger 6 und dem Kühlkörper 4 statt. Der trafolosen Nicht-SELV-Treiber kann zur Spannungswandlung eine Spule oder eine Buck-Konfiguration / einen Stepdown-Konverter aufweisen.
Zur Durchführung der Kabel 21 durch die obere Endfläche 16 weist die obere Endfläche 16 eine Durchgangsöffnung 22 auf. Zur elektrischen Isolierung der Treiberplatine 20 gegenüber dem Kühlkörper 4 ist die Auskleidung 17 so ausgestaltet, dass der Kabelkanal 8 integral in die Auskleidung 17 integriert ist, der die Aussparung 14 bzw. das Innere der Auskleidung 17 mit der Frontfläche 5 des Kühlkörpers 4 verbindet. Die Frontfläche 5 ist zu ihrem Schutz und zur Homogenisierung des von der Leuchtvorrichtung 1 ausgestrahlten Lichts mit einem opaken bzw. lichtstreuenden Kolben 27 überdeckt. Beispielsweise kann der Kolben 27 an den Kühlkörper 4 geklemmt werden und z.B. mit einer umlaufenden Anpresshilfe in Form eines Niederhalters für den Träger ausgerüstet sein.
FIG 4 zeigt einen Ausschnitt B aus der LED-Retrofitlampe 1 aus FIG 3, wie dort durch den Kreis B angedeutet. Zudem ist ein Ausschnitt C der LED-Retrofitlampe 1 im Bereich der Auflagefläche 24 gezeigt. Der Kabelkanal 8 weist einen radial erweiterten Bereich 23 auf, dessen obere Oberfläche bei eingesetzter Auskleidung als Auflagefläche 24 für den Träger 6 dient und an der Frontfläche 5 des Kühlkörpers 4 flächenbündig anliegt. Dadurch wird eine frontseitig ebene, zur Längsachse L senkrechte Fläche 5,24 zur Auflage des Trägers 6 geschaffen. Um die Kabel 21 problemlos zum Träger 6 zu führen, weist die Auskleidung 17 bzw. der in diese integrierte Kabelkanal 8 einen vom Kühlkörper 4 senkrecht nach Außen (hier: in Längsrichtung L) gerichteten Vorsprung 25 auf. Der Vorsprung 25 und die Auflagefläche 24 der Auskleidung bilden eine rechtwinklige Stufe 26. Der Träger 6 umgibt den Vorsprung 25 eng (mit geringem Spiel oder Toleranz), so dass der Vorsprung 25 als Zentrierhilfe bei einer Montage des Trägers 6 dienen kann. Der Träger 6 überdeckt die Auflagefläche 24 vollständig, und die ebene Frontfläche 5 des Kühlkörpers 4 teilweise. Der Träger 6 ist unterseitig mit der Auflagefläche 24 und der ebenen Frontfläche 5 über eine elektrisch isolierende und haftende Übergangslage 28 aus einem thermischen Übergängsmaterial (TIM) verbunden. Die Übergangslage 28 stellt einen zusätzlichen Durchschlagsschutz zur Verfügung und ist thermisch gut leitend. Die Übergangslage 28 reicht innenseitig ebenfalls bis an den Vorsprung 25 und ragt außenseitig (in lateraler Richtung senkrecht zur Längsachse L) über den Träger 6 hinaus. Zur Sicherstellung eines festen Sitzes des Trägers 6 auf dem Kühlkörper 4 wird der Träger 6 mittels eines Andrückelements 35, das hier in Form eines elektrisch isolierenden, umlaufenden Kunststoffrings vorliegt, auf den Kühlkörper 4 gedrückt. Das Andrückelement 35 kann beispielsweise selbst mittels einer hier nicht dargestellten Anpresshilfe ('Niederhalter') auf den Träger 6 gedrückt werden, wobei sich die Anpresshilfe zur einfachen Montage an dem Kolben befindet. Die Anpresshilfe kann beispielsweise umlaufend ausgeführt sein. Wie insbesondere in Ausschnitt C ersichtlich, wird durch die elektrisch isolierende Auflagefläche 24 eine (gepunktet eingezeichnete) innere Kriechstrecke K über den inneren Rand 29 des Trägers 6 verlängert. So kann ein Beginn M der kürzesten inneren Kriechstrecke K an der Kupferlage 11 beginnen und radial zum inneren Rand 29 des Trägers (nach rechts in FIG 4) laufen, von dort über den inneren Rand 29 des Trägers 6 und der Übergangslage 28 nach unten (unter Vernachlässigung der Dicke der Übergangslage 28), und wieder nach außen (nach links in FIG 4) über die Auflagefläche 24 bis zu einem nächsten Punkt N am Kühlkörper 4. Die Gesamtlänge der Kriechstrecke K ergibt sich aus einer Addition des Abstands d1 der Kupferlage 11 zum inneren Rand 29 des Trägers, der Dicke d2 des Trägers 6 und ggf. der Übergangslage 28 und aus dem sich anschließenden Abstand d3 des inneren Rands 29 zum Kühlkörper (was der radialen oder lateralen Erstreckung der Auflagefläche 24 entspricht). In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ergibt sich so eine Länge der Kriechstrecke K zu d1 = 3,5 mm + d2 = 0,4 mm + d3 = 2 mm von insgesamt 5,9 mm bei einem lateralen Abstand der Kupferlage 11 vom Vorsprung 25 von lediglich d1 = 3,5 mm. Somit kann eine ausreichend lange innere Kriechstrecke K bzw. Isolationsstrecke auf eine lateral besonders kompakte Weise bereitgestellt werden.
Generell ist die Kriechstrecke so zu wählen, dass Anforderungen an die Sicherheit der Vorrichtung erfüllt werden. Regelungen hierzu sind in verschiedenen Normen getroffen. Generell hat sich eine Kriechstrecke von mehr als 6,4 mm als hinreichend sicher für die gängigen Anwendungen herausgestellt.
Eine sich, wie in Ausschnitt B gezeigt, über einen äußeren Rand 30 des Trägers 6 erstreckende Kriechstrecke berechnet sich in dieser Ausführungsform aus einem lateralen Abstand d4 = 2,2 mm zwischen einem äußeren Punkt O der Kupferlage 11 und dem äußeren Rand 30, zuzüglich der Dicke bzw. Tiefe des äußeren Rands 30 von d2 = 0,4 mm und der radialen Erstreckung d5 = 3,3 mm des nach Außen über den Träger überstehenden Bereichs der Übergangslage 28 bis zu einem Punkt P am Kühlkörper 4. Dies ergibt eine gesamte äußere Kriechstrecke von ebenfalls 5,9 mm, wobei hier der laterale Raumgewinn der Dicke des Trägers 6 von d2 = 0,4 mm entspricht.
FIG 5 zeigt in einer zu FIG 4 analogen Darstellung einen Ausschnitt im Bereich eines Kabelkanals 8 aus einer LED-Retrofitlampe 31 gemäß einer zweiten Ausführungsform, bei der nun im Vergleich zur ersten Ausführungsform der Träger 32 unterschiedlich ausgestaltet ist. Und zwar ist der Träger 32 nun dahingehend mehrlagig ausgestaltet, dass er eine zum Träger 6 aus der ersten Ausführungsform identische Al₂O₃-Isolationslage 33 aufweist, auf der oberseitig die Kupferlage 11 angebracht ist, wobei nun aber an der Unterseite der Isolationslage 33 eine Metalllage in Form einer unteren Kupferlage 34 angebracht ist. Der Träger 32 kann dann besonders einfach als doppelseitig DCB ("Direct Copper Bonding")-gebondeter Träger 32 ausgeführt sein. Die untere Kupferlage 34 befindet sich somit zwischen zwei elektrisch isolierenden Lagen, nämlich der Übergangslage 28 und der Isolationslage 33. Gegenüber der Isolationslage 33 weist die untere Kupferlage 34 an jedem Rand einen jeweiligen Rücksprung oder Rückzug d6 bzw. d7 auf, so dass sich unter Vernachlässigung einer Dicke der Kupferlage 34 jeweils eine im Vergleich zur ersten Ausführungsform um zweimal der radialen bzw. lateralen Länge d6 bzw. d7 des Rückzugs verlängerte Kriechstrecke ergibt. Genauer gesagt kann dadurch, wie genauer in Ausschnitt D gezeigt, am inneren Rand 29 bei gleicher lateraler Ausdehnung die innere Kriechstrecke von 5,9 mm auf 5,9 mm + 2·d6 = 5,9 mm + 2 · 1,1 mm = 8,1 mm verlängert werden. Analog kann die äußere Kriechstrecke von 5,9 mm auf 5,9 mm + 2·d7 = 5,9 mm + 2 · 0,6 mm = 7,1 mm verlängert werden.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel für die Befestigung des Trägers 6 mittels eines Andrückelements 35. Der Träger 6 mit den Leuchtdioden 7 umgibt den Kabelkanal 8 und wird auf dem Kühlkörper 4 bzw. der Übergangslage 28 von 4 Haltelaschen 36 fixiert. Die Haltelaschen 36 bilden zusammen mit einem Haltering 37 im Wesentlichen das Andrückelement 35. Zur Positonierung und Fixierung dienen Haltestifte 38. Zusätzlich ist eine umlaufende Anpresshilfe 39 vorgesehen. Die Haltestifte können entsprechend dem Wissen des Fachmanns beispielsweise als Presspassungsstifte, Schnappverbinder, Schrauben oder als Heißverstemmstift ausgeführt sein.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann es allgemein vorteilhaft sein, wenn mindestens einer der Abstände d1 bis d7 mindestens 1 mm lang ist, vorzugsweise zwischen 1 mm und 5 mm. Allgemein kann es auch bevorzugt sein, wenn die Länge der Kriechpfade oder Kriechstrecken mindestens 1 mm, besonders bevorzugt mindestens 5 mm beträgt. Auch kann das Material des Kühlköpers außer reinem Aluminium auch eine Aluminiumlegierung oder ein anderes Metall oder dessen Legierung oder auch einen gut wärmeleitenden Kunststoff aufweisen. Ferner kann der Kabelkanal auch außermittig (lateral bezüglich der Längsachse versetzt) angeordnet sein. Die Zuführung kann allgemein ein separates Bauteil sein oder beispielsweise in die Auskleidung der Aussparung und / oder in den Kühlkörper integriert sein, z.B. einstückig.

Bezugszeichenliste

1: LED-Retrofitlampe
2: Hülle
3: LED-Modul
4: Kühlkörper
5: Frontfläche
6: Träger
7: Leuchtdiode
8: Kabelkanal
9: Loch des Trägers
10: Kontaktfläche
11: Kupferlage
12: Spalt
13: Edisonsockel
14: Treiberkavität
15: Mantelfläche
16: obere Endfläche
17: Auskleidung
18: Einführöffnung
19: Aufsatz
20: Treiberplatine
21: kabel
22: Durchgangsöffnung
23: radial erweiterter Bereich
24: Auflagefläche
25: Vorsprung
26: Stufe
27: Kolben
28: Übergangslage
29: innerer Rand des Trägers
30: äußerer Rand des Trägers
31: LED-Retrofitlampe
32: Träger
33: Isolationslage
34: untere Kupferlage
35: Andrückelement
36: Haltelasche
37: Haltering
38: Haltestift
39: Anpresshilfe
d: Abstand
K: innere Kriechstrecke
L: Längsachse
M: Beginn der inneren Kriechstrecke
N: Ende der inneren Kriechstrecke
O: Beginn der äußeren Kriechstrecke
P: Ende der äußeren Kriechstrecke

Claims

Leuchtvorrichtung (1;31), aufweisend
- einen Kühlkörper (4) mit mindestens einem an seiner Außenseite (5) aufgebrachten Träger (6;32) für mindestens eine Halbleiterlichtquelle (7), insbesondere Leuchtdiode;

- eine Aussparung (14) zur Aufnahme eines Treibers (20);

- mindestens eine elektrisch isolierende Zuführung (8), welche die Aussparung (14) mit der Außenseite (5) des Kühlkörpers (4) verbindet;

- wobei die Zuführung (8) eine an der Außenseite (5) des Kühlkörpers (4) flächenbündig anschließende Auflagefläche (24) aufweist, die zumindest teilweise von dem Träger (6;32) überdeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung (8) einen bezüglich der Außenseite (5) des Kühlkörpers (4) nach außen hervorstehenden Vorsprung (25) aufweist, wobei eine Oberfläche des Vorsprungs (25) und die Auflagefläche (24) eine Stufe (26) bilden.
Leuchtvorrichtung (1;31) nach Anspruch 1, bei welcher der Träger (6;32) mittels einer elektrisch isolierenden Übergangslage (28) an dem Kühlkörper (4) befestigt ist.
Leuchtvorrichtung (1;31) nach Anspruch 2, bei dem die Übergangslage (28) lateral über einen inneren Rand (29) und / oder einen äußeren Rand (30) des Trägers (6;32) hinausreicht.
Leuchtvorrichtung (31) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem der Träger (32) eine Isolationslage (33) und eine dazu unterseitig angeordnete Metalllage (34) aufweist, wobei die unterseitige Metalllage (34) an einem inneren Rand (29) und / oder einem äußeren Rand (30) des Trägers (32) lateral zurückgezogen ist.
Leuchtvorrichtung (31) nach Anspruch 4, bei dem die unterseitige Metalllage (34) eine DCB-Lage ist.
Leuchtvorrichtung (1;31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Oberfläche des Vorsprungs (25) und die Auflagefläche (24) eine rechtwinklige Stufe (26) bilden.
Leuchtvorrichtung (1;31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Träger (6;32) umlaufend und konzentrisch zur Zuführung (8) angeordnet ist.
Leuchtvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend mindestens ein Andrückelement (35) zum Andrücken des Trägers (6) auf den Kühlkörper (4).
Leuchtvorrichtung (1) nach Anspruch 8, bei der das Andrückelement (35) einen umlaufenden oder teilumlaufenden Ring aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist.
Leuchtvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, die einen Kolben (27) aufweist, der eine Anpresshilfe aufweist, die auf den Träger (6) und / oder das Andrückelement (35) drückt.
Leuchtvorrichtung (1;31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Träger (6;32) oberseitig mindestens einen elektrisch leitenden Oberflächenbereich (10,11) aufweist, welcher einen Mindestabstand (d1,d4) von einem inneren Rand (29) des Trägers (6;32) und / oder einem äußeren Rand (30) des Trägers (6;32) einhält, insbesondere einen Mindestabstand (d1) von 3,5 mm oder mehr.
Leuchtvorrichtung (1;31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Halbleiterlichtquelle (7) mit einer Nicht-SELV-Spannung gespeist wird.
Leuchtvorrichtung (1;31) nach Anspruch 12, bei welcher der Treiber ein trafoloser Nicht-SELV-Treiber ist.
Leuchtvorrichtung (1;31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die als LED-Retrofitlampe oder als LED-Modul für eine LED-Retrofitlampe ausgestaltet ist.