EP2541139A2 - LED lighting module - Google Patents
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Abstract
Description
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Beleuchtungsmodule, insbesondere unter Verwendung von Leuchtdioden (LED). Im Speziellen betreffen sie LED-Beleuchtungsmodule mit vereinfachter Herstellung und verbesserter Ableitung der Verlustwärme.Embodiments of the present invention relate to lighting modules, in particular using light emitting diodes (LED). In particular, they relate to LED lighting modules with simplified production and improved dissipation of the heat loss.
Durch die Entwicklung von Leuchtdioden (LED) mit weißer Lichtcharakteristik und einer gleichzeitigen stetigen Leistungssteigerung haben sich LEDs in den letzten Jahren zu einer vielversprechenden Alternative zu herkömmlichen Beleuchtungsmitteln sowohl im Privat- und gewerblichen Bereich als auch im öffentlichen Sektor entwickelt. So wird etwa im bisher vor allem von Metalldampflampen (z.B. Natriumdampflampen, Quecksilberdampflampen) dominierten Bereich der Straßenbeleuchtung zunehmend LED-Technologie eingesetzt, die sich in punkto Lebensdauer, Lichtausbeute und unter Kostenaspekten zu einer vorteilhaften Alternative entwickelt hat. Im Gegensatz zu der weitgehend ausentwickelten, herkömmlichen Metalldampftechnik ist die LED-Technik von stetiger Weiterentwicklung geprägt, wodurch in vielen Aspekten weitere signifikante Fortschritte zu erwarten sind. Daher haben bereits deutliche Marktverschiebungen eingesetzt.With the development of light emitting diodes (LED) with white light characteristics and a concomitant steady increase in performance, LEDs have in recent years become a promising alternative to traditional lighting in both the residential and commercial sectors, as well as in the public sector. Thus, for example, in the area of street lighting dominated by metal halide lamps (for example, sodium vapor lamps and mercury vapor lamps), LED technology has been increasingly used, which has developed into an advantageous alternative in terms of service life, luminous efficacy and cost aspects. In contrast to the largely developed, conventional metal vapor technology, the LED technology is characterized by continuous development, which in many aspects further significant progress can be expected. Therefore, significant market shifts have already begun.
So verglich eine Studie der Universität Pittsburgh 2009 die Straßenbeleuchtung mit LEDs mit der mit Natriumdampf-Hochdrucklampen sowie mit Halogen-Metalldampflampen (
Durch die stetige Erhöhung der Leuchtdichten hat sich gleichzeitig ein Aspekt relativiert, der früher LEDs als "kalte" Alternative zu herkömmlichen Glüh- oder Entladungslampen auszeichnete. So sind bei marktüblichen weißen Hochleistungs-LEDs Verlustleistungen bis über 10 Watt bei äußeren Abmessungen (Grundfläche) von weniger als etwa 1 cm2 üblich. Da sowohl Wirkungsgrad bzw. Leistungsausbeute, als auch die Lebensdauer bei steigender Temperatur des Halbleiter-Substrats negativ beeinflusst werden, ist es daher eine zunehmende Herausforderung, die auftretenden Verlustleistungen schnell und zuverlässig abzuleiten. Üblicherweise sind zur Erzielung ausreichender Beleuchtungsstärken mehrere einzelne LEDs zu einem Beleuchtungsmodul zusammengefasst, das heißt in der Praxis matrixartig auf einer gemeinsamen Basis wie einer Leiterplatte angebracht. Hochleistungs-LEDs haben üblicherweise annähernd die Form einer flachen Scheibe bzw. eines sehr flachen Quaders. Sie sind typischerweise wie herkömmliche Elektronik-Bauelemente auf der Bestückungsseite der Leiterplatte angebracht und kontaktiert. Weil das Glasfaser-Epoxid-Verbundmaterial üblicher Leiterplatten im Vergleich zu Metallen wie Kupfer oder Aluminium ein schlechter Wärmeleiter ist, wurden verschiedene Techniken zur Verbesserung der Wärmeabfuhr entwickelt.The constant increase in luminance has at the same time relativized an aspect that once characterized LEDs as a "cold" alternative to conventional incandescent or discharge lamps. For example, standard white high-power LEDs use power losses of more than 10 watts with external dimensions (base area) of less than about 1 cm 2 . Since both efficiency or power output, as well as the life are negatively affected by the increasing temperature of the semiconductor substrate, it is therefore an increasing Challenge to derive the occurring power loss quickly and reliably. Typically, to achieve sufficient illuminance several individual LEDs are combined to form a lighting module, that is in practice mounted in a matrix-like manner on a common base such as a printed circuit board. High-power LEDs usually have approximately the shape of a flat disc or a very flat cuboid. They are typically mounted and contacted like conventional electronic components on the component side of the printed circuit board. Because the glass fiber-epoxy composite of conventional circuit boards is a poor conductor of heat compared to metals such as copper or aluminum, various techniques for improving heat dissipation have been developed.
Dazu gehört etwa ein Verbundwerkstoff aus einer Schicht Leiterplattenmaterial (PCB) mit einer direkt darunter liegenden Aluminiumplatte. Die LEDs sind dabei auf dem PCB-Material aufgebracht und kontaktiert, wobei die Aluminiumplatte die Aufgabe der Wärmeableitung bzw. des Kühlkörpers übernimmt. Diese und ähnliche Lösungen haben jedoch mehrere Nachteile. Zum einen sind solche Verbundleiterplatten wegen der geringeren Stückzahlen und ihrem komplexeren Aufbau teurer als herkömmliche Leiterplatten, zum anderen stellt das Leiterplattenmaterial, bzw. gegebenenfalls auch weitere Isolierungsschichten, eine unerwünschte thermische Barriere zwischen der LED und der Aluminiumplatte dar.This includes, for example, a composite of a layer of printed circuit board material (PCB) with a directly underlying aluminum plate. The LEDs are applied and contacted on the PCB material, wherein the aluminum plate takes over the task of heat dissipation and the heat sink. However, these and similar solutions have several disadvantages. On the one hand, such composite printed circuit boards are more expensive than conventional printed circuit boards because of the smaller numbers and their complex structure, on the other hand, the printed circuit board material, or possibly further insulation layers, an undesirable thermal barrier between the LED and the aluminum plate.
Zur Lösung dieses Problems wurden zur Verbesserung des Wärmeübergangs Zusatztechniken eingeführt. So werden z.B. metallische Durchführungen durch die Leiterplatte eingesetzt, um einen besseren thermischen Kontakt zwischen der LED-Rückseite und der Aluminiumplatte herstellen. Diese Durchführungen durch die Leiterplatte bzw. verwandte Lösungen erhöhen jedoch die Fertigungskomplexität, die Anzahl der Fertigungsschritte und die Kosten. Zudem sind solche Durchführungen typischerweise nur unter einem Teil der Querschnittsfläche des LED-Gehäuses realisiert (vgl. etwa:
Im Hinblick auf die angeführten Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein LED-Beleuchtungsmodul bereitzustellen, das die Nachteile der bekannten Lösungen vermeidet.In view of the stated problems, it is an object of the present invention to provide an LED lighting module which avoids the disadvantages of the known solutions.
Diese Aufgabe wird, zumindest teilweise, von einem LED-Beleuchtungsmodul gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved, at least in part, by an LED lighting module according to claim 1.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein LED-Beleuchtungsmodul bereitgestellt. Das LED-Beleuchtungsmodul umfasst eine Platine, mit einer ersten und einer zweiten Seite und mindestens einer durchgehenden Öffnung, mindestens eine an der Öffnung, auf der ersten Seite der Platine angebrachte Leuchtdiode mit einer licht-emittierenden Vorderseite und einer nicht-emittierenden Rückseite, wobei die Leuchtdiode mit ihrer licht-emittierenden Vorderseite an der ersten Seite der Platine so angebracht ist, dass emittiertes Licht zumindest einen Teil der Öffnung passiert und auf der zweiten Seite der Platine austritt, und dass die Rückseite der Leuchtdiode freiliegt, so dass das Modul mit der nicht-lichtemittierenden Rückseite der Leuchtdiode an einem Kühlkörper angebracht werden kann.According to a first aspect, an LED lighting module is provided. The LED lighting module comprises a circuit board having first and second sides and at least one through opening, at least one light emitting diode mounted on the opening, on the first side of the board, having a light emitting face and a non-emitting face Light emitting diode is mounted with its light-emitting front to the first side of the board so that emitted light passes at least part of the opening and exits on the second side of the board, and that the back of the LED is exposed, so that the module with the not Light-emitting back of the LED can be attached to a heat sink.
Weitere Vorteile, Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung sowie bevorzugte Ausführungen und besondere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.Further advantages, features, aspects and details of the invention as well as preferred embodiments and particular aspects of the invention will become apparent from the claims, the description and the figures.
Im Weiteren soll die Erfindung anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden, aus denen sich weitere Vorteilteile und Abwandlungen ergeben. Dabei zeigen:
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Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf ein LED-Beleuchtungsmodul gemäß Ausführungsbeispielen. -
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des LED-Beleuchtungsmoduls derFig. 1 . -
Fig. 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch eine Lampe mit LED-Beleuchtungsmodulen gemäß Ausführungsbeispielen. -
Fig. 4 zeigt eine seitliche schematische Querschnittsansicht durch eine Lampe mit LED-Beleuchtungsmodulen gemäß Ausführungsbeispielen. -
Fig. 5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Lampe mit LED-Beleuchtungsmodulen gemäß Ausführungsbeispielen. -
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf ein LED-Beleuchtungsmodul gemäß weiteren Ausführungsbeispielen. -
Fig. 7 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein LED-Beleuchtungsmodul gemäß Ausführungsbeispielen. -
Fig. 8 zeigt eine Querschnittsansicht durch ein LED-Beleuchtungsmodul gemäß Ausführungsbeispielen. -
Fig. 9 zeigt eine Querschnittsansicht durch ein LED-Beleuchtungsmodul gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.
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Fig. 1 shows a plan view of an LED lighting module according to embodiments. -
Fig. 2 shows a side view of the LED lighting module ofFig. 1 , -
Fig. 3 shows a schematic cross-sectional view through a lamp with LED lighting modules according to embodiments. -
Fig. 4 shows a side schematic cross-sectional view through a lamp with LED lighting modules according to embodiments. -
Fig. 5 shows a schematic cross-sectional view of a lamp with LED lighting modules according to embodiments. -
Fig. 6 shows a plan view of an LED lighting module according to further embodiments. -
Fig. 7 shows a schematic plan view of an LED lighting module according to embodiments. -
Fig. 8 shows a cross-sectional view through an LED lighting module according to embodiments. -
Fig. 9 shows a cross-sectional view through an LED lighting module according to further embodiments.
Im Folgenden wird beispielhaft von üblichen Hochleistungs-LEDs ausgegangen, die jeweils etwa 1 cm lang, 1 cm breit und etwa 2 mm hoch sind. Dies ist jedoch nur als nichtlimitierendes Beispiel zu sehen, Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auch auf anders geformte Leuchtdioden mit anderen Abmaßen. Ferner werden die Begriffe LED und Leuchtdiode hier synonym verwendet.The following is an example of conventional high-power LEDs, each about 1 cm long, 1 cm wide and about 2 mm high. However, this is only to be regarded as a non-limiting example, embodiments of the invention also relate to differently shaped light-emitting diodes with other dimensions. Furthermore, the terms LED and light-emitting diode are used synonymously here.
Ausführungsformen betreffen eine Leiterplatte bzw. Platine, die mit mehreren durchgehenden Öffnungen versehen ist. Die Öffnungen haben typischerweise jeweils etwa die gleiche Form wie die effektive Abstrahlfläche einer einzelnen LED, sind aber größer, z.B. jeweils um etwa 5 % bis etwa 30 % in Länge und Breite. Zum Beispiel können die Öffnungen 70 die gleiche Form wie die effektive Abstrahlfläche der LED haben, aber im Durchmesser 1 mm oder 2 mm größer sein als diese. Die Form der Öffnungen 70 kann auch der Form der Fläche der Abstrahlseite der LEDs entsprechen, aber etwa 1 bis 3 mm kleiner als diese sein. Die LEDs sind auf der Leiterplatte so angebracht, dass ihre lichtemittierende Seite der Leiterplatte zugewandt ist, bzw. an einer ersten Seite der Leiterplatte oder Platine angebracht ist, dass also das im Betrieb emittierte Licht durch die Öffnungen der Leiterplatte strahlt und auf einer zweiten Seite der Leiterplatte/Platine austritt. Die üblicherweise plane (nicht lichtemittierende) Rückseite der LEDs ist dementsprechend gegenüber der Fläche der Leiterplatte erhaben angeordnet, wobei die einzelnen Rückseiten der LEDs typischerweise auf einer gemeinsamen Ebene liegen. Die Kontaktierung der einzelnen LEDs zur Leiterplatte kann dabei auf verschiedene, dem Fachmann bekannte Verfahren bereitgestellt sein.Embodiments relate to a printed circuit board or board, which is provided with a plurality of through openings. The apertures typically each have approximately the same shape as the effective radiating area of a single LED, but are larger, e.g. each about 5% to about 30% in length and width. For example, the
An den gemeinsam eine Ebene bildenden Rückseiten der LEDs ist eine Metallplatte angebracht, typischerweise aus Aluminium oder einem anderen gut wärmeleitenden Material wie etwa Kupfer. Dabei kann zwischen den LED-Rückseiten und der Metallplatte ein dünn (typischerweise weniger als 0,5 mm) aufgebrachtes Mittel zur Verbesserung des Wärmeübergangs vorgesehen sein, typischerweise Wärmeleitpaste.At the common one-level rear sides of the LEDs, a metal plate is attached, typically made of aluminum or another good heat-conducting material such as copper. In this case, a thin (typically less than 0.5 mm) applied means for improving the heat transfer can be provided between the LED backs and the metal plate, typically thermal grease.
Im Betrieb emittieren die LEDs Licht durch die Löcher der Leiterplatte. Durch die vergleichsweise geringe Dicke der Leiterplatte im Vergleich zur Größe der Öffnungen bzw. durch entsprechende Abstimmung zwischen Abstrahlcharakteristik der LED und der Öffnungsgröße kann eine Verringerung des Abstrahlwinkels verhindert bzw. minimiert werden. Die Verlustwärme der LEDs wird jeweils über ihre gesamte (typischerweise plane) Rückseite in die Metallplatte bzw. den Kühlkörper geleitet, wodurch eine hocheffiziente Kühlung erzielt wird. Die Metallplatte sollte eine ausreichende Dicke haben, typischerweise mindestens etwa 2 mm, damit ein ausreichender Abtransport der Verlustwärme aus dem Kontaktbereich mit der LED gewährleistet ist. Wäre die Metallplatte dagegen nicht ausreichend dick bzw. aus nicht ausreichend wärmeleitfähigem Material, könnte der Abtransport der Wärmeenergie aus der Kontaktzone mit der LED nicht ausreichend sein. Die Dicke der Platte kann in Ausführungsbeispielen von 2 mm bis 10 mm betragen, insbesondere von 3 mm bis 7 mm.In operation, the LEDs emit light through the holes of the circuit board. Due to the comparatively small thickness of the printed circuit board in comparison to the size of the openings or by appropriate coordination between emission characteristic of the LED and the opening size, a reduction of the emission angle can be prevented or minimized become. The heat loss of the LEDs is in each case passed over their entire (typically planar) back into the metal plate or the heat sink, whereby a highly efficient cooling is achieved. The metal plate should have a sufficient thickness, typically at least about 2 mm, to ensure sufficient dissipation of the heat loss from the contact area with the LED. On the other hand, if the metal plate were not sufficiently thick or made of material which is not sufficiently thermally conductive, the removal of heat energy from the contact zone with the LED could not be sufficient. The thickness of the plate may be in embodiments of 2 mm to 10 mm, in particular from 3 mm to 7 mm.
Die entsprechende Wahl des Materials für die Metallplatte sowie deren geometrische Auslegung sind in Abhängigkeit von der Verlustleistung der einzelnen LEDs und deren Anzahl pro Leiter- bzw. Metallplatte festzulegen. Die Durchführung entsprechender Auslegungsversuche und -berechnungen bzw. thermischer Simulationen gehört zum Standardwissen des Fachmanns.The appropriate choice of material for the metal plate and their geometric design are determined depending on the power loss of the individual LEDs and their number per conductor or metal plate. The execution of appropriate design experiments and calculations or thermal simulations is part of the standard knowledge of the skilled person.
In Ausführungsbeispielen können die Leiterbahnen 60 auch auf der anderen Seite der Platine 30 verlaufen, d.h. in der
In Ausführungsformen sind die Öffnungen 70 typischerweise von etwa 5 % bis etwa 30 % größer (auf den Durchmesser bezogen) als die effektive Abstrahlfläche der Leuchtdiode 40, bzw. einer Projektion der Abstrahlfläche der Leuchtdiode auf die Ebene der Platine. Die Abmessungen der Öffnungen sind so zu wählen, dass einerseits die Öffnung groß genug ist, um das abgestrahlte Licht nicht zu blockieren, andererseits die Öffnung kleiner ist als die Grundfläche der LED auf ihrer Abstrahlseite, da die LED ja an ihren Rändern auf der Platine aufliegt.In embodiments, the
In Ausführungsformen kann ein LED-Beleuchtungsmodul 10 von 1 bis 64 Leuchtdioden 40 und ebenso viele Löcher/Öffnungen 70 umfassen, die typischerweise als m x n Matrix angeordnet sind, etwa (nicht-limitierend) 1 x 1, 1 x 2, 2 x 2, 2 x 3, 2 x 4, 4 x 4, etc.In embodiments, an
Haben die verwendeten LEDs 40 eine andere Form als die hier beschriebene eines flachen Quaders, kann dies Änderungen des beschriebenen Aufbaus erfordern, was eine Standardaufgabe für einen Fachmann darstellt. So könnte eine nicht-plane Rückseite der LEDs entsprechende Aussparungen/Ausfräsungen in dem Kühlkörper 20 erfordern, um einen entsprechenden flächigen Kontakt zwischen LED und Kühlkörper, und damit eine gute Wärmeabführung, sicherzustellen.If the
In der
In Ausführungsbeispielen sind die Leuchtdioden 40 Hochleistungsleuchtdioden. Diese sind typischerweise quaderförmig mit einem niedrigen Höhe-zu-Breite-Verhältnis, können aber z.B. auch einen runden oder elliptischen Formfaktor haben. Hierbei bezieht sich Höhe auf die Dimension in Haupt- bzw. Symmetrierichtung der Lichtemission. Bevorzugt beträgt die Höhe weniger als 20 % der jeweils größeren von Breite und Länge. Typische Größenbereiche sind 0,5 bis 8 mm Höhe (ohne ein eventuell vorhandenes optisches Vorsatzelement gemessen), spezieller 1 mm bis 3 mm, und jeweils (unabhängig voneinander) 5 bis 120 mm Länge und Breite, spezieller 8 mm bis 30 mm. Eine beispielhafte, nicht-limitierende LED kann etwa Abmessungen von 12 x 15 x 1,6 mm (L x B x H) haben und eine Leistungsaufnahme von 7 W. Typische Leistungsaufnahmen sind 1 W bis 100 W, spezieller 3 W bis 50 W.In exemplary embodiments, the light-emitting
Beleuchtungskörper gemäß Ausführungsbeispielen, die LED-Module 10 wie beschrieben verwenden, können ferner ein Gebläse 200 umfassen. Dieses bläst oder saugt Luft in den Spalt bzw. Luftraum 205 zwischen Platine 30 und Kühlkörper 20 zur Erhöhung der Kühlung, was in
Beleuchtungskörper gemäß Ausführungsbeispielen können ferner einen Thermosyphon 210 oder eine Heatpipe 220 umfassen, welches mit der Rückseite der LEDs in thermischer Verbindung steht. Hierzu kann der Kühlkörper 20 wie in vorigen Beispielen angeordnet sein, und zusätzlich mit dem Thermosyphon 210 oder der Heatpipe 220 in Verbindung stehen, so dass die Abwärme zu einem Kühlkörper/Kondensor 230 transportiert wird. Dies ist in
Die LED-Module gemäß Ausführungsformen eignen sich als wechselbare Beleuchtungskörper als Ersatz für herkömmliche Leuchmittel wie Halogenbirnen oder -stäbe. Dazu kann die Verbindung zur Stromversorgung über Stecker geschehen, so dass das Modul bei einem Defekt oder zum Wechseln der Beleuchtungsstärke schnell und einfach auch von Laien getauscht werden kann. Zudem kann die Strom-Steckverbindung so gestaltet sein, dass sie das Modul gleichzeitig in Position hält, etwa durch Kombination mit den Pfosten/Distanzstücken 80. Dabei kann in Ausführungsbeispielen der Kühlkörper 20 Teil des Moduls 10 sein, oder Teil der Leuchte 130.The LED modules according to embodiments are suitable as replaceable lighting fixtures as a replacement for conventional illuminants such as halogen bulbs or rods. For this purpose, the connection can be made to the power supply via plug, so that the module can be quickly and easily replaced by laymen in case of a defect or to change the illuminance. In addition, the power connector may be configured to hold the module in position at the same time, such as by combination with the posts /
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen sowie in den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen, technisch sinnvollen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.The features of the invention disclosed in the foregoing description, in the claims and in the drawings may be essential both individually and in any technically meaningful combination for the realization of the invention in its various embodiments.
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