EP3522682A1 - Schaltungsanordnung, leuchtvorrichtung sowie fahrzeugscheinwerfer - Google Patents

Schaltungsanordnung, leuchtvorrichtung sowie fahrzeugscheinwerfer Download PDF

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EP3522682A1
EP3522682A1 EP18155280.3A EP18155280A EP3522682A1 EP 3522682 A1 EP3522682 A1 EP 3522682A1 EP 18155280 A EP18155280 A EP 18155280A EP 3522682 A1 EP3522682 A1 EP 3522682A1
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EP
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circuit arrangement
heat sink
micromirror
control unit
circuit board
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Thomas MITTERLEHNER
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ZKW Group GmbH
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ZKW Group GmbH
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    • H05B3/84—Heating arrangements specially adapted for transparent or reflecting areas, e.g. for demisting or de-icing windows, mirrors or vehicle windshields
    • H05B3/86—Heating arrangements specially adapted for transparent or reflecting areas, e.g. for demisting or de-icing windows, mirrors or vehicle windshields the heating conductors being embedded in the transparent or reflecting material

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement comprising a printed circuit board, at least one micromirror component connected to the printed circuit board for modulating a light beam of a light source directed onto the micromirror component, and a heat sink thermally connected to the at least one micromirror component, and a current control unit, wherein the micromirror component by means of the current control unit associated with controllable heating element, which is thermally connected to the micromirror component.
  • modulation in this context is understood as a method in which light can be deflected by targeted activation of the micromirror device, wherein e.g. is projected in a state of a micromirror of the micromirror device, a light beam via a downstream imaging optics on a roadway and in another state, the light beam is already absorbed before.
  • By intermittent change of states, the light distribution as well as the intensity can be varied.
  • the invention relates to a lighting device with a circuit arrangement according to the invention and a vehicle headlight with a lighting device according to the invention.
  • DMD is an acronym used for "Digital Micromirror Device", thus for a micromirror array or micromirror matrix.
  • Such a micromirror array has very small dimensions, typically on the order of 10 mm.
  • micro-mirror actuators are arranged like a matrix, wherein each individual mirror element can be tilted by a certain angle, for example 20 °, for example by electromagnetic or piezoelectric actuators.
  • the end positions of a micromirror are referred to in this description as an ON state or OFF state, wherein ON state means that light from the micromirror passes through the imaging optics on the road, whereas in the OFF state, for example, it is directed to an absorber ,
  • ON state means that light from the micromirror passes through the imaging optics on the road, whereas in the OFF state, for example, it is directed to an absorber
  • a headlight based on a micromirror array is for example in the DE 195 30 008 A1 described.
  • Micromirror devices generally have a temperature operating range that can leave the allowable operating temperature range during normal operation without additional measures in vehicle headlight applications, in which case malfunction or consequential damage would occur.
  • a temperature operating range that can leave the allowable operating temperature range during normal operation without additional measures in vehicle headlight applications, in which case malfunction or consequential damage would occur.
  • it is provided in vehicle headlight applications, which may be subject to a high variation in ambient temperatures according to the application, to connect micromirror components to heat sinks. In this way it can be ensured that in the case of high ambient temperatures, the heat loss arising on a micromirror component does not lead to an inadmissibly high component temperature.
  • the provision of the heat sink could have a negative effect, since the intended operating temperature of a micromirror device also has a lower temperature limit, which could be below ambient temperatures of 0 ° C and less, since thus an approximation to which in this case undesirably low ambient temperature is obtained.
  • the micromirror component therefore has a heating element which is thermally connected to the component or preferably integrated in the component. Since the heat sink counteracts the heating of the micromirror device, considerable power is required to heat the micromirror device.
  • the power loss on the power control unit may be similar to the power of the DMD heater (PHEATER). In this case, heating powers up to a height of, for example, 40W are required to sufficiently heat the micromirror device.
  • the current control unit can therefore incur losses of, for example, 40W.
  • the current control unit for driving the heating element is electrically connected thereto, wherein the current control unit also connected via a thermal connection with the heat sink for transmitting heat loss incurred at the current control unit with the micromirror device is.
  • the heating element may be formed, for example, as a heating coil.
  • the micromirror component can be, for example, a digital mirror device (DMD) chip, wherein the micromirror component is preferably configured and controllable in such a way that a multiplicity of mirrors can be controlled individually in an on and off state in order thus to achieve the desired light distribution pattern generate, which is projected onto the roadway via the projection optics.
  • DMD digital mirror device
  • the micromirror device may also be referred to as a beam deflection unit.
  • a DMD chip may e.g. be designed as DLP based light module, such modules are available, for example, from the company "Texas Instruments”.
  • the printed circuit board has an opening through which a heat conducting element extends from the micromirror component to the heat transfer heat sink.
  • the heat-conducting element is thermally connected to the micromirror component and the heat sink.
  • the heat-conducting element is integrated into the heat sink or is formed integrally therewith.
  • thermal paste or heat-conducting adhesive is preferably arranged to optimize the heat transfer.
  • the printed circuit board may, for example, be a double-sided FR4 printed circuit board. Such plates are inexpensive to produce, but have a poor thermal conductivity.
  • the circuit arrangement further comprises a connectable to a vehicle headlamp housing support frame, wherein the circuit board is disposed between the heat sink and the support frame.
  • the support frame has positioning means for fixing the position of the micromirror component with respect to the support frame.
  • the heating element is integrated in the micromirror component.
  • thermal energy of the heating element can be transferred to the micromirrors in a particularly efficient manner.
  • the flow control unit is arranged on the side facing the heat sink side of the circuit board.
  • the heat sink may direct the flow control unit - e.g. via its outer housing - contact.
  • this arrangement may be particularly advantageous.
  • the current control unit is arranged on the side facing away from the heat sink of the circuit board.
  • the Current control unit via at least one extending through the circuit board heat conduction, in particular thermally conductive vias, is thermally connected to the heat sink.
  • a via is a so-called “vertically interconnected access” understood, so extending through the circuit board connection.
  • This arrangement has the particular advantage that the cooling of the flow control unit or the heat transfer to the heat sink is typically very efficient on the underside of the flow control unit, since it is equipped with corresponding metallic contacts and connected to the circuit board, which is in the interior of the flow control unit extend and thus efficiently conduct heat to the bottom.
  • the heat sink is connected to the support frame such that the circuit board is fixable by the heat sink in position relative to the support frame, whereby the micromirror member in its position with respect to a vehicle headlight housing connected to the support frame and therein recorded components can be fixed.
  • the heat sink is connected to the support frame by means of a screw connection, wherein the heat sink is displaceable along the screw connection and spring elements are provided, by means of which the heat sink in the direction of Support frame is pressed.
  • the current control unit is a linearly regulated current control unit, in particular a linear current source.
  • these flow control units are linearly controlled and inexpensive to produce.
  • Linearly controlled current control units have a higher power loss compared to clocked control units, which, however, can be advantageously used within the meaning of the present invention, so that the cost-saving potential of the favorable linear current control units can be fully utilized.
  • Constant current sources with J-FET, constant current sources with bipolar transistors, constant current sources with operational amplifier (OPV) and transistor, current mirror as constant current source, or constant current sources with linear regulators come into consideration as linear constant current sources.
  • all the electronic components of the circuit arrangement are SMD components (ie surface mounted devices).
  • At least one base for receiving the at least one micromirror component is provided on the printed circuit board. In this way, it is basically possible to install the micromirror component at any time of a vehicle headlight assembly or replace, for example.
  • the flow control unit is arranged at a distance of a maximum of 3 cm from the micromirror component.
  • the invention further relates to a lighting device comprising a circuit arrangement according to the invention, a light source, and at least one imaging optics for imaging the light emitted by the luminous element toward a predefinable light distribution, the light source, the micromirror component and the imaging optics being arranged such that the light source emitted light can be deflected via the micromirror component towards the imaging optics.
  • the invention relates to a vehicle headlight, in particular motor vehicle headlight, comprising a lighting device according to one of the preceding claims.
  • the invention relates to a vehicle comprising a vehicle headlight according to the invention, in particular motor vehicle headlights.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a circuit arrangement 1 'according to the prior art.
  • the circuit arrangement 1 ' comprises therein a printed circuit board 2', at least one micromirror component 3 'connected to the printed circuit board 2' for deflecting a light beam directed onto the micromirror component 3 ', and a current regulating unit 5'.
  • the micromirror component 3 ' has an integrated heating element 3a' which can be controlled by means of the current control unit 5 '.
  • the current control unit 5 ' is arranged on the circuit board 2', wherein no structural elements for thermal connection with the micromirror component 3 'are provided. The heat loss at the flow control unit 5 'remains unused.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a first embodiment of a circuit arrangement according to the invention 1.
  • the circuit arrangement 1 according to the invention comprises a printed circuit board 2 and at least one micromirror component 3 connected to the printed circuit board 2 for modulation of a light beam directed onto the micromirror component 3.
  • the circuit arrangement 1 comprises a heat sink 4 thermally connected to the at least one micromirror component 3 and a current control unit 5.
  • the micromirror component 3 has an integrated heating element 3a that can be controlled by means of the current control unit 5.
  • the circuit arrangement 1 In contrast to the circuit arrangement 1 'according to the prior art is in the circuit arrangement 1 according to the invention electrically connected to the heating element 3a current control unit 5 via a thermal connection to the heat sink 4 for transmitting incurred at the current control unit 5 heat loss to the micromirror device 3 thermally connected.
  • the circuit board 2 in the present Embodiment an opening 2a through which a heat conducting element 4a extends from the micromirror device 3 to the heat sink 4 for heat transfer.
  • the heat-conducting element 4 a is integrally formed with the heat sink 4 in the present embodiment. Between the heat sink 4 and the printed circuit board 2 can be arranged to improve the heat transfer thermal interface material 10 (eg thermal grease).
  • this thermally conductive material 10 eg Gapfiller material from Bergquist GF1500
  • this material is designed especially for conduction over greater distances (in the millimeter range), wherein the material is arranged in the region between the printed circuit board 2 and the current control unit 5.
  • This material can also be arranged between the micromirror component 3 and the heat-conducting element 4a.
  • conventional thermal paste or thermal adhesive may be provided.
  • the circuit arrangement 1 further comprises a support frame 6 which can be connected to a vehicle headlight housing (not shown in the figures), the printed circuit board 2 being arranged between the heat sink and the support frame 6.
  • the support frame 6 comprises positioning means 6a formed as projections for fixing the position of the micromirror component 3 with respect to the support frame 6.
  • the electronic components of the circuit arrangement 1 are arranged both on the side facing the support frame 6 of the circuit board 2 and on the opposite side, wherein the current control unit 5 via at least one extending through the printed circuit board 2 heat conduction 2b, in particular thermally conductive vias, thermally connected to the heat sink 4 is.
  • the heat sink 4 is connected to the support frame 6 in such a way that the circuit board 2 can be fixed by the heat sink 4 in its position with respect to the support frame 6.
  • a base 9 is arranged, which is provided for receiving the micromirror device 3 and via which the micromirror device 3 is electrically connected to the circuit board 2.
  • the distance (measured from the center points of the elements in the direction of the plane defined by the printed circuit board 2) between the micromirror device 3 and the current control unit is maximum 3 cm.
  • the invention also relates to a light-emitting device, not shown in the figures, comprising a circuit arrangement 1 according to the invention, a light source, and at least one imaging optics (the light source and the imaging optics are not shown in the figures) for imaging the light emitted by the light element toward one predefinable light distribution, wherein the light source and the micromirror device is arranged such that light emitted by the light source via the micromirror device to the imaging optics, in particular a projection device (lens) is steerable.
  • the invention relates to a vehicle headlight, in particular motor vehicle headlight, comprising a lighting device according to the invention and a vehicle, comprising a vehicle headlight according to the invention, in particular a motor vehicle headlight.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a second embodiment of a circuit arrangement according to the invention 1.
  • the current control unit 5 is disposed therein on the underside of the circuit board 2, wherein the heat sink 4, the current control unit 5 contacted by means of heat conducting material directly to its housing.
  • FIG. 4 shows an equivalent circuit diagram of an electrical circuit consisting of the heating element 3a of a microprojection element 3 and a current control unit 5.
  • the equivalent circuit shows a voltage source Uo, via which the current control unit 5 and the heating element 3a is supplied.
  • the voltage Uo is divided into the voltages U DMD and U SR , the ratio of these voltages depending on the nature of the heating element, the ambient temperature, and the properties of the regulator 5 and its operating state is specified.
  • the power loss at the controller 5 can assume quite the same values as the heat output of the heating coil.
  • U SR U DMD
  • the power loss P SR I Heater * U SR
  • P DMD I Heater * U DMD .
  • the costs incurred at the flow control unit 5 Power loss P SR is used to heat the micromirror device 3, the heating power P DMD and thus the total energy demand for heating the micromirror device 3 can be reduced.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (1), umfassend eine Leiterplatte (2), zumindest ein mit der Leiterplatte (2) verbundenes Mikrospiegelbauelement (3) zur Modulierung eines auf das Mikrospiegelbauelement (3) gerichteten Lichtstrahls, und einen mit dem zumindest einen Mikrospiegelbauelement (3) thermisch verbundenen Kühlkörper, sowie eine Stromregeleinheit (5), wobei das Mikrospiegelbauelement (3) ein mittels der Stromregeleinheit (5) steuerbares Heizelement (3a) aufweist, wobei die Stromregeleinheit (5) zur Ansteuerung des Heizelements (3a) mit diesem elektrisch verbunden ist, wobei die Stromregeleinheit (5) zudem über eine thermische Verbindung mit dem Kühlkörper (4) zur Übertragung von an der Stromregeleinheit (5) anfallender Verlustwärme mit dem Mikrospiegelbauelement (3) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, umfassend eine Leiterplatte, zumindest ein mit der Leiterplatte verbundenes Mikrospiegelbauelement zur Modulation eines auf das Mikrospiegelbauelement gerichteten Lichtstrahls einer Lichtquelle, und einen mit dem zumindest einen Mikrospiegelbauelement thermisch verbundenen Kühlkörper, sowie eine Stromregeleinheit, wobei dem Mikrospiegelbauelement ein mittels der Stromregeleinheit steuerbares Heizelement zugeordnet ist, das mit dem Mikrospiegelbauteil thermisch verbunden ist.
  • Unter dem Ausdruck "Modulation" wird in diesem Zusammenhang ein Verfahren verstanden, bei dem Licht durch gezielte Ansteuerung des Mikrospiegelbauelements abgelenkt werden kann, wobei z.B. durch in einem Zustand eines Mikrospiegels des Mikrospiegelbauelements ein Lichtstrahl über eine nachgelagerte Abbildungsoptik auf eine Fahrbahn projiziert wird und in einem anderen Zustand der Lichtstrahl bereits zuvor absorbiert wird. Durch intermittierenden Wechsel der Zustände kann dadurch die Lichtverteilung als auch die Intensität variiert werden.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine Leuchtvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sowie einen Fahrzeugscheinwerfer mit einer erfindungsgemäßen Leuchtvorrichtung.
  • Es ist bekannt geworden, als Lichtbearbeitungselemente für Scheinwerfersysteme Bildgeber zu verwenden, die eine große Anzahl ansteuerbarer Pixelfelder aufweisen. So zeigt die DE102013215374A1 Lösungen, bei welchen das Licht einer Lichtquelle über einen sogenannten "Taper", einem konischen Lichtleitelement, zu einem LCD-Bildgeber, zu einem LCoS-Chip oder zu einer Mikrospiegelanordnung ("DMD") gelenkt wird, um dann über eine Projektionsoptik auf die Fahrbahn projiziert zu werden.
  • DMD ist ein Akronym, das für "Digital Micromirror Device" gebraucht wird, somit für ein Mikrospiegel-Array oder Mikrospiegel-Matrix. Solch ein Mikrospiegel-Array besitzt sehr kleine Abmessungen, typischerweise in der Größenordnung von 10 mm.
  • Bei einem DMD sind Mikrospiegelaktoren matrixartig angeordnet, wobei jedes einzelne Spiegelelement um einen bestimmten Winkel, beispielsweise 20°, verkippbar ist, beispielsweise durch elektromagnetische oder piezoelektrische Aktoren. Die Endlagen eines Mikrospiegels wird in dieser Beschreibung als EIN-Zustand bzw. AUS-Zustand bezeichnet, wobei EIN-Zustand bedeutet, dass Licht von dem Mikrospiegel über die Abbildungsoptik auf die Straße gelangt, wogegen es im AUS-Zustand beispielsweise auf einen Absorber gelenkt wird. Ein Scheinwerfer auf Basis eines Mikrospiegel-Arrays ist beispielsweise in der DE 195 30 008 A1 beschrieben.
  • Mikrospiegelbauelemente weisen im Allgemeinen einen Temperaturarbeitsbereich auf, der ohne zusätzliche Maßnahmen bei Fahrzeugscheinwerferanwendungen im Normalbetrieb den zulässigen Betriebstemperaturbereich verlassen kann, wobei in diesem Fall Fehlfunktion oder Folgeschäden auftreten würden. Um den Arbeitsbereich auf den zulässigen Betriebstemperaturbereich einzuschränken, ist in Fahrzeugscheinwerferanwendungen, die anwendungsgemäß einer hohen Schwankungsbreite der Umgebungstemperaturen ausgesetzt sein können, vorgesehen, Mikrospiegelbauelemente mit Kühlkörpern zu verbinden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass im Falle hoher Umgebungstemperaturen die an einem Mikrospiegelbauelement anfallende Verlustwärme zu keiner unzulässig hohen Bauteiltemperatur führt.
  • Bei Temperaturen, die niedriger als z.B. 0°C sind, könnte sich das Vorsehen des Kühlkörpers hingegen negativ auswirken, da die vorgesehene Betriebstemperatur eines Mikrospiegelbauelements ebenso eine Temperaturuntergrenze aufweist, die bei Umgebungstemperaturen von 0°C und weniger unterschritten werden könnte, da damit eine Angleichung an die in diesem Fall unerwünscht niedrige Umgebungstemperatur erwirkt wird. Um ein Unterschreiten der zulässigen Betriebstemperatur im Falle niedriger Umgebungstemperaturen zu verhindern, weist das Mikrospiegelbauelement daher ein Heizelement auf, das mit dem Bauteil thermisch verbunden oder vorzugsweise in das Bauteil integriert ist. Da der Kühlkörper der Beheizung des Mikrospiegelbauelements entgegenwirkt, ist beträchtliche Leistung zur Erwärmung des Mikrospiegelbauelements erforderlich. Hinzu kommt, dass der Wicklungswiderstand von typischen integrierten Heizelementen, insbesondere in DMD-Chips, sehr stark temperaturabhängig ist, weshalb eine Stromregelungseinheit zur Ansteuerung des Heizelements bzw. zur Steuerung der Heizleistung vorgesehen ist. An dieser Stromregelungseinheit fallen gemäß dem Produkts aus Spannungsabfall USR und Strom IHeater (siehe Figur 3) Verluste an, die sehr stark von der Temperatur des Heizelements abhängen.
  • Die Verlustleistung an der Stromreglungseinheit kann unter Umständen ähnliche Werte wie die Leistung des DMD Heizelement (PHEATER) erreichen. Dabei sind Heizleistungen bis zu einer Höhe von beispielsweise 40W erforderlich, um das Mikrospiegelbauelement ausreichend zu erwärmen. An der Stromregelungseinheit können daher Verluste in Höhe von beispielsweise 40 W anfallen.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die Verlustleistung der Schaltungsanordnung zu reduzieren und den Betrieb des Mikrospiegelbauelements zu optimieren. Diese Aufgabe wird mit einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art gelöst, bei der erfindungsgemäß die Stromregeleinheit zur Ansteuerung des Heizelements mit diesem elektrisch verbunden ist, wobei die Stromregeleinheit zudem über eine thermische Verbindung mit dem Kühlkörper zur Übertragung von an der Stromregeleinheit anfallender Verlustwärme mit dem Mikrospiegelbauelement verbunden ist. Dadurch ist es möglich, die in der Stromregeleinheit anfallende Verlustleistung zur Beheizung des Mikrospiegelbauelements zu nutzen, wodurch die in dem Heizelement des Mikrospiegelbauelements umzusetzende Heizleistung reduziert werden kann. Die Effizienz des Gesamtsystems steigt dadurch, da in Summe weniger Energie erforderlich ist, um das Mikrospiegelbauelement in einen zulässigen Temperaturbereich zu bringen. Diese Verbesserung der Effizienz ermöglicht es zudem, Leiterbahnen und die Leiterbahnen versorgende Kabelstränge - insbesondere Flex-Verbindungen - entsprechend dünner zu dimensionieren. Bei der Lichtquelle handelt es sich bevorzugt um eine oder mehrere LED-Lichtquellen.
  • Das Heizelement kann beispielsweise als Heizwicklung ausgebildet sein. Bei dem Mikrospiegelbauelement kann es sich beispielsweise um einen DMD-Chip (digital mirror device) handeln, wobei das Mikrospiegelbauelement vorzugsweise dergestalt ausgebildet und ansteuerbar ist, dass eine Vielzahl von Spiegeln individuell in einen eingeschalteten und ausgeschalteten Zustand ansteuerbar sind, um somit das gewünschte Lichtverteilungsmuster zu erzeugen, welches über die Projektionsoptik auf die Fahrbahn projiziert wird.
  • Das Mikrospiegelbauelement kann auch als Strahlablenkeinheit bezeichnet werden. Ein DMD-Chip kann z.B. als DLP basiertes Lichtmodul ausgebildet sein, wobei solche Module beispielsweise von dem Unternehmen "Texas Instruments" erhältlich sind.
  • Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Leiterplatte eine Öffnung aufweist, durch die sich ein Wärmeleitelement von dem Mikrospiegelbauelement hin zu dem Kühlkörper zur Wärmeübertragung erstreckt. Das Wärmeleitelement ist mit dem Mikrospiegelbauelement und dem Kühlkörper thermisch verbunden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Wärmeleitelement in den Kühlkörper integriert ist bzw. mit diesem einstückig ausgebildet ist. Zwischen dem Wärmeleitelement und dem Mikrospiegelbauelement ist zur Optimierung des Wärmeüberganges vorzugweise Wärmeleitpaste oder Wärmeleitkleber angeordnet. Bei der Leiterplatte kann es sich beispielsweise um eine doppelseitig bestückte FR4 Leiterplatte handeln. Solche Platten sind kostengünstig herstellbar, weisen allerdings eine schlechte thermische Leitfähigkeit auf.
  • Zur Befestigung und Referenz des Mikrospiegelbauelements innerhalb eines Fahrzeugscheinwerfers kann z.B. vorgesehen sein, dass die Schaltungsanordnung ferner einen mit einem Fahrzeugscheinwerfergehäuse verbindbaren Tragrahmen umfasst, wobei die Leiterplatte zwischen dem Kühlkörper und dem Tragrahmen angeordnet ist. Insbesondere kann vorgesehen, dass der Tragrahmen Positionierungsmittel zur Festlegung der Position des Mikrospiegelbauelements in Bezug auf den Tragrahmen aufweist.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Heizelement in das Mikrospiegelbauteil integriert ist. Auf diese Weise kann thermische Energie des Heizelements besonders effizient auf die Mikrospiegel übertragen werden.
  • Beispielsweise kann vorgesehen, dass die Stromregeleinheit an der von dem Kühlkörper zugewandten Seite der Leiterplatte angeordnet ist. In diesem Fall kann der Kühlkörper die Stromregeleinheit direkt - z.B. über dessen Außengehäuse - kontaktieren. Abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Außengehäuses kann diese Anordnung besonders vorteilhaft sein.
  • Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass die Stromregeleinheit an der dem Kühlkörper abgewandten Seite der Leiterplatte angeordnet ist. Dadurch können beispielsweise einseitig bestückbare Leiterplatten eingesetzt werden. Zudem kann vorgesehen sein, dass, dass die Stromregeleinheit über zumindest ein durch die Leiterplatte erstreckendes Wärmeleitmittel, insbesondere wärmeleitende Vias, mit dem Kühlkörper thermisch verbunden ist. Dadurch kann die Stromregeleinheit effizient thermisch mit dem Mikrospiegelbauelement kontaktiert werden. Unter einem Via wird ein sog. "vertical interconnected access" verstanden, also eine durch die Leiterplatte erstreckende Verbindung. Diese Anordnung hat den besonderen Vorteil, dass die Kühlung der Stromregeleinheit bzw. die Wärmeübertragung auf den Kühlkörper typischerweise besonders effizient über die Unterseite der Stromregeleinheit erfolgt, da diese mit entsprechenden metallischen Kontakten ausgestattet und mit der Leiterplatte verbunden ist, die sich in das Innere der Stromregeleinheit erstrecken und damit Wärme effizient zur Unterseite leiten.
  • Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Kühlkörper mit dem Tragrahmen dergestalt verbunden ist, dass die Leiterplatte durch den Kühlkörper in ihrer Position in Bezug auf den Tragrahmen fixierbar ist, wodurch das Mikrospiegelbauteil in seiner Position in Bezug auf einen mit dem Tragrahmen verbunden Fahrzeugscheinwerfergehäuse und darin aufgenommener Komponenten fixiert werden kann. Um den Einbau und die Endpositionierung der Schaltungsanordnung innerhalb eines Fahrzeugscheinwerfers zu erleichtern, kann vorgesehen sein, dass der Kühlkörper mit dem Tragrahmen mittels einer Schraubverbindung verbunden ist, wobei der Kühlkörper entlang der Schraubverbindung verschiebbar ist und Federelemente vorgesehen sind, mittels derer der Kühlkörper in Richtung des Tragrahmens gedrückt wird.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Stromregeleinheit eine linear geregelte Stromregeleinheit, insbesondere eine Linearstromquelle ist. Im Gegensatz zu getakteten Stromregeleinheiten sind diese Stromregeleinheiten linear geregelt und kostengünstig herstellbar. Linear geregelte Stromregeleinheiten weisen eine im Vergleich zu getakteten Regeleinheiten höhere Verlustleistung auf, die allerdings im Sinne der vorliegenden Erfindung vorteilhaft genutzt werden kann, sodass das Kosteneinsparungspotential der günstigen linearen Stromregeleinheiten vollständig ausgeschöpft werden kann. Als lineare Konstantstromquellen kommen z.B. Konstantstromquellen mit J-FET, Konstantstromquellen mit bipolaren Transistoren, Konstantstromquellen mit Operationsverstärker (OPV) und Transistor, Stromspiegel als Konstantstromquelle, oder Konstantstromquellen mit Linearreglern in Frage.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass sämtliche elektronischen Bauteile der Schaltungsanordnung SMD-Bauteile (also surface mounted devices) sind.
  • Zudem kann vorgesehen sein, dass an der Leiterplatte zumindest ein Sockel zur Aufnahme des zumindest einen Mikrospiegelbauelements vorgesehen ist. Auf diese Weise ist es grundsätzlich möglich, das Mikrospiegelbauelement zu einem beliebigen Zeitpunkt einer Fahrzeugscheinwerfermontage einzubauen oder beispielsweise auszutauschen.
  • Zudem kann vorgesehen sein, dass die Stromregeleinheit in einem Abstand von maximal 3 cm zu dem Mikrospiegelbauelement angeordnet ist.
  • Die Erfindung betrifft zudem eine Leuchtvorrichtung, umfassend eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, eine Lichtquelle, sowie zumindest eine Abbildungsoptik zur Abbildung des von dem Leuchtelement abgestrahlten Licht hin zu einer vorgebbaren Lichtverteilung, wobei die Lichtquelle, das Mikrospiegelbauelement und die Abbildungsoptik dergestalt angeordnet ist, dass durch die Lichtquelle abgestrahltes Licht über das Mikrospiegelbauelement hin zu der Abbildungsoptik ablenkbar ist.
  • Weiters betrifft die Erfindung einen Fahrzeugscheinwerfer, insbesondere Kraftfahrzeugscheinwerfer, umfassend eine Leuchtvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  • Zudem betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, umfassend einen erfindungsgemäßen Fahrzeugscheinwerfer, insbesondere Kraftfahrzeugscheinwerfer.
  • Die Erfindung ist im Folgenden anhand beispielhafter und nicht einschränkender Ausführungsformen näher erläutert, die in den Figuren veranschaulicht sind. Darin zeigt
    • Figur 1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik,
    • Figur 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
    • Figur 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, und
    • Figur 4 ein Ersatzschaltbild einer elektrischen Schaltung bestehend aus einem Heizelement eines Mikroprojektionselements und einer Stromregeleinheit.
  • In den folgenden Figuren bezeichnen - sofern nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale.
  • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung 1' gemäß dem Stand der Technik. Die Schaltungsanordnung 1' umfasst darin eine Leiterplatte 2', zumindest ein mit der Leiterplatte 2' verbundenes Mikrospiegelbauelement 3' zur Ablenkung eines auf das Mikrospiegelbauelement 3' gerichteten Lichtstrahls, sowie eine Stromregeleinheit 5' auf. Das Mikrospiegelbauelement 3' weist ein mittels der Stromregeleinheit 5' steuerbares integriertes Heizelement 3a' auf. Die Stromregeleinheit 5' ist an der Leiterplatte 2' angeordnet, wobei keine strukturelle Elemente zur thermischen Verbindung mit dem Mikrospiegelbauelement 3' vorgesehen sind. Die Verlustwärme an der Stromregeleinheit 5' bleibt damit ungenutzt.
  • Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1. Analog zu Fig. 1 umfasst die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 eine Leiterplatte 2 und zumindest ein mit der Leiterplatte 2 verbundenes Mikrospiegelbauelement 3 zur Modulation eines auf das Mikrospiegelbauelement 3 gerichteten Lichtstrahls. Zudem umfasst die Schaltungsanordnung 1 einen mit dem zumindest einen Mikrospiegelbauelement 3 thermisch verbundenen Kühlkörper 4 sowie eine Stromregeleinheit 5. Das Mikrospiegelbauelement 3 weist ein mittels der Stromregeleinheit 5 steuerbares integriertes Heizelement 3a auf.
  • Im Gegensatz zur Schaltungsanordnung 1' gemäß dem Stand der Technik ist bei der Schaltungsanordnung 1 erfindungsgemäß die mit dem Heizelement 3a elektrisch verbundene Stromregeleinheit 5 über eine thermische Verbindung mit dem Kühlkörper 4 zur Übertragung von an der Stromregeleinheit 5 anfallender Verlustwärme mit dem Mikrospiegelbauelement 3 thermisch verbunden. Zu diesem Zweck weist die Leiterplatte 2 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Öffnung 2a auf, durch die sich ein Wärmeleitelement 4a von dem Mikrospiegelbauelement 3 hin zu dem Kühlkörper 4 zur Wärmeübertragung erstreckt. Das Wärmeleitelement 4a ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einstückig mit dem Kühlkörper 4 ausgebildet. Zwischen dem Kühlkörper 4 und der Leiterplatte 2 kann zur Verbesserung des Wärmeüberganges Wärmeleitmaterial 10 (z.B. Wärmeleitpaste) angeordnet sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass dieses wärmeleitende Material 10 (z.B. Gapfiller-Material der Firma Bergquist GF1500) speziell zur Leitung über größere Abstände (im Millimeterbereich) ausgelegt ist, wobei das Material im Bereich zwischen der Leiterplatte 2 und der Stromregeleinheit 5 angeordnet ist. Zwischen dem Mikrospiegelbauteil 3 und dem Wärmeleitelement 4a kann dieses Material ebenso angeordnet sein. Alternativ dazu kann herkömmliche Wärmeleitpaste oder Wärmeleitkleber vorgesehen sein.
  • Die Schaltungsanordnung 1 umfasst ferner einen mit einem Fahrzeugscheinwerfergehäuse (in den Figuren nicht dargestellt) verbindbaren Tragrahmen 6, wobei die Leiterplatte 2 zwischen dem Kühlkörper und dem Tragrahmen 6 angeordnet ist. Der Tragrahmen 6 umfasst als Vorsprünge ausgebildete Positionierungsmittel 6a zur Festlegung der Position des Mikrospiegelbauelements 3 in Bezug auf den Tragrahmen 6.
  • Die elektronischen Bauelemente der Schaltungsanordnung 1 sind sowohl an der dem Tragrahmen 6 zugewandten Seite der Leiterplatte 2 als auch an der abgewandten Seite angeordnet, wobei die Stromregeleinheit 5 über zumindest ein durch Leiterplatte 2 erstreckendes Wärmeleitmittel 2b, insbesondere wärmeleitende Vias, mit dem Kühlkörper 4 thermisch verbunden ist.
  • Der Kühlkörper 4 ist mit dem Tragrahmen 6 dergestalt verbunden, dass die Leiterplatte 2 durch den Kühlkörper 4 in seiner Position in Bezug auf den Tragrahmen 6 fixierbar ist. Dies wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel erreicht, indem der Kühlkörper 4 mit dem Tragrahmen 6 mittels einer Schraubverbindung 7 verbunden ist, wobei der Kühlkörper 4 entlang der Schraubverbindung 7 verschiebbar ist und Federelemente 8 vorgesehen sind, mittels derer der Kühlkörper 4 in Richtung des Tragrahmens 6 gedrückt wird.
  • An der Leiterplatte 2 ist ein Sockel 9 angeordnet, der zur Aufnahme des Mikrospiegelbauelements 3 vorgesehen ist und über den das Mikrospiegelbauelement 3 mit der Leiterplatte 2 elektrisch verbunden ist.
  • Um die an der Stromregeleinheit 5 anfallende Verlustwärme möglichst vollständig und rasch an das Mikrospiegelbauelement 3 weiterzuleiten, kann vorgesehen sein, dass der Abstand (gemessen von den Mittelpunkten der Elemente in Richtung der durch die Leiterplatte 2 aufgespannten Ebene) zwischen dem Mikrospiegelbauelement 3 und der Stromregeleinheit maximal 3 cm beträgt.
  • Die Erfindung betrifft zudem eine in den Figuren nicht näher dargestellte Leuchtvorrichtung, umfassend eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1, eine Lichtquelle, sowie zumindest eine Abbildungsoptik (die Lichtquelle und die Abbildungsoptik sind in den Figuren nicht dargestellt) zur Abbildung des von dem Leuchtelement abgestrahlten Licht hin zu einer vorgebbaren Lichtverteilung, wobei die Lichtquelle und das Mikrospiegelbauelement dergestalt angeordnet ist, dass durch die Lichtquelle abgestrahltes Licht über das Mikrospiegelbauelement hin zu der Abbildungsoptik, insbesondere einer Projektionsvorrichtung (Linse) lenkbar ist. Außerdem betrifft die Erfindung einen Fahrzeugscheinwerfer, insbesondere Kraftfahrzeugscheinwerfer, umfassend eine erfindungsgemäße Leuchtvorrichtung sowie ein Fahrzeug, umfassend einen erfindungsgemäßen Fahrzeugscheinwerfer, insbesondere einen Kraftfahrzeugscheinwerfer.
  • Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform ist darin die Stromregeleinheit 5 an der Unterseite der Leiterplatte 2 angeordnet, wobei der Kühlkörper 4 die Stromregeleinheit 5 mittels Wärmeleitmaterial direkt an seinem Gehäuse kontaktiert.
  • Figur 4 zeigt ein Ersatzschaltbild einer elektrischen Schaltung bestehend aus dem Heizelement 3a eines Mikroprojektionselements 3 und einer Stromregeleinheit 5. Die Ersatzschaltung zeigt eine Spannungsquelle Uo, über die die Stromregeleinheit 5 sowie das Heizelement 3a versorgt wird. Die Spannung Uo teilt sich in die Spannungen UDMD und USR auf, wobei das Verhältnis dieser Spannungen in Abhängigkeit von der Beschaffenheit des Heizelements, der Umgebungstemperatur, sowie der Eigenschaften des Reglers 5 und dessen Betriebszustand vorgegeben ist. Wie bereits eingangs erwähnt, kann die Verlustleistung an dem Regler 5 durchaus gleiche Werte wie die Wärmeleistung der Heizwicklung annehmen. In diesem Fall gilt daher USR = UDMD, wobei die Verlustleistung PSR = IHeater * USR beträgt und PDMD = IHeater * UDMD beträgt. Indem erfindungsgemäß die an der Stromregeleinheit 5 anfallende Verlustleistung PSR zur Erwärmung des Mikrospiegelbauelements 3 genutzt wird, kann die Heizleistung PDMD und damit der Gesamtenergiebedarf zur Heizung des Mikrospiegelbauelements 3 reduziert werden.
  • In Anbetracht dieser Lehre ist der Fachmann in der Lage, ohne erfinderisches Zutun zu anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen. Die Erfindung ist daher nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt. Auch können einzelne Aspekte der Erfindung bzw. der Ausführungsform aufgegriffen und miteinander kombiniert werden. Wesentlich sind die der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken, die durch einen Fachmann in Kenntnis dieser Beschreibung in mannigfaltiger Weise ausgeführt werden können und trotzdem als solche aufrechterhalten bleiben. Etwaige Bezugszeichen in den Ansprüchen sind beispielhaft und dienen nur der einfacheren Lesbarkeit der Ansprüche, ohne diese einzuschränken.

Claims (15)

  1. Schaltungsanordnung (1), umfassend
    - eine Leiterplatte (2),
    - zumindest ein mit der Leiterplatte (2) verbundenes Mikrospiegelbauelement (3) zur Modulation eines auf das Mikrospiegelbauelement (3) gerichteten Lichtstrahls einer Lichtquelle,
    - einen mit dem zumindest einen Mikrospiegelbauelement (3) thermisch verbundenen Kühlkörper (4), und
    - eine Stromregeleinheit (5),
    wobei dem Mikrospiegelbauelement (3) ein mittels der Stromregeleinheit (5) steuerbares Heizelement (3a) zugeordnet ist, das mit dem Mikrospiegelbauteil (3) thermisch verbunden ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Stromregeleinheit (5) zur Ansteuerung des Heizelements (3a) mit diesem elektrisch verbunden ist, wobei die Stromregeleinheit (5) zudem über eine thermische Verbindung mit dem Kühlkörper (4) zur Übertragung von an der Stromregeleinheit (5) anfallender Verlustwärme mit dem Mikrospiegelbauelement (3) verbunden ist.
  2. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die Leiterplatte (2) eine Öffnung (2a) aufweist, durch die sich ein Wärmeleitelement (4a) von dem Mikrospiegelbauelement (3) hin zu dem Kühlkörper (4) zur Wärmeübertragung erstreckt.
  3. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schaltungsanordnung (1) ferner einen mit einem Fahrzeugscheinwerfergehäuse verbindbaren Tragrahmen (6) umfasst, wobei die Leiterplatte (2) zwischen dem Kühlkörper (4) und dem Tragrahmen (6) angeordnet ist, wobei vorzugsweise der Tragrahmen (6) Positionierungsmittel (6a) zur Festlegung der Position des Mikrospiegelbauelements (3) in Bezug auf den Tragrahmen (6) aufweist.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Heizelement (3a) in das Mikrospiegelbauteil (3) integriert ist.
  5. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromregeleinheit (5) an der von dem Kühlkörper (4) zugewandten Seite der Leiterplatte (3) angeordnet ist.
  6. Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Stromregeleinheit (5) an der dem Kühlkörper (4) abgewandten Seite der Leiterplatte (3) angeordnet ist.
  7. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 6, wobei die Stromregeleinheit (5) über zumindest ein durch Leiterplatte (2) erstreckendes Wärmeleitmittel (2b), insbesondere zumindest eines wärmeleitenden Vias, mit dem Kühlkörper (4) thermisch verbunden ist.
  8. Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei der Kühlkörper (4) mit dem Tragrahmen (6) dergestalt verbunden ist, dass die Leiterplatte (2) durch den Kühlkörper (4) in ihrer Position in Bezug auf den Tragrahmen (6) fixierbar ist.
  9. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 8, wobei der Kühlkörper (4) mit dem Tragrahmen (6) mittels einer Schraubverbindung (7) verbunden ist, wobei der Kühlkörper (4) entlang der Schraubverbindung verschiebbar ist und Federelemente (8) vorgesehen sind, mittels derer der Kühlkörper (4) in Richtung des Tragrahmens (6) gedrückt wird.
  10. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromregeleinheit (5) eine linear geregelte Stromregeleinheit ist.
  11. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sämtliche elektronischen Bauteile (3, 5) der Schaltungsanordnung (1) SMD-Bauteile sind.
  12. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Leiterplatte (2) zumindest ein Sockel (9) zur Aufnahme des zumindest einen Mikrospiegelbauelements (3) vorgesehen ist.
  13. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Stromregeleinheit (5) in einem Abstand (d) von maximal 3cm zu dem Mikrospiegelbauelement (3) angeordnet ist.
  14. Leuchtvorrichtung, umfassend eine Schaltungsanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, eine Lichtquelle, sowie zumindest eine Abbildungsoptik zur Abbildung des von dem Leuchtelement abgestrahlten Licht hin zu einer vorgebbaren Lichtverteilung, wobei die Lichtquelle, das Mikrospiegelbauelement (3) und die Abbildungsoptik dergestalt angeordnet ist, dass durch die Lichtquelle abgestrahltes Licht über das Mikrospiegelbauelement (3) hin zu der Abbildungsoptik ablenkbar ist.
  15. Fahrzeugscheinwerfer, insbesondere Kraftfahrzeugscheinwerfer, umfassend eine Leuchtvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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