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Die Erfindung betrifft eine Leuchtdiodenanordnung, die insbesondere zu Beleuchtungszwecken dienen kann.
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Für die Beleuchtung von Räumen sowie auch zur Beleuchtung von Außenbereichen dienen zunehmend Leuchtdioden, von denen meistens mehrere zu einem Modul oder einer Leuchtdiodenanordnung zusammengefasst sind.
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Eine solche Leuchtdiodenanordnung ist beispielsweise der
DE 10 2006 048 230 A1 zu entnehmen. Danach umfasst die Leuchtdiodenanordnung eine Tragplatte, die mit einem Kühlkörper in Flächenanlage steht, um Verlustwärme abzuleiten. Zur Abdeckung der Leuchtdiode und der Tragplatte dient eine transparente Haube, deren Rand mut dem Kühlkörper verbunden ist. Die Haube weist einen zu der Leuchtdiode hin gerichteten Vorsprung auf, der eine Ausnehmung aufweist, in die die Leuchtdiode ragt.
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Sind auf einem Leuchtdiodenmodul viele Leuchtdioden angeordnet, um einen hohen Lichtstrom zu erzeugen, wird es bevorzugt, die Leuchtdioden in Reihe zu schalten. Die Leuchtdiodenreihenschaltung wird über eine entsprechende elektronische Versorgungsschaltung aus einer geeigneten Quelle wie beispielsweise dem öffentlichen Energieversorgungsnetz mit Leistung versorgt.
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Werden die Leuchtdioden mit einer Spannung kleiner als 50 V versorgt, stellt die elektrische Sicherheit an den Leuchtdioden kein wesentliches Problem dar. Allerdings wird angestrebt, höhere Leuchtdioden-Versorgungsspannungen zu wählen, um die Umsetzungsverluste in der Stromversorgungsschaltung gering zu halten. Es können dabei über den miteinander in Reihe geschalteten Leuchtdioden Spannungen von beispielsweise etwa 400 V abfallen, die eine zuverlässige elektrische Isolation des Leuchtdiodenmoduls erfordern. Die elektrische Sicherheit soll bei erhöhten Sicherheitsanforderungen auch im Brandfalle gewährleistet sein.
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Zusätzlich ist aus der
GB 2,428,467 A eine explosionssichere LED-Leuchte bekannt, die eine Anzahl von auf einer Leiterplatte kontaktierten Leuchtdioden aufweist, die Licht in einen optischen Körper einstrahlen. Die Anschlüsse der Leuchtdioden sind von keramischer Paste umgeben, die die Anschlüsse einhüllt und zur Wärmeableitung dient.
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Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Leuchtdiodenanordnung anzugeben, die auch bei hohen Sicherheitsanforderungen zu Beleuchtungszwecken eingesetzt werden kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Bei der Leuchtdiodenanordnung, die zu Beleuchtungszwecken vorgesehen ist, ist ein Basisträger vorgesehen, auf dem mindestens ein Licht abgebendes Halbleiterelement sowie Leiterzüge zur Stromversorgung des Halbleiterelements angeordnet sind, die mit Anschlüssen des Halbleiterelements verbunden sind, wobei außerdem über dem Basisträger mindestens ein Lichtauslasselement vorgesehen ist, das das Halbleiterelement abdeckt, wobei unter dem Lichtauslasselement und dabei über den Anschlüssen ein Abdeckelement mit hohem Feuerwiderstand angeordnet ist, um die Anschlüsse abzudecken und eine elektrische Isolierung derselben zu erbringen.
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Die Leiterzüge liegen vorzugsweise an der Vorderseite des elektrisch isolierenden oder mit einer Isolationsschicht versehenen Basisträgers, an dem auch das Halbleiterelement angeordnet ist. Die Anzahl der Halbleiterelemente ist dabei zweckentsprechend festgelegt. Im Einzelfall mag ein einzelnes Halbleiterelement genügen. In der Regel trägt der Basisträger jedoch eine ganze Gruppe von Halbleiterelementen, die elektrisch vorzugsweise in Reihe geschaltet sind. Die Halbleiterelemente sind zur Stromversorgung mit den spannungsführenden Leiterzügen verbunden.
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Zur Lichtausleitung kann über dem Basisträger optional mindestens ein Lichtauslasselement, beispielsweise in Form einer transparenten Abdeckplatte, angeordnet sein. Im bevorzugten Ausführungsfalle ist über jedem Halbleiterelement einzeln ein Lichtauslasselement, beispielsweise in Gestalt einer Linse, vorzugsweise aus Kunststoff, angeordnet. Die Linse ist an dem Halbleiterelement oder im Basisträger befestigt. Die Linse kann eine lichtbrechende massive Linse, eine Zonenlinse oder eine beugungsoptische Linse sein.
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Die an dem Rand des Halbleiterelements angeordneten Verbindungsstellen, bei denen die Anschlüsse des Halbleiterelements elektrisch mit den Leiterzügen verbunden sind, sind beispielsweise Schweißstellen oder Lötstellen. Die Verbindungsstellen haben eine Dicke, die größer ist als die Dicke der Leiterzüge. Die Verbindungsstellen sind vorzugsweise mit einem feuerfesten Abdeckelement abgedeckt, das fest mit der Leuchtdiodenanordnung verbunden ist. Unabhängig von der Dicke einer ansonsten auf der die Halbleiterelemente tragenden oberen Seite angeordneten Vergussschicht stellt das feuerfeste Abdeckelement den Berührungsschutz der Leuchtdiodenanordnung auch dann noch sicher, wenn diese beispielsweise durch Feuereinwirkung teilweise zerstört ist und beispielsweise die Kunststofflinsen bereits abgeschmolzen sind. Außerdem kann das Abdeckelement im Falle eines elektrischen Kurzschlusses, Durchschlags oder eines Produktionsfehlers, der einen Lichtbogen zwischen den Anschlüssen des Halbleiterelements verursachen könnte, die Entzündung der Plastiklinsen über dem Halbleiterelement verhindern. Das feuerfeste Abdeckelement kann ein flaches plattenförmiges oder streifenförmiges Keramikelement sein, das an mindestens einer Seite des Halbleiterelements entlang führt. Bevorzugterweise ist das Abdeckelement als flacher Rahmen ausgebildet, dessen mittlerer Ausschnitt geringfügig größer ist als das Halbleiterelement. Der Keramikrahmen kann somit um das Halbleiterelement herum angeordnet werden.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Keramikelement um eine elektrisch isolierende Keramik, insbesondere aber eine Oxydkeramik. Vorzugsweise ist sie mittels einer Kunststoffmasse über den Verbindungsstellen gehalten, wobei sich die Kunststoffmasse zwischen die Anschlüsse des Halbleiterelements erstreckt und die Verbindung zwischen dem Abdeckelement und dem Basisträger herstellt. Als Kunststoffmasse kommt insbesondere eine dauerelastische Kunststoffmasse in Frage. Bevorzugt wird ein Silikonkunststoff.
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Das Halbleiterelement kann zur Lichterzeugung einen oder mehrere pn-Übergänge aufweisen, die jeweils für sich als Leuchtdioden angesehen werden können. Außerdem kann das Halbleiterelement in einem Gehäuse mehrere Licht erzeugende Chips enthalten.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Leuchtdiodenanordnung mehrere untereinander gleich ausgebildete Halbleiterelemente, die jeweils im Wesentlichen Licht im gleichen Spektralbereich erzeugen. Es kann sich um sichtbares Licht, beispielsweise weißes Licht, handeln. Es ist auch möglich, kurzwelliges zum Beispiel blaues Licht zu erzeugen, das durch ein an dem Halbleiterelement oder darüber angebrachten Konversionselement zumindest teilweise in Licht einer längeren Wellenlänge umgesetzt wird, um ein Mischlicht zu erzeugen, das einen gewünschten, z. B. weißen Lichteindruck hervorruft. Die Halbleiterelemente können auch UV-Licht erzeugen, das von dem Konversionselement, d. h. entsprechendem Leuchtstoff, in sichtbares Licht umgewandelt wird. Weiter ist es möglich, die Leuchtdiodenanordnung mit mehreren Halbleiterelementen zu versehen, die in einem Gehäuse mehrere verschiedenfarbige Lichtquellen vereinigen, die zusammen einen weißen Lichteindruck hervorrufen. Es ist darüber hinaus möglich, mehrere Halbleiterelemente auf einem gemeinsamen Basisträger vorzusehen, wobei die Halbleiterelemente Licht unterschiedlicher Farbe erzeugen, das sich zusammen zu weißem Licht mischt.
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Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder von Unteransprüchen. Die Zeichnung beschränkt sich auf wesentliche Aspekte der Erfindung und sonstiger Gegebenheiten. Die Zeichnung ist ergänzend heranzuziehen. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Leuchtdiodenanordnung, in ausschnittsweiser Schnittdarstellung,
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2 die Leuchtdiodenanordnung nach 1 ohne Leuchtdiodenabdeckung, in ausschnittsweiser Draufsicht,
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3 die Leuchtdiodenanordnung nach 2 ohne Abdeckelement, in einer anderen Größe,
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4 eine abgewandelte Ausführungsform einer Leuchtdiodenanordnung, in Draufsicht mit länglichen Abdeckelement, in ausschnittsweiser Darstellung, und
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5 eine Leuchtdiodenanordnung ähnlich 1 mit dickerem Verguss, in ausschnittsweiser Schnittdarstellung.
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In 1 ist eine Leuchtdiodenanordnung 1 veranschaulicht, die zu Beleuchtungszwecken dienen kann. Die Leuchtdiodenanordnung 1 umfasst einen vorzugsweise plattenförmigen Basisträger 2, der beispielsweise durch eine Leiterplatte gebildet sein kann. Die Leiterplatte kann durch einen elektrisch isolierenden Kunststoffkörper gebildet sein, der an seiner in 1 oberen Vorderseite Leiterzüge 3, 4, 5 zur Stromversorgung eines Halbleiterelements 6 trägt. Der Basisträger 2 kann alternativ durch eine Metallplatte, beispielsweise einer Aluminiumplatte gebildet sein, die an ihrer Oberseite mit einer elektrisch isolierenden Schicht beispielsweise einer Aluminiumoxidschicht versehen ist, die ihrerseits die Leiterzüge 3, 4, 5 trägt.
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Das Halbleiterelement 6 enthält wenigstens einen Halbleiter mit einer Licht emittierenden Stelle, beispielsweise eine Leuchtdiode. Das Halbleiterelement 6 kann durch einen Nackt-Chip gebildet sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst es jedoch ein kleines Kunststoffgehäuse 7, das an mindestens einer oder wie dargestellt, zwei verschiedenen Seiten Anschlüsse 8, 9, 10, 11, 12, 13 aufweist. Die Anzahl der Anschlüsse 8 bis 13 richtet sich dabei nach elektrischen Erfordernissen und kann bei verschiedenen Ausführungsformen zweckentsprechend variieren. Die Anschlüsse 6 bis 13 können an einer Seite des Gehäuses 7 oder auch an verschiedenen, beispielsweise einander gegenüber liegenden Seiten angeordnet sein. Vorzugsweise sind sie im Wesentlichen gleich lang, so dass sich jeweils in einer Reihe liegende Verbindungsstellen 14, 15, 16 zu den Leiterzügen 3, 4, 5, ergeben. Entsprechende Verbindungsstellen 17, 18, 19 ergeben sich an den Anschlüssen 11, 12, 13.
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Die Verbindungsstellen 14 bis 19 können Lötstellen sein, an denen die Anschlüsse 8 bis 13 mit den Leiterzügen 3, 4, 5 (3a, 4a, 5a) verbunden sind. Wie 1 erkennen lässt, stellen die Verbindungsstellen 14 bis 19 Erhebungen oberhalb der Leiterzüge 3, 4, 5 dar. Dies ist in 1 am Beispiel der Verbindungsstellen 16 und 19 veranschaulicht.
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Das Halbleiterelement 6 weist an seiner von dem Basisträger 2 weg weisenden Vorderseite ein Lichtaustrittsfenster 20 auf, das eben oder wie dargestellt gewölbt ausgebildet sein kann. Über dem Lichtaustrittsfenster 20 kann optional ein Lichtauslasselement 21 angeordnet sein, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine Linse 22 gebildet ist. Mit der Linse 22 kann eine gewünschte vorgegebene Lichtverteilung erreicht werden. Die Linse 22 oder ein sonstiges Lichtauslasselement 21 ist an dem Basisträger 2 ortsfest gehalten. Dazu dient beispielsweise ein Sockel 23. Dieser übergreift das Halbleiterelement 6 und die zugehörigen Verbindungsstellen 14 bis 19. Sein Rand 24 kann stirnseitig mit dem Basisträger 2 verklebt sein. Der Sockel 23 kann aus einem Kunststoff ausgebildet sein. Er kann aus undurchsichtigem Material ausgebildet und mit der Linse 22 fest verbunden sein. Alternativ kann er aus dem gleichen Material wie die Linse 22 bestehen und an die Linse 22 einstückig angeformt sein.
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Der Basisträger 2 ist an seiner Vorderseite mit einer Schicht 25 bestehend aus einer Vergussmasse versehen. Es handelt sich dabei beispielsweise um ein Epoxydharz, das eine feste Verbindung mit dem Basisträger 2 und dem Rand 24 eingeht. Damit schließt die Schicht 25 den Rand des Sockels 23 hermetisch dicht ab, so dass der umschlossene Innenraum 26 keinen externen Korrosionseinflüssen unterliegt. Außerdem stellt der Sockel 23 im Normalfall einen Berührungsschutz sicher, so dass eine Berührung der in Betrieb befindlichen Leuchtdiodenanordnung gefahrlos möglich ist.
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Zur Erhöhung der Sicherheit sind die Verbindungsstellen 14 bis 19 mit einem feuerfesten vorzugsweise aus einem Keramikmaterial bestehenden elektrisch auch in erwärmten Zustand nicht leitfähigen Abdeckelement 26 versehen. Beispielsweise wird dies wie in 2 dargestellt, durch eine flache mit einer zentralen Öffnung versehene und somit als Rahmen ausgebildete Platte gebildet. Die zentrale Öffnung des Abdeckelements 26 ist an dem Umriss des Gehäuses 7 des Halbleiterelementes 6 angepasst. Damit deckt der von dem Abdeckelement 26 gebildete Rahmen insbesondere die Bereiche oberhalb der Verbindungsstellen 14 bis 19 ab. Der Rahmen kann wie in 2 veranschaulicht umlaufend einteilig ausgebildet sein. Er kann auch an den Ecken oder den Kanten ein oder mehrere Unterbrechungsstellen aufweisen und somit durch zwei oder mehrere Elemente gebildet sein.
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Das Abdeckelement 26 ist vorzugsweise auf die Verbindungsstellen 14 bis 19, sowie dem Basisträger 2 aufgeklebt. Dazu dienen Anhäufungen 27, 28 von Kunststoffmasse, die aus 3 ersichtlich sind. 3 stellt einen Zwischenschritt der Herstellung dar, bei der die Verbindungsstellen 14 bis 19 jeweils mit Raupen aus der Kunststoffmasse bedeckt sind. Die von den Raupen gebildeten Materialanhäufungen 27 erstrecken sich entlang der Flanken des Gehäuses 7 und bestehen beispielsweise aus einem zunächst noch nicht ausgehärteten Kunststoff. Auf diesen wird das rahmenförmige Abdeckelement 26 aufgesetzt, so dass es vom Kunststoff benetzt und nach aushärten desselben von dem Kunststoff festgehalten wird. Vorzugsweise ist der Kunststoff ein vernetzter Silikon-Gummi, der keine thermosplastischen Eigenschaften aufweist und somit auch bei Hitzeeinwirkung seine Haltefunktion weiter erfüllt.
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Die insoweit beschriebene Ausführungsform der Leuchtdiodenanordnung 1 weist eine erhöhte elektrische Sicherheit auf. Die außerhalb der Sockel 23 verlaufenden Leiterzüge 3, 4, 5 (3a, 4a, 5a) sind durch eine ausreichend dicke Schicht 25 elektrisch isolierender Vergussmasse vor Berührung geschützt. Im Brandfalle kann es geschehen, dass die Linsen 22 und gegebenenfalls auch die Sockel 23 schmelzen und womöglich (bei hängender Leuchtmontage) nach unten abtropfen. Selbst wenn dies geschieht, ist die elektrische Sicherheit noch immer gewährleistet. Das Keramik-Abdeckelement 26 deckt, die möglicherweise noch unter höherer Spannung von beispielsweise bis zu 400 V stehenden Verbindungsstellen 14 bis 19 sicher ab.
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4 veranschaulicht eine leicht abgewandelte Ausführungsform der Leuchtdiodenanordnung 1. Die Halbleiterelemente 6a, 6b weisen wiederum Anschlüsse 8a bis 13a sowie 8b bis 13b auf, die durch Abdeckelemente 26 abgedeckt sind. In 4 oben sind Kunststoffanhäufungen 27a, 27b veranschaulicht, die auf die Anschlüsse 8ba bis 10a sowie 8b bis 10b aufgebracht sind. In 4 unten sind gestrichelt die Kunststoffanhäufungen 28a, 28b veranschaulicht, auf denen bereits das hier streifenförmig ausgebildete Abdeckelement 6 liegt. Ein eben solches streifenförmiges Abdeckelement wird auch auf die Kunststoffanordnung 27a, 27b aufgebracht.
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Wird dann auf den Basisträger 2 die zuvor schon beschriebene Schicht 25 aufgebracht, kann diese relativ dünn gehalten werden. Die elektrische Isolierung und feuersichere Abdeckung der spannungsführenden Anschlüsse 8a bis 13b obliegt nicht der für diese Zwecke eventuell nicht ausreichend dicken Schicht 25, sondern den Abdeckelementen. Die Leuchtdiodenanordnung nach 4 kann, wie zuvor beschrieben, mit einzelnen Linsen oder auch mit einer Abdeckplatte versehen werden, beispielsweise aus Kunststoff die den Basisträger 2 im Wesentlichen ganz überdeckt. Wird dieser durch Hitzeeinwirkung, mechanische Einwirkung oder sonstige zerstörerische Einflüsse entfernt bleibt die Berührungssicherheit der Leuchtdiodenanordnung 1 dennoch erhalten.
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5 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Leuchtdiodenanordnung 1, für die die Beschreibung der Leuchtdiodenanordnung 1 nach 1 entsprechend gilt. Im Unterschied zu der vorigen Beschreibung ist jedoch die. Schicht 25 etwas dicker ausgebildet. Außerdem kann der Rand 24, wie dargestellt, mindestens eine, vorzugsweise mehrere, Aussparungen aufweisen, so dass die Vergussmasse der Schicht 25 in den Innenraum 26 eindringen kann. Wiederum führt jedoch das Abdeckelement 27 zur Sicherstellung der elektrischen Isolation auch im Falle einer Zerstörung der Linse 22 und/oder des Sockels 23. Abweichend von der vorstehenden Beschreibung kann der Sockel 23 auch aus einem feuerfesten keramischen Material ausgebildet sein, wobei er dann die Funktion des Abdeckelements 27 übernimmt. In diesem Fall stellt der Sockel 23 das Abdeckelement dar.
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Die Leuchtdiodenanordnungen 1 aller vorgenannten Ausführungsformen können, wie in 1 und 5 jeweils gestrichelt angedeutet ist, bedarfsweise mit einem Kühlkörper 30 versehen sein, der in Flächenanlage mit der Rückseite des Basisträger 2 steht und der Wärmeabfuhr dient.
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Eine erfindungsgemäße Leuchtdiodenanordnung weist einen Basisträger 2 mit darauf angeordneten Licht erzeugenden Halbleiterelementen 6 auf, beispielsweise in Form von Leuchtdioden. Die Anschlüsse der Halbleiterelemente 6 sind mit Leiterbahnen 3, 4, 5 zur elektrischen Kontaktierung verlötet. Die entsprechende Leiterbahnen und Halbleiterelemente tragende Vorderseite des Basisträgers 2 ist zur elektrischen Isolierung mit einer Isolierschicht 25 versehen. Diese kann relativ, dünn sein, so dass sie die Anschlüsse der Halbleiterelemente 6 nicht oder nicht ausreichend abdeckt. Die Anschlüsse der Halbleiterelemente 6 sind jedoch durch ein oder mehrere, vorzugsweise aus Keramik bestehende, Abdeckelemente zum Benutzer hin abgedeckt. Ein solches Abdeckelement 27 ist an den Anschlüssen den Halbleiterelements 6 und dem darunter liegenden Basisträger 2 durch einen geeigneten vorzugsweise nicht thermoplastischen Kunststoff gehalten.
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Mit diesem Konzept kann trotz geringer Dicke der Schicht 25 eine sehr hohe elektrische Sicherheit erreicht werden. Die Schichtdicke der Schicht 25 kann geringer als 3 mm sein. Mit diesem Konzept können auch weitere optische Elemente wie Linsen 22 sehr dicht an die Halbleiterelemente 6 herangebracht werden, was insgesamt die Gestaltung lichtstarker Leuchtdiodenanordnungen mit sehr kleinen mechanischen Abmessungen ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leuchtdiodenanordnung
- 2
- Basisträger
- 3, 4, 5
- Leiterzüge
- 6
- Halbleiterelement
- 7
- Gehäuse
- 8–13
- Anschlüsse
- 14–19
- Verbindungsstellen
- 20
- Lichtaustrittsfenster
- 21
- Lichtauslasselement
- 22
- Linse
- 23
- Sockel
- 24
- Rand
- 25
- Schicht
- 26
- Innenraum
- 27
- Abdeckelement
- 28, 29
- Kunststoffmasse
- 30
- Kühlkörper
