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Die Erfindung betrifft eine LED-Beleuchtungseinheit gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Solche LED-Beleuchtungseinheiten weisen regelmäßig eine Leiterplatte auf, auf deren einen Oberfläche mehrere LEDs angeordnet sind sowie eine mit der Leiterplatte gekoppelten Kühleinrichtung zur Wärmeabfuhr der im Betrieb der LEDs entstehenden Wärme. Die Kühleinrichtung besteht dabei in der Regel aus einer metallischen Kühlplatte, die mit der Leiterplatte z.B. verschraubt wird oder in anderer geeigneter Weise auf der Leiterplatte befestigt wird.
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Eine derartige LED-Beleuchtungseinheit ist beispielsweise in dem
deutschen Patent No. 10 2009 015 448 B4 der Anmelderin offenbart. Diese LED-Beleuchtungseinheit verfügt über eine stabförmige Leiterplatte. Auf der ersten Oberfläche dieser stabförmigen Leiterplatte sitzen im Randbereich jeweils eine Leuchtdiode. Auf der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der Leiterplatte befindet sich ein Kühlkörper mit identischer Grundfläche zur Leiterplatte. Der Kühlkörper ist in geeigneter Weise mit der Leiterplatte befestigt, z. B. mit dieser verklebt. Unterhalb jeder LED befindet sich in der Leiterplatte eine Durchgangsbohrung, in der ein Wärmeableitelement aus Kupfer oder Aluminium angeordnet ist und flächig sowohl an der Rückseite der LED als auch an dem Kühlkörper anliegt, um einen guten Wärmekontakt zu bilden, über den die von der Leuchtdiode erzeugten Wärme an den Kühlkörper abgeleitet wird. Um den Wärmewiderstand an den Übergangsstellen zu reduzieren, kann bei der Montage des Wärmeableitelements eine Wärmeleitpaste zusätzlich zwischen Wärmeableitelement und Kühlkörper platziert werden. Falls die Durchgangsbohrung unterhalb der LED auch mit Kupfer durchkontaktiert ist, kann dieser Wärmekontakt als Presssitz ausgebildet sein.
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In der
DE 10 2009 015 448 B4 ist zudem vorgeschlagen, eine Vielzahl solcher stabförmigen LED-Beleuchtungseinheiten auf annähernd ebenen und transparenten Trägerscheiben anzuordnen und Mittel zur Homogenisierung des von den Leuchtdioden erzeugten Lichts vorzusehen. Diese transparenten Trägerscheiben können innerhalb einer Großuhr, beispielsweise einer Bahnhofsuhr oder dergleichen als Hintergrundbeleuchtung eingesetzt werden.
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Es hat sich herausgestellt, dass solche eingangs genannten LED-Beleuchtungseinheiten hinsichtlich einer effizienten Wärmeabfuhr und einer einfacheren Herstellbarkeit verbesserungsbedürftig sind.
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Hier setzt die vorliegende Erfindung an.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die zuvor diskutierten LED-Beleuchtungseinheiten so zu verbessern, dass ein vereinfachte Herstellung möglich ist bei gleichzeitig verbesserter Wärmeabfuhr, wobei sich zusätzlich die LED-Beleuchtungseinheit durch einen höheren Wirkungsgrad auszeichnen soll.
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Dieses Ziel wird durch eine LED-Beleuchtungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 2 gelöst.
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Die Erfindung verzichtet vorteilhafterweise auf separat an der Leiterplatte anzuordnenden Kühlplatten bzw. Kühlkörper. Zusätzlich sind die bisher unterhalb der LEDs sitzenden und separat in Durchgangsbohrungen der Leiterplatte einzufügenden Wärmeableitelemente, also die Wärmeplugs, entbehrlich.
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Die erfindungsgemäße LED-Beleuchtungseinheit sieht gemäß der ersten Lösung vor, dass die Leiterplatte auf ihren beiden Oberflächen jeweils mit einer großflächigen, und damit gut wärmeableitenden Metallisierungsschicht versehen ist. Zudem verfügt die Leiterplatte und die Metallisierungsschichten über eine Vielzahl von Durchgangsbohrungen, wobei in einer ersten Lösung der Erfindung die Durchmesser der unmittelbar unterhalb der LEDs befindlichen Lüftungsbohrungen kleiner sind als die Durchmesser der übrigen Lüftungsbohrungen.
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Gemäß einer zweiten Lösung der Erfindung, die jedoch bevorzugt mit der ersten Lösung kombinierbar ist, ist die Dichte der unmittelbar unter der LED befindlichen Lüftungsbohrungen deutlich größer als die Dichte der in der übrigen Leiterplatte befindlichen Bohrungen. So können beispielsweise unterhalb der LED 30 oder mehr Lüftungsbohrungen eng aneinander platziert sein.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die „größeren“ Lüftungsbohrungen, die über die Leiterplatte verteilt sind, durchkontaktiert sind, sodass die beiden Metallisierungsschichten miteinander elektrisch bzw. wärmeleitend verbunden sind. Dies verbessert die Wärmeabfuhr. Die Durchkontaktierung kann beispielsweise durch eine Durchplattierung geschehen.
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Zweckmäßigerweise sind die Metallisierungsschichten aus Kupfer gebildet. Die im Bereich der Leiterplatte vorgesehenen größeren Lüftungsbohrungen sind ebenfalls an ihrer Wandung mit Kupfer beschichtet, um den erwähnten elektrischen Kontakt zu gewährleisten. Die beiden Metallisierungsschichten weisen vorzugsweise für eine gute Wärmeabfuhr eine Schichtdicke > 40 µm, vorzugsweise eine Schichtdicke von mindestens 100 µm auf.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen werden, dass die beiden Metallisierungsschichten verzinnt sind. Die Durchplattierungen in den größeren Lüftungsbohrungen können ebenfalls verzinnt sein.
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Für eine gute Wärmeabfuhr unmittelbar unterhalb der LEDs kann in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen werden, dass dritte Lüftungsbohrungen vorgesehen sind, wobei diese dritten Lüftungsbohrungen die unmittelbar unter den LEDs befindlichen kleinen Lüftungsbohrungen umgeben. Diese dritten Lüftungsbohrungen sind dabei in ihrem Durchmesser etwas größer als die kleinen Lüftungsbohrungen unmittelbar unterhalb der LEDs, aber kleiner im Durchmesser als die übrigen, in der Leiterplatte befindlichen „größeren“ Lüftungsbohrungen gestaltet.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann die LED-Beleuchtungseinheit eine stabförmige Leiterplatte aufweisen, auf der z. B. vier LEDs vorzugsweise gleich beabstandet sitzen. Es hat sich dabei als zweckmäßig erwiesen, dass die Leistungsaufnahme jeder einzelnen LED kleiner etwa 200mW ist, um eine verhältnismäßig geringe Wärmeentwicklung der LED-Beleuchtungseinheit im Betrieb sicherzustellen.
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Vorzugsweise wird eine solche LED-Beleuchtungseinheit in einer Großuhr, z. B. einer Bahnhofsuhr, wie diese ausführlich in der
DE 10 2009 015 448 B4 beschrieben ist, eingesetzt. Dabei befinden sich eine Vielzahl von solchen erfindungsgemäßen LED-Beleuchtungseinheiten auf einem vorzugsweisen kreisrunden, ebenen und transparenten Träger, wobei zwei solche Träger zueinander beabstandet angeordnet sind und die jeweiligen LEDs auf einem Träger in Richtung des gegenüberliegenden Trägers strahlen.
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Die erfindungsgemäße LED-Beleuchtungseinheit wird nachfolgend im Zusammenhang mit mehreren Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine bereits bekannte LED-Beleuchtungseinheit in Draufsicht,
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2 die LED-Beleuchtungseinheit von 1 in Seitenansicht mit einem Kühlkörper,
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3 eine Draufsicht auf eine LED-Beleuchtungseinheit nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 eine Ansicht mit Blick auf die Unterseite der LED-Beleuchtungseinheit von 3, und
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5 den Bereich A in 3 in vergrößerter Ansicht.
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In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nichts anderes angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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In den
1 und
2 ist die aus
DE 10 2009 015 448 B4 bekannte LED-Beleuchtungseinheit dargestellt.
1 zeigt die LED-Beleuchtungseinheit mit Blick auf die stabförmige Leiterplatte
1 von oben und damit mit Blick auf diejenige Seite der Leiterplatte
1, auf der beabstandet zwei LEDs
3 sitzen. Es handelt sich hierbei um zwei LEDs
3, die eine Leistungsaufnahme von etwa jeweils 550 mW aufweisen. Als LEDs sind beispielsweise solche des Typs CreeMx-3 eingesetzt.
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Wie aus 2 zu erkennen, sitzt unterhalb der Leiterplatte 1 ein flächiger, metallischer Kühlkörper 5, um die Wärmeabfuhr der im Betrieb entstehenden Wärme der LEDs 3 sicherzustellen. Um die Wärmeübertragung zwischen den LEDs 3 und dem Kühlkörper 5 zu verbessern, befindet sich unmittelbar unter den LEDs 3 in der Leiterplatte 1 eine Bohrung, in welcher ein Wärmeleitelement 6, das z. B. aus Kupfer aus Aluminium besteht, sitzt. Diese Wärmeleitelemente 6 sind mit ihrer Oberseite mit der LED 3 und mit ihrer Unterseite mit dem Kühlkörper 5 in Kontakt.
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In den 3, 4 und 5 ist die verbesserte LED-Beleuchtungseinheit nach der Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Die LED-Beleuchtungseinheit ist mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die LED-Beleuchtungseinheit 10 weist, ähnlich wie in 1 und 2, einen eine stabförmige Leiterplatte 11 auf, welche jedoch in ihren Längsabmessungen und Breitenabmessungen etwas vergrößert ist. Die Leiterplatte 11 verfügt über eine erste Oberfläche 11a und eine gegenüberliegende, zweite Oberfläche 11b.
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Auf der ersten Oberfläche 11a und auf der zweiten Oberfläche 11b sind jeweils Metallisierungsschichten aufgebracht. Die auf der ersten Oberfläche 11a befindliche erste Metallisierungsschicht ist mit dem Bezugszeichen 15 und die auf der zweiten Oberfläche 11b der Leiterplatte 11 befindliche zweite Metallisierungsschicht mit dem Bezugszeichen 17 bezeichnet. Diese Metallisierungsschichten 15, 17 bestehen aus Metall, vorzugsweise aus Kupfer. Die Dicke dieser Metallisierungsschichten 15, 17 beträgt mehr als 40 µm, vorzugsweise mindesten etwa 100 µm. Diese aus Kupfer bestehenden Metallisierungsschichten können noch verzinnt sein. Wie 3 zeigt, befinden sich auf der stabförmigen Leiterplatte 11 vier LEDs 13, die im gleichen Abstand zueinander angeordnet sind. Diese LEDs 13 sind jeweils von einem viereckigen Bereich eines Lötstopplacks 30 umgeben.
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Unmittelbar neben den beiden äußeren LEDs 13 befinden sich zwei Befestigungsbohrungen 25, um die LED-Beleuchtungseinheit beispielsweise über Kunststoff-Befestigungsclipse an eine Trägerplatte zu befestigen.
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Zur Erzielung einer guten Wärmeabfuhr im Betrieb der LED-Beleuchtungseinheit 10 sind die Leiterplatte 11 sowie die Metallisierungen 15, 17 mit einer Vielzahl von vorzugsweise in gleichem Abstand zueinander befindlichen ersten Lüftungsbohrungen 20 versehen. Diese ersten Lüftungsbohrungen 20 sind durchplattiert, d. h., dass diese die erste Metallisierungsschicht 15 mit der zweiten Metallisierungsschicht 17 elektrisch verbunden ist. Hierfür können die Wandungen dieser ersten Lüftungsbohrungen 20 mit einer Kupferschicht versehen sein, welche vorzugsweise zusätzlich verzinnt sind. Durch diese Durchplattierungen ist ein Temperaturausgleich auf beiden Leiterplattenseiten sichergestellt. Zusätzlich ist insgesamt die Kühlfläche durch die metallischen Innenwandungen der Vielzahl von ersten Lüftungsbohrungen 20 vergrößert.
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Wie 4 und insbesondere die 5, welche den Bereich A aus 4 vergrößert darstellt, zeigen, sind unmittelbar unter den LEDs 13 weitere Lüftungsbohrungen angeordnet. Direkt unter jeder LED 13 befinden sich eine Vielzahl von verhältnismäßig kleinen, zweiten Lüftungsbohrungen 21. In 4 und 5 sind unter jeder LED 13 47 solcher kleiner zweite Lüftungsbohrungen 21 vorgesehen, wobei diese zweiten Lüftungsbohrungen 21 in einem Raster 5 × 7 angeordnet sind und sich links und rechts an der Schmalseite dieses 5 × 7-Rasters noch jeweils zweimal 3 solche kleinen zweiten Lüftungsbohrungen 21 anschließen. Diese zweiten Lüftungsbohrungen 21 haben einen deutlich kleineren Durchmesser als die ersten Lüftungsbohrungen 20.
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Wie die 4 und 5 weiter zeigen, sind die zweiten Lüftungsbohrungen 21 von einer Vielzahl von dritten Lüftungsbohrungen 22 umgeben. Diese dritten Lüftungsbohrungen haben einen Durchmesser, der größer als der Durchmesser der zweiten Lüftungsbohrungen 21 ist, jedoch einen kleineren Durchmesser als die Durchmesser der ersten Lüftungsbohrungen 20 sind
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Die in 3 verwendeten LEDs 13 sind solche mit einer verhältnismäßig kleinen Leistungsaufnahme, vorzugsweise < 200mW. Im Vergleich zu der Anordnung von 1 ergibt sich somit eine höhere und gleichmäßigere Lichtausbeute durch die Verwendung von vier LEDs 13 bei insgesamt geringerer Leistungsaufnahme und somit geringerer Wärmeentwicklung (800mW bei vier LEDs gemäß 3 im Vergleich zu 1100 mW bei zwei LEDs gemäß 1). Zudem ist die Kühleinrichtung in 3 deutlich vereinfacht zur Kühleinrichtung in 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplatte
- 3
- LED (alt)
- 5
- Kühlkörper
- 6
- Wärmeleitelement
- 10
- LED-Beleuchtungseinheit
- 11
- Leiterplatte
- 11a
- erste Oberfläche
- 11b
- zweite Oberfläche
- 13
- LED (neu)
- 15
- erste Metallisierungsschicht
- 17
- zweite Metallisierungsschicht
- 20
- erste Lüftungsbohrung
- 21
- zweite Lüftungsbohrung
- 22
- dritte Lüftungsbohrung
- 25
- Befestigungsbohrungen
- 30
- Lötstoplack
- A
- Detail
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009015448 B4 [0003, 0004, 0017, 0025]
