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Die Erfindung betrifft eine ESD-Schutzbeschaltung und eine LED-Leuchte, vorzugsweise eine LED-Tisch- oder Wand- oder Stand- oder Deckenleuchte.
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Bei LED-Leuchten wird zum EMV-Schutz (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit), wie bei den meisten elektrischen Produkten, für eine elektromagnetische Abschirmung von elektronischen Bauteilen gesorgt. Beispielsweise wird in der
DE 10 2008 031 262 A1 hierzu vorgeschlagen, eine innere Metallschicht einer Montageplatine mittels einer Schraubenfeder leitend mit einer metallischen Wärmesenke, nämlich einen Kühlkörper, welche auf Massebezugspotenzial liegt, zu verbinden. Hierdurch sollen die auf der Rückseite der Montageplatine angeordneten elektrischen Komponenten der Betriebschaltung für die Leuchtdiode auf kostengünstige Weise elektromagnetisch abgeschirmt werden. In ähnlicher Weise wird in der
DE 10 2013 218 356 A1 vorgeschlagen, eine Platine mit einer Leuchtdiode auf einen geerdeten Kühlkörper aufzubringen. All diese Schutzmaßnahmen dienen aber nur zur Verbesserung des EMV-Schutzes.
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Elektronische Bauelemente in Leuchten, wie zum Beispiel LEDs, reagieren aber auch empfindlich auf plötzlich auftretende Überspannungen. Diese können zum Beispiel durch Schaltvorgänge ausgelöst werden. Dabei bewirken Leitungsinduktivitäten der Zuleitungen zum Beispiel beim Ausschalten ein Weiterfließen des Stroms in der ursprünglichen Richtung. Ohne Schutzmaßnahme führt dieses Verhalten zu einer Spannungsspitze, die sich zur Betriebsspannung addiert und elektronische Bauteile in der Schaltstrecke, wie zum Beispiel LEDs, schädigen können. Zur Verhinderung von derartigen Schäden werden herkömmlich Schutzelemente, wie zum Beispiel Suppressordioden, den LEDs parallel geschaltet, die die an den LEDs anliegende Spannung begrenzen. Auf dem Markt sind bereits LED-Bauelemente erhältlich, bei denen eine solche Suppressordiode bereits im LED-Gehäuse integriert ist, z. B. parallel zum jeweiligen LED-Die geschaltet ist, um diesen für die Überspannung zu brücken. Diese herkömmlichen Schutzschaltungen schützen allerdings nur vor Gegentaktspannungen. Zusätzlich zu den bei dem Ein- und Ausschalten der Leuchten auftretenden Gegentaktspannungen können jedoch auch Gleichtaktüberspannungen (ESD-Pulse) auftreten. Bereits bei der mechanischen Einstellung, beispielsweise von Schreibtischleuchten und deren Bedienung über integrierte Einstellelemente für die Lichtstärke und/oder die Lichtfarbe können diese Gleichtaktüberspannungen allein durch die Berührungen eines statisch aufgeladenen Benutzers erzeugt werden. Bei typischen Aktivitäten, wie zum Beispiel das Schreiten über einen Teppichboden oder das Rollen mit einem Bürostuhl über den Teppichboden, können aufgrund von unterschiedlichen Austrittsarbeiten für die Elektronen von unterschiedlichen aneinander reibenden Materialien (Bandgeneratorprinzip) sehr hohe Aufladespannungen in Größenordnungen von mehreren 10 kV erzeugt werden. Besonders, wenn die Gehäuse der Leuchten nicht geerdet sind, besteht die Gefahr, dass die LEDs der Leuchten und deren Ansteuerelektronik durch elektrostatische Aufladungen zerstört werden.
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Es ist folglich eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Leuchten mit LEDs vor Überspannungsschäden aufgrund von elektrostatischen Aufladungen (ESD-Pulsen) zu schützen.
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Diese Aufgabe wird durch eine ESD-Schutzbeschaltung gemäß Patentanspruch 1 und eine LED-Leuchte gemäß Patentanspruch 5 gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen ESD-Schutzbeschaltung, welche besonders bevorzugt in LED-Tisch-, Wand-, Stand- und Deckenleuchten zur Anwendung kommt, ist zum Schutz vor Überspannungsschäden aufgrund von elektrostatischen Aufladungen (ESD-Pulsen) ein elektronisches Schutzelement, vorzugsweise eine bidirektionale Suppressordiode, von einer Kühlfläche der LED zu deren Anode oder deren Kathode oder zur Elektronikmasse geschaltet. Es wird also, bevorzugt zusätzlich zu den in modernen Hochleistungs-LEDs bereits enthaltenen parallel geschalteten Schutzdioden, z. B. eine weitere Suppressordiode zwischen das Gehäuse bzw. die Kühlfläche der LED, welche direkt am Gehäuse der LED bzw. am LED-Chip angeordnet ist, und die Kathode oder die Anode der LED oder die Elektronikmasse geschaltet. Solche Kühlflächen (oder „Kühlelemente“ bzw. „Kühlkörper“) dienen dazu, möglichst schnell und gut die Hitze von dem relativ empfindlichen Halbleiterchip auf die Platine und/oder weitere Kühlkörper abzuleiten, und werden im Allgemeinen auch als „Heat-Slug“ oder „Heatsink-Slug“ bezeichnet. Sie sind als „Heatspreader“ meist mit einem gut wärmeleitenden Kleber oder dergleichen am LED-Chip bzw. Gehäuse befestigt und werden z.B. auf der Platinenseite auf eine wärmeleitende Fläche aufgelötet.
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Es hat sich in Untersuchungen gezeigt, dass bei elektrostatischen Entladungen auf das Leuchtengehäuse sich dieser elektrische Puls auf die Kühlflächen der LEDs übertragen kann, z. B. durch Überschlag zunächst auf die Platine der LED-Schaltung, insbesondere bei Verwendung einer Metallkernplatine, und dann weiter auf die Kühlfläche der LEDs, welche auf der Platine befestigt sind. Von der Kühlfläche erfolgt dann ein Überschlag auf die LED selbst, wodurch diese geschädigt bzw. zerstört werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen elektronischen Schutzelement, z. B. der zusätzlichen Suppressordiode, werden aber genau solche Überschläge zwischen dem Heat-Slug und dem LED-Chip selber sicher unterdrückt, da z. B. die Suppressordiode als elektrische „Sollbruchstelle“ im Falle solcher elektrostatischer Pulse wirkt. D. h., es werden durch die zusätzliche Suppressordiode derartige Gleichtaktspannungen abgeleitet und damit die LEDs der Leuchte vor Gleichtaktüberspannungen geschützt.
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Die erfindungsgemäße LED-Leuchte, insbesondere LED-Tisch- oder Stand- oder Deckenleuchte, umfasst die erfindungsgemäße ESD-Schutzbeschaltung.
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Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Gemäß einer bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen ESD-Schutzbeschaltung sind bei Gruppenschaltungen von LEDs deren Kühlflächen zusammengefasst auf ein elektronisches Schutzelement, vorzugsweise eine bidirektionale Suppressordiode, geschaltet, welches zwischen die Kühlflächen der LEDs und zumindest eine Anode oder Kathode der LEDs der Gruppenschaltung oder zur Elektronikmasse geschaltet ist.
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Insbesondere können bei einer Serienschaltung zweier LEDs deren Kühlflächen zusammengefasst auf ein elektronisches Schutzelement, vorzugsweise eine bidirektionale Suppressordiode, geschaltet sein, welches von den Kühlflächen der LEDs zur Anode einer der beiden LEDs und zur Kathode der anderen LED oder zur Elektronikmasse geschaltet ist.
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Anschaulich ausgedrückt, kann bei den oben genannten Varianten auch ein ESD-Impuls von den Kühlflächen der LEDs über eine der beiden LEDs geleitet werden. Dies ist ohne Schaden möglich, wenn die bevorzugt verwendeten LEDs selbst zu den Dies der LEDs geschaltete Suppressordioden als Brückenschaltungen aufweisen. Ein an der Anode einer der beiden LEDs anliegender ESD-Impuls wird dann über die erwähnte Brückenschaltung an dieser LED vorbeigeleitet.
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Zur Verhinderung induktiver Spannungsspitzen beim Abschalten der LED-Ströme, z. B. aufgrund von parasitären Leitungsinduktivitäten der Anschlussleitungen, können parallel zu den LEDs noch Freilaufdioden in die LED-Stromkreise geschaltet werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche oder ähnliche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
- 1 eine Seitenansicht einer Tischleuchte gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine Schaltungsanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 eine Schaltungsanordnung mit seriell geschalteten LEDs gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 eine Schaltungsanordnung von zu Gruppen geschalteten LEDs gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In 1 ist eine Tischleuchte 100 gezeigt. Die Tischleuchte 100 umfasst einen Leuchtkopf 50 mit einem Leuchtmodul 51. Das Leuchtmodul 51 weist zur Lichterzeugung LEDs auf. Die LEDs sind auf eine LED-Platine, beispielsweise eine Metallkernplatine (nicht gezeigt), gelötet. Zum Einstellen, Anpassen und Ändern der Beleuchtungsintensität sowie ihrer Position weist die Leuchte 100 eine Steuereinheit mit einem Bedienmodul 10 auf. Das Bedienmodul 10 kann per Hand von einem Benutzer durch Betasten einer Bedienfläche betätigt werden. Bei der Betätigung des Bedienmoduls oder auch bei einem zufälligen Kontakt des Benutzers mit der Tischleuchte 100 kann es zu sehr hohen Aufladespannungen in Größenordnungen von mehreren 10 kV an dem Gehäuse der Tischleuchte 100 kommen. Da zum Beispiel der Heat-Slug zur Wärmeableitung mit der Metallkernplatine in Kontakt steht, könnte es bei fehlender Schutzbeschaltung bei einem plötzlich auftretenden hohen Spannungspuls zu einer Zerstörung der LEDs kommen. Besonders, wenn das Gehäuse der Leuchte nicht geerdet ist, besteht bei fehlender Schutzbeschaltung die Gefahr, dass die LEDs der Leuchte und deren Ansteuerelektronik durch elektrostatische Aufladungen zerstört werden. Aus diesem Grund weisen die LED-Platinen der LEDs der Tischleuchte 100 eine oder mehrere der in den 2 bis 4 veranschaulichten Schutzbeschaltungen 20, 30, 40 auf.
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In
2 ist eine Schutzbeschaltung 20 gegen Gleichtaktüberspannungen für eine LED 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch gezeigt. Der Kontakt der LED 1 mit dem Heat-Slug 3 ist modellhaft als Kondensator 2 (parasitäre Kapazität) dargestellt. Weiterhin ist der Kontakt zwischen dem Heat-Slug 3 und einer Metallkernplatine P
M, mit der der Heat-Slug 3 zum Beispiel mit Hilfe einer wärmeleitenden Haftmasse verbunden ist, ebenfalls modellhaft als Kondensator 4 (parasitäre Kapazität) dargestellt. Beispielsweise ist diese wärmeleitende Schicht zwischen der Metallkernplatine P
M und dem Heat-Slug 3 das Dielektrikum des Kondensators 4. Bei dem Auftreten eines ESD-Impulses U fließt gemäß
ein kurzzeitiger Strom I über den Kondensator 2 mit der Kapazität C, der eine Zerstörung der LED bewirken kann. Zur Ableitung des Stroms I ist eine zusätzliche Suppressordiode 5 zwischen den Heat-Slug 3 und den Kathodenanschluss 6 der LED 1 geschaltet. Die Suppressordiode 5 hat die Eigenschaft, dass sie in beide Stromrichtungen begrenzend wirkt, was mit dem Symbol, das aus zwei entgegengesetzt gerichteten Dioden besteht, angedeutet wird. Bei dieser Anordnung wird ein ESD-Impuls, der zum Beispiel von der Metallkernplatine P
M auf den Heat-Slug 3 durchschlägt, nicht über die Diode 1, sondern über die zusätzliche Suppressordiode 5 zu dem Kathodenanschluss 6 hin abgeleitet.
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In 3 ist eine Schutzschaltung 30 mit zwei in Serie geschalteten LEDs 1a, 1b, im Folgenden auch als erste LED 1a und als zweite LED 1b bezeichnet, gezeigt. Bei dieser Schaltung wird eine einzige Suppressordiode 5 zum Schutz von mehreren LEDs 1a, 1b genutzt. Analog zu der 2 sind auch in 3 die Kontakte der beiden in Serie geschalteten LEDs 1a, 1b mit ihren Heat-Slugs 3a, 3b modellhaft als parasitäre Kapazitäten bzw. Kondensator 2 dargestellt. Ebenfalls analog zu der 2 ist der parasitäre kapazitive Kontakt zwischen einer Metallplatine PM und den Kühlflächen 3a, 3b der beiden LEDs 1a, 1b jeweils als Kondensatoren 4 dargestellt. Die Suppressordiode 5 ist über einen Anschluss 7 mit den beiden Heat-Slugs 3a, 3b der LEDs 1a, 1b und mit dem Kathodenanschluss 6a der ersten LED 1a gekoppelt, der gleichzeitig Anodenanschluss 8b der zweiten LED 1b ist. Auch diese Schutzbeschaltung hat die Wirkung, dass an den Heat-Slugs 3a, 3b anliegende Überspannungen über die Suppressordiode 5 zu dem Kathodenanschluss 6 der ersten LED 1a, der gleichzeitig der Anodenanschluss 8b der zweiten LED 1b ist, abgeleitet werden. Schlägt zum Beispiel ein ESD-Impuls von der Metallkernplatine PM zu den Heat-Slugs 3a und 3b der LEDs 1a, 1b durch, so wird der ESD-Impuls über die Suppressordiode 5 zu dem Kathodenanschluss - 6a / Anodenanschluss 8b abgeleitet. Von dort wird der ESD-Impuls über eine auf dem LED-Die der zweiten LED 1b integrierte Suppressordiode, die den LED-Die brückt, an der zweiten LED 1b vorbeigeleitet.
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In 4 ist eine Schutzbeschaltung 40 einer Gruppenschaltung mit einer ersten LED 1a, einer zweiten LED 1b, einer dritten LED 1c und einer vierten LED 1d veranschaulicht. Dabei sind hier jeweils zwei LEDs in Reihe geschaltet. Die Kontakte der LEDs 1a, 1b, 1c, 1d mit ihrem jeweiligen Heat-Slug 3a, 3b, 3c, 3d sind wieder modellhaft als Kondensatoren 2 dargestellt. Die kapazitiven Kontakte zwischen den Heat-Slugs 3a, 3b, 3c, 3d und der Metallkernplatine PM sind ebenfalls als Kondensatoren 4 dargestellt. Die Heat-Slugs 3a, 3b, 3c, 3d der vier LEDs 1a, 1b, 1c, 1d sind über einen gemeinsamen Anschluss 7 mit einer Suppressordiode 5 gekoppelt, welche mit ihrem anderen Anschluss mit dem Kathodenanschluss 6 der zweiten LED 1b und der vierten LED 1d gekoppelt ist. Auch diese Anordnung bewirkt eine Begrenzung der Überspannungen aufgrund von statischen Aufladungen der Gehäuse 2a, 2b, 2c, 2d der LEDs 1a, 1b, 1c, 1d. Schlägt zum Beispiel ein ESD-Impuls von dem Metallkern PM zu den Heat-Slugs 3a, 3b, 3c, 3d der LEDs 1a, 1b, 1c, 1d durch, so wird der ESD-Impuls über die Suppressordiode 5 zu dem Kathodenanschluss 6 der LEDs 1b und 1d abgeleitet. Alternativ könnte die Suppressordiode 5 statt mit dem Kathodenanschluss 6 auch mit einem der Anodenanschlüsse 8 der LEDs 1a und 1c gekoppelt sein. In diesem Fall würde der ESD-Impuls zunächst zu den Anoden der LEDs 1a oder 1c abgeleitet und von dort über in die LED-Gehäuse der ersten LED 1a und der dritten LED 1c integrierte Suppressordioden (nicht dargestellt), an der ersten LED 1a bzw. der dritten LED 1c vorbeigeleitet. Ebenso würde der ESD-Impuls anschließend von den Anoden der zweiten LED 1b und der vierten LED 1d durch die in den Gehäusen der zweiten LED 1b und der vierten LED 1d integrierten Suppressordioden an der zweiten LED 1b bzw. der vierten LED 1d vorbeigeleitet. Auf diese Weise werden die LEDs 1a, 1b, 1c, 1d vor an ihren Heat-Slugs 3a, 3b, 3c, 3d anliegenden Überspannungen geschützt.
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Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können in gleicher Weise auch Gruppenschaltungen mit einer beliebigen Anzahl von LEDs in erfindungsgemäßer Weise vor ESD-Pulsen geschützt werden. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.
