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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungs-LED-Modul gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Während ihres
Betriebs erzeugen Leistungs-LED's
(LED = Light Emitting Diode oder Leuchtdiode) eine hohe Betriebswärme, die
abgeführt
werden muß,
um eine Beschädigung
der LED zu verhindern. Kühlkörper, wie
sie üblicherweise
zur Kühlung
von Elektronikbauteilen eingesetzt werden, lassen sich jedoch nicht
ohne weiteres in die herkömmlichen
LED-Module integrieren. Eine verbreitete Lösung dieses Problems besteht
darin, die Platine selbst als Kühlkörper zu
gestalten, d. h., eine flache Leiterplatte aus Aluminium oder einem
anderen geeigneten Metall mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung
zu versehen, auf welcher die Leiterbahnen und die LED-Anschlüsse angebracht
werden. Die Abwärme
der LED wird in diesem Fall direkt von der Platine absorbiert.
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Diese
Lösung
ist jedoch unzufriedenstellend, da der Aufwand bei der Herstellung
und Verarbeitung solcher Leiterplatten, die auch als MPCB (Metal
Printed Circuit Board) bezeichnet werden, vergleichsweise hoch ist.
Die Anfertigung der Grundform einer MPCB-Platine ist nur mit Hilfe
relativ teurer und aufwendiger Fräs- oder Stanzverfahren möglich. Darüber hinaus
erschwert die gute Wärmeabführung ein
Verlöten
der LED sowie gegebenenfalls weiterer Bauteile auf der Platine,
die für
diesen Vorgang vorgewärmt werden
muß. Dies
ist wiederum problematisch, weil die LED selbst durch hohe Temperaturen
geschädigt oder
zerstört
werden kann. Die Wärmekapazität eines
MPCB ist aufgrund des dünnen
Platinenmaterials gering, so dass in der Regel die Kopplung an einen
weiteren Kühlkörper größerer Kapazität erforderlich
ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Leistungs-LED-Modul
der eingangs genannten Art zu schaffen, das unter Anwendung einfacher
und kostengünstiger
Herstellungstechniken anzufertigen ist, gleichzeitig jedoch eine
zuverlässige Abführung der
von der LED im Betrieb erzeugten Wärme durch einen Kühlkörper erlaubt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Leistungs-LED-Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
Platine des erfindungsgemäßen Leistungs-LED-Moduls
ist in einem Bereich, der unter dem Befestigungsbereich der LED
liegt, mit einem Durchgangsloch versehen, in das ein Kühlkörper eingesetzt
ist, der an einer rückseitigen
Kontaktfläche der
LED anliegt und somit deren Betriebswärme absorbieren kann. In diesem
Fall kann eine herkömmliche
Standardplatine verwendet werden, die preiswert herzustellen und
in üblicher
Weise mit einem Bestückungsautomaten
mit der LED und ggf. weiteren Bauteilen zu versehen ist. Die Bestückung der
Platine kann erfolgen, bevor der Zusammenbau mit dem Kühlkörper sowie
weiterer Bestandteile des LED-Moduls stattfindet. Die Nachteile,
die bei der Verwendung von MPCB's
auftreten, werden hierdurch vermieden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltung der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung
näher erläutert.
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1 zeigt
einen seitlichen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungs-LED-Moduls;
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2 zeigt
einen Schnitt entsprechend 1 durch
eine zweite Ausführungsform
des Leistungs-LED-Moduls;
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3 zeigt
einen seitlichen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des Leistungs-LED-Moduls;
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4 stellt
einen seitlichen Schnitt durch eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungs-LED-Moduls
dar;
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5 zeigt
einen Schnitt durch eine fünfte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Leistungs-LED-Moduls;
und
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6 u. 7 sind
seitliche Schnitte durch Leistungs-LED-Module, die mehrere LED's umfassen.
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Das
Leistungs-LED-Modul 10 in 1 umfaßt einen
zylindrisches flaches Gehäuse 12 aus
Metall, beispielsweise aus Aluminium, das an seiner Unterseite ein
Schraubgewinde 13 zur Befestigung an einem Trägerteil
aufweist und an seiner Oberseite offen und durch eine transparente
Scheibe verschließbar
ist. Auf dem flachen Boden 14 des Gehäuses 12 liegt eine
flache Platine 16 auf, die in 1 im Querschnitt
zu sehen ist. Auf der Oberseite 18 der Platine 16 ist
eine Leistungs-LED 20 angebracht. Die Anbringung und die
elektrische Verbindung mit dem Leiterbahnen-Layout der Platine 16 erfolgt über hier
nicht dargestellte verlötete
Kontakte, die seitlich an der LED 20 angebracht sind. Die
Stromversorgung der Platine 16 kann über Kabel erfolgen, die innerhalb des
Schraubgewindes 13 verlaufen.
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Unmittelbar
unterhalb der LED 20 weist die Platine 16 ein
kreisrundes Durchgangsloch 24 auf, das in die Platine 16 eingestanzt
oder gebohrt sein kann. In dieses Durchgangsloch 24 ist
ein flacher zylindrischer Kühlkörper 26 aus
Kupfer eingesetzt, dessen Dicke genau der Dicke der Platine 16 entspricht. Der
Kühlkörper 26 liegt
somit mit seiner Oberseite, die eine obere Kontaktfläche 28 bildet,
an der rückseitigen
Kontaktfläche 30 der
LED 20 an, die der vom Durchgangsloch 24 freigegebenen
Unter- bzw. Rückseite
der LED 20 entspricht. Die thermische Kopplung der LED 20 mit
dem Kühlkörper 26 erfolgt
durch eine wärmeleitende
Kontaktschicht 32, bei der es sich um einen Klebstoff zur
festen Verbindung von LED 20 und Kühlkörper 26, einen Lack,
eine Wärmeleitpaste
oder dergleichen handeln kann. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen ist
die Kontaktschicht elektrisch isolierend ausgebildet. Es ist auch
denkbar, zwischen der LED 20 und dem Kühlkörper 26 mehrere Schichten 32 vorzusehen,
also beispielsweise einen Klebstoff und zusätzlich einen elektrisch isolierenden
Lack.
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An
seiner der LED 20 abgewandten Rückseite bzw. Unterseite 34,
die bündig
mit der Unterseite der Platine 16 abschließt, liegt
der Kühlkörper 26 auf dem
Boden 14 des Gehäuses 12 auf
und ist somit mit dem Gehäuse 12 ebenfalls
thermisch gekoppelt, welches auf diese Weise als zweiter Kühlkörper dient. Zwischen
den einander zugewandten Kontaktflächen der beiden Kühlkörper, also
zwischen Unterseite 34 des Kühlkörpers 26 und dem Boden 14 des
Gehäuses 12 ist
eine Wärmeleitpaste
oder dergleichen als Kontaktschicht 36 vorgesehen.
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Die
beim Betrieb der Leistungs-LED 20 erzeugte Wärme kann
somit über
die obere Kontaktschicht 32, den ersten Kühlkörper 26 und
die untere Kontaktschicht 36 an das Gehäuse 12 als zweiten Kühlkörper weitergegeben
werden. Es ist von Vorteil, im Fertigungsprozess des Leistungs-LED-Moduls 10 zunächst die
Platine 16 mit der LED 20 sowie gegebenenfalls
weiteren, nicht dargestellten Bauelementen zu bestücken und
nach Abschluß dieses
Fertigungsschritts die Einheit aus Platine 16 und LED 20 gemeinsam
mit dem in das Loch 24 eingesetzten ersten Kühlkörper 26 in
das Gehäuse 12 einzusetzen und
auf geeignete Weise zu befestigen, etwa durch Kleben, Schrauben,
Klemmen oder dergleichen. Insbesondere ist es hier möglich, herkömmliche
Standardplatinen 16 zu verwenden, die leicht bearbeitbar sind
und keine Schwierigkeiten beim Verlöten und Verdrahten der Bauelemente
verursachen, wie es beispielsweise bei MPCB-Platinen (Metal Printed
Circuit Board) aus Metall der Fall ist.
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Während der
Kühlkörper 26 in 1 nicht
dicker bemessen ist als die Platine 16 und vollständig von
dem Loch 24 aufgenommen werden kann, umfasst das Leistungs-LED-Modul 38 in 2 einen Kühlkörper 40,
der ebenfalls zylindrisch ausgebildet ist, dessen Dicke jedoch größer bemessen
ist als diejenige der Platine 16. Der Kühlkörper 40 ragt also
in der in 2 dargestellten Montageposition
nach unten über
die Unterseite der Platine 16 hinaus. Der herausragende
Vorsprungsbereich 42 wird von einer entsprechenden zylindrischen
Ausnehmung 44 aufgenommen, die in der Mitte des Bodens 14 des
Gehäuses 12 eingefräst ist.
Die Kopplung der Rückseite 30 der
LED 20 mit dem Kühlkörper 40 über eine
Kontaktschicht 32 und die Weiterleitung der Wärme vom Kühlkörper 40 zum
Gehäuse 12 über eine
weitere Kontaktschicht 36 erfolgt auf die gleiche Weise
wie in 1. Die Anordnung aus 2 ist insofern
vorteilhaft, als dass der Kühlkörper 40 durch
die in der Ausnehmung 44 ein liegende Position die Einheit
aus Platine 16 und LED 20 innerhalb des Gehäuse-Innenraums
zentriert.
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Beim
Leistungs-LED-Modul 48 in 3 ist der
an der rückseitigen
Kontaktfläche 30 der
LED 20 anliegende Kühlkörper 50 ebenfalls
dicker bemessen als die Platine 16 und ragt aus dem Loch 24 nach
unten heraus. Im Gegensatz zum Kühlkörper 40 weist der
Kühlkörper 50 jedoch
einen radial nach außen abgestuften
Erweiterungsbereich 52 auf, der den Kühlkörper 50 ringförmig umläuft, so
dass dieser einen T-förmigen
Querschnitt aufweist, wie es auch in 3 zu sehen
ist. Der abgestufte Erweiterungsbereich 52 liegt rückseitig,
also an der der LED 20 gegenüberliegenden Unterseite der
Platine 16 an. Die der LED 20 abgewandte Kontaktfläche 54 an
der Unterseite des Kühlkörpers 50 liegt
flach auf dem Boden 14 des Gehäuses 12 auf und sorgt
auf diese Weise für
eine bessere Wärmekopplung
zwischen dem (ersten) Kühlkörper 50 und
dem Gehäuse 12 als zweitem
Kühlkörper, als
es beispielsweise durch den Kühlkörper 26 aus 1 der
Fall ist. Zwischen der unteren Kontaktfläche 54 des Kühlkörpers 50 und dem
Boden 14 des Gehäuses 12 kann
wiederum eine Kontaktschicht 36 aus einer Wärmeleitpaste vorgesehen
sein, sowie auch zwischen der rückseitigen
Kontaktfläche 30 der
LED 20 und der oberen Kontaktfläche 28 des Kühlkörpers 50 eine
Wärmeleitschicht 32 vorhanden
sein kann. Außer
der bereits erwähnten
verbesserten thermischen Kopplung mit dem Gehäuse 12 und der vergrößerten Wärmekapazität des Kühlkörpers 50 selbst
bietet die Anordnung aus 3 den Vorteil, dass durch den
Erweiterungsbereich 52 die Unterseite der Platine 16 vom
Boden 14 des Gehäuses 12 in
einem Randbereich um die LED 20 herum beabstandet ist,
so dass die Anbringung von verdrahteten Bauteilen auf der Platine 16 erleichtert
wird, da deren Kontakte aus der Unterseite der Platine 16 herausragen
können.
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4 zeigt
eine Anordnung, bei welcher ein Gehäuse 58 den einzigen
Kühlkörper eines
Leistungs-LED-Moduls 60 bildet. Zu diesem Zweck ragt in
der Mitte des Bodens 14 des Gehäuses 58 ein zylindrischer
Zapfen 62 auf, dessen Höhe
der Dicke der Platine 16 entspricht und welcher von dem
Loch 24 in der Platine 16 aufgenommen wird. Die
Oberseite 64 des Zapfens 62 kann über die
Kontaktschicht 32 an der Unterseite 30 der LED 20 anliegen
und für
die thermische Kopplung sorgen, so dass die Betriebswärme der
LED 20 abgeführt
wird. Im wesentlichen entspricht die Funktion dieser Anordnung damit
dem LED-Modul 38 aus 2, abgesehen
davon, dass der dort vorgesehene erste Kühlkörper 40 und das Gehäuse 12 zu
einem einstückigen
Gehäuse-Kühlkörper 58 verbunden
bzw. einteilig als ein solcher ausgeformt sind. Dies vereinfacht
die Herstellung der gesamten Anordnung, und eventuell auftretende
Probleme bei der Wärmeübertragung
zwischen den beiden in 2 vorhandenen Kühlkörpern 40 und 12 werden
auf diese Weise vermieden.
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Das
LED-Modul 70 in 5 umfaßt ebenfalls ein Gehäuse 72,
auf dessen Boden 14 ein Zapfen 62 aufragt, der
in einem Durchgangsloch 24 der Platine 16 aufgenommen
ist und mit seiner Oberseite 64 über eine Kontaktschicht 32 an
der Unterseite 30 der LED 20 anliegt. Die thermische
Kopplung der LED 20 mit dem Gehäuse 72 als Kühlkörper entspricht
also dem Leistungs-LED-Modul 60 aus 4. Zur Vergrößerung der
Wärmekapazität umfaßt das Gehäuse 72 als
Kühlkörper jedoch
eine erheblich dickere massive Bodenplatte 74 und ist mit
Kühlrippen 76 versehen, die
das Gehäuse 72 auf
seinem zylindrischen Umfang umlaufen und dafür sorgen, dass die von der Bodenplatte 74 aufgenommene
Betriebswärme
der LED 20 effizient an die Umgebung abgegeben wird.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf Leistungs-LED-Module mit einer
einzigen LED beschränkt,
wie es in den vorhergehenden Ausführungsformen der Fall ist. 6 zeigt
ein Leistungs-LED-Modul 80 mit einem platten- oder stabförmigen Träger 82 aus
Metall, auf dessen Oberseite 84 eine Platine 86 aufliegt,
die eine Anzahl von LED's 20 trägt. Die
Platine 86 ist jeweils in Bereichen, die von den LED's 20 verdeckt
sind, mit Durchgangslöchern 24 versehen,
in denen flache zylindrische Kühlkörper 26 aus
Kupfer einliegen und für
eine thermische Kopplung der LED 20 an deren rückseitiger
Kontaktfläche 30 mit
dem Träger 82 sorgen.
Insofern entspricht diese Anordnung aus LED 20, erstem
Kühlkörper 26 und
Träger 82 als
zweitem Kühlkörper dem Leistungs-LED-Modul
aus 1. Zur Verbesserung der Kopplung können auch
hier zwischen den Kontaktflächen 30 der
LED 20 und dem Kühlkörper 26 bzw.
dem Kühlkörper 26 und
dem Träger 82 Kontaktschichten
aus Wärmeleitpaste
oder dergleichen vorgesehen sein.
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7 zeigt
eine ähnliche
Anordnung wie in 6, d. h. ein Leistungs-LED-Modul 90 mit
einem Träger 92,
auf dessen Oberseite 94 eine Platine 86 mit LED's 20 aufliegt.
Die unter den LED's 20 angeordneten
Kühlkörper 40 sind
jedoch dicker bemessen als die Platine 86 und müssen ähnlich wie
bei dem Leistungs-LED-Modul 38 aus 2 in Ausnehmungen 44 aufgenommen
werden, die in der Oberfläche 94 des
Trägers 92 vorgesehen
sind. Die Kühlung
der LED's 20 erfolgt
hier also ebenfalls über
eine Anzahl erster, unter den LED's 20 angeordneter Kühlkörper 40,
die in den Ausnehmungen 44 in dem Träger 92 einliegen.
Auf nähere
Einzelheiten der thermischen Kopplung mittels Kontaktschichten und
dergleichen wird daher auf die Beschreibung im Zusammenhang mit 2 verwiesen.
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Es
versteht sich, dass sich die in den 6 und 7 gezeigten
Anordnungen auf einfache Weise gemäß den Konstruktionsprinzipien
abwandeln lassen, die oben im Zusammenhang mit den 3 und 4 beschrieben
worden sind. Beispielsweise lassen sich Kühlkörper 50, wie sie in
dem LED-Modul 48 aus 3 eingesetzt
werden, an der Rückseite der
Platine 86 in die Löcher 24 einsetzen,
so dass in der Anordnung aus 6 die Platine 86 von
der Oberseite 84 des Trägers 82 beabstandet
wird. Ferner ist es möglich,
den Träger 92 nicht
mit Ausnehmungen 44 zu versehen, sondern mit Zapfen 62 entsprechend
dem Leistungs-LED-Modul 60 in 4, so dass
der Träger 92 über die
Zapfen 62 unmittelbar an den Rückseiten 30 der LED's 20 anliegt
und den einzigen Kühlkörper bildet.