DE4205789A1 - Lichtquelle mit mindestens einem lichtemittierenden bauelement und einer vorgeschalteten schutzeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtquelle nach dem Oberbe­ griff des Anspruches 1.

Zur Beleuchtung von Schaltern und Tastern, die in Gebäu­ den oder Fahrzeugen montiert sind, verwendet man Licht­ quellen, die eine Orientierung ermöglichen oder den je­ weiligen Schaltzustand anzeigen. Die Lichtquellen beste­ hen in der Regel aus einem lichtemittierenden Bauelement, z. B. einer Glimmlampe oder einer Leuchtdiode und einer Schutzeinrichtung, im allgemeinen einem Vorwiderstand, zur Begrenzung des von einer Versorgungsspannungsquelle ausgehenden Versorgungsstroms.

Da die Lichtstärke des lichtemittierenden Bauelementes von der Höhe des hindurchfließenden Versorgungsstromes abhängt, dient der Vorwiderstand nicht nur zur Strombe­ grenzung, sondern auch zum Abgleich auf einen Stromwert, der einer vorgegebenen Lichtstärke entspricht. Bei einem diskreten Aufbau wird das lichtemittierende Bauelement, also z. B. eine Leuchtdiode (LED) mit einem Festwiderstand auf einer Leiterplatte oder einem entsprechenden Träger verbunden. Nachteilig ist, daß durch Löten oder Schweißen mehrerer Drahtverbindungen zwischen dem lichtemittieren­ den Bauelement, seinem Vorwiderstand und Anschlußkontak­ ten hergestellt werden müssen. Dies erfordert einerseits zeitaufwendige Arbeitsvorgänge, birgt die Gefahr einer Fehlkontaktierung, und führt zu einer relativ voluminösen Bauform. Sofern die unterschiedliche Lichtstärke einzel­ ner Leuchtdioden bei gleichem Versorgungsstrom nicht in Kauf genommen werden kann, muß ein entsprechend angepaß­ ter Vorwiderstand eingesetzt werden, der jedoch bei einem Festwiderstand nur in Stufen auswählbar ist.

Es ist weiterhin bekannt, Schichtschaltungen, z. B. Dünn- oder Dichtschichtschaltungen aufzubauen, bei denen es möglich ist, unterschiedliche Bauelemente auf einer Trä­ gerplatte zu integrieren. Ein besonderer Vorteil dieser Bauelemente ist es, daß man die Schichtwiderstände mit Hilfe eines Laserstrahls sehr genau auf ihren Sollwert abgleichen kann. Hierbei wird der als Leiterbahn auf ei­ ner Trägerplatte aufgebrachte Schichtwiderstand durch einen Einschnitt in seiner Breite solange herabgesetzt, bzw. bezüglich seines Widerstandswertes solange erhöht, bis er seinen Sollwert erreicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lichtquelle zu schaf­ fen, die sich sehr genau auf eine vorgegebene Lichtstärke abgleichen läßt und die eine besonders kleine Bauform er­ möglicht. Weiterhin soll ein Verfahren zur Durchführung eines automatischen Abgleichs der genannten Lichtquelle und eine Vorrichtung, die den Abgleich erleichtert, geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 sowie die in den Ansprüchen 8 und 9 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Er­ findungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen genannt.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist es, daß der Vor­ widerstand als Schichtwiderstand auf einem Substrat auf­ gebracht und auf diesem mit einem lichtemittierenden Bau­ element so integriert ist, daß sich eine Anordnung er­ gibt, die es ermöglicht, den Widerstand mit Hilfe eines Laserstrahls auf einen durch die geforderte Lichtstärke vorgegebenen Wert abzugleichen. Um diesen Abgleich pro­ blemlos durchführen zu können, sollten sich die Strahlen­ gänge der vor dem lichtemittierenden Bauelement abgegebenen Lichtstrahlung einerseits und den zum Abgleich des Schichtwiderstandes benötigten Laserstrahlen anderer­ seits, nicht überschneiden. Dem kann durch die Lage des lichtemittierenden Bauelementes zum Schichtwiderstand Rechnung getragen werden.

Durch die Integration der Bauteile auf einem gemeinsamen Träger wird für eine gute Wärmeleitung zwischen ihnen ge­ sorgt, so daß die bei diskretem Aufbau teilweise sehr un­ terschiedlichen Wärmegradienten und die sehr unterschied­ liche thermische Ausdehnung entfallen. Dementsprechend steigt die Lebensdauer der Lichtquelle und die Zahl ihrer Einsatzmöglichkeiten erweitert sich. Gleichzeitig wird eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit und anderen Umwelteinflüssen und auch eine größere Zuverlässigkeit durch den Wegfall von Leiterverbindungen erreicht. Der gedrängte Aufbau der integrierten Bauein­ heit ermöglicht einen vielseitigen Einsatz und erleich­ tert den Einbau in elektrische Geräte.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgegenstan­ des sieht vor, daß die Geometrie des auf der Trägerplatte aufgebrachten Schichtwiderstandes so ausgebildet ist, daß ein stufiger Grobabgleich und ein stetiger Feinabgleich erfolgen kann. Hierdurch gelingt es nicht nur Fer­ tigungstoleranzen auszugleichen, sondern die lichtemit­ tierenden Bauelemente gezielt auf unterschiedliche Licht­ stärke mit einem Laserstrahl abzugleichen.

Ein besonders einfacher Abgleich wird dadurch ermöglicht, daß der Schichtwiderstand der Form einer Leiter ähnelt, und aus einer Widerstandsschleife besteht, bei der die beiden Schleifenhälften durch Widerstandsbrücken mit­ einander verbunden sind. Das Durchtrennen von Wider­ standsbrücken ermöglicht einen stufigen Abgleich, der in einen stetigen übergehen kann, wenn der Laserstrahl nur jeweils Einschnitte bewirkt, die zu einer stetigen Ver­ minderung der Breite der Leiterbahn des Schichtwider­ standes führen.

Wie bereits angedeutet, dürfen die Lichtstrahlen des lichtemittierenden Bauelementes nicht durch den Abgleich des Schichtwiderstandes behindert werden, was besonders dann gilt, wenn der Schichtwiderstand auf der gleichen Seite der Trägerplatte, wie das lichtemittierende Bauele­ ment angeordnet ist.

Für den Aufbau einer relativ einfachen Abgleichvorrich­ tung ist es von besonderem Vorteil, wenn der Schicht­ widerstand auf der zum lichtemittierenden Bauelement ge­ genüberliegenden Seite der Trägerplatte angeordnet ist.

Eine Integration von Bauteilen der Lichtquelle kann auch dann erfolgen, wenn für den Betrieb mit Wechselstrom eine bipolare Anordnung mit zwei antiparallel geschalteten Leuchtdioden vorgesehen ist. In diesem Fall ist für beide Leuchtdioden einzeln oder gemeinsam eine Schutzeinrich­ tung, also in der Regel ein Schichtwiderstand vorzu­ schalten. Die Schutzvorrichtung kann selbstverständlich auch eine mit Hilfe von Halbleitern aufgebaute Strombe­ grenzungsschaltung sein, bei der jedoch dann ein Schicht­ widerstand als Stellelement für einen Sollwert dient.

Wegen seiner geringen Abmessungen ist es auch möglich, die integriert aufgebaute Lichtquelle mit einem geeigne­ ten, elektrisch isolierenden und vor Feuchtigkeit schüt­ zenden Material abzudecken, und hierzu gegebenenfalls auch z. B. Glas zu verwenden.

Ein Verfahren zur Durchführung eines automatischen Ab­ gleichs bei einer Lichtquelle läßt sich mit Hilfe eines Regelkreises realisieren. Hierzu liegt die Lichtquelle während des Abgleichvorganges an einer Versorgungsspan­ nungsquelle, die eine dem jeweils fließenden Versorgungs­ strom entsprechende Lichtemmision bewirkt, deren Licht­ stärke mit einem Sollwert verglichen wird, so daß ein hierdurch gebildetes Differenzsignal auf die Steuerung eines Laserstrahls einwirken kann, derart, daß die durch den Laserstrahl bewirkte Veränderung des Widerstandswer­ tes beim Schichtwiderstand abgebrochen wird, sobald die vorgegebene Lichtemmision des lichtemittierenden Bau­ elementes erreicht ist. Hierdurch ist ein schneller und sehr genauer Abgleich möglich.

Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrich­ tung ist zweckmäßigerweise so aufzubauen, daß ein Licht­ empfänger die von dem lichtemittierenden Bauelement abge­ gebene Lichtstrahlung detektiert und in ein elektrisches Signal umformt, und dieses über einen Verstärker als Ist­ wert einem Komperator zuführt, der den Istwert mit einem der geforderten Lichtstärke der Lichtquelle entsprechen­ den Sollwert vergleicht. Das vom Komperator abgegebene Differenzsignal wird einer Steuereinheit zugeführt, die dafür sorgt, daß ein Laser nach erfolgtem Abgleich das Einwirken des Laserstrahls auf den Schichtwiderstand un­ terbricht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeich­ nungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert:

Es zeigen:

Fig. 1 eine Trägerplatte mit darauf integriertem Schichtwiderstand und einem lichtemittie­ renden Bauelement,

Fig. 2 eine mit einem Regelkreis aufgebaute Abgleich­ vorrichtung.

Wie Fig. 1 erkennen läßt, besteht die Lichtquelle aus einer Trägerplatte 3, vorzugsweise einem AL₂O₃-Substrat, und einem darauf integrierten Schichtwiderstand 2 und ei­ nem lichtemittierenden Bauelement 1. Als lichtemittie­ rendes Bauelement 1 wird bevorzugt eine Leuchtdiode ver­ wendet. Die beiden integrierten Bauelemente 1, 2 sind auf der gleichen Seite ihrer Trägerplatte 3 so nebeneinander angeordnet, daß die emittierten Lichtstrahlen einerseits und der zum Abgleich verwendete Laserstrahl andererseits ohne Behinderung das jeweilige Zielobjekt erreichen. Bei der Ausbildung des Schichtwiderstandes 2 kann im Prinzip jede beliebige Widerstandsgeometrie gewählt werden, also z. B. ein Rechteck, ein Mäander oder ein Kreis, doch wäre es unzweckmäßig, wenn diese Geometrie das lichtemittie­ rende Bauelement 1, also die vorgesehene Leuchtdiode, um­ schließen würde.

Im vorliegenden Beispiel wurde als zweckmäßige Wider­ standsgeometrie für den Schichtwiderstand 2 eine Wi­ derstandsschleife 9 gewählt, bei der die beiden Schlei­ fenhälften durch Widerstandsbrücken 10 miteinander ver­ bunden sind. Ein Durchtrennen der Widerstandsbrücken 10 bewirkt eine stufige Erhöhung des Widerstandswertes. Der von einer Versorgungsspannungsquelle kommende Versor­ gungsstrom fließt über einen ersten Anschluß 19 durch den Schichtwiderstand 2 zur Leuchtdiode 1 und von dieser über einen zweiten Anschluß 20 zurück zur Versorgungsspan­ nungsquelle.

Der in Fig. 2 aufgebaute Regelkreis beinhaltet zunächst einmal die Lichtquelle mit der Trägerplatte 3, der Leuchtdiode 1 und dem Schichtwiderstand 2. Im Unterschied zu Fig. 1 sind die beiden integrierten Bauelemente 1, 2 nicht nebeneinander, sondern auf zwei gegenüberliegenden Seiten ihrer Trägerplatte 3 angeordnet. Dadurch ergeben sich besonders günstige Aufbaumöglichkeiten für die Ab­ gleichvorrichtung.

Die elektrischen Bauteile 1, 2 der Lichtquelle 1 bis 3, liegen an einer Versorgungsspannungsquelle 11, die einen Versorgungsstrom 17 erzeugt. Angeregt durch diesen Ver­ sorgungsstrom 17 entsteht eine Lichtemission 16, die von einem Lichtempfänger 6 detektiert und in ein elektrisches Signal umgeformt wird. Das mit Hilfe eines Verstärkers 7 verstärkte elektrische Signal dient als Istwert 14, den ein Komparator 8 mit einem von einem Sollwertgeber 18 kommenden Sollwert 15 vergleicht. Ein am Ausgang des Komparators 8 erzeugtes Differenzsignal 12 wird einer Steuereinheit 13 zugeführt, die auf einen Laser 5 derart einwirkt, daß der von ihm erzeugte Laserstrahl 4 unter­ brochen wird, sobald die Leuchtdiode 1 die vorgegebene Lichtstärke erreicht. Auf diese Weise läßt sich der Ab­ gleich vollautomatisch durchführen, so daß große Serien problemlos mit großer Genauigkeit hergestellt werden kön­ nen.

Die Baugruppe kann z. B. durch Steck-, Löt- oder Schweiß­ verbindungen im Gerät kontaktiert werden. Durch die ex­ trem niedrige Bauform lassen sich besonders flache Geräte optimal ausleuchten. Mit mehreren derartig integrierten Lichtquellen läßt sich eine besonders gleichmäßige Aus­ leuchtung erreichen. Ebenso läßt sich gezielt eine unter­ schiedliche Lichtstärke erreichen, die eine Unterschei­ dung zwischen einem Orientierungslicht und einem Aktionslicht erleichtert. Bei Wechselstrom kann eine bipolare Anordnung durch antiparallel geschaltete Leuchtdioden re­ alisiert werden. Isoliermaßnahmen können dadurch entfal­ len, daß das Substrat aus einem Isoliermaterial besteht und Leiterbahnen mittels einer Glasabdeckung oder einem geeigneten Kunststoffilm elektrisch isoliert und gegen Feuchtigkeit geschützt werden. Die gute Wärmeleitfähig­ keit von AL₂O₃ bewirkt eine gleichmäßige Wärmeverteilung auf der gesamten Baugruppe.

Claims (9)

1. Lichtquelle, insbesondere zur Signalisierung des Schaltzustandes elektrischer Geräte, mit mindestens einem lichtemittierenden Bauelement (1) und einer vorgeschalte­ ten Schutzeinrichtung, vorzugsweise einem Vorwiderstand, zur Begrenzung des Versorgungsstromes, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schutzeinrichtung mit Hilfe eines Schichtwiderstandes (2) aufgebaut ist, der gemeinsam mit dem lichtemittierenden Bauelement (1) auf einer Träger­ platte (3), vorzugsweise einem AL₂O₃-Substrat, unterge­ bracht ist, und daß der Dickschichtwiderstand (2) auf der Trägerplatte (3) so angeordnet ist, daß sein Widerstand mit Hilfe eines Laserstrahls (4) auf einen durch die geforderte Lichtstärke des lichtemittierenden Bauelemen­ tes (1) vorgegebenen Wert abgeglichen werden kann.

2. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Geometrie des auf die Trägerplatte (3) auf­ gebrachten Schichtwiderstandes (2) so ausgebildet ist, daß ein stufiger Grobabgleich und ein stetiger Fein­ abgleich erfolgen kann.

3. Lichtquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Geometrie des Schichtwiderstandes (2) der Form einer Leiter ähnelt und aus einer Widerstandschleife (9) mit die beiden Schleifenhälften verbindenden Wider­ standsbrücken (10) besteht.

4. Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtwiderstand (2) auf der gleichen Seite der Trägerplatte (3) an­ geordnet ist, wie das lichtemittierende Bauelement (1), jedoch so, daß die Lichtstrahlen des lichtemittierenden Bauelements (1) nicht durch den Abgleich des Schichtwi­ derstands behindert werden.

5. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schichtwiderstand (2) auf der zum lichtemittierenden Bauelement (1) gegenüber­ liegenden Seite der Trägerplatte (3) angeordnet ist.

6. Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß für den Betrieb mit Wechselstrom eine bipolare Anordnung mit zwei antiparal­ lel geschalteten lichtemittierenden Bauelementen (1) vor­ gesehen ist und diesen beiden lichtemittierenden Bauele­ menten (1) einzeln oder gemeinsam eine Schutzeinrichtung vorgeschaltet ist.

7. Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (3) aus einem Isoliermaterial besteht und der Schichtwiderstand (2) sowie die Leiterbahnen mit einem elektrisch isolie­ renden und vor Feuchtigkeit schützenden Material abge­ deckt sind.

8. Verfahren zur Durchführung eines automatischen Abgleichs bei einer Lichtquelle nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht­ quelle während des Abgleichvorganges an einer Versorgungsspannungsquelle (11) liegt, daß eine dem je­ weils fließenden Versorgungsstrom (17) entsprechende Lichtemmision (16) mit einem Sollwert verglichen wird und ein hierdurch gebildetes Differenzsignal (12) auf die Steuerung eines Laserstrahls (4) dahingehend einwirkt, daß die durch den Laserstrahl (4) bewirkte Veränderung des Widerstandswertes beim Schichtwiderstand (2) abgebro­ chen wird, sobald die vorgegebene Lichtemission (16) des lichtemittierenden Bauelements (1) erreicht ist.

9. Vorrichtung zum Abgleich der Lichtquelle nach ei­ nem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtempfänger (6) vorgesehen ist, der die von dem lichtemittierenden Bauelement abgegebene Lichtemis­ sion (16) detektiert und in ein elektrisches Signal umformt und dieses über einen Verstärker (7) als Istwert (14) einem Komparator (8) zuführt, der den Istwert (14 mit einem der geforderten Lichtstärke die Lichtquelle entsprechenden Sollwert (15) vergleicht und daß ein vom Komparator (8) abgegebenes Differenzsignal (12) einer Steuereinheit (13) zugeführt ist, die dafür sorgt, daß ein Laser (5) nach erfolgtem Abgleich das Einwirken des Laserstrahls (4) auf den Schichtwiderstand (1) unter­ bricht.