LED-MODUL UND BELEUCHTUNGSANORDNUNG MIT ENTSPRECHENDEM MODUL

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein LED-Modul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, welches aus einer Anordnung elektronisch verschalteter LEDs und einem Träger für die LEDs besteht, sowie eine Anordnung zur Lichtabgabe mit einem derartigen LED-Modul.

[0002] Grundlage für die vorliegende Erfindung ist die momentan gängige Verschaltung von LEDs auf Platinen zu Serien- und Parallelschaltungen. Vorzugsweise wird hierbei eine Parallelschaltung einer beliebigen Anzahl an LED-Serienschaltungen gewählt. Insbesondere werden im vorliegenden Fall Trägerplatinen betrachtet, die eben sind und auf denen die LEDs in einem gleichmäßigen Raster angeordnet sind. Eine derartige Anordnung wird derzeit genutzt um LEDs mit geringem Strombedarf effizient an gängigen Hochvoltkonvertern zu betreiben. Normalerweise wird dabei innerhalb solcher Verschaltungen in allen parallelen Serienschaltungen bzw. Strängen die gleiche Anzahl an LEDs verschaltet.

[0003] Bei LED-Modulen, die zu Beleuchtungszwecken vorgesehen und in der oben beschriebenen Weise ausgestaltet sind, wird im Betrieb von den LEDs eine nicht unbeträchtliche Wärme erzeugt, welche effizient abgeführt werden sollte, um die thermische Belastung der LEDs zu reduzieren bzw. in einem vorgesehenen Temperaturbereich zu halten und damit deren Lebensdauer zu verlängern. Beispielsweise kommen deshalb Metallkernplatinen zum Einsatz, welche gegebenenfalls mit entsprechenden Kühlkörpern gekoppelt sind, über welche dann die Wärme abgeführt werden kann.

[0004] Allerdings ist selbst bei Anwendung dieser Maßnahmen zur Wärmeabfuhr die thermische Belastung des Trägers und insbesondere der darauf angeordneten LEDs unterschiedlich groß. Bei einer üblicherweise vorgesehenen gleichmäßigen äquidistanten Anordnung der LEDs auf einer Platine wird in der Regel über die Randbereiche bzw. Stirnbereiche einer vor allem länglichen LED-Platine deutlich effektiver die Wärme abgeführt als über den zentralen bzw. mittleren Bereich. Aufgrund dieses Ungleichgewichts müssen die LEDs aus dem zentralen Bereich besser gekühlt werden bzw. die Kühlmaßnahmen müssen effektiver ausgelegt sein, was einen höheren Aufwand nach sich zieht.

[0005] In der JP 2012043700 wird deshalb vorgeschlagen, LED-Stränge, die nebeneinander entlang einer Platine verlaufen, mit unterschiedlichen Strömen zu betreiben, wodurch ein Ungleichgewicht in der thermischen Belastung vermieden werden soll. Jeder LED-Strand ist hierbei separat an einen entsprechenden Ausgang eines Treibers angeschlossen und wird individuell mit einem entsprechenden Strom versorgt.

[0006] Ausgehen von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die thermische Belastung für LEDs auf einer Platine gleichmäßiger zu verteilen ohne die gleichmäßige Anordnung der LEDs zu stören oder die Kühlung im Zentrum effizienter gestalten zu müssen.

[0007] Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Gegenständen gelöst. Besondere Ausführungen oder vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0008] Erfindungsgemäß ist also ein LED-Modul vorgesehen, welches eine Anordnung elektronisch verschalteter LEDs in Parallelschaltungen von Serienschaltungen der LEDs und einen Träger bzw. eine Platine, der bzw. die als Tragstruktur für die LEDs vorgesehen ist, aufweist, wobei die Parallelschaltung so gewählt ist, dass die durch den Betrieb der LEDs verursachte thermische Belastung im Wesentlichen gleichmäßig über den Träger verteilt ist, wobei die Anordnung der LEDs ein gleichmäßiges Raster aufweist, wobei die Anzahl der LEDs einer Serienschaltung aus dem äußeren Bereich des Trägers kleiner ist als die Anzahl der LEDs einer Serienschaltung aus dem inneren Bereich und wobei bei Betrieb die LEDs der Serienschaltung aus einem äußeren Bereich des Trägers jeweils einer stärkeren Stromlast unterliegen als die LEDs der Serienschaltung aus einem inneren Bereich,.

[0009] Die erfindungsgemäße Auslegung der LED-Verschaltung, durch welche das bei LED-Modulen aus dem Stand der Technik vorliegende Ungleichgewicht in der thermischen Belastung ausgeglichen wird, kann in unterschiedlicher Weise realisiert werden.

[0010] Die asymmetrische Verschaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von LEDs in einem Strang, der sich im Randbereich des Trägers bzw. der Platine befindet gegenüber der Anzahl von LEDs in einem Strang aus dem zentralen Bereich reduziert ist. Dies bedeutet, dass man im Randbereich der Platine mehr Serienschaltungen vorfindet als im Zentrum bzw. im zentralen Bereich der Platine, obwohl die Anordnung der LEDs insgesamt gesehen gleichmäßig bzw. homogen ist. Der Unterschied in der Anzahl der LEDs der einzelnen Stränge hat ferner zur Folge, dass die LEDs im Zentrum bzw. im mittleren Bereich nun einer geringeren Stromlast unterliegen und damit weniger Wärme produzieren. Hierdurch wird der Tatsache Rechnung getragen, dass die Wärme im mittleren bzw. zentraleren Bereich des Moduls weniger effektiv an die Umgebung oder mit dem Modul gekoppelte Kühlelemente abgeführt werden kann, so dass letztendlich insgesamt gesehen eine deutlich gleichmäßigere thermische Belastung über Fläche hinweg gesehen vorliegt. Weiterhin sind bei diesem Ausführungsbeispiel alle LEDs auf der Platine im Wesentlichen identisch.

[0011] Ferner kann ein weiterer nutzbarer Effekt in einer gezielten Verstärkung von Lichtströmen am Randbereich der LED-Module liegen. Dies kann insbesondere bei einer flächigen Anordnung einer Vielzahl von erfindungsgemäßen LED-Modulen kombiniert mit diffusen optischen Systemen zu einer höheren Homogenität der Leuchtdichten auf einer Lichtaustrittsfläche führen.

[0012] Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig.1

eine Skizze eines erfindungsgemäßen LED-Moduls gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig.2

eine perspektivische Skizze des LED-Moduls von Fig. 1 gekoppelt an einen Kühlkörper;

Fig.3

eine Querschnittskizze einer Anordnung zur Lichtabgabe bestehend aus dem LED-Modul und einer optischen Diffusor-Platte und

Fig.4

eine Skizze des LED-Moduls gemäß einer nicht beanspruchten Variante.

[0013] In Fig.1 ist eine Skizze eines erfindungsgemäßen LED-Moduls 1 entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt, bestehend aus einem länglichen ebenen Träger bzw. einer Platine 2 und darauf in einem gleichmäßigen Raster angeordneten LEDs 3, die über elektrisch leitende Verbindungen 4 zu einer Parallelschaltung von elf Serienschaltungen 6 verschaltet sind. Dabei wird das gleichmäßige Raster aus fünf Reihen 5 mit jeweils neun LEDs 3 gebildet. Alle LEDs 3 sind ferner vorzugsweise im Wesentlichen identisch in zumindest ihrer Vorwärtsspannung, besonders bevorzugt identisch in allen ihren Eigenschaften, wobei in Bezug auf die Vorwärtsspannung dies dahingehend zu verstehen ist, dass die Abweichungen voneinander möglichst unterhalb von 0,1V liegen sollten.

[0014] Erfindungsgemäß ist nunmehr die Verschaltung der LEDs 3 derart ausgeführt, dass die Anzahl der LEDs 3 pro Serienschaltung 6 in der zentralen bzw. mittleren Reihe auf dem Träger 2 am größten ist und dass diese Anzahl kleiner wird, je weiter eine betrachtete Reihe 5 von der Mitte bzw. Mittelachse entfernt ist. Dies zeigt sich in diesem Ausführungsbeispiel speziell dadurch, dass - von oben herab gezählt - die erste Reihe 5 drei Serienschaltungen 6 mit jeweils drei LEDs 3, die zweite Reihe 5 zwei Serienschaltungen 6 mit jeweils fünf bzw. vier LEDs 3 und die dritte Reihe, die zugleich am zentralsten liegt, eine Serienschaltung 6 mit neun LEDs 3 aufweist. Eine unmittelbar sich ergebene Konsequenz besteht also darin, dass bei einer Verschaltung gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel grundsätzlich mehr Serienschaltungen 6 bzw. LED-Stränge 6 erforderlich sind als letztendlich LED-Reihen 5 auf dem Träger 2 angeordnet sind.

[0015] Zum Betrieb des LED-Moduls 1 wird eine - von einem nicht dargestellten Betriebsgerät zur Verfügung gestellte - Spannung zwischen den gemeinsamen Endpunkten 7 und 8 aller elektrisch leitenden Verbindungen 4 angelegt. Da alle Serienschaltungen 6 bei Betrieb mit derselben Spannung versorgt werden, stehen die LEDs 3 in den Serienschaltungen 6 im Randbereich des Trägers 2 aufgrund ihrer geringeren Anzahl pro Serienschaltung 6 einzeln unter erhöhter Spannungslast und damit erhöhter Stromlast. Somit werden die Schwerpunkte der Stromlast aller LEDs 3 auf die Außenbereiche des Trägers 2 ausgelagert. Dies hat den gewünschten Effekt zur Folge, dass nun auch die Schwerpunkte der Wärmeerzeugung auf die Außenbereiche des Trägers 2 ausgelagert und so die zentralen Bereiche des Trägers 2 thermisch entlastet werden.

[0016] Klarzustellen ist an dieser Stelle, dass Fig. 1 in erster Linie der grundsätzlichen Darstellung des erfindungsgemäßen Gedankens dient, nämlich LED-Stränge mit jeweils unterschiedlich vielen LEDs einzusetzen. In Realität werden die Anzahlen von LEDs weniger stark voneinander abweichen, als dies in Fig. 1 dargestellt ist. So wäre beispielsweise eine konkrete Ausführungsform denkbar, bei der drei LED-Stränge vorgesehen sind, wobei der mittlere Stang aus 21 LEDs besteht und die beiden äußeren Stränge jeweils 18 LEDs aufweisen.

[0017] Denkbar wäre es im Übrigen auch, dass sich ein LED-Strang über mehrere Reihen der LED-Platine erstreckt, um eine gleichmäßige Rasteranordnung von LEDs zu erzielen. Bei dem zuvor erwähnten Beispiel mit drei LED-Strängen könnten z.B. die jeweils letzten LEDs des mittelren Strangs (mit 21 LEDs) in den Außenreihen angeordnet werden, so dass sich ein gleichmäßige LED-Raster mit 3 x 19 LEDs ergibt. Trotz allem wird primär in den Seitenbereichen Wärme generiert, um das angestrebte Ziel einer gleichmäßigen thermischen Belastung erreichen zu können.

[0018] In Fig.2 ist dargestellt, wie eine Anordnung 11 zur Kühlung eines solchen erfindungsgemäßen LED-Moduls 1, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ermöglicht wird. Das LED-Modul 1 wird beispielsweise an dessen Unterseite auf einem Kühlkörper 12 befestigt bzw. mit diesem gekoppelt, wobei die Mittel zur Befestigung in Fig. 2 nicht sichtbar sind. Es wird im vorliegenden Fall davon ausgegangen, dass das LED-Modul 1 aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung bei Betrieb selbst ohne Kühlungsmaßnahmen thermisch gleichmäßig ausgelastet ist, was zur Folge hat, dass der Kühlkörper 12 keine weiteren oder spezielleren Kühlungsmechanismen unter dem Zentrum des LED-Moduls 1 in der Anordnung 11 erfordert als am Rande des Kühlkörpers 12. D.h. die erfindungsgemäße Vergleichmäßigung der thermischen Belastung wird allein durch die Ausgestaltung des LED-Moduls 1 erzielt, so dass durch den Einsatz des Kühlkörpers 12 die thermische Belastung insgesamt weiter reduziert werden kann, ohne dass der Kühlkörper in irgendeiner speziellen Weise ausgebildet werden müsste.

[0019] In Fig. 3 ist eine Querschnittskizze einer Anordnung 15 zur Lichtabgabe, bestehend aus erfindungsgemäßem LED-Modul 1 in Betrieb und einer optischen Diffusor-Platte 18, gezeigt. Das LED-Modul 1 und die Diffusor-Platte 18 sind im Wesentlichen parallel zueinander in einem bestimmten Abstand angeordnet. In der Zeichnung ist außerdem dargestellt, dass die LEDs 3 im Randbereich des Trägers 2 aufgrund der höheren Stromlast mehr Licht emittieren als die LEDs 3 im zentralen Bereich, was zur Folge hat, dass die Strahlendichte 16 am Rand größer ist als die Strahlendichte 17 im Zentrum. Die Diffusor-Platte kann nunmehr dazu ausgelegt sein, das Licht des LED-Moduls 1 in Abstrahlrichtung zu homogenisieren bzw. vergleichmäßigen, was durch die gleichmäßige Strahlendichte 19 gekennzeichnet ist.

[0020] Alternativ kann es sogar von Vorteil sein, dass die LEDs 3 in einem Randbereich des Trägers 2 mehr Licht emittieren als die LEDs 3 im zentralen Bereich. Üblicherweise werden in Beleuchtungsanordnungen mehrere LED-Module 1 auf einer vorzugsweise ebenen Fläche nebeneinander angeordnet in Kombination mit einer optischen Diffusor-Platte 18 vorzugsweise gemäß Fig. 3. Üblicherweise ist auch der Abstand der LED-Module 1 untereinander größer als der Abstand der LED-Reihen untereinander auf einem Modul, was zur Folge hätte, dass bei - vorausgesetzt - gleichstarker Lichtemission aller LEDs 3 die Bereiche zwischen den LED-Modulen 1 weniger hell erschienen als die zentraleren Bereiche der LED-Module 1. Dieser Effekt wird nunmehr mit Hilfe der erfindungsgemäßen LED-Module 1 automatisch dadurch kompensiert, dass die LEDs 3 in den Randbereichen der jeweiligen LED-Module 1 heller leuchten aufgrund der höheren Stromlast, was insgesamt zu einem wesentlich homogeneren Erscheinungsbild der Helligkeitsverteilung führt. Die optische Diffusor-Platte 18 sorgt dann noch zusätzlich für eine bessere Vergleichmäßigung.

[0021] In Fig. 4 ist eine Skizze eines nicht erfindungsgemäßen LED-Moduls 22 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, analog zum LED-Modul 1 nach Variante eins aus Fig. 1, gezeigt. Einer der wesentlichen Unterschiede zwischen dem LED-Modul 1 von Fig. 1 und dem LED-Modul 22 von Fig. 4 besteht dabei darin, dass bei dem LED-Modul 22 verschiedene LEDs zum Einsatz kommen, die sich in ihrer Vorwärtsspannung unterscheiden. LEDs mit unterschiedlichen Vorwärtsspannungen werden mit den Zahlen 24, 26 und 28 gekennzeichnet, wobei identische Zahlen für identische Vorwärtsspannungen stehen. Allerdings besitzt jede LED-Reihe 25, 27 oder 29 vorzugsweise jeweils nur LEDs mit identischen Vorwärtsspannungen, d.h., innerhalb einer Reihe liegen die Abweichungen in den Vorwärtsspannungen wir bereits erwähnt unterhalb von 0,1V. Die Unterschiede in den Vorwärtsspannungen zwischen den verschiedenen LED-Reihen 25, 27, 29 hingegen sollten vorzugsweise mindestens 0,1V betragen.

[0022] Der zweite wesentliche Unterschied besteht darin, dass bei dem Modul von Fig. 4 jede Serienschaltung die selbe Anzahl an LEDs besitzt. Dies hat zur Folge, dass die Anzahl der LED-Reihen mit der Anzahl der Serienschaltungen übereinstimmt. Ferner ist die elektrische Verschaltung nicht mehr asymmetrisch, wie dies bei dem LED-Modul 1 von Fig. 1 der Fall war.

[0023] Die vollständige Anordnung der LEDs und elektrischen Verbindungen auf dem Träger 23 ist zweckmäßig achsensymmetrisch um die LED-Reihe 29 gelegt um keine Asymmetrie der thermischen Belastung des Trägers 23 bei Betrieb zu verursachen, selbst wenn die gesamte thermische Belastung des Trägers nicht gleichmäßig wäre. Der Träger 23 aus Fig. 4 und der Träger 2 aus Fig. 1 müssen nicht zwangsläufig verschieden sein.

[0024] Die Vorwärtsspannungen der LEDs 24 in der äußeren Reihe 25 sind so gewählt, dass diese kleiner sind als die Vorwärtsspannungen der LEDs 26 in Reihe 27. Analog sind die Vorwärtsspannungen der LEDs 26 in Reihe 27 so zu wählen, dass diese kleiner sind als die Vorwärtsspannungen der LEDs 28 in Reihe 29. Entsprechendes gilt für die restlichen nicht bezifferten Reihen im unteren Teil vom LED-Modul 22 durch Achsenspiegelung aller Eigenschaften an der Reihe 29. So ist aufgrund der kleineren Vorwärtsspannungen in Richtung Außenbereich des Trägers 23 gewährleistet, dass in den entsprechenden LEDs ein höherer Stromfluß vorliegt, also Schwerpunkte der Stromlast bzw. thermischen Last auf die Randbereiche des Trägers 23 verlagert werden.

[0025] Der Einsatz von LEDs unterschiedlicher Vorwärtsspannung wird beispielsweise dadurch ermöglicht, dass man LEDs vom identischen Typ nimmt, die allerdings bei der Herstellung trotzdem unterschiedliche Vorwärtsspannungen aufweisen. Wahlweise ist auch der Einsatz vollkommen verschiedener LED-Typen möglich.

[0026] Wie bereits erwähnt können die beiden Gedanken zur besseren Verteilung der thermischen Belastung auch miteinander kombiniert werden. In diesem Fall kommen dann auf dem Modul unterschiedliche LEDs zum Einsatz und die Längen der LED-Serienschaltungen variiert.

[0027] Selbstverständlich kann das in Figur 4 dargestellte LED-Modul in analoger Weise wie das Modul gemäß Figur 1 mit Kühlkörpern oder optischen Elementen kombiniert werden. In den Darstellungen der Fig. 2 und Fig. 3 kann das LED-Modul 1 also ohne weiteres durch das LED-Modul 22 ersetzt werden.

[0028] Zusammenfassend besteht also durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen LED-Moduls die Möglichkeit, Kosten zu sparen, die durch den Einsatz von Kühlungsmaßnahmen entstehen. Ferner können durch Optimierung der Verteilung der thermischen Belastung die Lebensdauer von LEDs verlängert und homogenere Erscheinungsbilder bezüglich der Lichtabgabe innerhalb und/oder außerhalb von Beleuchtungsvorrichtungen, die ein erfindungsgemäßes LED-Modul enthalten, erhalten werden.

Ansprüche

1. LED-Modul (1), aufweisend eine Anordnung von elektronisch verschalteten LEDs (3) und einem Träger (2) für die LEDs (3), wobei eine Parallelschaltung von Serienschaltungen (6) von LEDs (3) vorliegt,
wobei die Parallelschaltung derartig gewählt ist, dass die durch den Betrieb der LEDs (3) verursachte thermische Belastung des Trägers (2) im Wesentlichen gleichmäßig über den Träger (2) verteilt ist,
wobei die Anordnung der LEDs (3) ein gleichmäßiges Raster aufweist,
und wobei bei Betrieb die LEDs (3) der Serienschaltung (6) aus einem äußeren Bereich des Trägers (2) jeweils einer stärkeren Stromlast unterliegen als die LEDs (3) der Serienschaltung (6) aus einem inneren Bereich, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der LEDs (3) einer Serienschaltung (6) aus dem äußeren Bereich des Trägers (2) kleiner ist als die Anzahl der LEDs (3) einer Serienschaltung (6) aus dem inneren Bereich.

2. LED-Modul nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass alle LEDs (3) auf dem Träger (2) im Wesentlichen identisch sind.

3. Anordnung zur Lichtabgabe (15), bestehend aus LED-Modul (1, 22) nach einem der vorherigen Ansprüche und einer optischen Vorrichtung (18),
dadurch gekennzeichnet,
dass die optische Vorrichtung (18) dazu ausgelegt ist, das vom LED-Modul (1, 22) bei Betrieb abgegebene Licht (16,17) im Wesentlichen zu homogenisieren bzw. zu vergleichmäßigen.

4. Anordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass diese mehrere nebeneinander angeordnete LED-Module (1, 22) aufweist.

Claims

1. An LED module (1), having an arrangement of electronically connected LEDs (3) and a carrier (2) for the LEDs (3), wherein a parallel connection of series circuits (6) of LEDs (3) is present,
wherein the parallel connection is selected in such a manner that the thermal load on the carrier (2) caused by the operation of the LEDs (3) is distributed substantially uniformly across the carrier (2),
wherein the arrangement of the LEDs (3) has a uniform grid,
and wherein during the operation the LEDs (3) of the series circuit (6) from an outer area of the carrier (2) are in each case subjected to a greater current load than the LEDs (3) of the series circuit (6) from an inner area,
characterized in that
the number of LEDs (3) of a series circuit (6) from the outer area of the carrier (2) is smaller than the number of LEDs (3) of a series circuit (6) from the inner area.

2. An LED module according to Claim 1,
characterized in
that all the LEDs (3) on the carrier (2) are substantially identical.

3. An arrangement for the light output (15), consisting of LED module (1, 22) according to any one of the preceding claims and an optical device (18),
characterized in
that the optical device (18) is designed to substantially homogenize or to equalize the light (16, 17) outputted by the LED module (1, 22) during operation.

4. An arrangement according to Claim 3,
characterized in
that said arrangement has several LED modules (1, 22) arranged side by side.

Revendications

1. Module de LED (1), présentant un agencement de LED (3) branchées électroniquement et d'un support (2) pour les LED (3), en présence d'un montage en parallèle de montages en série (6) de LED (3),
le montage en parallèle étant choisi de telle sorte que la contrainte thermique sur le support (2) causée par le fonctionnement des LED (3) est répartie de façon essentiellement régulière sur le support (2),
l'agencement des LED (3) présentant une trame régulière,
et, pendant le fonctionnement, les LED (3) du montage en série (6) en provenance d'une zone extérieure du support (2) étant exposées respectivement à une charge de courant plus forte que les LED (3) du montage en série (6) en provenance d'une zone intérieure,
caractérisé en ce que
le nombre de LED (3) d'un montage en série (6) en provenance de la zone extérieure du support (2) est plus faible que le nombre de LED (3) d'un montage en série (6) en provenance de la zone intérieure.

2. Module de LED selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
toutes les LED (3) sur le support (2) sont essentiellement identiques.

3. Agencement destiné à l'émission de lumière (15), composé du module de LED (1, 22) selon l'une des revendications précédentes et d'un dispositif optique (18),
caractérisé en ce que
le dispositif optique (18) est conçu pour homogénéiser ou respectivement uniformiser essentiellement la lumière (16, 17) émise par le module de LED (1, 22) pendant le fonctionnement.

4. Agencement selon la revendication 3,
caractérisé en ce
qu'il présente plusieurs modules de LED (1, 22) disposés de façon juxtaposée.

Zeichnung