LED-Array

Die Erfindung betrifft ein LED-Array nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102004047682.9, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

LED-Arrays zeichnen sich durch eine hohe Effizienz, eine hohe Lebensdauer, eine schnelle Ansprechzeit und eine vergleichs¬ weise geringe Empfindlichkeit gegen Stöße und Vibrationen aus. LED-Arrays werden aus diesem Grund immer häufiger in Be¬ leuchtungseinrichtungen eingesetzt, bei denen bisher oftmals Glühlampen verwendet wurden, insbesondere in Kfz- Scheinwerfern, Leselampen oder Taschenlampen.

Bei zu derartigen Beleuchtungszwecken eingesetzten LED-Arrays werden die LED-Chips in der Regel mit sehr hohen Betriebs- strömen betrieben, um eine möglichst hohe Leuchtdichte zu er¬ zielen. Damit ist jedoch eine hohe Wärmeentwicklung verbun¬ den. Bei kompakten Leuchtdioden-Beleuchtungseinrichtungen sind oftmals auch strahlformende optische Elemente integ¬ riert, die sehr nah an den LED-Chips oder sogar auf den LED- Chips angeordnet sind. Die Wärmeabstrahlung der Chips wird dadurch zusätzlich erschwert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein LED-Array an¬ zugeben, bei dem die Gefahr einer thermischen Überlastung der LED-Chips verringert ist.

Diese Aufgabe wird durch ein LED-Array mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Ein LED-Array mit mindestens zwei LED-Chips enthält gemäß der Erfindung einen Temperatursensor, und es ist eine Regelung eines Betriebsstroms der LED-Chips in Abhängigkeit von der von dem Temperatursensor erfassten Temperatur vorgesehen.

Durch die temperaturabhängige Regelung des Betriebsstroms der LED-Chips des LED-Arrays kann eine Beeinträchtigung der Funk¬ tion oder sogar ein Ausfall der LED-Chips durch thermische Überlastung vermieden werden. Beispielsweise kann die von dem Temperatursensor erfasste Temperatur von einer Auswerteschal¬ tung, die bevorzugt außerhalb des LED-Arrays angeordnet ist, ausgewertet werden, und der Betriebsstrom der LED-Chips ver¬ mindert werden, sobald die von dem Temperatursensor erfasste Temperatur einen kritischen Wert erreicht. Auf diese Weise können die LED-Chips vorteilhaft über lange Betriebszeiten im Grenzbereich ihrer thermischen Belastbarkeit betrieben wer¬ den.

Bei einem LED-Array, das eine Vielzahl von LED-Chips enthält, ist die Erfindung besonders vorteilhaft anwendbar, da mit der Anzahl der LED-Chips auch die Wärmeentwicklung steigt. Beson¬ ders bevorzugt enthält ein LED-Array gemäß der Erfindung min¬ destens vier LED-Chips.

Um eine möglichst gute Übereinstimmung zwischen der von dem Temperatursensor erfassten Temperatur und der Temperatur der Strahlungsemittierenden aktiven Schichten der LED-Chips zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn der Temperatursensor ei-

nen möglichst geringen Abstand zu mindestens einem der LED- Chips aufweist . Bevorzugt beträgt der Abstand zwischen dem Temperatursensor und mindestens einem LED-Chip des LED-Arrays 5 mm oder weniger, besonders bevorzugt 3 mm oder weniger. Weiterhin ist es für die Temperaturmessung der LED-Chips vor¬ teilhaft, wenn die einzelnen LED-Chips des LED-Arrays keine LED-Gehäuse aufweisen.

Das LED-Array umfasst bevorzugt einen Chipträger, auf dem die LED-Chips angeordnet sind, und der Temperatursensor ist auf dem Chipträger befestigt. Der Chipträger besteht vorzugsweise aus einer Keramik. Insbesondere kann der Chipträger AlN ent¬ halten.

Vorzugsweise ist der Temperatursensor, beispielsweise ein wärmeabhängiger Widerstand, auf den Chipträger aufgedruckt. Auf diese Weise kann vorteilhaft ein vergleichsweise geringer Abstand zwischen dem Chipträger und dem Temperatursensor er¬ zielt werden.

Alternativ kann ein Chipträger, auf dem die LED-Chips befes¬ tigt sind, auf einen Trägerkörper montiert sein, und der Tem¬ peratursensor auf dem Trägerkörper befestigt sein. Der Trä¬ gerkörper und der Chipträger sind dabei vorzugsweise mitein¬ ander verklebt. Der Temperatursensor wird beispielsweise auf dem Chipträger oder auf dem Trägerkörper durch Löten oder Kleben befestigt. Damit wird eine genau definierte Tempera¬ turmessung sichergestellt, insbesondere auch in Umgebungen, in denen das LED-Array Stößen oder Vibrationen ausgesetzt ist, beispielsweise bei der Verwendung in einem Kraftfahr¬ zeug.

Besonders vorteilhaft ist die Erfindung für kompakte LED- Arrays, bei denen der Chipträger und/oder der Trägerkörper eine Grundfläche von 300 mm^ oder weniger aufweisen. Der Chipträger weist vorzugsweise eine Höhe von weniger als 1 mm, beispielsweise etwa 0,5 mm bis 0,7 mm, und der Trägerkörper eine Höhe von etwa 1 mm bis 1,5 mm auf.

Der Temperatursensor ist vorzugsweise ein Thermoelement. Wei¬ terhin kann der Temperatursensor auch ein temperaturabhängi¬ ger Widerstand sein, der einen negativen Temperaturkoeffi¬ zienten (NTC-Widerstand) oder einen positiven Temperaturkoef¬ fizienten (PTC-Widerstand) aufweisen kann. Alternativ kann auch ein Halbleiterbauelement, beispielsweise ein Transistor oder eine Diode, als Temperatursensor verwendet werden, indem eine temperaturabhängige elektrische Eigenschaft eines derar¬ tigen Halbleiterbauelements von einer Auswerteschaltung er- fasst wird.

Besonders vorteilhaft ist die Erfindung für LED-Arrays, bei denen aufgrund einer hohen Verlustleistung der LED-Chips die Wärmeentwicklung sehr hoch ist, und, beispielsweise durch ei¬ ne hohe Umgebungstemperatur oder die Bauform des LED-Arrays bedingt, die Wärmeabfuhr erschwert ist. Insbesondere wird die Wärmeabfuhr bei LED-Arrays oftmals durch strahlformende opti¬ sche Elemente, die sehr nah an den LED-Chips oder sogar auf den LED-Chips angeordnet sind, erschwert. Beispielsweise kann als strahlformendes optisches Element ein optischer Kon- zentrator vorgesehen sein, mit dem die Abstrahlcharakteristik des LED-Arrays vorteilhaft beeinflusst wird.

Der optische Konzentrator ist bevorzugt ein CPC-, CEC- oder CHC-artiger optischer Konzentrator, womit ein Konzentrator gemeint ist, dessen reflektierende Seitenwände zumindest

teilweise und/oder zumindest weitestgehend die Form eines zu¬ sammengesetzten parabolischen Konzentrators (Compound parabo- lic concentrator, CPC) , eines zusammengesetzten elliptischen Konzentrators (Compound elliptic concentrator, CEC) und/oder eines zusammengesetzten hyperbolischen Konzentrators (com- pound hyperbolic concentrator, CHC) aufweisen.

Ein LED-Array gemäß der Erfindung kann beispielsweise ein Teil einer Beleuchtungseinrichtung, insbesondere ein Teil ei¬ nes KFZ-Scheinwerfers, sein. Da LED-Arrays in Beleuchtungs¬ einrichtungen oftmals einer hohen Umgebungstemperatur ausge¬ setzt sind, die beispielsweise in einem KFZ-Scheinwerfer etwa 125° betragen kann, ist die Erfindung für derartige Beleuch¬ tungseinrichtungen besonders vorteilhaft.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von drei Ausführungs¬ beispielen im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 näher er¬ läutert .

Es zeigen:

Figur Ia eine schematisch dargestellte Aufsicht auf den

Chipträger eines ersten Ausführungsbeispiels eines LED-Arrays gemäß der Erfindung,

Figur Ib eine schematische Darstellung eines Querschnitts entlang der Linie AB des in Figur Ia dargestellten ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Figur 2a eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf den Trägerkörper eines zweiten Ausführungsbeispiels eines LED-Arrays gemäß der Erfindung,

Figur 2b eine schematische Darstellung eines Querschnitts entlang der Linie CD des in Figur 2a dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und

Figur 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines LED- Arrays gemäß der Erfindung.

Auf dem in der Figur Ia in der Aufsicht und in der Figur Ib im Querschnitt dargestellten Chipträger 1 des ersten Ausfüh¬ rungsbeispiels eines LED-Arrays gemäß der Erfindung sind sechs LED-Chips 2 montiert, wobei die einzelnen LED-Chips je¬ weils kein Gehäuse aufweisen. Die LED-Chips 2 sind z.B. weiß- lichtemittierende LED-Chips 2. Der Chipträger 1 ist vorzugs¬ weise aus einer Keramik gefertigt. Die Grundfläche des Chip¬ trägers 1, auf der die LED-Chips 2 montiert sind, weist vor¬ teilhaft eine Fläche von 300 mm^ oder weniger auf. Auf dem Chipträger 1 ist ein Temperatursensor 3 befestigt, der bei¬ spielsweise ein Thermoelement, ein temperaturabhängiger Wi¬ derstand oder ein Halbleiterbauelement sein kann. Der Abstand d zwischen dem Temperatursensor 3 und dem nächstgelegenen LED-Chip 2 beträgt vorzugsweise 5 mm oder weniger. Durch den geringen Abstand zwischen dem Thermoelement und zumindest ei¬ nem der LED-Chips 2 und dadurch, dass die einzelnen LED-Chips 2 jeweils kein LED-Gehäuse aufweisen, sind die Temperatur an dem Messpunkt des Temperatursensors 3 und die tatsächliche Temperatur der LED-Chips 2 vergleichsweise gut miteinander korreliert .

Ein vorteilhaft geringer Abstand zwischen mindestens einem der LED-Chips 2 und dem Temperatursensor 3 kann dadurch er¬ reicht werden, dass der Temperatursensor 3 auf den Chipträger mit einem Druckverfahren aufgebracht ist. Dies ist insbeson-

dere bei einem Chipträger aus einer Keramik, zum Beispiel AlN, von Vorteil .

Bei dem in der Figur 2a in der Aufsicht und in der Figur 2b im Querschnitt gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel eines LED-Arrays gemäß der Erfindung sind mehrere LED-Chips 2 auf einem gemeinsamen Chipträger 1 montiert. Der Chipträger 1 ist auf einem Trägerkörper 4 montiert, auf dem auch der Tempera¬ tursensor befestigt ist. Der Temperatursensor 3 ist bei¬ spielsweise auf den Trägerkörper 4 gelötet oder geklebt .

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand zwi¬ schen dem Temperatursensor 3 und dem nächstgelegenen LED-Chip 2 vorteilhaft nicht mehr als 5 mm. Der Trägerkörper 4 ist be¬ vorzugt aus einem Material mit einer guten Wärmeleitung ge¬ fertigt, beispielsweise aus einem Metall. Dadurch kann einer¬ seits eine Wärmeabfuhr der von den LED-Chips 2 erzeugten Wär¬ me über den Trägerkörper 4 erfolgen, und andererseits ist auch eine gute Übereinstimmung der von dem Temperatursensor 3 gemessenen Temperatur mit der tatsächlichen Temperatur der LED-Chips 2 gewährleistet. Der Trägerkörper 4 weist vorzugs¬ weise eine Grundfläche von 300 mm^ oder weniger auf. Bei¬ spielsweise hat der Trägerkörper 4 eine rechteckige Grundflä¬ che mit einer Länge 1 zwischen einschließlich 10 mm und ein¬ schließlich 15 mm und eine Breite b zwischen einschließlich 15 mm und einschließlich 20 mm.

Bei dem in Figur 3 im Querschnitt dargestellten Ausführungs- beispiel eines LED-Arrays gemäß der Erfindung ist ein Träger¬ körper 4, auf dem ein Chipträger 1 mit mehreren LED-Chips 2 und ein Temperatursensor 3 befestigt ist, in ein Gehäuse 5 eingebaut . Der Temperatursensor 3 ist über zwei Zuleitungen

8, 9 mit einer Steuereinheit 7 verbunden, die außerhalb des Gehäuses 5 angeordnet ist.

Die Steuereinheit 7 enthält eine Auswerteschaltung zur Aus¬ wertung des von dem Temperatursensor 3 erzeugten Messsignals. Weiterhin enthält die Steuereinheit 7 eine mit der Auswerte- Schaltung verbundene Ansteuerschaltung, die die LEDs 2 über die Zuleitungen 10, 11 mit einem Betriebsstrom versorgt, der in Abhängigkeit von der von dem Temperatursensor 3 gemessenen Temperatur geregelt wird.

Den LED-Chips 2 ist vorteilhaft in ihrer Abstrahlrichtung 13, 14 mindestens ein strahlformendes optisches Element 12 nach¬ geordnet. Beispielsweise kann es sich bei dem strahlformenden optischen Element 12 um einen CPC (Compound Parabolic Con- centrator) handeln, mit dem die Abstrahlcharakteristik der LED-Chips 2 in vorteilhafter Weise beeinflusst wird. Durch ein CPC wird beispielsweise die Strahldivergenz der von den LED-Chips 2 emittierten Strahlung 13, 14 vermindert. Dabei kann jeder einzelnen LED 2 jeweils ein strahlformendes Ele¬ ment 12 nachgeordnet sein. Alternativ kann auch der Gesamt¬ heit der LEDs ein oder einer oder mehreren Gruppen von LEDs 2 ein strahlformendes Element 12 nachgeordnet sein.

Das strahlformende optische Element 12 kann sehr dicht an den LED-Chips 2 angeordnet oder sogar auf diese aufgesetzt sein.

Je nach gewünschter Abstrahlcharakteristik des LED-Arrays können zusätzlich auch noch weitere strahlformende optische Elemente vorgesehen sein. Beispielsweise kann auf das Gehäuse 5 des LED-Arrays eine Linse 15 aufgebracht sein.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfin¬ dung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Pa¬ tentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder die¬ se Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.