Simulations-Tools LEDs als Scheinwerfer

Scheinwerfer gehören zum schwierigsten Anwendungsbereich für Leuchtdioden im Auto. Das liegt daran, dass sie dort gut geschützt sind - so gut, dass ihre Wärme nur sehr schwer abgeführt werden kann. Deshalb sind umfassende Simulationen fällig, nicht nur des Wärmeverhaltens, sondern aufgrund der Temperaturabhängigkeit auch der optischen Eigenschaften.

Dass Leuchtdioden ihre Verlustleistung nicht im Infraroten abstrahlen, wie dies etwa Glühlampen oder Kompaktleuchtstoffröhren tun, ist häufig von Vorteil, kann jedoch auch problematisch sein. Prinzip-bedingt findet der thermische Fluss über die Wärmeleitung statt, was bei lichtstarken LEDs und LED-Modulen zu Schwierigkeiten führen kann.

Immerhin ist eine Hochleistungs-LED gerade mal ein paar Quadratmillimeter groß - im wahrsten Sinne des Wortes ein Flaschenhals, durch den die entstehende Abwärme muss. Mit dieser Last sind herkömmliche Leiterplatten oft überfordert, weshalb häufig keramische oder Metallkern-Platinen zum Einsatz kommen - doch auch bei diesen teuren Lösungen muss eine gute thermische Verbindung zu einer Wärmesenke wie einem Kühlkörper hergestellt werden. Das ist an sich in einem Kraftfahrzeug kein allzu großes Problem, schließlich stehen mehrere Quadratmeter Karosseriefläche zur Verfügung, außerdem eine extra für diesen Zweck vorgesehene Einrichtung namens Kühler.

Betrachtet man jedoch einen Fahrzeugscheinwerfer genauer, ist die Sache nicht mehr so einfach. Heute ist die einzige Öffnung eines hermetisch gegen Schmutz und Feuchtigkeit gesicherten Scheinwerfergehäuses, das zumeist nicht einmal aus Metall besteht, ein Kabelkanal, durch den der Strom nebst Steuerinformationen fließt. Diese Öffnung ist für eine thermische Anbindung jedoch kaum geeignet, und jede zusätzliche würde Elektronik und Optik gefährden. Gleichzeitig erfordern besonders Frontscheinwerfer besonders helle (und damit heiße) Lichtquellen, und auch Umwelteinflüsse wie Sonneneinstrahlung vereinfachen die Angelegenheit nicht. Das gilt im Besonderen, da Leuchtdioden empfindlich auf Wärme reagieren, so sind beispielsweise Farbtemperatur und Lebensdauer stark temperaturabhängig.

Charakterisierung und Simulation

Für die Anforderungen von Beleuchtungsentwicklern, die LED-Arrays in Autoscheinwerfern, Rückleuchten und Anwendungen in der Transportbranche verwenden, hat nun Mentor Graphics seine Mess- und Charakterisierungs-Hardware »T3Ster« mit »TeraLED« sowie die Simulationssoftware »FloEFD« erweitert. Die Tools sollen es vereinfachen, die von diesen Arrays erzeugte Wärme und Kondensation effizient zu managen, und somit die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Produkte verbessern.

Bei T3Ster handelt es sich um ein thermisches Transienten-Messsystem, das Informationen zu den thermischen Eigenschaften verschiedener Halbleiterbauteile liefert, einschließlich Stacked-Die-ICs und System-in-Package-Komponenten sowie verschiedenen diskreten Halbleitern. Die Mehrkanal-Architektur erlaubt es, fast alle Bauformen mit wenigen Messdurchgängen zu charakterisieren.

Es liefert Temperaturmessungen mit einer Genauigkeit von 0,01 K (unter Verwendung eines Diodensensors mit einer Empfindlichkeit von -2 mV/K bei einer temperaturabhängigen Änderung der Durchlassspannung von 50 mV) bei einer Zeitauflösung von einer Mikrosekunde. Das System misst direkt die thermischen Impedanzkurven, also das thermische Verhalten von Halbleitern in der jeweiligen Bauform.

Speziell für Hochleistungs-LEDs ist das radiometrische/fotometrische Analysemodul »TeraLED« mit Ulbricht-Kugel gedacht. Während diese bislang nicht mehr als 30 cm durchmaß, ist den immer größer werdenden LED-Arrays nun eine Kugel mit 50 cm Durchmesser zugedacht. Diese ist groß genug, um LEDs aufzunehmen, die in Scheinwerfern und Rücklichtern bei einer Wärmeableitung von maximal 50 W bis zu 7500 lm produzieren können.

Diese Kombination gewährleistet, dass die Industrie selbst die aggressivsten LED-Designs entwickeln kann und trotzdem die Anforderungen der Automobilindustrie erfüllen wird (Bild 1). Die Simulationssoftware FloEFD wurde um ein spezielles LED-Modul erweitert, das die thermische Simulation moderner LED-Produkte gestattet und deren »Hot Lumen«, das heißt den gesamten bei Betriebstemperatur emittierten Lichtstrom, prognostiziert.

Ermöglicht wird dies durch eine Bibliothek mit LED-Modellen, deren Elemente durch physikalische Tests mit T3Ster/TeraLED charakterisiert werden. Darüber hinaus unterstützt das FloEFD-LED-Modul in semi-transparenten Feststoffen wie Linsen von Scheinwerfern oder Rückleuchten auch Strahlungsabsorption.

Von der Simulation in die Realität   
Simulationen sind eine feine Sache, doch irgendwann kommt der Moment, zu dem die Prototypen ihre Fähigkeiten in echt unter Beweis stellen müssen. Dann zeigt sich, was die Simulation wirklich wert war.
I m Testlabor des Automobil-Zulieferers Hella, der auf Kfz-Beleuchtung und Fahrzeugelektronik spezialisiert ist, fällt die Nagelprobe durchaus heftig aus. Die Produkte des Herstellers durchlaufen folgende Testverfahren:

■ Spritzwasser-Test
In Universalspritzwasserkabinen werden die Produkte unter realen Umweltbedingungen getestet. Die Kabinen sind mit Vorrichtungen für Regen, Schallwasser, Strahlwasser und Sprühnebel ausgestattet. Hier werden die Prüflinge im Intervall- und Spritzwasser-Test mit einem Druck von bis zu 5 bar und beim Strahlwasser-Test mit einem Druck von bis zu 10 bar auf Dichtigkeit geprüft (IP xK4K).

■ Hochdruckreiniger-Test
In einer Prüfanlage werden die Produkte mit einem Wasserdruck von bis zu 120 bar und einer Wassertemperatur von +85 °C getestet. Bei diesem Test wird die Reinigung in einer Waschstraße oder  mit einem Hochdruckreiniger nachgestellt (IP xK9K).

■ Staub-Test
Bei diesem Test werden die Produkte auf ihre Staubdichtigkeit geprüft. Für alle Produkte wird ungebrannter Portlandzement als Prüfmedium eingesetzt. Die Bewertung erfolgt unter anderem durch die Ermittlung des fotometrischen Wertes vor und nach dem Test (IP 5K).

■ Tauch- und Druckdichtigkeits-Test
In einem Tauchrohr wird eine Wassertiefe von 1 m erreicht, in einer weiteren Testanlage sogar eine Tiefe von 6 m. Außerdem findet in einem Tauchbecken eine Überdruckprüfung mit bis zu 1,6 bar statt.

■ Wärme-, Feuchtigkeits- und Kälte-Test
Bei Temperaturwechseltests werden Lichtprodukte in Klimaschränken von 600 l bis 1000 l Fassungsvolumen bis zu 48 Stunden lang Temperaturschwankungen von -40 °C bis zu +100 °C ausgesetzt. Zudem werden Be- und Enttauungstests bis max. 95% relative Luftfeuchtigkeit und bis zu +80 °C durchgeführt. Im »Schockschrank« variiert die Temperatur in Intervallen von  maximal 6 s zwischen -40 °C bis zu +100 °C.

■ Vibrations-Test
Diese Prüfung simuliert das Verhalten der Produkte auf einer
»Schlecht-Wegstrecke« und zeigt etwa Reaktionen auf Schlaglöcher, Schotterpisten, Schotter, Kies, Felder und Feldwege. Für ausgewählte Produkte wie etwa Zusatzscheinwerfer werden spezielle Rallyeprofile getestet.

Hella, Telefon 02941/380, www.hella.com