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Mehr Design-Freiheit

Intelligentes LED-Lichtsystem für Premium-Automobile

16. Januar 2017, 15:20 Uhr | Von Gerald Böhm, Christian Bemmer und Andreas Moser

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

LED und LED-Bestückung

LEDs mit ausreichend hoher Leuchtdichte sind derzeit nur in Baugrößen erhältlich, die den kleinstmöglichen Mindestabstand zweier Segmente limitieren. Typische Gehäuseabmessungen für einsetzbare LEDs führen unter Berücksichtigung von Bestückungstoleranzen und Einschränkungen bei der Layout-Gestaltung zu erreichbaren horizontalen Mindestabständen von knapp einem Millimeter.
In diesem Konzept wurde bewusst auf den Anspruch verzichtet, mit einem einzigen Lichtmodul eine nahtlose Segmentierung der Lichtverteilung zu erreichen. Die Lichtverteilung jedes Projektionsmoduls ist gezielt durch Lücken unterbrochen. Das ermöglicht es, die LED-Chips mit deutlich größerem Abstand auf der Platine zu positionieren. Dadurch ergeben sich folgende Vorteile:

Eine einfache industrielle Umsetzung dieses Matrix-lite-Konzeptes ist bereits heute auf Basis verfügbarer Keramik-Packages möglich.
Der zukünftige Einsatz hochvolumiger Standard-LED-Typen wird dadurch deutlich leichter und schneller erreicht.
Wesentlich mehr kommerzielle Möglichkeiten.
Durch den größeren Abstand der LED-Chips erhält man eine Verbesserung in der Wärmespreizung, die Belastung der LEDs und der Aufwand zur Kühlung sinkt – das ergibt in Summe ein einfacheres und kostengünstigeres Thermomanagement.

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Lichttechnik - Bild 1 bis 4

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Die gesamte Lichtverteilung wird aus einer Überlagerung von Lichtanteilen der Ma¬trix-lite-Module erzeugt. Das erste Matrix-Modul (Bild 1) liefert mehrere Lichtsegmente mit dazwischen liegenden gleich großen Segment-Lücken. Diese Lücken werden von einem weiteren Modul (Bild 2) geschlossen. Es handelt sich dabei um ein gleichartiges Modul, das um eine Segmentbreite versetzt zur Anwendung kommt. Dadurch werden eine geschlossene Lichtverteilung erzielt und Segmentgrößen von nur wenigen Grad lateraler Breite erreicht – trotz relativ großer LED-Abmessungen.

Um die Auflösung des Systems weiter zu erhöhen und toleranzbedingte Ungenauigkeiten in der Ausrichtung der Module zueinander auszugleichen, werden die beiden Matrix-lite-Elemente um zwei weitere Einheiten (Bilder 3 und 4) ergänzt.

Scheinwerfer Lichttechnik-Kombination Bild 5 bis 7

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Diese zusätzlichen Module funktionieren nach demselben Prinzip, werden jedoch um eine halbe Segmentbreite versetzt angeordnet (Bilder 5, 6 und 7). Damit werden eine Verdoppelung der lateralen Auflösung und eine deutliche Verbesserung der Homogenität der gesamten Lichtverteilung erzielt.

Komplexitätsreduktion des Scheinwerfers Bild 8 bis 11

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Die Umsetzung dieses Konzepts beruht auf der Verwendung von Primär- und Sekundäroptiken (Bild 8). Primäroptiken werden verwendet, um die scharf begrenzten vertikalen Segmente mit definierter Lichtverteilung zu erzeugen. Diese werden dann mit Projektionslinsen, der Sekundäroptik, abgebildet. Diese Bauweise ermöglicht es, Linsen mit kurzer Brennweite einzusetzen, womit kleine Modulabmessungen bei nach wie vor hohen Wirkungsgraden erzielt werden.

Der Modulcharakter wird durch den prinzipiell gleichen Aufbau der einzelnen Lichtmodule erreicht, wobei ein weitestgehendes Gleichteileprinzip verfolgt wird. Damit lassen sich die Komplexität des Systems auf niedrigem Niveau halten und gleichzeitig ein hoher Funktionsumfang gewährleisten.
Spezielle Mikrostrukturen auf den Linsenoberflächen sorgen für eine entsprechende Aufweichung der Hell-Dunkel-Linien, um eine Verbesserung der Homogenität der gesamten Lichtverteilung zu erreichen. Gleichzeitig wird die bei Linsensystemen immer vorhandene chromatische Aberration ausgeglichen.
Wie in anderen Systemen auch wird in dieser Umsetzung aus Gründen der Komplexitätsreduktion aus einem Scheinwerfer jeweils nur eine Hälfte der Lichtverteilung generiert (Bilder 9 und 10) und der Überlapp (Bild 11) im Zentrum auf ein notwendiges Minimum reduziert.

Je nach Auslegung der Primäroptiken und Wahl des Abbildungsmaßstabes der Projektionslinsen kann die Segmentbreite in einem gewissen Bereich variiert werden. Die Vorteile dieses Systems liegen klar in der scharfen und geradlinigen Begrenzung der einzelnen Segmente und damit verbunden eine optimale Ausleuchtung des Verkehrsumfeldes ohne Gefahr der Blendung (Bild 12). Durch die 1,5° breite Segmentierung lässt sich der Schattenbereich hinreichend nahe an die anderen Verkehrsteilnehmer anpassen und der verbleibende ausgeleuchtete Bereich erreicht ein Maximum. Selbst ein gleichzeitiges Ausblenden von mehreren Hindernissen ist möglich.

Positiv kann noch angemerkt werden, dass es kaum Situationen geben wird, in denen bei einem Modul alle Segmente deaktiviert werden müssen. Alle Linsen werden bezogen auf den Leuchteindruck immer aktiviert erscheinen (Bild 13). Ein entgegenkommendes oder vorausfahrendes Fahrzeug wird die dynamischen Schaltprozesse nicht als unruhig wahrnehmen oder gar als Irritation empfinden.

Leistungs- und Thermomanagement

Auch in Hinsicht auf das Wärmemanagement bietet der vorgestellte Ansatz einen entscheidenden Vorteil im Vergleich zu anderen Matrix-Systemen mit großer Chip¬anzahl auf kleinem Raum und den damit verbundenen hohen Leistungsdichten. Aufgrund der größeren Abstände der Leuchtdioden und der Verteilung auf mehrere einfachere Module vereinfacht sich das Kühlkonzept des Matrix-lite-Systems und die Wärme kann einfacher abgeführt werden. Damit erhöhen sich Leistung und Lebensdauer der eingesetzten LEDs.