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LED-Systeme für Frontscheinwerfer

Strahlend hell

19. Februar 2016, 11:39 Uhr | Ingo Kuss

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Wechsel zur Oberflächenmontage

Während die ersten für AFS entwickelten LED-Systeme Gehäusemaße von rund 20 mm × 21 mm aufweisen, ist die aktuelle Generation mit Gehäusemaßen von 1,6 mm × 1,2 mm wesentlich kleiner und kann daher im Scheinwerfer eng aneinander angeordnet werden, was die Realisierung adaptiver Frontlichtsysteme vereinfacht oder auch Lichtleiterlösungen für Tagfahrlicht oder Blinker ermöglicht. Zudem geben die kompakten Maße dem Entwickler mehr Freiheit beim Scheinwerfer-Design. Als erste miniaturisierte Bauform für Frontscheinwerfer läutete die Oslon Compact (Bild 2) den Wechsel zur Oberflächenmontagetechnik ein. Ein AFS/ADB-Modul mit 24 LEDs im Scheinwerfer ist bereits erhältlich, weitere mit 84 LEDs sind angekündigt. Dank einer speziellen Chiptechnologie (UX:3) arbeiten die LEDs als reine Oberflächenemitter und erzeugen bei 500 mA Betriebsstrom eine Lichtemission von ca. 430 mW.

Um die ideale Lichtverteilung zu realisieren, nutzen Automobilhersteller eine Kamera an der Frontscheibe, die den Bereich vor dem Fahrzeug aufnimmt. Spezielle LED-Steuergeräte berechnen in Echtzeit die beste Ausleuchtung für den Fahrer. Mit LED-basierten adaptiven Lichtsystemen kann die Fahrbahn automatisch und mit exakt gesteuerter Lichtverteilung sehr hell ausgeleuchtet werden, ohne dabei andere Verkehrsteilnehmer zu blenden.

Kostendruck treibt die LED-Entwicklung

Neben der Größe gibt es auch in anderen Bereichen spannende Fortschritte. Einer der größten Treiber für die Weiterentwicklung von LED-Lösungen ist der Kostendruck. So wird beispielsweise eine passive Kühlung angestrebt, um die Systemkosten zu senken. Dafür sind jedoch spezielle LED-Lösungen erforderlich. Auf dem Internationalen Symposium für Automobilbeleuchtung ISAL 2015 wurde mit der Oslon Black Flat S ein Prototyp einer individuell ansteuerbaren Multi-Chip-LED-Lösung vorgestellt.

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Die drei bis fünf Chips der neuesten UX:3-Generation in dieser Lösung für ADB-Systeme sind in einem Strang konfiguriert und können beliebig durch Kurzschließen ausgeblendet werden. Die Abmessungen der 5-Chip-Variante liegen bei 7,9 mm × 3,75 mm und 0,5 mm Höhe. Bei einem Scheinwerfer-Aufbau mit der Fünf-Chip-Variante als singuläre Lichtquelle für das Abblend- und Fernlicht wird eine Helligkeit von 2000 lm erzeugt. Der Wechsel der Lichtfunktionen erfolgt über eine bewegliche Blende. Durch die thermische Optimierung des SMT-Bauteils (Bild 3) wurde es möglich, die Scheinwerfer für passive Kühlung auszulegen. Bei einem Strom von 1 A, einer Verlustleistung von 12 W sowie einer Umgebungstemperatur von 25 °C beträgt die Temperatur in den zentralen Chips nur 69 °C. Damit hat sich die Temperaturdifferenz im Vergleich zur Vorgänger-Version von 58 °C auf 44 °C reduziert. Diese Kombination einer hohen Effizienz mit einer guten thermischen Anbindung ermöglicht die gewünschte passive Kühlung. Diese senkt die Systemkosten erheblich und macht LED-Lösungen für Frontscheinwerfer damit für einen breiteren Markt interessant.

Herausforderungen bei der Entwicklung

Trotz der erheblichen Fortschritte, die LEDs bereits heute zu einer lohnenden Alternative für Frontscheinwerfersysteme machen, gibt es weiterhin ein hohes Potenzial für die Weiterentwicklung der Technologie. Während beispielsweise die Oberflächenmontage zwar einerseits erhebliche Kostenvorteile birgt, ergeben sich durch sie andererseits größere Herausforderungen an die Platziergenauigkeit in Bezug auf Scheinwerferoptiken. Der Aufwand für die Kühlung im Scheinwerfer wiederum ist umgekehrt proportional zur Effizienz der eingesetzten LED. Daher wird weiter an der Effizienzsteigerung gearbeitet, denn je höher der Anteil an nutzbarer optischer Strahlung ist, umso stärker nimmt die Verlustleistung pro aufgebrachter elektrischer Leistung ab. Und entsprechend weniger Kühlaufwand wird benötigt.

Für neue Gestaltungsmöglichkeiten bei Scheinwerfer-Systemen sind darüber hinaus signifikant höhere Leuchtdichten erforderlich. Daher arbeiten die LED-Forscher bei Osram Opto Semiconductors in Regensburg bereits an den nächsten Generationen von Hochstrom-LED-Chips.

Prototyp mit dreimal höherer Leuchtdichte

Was in puncto Leuchtdichte zukünftig möglich sein wird, zeigt ein im Regensburger Labor entwickelter Prototyp (Bild 4). Dessen Herzstück ist ein einziger LED-Chip, der weißes Licht mit einem bisher unerreichten Lichtstrom von 1400 lm abstrahlt. Mit knapp 22 W Leistung erreicht die LED eine Lichtintensität von 200 Mcd/m². Damit steht eine Leuchtdichte zur Verfügung, die dreimal so hoch ist wie bei bisher in Frontscheinwerfern integrierten Leuchtdioden. Bisherige LEDs liegen bei 60 bis 80 Mcd/m².

Diese Entwicklung zeigt, wie viel Potenzial in der LED-Technologie steckt. Erreicht wurde diese besonders hohe Leuchtdichte durch eine detaillierte Abstimmung aller wichtigen Komponenten der kompletten Lichtquelle – vom zentralen LED-Chip über eine passende Konverterkeramik für die additive Mischung von Weißlicht bis hin zum Wärmemanagement. Von der für die Lichtausbeute wichtigen Ausgestaltung der Kristallschicht des Halbleiter-Materials Indiumgalliumnitrid (InGaN) bis hin zu einer speziell entwickelten Konverterkeramik mit einer besonders hohen Wärmeleitfähigkeit wurden alle Bestandteile optimiert. Die für den Betrieb notwendigen Metallkontakte wurden in die Unterseite des Chips versenkt. Damit schatten die Kontaktstrukturen nichts von dem Licht ab, das von der LED erzeugt wird. Allein durch diese UX:3-Chiptechnologie konnte die Lichtausbeute um ca. 15 Prozent gesteigert werden.