Licht nach vorne Scheinwerferlichtquellen: Von Gasentladungslampen bis zu LEDs

Was sind die wichtigsten Systeme im Auto? Bremsen, Motor, Zigarettenanzünder, Navi - an die Scheinwerfer denken viele zuletzt, obwohl sowohl der Fahrer als auch andere Verkehrsteilnehmer ohne sie im Dunklen tappen würden.

Die lange Lebensdauer dürfte der größte Pluspunkt für den Einsatz von Leuchtdioden in der Fahrzeugbeleuchtung sein - immerhin wird es immer komplizierter, eine defekte Lampe auszutauschen. Schon lange sind Abblend-, Fern- und Standlicht in einer baulichen Einheit zusammengefasst, meist zusammen mit den Blinkern (Fahrtrichtungsanzeigern).

Während jedoch noch vor wenigen Jahren der »Birnchentausch« durch das Lösen weniger Schrauben selbst möglich war, ist heute zumeist die Fahrt zur Vertragswerkstatt Pflicht; nicht selten erfordert der Lichtwechsel größere Montagearbeiten an Kotflügel oder Stoßstange. Solch teure und aufwändige Prozeduren nimmt kein Autofahrer gerne auf sich, weshalb die Langlebigkeit der Lichtquellen eine immer größere Rolle spielt.

Wurden seit 1964 Halogenlampen verwendet, sind seit 1991 Gasentladungslampen auf Xenon-Basis verbreitet. Hier entsteht zwischen zwei Wolfram-Elektroden ein konzentrierter Lichtbogen. Der kleine Glaskolben aus Quarzglas, der als Brennraum dient, enthält eine Xenon-Gasfüllung unter hohem Druck sowie Quecksilber (in neueren Ausführungen wird darauf verzichtet) und Metallsalze. Diese senken die Farbtemperatur des eher violett leuchtenden Xenons auf eine Farbtemperatur von etwa 5000 K bis 6000 K ab.

Für das Zünden ist ein Hochspannungsimpuls erforderlich, den eine Zündeinheit über ein elektronisches Vorschaltgerät (EVG) erzeugt. Dieses EVG steuert anschließend auch die Lichtleistung. Die Haltbarkeit von Xenonlampen beträgt etwa das Vierfache der Haltbarkeit von Halogenlampen. Gasentladungslampen laufen langsam an - ein Unding im Straßenverkehr, wo auf Knopfdruck volle Lichtleistung nötig ist. Die Zulassungskriterien fordern nach dem verzugslosen Einschalten mindestens 25% des Soll-Lichtstromes nach 1 s und mindestens 80% nach 4 s.

Im Warmstart sind nach verzugsloser Zündung 80% des Soll-Lichtstromes bereits nach einer Sekunde zu erreichen. Ein gebräuchliches Beschleunigungsverfahren läuft folgendermaßen ab: Zunächst erzeugt ein Hochspannungsimpuls (bis 25 000 V) einen Funken, der das ursprünglich elektrisch nicht leitende Gas ionisiert und dadurch einen leitfähigen Tunnel zwischen den Wolfram-Elektroden schafft.

Es fließt Strom zwischen den Elektroden. Anschließend wird die Lampe mit kontrollierter Überlast betrieben. Durch den mit höherer Leistung betriebenen Lichtbogen steigt die Temperatur im Kolben rasch an und die vorhandenen Metallsalze beginnen zu verdampfen, dadurch ändert sich die Lichtfarbe. Der Dampfdruck in der Lampe und die Lichtabgabe nehmen zu. Weiter sinkt der Widerstand zwischen den Elektroden; das erkennt das EVG und geht automatisch in den Dauerbetrieb über. Hier sind alle Metallsalze in der Dampfphase, der Lichtbogen hat seine endgültige Form erreicht und die Lichtausbeute ihren Sollwert.

Die zugeführte elektrische Leistung wird nun stabilisiert, damit der Lichtbogen nicht flackert. Bis zum Erreichen der vollen Lichtausbeute vergehen so etwa 15 s, bis sich die endgültige Lichtfarbe eingestellt hat, können bis zu 30 s vergehen. Die typische Lebensdauer einer Xenonlampe beträgt etwa 2000 Stunden.

Die momentan hellste Xenon-Autolampe bietet Osram an (Bild 1). Mit einer Lebenserwartung von bis zu 50 000 Stunden können Leuchtdioden häufig das Fahrzeug, in dem sie verbaut sind, überleben. Unabhängig davon ist ein Totalausfall eines Scheinwerfers aufgrund von LED-Problemen ohnehin sehr unwahrscheinlich, denn LED-Scheinwerfer bestehen nicht aus einem Lämpchen, sondern aus mehreren, einem LED-Array also.

Langlebiges Halbleiterlicht

Die Dioden werden in Gruppen in Reihe und diese wiederum parallel zu einem Array zusammengeschaltet. Das ist aufgrund der gegenüber einer Xenon-Lampe geringeren Leuchtkraft einer Einzel-LED notwendig und für Hersteller und Kunden sowohl Fluch als auch Segen. Die Kosten für eine solche Lösung sind deutlich höher, schließlich sind weiße Hochleistungs-LEDs vergleichsweise teuer, was sich erst ändern wird, wenn sehr hohe Stückzahlen produziert werden.

Außerdem ist der Entwicklungsprozess komplexer, denn die Halbleiterleuchten müssen auf irgendeiner Art Leiterplatte untergebracht werden, die sowohl den sehr stark lokalisierten Hitzequellen standhält als auch den in Straßenfahrzeugen üblichen rauen Umgebungsbedingungen. Hier sind Keramiken die Materialien der Wahl.

Im Gegenzug entsteht eine praktisch wartungsfreie Scheinwerferlösung, die verzögerungsfrei Licht liefert und noch dazu deutlich weniger Energie verbraucht und dabei sehr flexibel ist. Über die Nutzungszeit eines Autos amortisieren sich die höheren Anschaffungskosten ohne Weiteres. Komfortfunktionen wie adaptive Kurven- und Fernlichtassistenten lassen sich prinzipiell ohne die bei herkömmlichen Leuchtmitteln notwendigen, fehleranfälligen beweglichen Reflektoren oder gar Schwenkmodule realisieren, indem das Steuergerät gezielt einzelne LEDs oder LED-Gruppen unterschiedlich stark leuchten lässt (Bild 2).

In dem Maße, wie Leuchtdioden im Bereich der Allgemeinbeleuchtung Glühlampen und die unsäglichen »Energiesparlampen« (Kompaktleuchtstoffröhren) ablösen, sinkt der Bauteilpreis auch im High-End-Bereich, sodass die höheren Einstandskosten in absehbarer Zeit kein Problem mehr darstellen dürften (Bild 3).

Eine durchaus größere Hürde ist die Temperaturempfindlichkeit der Halbleiterbauelemente, deren Lebensdauer mit steigender Temperatur sinkt; auch die Lichtfarbe leidet unter der Wärme.

Aktive Kühlung ist in Autoscheinwerfern keine gute Lösung, da Lüfter oder gar Flüssigkeitskühlungen störanfällig sind und die sehr gute Energiebilanz des Leuchtdioden-Ansatzes darunter leidet. Hersteller wie Osram oder Cree sind zurzeit damit beschäftigt, dieses Problem aus der Welt zu schaffen.