Scheinwerfer
LED on the road
Nach Rück-, Rückfahr- und Bremslichtern machen sich Leuchtdioden auch in Autoscheinwerfern breit. Allerdings erfordern die leuchtenden Chips besondere konstruktive Maßnahmen zu ihrer Kühlung.
Kurvenlicht ist keine ganz neue Erfindung, erstmals scheint der Cadillac Type 57 von 1918 damit ausgestattet gewesen zu sein. Generell geht es um Fahrzeugscheinwerfer, die bei Kurvenfahrt ihre Leuchtrichtung in Kurvenrichtung verändern. Das soll die Fahrsicherheit bei Dunkelheit durch besseres Sichtfeld erhöhen. Diese Funktion wird heutzutage entweder statisch oder dynamisch realisiert.
Das statische Kurvenlicht (auch Abbiegelicht genannt) entsteht durch Zuschalten einer separaten Lichtfunktion. Der Reflektor ist feststehend und so ausgerichtet, dass er den gewünschten Bereich vor dem Fahrzeug ausleuchtet. Während einige Automobilhersteller dies über das einseitige Einschalten eines Nebelscheinwerfers realisieren, übernehmen dies bei anderen Herstellern eigene Scheinwerfer. Meist liegt der Lichtschwerpunkt 60° bis 80° vor dem Fahrzeug und erleichtert das Abbiegen mit kleinen Kurvenradien, etwa das Einbiegen in eine Einfahrt. Bei der dynamischen Variante wird das komplette Abblendlicht beziehungsweise nur dessen Linse horizontal um den Brennpunkt geschwenkt. Der Schwenkbereich beträgt typischerweise maximal 15° in jede Richtung. Dieser Bereich ist besser für Kurven geeignet, die mit Geschwindigkeiten über 30 km/h durchfahren werden.
Neben den stets nötigen Sensoren erfordert das dynamische Kurvenlicht den Einsatz von Schrittmotoren, die statische Ausführung dafür zusätzliche Lichtquellen - im Allgemeinen Xenon-Lampen. Beides erhöht die möglichen Störungsquellen im Auto. Mit der zunehmenden Verbreitung von Leuchtdioden geht man nun neue Wege.
Selektive Die-Ansteuerung
Speziell für derartige Anwendungen hat Osram Opto Semiconductors nun eine Variante der LED-Komponente »Ostar Headlamp Pro« vorgestellt. Die fünf je einen Quadratmillimeter großen Chips der neuen Multi-Chip-LED (Bild 1) können jeweils einzeln angesteuert und damit - je nach Fahrsituation und Position anderer Verkehrsteilnehmer - flexibel ein- und ausgeschaltet werden.
Tatsächlich lassen sich Kurvenlichter, oder allgemeiner AFS (»Advanced Forward Lighting«-Systeme), mit Leuchtdioden einfacher umsetzen, da keine mechanischen Systeme notwendig sind, um Teile des Scheinwerfers oder ihn in Gänze zu bewegen. Die Steuerung, welche die einzelnen Chips gezielt an- und ausschaltet, nutzt Sensoren und elektronische Bauteile, um etwa blendfreies Fernlicht zu realisieren, indem sie flexibel Bereiche im Lichtkegel des Scheinwerfers ausblendet. Neben anpassbarem Kurven- und Abbiegelicht gehört auch Spot-Licht, um mögliche Hindernisse am Fahrbahnrand auszuleuchten, zu den naheliegenden Verwendungsmöglichkeiten.
Damit das AFS bestmöglich wirken kann und die Lichtbilder auf der Straße perfekt dargestellt werden, ist ein deutlicher Hell-Dunkel-Kontrast von 1:65 zwischen den beleuchteten und unbeleuchteten Chips nötig. Das heißt, ausgeblendete Chips müssen wirklich dunkel sein und dürfen von den benachbarten Chips nicht hell überstrahlt werden. Eine integrierte Blende (Shutter) ermöglicht einen klar definierten Lichtstrahl des Scheinwerfers. Die Multi-Chip-LED misst 20 mm x 21 mm, der Abstrahlwinkel beträgt 120°. Bei +25 °C und 500 mA liegt die typische Lichtleistung bei minimal 710 lm. Die ThinGaN-LEDs liefern ultraweißes Licht (Cx = 0,32, Cy = 0,33 nach CIE 1931).
Problemgröße Wärme
Zwar arbeiten Leuchtdioden im Allgemeinen mit einem höheren Wirkungsgrad als andere Lichtquellen, doch fällt auch bei ihnen viel Verlustleistung in Form von Wärme an. Anders als bei Glüh- oder Entladungslampen wird diese jedoch nicht abgestrahlt (das Licht ist »kalt«), sondern muss abgeleitet werden. Hinzu kommt, dass die »Wärmequelle«, also der LED-Chip, sehr klein ist - die Abwärme fällt also auf kleinster Fläche an, was ebendiese Ableitung erschwert. Besonders bei Hochleistungs-LEDs ist das ein nicht zu unterschätzendes Problem. Da man Leuchtdioden nur bedingt mit Kühlkörpern versehen kann (die ja im Allgemeinen nicht lichtdurchlässig sind), liegt der Schwarze Peter bei der Leiterplatte, welche die Verluste abführen muss.
Zur Lösung dieses Problems gibt es verschiedene Ansätze - von Metallkernplatinen über überdimensionierte thermische Durchkontaktierungen (thermal Vias) bis hin zu den Kupferelementen in »HSMtec«-Platinen von Häusermann. Jede dieser Lösungen hat ihre Daseinsberechtigung in unterschiedlichen Anwendungen, doch eine wesentliche Schwierigkeit bleibt stets bestehen: Um eine optimale Wärmeableitung zu gewährleisten, müssen die LED-Chips auf einer möglichst großen Fläche fest mit der Leiterplatte verbunden sein. Die unterschiedliche Wärmeausdehnung belastet jedoch die Lötverbindungen sehr stark, was ein potenzielles Ausfallrisiko darstellt. Das gilt im Besonderen in Kfz-Anwendungen, wo zur Wärme auch noch Vibrationen hinzukommen.
Osram versucht dieser Problematik mit einem nicht neuen, aber interessant umgesetzten Konzept zu begegnen. Bei der aktuellen 2-Chip-Variante »KW H2L531« der »Oslon Black Flat« (Bild 2) verlagert man das Problem von der Leiterplatte in ein Gehäuse. Das schwarze QFN-Gehäuse (3,1 mm x 3,75 mm x 0,5 mm) dehnt sich bei einer Temperaturzyklusbelastung ähnlich der Platine aus.
So werden die Lötverbindungen weniger belastet und sind deutlich stabiler. Eine besondere Vergusstechnik zusammen mit der Gehäusetechnik und ihrem Keramikkonverter ermöglichen eine vergleichsweise homogene Lichtverteilung und ein gutes Kontrastverhältnis auf der Straße. Der Verguss der Chips erfolgt direkt im Gehäuse und bewirkt damit eine definierte Hell-Dunkel-Grenze im Lichtbild. Auch der hohe Kontrast der Leuchtfläche beider Chips im Verhältnis zum Gehäuse trägt dazu bei.
Dank der »UX:3«-Chiptechnologie weist das Bauelement mit über 500 lm bei 1 A auch bei hohen Strömen eine recht hohe Lichtleis-tung auf. Die 2-Chip-LED soll für alle Scheinwerferfunktionen geeignet sein, vor allem für den Einsatz im Tagfahrlicht mit Lichtlei-ter sowie generell im Abblend- und Fernlicht. Der typische Wärmewiderstand liegt bei 1,2 K/W, die beiden LED-Chips sind 0,1 mm voneinander entfernt.
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