Startseite > Optoelektronik > LED/Lighting > LEDs für innovative Lichtsysteme

Kfz-Beleuchtung

LEDs für innovative Lichtsysteme

28. März 2013, 13:15 Uhr | Dr. Michael Kleinkes, Christian Schmidt und Dr. Wolfgang Pohlmann

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Herausforderung Thermomanagement

LEDs weisen eine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit auf. Anders als bei herkömmlichen Lichtquellen hängen Parameter wie Lichtstrom, Farbe und Spannung sehr stark von der Temperatur ab, der die LED ausgesetzt ist. Hinzu kommt, dass LEDs nicht alle Elektronen in Photonen umsetzen. Auch wenn LEDs an sich inzwischen einen wesentlich höheren Wirkungsgrad aufweisen als Glühlampen und Xenonsysteme, wird ein großer Anteil der eingebrachten elektronischen Leistung in Wärme umgewandelt. Zurzeit müssen noch immer mindestens 75 bis 80 Prozent der zugeführten elektrischen Leistung in Form von Wärme abgeführt werden. In vier bis sechs Jahren erscheint eine Reduzierung auf 60 Prozent Verlustleistung erreichbar.

Die dissipierte Leistung der LEDs führt zu einem Anstieg der Temperatur im Scheinwerfer, bis sich bei einer ausreichend hohen Temperatur ein Gleichgewicht zwischen der ständig abgeführten Wärme und der Dissipation einstellt. Dieses Phänomen ist für die Lichttechnik im Fahrzeug nicht neu – ein relevanter Temperaturanstieg tritt auch beim Betrieb von Xenon-Brennern auf, kann dort aber durch geeignete Materialwahl begrenzt bzw. toleriert werden. Dies gilt nicht für LEDs, für deren Betriebstemperatur es zwei kritische Obergrenzen gibt: die kritische Lötstellentemperatur und die maximale Sperrschichttemperatur. Ein Überschreiten dieser Temperaturen kann zum Totalausfall der LED führen. Um dies zu vermeiden und um die lange Lebensdauer und hohe Effizienz der LEDs zu gewährleisten, benötigen LED-Scheinwerfer ein gezieltes Thermomanagement. Das Thermomanagement lässt sich dabei in zwei Aufgabenbereiche aufteilen (Bild 3):

Die erste Aufgabe besteht darin, die Verlustleistung der LED effizient aus dem LED-Chip abzuführen und an die Umgebung abzugeben. Dieser Bereich umfasst dementsprechend den Wärmepfad von der LED bis zum Kühlkörper der einzelnen Module. Speziell bei Hochleistungs-LEDs (thermische Leistung >1 W), gilt es, die Wärme frühzeitig in der Leiterplatte zu spreizen, um lokale Hot-Spots zu vermeiden. Ein spezielles Leiterplattenlayout ist insbesondere bei hohen Packungsdichten (mehrere CSP-LEDs nebeneinander) entscheidend, um hohe Wärmestromdichte zu vermieden und den thermische Widerstand so gering wie nur möglich zu gestalten. Dieses optimierte Leiterplattenlayout darf jedoch die weiter oben erwähnten Positionierungstoleranzen der LEDs nicht beeinträchtigen.

Für den zweiten wesentlichen Aufgabenbereich des Thermomanagements, den Wärmepfad vom Kühlkörper in das umgebende Fluid, ist eine Betrachtung des Gesamtscheinwerfers – weg von der Modulbetrachtung – unumgänglich, denn nur so kann dem Einfluss der Innentemperaturerhöhung des Scheinwerfers durch den Wärmeeintrag unterschiedlichster Lichtmodule Rechnung getragen werden. Aufgrund des Gesamtleistungseintrags aller Lichtquellenmodule und des möglichst geringen Platzbedarfs der Kühlkörper im Bauraum des Scheinwerfers wird bei heutigen Voll-LED-Scheinwerfern ein Lüfter zur Steigerung der Wärmeübertragung mit einer ausgeklügelten Luftführungsstrategie eingesetzt. Zudem unterstützt die somit erzwungene Konvektion an der Kunststoffabschlussscheibe das Enteisungs- und Enttauungsverhalten des Scheinwerfers.

Einfache Scheinwerferdesigns mit wenigen effizienten LED-Funktionen benötigen vom thermischen Gesichtspunkt aus keine aktive Kühlung der Leuchtelemente. Diese Scheinwerfersysteme nutzten entsprechend große Kühlkörperflächen für jede Funktion. Dieser Ansatz erhöht die Systemzuverlässigkeit, ist jedoch nur bei wenigen LED-Funktionen bzw. begrenzter thermischer Gesamtverlustleistung im Scheinwerfer möglich. Um den Bedarf an aktiver Kühlung in diesen LED-Scheinwerfern vollständig eliminieren zu können, wird zudem eine wirkungsvolle und intelligente Elektronik benötigt. Jedes Watt eingesparter Energie wirkt sich nicht nur positiv auf das Leuchtmittelgewicht aus, sondern reduziert auch die thermische Belastung der LED-Lichtquelle und erhöht somit deren Lebensdauer.