Die Leuchtdiode (LED) im Automobil

Hella hat bereits 2003 die weltweit erste Serienanwendung von weißen Leuchtdioden als kombiniertes Positions- und Tagfahrlicht im Scheinwerfer des Audi A8 W12 verwirklicht. Seitenmarkierungsleuchten und Positionslichter werden mit einer Kombination aus LED und Lichtleitstäben realisiert. Bei Blinkleuchten können wahlweise Freiform- oder facettierte Flächen eingesetzt werden.

LED Tagfahrlicht

In vielen europäischen Ländern wie Italien, Dänemark, Finnland, Estland und Schweden müssen bereits heute alle Autos am Tage mit eingeschaltetem Licht fahren. Tagfahrlicht, das immer mehr Länder einführen (ab 2011 in ganz Europa Pflicht) und das nach zahlreichen Studien die Verkehrssicherheit erhöht, ist ideal für LED.

Autos werden künftig serienmäßig mit speziellen Tagfahrleuchten ausgestattet sein.

Denn klassisches Abblendlicht, Rückleuchten und Kennzeichenbeleuchtung verbrauchen rund 200 Watt Leistung, welche die Lichtmaschine ständig erzeugen muss. Zum Vergleich: Das moderne LED-Tagfahrlicht des neuen Audi A4 braucht nur 15 Watt Leistung – und das bei einer gleichzeitig viel besseren Wahrnehmung durch andere Verkehrsteilnehmer. Unter dem Strich entspricht das einer Ersparnis von rund 0,2 Liter Benzin pro 100 Kilometer und somit rund 4 Gramm weniger CO₂-Emission pro Kilometer.

Wie groß ist der Leistungsfaktor bei Lampen?

 LED Tagfahrleuchten am Audi

Audi setzte als erster Hersteller 2004 weiße LED im Außenbereich als Tagfahrlicht ein, und zwar im Audi A8 W12 und ab 2006 im Audi S6, im Audi R8 und im Audi A5/S5.

LED Tagfahrlicht Audi

LED Frontscheinwerfer

In den neuen Frontscheinwerfern des Audi A4, wie schon beim Audi R8, sorgen LED von OSRAM für auffälliges Tagfahrlicht. Sie erzeugen ein homogenes weißes Licht mit einer Helligkeit von 18 Lumen. Trotz dieser hohen Leistung benötigt die LED gerade einmal einen Betriebsstrom von 140 mA und hat so kaum Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch.

Die rasante Entwicklung der Leistungsfähigkeit der LED macht sie jetzt auch für das Abblend- und Fernlicht nutzbar. Dabei nähert sich die Lichtfarbe der weißen LED mit einer Farbtemperatur von ca. 5.500 Kelvin dem Tageslicht (ca. 6.000 Kelvin) noch wesentlich weiter an als das Xenonlicht mit ca. 4.000 Kelvin. Das kommt den Sehgewohnheiten des Menschen entgegen. Der Autofahrer ermüdet nicht so schnell und fährt entspannter. Darüber hinaus überzeugen auch die weißen LED durch schnelle Ansprechzeit und man kann zwei Funktionen (etwa Positions- und Tagfahrlicht) mit einer Lichtquelle abdecken. Ihre Lichtausbeute steigt rapide: Liegt sie heute bei 80 - 120 lm/W, so gibt es in den Forschungslabors bereits Prototypen mit zirka 200 lm/W. (im Vergleich dazu Xenonlicht: ca. 90 lm/W, Halogenlicht 20 lm/W).

Lexus brachte 2007 als erstes Serienfahrzeug der Welt im LS 600h Hauptscheinwerfer mit LED-Technologie auf den Markt.

LED überzeugen durch ihr schnelleres Ansprechverhalten, in nur 0,1 Sekunden steht die komplette Lichtintensität zur Verfügung, außerdem weisen sie eine bessere Lichtausbeute als konventionelle Scheinwerfer auf.

Der Energiebedarf der Leuchtdioden fällt geringer aus als bei Halogen-Scheinwerfer aus und mittlerweile wird sogar die Lichtausbeute von Xenon erreicht bzw. übetrofen. Dies wirkt sich positiv auf den Kraftstoffverbrauch und den CO₂-Ausstoß aus.

LED Hauptscheinwerfer von Lexus

Die beiden Frontscheinwerfermodule des Lexus LS 600h bestehen aus jeweils drei LED-Linsen für das Abblendlicht, zwei LED für die intensive Ausleuchtung des Nahbereichs und einem Xenon-Scheinwerfer für das Fernlicht, ergänzt durch Blinker und Positionslicht. Jede der fünf Leuchtdioden pro Scheinwerfereinheit deckt einen eigenen Fahrbahnbereich ab. Die drei LED-Projektionslinsen für das Abblendlicht sind im oberen Teil des Scheinwerfers auf gleicher Höhe nebeneinander angeordnet. Eine der LED leuchtet besonders weit nach vorne, die zweite deckt den Bereich links vor dem Fahrzeug ab, die dritte erfasst den rechten Bereich. Darüber hinaus decken zwei Parabol-LED im unteren Teil des Scheinwerfers einen besonders breiten Nahbereich vor dem Fahrzeug ab. Gemeinsam stellen die fünf Dioden eine für Abblendlicht außergewöhnlich hohe Lichtausbeute nach vorne und zu beiden Seiten sicher; die Intensität des Scheinwerferlichts ist dort am höchsten, wo sich die Lichtfelder der Dioden überschneiden.

LED Scheinwerfer im AUDI Q5

Kurz nach dem Lexus stellte Audi mit dem R8 den ersten Scheinwerfer vor, der alle Frontlichtfunktionen mit LED realisierte.

Neben dem Tagfahrlicht sind das Blinker, Abblendlicht und Fernlicht. Unterschiedliche Gruppen von LED, so genannte Arrays (Baugruppen), sorgen für die richtige Lichtverteilung und Helligkeit. Jeder Scheinwerfer hat insgesamt 54 LED-Lichtquellen. Jede Lichteinheit setzt sich aus Gehäuse, Chip bzw. Chiparray, Platine und Kühlkörper zusammen. Für die gezielte Wärmeabfuhr und auch für die Enteisung der Scheinwerfer sorgen elektrische Lüfter. Die neuartigen LED-Arrays im Audi-Scheinwerfer  liefern bei 1 A Stromstärke einen Lichtstrom von 600 Lumen.

Charakteristisches Tag- und Nacht-Erscheinungsbild eines LED-Scheinwerfer-Prototyps von Hella. Von links nach rechts: eingeschaltetes Tagfahrlicht, Abblendlicht und Fernlicht.

Das Abblendlicht des Voll-LED-Scheinwerfer-Prototypen wird von sechs Optikeinheiten erzeugt, für das Fernlicht werden drei weitere Module hinzu geschaltet. Abbiegelicht, Tagfahrlicht/Positionslicht und Blinklicht werden ebenfalls mittels LED-Lichtquellen realisiert.

Übrigens: Wären alle in Deutschland zugelassenen PKW mit Xenon-Scheinwerfern und LED-Heckleuchten ausgerüstet, würde die CO₂-Bilanz jährlich um etwa 2,6 Millionen Tonnen entlastet.

Mehr zu den Vorteilen von LED-Scheinwerfern

 

Intelligent Light System - ILS Mercedes stellte 2006 sein Intelligent Light System (ILS) vor, ein adaptives Scheinwerfersystem, das sich den Wetter-, Licht- und Fahrbedingungen automatisch anpasst. Im Bild ein Scheinwerfer Gehäuse mit LED Tagfahrlicht. ILS Scheinwerfergehäuse von Mercedes

LED Arrays Als Lichtquellen für Scheinwerfer wurden schon sogenannte LED-Arrays entwickelt. Sie bestehen aus mehreren einzeln adressierbaren LED-Chips, die nach einem vorher festgelegten Muster auf einem Trägersubstrat angeordnet werden. Die einzelnen Chips werden mittels Pulsweiten-Modulation angesteuert. Das erlaubt zum einen das An- und Ausschalten einzelner LED-Chips und somit die Erzeugung unterschiedlicher Hell-Dunkel-Geometrien, zum anderen aber auch eine Intensitätsmodulation in der Lichtverteilung. Lesen Sie hierzu auch Audi Matrix-LED-Scheinwerfer. Neben der mechanikfreien Umsetzung von AFS-Lichtfunktionen ermöglichen die LED-Arrays in Verbindung mit vorausschauender Fahrzeugsensorik und intelligenter Ansteuerelektronik die Realisierung aktiver Lichtfunktionen wie Markierungslicht oder blendfreies Fernlicht.

LED-Arrays werden mittels Pulsweitenmodulation angesteuert. Dies ermöglicht aktive Lichtfunktionen. Oben: Frei adressierbarer LED-Array. Unten: Beispiel für eine intensitätsmodulierte Lichtverteilung, die mit Hilfe des LED-Arrays erzeugt wurde.

LED Aufbau   Leuchtdioden als Lichtquelle ermöglichen völlig neue Scheinwerfer-Formen und -Anordnungen. Dies wird möglich durch den modularen Aufbau sowie eine große Auswahl unterschiedlicher Optiken. 1. Luxeon (von LumiLeds) 2. Golden Dragon (von Osram) 3. SuperFlux (von LumiLeds) 4. Power TopLED (von Osram)

Unter dem Gesichtspunkt des Stylings lässt sich so ein völlig neues Erscheinungsbild des Scheinwerfers für zukünftige Fahrzeuggenerationen realisieren. Insbesondere aus der Entwicklung der weißen Leuchtdioden ergeben sich heute Anwendungsmöglichkeiten, die vor Jahren noch undenkbar waren. Der Hauptgrund für die Entwicklung dieser neuen Scheinwerfer-Technik ist neben den Designaspekten die Wartungsfreiheit des Scheinwerfers. Ziel ist es einen Scheinwerfer zu entwickeln, der ein Fahrzeugleben lang ausfallsicher funktioniert.

Schon heute erreicht der LED-Scheinwerfer-Prototyp im Abblendlicht etwa 1.000 Lumen Lichtstrom und liegt damit auf dem Niveau eines Xenon-Scheinwerfers. Die für ein gutes Fernlicht erforderlichen Lichtstärken lassen sich zurzeit aufgrund der niedrigeren Leuchtdichte der LEDs noch nicht erreichen. Die Lichtspezialisten bei Hella und Osram sind jedoch überzeugt, dass dies im Zuge der Weiterentwicklung der LEDs in Kürze erreicht wird. Die bis dahin zu lösenden technischen Herausforderungen sind besonders das Thermomanagement sowie die Entwicklung von neuen Fertigungsprozessen und Optiken, die mit der LED-Technik einhergehen.   Lesen sie auch: Die Revolution der Autobeleuchtung: LED Türbeleuchtung

Vergleich Halogen/ Xenon/ LED

Leuchtdioden werden in verschiedenen, dem Einsatzzweck angepassten Bauformen angeboten. Neben speziellen Metall-/Glas-Gehäusen werden hauptsächlich Plastikbauformen eingesetzt. Je nach Verlötungsverfahren werden bei LED und anderen elektronischen Bauteilen zwischen den auf der Rückseite der Platine verlöteten, bedrahteten und den SMD (Surface Mounted Device) Bauformen unterschieden.

Industriell werden hauptsächlich SMD LED eingesetzt, bedrahtete LED lassen sich auch von Hand verlöten. Eine weitere Bauform ist die COB (Chip on Board) Technologie. Hier werden die Halbleiterchips direkt auf der Platine kontaktiert. Solche Verfahren sind technisch hochkomplex und werden von darauf spezialisierten Unternehmen ausgeführt. Zu diesen zählt die Ihlemann GmbH mit Sitz in Braunschweig, die sich insbesondere auf die SMD Bestückung spezialisiert hat. Die informative Website vermittelt einen anschaulichen Eindruck von den Arbeitsabläufen sowie von den vielfältigen Anforderungen an einen EMS-Dienstleister.

Aufbau einer Leuchtdiode am Beispiel der Golden Dragon - LED

Audi brachte in der nächsten Generation weiße Hochleistungs-LEDs mit 100 Lumen pro Watt auf den Markt und konnte erstmals die Effizienz des Xenonlichts schlagen. Dahinter verbirgt sich eine rasante Entwicklung. Leuchtdioden sind vergleichbar mit Computerchips. Alle zwei Jahre gibt es in etwa eine Leistungssteigerung von rund 30 Prozent. Dies lässt auf viele weitere Anwendungen hoffen.

Der nächste Schritt sind OLEDS

Eine OLED ist auch eine Leuchtdiode, allerdings eine organische, was sich in dem zusätzlichen O ausdrückt. Bisher beschränkte sich der Einsatz der OLED-Technologie auf Bildschirme und Displays, doch künftig werden sie auch im Auto eingesetzt werden. Der Grund liegt darin, dass sie kaum Platz beanspruchen und sich flächige Lichtquellen formen und auf der Karosserie anbringen lassen, ohne Löcher bohren zu müssen. Die OLED wird aber auch das Interieur beleuchten,  Denkbar ist laut Christian Bölling von Osram etwa ein beleuchteter Dachhimmel oder Bereiche des Fußraums ließen sich so erhellen. Eine gute Idee wäre es auch,wenn man bei Dunkelheit die Türgriffe mit OLEDs erhellt, damit die Insassen nicht ins Leere greifen.

Das OLED-Prinzip : Organische Materialien werden in hauchdünne Glasscheiben eingeschlossen. Wenn durch die organische Schicht Strom geleitet wird, leuchten OLEDs. Allerdings sind die OLEDs momentan noch zu hitzeempfindlich, sie schmoren in der Sonne zusammen. Ab 2015 werden Sie aber wohl in Serie gehen.

Lesen sie auch: Licht im Dunkeln – warum LEDs die erste Wahl für Rückfahrleuchten sind

Laserlicht

Eine andere Technik ist bereits ausgereift, wenn auch nocht nicht im Auto: der Laser. BMW und Audi arbeiten an Hauptscheinwerfern mit Lasertechnik.

Audi R18 e-tron quattro mit Laserscheinwerfer

Quellen: Hella, Osram,  Audi, Lexus, Zeit

Autor: Johannes Wiesinger

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