LED-Scheinwerfer


LED-Scheinwerfer

LED-Scheinwerfer sind Scheinwerfer, bei denen Leuchtdioden (englisch light emitting diode, LED) als Leuchtmittel eingesetzt werden.

Inhaltsverzeichnis

Funktionsprinzip

LEDs sind Bauelemente aus Halbleitern. Im LED-Chip wird die Energie des elektrischen Stroms bei relativ geringer Wärmeentwicklung in Lichtenergie umgewandelt. Dabei wird ein sehr schmalbandiges Licht ausgesendet. (einfarbige LED, klassische Farben sind rot, gelb, grün, orange). Zur Realisierung weißer LED können entweder das Licht verschiedener Farb-LEDs überlagert oder ein Teil des Lichts blauer LEDs mittels eines fluoreszierenden Leuchtstoffs in gelbes Licht transformiert werden, das gemischt mit dem verbleibenden Blauanteil weißes Licht ergibt. Da die einzelnen LEDs im Vergleich zu Glüh- oder Xenon-Gasentladungslampen einen geringen Lichtstrom aufweisen, werden meist mehrere LEDs flächig gebündelt in sogenannten LED-Modulen zusammengeschaltet. Dabei kann entweder jede LED mit einer eigenen Bündelungsoptik versehen oder eine Gesamtoptik für das gesamte Modul verwendet werden.[1]

Aufbau

Die LEDs werden einzeln mit Optiken (aus der transparenten Verkappung geformte Linsen, vorgesetzte Linsen, teilweise auch schlanke Parabolspiegel) kombiniert, um das Licht zu bündeln. Die einzelnen Abstrahlcharakteristiken mitteln sich mit ihren Fehlern (Ausrichtung und Abstrahlwinkel) zur Gesamt-Richtwirkung, die bisher jedoch noch weit geringer ist, als die mit Glühlampen oder Gasentladungslampen (Hochdruck-Kurzbogenlampen) erreichbare. Größere LED-Scheinwerfer benötigen einen Kühlkörper, um die temperaturempfindlichen LEDs ausreichend zu kühlen. Die LEDs werden in Gruppen in Reihe und diese wiederum parallel zu einem Array zusammengeschaltet und aus einer Konstantstromquelle (im einfachsten Fall ein Widerstand, bei größeren Scheinwerfern eine elektronische Schaltung oder ein Schaltregler, bei netzbetriebenen Scheinwerfern ein Vorschalt-Kondensator, ein Gleichrichter und ein Glättungskondensator) versorgt.

Die Elektronik ermöglicht nicht nur eine Helligkeitsregelung, sondern – bei gemischter Bestückung – auch die kontinuierliche Änderung der Lichtfarbe durch additive Farbmischung von LEDs der Grundfarben Rot, Grün und Blau.

Einsatz

LED-Scheinwerfer ersetzen zunehmend andere Scheinwerfer, weil sie langlebiger und gegenüber Glühlampen etwa zwei- bis dreimal effizienter sind und entsprechend weniger Wärmestrahlung aussenden. Anwendungsgebiete sind Lichtshows, Bühne und Diskotheken, sowie auch Operationsleuchten. Die Lichtmikroskopie nutzt seit langem kleine LED-Strahler.

Kleine LED-Scheinwerfer ersetzen zunehmend Halogen-Kaltlichtspiegellampen für Netzbetrieb und für Betrieb an einem 12-Volt-Netztransformator, wie er auch für Halogen-Niedervolt-Systeme verwendet wird.

Ringförmige Leuchten aus vielen selbst bündelnden weißen oder einfarbigen LEDs werden auch bei der Objekterkennung in der Automatisierungstechnik eingesetzt.

LED-Infrarot-Scheinwerfer arbeiten mit im Nahen Infrarot strahlenden LEDs und werden bei der Objektüberwachung mittels Überwachungskameras eingesetzt.

Einheiten mit roten, grünen und blauen LED-Gruppen sind in der Lage, fast jede Farbe zu erzeugen. Sie werden als Effektscheinwerfer für die Bühnenbeleuchtung eingesetzt. Damit sind keine Farbwechselmechanik oder Farbfilter mehr notwendig und die Stromversorgung ist weniger aufwendig.

LED-Scheinwerfer an Kraftfahrzeugen

Bei der Kraftfahrzeugbeleuchtung lassen sich drei Grundtypen des LED-Einsatzes unterscheiden:

  • Scheinwerfer, bei denen nur Zusatzfunktionen in LED-Technik ausgeführt sind, wie Standlicht/Positionslicht (Tagfahrlicht), Blinker, Bremslicht, Nebelschlusslicht, Rückfahrlicht, Kennzeichenbeleuchtung oder Rückleuchten.
  • Scheinwerfer, die das Abblendlicht in LED-Technik realisieren.
  • Voll-LED-Scheinwerfer, bei denen alle vorher genannten Funktionen sowie auch das Fernlicht in LED-Technik verwirklicht sind.

Weiterhin gibt es an Kraftfahrzeugen auch Blinker, Stand-/Positionslicht, Tagfahrlicht) und Hauptlichtfunktionen (Abblend-/Fernlicht) zu unterscheiden. Dabei werden die Funktionen in der Regel als Reflexionssystem, als Projektionssystem oder wie oft bei Blinkern oder Standlicht als Lichtbänder realisiert.

Historie von LEDs in der PKW-Außenbeleuchtung

Zuerst haben sich LEDs im Bereich der Innenbeleuchtung und als dritte Bremsleuchte verbreitet, da für eine Anwendung als Rundumbeleuchtung Farbtemperatur und Lichtleistung noch nicht ausreichend waren. Seit den 2000er Jahren kommen LEDs auch vermehrt in Rückleuchten als normales Rücklicht, später als Bremslicht, Standlicht und Blinker vor, meist mit Reflexionsoptik.

Im Jahre 1992 hielten LEDs ihren Einzug in die Fahrzeugaußenbeleuchtung und wurden erstmals in der sogenannten dritten Bremsleuchte eingesetzt.

2000 kamen die ersten Kombinationsheckleuchten auf den Markt, in denen die normale Rücklicht-, Blink- und Bremslichtfunktion von LEDs übernommen wird (Cadillac DeVille).

Audi-Studie LeMans aus dem Jahr 2003; Basis für den R8 und schon damals mit LED-Scheinwerfern

2003 präsentiert die Firma Hella auf der IAA in Frankfurt am Main den ersten Voll-LED-Hauptscheinwerfer, der die lichttechnischen Anforderungen des Gesetzgebers erfüllt.

2004 folgte der Serieneinsatz im Frontbereich. So integrierte erstmals die Firma Hella LEDs als Tagfahrlicht im Serienscheinwerfer des Audi A8 W12. Weiterhin sind sie seit 2004 auch als separat angeordnetes Modul im Frontbereich verbaut. Hier sind die Modelle Audi S6 sowie Porsche 911 Turbo zu nennen.

2005 folgte ein weiterer Meilenstein in der Entwicklung hin zum Voll-LED-Scheinwerfer. Hella stellt den weltweit ersten LED-Scheinwerfer vor, der beim Abblendlicht eine gleiche Leistung wie bisherige Xenonmodelle erzielt. Der damit bestückte Golf-V-Prototyp zeigt bereits, dass die technischen Möglichkeiten für zukünftige Voll-LED-Scheinwerfer vorhanden sind. Weiterhin wurde mit der Rückleuchte des VW Golf Plus die LED-Technik auch in der Kompaktklasse eingesetzt. Hier werden (teils zweifarbige SMD-) LEDs für Rück-, Brems- und Blinklicht eingesetzt. Ebenfalls im gleichen Jahr wird die erste Voll-LED-Rückleuchte von der Firma Hella für den Cadillac DTS in Serie gefertigt.

Ende 2006 präsentierte Audi in Zusammenarbeit mit Automotive Lighting aus Reutlingen den neuen Sportwagen R8, der als erstes Serienfahrzeug optional einen Voll-LED-Scheinwerfer erhält, bei dem alle Funktionen (Blinker, Positionslicht, Tagfahrlicht, Abblend- und Fernlicht) mit LED arbeiten. Gleichzeitig stellt Lexus den LS 600H vor, bei dem das Abblendlicht serienmäßig in LED-Technik ausgeführt ist. Der LS 600H war ab Sommer 2007 erhältlich. Für den R8 stand die neue LED-Technik ab Sommer 2008 bereit.

2007 stellte die Firma Hella ihren ersten Voll-LED-Scheinwerfer für den Cadillac Escalade Platinum vor, der im Frühjahr 2009 auf dem US-Markt eingeführt wurde.

Im Jahre 2009 stellte Audi mit dem A8 ein weiteres Fahrzeug mit optionalen Voll-LED-Scheinwerfern vor.

2010 präsentierte Audi mit dem A7 sein drittes Fahrzeug mit Voll-LED-Scheinwerfern. Nahezu zeitgleich präsentierte Mercedes den neuen CLS (Mercedes-Benz C 218) mit Voll-LED Scheinwerfern und Intelligent Light System als Sonderausstattung. Damit sind auch die bisher nur Xenon-Scheinwerfern vorbehaltenen Features für LED-Scheinwerfer verfügbar.

2011 ist auch für den Audi A6 optional ein Voll-LED-Scheinwerfer inklusive AFL-Funktion verfügbar. Auch im neuen 6er Coupé von BMW sind alternativ zu den Xenon-Scheinwerfern adaptive LED-Scheinwerfer erhältlich.

Aktueller Stand der Entwicklung

Vor einigen Jahren sagten die meisten Experten eine Markteinführung von LED-Scheinwerfern nicht vor dem Jahr 2010 voraus. Die ersten LED-Scheinwerfer kamen jedoch bereits 2007 auf den europäischen Markt. Das war möglich, weil sich die Automobilhersteller Audi und Lexus bei der EU um eine Ausnahmegenehmigung bemüht haben – im Gegensatz zu den USA, wo LED-Technik schon heute für Abblendlicht und Fernlicht erlaubt ist, hinkt in Europa die Gesetzgebung dem technisch Machbaren hinterher. Erst seit Kurzem wurde die LED-Funktionalität in den ECE-Regelung R112 eingeführt und für AFS-Funktionen in der GRE verabschiedet. Die Leuchtdioden-Entwicklung hat es in den letzten Jahren geschafft, die Lichtleistung so zu erhöhen, dass mittlerweile auch Fernlicht mit LED realisierbar ist. Zudem erreicht die Lichtleistung inzwischen diejenige von Xenon-Scheinwerfern.

Positionierung am Markt

Wegen des hohen Preises werden derzeit LED-Scheinwerfer nahezu nur in Oberklassefahrzeugen angeboten. Voll-LED-Scheinwerfer werden z. B. bisher für den Audi R8, A8 D4, Mercedes-Benz CLS, Cadillac Escalade (Platinum), BMW 6er Coupé bzw. als LED-Abblendlicht im Toyota Prius III, Lexus RX 450h und Lexus LS600H angeboten.

Trotz der neuen Möglichkeiten im Bereich der LED-Technologie – beispielsweise im Design – bleibt die Xenon-Technik weiterhin State of the Art. Dies liegt vor allem daran, dass ein herkömmlicher Xenon-Scheinwerfer im Schnitt 40 Watt verbraucht. Die bei den Hochleistungs-LEDs benötigte Kühlung und die damit verbundene thermische Verlustleistung können mit diesem Leistungsbedarf zur Zeit noch nicht mithalten. Es wird jedoch schon von Herstellern wie zum Beispiel Osram an einer Lösung gearbeitet, welche keine aktive Kühlung mehr benötigt.[2]

LED-Scheinwerfer an Eisenbahnfahrzeugen

Lokomotive 101 047 mit LED-Scheinwerfern

Die Lokomotive 101 047 wurde im Dezember 2009 mit LED-Signalleuchten und einer Signalleuchtenheizung ausgerüstet. An diesem Versuchsträger soll getestet werden, ob die Umrüstung für alle Lokomotiven dieser Baureihe wirtschaftlich ist. Das UIC-Spitzensignal in LED-Technik ist bereits aus anderen Baureihen bekannt und wird bei der Baureihe 101 mit neusten warmweißen LED bestückt, die den aktuellen Stand der LED-Technik darstellen. Neu ist eine LED-Implementierung für den Fernscheinwerfer, die weltweit erstmalig in der Schienenfahrzeugtechnik Anwendung findet. Damit die Signalleuchten auch bei Schneefall und Eisbildung sichtbar bleiben, wurde diese Lokomotive mit einer temperaturgesteuerten Signalleuchtenheizung ausgestattet.[3] Die unterschiedlichen Beleuchtungsvorschriften in der EU machen es nötig, für länderübergreifende Mehrsystemfahrzeuge, auf begrenztem Raum eine möglichst große Anzahl Farben und Helligkeiten darstellen zu können. Auf einer Platine lassen sich viele verschiedenfarbige LEDs unterbringen und auch dimmen. Das wird z. B. bei der Siemens ES 64 F4 angewandt.

LED-Scheinwerfer an Fahrrädern

Fahrradrücklicht mit Leuchtdioden und Standlicht-Energieversorgung durch Doppelschicht-Kondensator

An Fahrrädern kamen zunächst Frontleuchten auf den Markt, die neben dem konventionellen Hauptscheinwerfer mit (Halogen-)Glühlampe eine zusätzlich integrierte LED für das Standlicht nutzten. Seit Verfügbarkeit von weißen LED mit 3 W Leistung ist der Bau StVZO-konformer LED-Scheinwerfer für Fahrräder (die maximale elektrische Leistung zugelassener Beleuchtungsanlagen muss mindestens 3 W betragen, wobei 2,4 W auf die Frontleuchte fallen) einfacher geworden.[4] Seit einigen Jahren gibt es Voll-LED-Scheinwerfer für Fahrräder. Problematisch ist dabei, ebenso wie bei LED-Scheinwerfern für PKW, die Sicherstellung der geforderten Lichtverteilung, die jedoch wegen der Nutzung nur einer einzelnen LED als gelöst angesehen werden kann. Hochwertige LED-Scheinwerfer haben eine höhere Lichtleistung als vergleichbare Halogenscheinwerfer. In der Regel werden zur Formung der Lichtverteilung Freiformreflektoren benutzt. Damit werden die Anforderungen der StVZO und der TA 23 erfüllt. Seit 2006 muss die Lichtleistung im Kernausleuchtungsbereich mindestens 10 Lux betragen. Bei Voll-LED-Scheinwerfern kann die Scheinwerfer-LED auch die Funktion eines Standlichtes übernehmen.

Im Unterschied zu LED-Scheinwerfern für Pkw sind LED-Scheinwerfer für die Fahrradbeleuchtung bereits seit 2007 auf dem deutschen Markt verfügbar. Preislich unterscheiden sie sich nicht mehr von leistungsfähigen Halogenscheinwerfern, so dass ihr Einsatz nicht auf teure Fahrräder beschränkt ist. Derzeit sind mehrere bekannte Firmen am deutschen Markt vertreten (etwa Busch & Müller, CATEYE, Philips und SIGMA), welche serienmäßig StVZO-zugelassene LED-Scheinwerfer für den Zubehörhandel anbieten. Beim Einsatz als Fahrradbeleuchtung spielt besonders eine Rolle, dass mit LED die zugeführte Energie besonders effizient genutzt und damit eine erhebliche Steigerung der Helligkeit gegenüber Halogenlampen erreicht werden kann.

Darüber hinaus gibt es mehrere Fabrikate von Fahrradscheinwerfern mit LED-Standlicht. Das Standlicht wird durch reduzierten Strom aus eingebauten und während der Fahrt geladenen Akkumulatoren, Doppelschichtkondensatoren oder bei einfachen Ausführungen durch Trockenbatterien bereitgestellt.

Vor- und Nachteile von LED-Scheinwerfern

Vorteile

  • Lange Betriebsdauer (bis zu ca. 50.000 Stunden, kein Totalausfall)
  • Hohe Energieeffizienz
  • Hohe mechanische Robustheit
  • Verschiedene mögliche Lichtfarben
  • Kontinuierliche Veränderung der Lichtfarbe rein elektrisch möglich
  • Erweiterte Designmöglichkeiten.
  • Verzögerungsfreies Ein- und Ausschalten
  • Kein Lebensdauerverlust durch häufiges Ein- und Ausschalten, daher z. B. für blinkende Bühnenscheinwerfer interessant
  • Unter anderem bei Kraftfahrzeugen spielt die geringere Blendwirkung gegenüber anderen Scheinwerfern eine Rolle, da das Licht aus einer verteilteren Quelle stammt. Dadurch wird eine punktuell hohe Leuchtdichte vermieden, die zum Beispiel bei Xenonlicht an Kraftfahrzeugen oft zur Blendung des Gegenverkehrs führt. Die Lichtfarbe weißer LEDs ist dem Tageslicht sehr ähnlich, was beim Einsatz in Frontscheinwerfern eine differenziertere Ausleuchtung der Straße bewirkt.
  • LED-Scheinwerfer strahlen nur eine sehr geringe UV- und IR-Strahlung ab.
  • LEDs können sehr effektiv im Teillastbetrieb arbeiten, dabei erreichen sie teilweise sogar einen höheren Wirkungsgrad als bei Volllast. Demgegenüber sinkt die Effizienz von Glühlampen bei Unterspannung sehr schnell auf sehr geringe Werte ab. Gasentladungslampen lassen sich nur in einem Teilbereich dimmen.
  • Mit farbigen LEDs kann monochromatisches Licht direkt erzeugt werden. Insbesondere blaues Licht lässt sich mit Glühlampen und Farbfiltern nur sehr ineffizient erzeugen, weil blaue Farbfilter viel Licht schlucken. Blaue LEDs hingegen erzeugen Licht mit relativ hoher Effizienz (Cree XR-E 7090 blue: ca. 34 Lumen pro Watt).
  • LED-Scheinwerfer benötigen im Inneneinsatz keine Schutzgläser.

Nachteile

  • LED-Scheinwerfer haben im Vergleich mit anderen Scheinwerfern höhere Anschaffungskosten. Ein Grund dafür ist, dass sie technisch aufwändiger aufgebaut sind (beispielsweise benötigen sie eine elektronische Konstantstromquelle). Außerdem sind die Hochleistungs-LEDs, die aufgrund der geringen Einzelleistungen in großer Anzahl benötigt werden, noch relativ kostenintensiv.
  • Die unvermeidliche Verlustleistung in Form von Wärme ist bei LEDs problematisch, da die Temperatur im Inneren des Kristalls von Halbleitern wie z. B. in LEDs etwa 200 °C nicht übersteigen darf. Daher wird insbesondere bei sonnenbeschienenen Leuchten und hoher Umgebungstemperatur ein Kühlkörper und teils aktive Kühlung notwendig, welche Zusatzkosten nach sich zieht.
  • Die Effizienz und auch die Lebensdauer von LEDs sinkt mit steigender Halbleiter-Temperatur. Obwohl Temperaturen von ca. 120–150 °C zulässig sind, sollte die Halbleiter-Temperatur daher so niedrig wie möglich gehalten werden.
  • Scheinwerfergläser können bei Fahrzeugen und im Außeneinsatz von innen beschlagen. Bei Glühlampen verdunstet die Feuchtigkeit an der Innenseite des Glases wegen der hohen Temperaturen; bei LEDs ist das wegen der geringeren Temperatur des Lichtes nicht der Fall, hier sind andere Lösungen erforderlich.
  • Der Lichtstrom von LED-Scheinwerfern ist derzeit (Februar 2011) auf etwa 11.000 Lumen[5] (140 Watt) beschränkt, größere Leistungen (bis über 15 Kilowatt) sind bisher den Glüh- Schwefel- und Gasentladungslampen vorbehalten.
  • LED-Scheinwerfer besitzen bei gleichem Lichtstrom ein größeres Gehäuse als Glüh- oder Gasentladungslampen, um die notwendige Elektronik und erforderliche passive Kühlung unterbringen zu können.
  • LED-Blinkleuchten wirken aggressiver, weil Leuchtdioden im Gegensatz zu Glühlampen ihre Leuchtkraft sofort erreichen. Das könnte leicht durch eine geänderte elektronische Steuerung behoben werden, was jedoch aktuell (2011) nicht der Fall ist.
  • LED-Rückleuchten, die häufig mit nur etwa 50 Hertz gepulst sind, irritieren Menschen, die wegen relativ „schnellerer Signalverarbeitung im Bereich des Sehens“, also „sehphysiologisch bedingt, bewegte gepulste Lichtquellen als mehrere nebeneinander stehende Einzellichter wahrnehmen – sogenannter Bead-Effekt (Perlschnureffekt); dieser Effekt wirkt sich im Straßenverkehr [für diese Menschen] sehr störend aus. Diese Wahrnehmung geschieht unwillkürlich“, sie können „sich weder daran gewöhnen noch es abtrainieren. Bei den Betroffenen handelt es sich um eine Minderheit“, die auf nur etwa 5 % der deutschen Verkehrsteilnehmer geschätzt wird. Allerdings kann dieses Problem durch eine höhere Pulsfrequenz mit geringem Aufwand gelöst werden.
  • Bei Ausfall einer LED muss je nach Konstruktionsweise der komplette Scheinwerfer ersetzt werden, da das Ersetzen einzelner LEDs vom Gesetzgeber nicht vorgesehen ist bzw. mit Werkstattmitteln nur aufwändig vorgenommen werden kann.

Siehe auch

Literatur

  • R. Lachmayer, M. Götz, M. Kleinkes, W. Pohlmann: LED-Technik im Scheinwerfer - neue Möglichkeiten mit Leuchtdioden. In: ATZ. 108, Nr. 11, 2006.
  • K. Eichhorn, M. Götz, A. Himmler, J. Roslak: Aktives Licht - Innovative Ansätze für die nächste Scheinwerfergeneration. In: ATZ. 107, Nr. 11, 2005.
  • LEDs MAGAZINE, Juni 2006

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Jürgen Gausemeier, Klaus Feldmann: Integrative Entwicklung räumlicher elektronischer Baugruppen. Hanser Fachbuchverlag, 2006, S. 40.
  2. In: Automobil Produktion.Nr. 7–8, 2011, S. 54.
  3. In: DB Bahn - Tf Aktuell. 26. Dezember 2009, S. 2.
  4. Thomas Scherer: FLLL: Fahrrad-Luxus-LED-Leuchte. In: elektor. Oktober 2008, S. 52–56 (]http://www.elektor.de/jahrgang/2008/oktober/flll-fahrrad-luxus-led-leuchte.688088.lynkx Online]).
  5. Synergy 21 LED Spot Outdoor Objektstrahler 140W cw

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