Grundlagen der LED – Definition, Aufbau und Funktionsweise
LED Scheinwerfer
Hier finden Sie nützliches Wissen und wichtige Tipps rund um das Thema LED Scheinwerfer bei Fahrzeugen.
LEDs sind zur Zeit dabei, die klassischen Glühlampen in modernen Kraftfahrzeugen abzulösen. Sie bieten nicht nur eine hohe Lichtausbeute und mehr Sicherheit sondern auch viele Gestaltungsfreiräume und ein hohes Energieeinsparpotential. Technikinteressierte können auf dieser Seite ihren Wissensdurst über die Grundlagen der LED-Technik im Kraftfahrzeug stillen. Zudem erfahren Sie, was bei der Einstellung moderner LED-Scheinwerfer zu beachten ist.
Wichtiger Sicherheitshinweis
Die nachfolgenden technischen Informationen und Tipps für die Praxis wurden von HELLA erstellt, um Kfz-Werkstätten in ihrer Arbeit professionell zu unterstützen. Die hier auf dieser Webseite bereitgestellten Informationen sollen nur von einschlägig ausgebildetem Fachpersonal genutzt werden.
INHALTSVERZEICHNIS
GRUNDLAGEN DER LED – DEFINITION, AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE: GRUNDLAGEN
Die Leuchtdiode wird auch als Lumineszenz-Diode bezeichnet oder verkürzt LED genannt. LED steht für „Light Emitting Diode“ (Licht emittierende Diode), da sie elektrische Energie in Licht wandelt. Aus physikalischer Sicht ist sie eine Kaltlichtquelle und ein elektronisches Halbleiter-Bauelement der Optoelektronik, dessen Leitfähigkeit zwischen der von Leitern (z. B. Metalle, Wasser, Graphit) und Nichtleitern (z. B. Nicht-Metalle, Glas, Holz) liegt.
Aufbau
Leuchtdioden gibt es je nach Bedarf in den unterschiedlichsten Größen, Bauformen und Farben. Die klassische Variante (Standard-LED) hat eine zylinderähnliche Form und ist an der Stelle, wo das Licht austritt, durch eine Halbkugel geschlossen.
Einfache Leuchtdioden bestehen aus folgenden Bauteilen
- LED-Chip
- Reflektorwanne (mit Kontakt zur Kathode)
- Golddraht (Kontakt zur Anode)
- Kunststoff-Linse (vereint und fixiert Bauteile)
Klein und widerstandsfähig – Die Hochleistungsdiode
Hochleistungsdioden verfügen über einen großen Metallrohling, der für eine bessere Wärmeregulierung sorgt. Dadurch dass die Wärme leichter abgeführt wird, kann mehr Strom durch die Diode fließen, die Lichtabstrahlung erfolgt großflächiger, und die Lichtleistung ist höher. Im Vergleich zu einer einfachen 5-mm-LED ist der Wärmewiderstand um das Zehnfache reduziert. In der Praxis bedeutet dies, dass eine Hochleistungsdiode, wie beispielsweise die Luxeon Rebel, eine etwa 1 mm große quadratische Emissionsfläche hat und einen Wirkungsgrad von rund 40-100 Lumen. Die Leistung einer normalen 5-mm-Standard- LED verblasst dagegen. Mit einer Größe von 0,25 mm und einer Leistung von weniger als 0,1 W und 20-30 mA erreicht sie nur einen Wirkungsgrad von 1-2 Lumen.
Die kleine, flache Bauform der LEDs bietet großen gestalterischen Freiraum für zukunftsweisende Produktdesigns: zum Beispiel „LEDayFlex“-Tagfahrlicht-Module für Pkw, Truck und Caravan.
Bauformen
Es gibt unterschiedliche Typen und Bauformen von Leuchtdioden. Je nach Einsatzbereich unterscheiden sie sich in Aufbau, Leistung und Lebensdauer. Zu den wichtigsten LEDs gehören:
Bedrahtete Leuchtdioden
Der Vorreiter aller LEDs sind die bedrahteten Leuchtdioden, die vorrangig zu Kontrollzwecken eingesetzt wurden. In Kombination mit mehreren LEDs verwendet man sie heute auch als LED-Spots, Leuchtstoffröhren, -Module oder -Röhren. Sie sind in den Größen 3, 5 und 10 mm erhältlich. Die Kathode, den Minuspol einer bedrahteten LED, erkennt man daran, dass sie kürzer ist als die Anode (Pluspol) und die Kunststoffummantelung abgeflacht ist. Der Austrittswinkel des Lichts wird durch die Linsenform des Gehäuses definiert.
SuperFlux
Leistungsstärker als einfache bedrahtete LEDs sind SuperFlux-LEDs, die bis zu vier Chips (Halbleiter-Kristalle) haben. Zu den häufig verwendeten Modellen gehören „Piranha“ und „Spider“. Sie zeichnen sich durch einen großen Abstrahlwinkel aus und werden besonders im Bereich der Flächenbeleuchtung eingesetzt, da das Licht flächenförmig ausgestrahlt wird. Eine gute Wärmeableitung erfolgt über vier Kontakte, die einzeln angesteuert werden können. Der Aufbau der High Flux sichert eine hohe Lebensdauer und macht sie so zu einem effizienten Leuchtmittel, welches universell eingesetzt werden kann.
SMD
SMD steht für „Surface Mounted Device“ und bedeutet, dass diese Diode im Bereich der Oberflächen-Montage eingesetzt wird. SMD LEDs bestehen meistens aus drei bis vier Chips und haben Lötkontakte, die auf die jeweilige Leiterplatte oder Anschlussfläche gelötet werden. Sie sind in Bezug auf die Stromdichte relativ unempfindlich und können daher intensiv leuchten. Die Ausführungen der SMD-LED sind sehr vielfältig. Größe, Gehäuseform und Lichtstromstärke können variabel ausgewählt werden. In Kombination mit anderen SMD-Leuchtdioden verwendet man sie in LED-Leuchtstoffröhren oder -Modulen. In der Automobilindustrie wird sie vorrangig für Blink-, Brems- oder Tagfahrlicht eingesetzt.
High Power
High-Power-LEDs sind leistungsstarke und widerstandsfähige Leuchtdioden, die bei optimalen Betriebsbedingungen mit Strömen von 1000 mA betrieben werden können. Eingesetzt werden sie meistens auf Metallkern-Leiterplatten. Ihre außergewöhnliche Bauform erfordert erhöhte Ansprüche an das Thermo-Management.
COB
Die „Chip On Board“-LED (COB) ist die am höchsten entwickelte Leuchtdiode. Sie trägt diesen Namen, da sie unmittelbar auf der Platine befestigt wird. Dies erfolgt mit Hilfe der „Bündelung“, wobei die Chips auf der vergoldeten Leiterplatte vollautomatisch befestigt werden. Der Kontakt zum Gegenpol erfolgt über einen Draht aus Gold oder Aluminium. Da bei COB-LEDs keine Reflektoren oder Linsenoptik benutzt werden, ist der Abstrahlwinkel des ausgestrahlten Lichts sehr groß. Die größten Vorteile der COB-Technologie liegen in der starken Leuchtkraft, der homogenen Ausleuchtung sowie den umfangreichen Anwendungsbereichen.
Aber woraus besteht eine LED überhaupt?
Im Wesentlichen besteht eine LED aus mehreren Schichten von Halbleiterverbindungen. Halbleiter, wie z. B. Silizium, sind Stoffe, die von ihrer elektrischen Leitfähigkeit zwischen den Leitern, wie z. B. den Metallen Silber und Kupfer, und den Nichtleitern (Isolatoren), wie z. B. Teflon und Quarzglas, liegen. Durch gezieltes Einbauen von elektrisch wirksamen Fremdstoffen (Dotieren) können Halbleiter in ihrer Leitfähigkeit stark beeinflusst werden. Die verschiedenen Halbleiterschichten bilden zusammen den LED-Chip. Von der Art und Weise der Zusammensetzung dieser Schichten (unterschiedliche Halbleiter) hängen die Lichtausbeute (Effizienz) der LED und die Farbe des Lichts ganz entscheidend ab.
Fliesst in der LED ein Strom in Durchflussrichtung (von Anode + zur Kathode –), wird Licht erzeugt (emittiert).
Die n-dotierte Schicht ist durch Einbau von Fremdatomen so präpariert, dass ein Überfluss an Elektronen herrscht. In der p-dotierten Schicht sind nur wenig dieser Ladungsträger vorhanden. Dadurch gibt es die sogenannten Elektronenlücken (Löcher). Beim Anlegen einer elektrischen Spannung (+) an der p-dotierten Schicht und (–) an der n-dotierten Schicht bewegen sich die Ladungsträger aufeinander zu. Beim pn-Übergang kommt es zur Rekombination (Wiedervereinigung gegensätzlich geladener Teile zu einem neutralen Gebilde). Bei diesem Prozess wird Energie in Form von Licht freigesetzt.
Elektrische Eigenschaften – warum zu hoher Strom schädlich ist
Wird an eine Leuchtdiode Spannung angelegt, so sinkt ihr Widerstand auf null. Leuchtdioden sind äußerst empfindliche Bauteile, bei denen schon die kleinste Überschreitung der zugelassenen Stromhöhe dazu führt, dass sie zerstört werden. Daher ist zwingend darauf zu achten, dass Leuchtdioden nie unmittelbar an eine Spannungsquelle angelegt werden. Erst wenn ein Strombegrenzer oder Vorwiderstand im Stromkreislauf eingebaut ist, dürfen sie angeschlossen werden. Bei Hochleistungs-LEDs erfolgt die Ansteuerung über eine Vorschaltelektronik, die einen konstanten Strom liefert.
Die nebenstehende Grafik verdeutlicht einen Stromkreislauf, der für eine optimale Funktionsleistung der LED erforderlich ist. In diesem Fall wird ein Vorwiderstand als Begrenzer eingesetzt, der den Durchlass-Strom IF, der durch die Leuchtdiode fließt, kontrolliert. Um den Widerstand entsprechend auszuwählen, ist vorher die Durchlass-Spannung UF zu ermitteln.
Um den Vorwiderstand RV zu berechnen, braucht man die Gesamtspannung, die Durchlass-Spannung und den Durchlass- Strom.
Stromkreislauf
Formel Vorwiderstand RV
LED-Ansteuerung
Da LEDs nur wenig Strom brauchen, leuchten sie schon dann, wenn sie nur einen Bruchteil (wenige mA) des zugelassenen Durchlass-Stroms erhalten. Oft reicht dieser aus, um für ausreichend Licht zu sorgen. Wie bereits erwähnt, gibt es je nach Anwendungsfall unterschiedliche Möglichkeiten, LEDs zu betreiben.
Ansteuerungsmöglichkeiten von LEDs
Die Zukunft der LED – optimale Lichtverhältnisse am Fahrzeug
Zwar ist die LED aufgrund ihrer hohen Anschaffungskosten in der Automobilindustrie bisher nur im Premium-Segment vertreten, doch auf lange Sicht wird sie sich durchsetzen. Denn neben ökonomischen Aspekten sprechen vor allem technische Gründe dafür, LEDs serienmäßig zu verbauen.
Leuchtdioden bestechen durch Funktionalität, technische Performance und optimale Lichtergebnisse. Sie unterstützen die Schonung der Energie-Ressourcen und sorgen für eine höhere Sicherheit im Straßenverkehr. Des Weiteren ermöglicht die tageslichtähnliche Lichtfarbe eine angenehme und erhöhte subjektive Lichtwahrnehmung.
Der LED-Markt für Leuchten und Scheinwerfer wird sich dauerhaft in zwei Richtungen entwickeln: Zum einen wird das Premium-Segment mehr Bedeutung erhalten, welches hohe Funktionalität mit exzellenter Lichtleistung fordert. Zum anderen wird der ökonomisch und ökologisch motivierte Bereich mehr gefördert, der neben einem geringen Energieverbrauch auch kostengünstige Lösungen voraussetzt. Hochentwickelt, funktionell, ökonomisch – LEDs bieten viele Möglichkeiten.
LED-Optiken im Automobil
Es gibt unterschiedliche Methoden, Licht in eine bestimmte Richtung zu leiten. Die wichtigsten Verfahren der Lichtrichtung in der Automobilbeleuchtung sind Reflexion, Brechung und Hybrid (Kombination aus Reflexion und Brechung).
Beispiele für Techniken der Lichtrichtung
Kombinierte Lichtmodule generieren das Licht
Da LEDs nur wenig Strom brauchen, leuchten sie schon dann, wenn sie nur einen Bruchteil (wenige mA) des zugelassenen Durchlass-Stroms erhalten. Oft reicht dieser aus, um für ausreichend Licht zu sorgen. Wie bereits erwähnt, gibt es je nach Anwendungsfall unterschiedliche Möglichkeiten, LEDs zu betreiben. Nebenstehend sind drei dieser Möglichkeiten aufgeführt.
THERMO-MANAGEMENT: GRUNDLAGEN
Das Thermo-Management spielt bei der Verwendung von Leuchtdioden eine entscheidende Rolle, da diese Bauelemente sehr empfindlich auf Wärme reagieren.
Leuchtdioden sind Kaltlichtquellen, da sie zwar Licht, aber nahezu keine UV- oder IR-Strahlung aussenden. Das ausgesendete Licht wirkt kühl und erwärmt die angestrahlten Objekte nicht. Die LED allerdings wird durch den Lichtentstehungsprozess erwärmt. Bis zu 85 % der Energie werden in Wärme umgesetzt. Je niedriger die Temperatur ist, desto heller und länger leuchtet die LED. Auf eine entsprechende Kühlung ist demzufolge unbedingt zu achten. Neben der selbst produzierten Wärme müssen bei Scheinwerfern oder Leuchten auch andere Wärmequellen, wie Motorwärme, Sonneneinstrahlung etc. berücksichtigt werden. Daher kommen auch heute je nach LED und deren Verwendungszweck unterschiedliche Techniken zur Steigerung der Wärmeübertragung oder -ableitung zum Einsatz.
Beispiele
a) Rippen-Kühlkörper
b) Pin-Kühlkörper
c) Kühlkörper mit ,,Heatpipe’’
Zudem besteht meistens die Möglichkeit, den Strom für die LEDs zu regeln. Unter extremen Bedingungen kann die Leistung der LEDs bis auf ein bestimmtes Maß reduziert werden, um so die Wärmeproduktion zu verringern. Um die Kühlung noch zu steigern, wird die Luftzirkulation durch Axial- oder Radial-Lüfter zwischen den Kühlelementen erhöht.
Rippen-Kühlkörper
Axiallüfter Audi A8
VORTEILE DER LED: VERGLEICH
Leuchtdioden überzeugen in mehrfacher Hinsicht. Zwar sind sie in der Anschaffung teurer als normale Glühlampen oder Halogenlampen, doch ihr Einsatz rentiert sich bereits nach kurzer Zeit. Gerade die Automobilbranche macht sich die positiven Eigenschaften der LED zunutze und setzt sie aufgrund folgender Vorteile verstärkt in Neufahrzeugen ein:
| Lichtquelle | Lichtstrom [lm] |
Effizienz [lm/W] |
Farbtemperatur [K] |
Leuchtdichte [Mcd/m2] |
|---|---|---|---|---|
| konventionelle Glühlampe W5W | ~ 50 | ~ 8 | ~ 2700 | ~ 5 |
| Halogenlampe H7 | ~ 1100 | ~ 25 | ~ 3200 | ~ 30 |
| Gasentladung D2S | ~ 3200 | ~ 90 | ~ 4000 | ~ 90 |
| LED 2,5 Watt | ~ 120 (2010) ~ 175 (2013) |
~ 50 (2010) ~ 70 (2013) |
~ 6500 | ~ 45 (2010) ~ 70 (2013) |
Wichtigste Vorteile
- Geringer Energieverbrauch
- Hohe Lebensdauer
- Stoß- und vibrationsfest
- Reduzierte Wärmeentwicklung
- Keine Wartungs- oder Reinigungskosten
- Quecksilberfrei
- Gute Blendungsbegrenzung
- Trägheitslos schalt- und modulierbar
- Hochwertige Lichtwiedergabe
- Vielfältige Bauformen (nahezu überall einsetzbar)
- Individuelle Anordnung des Leuchtmittels
- Lichttemperatur bleibt beim Dimmen erhalten
- Regulierbare Lichtfarbe
- Geringe Produktionskosten
- Erhöhte Lichtmenge/Chip
- Extrem wenig Frühausfälle
- Kleinste Abmessungen
- Keine UV- oder IR- Strahlung
- Geringe Leistungsaufnahme
- Gerichtetes Licht – Lambert-Strahler mit 120°-Abstrahlwinkel
- Hohe Farbsättigung
Energieverbrauch und Einsparpotenziale durch LEDs optimieren
Umweltschutz und steigende Kraftstoffpreise sind die beiden schlagkräftigsten Argumente, warum das Thema Energiesparen aktueller ist als je zuvor. Das Hauptaugenmerk bei der Neuanschaffung eines Fahrzeugs liegt heute eindeutig auf dem Kraftstoffverbrauch. Doch zu oft wird das Einsparpotenzial außer Acht gelassen, das den Energiebedarf der Fahrzeugbeleuchtung betrifft.
Obenstehende Grafik stellt den 100-prozentigen Energiebedarf eines Fahrzeugs dar, das mit einer Kombination aus Glühlampen (Rückleuchten) und Halogenlampen (Scheinwerfer) ausgestattet ist. Leicht zu erkennen ist, wer der größte Stromverbraucher ist. 60 % des erforderlichen Energieaufwands werden allein für das Abblendlicht benötigt.
Bereits der Einsatz einer Kombination aus Xenon-Leuchten und LEDs führt dazu, dass der Energiebedarf um 39 % reduziert werden kann.
Setzt man allein auf eine LED-Beleuchtung, so wird der Energieverbrauch um 60 % gedrosselt.
Kraftstoffersparnis bei der Kombination verschiedener Leuchtmittel
| Fahrzeug-Konfiguration (Scheinwerfer/Heckleuchte) | Kraftstoffverbrauch [l/100 km] | CO2-Emission [kg/100 km] | Reduzierung |
|---|---|---|---|
| Halogen/konventionell | ~ 0,126 | ~ 0,297 | - |
| Xenon/LED | ~ 0,077 | ~ 0,182 | 39% |
| LED/LED (Potenzial fur 2015) | ~ 0,051 | ~ 0,120 | 60% |
Kraftstoffverbrauch und CO2-Emission bei durchschnittlicher Betriebszeit der Beleuchtung
| TFL-System | Kraftstoffverbrauch [l/100 km] | CO2-Emission [kg/100 km] | Reduzierung |
|---|---|---|---|
| Halogen-Scheinwerfer | ~ 0,138 | ~ 0,326 | - |
| LED (separate TFL-Funktion) | ~ 0,013 | ~ 0,031 | 91 % |
Zusätzlicher Kraftstoffverbrauch und CO2-Emission für Tagfahrlicht (TFL)
| Vergleich Leuchtmittel | Kraftstoffverbrauch |
|---|---|
| Halogen-/Gluhlampen-Konfiguration | 0,10 – 0,25 l /100 km |
| Xenon-/LED-Konfiguration | 0,05 – 0,15 l /100 km |
| Voll-LED-Konfiguration (Potenzial 2015) | 0,03 – 0,09 l /100 km |
Kraftstoffverbrauch je nach Beleuchtungskonfiguration (OE-Kfz)
Bremswegverkürzung – mit der LED auf der sicheren Seite
Weltweit steigt die Anzahl an zugelassenen Fahrzeugen. Durch die erhöhte Verkehrsdichte auf den Straßen kommt es immer häufiger zu Auffahrunfällen. Um diese zu verhindern, ist die schnelle Wahrnehmung von Lichtsignalen seitens des Fahrers von Bedeutung. Während eine normale Glühlampe bis zu 0,2 Sekunden braucht, um aufzuleuchten, reagiert eine LED direkt. Sie braucht keine Aufwärmphase und leuchtet sofort auf, nachdem das Bremspedal betätigt wurde. Das hintere Fahrzeug kann so schneller auf den Bremsvorgang des vorderen reagieren.
Beispiel
Zwei Autos fahren mit einer Geschwindigkeit von 100 km/h (Sicherheitsabstand 50 m) hintereinander her. Das vordere Fahrzeug bremst, der Fahrer des hinteren Fahrzeugs kann durch das sofortige Aufleuchten der LEDs nahezu im selben Moment reagieren und ebenfalls bremsen. Auf diese Weise verkürzt sich der Bremsweg um fast 5 m. Dies bedeutet eine enorme Steigerung der Sicherheit.
LICHTEINSTELLUNG DER LED-SCHEINWERFER AM BEISPIEL DES AUDI A8: ANLEITUNG
Generell lassen sich alle LED-Scheinwerfer mit einem normalen Scheinwerfer-Einstellgerät justieren. LED- Scheinwerfer mit nur einer optischen Linse (Abblendlicht) werden bei der Überprüfung und Einstellung der Lichtverteilung genauso behandelt wie alle anderen Scheinwerfer mit nur einer Lichtquelle auch. Bei einigen Scheinwerfern mit mehreren Lichtquellen ist auf eine Besonderheit zu achten. Aufgrund der Bauform mancher Scheinwerfer ist die Sammellinse vom Einstellgerät schlichtweg zu klein, um das austretende Licht (Abblendlicht) aller LEDs zu erfassen. In solchen Fällen ist es wichtig zu wissen, welche LED für welche Lichtfunktion verantwortlich ist.
Scheinwerfer Audi A8 - Abblendlicht
Bei der Vorbereitung des Fahrzeugs sind unbedingt die Herstellerangaben zu beachten! Beim Abblendlicht des Audi A8 wird dies verdeutlicht. Wie im Vorfeld angeführt, generieren drei vertikal angeordnete LEDs sowohl einen symmetrischen als auch einen asymmetrischen Anteil vom Abblendlicht.
Lichtverteilung einstellen
Daher muss das Einstellgerät auf diese Linsen ausgerichtet werden. Ist das Scheinwerfer-Einstellgerät den Vorgaben entsprechend ausgerichtet, kann die Lichtverteilung wie gewohnt eingestellt werden.
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