LED-koplampen in de auto: Techniek, voordelen en juiste instelling

HELLA Tech World - The Workshop`s Friend

LED's zijn momenteel bezig om de klassieke gloeilampen in moderne auto's te vervangen. Ze bieden niet alleen een hoog lichtrendement en meer veiligheid, maar ook veel vrijheid in de vormgeving en een hoog energiebesparingspotentieel. Mensen die geïnteresseerd zijn in techniek kunnen op deze pagina kennis vergaren over de basisprincipes van LED-techniek in auto's. Bovendien ontdekt u waarop er bij de instelling van moderne LED-koplampen moet worden gelet.

De volgende technische informatie en praktische tips zijn door HELLA ontwikkeld om garages bij hun werkzaamheden professioneel te ondersteunen. De op deze website beschikbare informatie mag alleen worden gebruikt door vakmensen die in de desbetreffende materie zijn opgeleid.

Basisprincipes van LED – definitie, opbouw en werkwijze

De lichtdiode wordt ook als luminescentiediode aangeduid of afgekort LED genoemd. LED staat voor "Light Emitting Diode" (licht uitstralende diode), aangezien ze elektrische energie in licht omzet. Vanuit fysisch standpunt is dit een koudlichtbron en een elektronisch halfgeleiderbouwelement van de opto-elektronica, waarvan de geleidbaarheid tussen die van geleiders (bijv. metalen, water, grafiet) en niet-geleiders (bijv. niet-metalen, glas, hout) ligt.

Opbouw

Lichtdioden zijn er, afhankelijk van de behoefte, in verschillende groottes, vormen en kleuren. De klassieke variant (standaard LED) heeft een cilinderachtige vorm en is op het punt, waaruit licht naar buiten treedt, door een halve kogel afgesloten.

Eenvoudige lichtdioden bestaan uit de volgende componenten

LED-chip
Reflectorwanden (met contact tot de kathode)
Gouddraad (contact tot de anode)
Kunststoflens (verenigt en fixeert componenten)

Klein en robuust – de hoogvermogensdiode

Hoogvermogensdioden beschikken over een groot metalen stuk dat voor een betere warmteregulering zorgt. Aangezien de warmte eenvoudiger wordt afgevoerd, kan er meer stroom door de diode stromen, ontstaat er een uitgestrektere lichtstraling en is het lichtvermogen hoger. In vergelijking met een eenvoudige 5-mm-LED is de warmteweerstand tien keer zo laag. In de praktijk betekent dit dat een hoogvermogensdiode, zoals de Luxeon Rebel, bij benadering een 1 mm groot vierkant emissievlak en een rendement van ongeveer 40-100 lumen heeft. Het vermogen van een normale 5-mm-LED verbleekt daartegen. Met een grootte van 0,25 mm en een vermogen van minder dan 0,1 W en 20-30 mA bereikt ze slechts een rendement van 1-2 lumen.

De kleine, vlakke vorm van de LED's biedt een grote ontwerpvrijheid voor een toekomstgericht productdesign: bijvoorbeeld de "LEDayFlex"-dagrijlichtmodule voor personenwagens, trucks en caravans.

Vormen

Lichtdioden zijn beschikbaar in verschillende types en vormen. Afhankelijk van het gebruik onderscheiden ze zich in opbouw, vermogen en levensduur. Tot de belangrijkste LED's behoren:

Bekabelde lichtdioden

De voorlopers van alle LED's zijn de bekabelde lichtdioden die vooral voor controledoeleinden werden gebruikt. Tegenwoordig worden ze in combinatie met meerdere LED's s gebruikt als LED spots, tl-buizen, lichtmodules en -buizen. Ze zijn verkrijgbaar in 3, 5 en 10 mm. De kathode, de minpool van een bekabelde LED, is herkenbaar aan het feit dat ze korter is dan de anode (pluspool) en het kunststofomhulsel is afgevlakt. De uitgangshoek van het licht wordt door de lensvorm van de behuizing bepaald.

SuperFlux

De SuperFlux-LED's zijn sterker dan eenvoudig bekabelde LED's. Ze hebben tot vier chips (halfgeleiderkristallen). "Piranha" en "Spider" behoren tot de vaakst gebruikte modellen. Ze worden gekenmerkt door een grote straalhoek en worden vooral in de verlichting van vlakten gebruikt aangezien het licht vlakvormig wordt uitgestraald. De goede warmteafleiding gebeurt via vier contacten die afzonderlijk kunnen worden aangestuurd. De opbouw van de High Flux verzekert een lange levensduur. Het is dus een efficiënt verlichtingsmiddel dat universeel kan worden gebruikt.

SMD

SMD staat voor "Surface Mounted Device" en betekent dat deze diode in het bereik van de oppervlaktemontage wordt gebruikt. SMD-LED's bestaan minstens uit drie tot vier chips en hebben soldeercontacten die op de betreffende printplaat of aansluitvlak worden gesoldeerd. Ze zijn relatief ongevoelig als het gaat om stroomdichtheid en kunnen dus intensief verlichten. De uitvoeringen van de SMD-LED zijn zeer veelzijdig. De grootte, de behuizingsvorm en de lichtstroomsterkte kunnen variabel worden gekozen. Ze worden in combinatie met andere SMD-lichtdiodes gebruikt in lLED-lichtbuizen of -modules. In de automotive sector worden ze vooral gebruikt voor knipper-, rem- of dagrijlicht .

LED-koplampen: SMD Surface Mounted Device led

High Power

High-Power-LED's zijn krachtige en robuuste lichtdioden die bij optimale werkingsomstandigheden met 1000 mA kunnen worden gebruikt. Ze worden meestal bij metaalkernprintplaten gebruikt. Hun ongewone vorm stelt hoge eisen aan het thermomanagement.

COB

De "Chip On Board"-lLED(COB) is de best ontwikkelde lichtdiode. Het heeft deze naam gekregen aangezien ze onmiddellijk op de plaat wordt bevestigd. Dit gebeurt met behulp van de zogenaamde "bundeling" waarbij de chips volledig automatisch op de vergulde printplaat worden bevestigd. Het contact met de tegenpool gebeurt via een draad van goud of aluminium. Aangezien er bij COB-LED's geen reflectoren of lensoptiek worden gebruikt, is de uitstraalhoek van het licht zeer groot. De grootste voordelen van de COB-technologie liggen in de sterke verlichtingskracht, de homogene verlichting en de talrijke toepassingsgebieden.

Waaruit bestaat een LED?

In essentie bestaat een LED uit meerdere lagen van halfgeleiderverbindingen. Halfgeleiders, zoals silicium, zijn stoffen die met hun elektrische geleidbaarheid liggen tussen de geleiders, zoals de metalen zilver en koper, en de niet-geleiders (isolatoren), zoals teflon en kwartsglas. Door een gerichte inbouw van elektrisch werkzame vreemde stoffen (doteren) kunnen halfgeleiders sterk in hun geleidbaarheid worden beïnvloed. De diverse halfgeleiderlagen vormen samen de LED-chip. Het lichtvermogen (efficiëntie) van de LED en de kleur van het licht hangen in grote mate af van de soort en de wijze van samenhang van deze lagen (diverse halfgeleiders).

Wanneer in de LED een stroom in de doorstromingsrichting (van anode + naar kathode –) stroomt, wordt er licht gegenereerd (geëmitteerd).

De n-gedoteerde laag is door de inbouw van vreemde atomen zodanig geprepareerd dat er een overvloed van elektronen is. In de p-gedoteerde laag zijn maar weinig van deze ladingsdragers voorhanden. Daardoor ontstaan de zogenaamde elektronetekorten (gaten). Bij het aanbrengen van een elektrische spanning (+) aan de p-gedoteerde laag en (–) aan de n-gedoteerde laag bewegen de ladingsdragers naar elkaar toe. Bij de pn-overgang komt het tot een hercombinatie (hereniging van tegengesteld geladen delen in een neutraal geheel). Bij dit proces komt energie in de vorm van licht vrij.

Stroomcircuit — LED-koplampen: stroomcircuit

LED-koplampen: formule voorweerstand RV — Formule voorweerstand RV

Elektrische eigenschappen – waarom te hoge stroom schadelijk is

Als er op een lichtdiode spanning wordt gezet, dan daalt de weerstand naar nul. Lichtdioden zijn uiterst gevoelige onderdelen waarbij zelfs de kleinste overschrijding van de toegelaten stroomsterkte ervoor zorgt dat ze worden vernietigd. Daarom moet er absoluut op worden gelet dat de lichtdioden niet direct aan een spanningsbron worden aangesloten. Pas wanneer er een stroombegrenzer of een voorweerstand in het stroomcircuit is ingebouwd, mogen ze worden aangesloten. Bij hoogvermogens-LED's gebeurt de aansturing via een voorschakelelektronica die een constante stroom levert.

Het nevenstaande diagram toont een stroomcircuit dat nodig is voor een optimale werking van de LED. In dit geval wordt een voorweerstand als begrenzer gebruikt, die de doorlaatstroom IF, die door de lichtdiode stroomt, controleert. Om een geschikte keuze te maken voor de weerstand, moet eerst de doorlaatspanning UF worden bepaald.

Om de voorweerstand RV te berekenen, is de totale spanning, de doorlaatspanning en de doorlaatstroom nodig.

Ansteuerungsmöglichkeiten von LEDs — Aansturingsmogelijkheden van leds

LED-aansturing

Omdat LED's weinig stroom nodig hebben, lichten ze reeds op als ze slechts een fractie (enkele mA) van de toegelaten doorlaatstroom krijgen. Veelal is dit genoeg om voor voldoende licht te zorgen. Zoals reeds vermeld, zijn er afhankelijk van de toepassing verschillende mogelijkheden om LED's te gebruiken.

Fundamentelee igenschappen

Levensduur – welk effect de temperatuurontwikkeling op de levensduur heeft
Wanneer van de levensduur of de lichtdegeneratie van een LED wordt gesproken, wordt de brandtijd van een LED bedoeld, gedudende dat de diode brandt tot de lichtsterkte zakt naar de helft van de oorspronkelijke lichtwaarde. De capaciteit van een LED hangt van meerdere factoren af. Het gebruikte halfgeleidermateriaal is daarbij net zo van belang als de bedrijfsomstandigheden of de degeneratie van het siliciumkristal.

Hoelang de levensduur in werkelijkheid is, kan echter niet algemeen worden aangegeven. Terwijl standaardl-LED´s tot 100.000 uur meegaan, zijn de hoogvermogens-LED's slechts een vierde tot maximum de helft van die tijd bruikbaar (25.000-50.000). Indien beide dioden non-stop gebruikt worden, dan zou de levensduur meer dan elf of meer dan twee jaar kunnen zijn.

De levensduur hangt sterk af van toepassingslocatie en van de toegevoerde stroomdichtheid. Hoe groter de stroom, hoe sterker de diode wordt opgewarmd. Dit leidt tot een verkorte levensduur. Ook de omgevingstemperatuur is relevant voor de levensduur, want hoe warmer het algemeen is, hoe eerder de diode uitvalt. In principe geldt voor alle lichtdioden dat de sterkte van de lichtstraling in de loop van de tijd continu afneemt. Dit is een voordeel want in tegenstelling tot conventionele lampen (gloeilampen, halogeen) staat men met een LED niet plotseling in het donker. Zelfs als de lichtsterkte afneemt, dan valt hij onder normale omstandigheden niet zomaar weg. Het kunststof dat bij de meeste LED´s gebruikt wordt voor de lenzen wordt geleidelijk wazig, wat eveneens een negatieve invloed heeft op de lichtopbrengst.

Belangrijkste factoren die de levensduur beïnvloeden

Temperatuur
Stroomdichtheid
Degeneratie van het siliciumkristal

De toekomst van de LED – optimale lichtcondities voor het voertuig

De LED is vanwege hogere aankoopprijs in de automotove sector tot nu toe alleen in het premium-segment doorgedrongen, maar op lange termijn zal de LED standaard worden. Want naast economische voordelen zijn er ook talloze technische redenen om LED´s standaard in te bouwen.

Lichtdioden bieden hoge functionaliteit, technische prestaties en optimale lichtresultaten. Ze ondersteunen het behoud van energiebronnen en zorgen voor meer veiligheid in het wegverkeer. Bovendien maakt de op het daglicht lijkende lichtkleur een aangename en verbeterde subjectieve lichtwaarneming mogelijk.

De LED-markt voor lampen en koplampen zal zich permanent in twee richtingen ontwikkelen: Aan de ene kant zal het premium-segment belangrijker worden, wat een hoge functionaliteit met een perfect verlichtingsvermogen vereist. Aan de andere kant wordt het economisch en ecologisch gemotiveerde bereik bevorderd, dat naast een laag energieverbruik ook kostenbesparende oplossingen vooropstelt. Optimaal ontwikkeld, functioneel, economisch – LED's bieden vele mogelijkheden.

Verlichting op het hoogste niveau

Sinds 2010 is de Audi A8 als optie met een volledige LED-koplamp verkrijgbaar. Tien projectielenzen zorgen voor een uniek dimlicht. Ook het dagrijlicht heeft een unieke eigenschap, aangezien dat zowel met het knipper- als het standlicht werd gecombineerd. De AFS-functies maken een individuele aanpassing van de lichtfuncties aan de betreffende omstandigheden mogelijk, aangezien er afzonderlijke LED's kunnen worden in- en uitgeschakeld. In de reismodus worden bepaalde LED's uitgeschakeld in landen waar ze links rijden. Door de LED-technologie is de opbouw van een koplamp zeer complex. Het aantal elementen in de koplamp is duidelijk toegenomen.

LED-optica in de auto

Er zijn verschillende methodes om licht in een bepaalde richting te sturen. De belangrijkste processen voor de lichtrichting in de autoverlichting zijn reflectie, breking en hybride (combinatie van reflectie en breking).

LED-koplampen: voorbeelden voor technieken van de lichtrichting — Voorbeelden voor technieken van de lichtrichting

Weergave van de lichtfuncties

Bij de Audi-A8-koplampen genereren diverse LED-modules de afzonderlijke lichtfuncties. Afhankelijk van de verkeerssituatie worden deze in- of uitgeschakeld.

Het licht wordt door gecombineerde lichtmodules gegenereerd

Thermomanagement

Het thermomanagement speelt een beslissende rol bij de toepassing van lichtdioden, omdat deze onderdelen heel gevoelig op warmte reageren.

Lichtdioden zijn koudlichtbronnen aangezien ze wel licht maar bijna geen uv- of IR-stralen uitzenden. Het uitgestraalde licht werkt koud en verwarmt de aangestraalde objecten niet. De LED wordt echter verwarmd door het ontstaan van het licht . Tot 85 % van de energie wordt in warmte omgezet. Hoe lager de temperatuur, hoe helderder en hoe langer de LED brandt. Daardoor moet er absoluut passende koeling worden toegepast. Naast de zelf geproduceerde warmte moet er bij koplampen of lampen ook rekening worden gehouden met andere warmtebronnen, zoals de warmte van de motor, zonnestralen, etc. Daarom worden tegenwoordig, afhankelijk van de LED´s en hun doeleinde, verschillende technieken voor de toename van de warmteoverdracht of -afleiding gebruikt.

Voorbeelden:

a) Ribben-koellichamen
b) Pen-koellichamen
c) Koellichamen met "hittepijp"

Bovendien bestaat meestal de mogelijkheid om de stroom voor de LED´s te regelen. Onder extreme omstandigheden kan het vermogen van de LED´s in een bepaalde mate worden verminderd om zo de warmteproductie te verminderen. Om ervoor te zorgen dat de koeling nog meer toeneemt, wordt de luchtcirculatie door axiale of radiale ventilatoren tussen de koelelementen verhoogd.

Voordelen van LED

Lichtdioden overtuigen in meerdere opzichten. Ze zijn misschien duurder in aankoop dan normale gloeilampen of halogeenlampen, maar hun gebruik betaalt zich al snel terug. Juist de automotive sector maakt gebruik van de positieve eigenschappen van de LED en zet deze in toenemende mate in nieuwe voertuigen vanwege de volgende voordelen :

Lichtbron	Lichtstroom [lm]	Efficiëntie [lm/W]	Kleurtemperatuur [K]	Luminantie [Mcd/m²]
Conventionele gloeilamp W5W	~ 50	~ 8	~ 2700	~ 5
Halogeenlamp H7	~ 1100	~ 25	~ 3200	~ 30
Gasontlading D2S	~ 3200	~ 90	~ 4000	~ 90
Led 2,5 Watt	~ 120 (2010) ~ 175 (2013)	~ 50 (2010) ~ 70 (2013)	~ 6500	~ 45 (2010) ~ 70 (2013)

Belangrijkste voordelen

Laag energieverbruik
Lange levensduur
Beschermd tegen stoten en trillingen
Beperkte warmteontwikkeling
Geen onderhouds- of reinigingskosten
Vrij van kwik
Goede verblindingsbegrenzing
Zonder vertraging schakel- en moduleerbaar
Hoogwaardige lichtweergave
Veelvoudige vormen (vrijwel overal inzetbaar)
Individuele lay-out van de lichtbron
Lichttemperatuur blijft behouden bij dimmen
Regelbare lichtkleur
Lage productiekosten
Verhoogde lichthoeveelheid per chip
Zeer weinig gevallen van vroegtijdige uitval
Zeer compacte afmetingen
Geen UV- of IR- straling
Laag opgenomen vermogen
Gericht licht – Lambert-straler met 120°-stralingshoek
Hoge kleurverzadiging

Energieverbruik en besparingsmogelijkheden optimaliseren dankzij LED´s

Milieubescherming en stijgende brandstofprijzen zijn de twee doorslaggevende argumenten waarom het thema energiebesparen actueler is dan ooit. Het grootste aandachtspunt bij de aankoop van een nieuw voertuig ligt tegenwoordig is vaak het brandstofverbruik. Het besparingspotentieel gerelateerd aan de energiebehoefte van de voertuigverlichting wordt vaak niet opgemerkt.

LED-koplampen: energiebehoefte van een voertuig — De bovenstaande grafiek stelt de 100 % energiebehoefte van een voertuig voor dat met een combinatie van gloeilampen (achterlichten) en halogeenlampen (koplampen) is uitgerust. Het is heel duidelijk wie de grootste stroomverbruiker is. Alleen het dimlicht heeft al 60 % van de vereiste enerige nodig.

LED-koplampen: gebruik van een combinatie van xenonlampen en leds — Alleen het gebruik van een combinatie van xenonlampen en LED's leidt ertoe dat de energiebehoefte ongeveer met 39 % kan worden verlaagd.

LED-koplampen: gebruik van LED-verlichting — Indien men alleen LED-verlichting gebruikt, dan wordt het energieverbruik tot 60 % verminderd.

Brandstofbesparing bij de combinatie van diverse verlichtingsmiddelen

Voertuigconfiguratie (kopklamp/hoeklicht)	Brandstofverbruik [l/100 km]	CO2-emissie [kg/100 km]	Vermindering
Halogeen/conventioneel	~ 0,126	~ 0,297	-
Xenon/LED	~ 0,077	~ 0,182	39 %
LED/LED (potentieel voor 2015)	~ 0,051	~ 0,120	60 %

Brandstofverbruik en CO2-emissie bij gemiddelde werkingsduur van de verlichting

DRL-systeem	Brandstofverbruik [l/100 km]	CO2-emissie [kg/100 km]	Vermindering
Halogeenkoplampen	~ 0,138	~ 0,326	-
LED (afzonderlijke DRL-functie)	~ 0,013	~ 0,031	91 %

Extra brandstofverbruik en CO2-emissie voor dagrijlicht (DRL)

Vergelijking verlichtingsmiddelen	Brandstofverbruik
Halogeen-/gloeilampconfiguratie	0,10 – 0,25 l /100 km
Xenon-/LED-configuratie	0,05 – 0,15 l /100 km
Volledige LED-configuratie (potentieel 2015)	0,03 – 0,09 l /100 km

Fuel consumption according to lighting configuration (OE car)

Remwegverkorting – met LED-verlichting veilig op weg

Wereldwijd stijgt het aantal voertuigen. Door de grotere verkeersdrukte ontstaan er steeds meer aanrijdingen. Om dit te vermijden, moet de bestuurder snel signalslichtsignalen kunnen waarnemen. Terwijl een normale gloeilamp tot 0,2 seconden nodig heeft om op te lichten, reageert een LED onmiddellijk. Het heeft ook geen opwarmingsfase en brandt direct als het rempedaal wordt ingedrukt. Zo kan een achterliggend voertuig sneller op de remactie van de voorligger reageren.

Voorbeeld
Twee auto's rijden met een snelheid van 100 km/u (veiligheidsafstand 50 m) achter elkaar. Het voorste voertuig remt, de bestuurder van het achterste voertuig kan door het direct oplichten van de LED's nagenoeg op hetzelfde moment reageren en remmen. Zo wordt de remweg met ongeveer 5 meter verkort. Een enorme verbetering van de veiligheid.

Voorbeeld: lichtinstelling van LED-koplampen bij de Audi A8

Over het algemeen kunnen alle LED-koplampen met een normaal koplampafstelapparaat worden afgesteld. LED-koplampen met slechts één optische lens (dimlicht) worden bij de controle en de instelling van de lichtverdeling behandeld zoals alle andere koplampen met slechts één lichtbron. Bij bepaalde koplampen met meerdere lichtbronnen moet er op een bijzonderheid worden gelet. Door de vorm van sommige koplampen is de verzamellens van het afstelapparaat eenvoudigweg te klein om het uitgaande licht (dimlicht) van alle LED's te vatten. In dergelijke gevallen is het belangrijk om te weten welke LED voor welke lichtfunctie verantwoordelijk is.

Koplamp Audi A8 - dimlicht

Bij de voorbereiding van het voertuig moeten de instructies van de fabrikant in acht worden genomen! We tonen dit met als voorbeeld de Audi A8. Zoals vooraf reeds is aangegeven, genereren drie verticaal geplaatste LED's zowel een symmetrisch als een asymmetrisch aandeel van het dimlicht.

LED-koplampen: lichtinstelling LED-koplamp Audi A8

Lichtverdeling instellen

Daarom moet het afstelapparaat op deze lenzen worden uitgelijnd. Indien het koplampafstelapparaat volgens de specificaties is uitgelijnd, kan de lichtverdeling zoals gewoonlijk worden ingesteld.

LED-koplampen: koplampafstelapparaat uitlijning op de lens

Helemaal niet nuttig

Zeer nuttig

Onderdelenzoeker

Kenteken Handmatige voertuigidentificatie OE-nr.

Onderdelenzoeker

Eenvoudige voertuigidentificatie met Kenteken Bepaal ook de reserveonderdelen met OE-nummers Gedetailleerde productinformatie Vind groothandels bij u in de buurt