Optische Technologien im Automobil

Transkript

1 Lichttechnisches Institut 1 Optische Technologien im Automobil von Dr. Sommersemester 2009

2 Inhalt 2 Scheinwerfer-Design Typische Lichtquellen Spektren der Lichtquellen Wirkungsgrade Lichtlenkung bei Scheinwerfern Übersicht über aktuelle Scheinwerfer

3 Lichtquellen Lichtquellen 3 Festkörperlampen Entladungslampen Lumineszenz Temperaturstrahlung Glimmentladung Bogenentladung Elektrolumineszenz chemisch elektrisch Glimmlampen mit Kolben frei Laser LEDs OLEDs EL-Folien Flammen Glühlampen Halogenglühlampen Glimmlampen Hochdruckentladung Niederdruckentladung Kohlebogenlampen

4 Halogenglühlampen Halogenkreisprozess Längere Lebensdauer Höhere Lichtausbeute Kleinere Bauform Wendeltemperatur ca K Glastemperatur ca. 470 K 4 [Bilder: Handbuch der Beleuchtung]

5 Spektren von Lichtquellen 5 Spectral Distribution of Different Light Sources 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Wavelength [nm] D2 D4 A D65 LED

6 Wirkungsgrade LEDs 6 Luxeon kaltweis 5W 25,0 lm/w Luxeon kaltweiss 3W bei 700mA 25,0 lm/w Luxeon kaltweiss 1W 20,1 lm/w Luxeon warmweiss 1W 16,7 lm/w Nichia weiss 180mW ca. 30,0 lm/w Nichia warmweiss 100mW ca. 10,0 lm/w Osram weiss TOPLED 86mW 7,0 lm/w Osram Golden Dragon 2W 21,0 lm/w GELcore weiss TL 60mW 24,6 lm/w Cree XLamp W 75,7 lm/w lm / W

7 Ansteuerkonzepte für LEDs 7 R Luxeon kaltweiss 1W mit Widerstand 4,3 lm/w lm / W EVG Luxeon kaltweiss 1W mit EVG 16,7 lm/w

8 Wirkungsgrade Halogenglühlampen 8 lm / W

9 Technische Daten H1-Glühlampe 9 Norm: ECE-R 37 Nenndaten Spannung: 12 V Leistung: 55 W Lichtstrom: 1150 lm Prüfbedingungen Spannung: 13,2 V Leistung: 68 W Lichtstrom: 1550 lm Wirkungsgrad: 22,8 lm/w lm / W

10 Gasentladungslampen: Hochdrucklampe im Xenon -Scheinwerfer 10 D2-Lampe (Xenon Lampe): 50 bar Xenon (7 bar Kaltfülldruck) 20 bar Quecksilber <1 bar NaI, ScI 3 Technische Daten: Strom: 0.4 A, 400 Hz Rechteck Leistung: 35 Watt (85 V) Lichtstrom: 3200 lm (Start: 400 lm) Wirkungsgrad: 91 lm/w lm / W 4 mm

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12 Temperaturbereiche 12 Maximale Betriebstemperaturen im Fahrzeug Heckleuchten +55 C S3 Bremsleuchte und spezielle Heckleuchten +80 C Elektronik in Motornähe (zb: Xenon-Steuergerät) +105 C Temperaturbereiche Erweiterter Temperaturbereich -40 C bis +85 C Betriebstemperatur -30 C bis +70 C Innenraum -20 C bis +65 C (+100 C) Klimatest (in stromlosem Zustand, bei 95% Luftfeuchtigkeit) 12 Stunden bei 25 C, dann 12h bei 55 C 6 Tage am Stück [Quellen: BMW, DaimlerChrysler, Harman Becker Automotive Systems, Hella, Lumileds]

13 Thermik im Scheinwerfer 13 [Aus: L-LAB, Sascha Nolte]

14 Blendung 14 S: Sichtweite l: Begegnungsentfernung Scheinwerfer: asymetrisches Abblendlicht ( E ) Nebelscheinwerfer ( H 3 ) [Aus: Lichttechnik und optische Wahrnehmungssicherheit im Straßenverkehr, Eckert]

15 Lichtlenkungssysteme 15 Paraboloide Elipsoide Projektionssysteme Frei-Form-Flächen Lichtleiter Pixel Light (diskrete Verteilung) LED-Scheinwerfer (diskrete Verteilung)

16 16 Grundsätzlich gilt: I Scheinwerfer ~ L Lichtquelle A Austrittsoptik Verlustfaktoren Hierbei sind als Verlusfaktoren anzusetzen: Absorption, Relektionsgrad, optischer Wirkungsgrad, Streuanteile, etc...

17 Lichtlenkung mit Paraboloid und axialer Wendel 17 W: Wendel W 1/2 : Wendelabbild f: Brennpunkt R: Reflektor Je größer die Brennweite desto kleiner der Öffnungswinkel mit hohe Lichtstärke Je klener die Brennweite desto größer der Öffnungswinkel mit niedrige Lichtstärke [Aus: Handbuch der Beleuchtung]

18 Lichtlenkung mit H4-Lampen 18 [Aus: Handbuch der Beleuchtung]

19 Wendelbilder auf der Straße 19 [Aus: Handbuch der Beleuchtung]

20 Streuscheiben bei Paraboloid-Reflektoren 20 [Aus: Handbuch der Beleuchtung]

21 Lichtlenkung bei tangentialer Wendellage 21 A: Wendel Abblendlicht F: Wendel Fernlicht W 1/2 : Wendelabbild f: Brennpunkt Y 1, y 2 : Brennweiten R: Reflektor [Aus: Handbuch der Beleuchtung]

22 Freiformflächen-Reflektor 22 Hoher Wirkungsgrad: Alles Licht kann genutzt werden Freiflächen Optik (Complex Shape Optic)

23 Complex shape Optiken 23 Richtung der Berechnung Von der Lichtverteilung zur Lichtquelle

24 24 Wendelbilder beim Freiform-Scheinwerfer

25 25 Diese Technik ermöglicht es, auch komplexe Leuchtdichtestrukturen umzusetzen! Quelle: Ries, Muschaweck, OEC AG, Maßgeschneiderte Beleuchtungssyteme, Photonic 2004

26 Lichtlenkung mit Ellipsoid - Reflektor bzw. 26 Projektionsscheinwerfer W: Wendel W : Wendelabbild F: Brennpunkte R: Reflektor [Aus: Handbuch der Beleuchtung]

27 27 Prinzipieller Aufbau des Projektionsscheinwerfers

28 Lichtlenkung bei Projektionssystemen 28 W: Wendel W : Wendelabbild F: Brennpunkte R: Reflektor L: Linse O: optische Achse

29 Projektionssysteme und deren Blenden 29 Vorteile: Rechts-Links-Verkehr Umschaltung Fern- und Abblendlicht mit einer Lichtquelle Verschiedene Lichtverteilungen Sehr gleichmäßige Lichtverteilung Nachteile: Lichtstromverlust Mechanik Gewicht Bautiefe

30 30 Lichtlenkung bei Projektionsscheinwerfern mit Blenden W: Wendel W : Wendelabbild F: Brennpunkte R: Reflektor L: Linse O: optische Achse B: Blende

31 Beispiel eines Projektionsscheinwerfers 31 [Aus: Hella, Research & Development Review 1997]

32 Freiform Walze 32 [Aus: Hella]

33 Freiform Drehscheiben-Reflektor 33 [Aus: Valeo]

34 Schwenkmodul 34 [Aus: Automotive Lighting]

35 Scheinwerfer mit LED 35

36 Scheinwerfer mit LED 36

37 Lichtlenkung durch Lichtleiter 37 [Aus: Hella, Research & Development Review 1997]

38 Lichtleiter - spektrale Transmission 38 [Aus: Hella, Research & Development Review 1997]

39 Lichtleiter - Temperaturabhängigkeit 39 [Aus: Hella, Research & Development Review 1997]

40 Lichtleiter - Feuchte 40 [Aus: Hella, Research & Development Review 1997]

41 DMD-Chip 41

42 Pixel Light - schematischer Aufbau 42

43 Pixel Light - Demonstration 43

44 LED-Scheinwerfer mit diskreter Verteilung Bezeichnungen: Voxel-Light Matrix Beam eine LED pro Raumwinkelsegment jede LED individuell ansteuerbar 44

45 AFS-Funktionen 45 Bezeichnungen: Advanced Front Lighting System Intelligent Light

46 Schlechtwetterlicht 46 [Aus: AFS Task Force]

47 Kurvenlicht - Schwenkstrategien Schwenkstrategien: Parallel Einseitig Divergent 47

48 Abbiegelicht 48

49 Optimierungsmöglichkeiten eines Bi-Halgenscheinwerfers Quelle: Markus Kiesel, The Bihalogen Projector Changes and Challenges, SP 2223, Automotive Lighting Technology, 2009, SAE World Congress, Detroit April 2009

50 Lichtströme moderner Scheinwerferlampen 50

51 51 Nach Kiesel haben typische Projektionsscheinwerfer eine Linse mit einem Durchmesser von 70mm und eine rückseitige Brennweite von 55mm. Wie schon zuvor dargestellt bewirkt eine Vergrößerung des Linsendurchmessers eine Steigerung der Lichtstärke; Bezogen auf o.g. Scheinwerfer resultiert aus einer Vergrößerung des Linsendurchmessers um1mm eine Steigerung der maximale Lichtstärke des Fernlichts von 1% bis 2%.

52 52 Weiterhin pro 1mm Linsenvergrößerung nimmt der Lichtstrom auf der Straße (nutzbare Lichtstrom) um 2% zu, das bedeutet eine Steigerung der Effizienz. Projektionsscheinwerfer mit 70mm Linsendurchmesser habe eine Effizienz von ca. 49.5%; Projektionsscheinwerfer mit 75mm Linsendurchmesser habe eine Effizienz von ca. 55.2%;

53 Vorteile größerer Linsendurchmesser 53

54 54 Mit der Vergrößerung des Linsendurchmessers Steigt auch das Gewicht der Linse mit ca 6.5g pro 1mm größerem Durchmesser; Zudem verlängert sich auch die Gesamtlänge des Projektionssystems obwohl die Brennweite unverändert bleibt. Die betrifft besonders Scheinwerferkonstruktionen bei denen alternativ sowohl Halogen- als auch Gasentladungslampen zum Einsatz kommen sollen. Zudem höheres Gesamtgewicht ist kritisch hinsichtlich Vibrationen und Testsbezüglich des Fußgängerschutzes.

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56 56 Verkleinerung der Brennweite der Linse um 1mm steigert den nutzbaren Lichtstrom um ca 10lm bis 12lm das bedeutet eine Effizienzsteigerung um ca 0.7% bis 0.8%; Demgegenüber nimmt gleichzeitig die maximale Fernlichtstärke um ca 1.5% ab. Die Verkürzung der Linsenbrennweite erhöht das Gewicht um ca 2g per 1mm;

57 57 Das Diagramm zeigt die Abhängigkeit von der Brennweite

58 58 Bei der hier diskutierten Lösung erreichte der Scheinwerfer mit einem Linsendurchmesser von 75mm und einer Brennweite von 57mm einen brauchbaren Kompromiss hinsichtlich des nutzbaren Lichtstromes und der maximalen Lichtstärke des Fernlichts: Erreicht wurden 800lm nutzbare Lichtstrom und eine Lichtstärke des Fernlichtes von cd bei gewährleisteter Austauschbarkeit mit dem Modul mit der Gasentladungslampe.

59 59 Zum Abschluss noch einige Impressionen

60 LED-Scheinwerfer [Aus: Hella, Lukas Schwenkschuster, 2003]

61 LED-Scheinwerfer [Bilder: IAA 2003]

62 LED-Scheinwerfer [Bilder: IAA 2003]

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64 LED-Scheinwerfer IAA [Bilder: IAA 2005]

65 LED Scheinwerfer IAA [Bilder: IAA 2005]

66 LED-Scheinwerfer Audi R8 66 [Bild: Audi]

67 LED-Scheinwerfer Audi R8 67 [Bilder: Audi]

68 Scheinwerfer IAA

69 Scheinwerfer IAA Mini 69

70 Scheinwerfer IAA Mini Detail 70

71 LED-Leuchten 71

72 Literaturangaben 72 Licht und Beleuchtung, Hans-Jürgen Hentschel, Hüthig Buch Verlag GmbH, 2002 Handbuch der Beleuchtung, Horst Lange, ecomed Verlagsgesellschaft, 5. Auflage, 1992 Grundlagen der Lichttechnik, Siegfried Kokoschka, Karlsruhe 2003 Grundlagen der Lichttechnik aus fahrzeugtechnischer Sicht, Karsten Klinger, Karlsruhe 2003 Vorlesungsunterlagen zu Automobile Licht- und Displaytechnik Karlsruhe 2005 Lichttechnik und optische Wahrnehmungssicherheit im Straßenverkehr, Eckert Verlag Technik, 1993 Markus Kiesel, The Bihalogen Projector Changes and Challenges, SP 2223, Automotive Lighting Technology, 2009, SAE World Congress, Detroit April 2009