Fahrzeugbeleuchtung Scheinwerfer

Transkript

1 Fahrzeugbeleuchtung Scheinwerfer Karsten Köth Stand:

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

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

4 Lichtquellen Lampe Φ / lm T / h R H H H H HB D2S Luxeon

5 Leuchtdichteverteilungen Halogenglühlampe 55 W H7 Gasentladungslampe Osram D2S Light Emitting Diode Luxeon , , ,5 L [Mcd/m²] Φ H 7 = 1.500lm L [Mcd/m²] Φ D2 = 3.400lm L [Mcd/m²] Φ LED = 40lm

6 Einige Eigenschaften der Lichtquellen Halogenlampe LED GDL Lichtausbeute 25 lm/w 25 lm/w 85 lm/w Geometrie Scharf begrenzt Scharf begrenzt Diffus auslaufend Mittlere Leuchtdichte ~ 19 Mcd/m² 2 Mcd/m² ~ 41 Mcd/m² Spektrum Kontinuierlich Peak und Hügel Linien Farbtemperatur ~ K ~ K ~ K Infrarotanteil Hoch Gering Gering Weitere Elektronik Nein Ja Zündgerät

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

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

9 Wirkungsgrade LEDs 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 Cree Xlamp 1W 75,0 lm/w DRAGON-X DX1-W ,2W 37,5 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 GELcore weiss TL 60mW 24,6 lm/w

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

11 Wirkungsgrade Halogenglühlampen

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

13 Hochdrucklampe im Xenon -Scheinwerfer 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: lm (Start: 400 lm) Wirkungsgrad: 91 lm/w 4 mm

14 Temperaturbereiche Maximale Betriebstemperaturen im Fahrzeug Heckleuchten +55 C S3 Bremsleuchte und spezielle Heckleuchten +80 C Elektronik in Motornähe (z.b: 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]

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

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

17 Lichtlenkung mit Paraboloid und axialer Wendel W: Wendel W : Wendelabbild F: Brennpunkt R: Reflektor [Aus: Handbuch der Beleuchtung]

18 Lichtlenkung mit Paraboloid im Detail F Wendel

19 Lichtlenkung mit H4-Lampen W: Wendel W : Wendelabbild F: Brennpunkt R: Reflektor A: Abdeckkappe [Aus: Handbuch der Beleuchtung]

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

21 Streuscheiben bei Paraboloid-Reflektoren 1: Brechende Optik 2: Streuende Optik [Aus: Handbuch der Beleuchtung]

22 Lichtlenkung bei tangentialer Wendellage A: Wendel Abblendlicht B: Wendel Fernlicht W : Wendelabbild F: Brennpunkt R: Reflektor [Aus: Handbuch der Beleuchtung]

23 Lichtlenkung mit Elipsoid-Reflektor W: Wendel W : Wendelabbild F: Brennpunkte R: Reflektor [Aus: Handbuch der Beleuchtung]

24 Lichtlenkung bei Projektionssystemen W O F1 R F2 L W: Wendel W : Wendelabbild F: Brennpunkte R: Reflektor L: Linse O: optische Achse

25 Lichtlenkung mit Blenden W O R L F1 F2 W: Wendel W : Wendelabbild F: Brennpunkte R: Reflektor L: Linse O: optische Achse B: Blende

26 Projektionssysteme und deren Blenden Vorteile: Rechts-Links-Verkehr Umschaltung Fern- und Abblendlicht mit einer Lichtquelle Verschiedene Lichtverteilungen Nachteile: Lichtstromverlust Mechanik Gewicht

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

28 Blende Projektionsmodul [Aus: Hella]

29 Lichtverteilung Projektion ABL und FL

30 Freiform Walze [Aus: Hella]

31 Freiform Drehscheiben-Reflektor [Aus: Valeo]

32 Schwenkmodul [Aus: Automotive Lighting]

33 Freiformflächen-Reflektor Hoher Wirkungsgrad: Alles Licht kann genutzt werden Klarglasoptik

34 Lichtstromlenkung bei Freiformflächen [Aus: Hella]

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

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

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

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

39 DMD-Chip

40 Pixel Light - schematischer Aufbau

41 Pixel Light - Demonstration

42 LED-Scheinwerfer mit diskreter Verteilung Bezeichnungen: Voxel-Light Matrix Beam Eine LED pro Raumwinkelsegment Jede LED individuell ansteuerbar

43 Motivation für Lichtverteilungen Begrenzter Lichtstrom / Energieverbrauch Kompromiss: Leistung zu Blendung Driving Beam Passing Beam ECE / SAE Regelungen Nur statischer Fall Fahrzeugdynamik: Kurvenlichtscheinwerfern Keine Kuppen/Senken Keine Fahrzeugneigung

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

45 Fernlicht-Scheinwerfer

46 Abblendlichtverteilung

47 Fernlichtverteilung Nutzungshäufigkeit in Europa: 3% während der Nacht Nur 25 % von allen für Fernlicht möglichen Situationen

48 Fotometrische Anforderungen Hot-Spot: hohe Beleuchtungsstärken (> 10 lx) Breite Ausleuchtung (> 1 lx / 3 lx / 5 lx) Hell-Dunkel Grenze > 20:1 bei +/-5H Nur geringes Streulicht oberhalb der Hell-Dunkel-Grenze

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

50 Schlechtwetterlicht [Aus: AFS Task Force]

51 Kurvenlicht - Schwenkstrategien Schwenkstrategien: Parallel Einseitig Divergent

52 Abbiegelicht

53 Fernlichtkonzepte Aktuelle Konzepte Fernlichtassistent Gleitende Leuchtweite Maskiertes Dauerfernlicht Matrix-Beam Pixellicht Fernlicht Schatten Verkehrsteilnehmer Abblendlicht Abbildung 12 Übersicht verschiedener Konzepte mit blendfreiem Fernlicht, zum Vergleich ist zusätzlich der Fernlichtassistent und das Pixellicht ebenfalls beschrieben. Das Abblendlicht ist aus Gründen der Erklärbarkeit ohne Asymmetriezweig eingezeichnet. [Aus: Dissertation Benjamin Hummel, 2009]

54 Grundlagen der Lichtverteilung Soll Betrachtungsbereich des Fahrers bei Tag messen Für Fahrzeugführung relevante Bereiche erkennen Kompromiss suchen Notwendige Kontraste berechnen Maximale Blendwerte festlegen LVK berechnen LVK segmentieren (Kurven, Kuppen, Geschwindigkeiten,...) Ist Technisch und wirtschaftliche einfache mögliche Lösungen Übergangszeit Bewertungsvorschriften für Scheinwerfer (CIE, NCAP,...)

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

56 LED-Scheinwerfer 2003 [Bilder: IAA 2003]

57 LED-Scheinwerfer 2003 [Bilder: IAA 2003]

58 LED-Scheinwerfer IAA 2005 [Bilder: IAA 2005]

59 LED Scheinwerfer IAA 2005 [Bilder: IAA 2005]

60 Scheinwerfer IAA 2005

61 LED-Scheinwerfer Audi R8 [Bild: Audi]

62 LED-Scheinwerfer Audi R8 [Bilder: Audi]

63 Matrix-Beam Scheinwerfer 2009 [Aus: Dissertation Benjamin Hummel, 2009]

64 Matrix-Beam Scheinwerfer (Nanolux) 2009 Abbildung 21 Nanolux-Scheinwerfer und das Osram LED-Ar [Aus: Dissertation Benjamin Hummel, 2009]

65 neun Golden DRAGONs gebildet und schließt den Scheinwerfer zur Motorhaube hin ab. Das Tagfahrlicht besteht aus acht Golden DRAGONs und rahmt das Abblendlicht zusammen mit dem Nanolux-Scheinwerfer Aufbau Blinker ein. Gedimmt auf 10% kann das Tagfahrlicht ebenfalls als Positionslicht genutzt werden. Fernlichtmodul Lüfter Abschlussscheibe Designblende mit Lichtleiter Lüfter Abblendlichtmodul Abbildung 22 Explosionszeichnung Nanolux-Scheinwerfer. Mit der freundlichen Bereitstellung der Fa. Hella KG a.a. Hueck & Co. Das Abblendlicht wird hinter dem Linsenarray erzeugt. Fünf Multichip-LEDs mit je fünf Chips bilden die Grundlichtverteilung. Der Asymmetriezweig wird allein aus einer weiteren Multichip- [Aus: Dissertation Benjamin Hummel, 2009]

66 Scheinwerfer IAA Mini

67 Scheinwerfer IAA Mini Detail

68 LED-Leuchten