Die Lichttechnik im Audi R8 LED Scheinwerfer Dr. Ralf Ackermann, Automotive Lighting Reutlingen. In den letzten Jahren ist die Effizienz von LED Lichtquellen (LED = Light Emitting Diode) stark angestiegen. Dies hatte zur Folge, dass der Einsatz von gelben und roten LEDs in Heckleuchten inzwischen Stand der Technik ist. Dies ermöglicht den Designern neue Stylingmöglichkeiten, die mit konventionellen Leuchtmitteln nicht denkbar sind. Die Entwicklung von weißen LEDs ist in einem Stadium, dass deren Einsatz als Signalfunktion im Scheinwerfer in mehreren Serienprojekten umgesetzt wurde. Der nächste Schritt ist nun, weiße LEDs in den Hauptfunktionen Abblend und Fernlicht einzusetzen. Das erste Fahrzeug, in dessen Scheinwerfer für alle Funktionen LEDs verwendet werden, ist der Audi R8. Einleitung Im Scheinwerfer werden die Farben weiß und gelb verwendet. Diese Farben werden in LEDs mit unterschiedlichen Methoden erzeugt. Im Gegensatz zu Glühlampen sind LEDs Halbleiterbauelemente. Nach dem Anlegen der Flussspannung emittiert die LED Licht aus dem Halbleitermaterial. Die Lichtfarbe wird durch den Abstand zwischen Valenz und Leitungsband bestimmt. Gelb entsteht direkt in der LED mit Aluminium Indium Galliumphosphid (AlInGaP) als Basismaterial. Der effektivste Weg, aus einer LED weißes Licht für Scheinwerfer Anwendungen zu generieren, ist die Phosphorkonversion. Eine blaue Diode (Indium Gallium Nitrit) erzeugt in Verbindung mit dem aufgebrachten Konvertermaterial die Kombination blau und gelb, also weißes Licht. Lichttechnik In der Fahrzeuglichttechnik werden zwei Funktionsbereiche unterschieden. Leuchten haben eine Signalwirkung, sie sollen durch ihr Aufleuchten eine Information in den Straßenverkehr übermitteln. Im Frontscheinwerfer werden die Signalfunktionen von Positions, Seitenmarkierungs, Blink und Tagfahrleuchte erfüllt. Gleichzeitig soll der Scheinwerfer in den Hauptfunktionen Abblend und Fernlicht nicht nur hell sein, sondern die Straße in großer Entfernung auch hell machen. Dadurch ergeben sich grundsätzliche Unterschiede im erforderlichen Lichtstrom und auch in der Lichtverteilung. Neben der Forderung nach hohen Beleuchtungsstärken auf dem rechten Straßenrand in größerer Entfernung ist natürlich die Blendung von entgegenkommenden Fahrzeugen zu vermeiden. Tagfahrleuchte Der Audi R8 wird zu Beginn mit einem Bi Xenon Scheinwerfer ausgestattet sein. Aber auch in diesem Scheinwerfer ist die Funktion Tagfahrlicht mit LEDs als Lichtquelle umgesetzt. Die LEDs im Tagfahrlicht geben den Designern völlig neue Mittel an die Hand, ungewöhnliche Konturen und somit neue Erscheinungsbilder zu generieren. Dies hat bei der Tagfahrleuchte eine besondere Bedeutung, da die LEDs mit reduzierter Leistung und somit reduzierten Lichtwerten als Begrenzungslicht betrieben werden können. Die Wing Kontur beim Audi R8 ist immer beleuchtet, sobald die Zündung eingeschaltet ist. Im BiXenon Scheinwerfer sind 12 weiße OSRAM Advanced Power TopLEDs eingesetzt, die jeweils bei einem Strom von 140 ma und einer Spannung von 3,6 V betrieben werden. Um ein homogeneres Erscheinungsbild zu erhalten, werden beim Voll LED Scheinwerfer 24 weiße Osram Advanced Power TopLEDs verwendet, die räumlich enger positioniert sind. Das Licht der LEDs wird durch 24.08.2007 Audi Pressetext Word deutsch 10:19:24 1
Bild 1: Audi R8 mit BiXenon Scheinwerfer und LED Tagfahrlicht und als Voll LED Scheinwerfer. eine transparente Kunststoffoptik bebündelt und durchstrahlt einen Lichtleiter. Die Wing Kontur ist bei beiden Scheinwerfern markant, dennoch ist das Erscheinungsbild deutlich unterschiedlich. Der Kern des optischen Prinzips ist in beiden Scheinwerfern identisch. Das Licht der LEDs wird durch eine Vorsatzoptik eingefangen, durch die Freiformgeometrie der Vorsatzoptik wird die Lichtverteilung erzeugt. Beim Voll LED Scheinwerfer muss die Vorsatzoptik in Kombination mit dem Lichtleiter die gewünschten Lichtwerte erzeugen. Im Xenonscheinwerfer wird die Lichtverteilung allein durch die Vorsatzoptiken generiert. In Abbildung 2 ist das Prinzip der Vorsatzoptik dargestellt. Im Gegensatz zu konventionellen Lichtquellen strahlen LEDs nur in den Halbraum ab. Diese Eigenschaft der LEDs wird durch die Vorsatzoptik, einem Teil aus transparentem Kunststoff, konsequent ausgenutzt. Bild 2: Prinzip der Erzeugung der Lichtverteilung durch die Vorsatzoptik. 24.08.2007 Audi Pressetext Word deutsch 10:19:24 2
Durch die Vorsatzoptik wird alles in den Halbraum abgestrahlte Licht eingefangen. Dadurch wird eine optische Effizienz von 85% erreicht. Dies entspricht nicht der Effizienz des Gesamtsystems, da Abdeckscheibe und andere Abschattungen noch nicht berücksichtigt sind. Dennoch ist die Systemeffizienz von LED Systemen durch Lampensystem nicht erreichbar. Blinkleuchte Die Blinkleuchte setzt die Kontur des Wings im oberen inneren Bereich des Scheinwerfers fort. Es kommen acht gelbe Luxeon K2 LEDs zum Einsatz, die jeweils bei einem Strom von 350 ma und einer Spannung von 3,2 V betrieben werden. Bild 3: Blinkleuchte im R8 Voll LED Scheinwerfer. Optisches Prinzip der Blinkleuchte. Auch in der Blinkleuchte werden Vorsatzoptiken verwendet, die einen sehr konzentrierten Lichtstrahl erzeugen. Die Lichtverteilung wird mit einer vor den Optiken positionierten Kissenoptik erzeugt. Die Effizienz des Systems LED, Vorsatzoptik und Kissenoptik beträgt ca. 70%. Durch die Kissenoptik wird ein homogenes Erscheinungsbild der Blinkleuchte erzeugt. Abblendlicht Für die Hauptfunktionen wird ein sehr viel höherer Lichtstrom als für die Signalfunktionen benötigt. Es werden neuartige Mehrchip LEDs der Firma LumiLeds, San Jose, USA eingesetzt. In Abbildung 4 ist die typische Abblendlicht Lichtverteilung dargestellt. Bild 4: Typische Abblendlichtverteilung auf einer Wand. Diese lässt sich in zwei Bereiche unterteilen: 24.08.2007 Audi Pressetext Word deutsch 10:19:24 3
Der gelbe Bereich ist die symmetrische Grundlichtverteilung mit großer Streubreite und homogener Ausleuchtung des Bereichs vor dem Fahrzeug. Der rote Bereich im Zentrum der Lichtverteilung ist der Abblendlicht Spot. Dieser ist der Grundlichtverteilung überlagert, hat sehr hohe Beleuchtungsstärken und sorgt für die Reichweite des Abblendlichts. Für die beiden Bereiche der Lichtverteilung werden verschiedene optische Methoden eingesetzt. Die Grundlichtverteilung wird durch zwei Multichip LEDs mit jeweils vier Leuchtdioden, die in zwei Freiformreflektoren leuchten, erzeugt. Für den Abblendlichtspot wird ein Projektionssystem verwendet. Das Licht dreier Multichip LEDs mit jeweils zwei Leuchtdioden wird durch drei Primäroptiken gebündelt und durch eine Projektionslinse abgebildet. Um die Qualität der Hell Dunkelgrenze zu gewährleisten, befindet sich eine Blende im optischen System. Die optische Effizienz des LED Abblendlichts beträgt 45%. Die Effizienz eines BiXenon Systems beträgt 33%. Dies lässt sich durch den Charakter der LED erklären, die ihr Licht nur in den Halbraum abgeben und nicht, wie konventionelle Lichtquellen, den gesamten Raum beleuchten. Der Lichtstrom eines Xenon Abblendlichts auf der Straße beträgt zwischen 800 und 1000 lm. Der Lichtstrom der Xenon Lampe beträgt 3300 lm. Um mit einem LED Abblendlicht den gleichen Lichtstrom auf die Straße zu bringen, wird aufgrund der höheren Effizienz des LED Systems weniger Lichtstrom in den LEDs benötigt. Die LEDs müssen nur einen Lichtstrom zwischen 1750 lm und 2200 lm zur Verfügung stellen, um 800 bis 1000 lm auf die Strasse zu bringen. Beim Serienanlauf des R8 werden die Abblendlicht LEDs einen von ca. 2000 lm liefern. Das LED Abblendlicht im Audi R8 wird Xenon Performance erreichen. Fernlicht Das Fernlicht wird aus zwei Reflektorschalen erzeugt, die neben dem Abblendlicht, zwischen Tagfahr und Blinklicht angeordnet sind. Auch hier werden Multichip LEDs mit vier Leuchtdioden eingesetzt. Die Beleuchtungsstärke des Fernlichts wird die Beleuchtungsstärke eines BiXenon Moduls übertreffen. Abblendlichtmodul Fernlichtmodul Bild 5: Audi R8 LED Scheinwerfer mit eingeschalteten Abblend und Fernlicht. 24.08.2007 Audi Pressetext Word deutsch 10:19:24 4
Leistungsaufnahme Die benötigten Leistungen für jede Lichtfunktion hängt von verschiedenen Faktoren ab. Zu einem ist dies die Effizienz der Lichtquelle in Lichtstrom pro verbrauchter Leistung (lm/w). Zum anderen spielt aber auch die Effizienz des optischen Systems eine wichtige Rolle, da am Ende nur das Licht, das den Scheinwerfer verlässt und zur geforderten Lichtverteilung beiträgt, wichtig ist. Dies soll am Beispiel des Abblendlichts verdeutlicht werden. Eine Xenon Lampe hat eine Effizienz von 90 lm/w. Die Effizienz des optischen Systems beträgt 33 %. Die Leistungsaufnahme eines LED System mit gleichem Lichtstrom auf der Straße wird also erreicht, wenn die Effizienz der LED ca. 65 lm/w erreicht. Dies liegt an der weitaus höheren Effizienz des LED Abblendlichts im vergleich zum Xenon Abblendlicht. In Abbildung 6 ist ein Szenario für eine Roadmap der LED Effizienz gezeigt. 140 120 Effizienz [lm /W] 100 80 60 40 20 0 2005 2007 2009 2011 2013 2015 2017 2019 Jahr Bild 5: Szenario der Entwicklung der LED Effizienz. Die Effizienz heutiger Hochleistungs LEDs liegt zwischen 30 und 40 lm/w. Dadurch ist die Leistungsaufnahme eines heutigen LED Abblendlichts höher als bei einem Xenon Abblendlicht. Die Leistungsaufnahmen werden möglicherweise noch in diesem Jahrzehnt vergleichbar werden. Die LED bietet aber das Potenzial den Spritverbrauch zukünftig zu reduzieren. Ein geringerer Spritverbrauch ist bei den Signalfunktionen heute schon gegeben. So verbraucht das LED Tagfahrlicht im Audi R8 ca. 7W, wohingegen eine mit einer Glühlampe ausgestattete Tagfahrleuchte ca. 25 W verbraucht. Zusammenfassung und Ausblick Die LED Technologie im Scheinwerfer befindet sich am Anfang der Entwicklung. Sie verspricht großartige Möglichkeiten für die Zukunft. Es werden neue Designmöglichkeiten geschaffen. Aber es gibt auch technische Vorteile wie z.b. die hohe Lebensdauer der LEDs, der niedrigere Spritverbrauch in der Zukunft oder die Reuzierung des benötigten Bauraums. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, durch einzeln adressierbare LEDs auf einem LED Array der Fahrsituation angepasste Lichtverteilungen zu erzeugen, ohne Teile im 24.08.2007 Audi Pressetext Word deutsch 10:19:24 5
Scheinwerfer mechanisch bewegen zu müssen. Wir sind auf dem Weg zum elektronischen Scheinwerfer und der Audi R8 ist der erste Schritt dazu. Der Autor: Dr. Ralf Ackermann leitet das Team LED in der Abteilung Innovation bei Automotive Lighting in Reutlingen. 24.08.2007 Audi Pressetext Word deutsch 10:19:24 6