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Bild 1: Verteilung der Leuchtdichte (L) einer Osram Ostar Headlamp Pro mit fünf UX:3-Chips: Enge Chipabstände und die homogene Lichtverteilung innerhalb der Chips erzeugen eine quasi durchgehende Leuchtfläche.

Bild 1: Verteilung der Leuchtdichte (L) einer Osram Ostar Headlamp Pro mit fünf UX:3-Chips: Enge Chipabstände und die homogene Lichtverteilung innerhalb der Chips erzeugen eine quasi durchgehende Leuchtfläche. Osram Opto Semiconductors

Eine Autobahnfahrt zeigt, welches Ideenfeuerwerk die LED-Technik bei Designern entfacht. Lichtlinien verraten bei Tag von weitem, welcher Autotyp herannaht, Blinker fügen sich nahtlos mit ein. Nachts ergänzen Abblend- und Fernlichter das Ensemble. Hauptmotivation für den Einsatz von LEDs ist neben deren High-Tech-Image und Energieeffizienz vor allem die Möglichkeit, dem Fahrzeug einen unverkennbaren Anblick zu verleihen.

Leuchtdioden haben aber auch handfeste technische Vorteile. Im April 2013 zertifizierte die EU einen LED-Scheinwerfer als Effizienztechnologie und bescheinigte der Technik im Vergleich zur konventionellen Halogenvariante eine 40 Prozent geringere Leistungsaufnahme. Eine LED hält in der Regel deutlich länger als die 4000 Stunden, die ein Auto – selbst bei einer Fahrleistung von 200.000 Kilometern – insgesamt auf der Straße verbringt (angenommene durchschnittliche Geschwindigkeit 50 km/h). Neue adaptive Funktionen wie Kurven- und Abbiegelicht oder blendfreies Fernlicht lassen sich mit LEDs leichter realisieren. Statt eine Lampe mechanisch zu bewegen, schaltet man einfach einzelne Lichtpakete zu oder ab. Weil die Farbtemperatur der LED mit 5000 bis 6000 Kelvin dem Tageslicht sehr nahe kommt, werden Autofahrer zudem weniger schnell müde.

Stylisches Licht auch für die Mittelklasse

Sah man die stylischen Scheinwerfer bisher im gehobenen Fahrzeugsegment, so ziehen sie nun in die Mittelklasse ein. Eine ähnliche Entwicklung ist bei Zweirädern zu erwarten, wo ebenfalls erste Fahrzeuge mit LED-Technik verfügbar sind. Grund sind neben der wachsenden Erfahrung der Lichtdesigner vor allem die schnellen Helligkeitssteigerungen der LEDs. 2008 lieferte eine 5-Chip-LED 500 lumen (lm) Helligkeit. Im Labor erzielte man 2009 und 2011 bereits Rekordwerte von 1000 lm beziehungsweise 1500 lm. Hohe Lichtleistungen wurden so erschwinglich.

Herausforderung für die Entwickler

Von den Designern verlangt diese Ausweitung des Markts immer schneller neue Lösungen. Damit wird ihre Freiheit, eine Frontleuchte aus vielen kleinen Lichtquellen zu gestalten, gleichzeitig zur Krux.

Bild 2: Die Osram Ostar Headlamp Pro behält auch bei hohen Strömen über lange Zeit ihre Helligkeit. Gezeigt ist der Helligkeitsverlauf für verschiedene Ströme bei einer Platinen-Temperatur von 85 °C (Ausfallkriterium B50/L70: Die Helligkeit der Hälfte al

Bild 2: Die Osram Ostar Headlamp Pro behält auch bei hohen Strömen über lange Zeit ihre Helligkeit. Gezeigt ist der Helligkeitsverlauf für verschiedene Ströme bei einer Platinen-Temperatur von 85 °C (Ausfallkriterium B50/L70: Die Helligkeit der Hälfte alOsram Opto Semiconductors

Den Entwicklern stehen für die vielen Lichtfunktionen viele verschiedene Multi- und Einzelchip-LEDs zur Verfügung. Ihrem Bedürfnis, bestehende Set-Ups schnell auf neue Lichtdesigns zu übertragen, steht die stetige Weiterentwicklung der LED gegenüber. Diese Verbesserungen lassen sich nur dann gewinnbringend umsetzen, wenn LED-Hersteller bei aller Innovation größtmögliche Kontinuität wahren. Wichtig ist außerdem, viele Design-Aspekte bereits im Bauteil abzufangen.

Innovation und Kontinuität

Die Osram Ostar Headlamp Pro ist ein Beispiel für die behutsame Einführung von Innovation. Das Modul ist eine Weiterentwicklung der Osram Ostar Headlamp, einer der ersten Multichip-LEDs für Autoscheinwerfer überhaupt. Die Anschlussflächen beider Bauteile sind voll kompatibel, doch im Detail hat sich einiges geändert: In der Headlamp Pro leuchtet die neuste Generation von Dünnfilm-Chips, basierend auf der UX:3-Technologie. Sie zeigen bei hohen Strömen kaum Effizienzverluste, und ihre Oberflächen strahlen sehr homogen, was für Scheinwerfer besonders wichtig ist. Das Bauteil ist wahlweise mit zwei bis fünf identischen Chips bestückt, die jeweils typische 280 lm bei 1 A Strom liefern. So entstehen unterschiedlich helle, aber anschlussgleiche Lichtpakete von gut 500 lm – beispielsweise für ein Kurvenlicht – bis über 1250 lm, einer realistischen Mindesthelligkeit für ein ECE-Abblendlicht.

LED integrieren Design-Aufgaben

Ein wichtiger Aspekt für LED-Fahrlicht ist eine homogene Ausleuchtung der Straße. Die Optiken für die kleinen Lichtquellen haben einen hohen Vergrößerungsfaktor, so dass beispielsweise große Abstände zwischen einzelnen Chips oder LED als dunkle Streifen sichtbar werden. Am besten fangen LED-Module diesen Effekt ab, deren Chips präzise und eng bestückt sind. Die fünf Chips der Osram Ostar Headlamp Pro erzeugen beispielsweise eine quasi zusammenhängende Leuchtfläche (Bild 2). Erreicht wurde dies durch maximal 0,1 mm große Chipabstände und durch die homogen leuchtende UX-3-Technologie. Für einen präzisen Einbau in das Gesamtsystem ist der Keramikträger mit den Chips auf einer Metallkernplatine montiert, die mit eng tolerierten Positionierlöchern ausgestattet ist.

Die LED erleichtert auch die Realisierung der vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Hell-Dunkel-Grenze für das Abblendlicht. Ein Rahmen um die Chips und eine spezielle Vergusstechnik erzeugen eine klar definierte Strahlform. Legt man die Optik entsprechend aus, können die heute üblichen externen Shutter entfallen.

Thermisches Management

Maßgeblich beim Design ist auch das thermische Management. Hochleistungs-LEDs sind zwar sehr effizient, entwickeln aber dennoch bei den hohen Betriebsströmen viel Wärme. Ihre Helligkeit sowie Lichtstrom, Lichtfarbe und Spannung ändern sich mit der Temperatur der aktiven Schicht (Tj). Je stabiler sich diese Parameter verhalten, desto einfacher ist das Systemdesign. Das Beispiel Osram Ostar Headlamp Pro zeigt, was man hierzu bereits im Bauteil erreichen kann. Unter anderem dank spezieller Keramiken zur Lichtkonversion verliert diese LED bei einer Sperrschichttemperatur (Tj) zwischen 25 und 100 °C nur zehn Prozent Helligkeit. Der Effekt ist so klein, dass er für das Design in der Regel nicht mehr relevant ist.

Bild 3: Ein Überblick - Multichip-LED und Einzelchip-LED finden ihren Einsatz in der Auto-Frontbeleuchtung. Im Vordergrund die Osram Ostar Headlamp Pro, von links nach rechts: Oslon Compact, Oslon LX und Oslon Black Flat.

Bild 3: Ein Überblick - Multichip-LED und Einzelchip-LED finden ihren Einsatz in der Auto-Frontbeleuchtung. Im Vordergrund die Osram Ostar Headlamp Pro, von links nach rechts: Oslon Compact, Oslon LX und Oslon Black Flat. Opto Semiconductors

Selbst bei hohen Strömen und über lange Betriebszeiten behält die LED hohe Helligkeitswerte (Bild 2). Nach 4.000 bis 10.000 Stunden, also der typischen beziehungsweise höchsten Einsatzdauer im Auto, sinken sie im Mittel um maximal zehn Prozent. Ein Scheinwerfer lässt sich so leicht für eine jeweils hohe Betriebsdauer auslegen. Wichtig ist allerdings in jedem Fall, die Grundregeln für das Design mit und den Betrieb von elektrischen Bauteilen zu beachten. Hilfestellung bietet eine umfassende Anwendungsunterstützung.

Ein weiterer wichtiger Aspekt beim Design ist der Wärmewiderstand der LED. Er beschreibt die Erhöhung der Chiptemperatur mit steigender elektrischer Leistung. Bei Scheinwerfer-Anwendungen ist es sinnvoll, neben diesem elektrischen Wärmewiderstand zusätzlich einen realen Wert zu spezifizieren, der berücksichtigt, dass ein signifikanter Teil der elektrischen Leistung in Licht umgewandelt wird.

Einzel-LED: Hohe Freiheit, günstige Verarbeitung

Während Multichip-LEDs viele Aspekte des Scheinwerfer-Baus intern abdecken, bieten Einzel-Chip-Lösungen mehr Gestaltungsfreiheit. Ein Beispiel ist die Oslon Black Flat, die auf derselben Chip- und Konversions-Technologie beruht wie die Osram Ostar Headlamp Pro. Entsprechend liefert sie bei 1,2 A Strom mit typischen 280 lm Licht dieselben Helligkeiten und die gleichen hohen Leuchtdichten wie die Multichip-LED. Eine gelbe Variante im selben Gehäuse bedient Blinklichtanwendungen. Um mit gängigen SMT-Lötverfahren einfach langzeitstabile Lötstellen erreichen zu können, basiert das Bauteil auf einem Leadframe, dessen thermische Ausdehnung – im Gegensatz zu Keramikbauteilen –zum Verhalten der Platinen passt.

Ausblick: Intelligente Lichtfunktionen

Für Fernlichtsysteme, die in die Kategorie ADAS fallen, wird Osram in Kürze Multichip-LEDs mit einzeln ansteuerbaren Chips sowie Chip-Size-Einzel-LEDs für die nahezu nahtlose Gestaltung von Lichtflächen vorstellen. Osram Opto Semiconductors treibt die Weiterentwicklung intelligenter Scheinwerfer-Technologien auch als Koordinator eines im Februar gestarteten BMBF-Förderprojekts voran. Das drei Jahre laufende Vorhaben ist Teil des Themenfelds „Integrierte Mikrophotonik“ im Förderprogramm „Photonik Forschung Deutschland“.

Auf einen Blick

LED und ADAS
Die LED-Technik begleitet derzeit auch den Trend hin zu intelligenten kameragestützten Fahrlichtern. Beispiele sind Fernlichtsysteme, die bei Gegenverkehr automatisch diesen Bereich abblenden oder Systeme, die kritische Situationen am Straßenrand erkennen und ausleuchten. Mit LEDs lassen sich dafür einzelne Lichtsegmente einfach zu- oder wegschalten.

Michael Brandl

leitet im Bereich LED bei OSRAM Opto Semiconductors das Application Engineering für Automobil-, Projektions- und Consumerblitzlicht-Anwendungen.

(av)

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