„LED-Scheinwerfer“ – Versionsunterschied

LED-Scheinwerfer sind Scheinwerfer, bei denen Leuchtdioden (Light Emitting Diode, kurz LED) als Leuchtmittel eingesetzt werden.

Funktionsprinzip

Eine LED basiert auf Halbleiterverbindungen, die den Strom direkt in Licht umwandeln. Das erfolgt entweder direkt in verschiedenen Farben (einfarbige LED) oder indirekt mittels blauer, mit einem fluoreszierenden Leuchtstoff arbeitender LED (weißes Licht). Da die einzelnen LEDs im Vergleich zu Leuchtmitteln wie Glühlampen oder Gasentladungslampen einen geringeren Lichtstrom besitzen, werden mehrere bis über 100 LEDs zu einem Array zusammengeschaltet, wobei jede einzelne LED ihre eigene Bündelungsoptik besitzt.

Aufbau

Die LEDs werden einzeln mit Optiken (aus der transparenten Verkappung geformte Linsen, vorgesetzte Linsen, teilweise auch schlanke Parabolspiegel) kombiniert, um das Licht zu bündeln. Die einzelnen Abstrahlcharakteristiken mitteln sich mit ihren Fehlern (Ausrichtung und Abstrahlwinkel) zur Gesamt-Richtwirkung, die bisher jedoch noch weit geringer ist als diejenige, die mit Glühlampen oder Gasentladungslampen (Hochdruck-Kurzbogenlampen) erreichbar ist. Viele größere LED-Scheinwerfer benötigen einen Kühlkörper, um die darauf montierten temperaturempfindlichen LEDs ausreichend zu kühlen. Die LEDs werden in Gruppen in Reihe und diese wiederum parallel zu einem Array zusammengeschaltet und aus einer Konstantstromquelle (im einfachsten Fall ein Widerstand, bei größeren Scheinwerfern eine elektronische Schaltung oder ein Schaltregler, bei netzbetriebenen Scheinwerfern ein Vorschalt-Kondensator, ein Gleichrichter und ein Glättungskondensator) versorgt.

Die Elektronik ermöglicht nicht nur eine Helligkeitsregelung, sondern – bei gemischter Bestückung – auch die kontinuierliche Änderung der Lichtfarbe durch additive Farbmischung von LEDs der Grundfarben Rot, Grün und Blau.

Einsatz

LED-Scheinwerfer ersetzen zunehmend andere Scheinwerfer, weil sie langlebiger und gegenüber Glühlampen etwa zwei- bis dreimal effizienter sind und entsprechend weniger Wärmestrahlung aussenden. Anwendungsgebiete sind Lichtshows, Bühne und Diskotheken sowie auch Operationsleuchten. Die Lichtmikroskopie nutzt seit langem kleine LED-Strahler.

Kleine LED-Scheinwerfer ersetzen zunehmend Halogen-Kaltlichtspiegellampen für Netzbetrieb und für Betrieb an einem 12-Volt-Netztransformator, wie er auch für Halogen-Niedervolt-Systeme verwendet wird.

Ringförmige Leuchten aus vielen selbst bündelnden weißen oder einfarbigen LEDs werden auch bei der Objekterkennung in der Automatisierungstechnik eingesetzt.

LED-Infrarot-Scheinwerfer arbeiten mit im Nahen Infrarot strahlenden LEDs und werden bei der Objektüberwachung mittels Überwachungskameras eingesetzt.

Einheiten mit roten, grünen und blauen LED Gruppen sind in der Lage, fast jede Farbe zu erzeugen. Sie werden als Effektscheinwerfer für die Bühnenbeleuchtung eingesetzt. Vorteil: Keine Farbwechselmechanik notwendig und die Stromversorgung ist weniger aufwendig.

LED-Scheinwerfer an Kraftfahrzeugen

Bei der Kraftfahrzeugbeleuchtung lassen sich drei Grundtypen des LED-Einsatzes unterscheiden:

• Scheinwerfer, bei denen nur Zusatzfunktionen in LED-Technik ausgeführt sind, wie Standlicht/Positionslicht (Tagfahrlicht), Blinker, Bremslicht, Nebelschlusslicht, Rückfahrlicht, Kennzeichenbeleuchtung oder Rückleuchten.
• Scheinwerfer, die das Abblendlicht in LED-Technik realisieren.
• Voll-LED-Scheinwerfer, bei denen alle vorher genannten Funktionen sowie auch das Fernlicht in LED-Technik verwirklicht ist.

Weiterhin gibt es an Kraftfahrzeugen auch Blinker, Stand-/Positionslicht, Tagfahrlicht) und Hauptlichtfunktionen (Abblend-/Fernlicht) zu unterscheiden. Dabei werden die Funktionen in der Regel als Reflexionssystem, als Projektionssystem oder wie oftmals bei Blinkern oder Standlicht als Lichtbänder realisiert.

Historie von LEDs in der PKW-Außenbeleuchtung

Zuerst haben sich LEDs im Bereich der Innenbeleuchtung und den Rückleuchten verbreitet, da für eine Anwendung im Frontbereich sowohl die Farbtemperatur als auch die Lichtleistung noch nicht ausreichend war. Hier ist die Verwendung als dritte Rückleuchte zu nennen. Seit dem Jahre 2000 kommen LEDs auch vermehrt in Rückleuchten als normales Rücklicht, später als Bremslicht, Standlicht und Blinker vor, meist mit Reflexionsoptik.

1992 halten LEDs ihren Einzug in die Fahrzeugaußenbeleuchtung und werden erstmals in der so genannten dritten Bremsleuchte eingesetzt.

2000 kommen die ersten Kombinationsheckleuchten auf den Markt, in denen die normale Rücklichtfunktion von LEDs übernommen wird.

2003 präsentiert die Firma Hella auf der IAA in Frankfurt am Main den ersten Voll-LED-Hauptscheinwerfer, der die lichttechnischen Anforderungen des Gesetzgebers erfüllt.

2004 folgt der Serieneinsatz im Frontbereich. So integrierte erstmals die Firma Hella LEDs als Tagfahrlicht im Serienscheinwerfer des Audi A8 6.0. Weiterhin sind sie seit 2004 auch als separat angeordnetes Modul im Frontbereich verbaut. Hier sind die Modelle Audi S6 von der Firma odelo sowie Porsche 911 Turbo zu nennen.

2005 folgt ein weiterer Meilenstein in der Entwicklung hin zum Voll-LED-Scheinwerfer. Die Firma Hella stellt den weltweit ersten LED-Scheinwerfer vor, der beim Abblendlicht eine gleiche Leistung wie bisherige Xenonmodelle erzielt. Dieser Golf-V-Prototyp zeigt bereits, dass die technischen Möglichkeiten für zukünftige Voll-LED-Scheinwerfer vorhanden sind. Weiterhin wurde mit der Rückleuchte des VW Golf Plus die LED-Technik auch in der Kompaktklasse eingesetzt. Hier werden alle Funktionen bis auf den weißen Rückfahrscheinwerfer von LEDs übernommen. Ebenfalls im gleichen Jahr wird die erste Voll-LED-Rückleuchte von der Firma Hella für den Cadillac DTS in Serie gefertigt.

Ende 2006 präsentiert Audi in Zusammenarbeit mit Automotive Lighting aus Reutlingen den neuen Sportwagen R8, der als erstes Serienfahrzeug optional einen Voll-LED-Scheinwerfer erhält, bei dem alle Funktionen (Blinker, Positionslicht, Tagfahrlicht, Abblend- und Fernlicht) mit LED arbeiten. Gleichzeitig stellt Lexus den LS 600H vor, bei dem das Abblendlicht serienmäßig in LED-Technik ausgeführt ist. Der LS 600H war ab Sommer 2007 erhältlich. Für den R8 stand die neue LED-Technik ab Sommer 2008 bereit.

2007 stellt die Firma Hella ihren ersten VOLL-LED Scheinwerfer für den Cadillac Escalade Platinum vor, der im Frühjahr 2009 auf dem US Markt eingeführt wird.

Aktueller Stand der Entwicklung

Vor einigen Jahren sagten die meisten Experten eine Markteinführung von LED-Scheinwerfern nicht vor dem Jahre 2010 voraus. Die ersten LED-Scheinwerfer kamen jedoch bereits 2007 auf den europäischen Markt. Dies war möglich, weil sich die Automobilhersteller Audi und Lexus bei der EU um eine Ausnahmegenehmigung bemüht haben - im Gegensatz zu den USA, wo LED-Technik schon heute für Abblendlicht und Fernlicht erlaubt ist, hinkt in Europa die Gesetzgebung dem technisch Machbaren hinterher. Erst seit kurzem wurde die LED Funktionalität in den ECE Regelung R112 eingeführt und für AFS Funktionen in der GRE verabschiedet. Die Leuchtdioden-Entwicklung hat es in den letzten Jahren geschafft, die Lichtleistung so zu erhöhen, dass mittlerweile selbst ein Fernlicht mit LED realisierbar ist. Zudem erreicht die Lichtleistung inzwischen diejenige von „Xenon“-Scheinwerfern.

Positionierung am Markt

Audi-Studie LeMans aus dem Jahr 2003. Basis für den R8 und schon damals mit LED-Scheinwerfern

Wegen des hohen Preises halten LEDs ihren Einzug im Hauptscheinwerfer von Pkw zunächst bei den Oberklassefahrzeugen. Als Sonderausstattung sind LED-Scheinwerfer bisher für den Audi R8 und den Lexus LS600H lieferbar. In der Oberklasse wird LED-Technik zunächst hauptsächlich als Stylingobjekt genutzt. Dabei spielen die Vorteile der längeren Lebensdauer (keine Wartung) oder des Energiesparens keine Rolle.

LED-Scheinwerfer an Fahrrädern

An Fahrrädern kamen zunächst LED-Scheinwerfer auf den Markt, die neben dem Hauptscheinwerfer eine zusätzlich zur (Halogen-)Glühlampe integrierte LED für das Standlicht nutzten. Seit Verfügbarkeit von weißen LED mit 3 W Leistung ist der Bau StVZO-konformer LED-Scheinwerfer für Fahrräder (die maximale elektrische Leistung zugelassener Beleuchtungsanlagen muss mindestens 3 W betragen, wobei 2,4 W auf die Frontleuchte fallen) einfacher geworden. Seit einigen Jahren gibt es Voll-LED-Scheinwerfer für Fahrräder. Problematisch ist dabei ebenso wie bei LED-Scheinwerfern für PKW die Sicherstellung der geforderten Lichtverteilung, die jedoch wegen der Nutzung nur einer einzelnen LED als gelöst angesehen werden kann. Hochwertige LED-Scheinwerfer haben eine höhere Lichtleistung als vergleichbare Halogenscheinwerfer. In der Regel werden zur Formung der Lichtverteilung Freiformreflektoren benutzt. Damit werden die Anforderungen der StVZO und der TA 23 erfüllt. Bei Voll-LED-Scheinwerfern kann die Scheinwerfer-LED auch die Funktion eines Standlichtes übernehmen.

Im Unterschied zu LED-Scheinwerfern für Pkw sind LED-Scheinwerfer für die Fahrradbeleuchtung bereits seit einigen Jahren auf dem deutschen Markt verfügbar. Der Preis der LED-Scheinwerfer unterscheidet sich nicht erheblich von dem leistungsfähiger Halogenscheinwerfer, sodass der Einsatz von LED-Scheinwerfern nicht auf teure Fahrräder beschränkt ist. Derzeit sind zwei Firmen am deutschen Markt vertreten (Inoled und Busch & Müller), welche serienmäßig StVZO-zugelassene LED-Scheinwerfer sowohl für Erstausrüster als auch für den Zubehörhandel anbieten. Beim Einsatz als Fahrradbeleuchtung spielt besonders eine Rolle, dass mit LED die vorgeschriebene Leistung der Fahrraddynamos besonders effizient ausgenutzt und damit eine erhebliche Steigerung der Helligkeit erreicht werden kann.

Darüber hinaus gibt es mehrere Fabrikate von Fahrradscheinwerfern mit LED-Standlicht. Das Standlicht wird durch reduzierten Strom aus einem während der Fahrt geladenen Akkumulator oder Doppelschichtkondensator bereitgestellt.

LED-Scheinwerfer an Eisenbahnfahrzeugen

Die unterschiedlichen Beleuchtungsvorschriften in der EU machen es nötig, auf begrenztem Raum eine möglichst große Anzahl Farben und Helligkeiten darstellen zu können. Auf einer Platine lassen sich viele verschiedenfarbige LEDs unterbringen und auch dimmen. Bei der Siemens ES 64 F4 wird dies zum Beispiel angewandt.

Vorteile und Nachteile von LED-Scheinwerfern

Vorteile

Die Vorteile von LED-Scheinwerfern sind die sehr lange Haltbarkeit (ca. 20.000 Stunden, kein Totalausfall, nur Rückgang des Lichtstromes), die Energieeffizienz (ca. zwei- bis dreimal höher als Glühlampen), verschiedene mögliche Lichtfarben, die rein elektrisch mögliche kontinuierliche Veränderung der Lichtfarbe und die erweiterten Designmöglichkeiten. Die Lichtfarbe weißer LEDs ist dem Tageslicht sehr ähnlich, was beim Einsatz in Frontscheinwerfern eine differenziertere Ausleuchtung der Straße bewirkt. Außerdem ermüdet der Fahrer weniger schnell als bei gelblichem Halogenlicht.

Unter anderem bei Kraftfahrzeugen spielt die geringere Blendwirkung gegenüber anderen Scheinwerfern eine Rolle, da das Licht aus einer verteilteren Quelle stammt. Dadurch wird eine hohe Leuchtdichte, die zum Beispiel bei Xenonlicht an Kraftfahrzeugen oftmals zur Blendung des Gegenverkehrs führt, vermieden.

LED-Scheinwerfer strahlen keine Wärmestrahlung ab.

LEDs können sehr effektiv im Teillastbetrieb arbeiten, sie erreichen dabei teilweise sogar einen höheren Wirkungsgrad als bei Volllast. Demgegenüber sinkt die Effizienz von Glühlampen bei Unterspannung sehr schnell auf sehr geringe Werte ab. Gasentladungslampen lassen sich nur in einem Teilbereich dimmen.

LED-Scheinwerfer benötigen im Inneneinsatz keine Schutzgläser.

Nachteile

Die sehr hohen Anschaffungskosten rühren daher, dass LED-Scheinwerfer technisch aufwändiger aufgebaut sind (beispielsweise benötigen sie eine elektronische Konstantstromquelle) und Hochleistungs-LEDs noch nicht preiswert verfügbar sind beziehungsweise aufgrund der geringen Einzelleistungen in großer Anzahl benötigt werden. Auch ist die Verlustwärme der Hochleistungs-LEDs problematisch: LEDs dürfen nicht so heiß werden wie Glühlampen. Daher ist bei der Konstruktion ein Kühlkörper und teils aktive Kühlung notwendig, was ebenfalls zu den hohen Kosten beiträgt. Außerdem können die bei Fahrzeugen und im Außeneinsatz erforderlichen Scheinwerfergläser von innen beschlagen. Bei Glühlampen verdunstet die Feuchtigkeit an der Innenseite des Glases wegen der hohen Temperaturen; bei LEDs ist dies wegen der geringeren Temperaturen nicht möglich, hier sind andere Lösungen erforderlich.

LEDs lassen sich bisher nicht so gut bündeln wie Glüh- oder Gasentladungslampen. Daher können Spot-Scheinwerfer und die Bündelung und scharfe Begrenzung von Projektionsscheinwerfern, wie sie auf der Bühne und zu Showzwecken eingesetzt werden, bisher nicht erreicht werden.

Die Leistung von LED-Scheinwerfern ist derzeit auf etwa 100 Watt beschränkt, größere Leistungen von 150 Watt bis über 15 Kilowatt sind bisher den Glüh- und Gasentladungslampen vorbehalten.

LED-Scheinwerfer besitzen bei gleichem Lichtstrom einen wesentlich größeren Leuchtkörper (LED-Array) als Glüh- oder Gasentladungslampen.

Die Umgebungstemperatur von LED-Scheinwerfern ist begrenzt.

Weiterführende Literatur

• Lachmayer, R.; Götz, M.; Kleinkes, M.; Pohlmann, W.: LED-Technik im Scheinwerfer - neue Möglichkeiten mit Leuchtdioden. In: ATZ 108 (2006), Nr. 11
• Eichhorn, K.; Götz, M.; Himmler, A.; Roslak, J.: Aktives Licht - Innovative Ansätze für die nächste Scheinwerfergeneration. In: ATZ 107 (2005), Nr. 11
• LEDs MAGAZINE, Juni 2006

siehe auch

• Aktives Licht

Weblinks

• Informationen von Automotive Lighting zum Funktionsprinzip des Audi-R8-Voll-LED-Scheinwerfers
• Forschung der Uni Karlsruhe zum Thema LED-Scheinwerfer