Ther­mo­ma­nage­ment bei LED-Schein­wer­fern

Die Leis­tungs­dichte moderner LEDs erlaubt es heute, diese Beleuch­tungsart in Schein­wer­fern von Kraft­fahr­zeugen einzu­setzen. Die eigent­liche Licht­quelle ist unemp­find­lich gegen­über Vibra­tion und Schock, muss aller­dings ebenso wie andere elek­tro­ni­sche Bauteile inner­halb gewisser Tempe­ra­tur­grenzen betrieben werden. Hier bieten sich kleine Lüfter an, die speziell auf die Belange des Schein­wer­fer­be­triebes ange­passt sind. Um den Schein­werfer an die Belange des Kfz anzu­passen, sind von allen Kompo­nenten einige grund­sätz­liche Bedin­gungen zu erfüllen. Dies gilt auch für die einge­setzten Venti­la­toren.

Immer höhere Licht­leis­tung aus vergleichs­weise kleiner Chip­fläche erlaubt es dem Lich­t­ent­wickler, kleine und kompakte Schein­wer­fer­ein­heiten zu reali­sieren. Das eröffnet neue Möglich­keiten beim Design der Fahr­zeuge und bei der Ener­gie­ein­spa­rung, da LED-Schein­werfer poten­tiell weniger Energie benö­tigen als andere Leucht­mittel bei besseren Licht­werten. Bei zehn Zyklen des Neuen Euro­päi­schen Fahr­zy­klus (NEFZ) ergab sich bei einem Fahr­zeug­mo­dell ein CO2-Rück­gang von mehr als einem Gramm pro Kilo­meter. Damit stuft die EU-Kommis­sion die LED-Schein­werfer offi­ziell als inno­va­tive Tech­no­logie zur Senkung der CO2-Emis­sionen ein.

Bild 1: Robust ausge­legter Lüfter, der Vibra­tion, Schock, Hitze und Kälte im Schein­wer­fer­ge­häuse trotzt

Die gegen­über mecha­ni­schen Einflüssen weit­ge­hend resis­tenten Halb­lei­ter­ele­mente und ihre Ansteue­rung stellen jedoch grund­sätz­liche Forde­rungen nach einem intel­li­genten Ther­mo­ma­nage­ment im Schein­wer­fer­ge­häuse. Dieser Aufgabe haben sich die Entwickler von ebm-papst gestellt und kleine, robuste Lüfter entwi­ckelt, die speziell auf die Belange der neuen Schein­wer­fer­technik abge­stimmt sind (Bild 1). Im Folgenden sollen die wich­tigsten Lüfter-Eigen­schaften für ein funk­tio­nie­rendes Ther­mo­ma­nage­ment in LED-Schein­wer­fern näher beleuchtet werden.

LED-Technik erfor­dert Umdenken 

Vergleicht man die alten Glüh­lampen mit modernen LED-Leucht­mit­teln so ergeben sich zahl­reiche Unter­schiede. Oft wird nur die Effi­zienz betrachtet, also der deut­lich höhere Wirkungs­grad von LEDs und even­tuell die bessere Farb­tem­pe­ratur des Lichtes. Moderne Halb­leiter errei­chen in­zwischen Wirkungs­grade, die rund viermal höher liegen als die von Halo­gen­schein­wer­fern. In Zahlen sind das zurzeit rund 90 Lumen pro W, das entspricht etwa einer 75 W-Glüh­lampe oder einem Auto­schein­werfer mit 55 W Halo­gen­leucht­mittel. Die hohe Leucht­dichte, auf kleinster Chip­fläche erzeugt, bedeutet eine hohe lokale Wärme­be­las­tung im Chip.

Auch bei einem physi­ka­li­schen Wirkungs­grad einer LED von momentan etwa 30 % am Chip plus den Verlusten in der opti­schen Verguss­masse und im Vorschalt­modul entsteht nennens­werte Abwärme. So summiert sich die abzu­füh­rende Wärme­menge auch in einem ener­gie­spa­renden LED-Schein­wer­fer­ge­häuse mit mehreren LED-Chips schnell einige Watt. Da Halb­leiter allge­mein im Wirkungs­grad bei erhöhter Tempe­ratur abfallen, was auch als „Dera­ting“ bezeichnet wird, leiden auch die LED-Substrate mit stei­gender Chip­tem­pe­ratur an abfal­lendem Wirkungs­grad. Die Lebens­dauer sinkt. Je nach Chip-Typ gelten dafür unter­schied­liche Grenz­werte. Aus einer in gut gekühlter Umge­bung mögli­chen Lebens­er­war­tung von 100.000 h (11,4 Jahre) werden dann schnell „nur“ noch 15.000 bis 30.000 Stunden.

Glei­ches gilt für die Kompo­nenten im Vorschalt­gerät. So kann sich beispiels­weise bei einer Tempe­ra­tur­sen­kung von nur 10 °C die Lebens­dauer von Elek­tro­lyt­kon­den­sa­toren verdop­peln, sprich aus 5.000 h bei 105 °C werden bei mode­raten 75 °C runde 40.000 h. Noch aus einem weiteren Grund ergibt sich zwin­gend die Forde­rung nach einem zuver­läs­sigen Kühl­ver­fahren: Moderne Schein­werfer dürfen aus gesetz­ge­be­ri­schen Gründen nur als Kompakt-Einheit gelie­fert werden, die keinen Kompo­nen­ten­tausch zulässt. Nach den inter­na­tional geltenden ECE-Vorgaben dürfen LEDs für Kfz-Technik nur als Module in Autos einge­baut werden. Das bedeutet, dass die Dioden in einem Bauteil mani­pu­la­ti­ons­si­cher verkap­selt sein müssen.

LED-Kühlung ist mehr als Luft bewegen 

Bild 2: LED-Kühlung ist mehr als Luft bewegen

Als Kühl­mittel der Wahl für den welt­weiten Betrieb bietet sich die Umge­bungs­luft an. Ein im Schein­werfer einge­bauter Lüfter bringt diese dann gezielt an die Stellen, an denen Wärme abge­führt oder ander­weitig Luft benö­tigt wird (Bild 2). Letz­teres ist bei LED-Leuchten eben­falls wichtig. Im nicht herme­tisch geschlos­senen Schein­wer­fer­ge­häuse kann sich je nach Umge­bungs­be­din­gungen Luft­feuchte sammeln. Dann beschlagen Reflektor und Streu-Scheibe. Aufgrund der weit gerin­geren Abwärme gegen­über klas­si­schen Halo­gen­lampen verdampft dieses Wasser nur bei gezielter (Ab-)Luftführung im Gehäuse. Der einge­setzte Lüfter über­nimmt also neben der reinen Kühl­funk­tion noch eine weitere für den zuver­läs­sigen Schein­wer­fer­be­trieb essen­ti­elle Aufgabe. Dabei muss das Betriebs­ge­räusch möglichst niedrig ausfallen. Ein aero­dy­na­mi­sches Laufrad mit Wing­lets oder Sichel­flü­gel­profil hilft da weiter.

Es gilt jedoch noch mehr zu berück­sich­tigen: So wird im Kfz allge­mein ein Betriebs­tem­pe­ra­tur­be­reich von rund -40 °C bis +120 °C gefor­dert. Dazu kommen die unter­schied­li­chen klima­ti­schen Faktoren wie Luft­feuchte, Salz­ge­halt und even­tuell Staub in der Luft. Im Fahr­be­trieb sind dann zusätz­lich Vibra­tion und Stoß- und Schock­be­las­tung sowie elek­tro­ma­gne­ti­sche Einflüsse zu beachten. Dem muss ein Lüfter wider­stehen und das bei möglichst kompakter Bauform. Hinzu kommen Forde­rungen an die Wider­stands­fä­hig­keit der verbauten Werk­stoffe. So dürfen die verwen­deten Kunst­stoffe z.B. keine Weich­ma­cher ausgasen (soge­nanntes Fogging), da dadurch der Schein­werfer dauer­haft erblinden kann. Kunst­stoffe, die Fogging vermeiden, erfor­dern aber bei der Verar­bei­tung andere Para­meter, z. B. Öl- statt Wasser­küh­lung im Spritz­guss­werk­zeug sowie ange­passte Zyklus­zeiten. Selbst Klei­nig­keiten müssen beachtet werden, wie beispiels­weise eine Laser­be­schrif­tung für Barcode und Typen­be­zeich­nung statt herkömm­li­cher Etiketten oder Tinten­be­schrif­tung. Hier als Hersteller auf jahr­zehn­te­langes Know-how für die Entwick­lung und Ferti­gung zurück­greifen zu können, macht sich für den Anwender bei Zuver­läs­sig­keit und Lebens­dauer der Produkte schnell bemerkbar.

Ist der Lüfter mecha­nisch stabil, mit wartungs­freien Lagern und aus fogging­re­sis­tenten Werk­stoffen aufge­baut, stellt sich die Frage nach den Betriebs­pa­ra­me­tern. Eine inte­grierte Motor­elek­tronik mit Daten­schnitt­stelle nach außen erlaubt dabei einen univer­sellen Einsatz in verschie­denen Anwen­dungen ebenso wie ein Fein­tu­ning des Ther­mo­ma­nage­ments im einzelnen Schein­werfer über die bord­ei­gene Elek­tronik des Kfz z. B. über Luft­leis­tungs­ver­stel­lung per Dreh­zahl­än­de­rung.

Moderne LED-Schein­wer­fer­kon­zepte benö­tigen prin­zip­be­dingt ein zuver­läs­siges Ther­mo­ma­nage­ment. Robuste kleine Lüfter, die exakt auf die spezi­fi­schen Eigen­heiten der Kfz und LED-Technik abge­stimmt sind und für die zuver­läs­sige Abfuhr der über­schüs­sigen Wärme sorgen, erlauben einen störungs­freien Schein­wer­fer­be­trieb über mehr als ein Jahr­zehnt. Optik, Elek­tronik und Kühlung sind im LED-Schein­werfer so eng mitein­ander verbunden, dass eine früh­zei­tige Abstim­mung aller Spezia­listen opti­male Ergeb­nisse im Hinblick auf Wirt­schaft­lich­keit und Licht­ef­fi­zienz garan­tiert.