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Thermomanagement bei LED-Scheinwerfern

LED im Kfz, energiesparend und robust bei hoher Leuchtdichte


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.

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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 

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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.

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  • In meinem neuen Audi sind auch LED Module als Scheinwerfer eingebaut. Wusste aber nicht, dass die Kühlung so eine wichtige Bedeutung hat. Man lernt nie aus.
    Prinzipiell bin ich ein großer Freund von LED Leuchten.