LED-Scheinwerfer im Kfz – energiesparend und robust bei hoher Leuchtdichte Elektrizität in Licht umsetzen - AutomobilKONSTRUKTION

LED-Scheinwerfer im Kfz – energiesparend und robust bei hoher Leuchtdichte

Elektrizität in Licht umsetzen

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Moderne LED-Leuchtmittel setzen fast 60 Prozent der eingespeisten Elektrizität in nutzbares Licht um und sparen so Strom. Als Festkörper widerstehen sie zudem starken mechanischen Belastungen. Das macht diese Bauteile auch für die Scheinwerfertechnik in Kraftfahrzeugen interessant. Durch die hohe Leuchtdichte auf kleinster Fläche ist die Wärmeabfuhr der verbleibenden Verlustleistung allerdings oft ein Problem. Zu große Hitze im Halbleiter vermindert die Lebensdauer drastisch. Eine den hohen Anforderungen im Kfz-Betrieb angepasste, aktive Kühlung des Licht-emittierenden Kristalls senkt die Temperatur und erlaubt zigtausend Betriebsstunden.

Autoren: Dipl.-Ing. (FH) MBA Johannes Hirt, Projektleiter Entwicklung Automobile Lüfter bei ebm-papst und Dipl. Chem. Andreas Zeiff, Redaktionsbüro Stutensee

Leistungsstarke Leuchtdioden benötigen vergleichsweise wenig Bauraum und eröffnen so neue Möglichkeiten beim Design von Scheinwerfern und Fahrzeugfront. Als flaches Solid-State-Bauteil sind die in transparentem Kunststoff vergossenen Halbleiterchips von Hause aus resistent gegenüber vielerlei Umwelteinflüssen, besonders gegen Vibration und Luftfeuchtigkeit, wie sie im Kfz-Betrieb auftreten. Allerdings ist zwingend eine maximale Grenzschicht- oder Junction-Temperatur einzuhalten; ein Überschreiten führt zu drastischen Einbrüchen bei Wirkungsgrad und Restlebensdauer der Leuchte. Der Lüfterspezialist ebm-papst aus St. Georgen im Schwarzwald hat für solche Fälle eine umfangreiche Palette an unterschiedlichen Lüftern im Programm. Findet sich keine Lösung von der Stange, sind auch individuelle Anpassungen für spezielle Scheinwerferbauformen kein Problem.
Einsatzort Kfz – ein raues Umfeld
Bauteile im Auto leiden permanent durch Vibration, Schock, Beschleunigung und Schwingungen z. B. durch Schlaglöcher oder Feuchtigkeit. Hinzu kommt ein sehr großer Temperaturbereich im weltweiten Betrieb, in dem alle Komponenten zuverlässig funktionieren müssen. Diese Anforderungen erfüllt man heute am besten mit einer in sich abgeschlossenen Scheinwerfereinheit. So entwickelte ein namhafter Hersteller beispielsweise einen Voll-LED-Scheinwerfer für Fern-, Abblend- und Tagfahrlicht. Er besteht aus der Abschlussscheibe, einem Träger mit LED-Arrays, jeweils einer Linse aus optischem Glas sowie dem für die Kühlung entscheidenden Luftleiteinsatz und dem eigentlichen Lüfter. Die Farbtemperatur der LEDs liegt bei ca 5500 Kelvin und damit deutlich näher am Tageslicht von ca. 6000 K als Xenonlicht mit ca 4000 K; das Auge ermüdet dadurch deutlich weniger. Als Einheit konzipiert, dürfen sich die optischen Werte des Scheinwerfers vor, während und nach der Montage nicht verändern. Dies erfordert spezielle Kunstgriffe beim Herstellen und Montieren aller Komponenten. Da die Beleuchtungseinrichtung über Jahre bis Jahrzehnte im Einsatz ist, dürfen die eingesetzten Kunststoffe nicht ausgasen und dabei womöglich die Optik durch einen milchigen Beschlag trüben. Schmierstoffe und der eingesetzte Kunststoff halten daher die geforderten strengen Anforderungen an die Ausgasung („Fogging“) ein
Kühlungs-Knowhow
Der für die Wärmeabfuhr sorgende Kühlluftstrom wird gezielt auf die Kühlkörper der LED-Arrays geblasen. Das sorgt für eine turbulente Strömung an der Wärme abgebenden Fläche und somit für einen guten Wärmetransport. Die warme „Abluft“ wird dann noch genutzt, um die Innenseite des Scheinwerfers vor Beschlagen durch Kondenswasser gezielt zu schützen. Für eine lange Lebensdauer wurden im Lüfter spezielle Kugellager mit optimierter Schmierung eingesetzt. So ist sichergestellt, dass auch große Temperaturschwankungen und härteste Schläge im Fahrbetrieb weder Schmierung noch das optimale Laufspiel von Rotor und Stator beeinträchtigen. Ein spezieller Isolierlack schützt die im Motor integrierte Leiterplatte mit der Ansteuerelektronik gegen Feuchtigkeit. Bei Bedarf kann über diese die Drehzahl geregelt werden. Die Art und Weise der Ansteuerung durch das Scheinwerfersteuergerät kann individuell auf die Applikation angepasst werden. Das Lüfterrad selbst ist mit einem Sichelflügelprofil mit Winglets ausgeführt. Das sorgt für hohe Luftleistung und hohen Druckaufbau bei minimaler Leistungsaufnahme sowie geringem Betriebsgeräusch.
Diese Anwendung beweist einmal mehr, dass es heute kein Problem mehr ist, Lüfter auch für exotische Einsatzfälle maßzuschneidern. Je früher dabei der Lüfterspezialist mit seinem Know-how in die Projektierung eingebunden wird, um so besser lassen sich die Vorgaben bei Technik und Design erfüllen. Der Anwender kann sich dabei auf seine Kernkompetenz konzentrieren, die Optimierung des Lüfters übernimmt im Rahmen der Vorgaben dann der Spezialist. So lassen sich Entwicklungskosten sparen und die Entwicklungszeit verkürzen.
ebm-papst St. Georgen,
Tel.: 07724 81-1311,

Über ebm-papst
Die ebm-papst Gruppe ist ein führender Hersteller von Ventilatoren und Motoren und ist Schrittmacher der hocheffizienten EC-Technologie. Im vergangenen Geschäftsjahr 10/11 erzielte das Unternehmen einen Umsatz von über 1,3 Mrd. €. ebm-papst beschäftigt an 17 Produktionsstätten (u.a. in Deutschland, China, USA) und 57 Vertriebsstandorten weltweit über 11 000 Mitarbeiter. Ventilatoren und Motoren sind in vielen Branchen zu finden, u.a. in der Lüftungs-, Klima- und Kältetechnik, bei Haushaltsgeräten, der Heiztechnik, in IT- und Telekommunikation, in der Medizintechnik, bei Applikationen im Pkw und in der Nutzfahrzeugtechnik.

LED-Kühlung kurz und knapp
Die nötige Kühlleistung und damit die Förderrate des Lüfters bestimmen zwei Komponenten: die physikalischen Eigenschaften der Luft, Wärme aufzunehmen und das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle. Letzteres ist direkt von den technischen Eigenschaften des verwendeten Chips abhängig. Oft beziehen sich die optischen Werte auf eine Temperatur am Chip von etwa 25 °C, jedes Grad darüber beeinträchtigt die Leistung und Lebensdauer. Ebenso ist die maximale Grenzschichttemperatur bauartbedingt festgelegt. Bei 20 bis 25 °C kann mit einer Lebensdauer bis zu 200 000 h gerechnet werden; ab 60 °C nimmt sie jedoch rapide ab. Gleichzeitig mit der Erwärmung sinkt der Wirkungsgrad der LED, es wird weniger Licht abgestrahlt und der Chip dadurch noch wärmer.
Aus der variablen Temperaturdifferenz der Luft zwischen Einströmen und Abströmen aus dem Kühlkörper lässt sich bei bekannter abzuführender Verlustleistung die nötige Förderrate des Lüfters errechnen. Bei geringer Temperaturspreizung ( ΔT) zwischen kühlender Raumluft und maximaler Chiptemperatur können das erhebliche Luftmengen sein. Einen idealen Wärmeübergang vorausgesetzt ergibt sich so die Formel:
Volumenstrom = Q / cp x r x ΔT
Wobei Q die Verlustleistung, cp die spezifische Wärmekapazität der Luft, r die Luftdichte und ΔT die zulässige mittlere Temperaturerhöhung darstellt. Dieser Mindestwert an Luftmenge muss sichergestellt sein, um den Kühlkörper auf zulässigem Temperaturniveau zu halten.
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