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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz

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Lichttechnisches Institut

Optische Technologien im Automobil

vonDr. Karl Manz

Sommersemester 2009

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2Inhalt

Scheinwerfer-Design

• Typische Lichtquellen• Spektren der Lichtquellen• Wirkungsgrade• Lichtlenkung bei Scheinwerfern• Übersicht über aktuelle Scheinwerfer

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3Lichtquellen

Lichtquellen

Festkörperlampen Entladungslampen

Lumineszenz Temperaturstrahlung Glimmentladung Bogenentladung

Elektrolumineszenz chemisch elektrisch Glimmlampen mit Kolben frei

Lase

rLE

Ds

OLE

Ds

EL-F

olie

n

Flam

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4Halogenglühlampen

Halogenkreisprozess• Längere Lebensdauer• Höhere Lichtausbeute• Kleinere Bauform

Wendeltemperatur ca. 3000 KGlastemperatur ca. 470 K

[Bilder: Handbuch der Beleuchtung]

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5Spektren von Lichtquellen

Spectral Distribution of Different Light Sources

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

380 430 480 530 580 630 680 730 780Wavelength [nm]

D2D4AD65LED

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Wirkungsgrade LEDs

lm/Wlmlm//WW

Luxeon kaltweis 5W 25,0 lm/WLuxeon kaltweiss 3W bei 700mA 25,0 lm/WLuxeon kaltweiss 1W 20,1 lm/WLuxeon warmweiss 1W 16,7 lm/WNichia weiss 180mW ca. 30,0 lm/WNichia warmweiss 100mW ca. 10,0 lm/WOsram weiss TOPLED 86mW 7,0 lm/WOsram Golden Dragon 2W 21,0 lm/WGELcore weiss TL 60mW 24,6 lm/WCree XLamp 7090 1W 75,7 lm/W

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7Ansteuerkonzepte für LEDs

Luxeon kaltweiss 1W mit Widerstand 4,3 lm/W

EVG

R

Luxeon kaltweiss 1W mit EVG 16,7 lm/W

lm/Wlmlm//WW

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8Wirkungsgrade Halogenglühlampen

lm/Wlmlm//WW

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9Technische Daten H1-Glühlampe

Norm: ECE-R 37

NenndatenSpannung: 12 VLeistung: 55 WLichtstrom: 1150 lm

PrüfbedingungenSpannung: 13,2 VLeistung: 68 WLichtstrom: 1550 lm

Wirkungsgrad: 22,8 lm/Wlm/Wlmlm//WW

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10

4 mm

D2-Lampe (Xenon Lampe):

50 bar Xenon (7 bar Kaltfülldruck)20 bar Quecksilber<1 bar NaI, ScI3

Technische Daten:

Strom: 0.4 A, 400 Hz RechteckLeistung: 35 Watt (85 V)Lichtstrom: 3200 lm (Start: 400 lm)Wirkungsgrad: 91 lm/W

Gasentladungslampen: Hochdrucklampe im „Xenon“-Scheinwerfer

lm/Wlmlm//WW

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12Temperaturbereiche

Maximale Betriebstemperaturen im Fahrzeug• Heckleuchten +55°C• S3 Bremsleuchte und spezielle Heckleuchten +80°C• Elektronik in Motornähe (zB: Xenon-Steuergerät) +105°C

Temperaturbereiche• Erweiterter Temperaturbereich -40°C bis +85°C• Betriebstemperatur -30°C bis +70°C • Innenraum -20°C bis +65°C (+100°C)

[Quellen: BMW, DaimlerChrysler, Harman Becker Automotive Systems, Hella, Lumileds]

Klimatest (in stromlosem Zustand, bei 95% Luftfeuchtigkeit)

• 12 Stunden bei 25°C, dann 12h bei 55°C 6 Tage am Stück

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13Thermik im Scheinwerfer

[Aus: L-LAB, Sascha Nolte]

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14Blendung

[Aus: Lichttechnik und optische Wahrnehmungssicherheit im Straßenverkehr, Eckert]

S: Sichtweitel: BegegnungsentfernungScheinwerfer: asymetrisches Abblendlicht („E“)

Nebelscheinwerfer („H3“)

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15Lichtlenkungssysteme

• Paraboloide

• Elipsoide

• Projektionssysteme

• Frei-Form-Flächen

• Lichtleiter

• Pixel Light (diskrete Verteilung)

• LED-Scheinwerfer (diskrete Verteilung)

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Grundsätzlich gilt: IScheinwerfer ~ LLichtquelle ·AAustrittsoptik · Verlustfaktoren

Hierbei sind als Verlusfaktoren anzusetzen: Absorption, Relektionsgrad, optischer Wirkungsgrad,

Streuanteile, etc. ..

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17Lichtlenkung mit Paraboloid und axialer Wendel

[Aus: Handbuch der Beleuchtung]

W: WendelW1/2: Wendelabbildf: BrennpunktR: Reflektor

Je größer die Brennweite → desto kleiner der Öffnungswinkel→ mit → hohe Lichtstärke

Je klener die Brennweite → desto größer der Öffnungswinkel→ mit → niedrige Lichtstärke

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18Lichtlenkung mit H4-Lampen


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Wendelbilder auf der Straße


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20Streuscheiben bei Paraboloid-Reflektoren


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21Lichtlenkung bei tangentialer Wendellage


A: Wendel AbblendlichtF: Wendel FernlichtW1/2: Wendelabbildf: BrennpunktY1, y2 : BrennweitenR: Reflektor

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22Freiformflächen-Reflektor

Hoher Wirkungsgrad: Alles Licht kann genutzt werdenFreiflächen – Optik (Complex Shape Optic)

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23

Richtung der Berechnung

Von der Lichtverteilung zur Lichtquelle

Complex shape Optiken

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Wendelbilder beim Freiform-Scheinwerfer

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Diese Technik ermöglicht es,

auch komplexe Leuchtdichtestrukturen umzusetzen!

Quelle: Ries, Muschaweck, OEC AG, Maßgeschneiderte Beleuchtungssyteme, Photonic 2004

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26Lichtlenkung mit Ellipsoid - Reflektor bzw.

Projektionsscheinwerfer


W: WendelW‘: WendelabbildF: BrennpunkteR: Reflektor

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Prinzipieller Aufbau des Projektionsscheinwerfers

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28Lichtlenkung bei Projektionssystemen

W: WendelW‘: WendelabbildF: BrennpunkteR: ReflektorL: LinseO: optische Achse

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29Projektionssysteme und deren Blenden

Vorteile:

• Rechts-Links-Verkehr Umschaltung

• Fern- und Abblendlicht mit einer Lichtquelle

• Verschiedene Lichtverteilungen

• Sehr gleichmäßige Lichtverteilung

Nachteile:

• Lichtstromverlust

• Mechanik

• Gewicht

• Bautiefe

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30Lichtlenkung bei Projektionsscheinwerfern mit Blenden

R: ReflektorL: LinseO: optische AchseB: Blende

W: WendelW‘: WendelabbildF: Brennpunkte

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31Beispiel eines Projektionsscheinwerfers

[Aus: Hella, Research & Development Review 1997]

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32Freiform Walze

[Aus: Hella]

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33Freiform Drehscheiben-Reflektor

[Aus: Valeo]

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34Schwenkmodul

[Aus: Automotive Lighting]

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35Scheinwerfer mit LED

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36Scheinwerfer mit LED

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37Lichtlenkung durch Lichtleiter


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38Lichtleiter - spektrale Transmission


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39Lichtleiter - Temperaturabhängigkeit


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40Lichtleiter - Feuchte


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41DMD-Chip

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42Pixel Light - schematischer Aufbau

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43Pixel Light - Demonstration

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44LED-Scheinwerfer mit diskreter Verteilung

eine LED pro Raumwinkelsegmentjede LED individuell ansteuerbar

Bezeichnungen:Voxel-LightMatrix Beam

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45AFS-Funktionen

Bezeichnungen:Advanced Front Lighting SystemIntelligent Light

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46Schlechtwetterlicht

[Aus: AFS Task Force]

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47Kurvenlicht - Schwenkstrategien

Schwenkstrategien:

Parallel Einseitig Divergent

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48Abbiegelicht

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Optimierungsmöglichkeiten eines Bi-Halgenscheinwerfers

Quelle: Markus Kiesel, The Bihalogen Projector – Changes and Challenges, SP – 2223, Automotive Lighting Technology, 2009, SAE World Congress, Detroit April 2009

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50Lichtströme moderner Scheinwerferlampen

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Nach Kiesel haben typische Projektionsscheinwerfer

eine Linse mit einem Durchmesser von 70mm und

eine rückseitige Brennweite von 55mm.

Wie schon zuvor dargestellt bewirkt eine Vergrößerung des Linsendurchmessers eine Steigerung der Lichtstärke;

Bezogen auf o.g. Scheinwerfer resultiert aus einer Vergrößerung des Linsendurchmessers um1mm eine Steigerung der maximale Lichtstärke des Fernlichts von 1% bis 2%.

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Weiterhin pro 1mm Linsenvergrößerung nimmt der Lichtstrom auf der Straße (nutzbare Lichtstrom) um 2% zu, das bedeutet eine Steigerung der Effizienz.

Projektionsscheinwerfer mit 70mm Linsendurchmesser habe eine Effizienz von ca. 49.5%;

Projektionsscheinwerfer mit 75mm Linsendurchmesser habe eine Effizienz von ca. 55.2%;

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Vorteile größerer Linsendurchmesser

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Mit der Vergrößerung des Linsendurchmessers

Steigt auch das Gewicht der Linse mit ca 6.5g pro 1mm größerem Durchmesser;

Zudem verlängert sich auch die Gesamtlänge des Projektionssystems obwohl die Brennweite unverändert bleibt.

Die betrifft besonders Scheinwerferkonstruktionen bei denen alternativ sowohl Halogen- als auch Gasentladungslampen zum Einsatz kommen sollen.

Zudem höheres Gesamtgewicht ist kritisch hinsichtlich Vibrationen und Testsbezüglich des Fußgängerschutzes.

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Verkleinerung der Brennweite der Linse um 1mm steigert den nutzbaren Lichtstrom um ca 10lm bis 12lm das bedeutet eine Effizienzsteigerung um ca 0.7% bis 0.8%;

Demgegenüber nimmt gleichzeitig die maximale Fernlichtstärke um ca 1.5% ab.

Die Verkürzung der Linsenbrennweite erhöht das Gewicht um ca 2g per 1mm;

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Das Diagramm zeigt die Abhängigkeit von der Brennweite

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Bei der hier diskutierten Lösung erreichte der Scheinwerfer mit einem Linsendurchmesser von 75mm und einer Brennweite von 57mm einen brauchbaren Kompromiss hinsichtlich des nutzbaren Lichtstromes und der maximalen Lichtstärke des Fernlichts:

Erreicht wurden 800lm nutzbare Lichtstrom

und eine Lichtstärke des Fernlichtes von 65 000cd bei gewährleisteter Austauschbarkeit mit dem Modul mit der Gasentladungslampe.

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• Zum Abschluss noch einigeImpressionen

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60LED-Scheinwerfer 2003

[Aus: Hella, Lukas Schwenkschuster, 2003]

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[Bilder: IAA 2003]

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[Bilder: IAA 2003]

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64LED-Scheinwerfer IAA 2005

[Bilder: IAA 2005]

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65LED Scheinwerfer IAA 2005

[Bilder: IAA 2005]

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66LED-Scheinwerfer 2007 - Audi R8

[Bild: Audi]

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67LED-Scheinwerfer 2007 - Audi R8

[Bilder: Audi]

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68Scheinwerfer IAA 2005

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69Scheinwerfer IAA 2005 - Mini

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70Scheinwerfer IAA 2005 - Mini Detail

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71LED-Leuchten

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72Literaturangaben

Licht und Beleuchtung, Hans-Jürgen Hentschel, Hüthig Buch Verlag GmbH, 2002

Handbuch der Beleuchtung, Horst Lange, ecomed Verlagsgesellschaft, 5. Auflage, 1992

Grundlagen der Lichttechnik, Siegfried Kokoschka, http://www.lti.uni-karlsruhe.de, Karlsruhe 2003

Grundlagen der Lichttechnik aus fahrzeugtechnischer Sicht, Karsten Klinger, http://www.lti.uni-karlsruhe.de, Karlsruhe 2003

Vorlesungsunterlagen zu „Automobile Licht- und Displaytechnik“http://www.lti.uni-karlsruhe.de, Karlsruhe 2005

Lichttechnik und optische Wahrnehmungssicherheit im Straßenverkehr, EckertVerlag Technik, 1993

Markus Kiesel, The Bihalogen Projector – Changes and Challenges, SP –2223, Automotive Lighting Technology, 2009, SAE World Congress, Detroit April 2009