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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
1
Lichttechnisches Institut
Optische Technologien im Automobil
vonDr. Karl Manz
Sommersemester 2009
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
2Inhalt
Scheinwerfer-Design
• Typische Lichtquellen• Spektren der Lichtquellen• Wirkungsgrade• Lichtlenkung bei Scheinwerfern• Übersicht über aktuelle Scheinwerfer
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
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
men
Glü
hlam
pen
Hal
ogen
glüh
lam
pen
Glim
mla
mpe
n
Koh
lebo
genl
ampe
n
Hoc
hdru
cken
tladu
ng
Nie
derd
ruck
entla
dung
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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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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
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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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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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
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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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
13Thermik im Scheinwerfer
[Aus: L-LAB, Sascha Nolte]
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
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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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
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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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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
18Lichtlenkung mit H4-Lampen
[Aus: Handbuch der Beleuchtung]
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Wendelbilder auf der Straße
[Aus: Handbuch der Beleuchtung]
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
20Streuscheiben bei Paraboloid-Reflektoren
[Aus: Handbuch der Beleuchtung]
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
21Lichtlenkung bei tangentialer Wendellage
[Aus: Handbuch der Beleuchtung]
A: Wendel AbblendlichtF: Wendel FernlichtW1/2: Wendelabbildf: BrennpunktY1, y2 : BrennweitenR: Reflektor
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
22Freiformflächen-Reflektor
Hoher Wirkungsgrad: Alles Licht kann genutzt werdenFreiflächen – Optik (Complex Shape Optic)
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Richtung der Berechnung
Von der Lichtverteilung zur Lichtquelle
Complex shape Optiken
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Wendelbilder beim Freiform-Scheinwerfer
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
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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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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
26Lichtlenkung mit Ellipsoid - Reflektor bzw.
Projektionsscheinwerfer
[Aus: Handbuch der Beleuchtung]
W: WendelW‘: WendelabbildF: BrennpunkteR: Reflektor
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
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Prinzipieller Aufbau des Projektionsscheinwerfers
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
28Lichtlenkung bei Projektionssystemen
W: WendelW‘: WendelabbildF: BrennpunkteR: ReflektorL: LinseO: optische Achse
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
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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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
30Lichtlenkung bei Projektionsscheinwerfern mit Blenden
R: ReflektorL: LinseO: optische AchseB: Blende
W: WendelW‘: WendelabbildF: Brennpunkte
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
31Beispiel eines Projektionsscheinwerfers
[Aus: Hella, Research & Development Review 1997]
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
32Freiform Walze
[Aus: Hella]
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
33Freiform Drehscheiben-Reflektor
[Aus: Valeo]
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
34Schwenkmodul
[Aus: Automotive Lighting]
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
35Scheinwerfer mit LED
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
36Scheinwerfer mit LED
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
37Lichtlenkung durch Lichtleiter
[Aus: Hella, Research & Development Review 1997]
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38Lichtleiter - spektrale Transmission
[Aus: Hella, Research & Development Review 1997]
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
39Lichtleiter - Temperaturabhängigkeit
[Aus: Hella, Research & Development Review 1997]
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
40Lichtleiter - Feuchte
[Aus: Hella, Research & Development Review 1997]
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
41DMD-Chip
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
42Pixel Light - schematischer Aufbau
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
43Pixel Light - Demonstration
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Optische Technologien im Automobil – SS 2009 – Kapitel 05 ScheinwerferKarl Manz
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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61LED-Scheinwerfer 2003
[Bilder: IAA 2003]
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62LED-Scheinwerfer 2003
[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