Power-LEDs im Autoscheinwerfer als Temperaturfühler leben länger

| Autor / Redakteur: Jörg Niggemeyer; Martin Royer * / Thomas Kuther

Blick in einen LED-Scheinwerfer: Zu viel Hitze senkt die Lebensdauer, deshalb ist eine Temperaturregelung erforderlich.
Blick in einen LED-Scheinwerfer: Zu viel Hitze senkt die Lebensdauer, deshalb ist eine Temperaturregelung erforderlich. (Bild: LED_Headlamp_inside.jpg / Cschirp / CC BY-SA 3.0)

In immer mehr Fahrzeugscheinwerfern kommen LEDs zu Einsatz, deren Lebensdauer aber bei hohen Betriebstemperaturen drastisch sinken. Nutzt man die LEDs als Temperaturfühler, lässt sich dies verhindern.

LEDs in Fahrzeugscheinwerfern verbrauchen wenig Strom mit hoher Lebensdauer. Dass der Autobesitzer LED-Leuchtmittel selbst tauscht, ist nicht vorgesehen. Falls ein Scheinwerfer dennoch einmal gewechselt werden müsste, weil eine LED vorzeitig ausgefallen ist, dann kann dies teuer werden. Eine gestresste oder gealterte LED kann auch ohne elektrischen Defekt keine ausreichende Helligkeit mehr abgeben. Eine Halogen- oder Xenonlampe geht hingegen zuverlässig kaputt, wenn am Ende der Lebensdauer die Helligkeit unzureichend geworden ist.

Aus der Energieerhaltung folgt: Die elektrische Energie, die nicht als Licht von einer LED abgestrahlt wird, wird in Wärme umgewandelt. Eine LED, die weniger Helligkeit abgibt, erwärmt sich daher stärker. LEDs können sehr lange Lebensdauern erreichen, wenn man sie nicht bei zu hohen Temperaturen und oder Strömen betreibt. Doch wie garantiert man mit konkreten Maßnahmen, dass die LEDs nicht zu heiß betrieben werden, insbesondere bei stark schwankenden Umgebungstemperaturen wie bei der Anwendung im Automobil?

Temperatur-Mess-Widerstände sollen die Power-LEDs schützen

Bislang kommen im Scheinwerfer meist Temperatur-Mess-Widerstände (NTC) zum Einsatz, die mit auf dem Kühlkörper bzw. der LED-Platine platziert werden. Ein NTC kann nicht dicht bei jeder einzelnen LED eines Arrays liegen und mehrere LED Kanälen benötigen entsprechend mehrere NTCs.

Wieso also nicht die LEDs selbst als Temperaturfühler einsetzen? Man kann dadurch die als Temperatursensoren eingesetzten NTC-Widerstände und deren Anschlussleitungen einsparen – und vielleicht am wichtigsten – man spart Pins am Stecker der Steuereinheit, die man dann für andere Funktionen gewinnt.

Es kann über die Temperaturerhöhung der Junction gegenüber der Temperatur des Kühlkörpers bei bekannter elektrischer Leistung eine Aussage über die Effizienz der LED bzw. des Systems gemacht werden. Dabei ist es egal, ob eine Alterung der Leuchtschicht oder des Halbleiters vorliegt. Ein Schmutzfilm auf dem Emitter erhöht ebenfalls die Erwärmung, da weniger Licht abgestrahlt wird. Eine Zunahme der Temperaturerhöhung durch Eigenerwärmung der Junction kann als Hinweis für einen Alterungsprozess, Verschmutzung oder schlechtere Kühlanbindung gewertet werden, die alle auf eine verringerte Lichtabgabe hinauslaufen und eine entsprechende Warnung auslösen kann.

Die LED als Temperatursensor selbst auszunutzen, bietet also verschiedene Vorteile. Der Aufwand von Hard- und Software sollte jedoch minimal sein, um nicht Kosten an anderer Stelle zu erhöhen. Um die Vorwärtsspannung als verlässliche Größe zum Berechnen einer Temperatur verwenden zu können, benutzte man bisher einen niedrigen konstanten Referenzstrom. Andere Spannungsabfälle sind dann gegenüber der Spannung der Energielücke der LED VGap vernachlässigbar. LEDs aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien oder unterschiedlicher Energielücke VGap haben ein anderes Temperaturverhalten (K). Durch zu hohe Ströme oder Alterung kann sich die Gitterstruktur und der Bahnwiderstand ändern und dadurch auch K. Bezüglich einer Methode ist es deshalb notwendig, dass sich LEDs, egal welcher Art, an einer Hardware betreiben und ohne großen Aufwand bzw. automatisch kalibrieren lassen.

Nucon hat nun eine Methode entwickelt und patentiert bekommen, die einen kleinst möglichen Bauteilaufwand bedeutet. Der niedrige Referenzstrom wird jetzt aus der Kondensatorentladung über die LED während eines Abschaltvorgangs genutzt, wie es üblicherweise beim PWM-Dimmen wiederholt und ständig abläuft. Hierfür kann z.B. ein Buck-LED-Treiber verwendet werden, der über eine PWM zur Dimmung kontrolliert werden kann. Genau für die Methode bestens geeignete LED-Treiber werden von NXP angeboten.

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