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Dipl.-Ing. Steffen Strauß

Theoretische und experimentelle Un-

tersuchungen zum Einsatz gepulster

Halbleiterlichtquellen in der Kraftfahr-

zeugbeleuchtung

Heinz Nixdorf Institut, Universität Paderborn – Paderborn – 2007

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Theoretische und experimentelle Untersuchungen

zum Einsatz gepulster Halbleiterlichtquellen in der Kraftfahrzeugbeleuchtung

zur Erlangung des akademischen Grades eines

DOKTORS DER INGENIEURWISSENSCHAFTEN (Dr.-Ing.)

der Fakultät für Maschinenbau

der Universität Paderborn

genehmigte

DISSERTATION

von

Dipl.-Ing. Steffen Strauß

aus Ilmenau

Tag des Kolloquiums: 10.12.2007

Referent: Prof. Dr.-Ing. Jörg Wallaschek

Koreferent: Prof. Dr. rer. nat. Uli Lemmer

Zusammenfassung

Aktuelle Entwicklungen zeigen, dass sich das Einsatzgebiet von Licht emittierenden Dioden

(LED) stetig erweitert. Da sich diese neue Lichtquelle am Anfang ihrer Entwicklung befindet,

sind die zukünftigen Einsatzgebiete kaum absehbar. Diese Arbeit dient der Analyse des Ent-

wicklungspotenzials der weißen Hochleistungs-LEDs für die Kfz-Frontbeleuchtung.

Im ersten Teil der Arbeit findet eine ausführliche Analyse der lichttechnischen Parameter heu-

tiger Hochleistungs-LEDs statt. Des Weiteren werden, ausgehend von den Prinzipien der

Weißlichterzeugung mit Halbleiterdioden, die Entwicklungsmöglichkeiten der weißen LED

abgeschätzt und mit denen konventioneller Lichtquellen wie Glüh- und Gasentladungslampe

verglichen.

Im zweiten Teil wird besonderes Augenmerk auf die einzigartige schnelle Schaltzeit der LED

gelegt. Es wird eine Variante eines LED-Scheinwerfers beschrieben, mit der, durch die Kom-

bination einer gepulsten Lichtquelle mit einer dynamischen Optik, eine frei adressierbare

Lichtverteilung realisiert wird. Anhand eines Funktionsmusters wird dieses Prinzip umgesetzt

und die Machbarkeit eines solchen Scheinwerfers analysiert. Um den reibungslosen Einsatz

einer gepulsten LED-Lichtquelle im Kfz zu garantieren, war es notwendig sowohl technische

als auch physiologische Besonderheiten gepulster Leuchtdioden zu untersuchen.

Es wird gezeigt, dass die Blendung mit gepulsten Lichtquellen nicht zu einer erhöhten Beein-

trächtigung des Sehvermögens führt. Weiterhin wird das Phänomen des Perlschnureffektes

(bzw. flickering rearlamp oder Doppelbilderbildung) untersucht und es werden Konstrukti-

onsrichtlinien zur Vermeidung dieses Effektes gegeben.

Anhand der Analyse eines thermodynamischen Modells einer gepulsten LED, werden mögli-

che Vor- und Nachteile des Pulsens bezüglich der LED-Temperatur und –Lichtausbeute ana-

lysiert. Diese Analyse führt zu einer, durch die thermodynamischen Kapazitäten und Wider-

stände berechenbaren, Mindestfrequenz für Halbleiterdioden, unterhalb derer Dioden nur mit

geringerer Leistung betrieben werden dürfen.

Durch spektral- und zeitaufgelöste Messungen der optischen Sprungantwort werden die Ein-

flüsse der Fluorophorkonversion auf die Schaltzeiten weißer LEDs untersucht. Es zeigt sich

eine Verlängerung der Schaltzeit auf ca. eine Mikrosekunde.

iii

Abstract

The latest trends display a growing range of applications for LEDs. The development of this

light source is in its early stages and its domain in the future is hard to predict. This report will

analyse the potential for development of high performance LEDs used for automobile head

lights. The first chapter provides technical light parameters for today’s high performance

LEDs. Furthermore it looks at the development potentials of white LEDs, based on creation of

white light with semiconductor diodes and compares them with conventional light sources

such as incandescent and gas discharge lamps.

The second chapter focuses on fast circuit time as a unique feature of LEDs. It describes a

variant LED head light which enables free allocation of light beams by combining a pulsed

light source with a dynamic optic. In order to discuss future production this principal will be

analyzed and implemented on the basis of a functional model.

In order to guarantee sufficient use of pulsed LEDs for automobiles, it was necessary to ex-

amine technical and physical characteristics of LEDs. As a result it was found that the glare of

pulsed light sources doesn’t cause visual curtailing. In addition, the phenomenon of “flicker-

ing rearlamp” will be investigated to conclude guidelines for a construction that prevents that

disadvantage regarding LED temperature and light efficiency will be analyzed. By calculating

thermo dynamical capacities and resistance, the observation resulted in a minimum frequency

for semiconductor diodes. LEDs below that value should be operated only with lower power.

Trough spectral and transient measurements of the optical step response, the influence of

phosphor conversion on circuit times of white LEDs were analyzed. The result is a delay of

about one micro second.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung .....................................................................................................................ii

Abstract .....................................................................................................................................iii

Inhaltsverzeichnis......................................................................................................................iv

Abbildungen ..............................................................................................................................vi

Tabellen.....................................................................................................................................xi

Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen und Abkürzungen.............................................xii

1 Einleitung ...........................................................................................................................1

2 Lichterzeugung mit LEDs ..................................................................................................3

2.1 Glühlampe ..................................................................................................................3

2.1.1 Lichterzeugung mit Temperaturstrahlern...............................................................3

2.1.2 Scheinwerfersysteme mit Halogenglühlampen ......................................................5

2.2 Gasentladungslampe...................................................................................................7

2.2.1 Lichterzeugung durch Gasentladung......................................................................7

2.2.2 Scheinwerfersysteme mit Gasentladungslampe .....................................................9

2.3 LED ..........................................................................................................................11

2.3.1 Grundlagen Licht emittierender Dioden...............................................................11

2.3.2 Lichtausbeute........................................................................................................16

2.3.3 Leuchtdichte .........................................................................................................26

2.3.4 Lichtstrom.............................................................................................................26

2.3.5 Klimamanagement................................................................................................35

2.4 Heutiger Entwicklungsstand der LED......................................................................39

2.5 Optische Schaltzeiten ...............................................................................................41

3 Einsatz der gepulsten Lichtquelle in zukünftigen Scheinwerfern ....................................47

3.1 Zukünftige Scheinwerfer..........................................................................................47

3.1.1 Konzepte mit Halogenglühlampen.......................................................................49

3.1.2 Konzepte mit Gasentladungslampen ....................................................................49

3.1.3 Visionen mit LED Technologie............................................................................51

3.2 Möglicher Einsatz gepulster LEDs in zukünftigen Scheinwerfern ..........................52

3.2.1 Grundprinzip.........................................................................................................52

3.2.2 Transformation Zeitliche in Örtliche....................................................................52

3.2.3 Offene Fragen.......................................................................................................55

4 Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs......................................................................57

4.1 Phasenverschiebung durch Fluoreszenz...................................................................57

4.1.1 Messprinzip ..........................................................................................................57

4.1.2 Ergebnisse und Schlussfolgerungen.....................................................................58

4.2 Thermodynamik gepulster LEDs..............................................................................60

4.2.1 Thermisches Ersatzschaltbild ...............................................................................60

4.2.2 Thermische Simulation.........................................................................................67

4.3 Physiologische Effekte und Risiken.........................................................................74

4.3.1 Physiologie des Dimmens über Pulsweitenmodulation .......................................74

4.3.2 Der Perlschnureffekt.............................................................................................76

4.3.3 Blendung durch gepulste Lichtquellen.................................................................95

5 Funktionsmuster ...............................................................................................................99

5.1 Optik.......................................................................................................................100

5.1.1 Dynamische Lichtstromverteilung .....................................................................100

5.1.2 Spiegelgeometrie................................................................................................103

5.1.3 Optisches System................................................................................................104

5.2 Mechatronik............................................................................................................106

5.2.1 Regelkreis...........................................................................................................106

5.2.2 LED-Zeile...........................................................................................................106

5.2.3 LED-Treiber .......................................................................................................109

5.2.4 Antrieb................................................................................................................109

5.2.5 Sensorik..............................................................................................................110

5.2.6 Mikrocontroller und Software ............................................................................110

5.3 Diskussion der Messergebnisse..............................................................................112

6 Zusammenfassung und Ausblick....................................................................................113

7 Literatur..........................................................................................................................116

Abbildungen

Abbildung 1-1 Ansprechverhalten von LED und Glühlampe....................................................1

Abbildung 2-1 Schwingende Atome im Festkörper...................................................................4

Abbildung 2-2 Spektrale spezifische Aussstrahlung eines idealen schwarzen Körpers bei

verschiedenen Glühtemperaturen. Die V(λ)-Kurve kennzeichnet den sichtbaren

spektralen Anteil.................................................................................................................4

Abbildung 2-3 Lichtausbeute eines idealen schwarzen Strahlers bei verschiedenen

Temperaturen......................................................................................................................5

Abbildung 2-4 Strahlengang bei der Erzeugung verschieden großer Wendelbilder in

Paraboloidreflektoren mit Streuscheibe (links) und in Freiformreflektoren (rechts).........6

Abbildung 2-5 Plasma, bestehend aus Ionen und Elektronen in dem Brenner einer

Gasentladungslampe...........................................................................................................8

Abbildung 2-6 Prozentualer Anteil der jeweiligen Gase einer D2 bzw. D4 Lampe an der

Lichtstromerzeugung während des Einschaltvorganges (nach [OSRAM]) .......................8

Abbildung 2-7 Spektrum einer D2 und einer D4 Lampe [Man06] ............................................8

Abbildung 2-8 Aufnahme einer H7-Glühwendel und eines D2-Lichtbogens im gleichen

Maßstab. Hohe Leuchtdichten sind mit dunklen, niedrige mit hellen Graustufen

dargestellt. ..........................................................................................................................9

Abbildung 2-9 Darstellung der geometrischen Brennpunkte eines Drei-Ellipsoid-Reflektors

(links: horizontaler, rechts: vertikaler Schnitt)...................................................................9

Abbildung 2-10: Atommodell nach Bohr.................................................................................11

Abbildung 2-11: Emission (links) und Absorption (rechts) elektromagnetischer Strahlung...11

Abbildung 2-12: Valenzbindung vierwertiger Atome..............................................................12

Abbildung 2-13: Energiebänder im Kristall.............................................................................12

Abbildung 2-14: Leitungs- und Valenzband ............................................................................12

Abbildung 2-15: n-Dotierung mit Energiediagramm...............................................................13

Abbildung 2-16: p-Dotierung mit Energiediagramm...............................................................14

Abbildung 2-17: Ausgleichsvorgang (links) und pn-Übergang ohne äußere Spannung (rechts)

..........................................................................................................................................14

Abbildung 2-18: Energieverlauf im pn-Übergang ohne und mit Vorwärtsspannung [Schu06]

..........................................................................................................................................14

Abbildung 2-19: Diodenkennlinien verschiedener Diodentypen [Mer02]...............................15

Abbildung 2-20 zirkulares Bragggitter zur Steigerung der Auskoppeleffizienz [Su06]..........18

vii

Abbildung 2-21 Darstellungen der CIE-Farbtafel, die durchgezogene Mischgerade zeigt die

möglichen Kombination zweier Spektralfarben. Das gestrichelte Dreieck grenzt die

Kombinationsmöglichkeiten dreier Spektralfarben zur Herstellung einer Mischfarbe ein.

..........................................................................................................................................21

Abbildung 2-22 links: Kombinationsmöglichkeiten zur Erzeugung maximaler Lichtausbeuten

aus zwei Spektrallinien. rechts: Spektrum der Zweifarbenkombination mit maximaler

Lichtausbeute. Zur Veranschaulichung ist zudem die V(λ)-Kurve dargestellt................21

Abbildung 2-23 links: Kombinationsmöglichkeiten zur Erzeugung maximaler Lichtausbeuten

aus drei Spektrallinien. rechts: Spektrum der Dreifarbekombination mit maximaler

Lichtausbeute. Zur Veranschaulichung ist zudem die V(λ)-Kurve dargestellt................22

Abbildung 2-24 Prinzip der Weißlichterzeugung mit Lumineszenzstoffen. Rechts: Typisches

Spektrum weißer LED......................................................................................................23

Abbildung 2-25 Temperaturabhängiger Lichtstrom verschiedener Hochleistungs LEDs

[DB06] [K206] .................................................................................................................24

Abbildung 2-26 Einstufige Abbildung im paraxialen Gebiet...................................................27

Abbildung 2-27 Veranschaulichung der Konstanz der Leuchtdichte in abbildenden optischen

Systemen...........................................................................................................................30

Abbildung 2-28 Vereinfachte Darstellung des thermischen Pfades in einer LED...................31

Abbildung 2-29 Von In

0.16

0.84

AS/GaAs emittierte optische Intensität, deren aktive Zone

ein, vier, sechs oder acht Quantumwells enthält, sowie die theoretische Intensität eines

perfekt isotropischen Emitters [Schu06] ..........................................................................31

Abbildung 2-30 Roadmap der Leuchtdichteentwicklung weißer LEDs ..................................32

Abbildung 2-31 Erste Voll-LED Scheinwerfer von OSRAM, Hella, und Audi......................34

Abbildung 2-32 Roadmap des erwarteten Lichtstromes eines Diodenpackages von Philips.

Die Verfünffachung des Lichtstromes von 50lm auf 250lm bei einer Verdoppelung des

Stromes von 350mA auf 700mA ist nur durch eine Reihenschaltung von mehreren

Dioden möglich. ...............................................................................................................34

Abbildung 2-33 Aufbau einer Hochleistungs-LED bestehend aus LED-Chip mit als

Wärmesenke ausgelegter Anode und angebondeter Kathode ..........................................35

Abbildung 2-34 Wichtigste Entwärmungspfade in einer Anordnung OHX-6XX -

Schaltungsträger - Umgebung (nach [Mah06])................................................................36

Abbildung 2-35 Vereinfachtes thermisches Ersatzschaltbild einer Hochleistungs-LED.........36

Abbildung 2-36 OSRAM O-Star..............................................................................................37

viii

Abbildung 2-37 Thermisches Ersatzschaltbild eines LED-Arrays...........................................37

Abbildung 2-38 Prinzipieller Einschaltvorgang einer D2-Gasentladungslampe (gestrichelt)

und einer Glühlampe (gepunktet).....................................................................................41

Abbildung 2-39 Schaltzeiten einer RCLED bei T=300k; die Unterschiede zwischen τ

rise

und

fall

basieren auf dem Ladungsträger sweep-out aus der aktiven Zone [Schu06].............42

Abbildung 2-40 Umwandlung im Fluorophor..........................................................................43

Abbildung 2-41 Darstellung der Phosphoreszenz und der Fluoreszenz im Bändermodell......43

Abbildung 2-42 Gepulste Scheinwerfer zur Car2Car Kommunikation (ISLE).......................44

Abbildung 2-43 Schlussleuchte eines BMW mit gedimmter Rücklichtfunktion (links) und voll

angesteuerter Bremslichtfunktion (rechts)........................................................................45

Abbildung 2-44 Ansteuerungssignal einer gedimmten Schlussleuchte ...................................46

Abbildung 3-1 Adressierbarer Scheinwerfer............................................................................48

Abbildung 3-2 Prinzipielle Funktionsweise eines scannenden Scheinwerfers ........................49

Abbildung 3-3 Scheinwerfer mit hoch dynamischer Blende....................................................50

Abbildung 3-4 Scheinwerfer auf DMD-Basis..........................................................................50

Abbildung 3-5 Frei adressierbare Lichtquelle (Mitte) Projektion einer Fernlichtfunktion

(links) Projektion einer Abblendlichtfunktion (rechts) ....................................................51

Abbildung 3-6 Impulse gleicher Energie..................................................................................52

Abbildung 3-7 Nach Goldstein [Gol02] hängt die Wahrnehmung der Scheinbewegung von

dem Zeitintervall ab..........................................................................................................52

Abbildung 3-8 Helligkeitseindruck zweier periodisch wechselnder Reize (Frequenz liegt über

der Flimmerverschmelzungsfrequenz) .............................................................................53

Abbildung 3-9 Perlschnureffekt bei gepulstem Rücklicht .......................................................56

Abbildung 4-1 Messprinzip zur Ermittlung der wellenlängenaufgelösten LED-Sprungantwort

..........................................................................................................................................57

Abbildung 4-2 Oszilloskopanzeigen der LED-Vermessung (oben: Auslese-Gate, unten: LED-

Ansteuerung) ....................................................................................................................58

Abbildung 4-3 Wellenlängenaufgelöste Sprungantwort einer weißen LED............................58

Abbildung 4-4 Simulierte Sprungantwort (5ns, 80ns, 2000ns) und aus der Faltung zu

erwartendes Messergebnis................................................................................................59

Abbildung 4-5 Statisches thermisches ESB .............................................................................60

Abbildung 4-6 Dynamisches thermisches ESB........................................................................60

Abbildung 4-7 Dynamisches thermisches ESB (anhand von Hydraulik) ................................61

Abbildung 4-8 Oberseite des Chips mit Anschlusspunkt des Bonddrahtes (links) und im Profil

(rechts)..............................................................................................................................63

Abbildung 4-9 Maße des Chips in mm.....................................................................................63

Abbildung 4-10 Wärmesenke von oben (links) und im Profil (rechts)....................................63

Abbildung 4-11 Bemaßung der Wärmesenke in mm...............................................................64

Abbildung 4-12 Dynamisches thermisches ESB mit Parametern ............................................64

Abbildung 4-13 Thermisches ESB mit vereinfachter Bezeichnung.........................................65

Abbildung 4-14 Simulink-Modell des dynamischen thermischen ESB...................................65

Abbildung 4-15 Simulink-Modell mit Übertragungsfunktion .................................................66

Abbildung 4-16 Gemessenes und nach Datenblatt angegebenes temperaturabhängiges

Verhalten der LED-Strahlungsleistung ............................................................................67

Abbildung 4-17 Sprungantwort der Temperatur (links) und der relativen Strahlungsleistung

(rechts)..............................................................................................................................68

Abbildung 4-18 Temperaturantwort einer LED bei 50% Tastverhältnis. Einzelpuls (links)/

Rechteckfrequenzantwort (rechts)....................................................................................69

Abbildung 4-19 Mittlere Temperatur und relative Strahlungsleistung für verschiedene

Tastverhältnisse................................................................................................................70

Abbildung 4-20 Pulsantwort der Temperatur (links) und mittlere Arbeitstemperatur (rechts)

bei verschiedenen Tastverhältnissen gleicher Leistung....................................................70

Abbildung 4-21 Arbeitstemperatur und Strahlungsleistung für verschiedene Tastverhältnisse

und 166Hz bzw. 80Hz ......................................................................................................71

Abbildung 4-22 Frequenz- bzw. pulsdauerabhängige Maximaltemperatur.............................71

Abbildung 4-23 Temperaturkennlinien bei verschiedenen Frequenzen...................................72

Abbildung 4-24 Frequenz- bzw. Pulsdauerabhängigkeit der maximalen Temperatur für dc=10;

30; 50; 70%.......................................................................................................................73

Abbildung 4-25 Abhängigkeit der Flimmerverschmelzungsfrequenz von Umfeldleuchtdichte

und Grundwellenquotient [Hen02]...................................................................................75

Abbildung 4-26 Entstehung der Perlschnur auf der Netzhaut..................................................77

Abbildung 4-27 Einflussgrößen auf den Perlschnureffekt .......................................................79

Abbildung 4-28 Illustration der Faltung von Lichtquelle und Bewegung................................82

Abbildung 4-29 Veranschaulichung des Falls b > ω t

...........................................................82

Abbildung 4-30 Entstehungsbedingung einer homogenen Linie.............................................82

Abbildung 4-31 Messaufbau und erzeugte Perlschnur.............................................................83

Abbildung 4-32 Abhängigkeit der kritischen Frequenz von der Winkelgeschwindigkeit der

Lichtquelle........................................................................................................................84

Abbildung 4-33 Erweiterter Messaufbau zur Untersuchung des Einflusses von

Umfeldleuchtdichte und Blickwinkel...............................................................................85

Abbildung 4-34 Abhängigkeit der kritischen Frequenz von Umfeldleuchtdichte und Farbe der

Lichtquelle (Die Linien indizieren die Standardabweichung durch die Probanden.).......85

Abbildung 4-35 Zeitverlauf der sakkadischen Supression [Thi04]..........................................89

Abbildung 4-36 Abhängigkeit der sakkadischen Supressionsschwelle von der

Umfeldleuchtdichte ..........................................................................................................89

Abbildung 4-37 Straßensituation mit zwei Fixationspunkten (Ortsschild und Baum) ............90

Abbildung 4-38 Netzhautbilder bei Blickbewegungen bei Tag...............................................91

Abbildung 4-39 Netzhautbilder bei der Blickbewegung bei Nacht .........................................91

Abbildung 4-40 Netzhautbild einer kontinuierlichen und einer diskontinuierlichen

Rückleuchte......................................................................................................................92

Abbildung 4-41 Zeitdiskreter Lichtstrom einer kontinuierlichen und einer diskontinuierlichen

Rückleuchte gleicher Helligkeit .......................................................................................92

Abbildung 4-42 Rückleuchten mit geringer horizontaler bzw. vertikaler Ausdehnung...........93

Abbildung 4-43 Rückleuchte mit visuell auflösbaren Einzellichtquellen................................94

Abbildung 4-44 Entstehungszentren für Streulicht im Auge bei Blendung [Lan04]...............95

Abbildung 4-45 Die Schwankungen innerhalb der ermittelten Schwellenkontraste sind

geringer als altersbedingte Schwankungen [Kli03]..........................................................98

Abbildung 5-1 Variablen eines abbildenden Systems im paraxialen Gebiet .........................100

Abbildung 5-2 Dynamik durch Variation der Relativlage von Optik zu Lichtquelle............101

Abbildung 5-3 Dynamik durch variables Abknicken der optischen Achse [Goe06].............102

Abbildung 5-4 Dynamik durch Erzeugung eines bewegten Zwischenbildes [Die04] ...........102

Abbildung 5-5 Kombination von dynamischer Optik und dynamischer Lichtquelle ............103

Abbildung 5-6 Polygonspiegel mit gleicher Spiegelgröße.....................................................103

Abbildung 5-7 Synthetisierte Abbildungsoptik......................................................................104

Abbildung 5-8 Anstieg des Lichtstromes und der Beleuchtungsstärke (~Abbildungsqualität)

mit zunehmendem Optikradius.......................................................................................104

Abbildung 5-9 Optisches System des Funktionsmusters .......................................................105

Abbildung 5-10 Mechatronische Komponenten & Energie- und Informationsfluss des

Funktionsmusters............................................................................................................106

Abbildung 5-11 Prototyp eines COB LED-Arrays ................................................................107

Abbildung 5-12 Luxeon Flash mit Abmessungen [LF06] .....................................................107

Abbildung 5-13 Elektrische Parameter der Luxeon Flash [LF06].........................................107

Abbildung 5-14 Schaltplan der LED-Zeile ............................................................................108

Abbildung 5-15 Kontaktierung der einzelnen LEDs..............................................................108

Abbildung 5-16 Verwendete LED-Zeile................................................................................108

Abbildung 5-17 Spiegelantrieb mit Unterbrechungsring und Lichtschranke.........................110

Abbildung 5-18 GUI der Ansteuersaftware LED-Headlamp.................................................111

Abbildung 5-19 Mit dem Funktionsmuster projiziertes L-LAB-Logo...................................111

Abbildung 5-20 Erhöhung der Beleuchtungsstärke durch Überlagerung mehrerer LED-Arrays

........................................................................................................................................112

Tabellen

Tabelle 2-1 Eigenschaften verschiedener Halbleiterkombinationen........................................13

Tabelle 2-2 theoretische Effizienzen und Wirkungsgrade bei der Weißlichterzeugung mit

LEDs.................................................................................................................................25

Tabelle 2-3 Lichtausbeuten verschiedener Lichtquellen..........................................................25

Tabelle 2-4 Leuchtdichten der klassischen Kfz-Lichtquellen im Vergleich zu einer

Hochleistungs-LED (Angaben in Mcd/m²) ......................................................................26

Tabelle 2-5 Mindestdurchmesser der Austrittspupille eines Scheinwerfers zur Erzeugung der

für Fernlicht geforderten Beleuchtungsstärken ................................................................29

Tabelle 2-6 Möglichkeiten der LED-Cluster Bildung mit Vor- und Nachteilen......................33

Tabelle 4-1 relative Winkelgeschwindigkeiten beim Überholvorgang....................................87

Tabelle 4-2 Ermittelter Schwellenkontrast bei verschiedenen Pulsparametern .......................97

xii

Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen und Abkürzungen

A Fläche [m²]

A Index = Akzeptor (p-dotiert)

AFS Adaptive Front Lighting System

a Gegenstandsweite [m]

a' Bildweite [m]

b Breite der Lichtquelle [°]

C Kapazität [F]

CCD Charche Coupled Device

CIE Commission Internationale de l'Éclairage

COB Chip on Board

Thermische Kapazität [J/K]

Cu Kupfer

c Lichtgeschwindigkeit [m/s]

c Spezifische Wärmekapazität [J/kg/K]

D Index = Donator (n-dotiert)

Normlichtart (Daylight =schwarzer Strahler bei 6500k)

DMD Digital Mirror Device

dc Tastverhältnis [%]

E Energie [Ws]

E Unbuntpunkt x=y=z=1/3

E Beleuchtungsstärke [lx]

ECE Economic Commission for Europe

EMV Elektromagnetische Verträglichkeit

ESB Ersatzschaltbild

EU Europäische Union

e Basis des natürlichen Logarithmus 2,71828183

e Index = physikalische Größe

F, F’ Objektseitiger bzw. bildseitiger Brennpunkt

FPS Frames Per Second

FVF Flimmerverschmelzungsfrequenz [Hz]

f Frequenz [Hz]

f, f’ Objektseitige bzw. bildseitige Brennweite [mm]

Flimmerverschmelzungsfrequenz [Hz]

Ga Gallium

GaAs Galliumarsenid

GaP Galliumphosphid

xiii

GUI Graphical User Interface

GW Grundwellenquotient [%]

H Belichtung [lx s]

HDG Hell-Dunkel-Grenze

HH Horizontale Linie

Hg Quecksilber

h Plancksches Strahlungsäquivalent 6,62607 10

-34

I Strom [A]

Diodenstrom [A]

Sättigungsstrom [A]

IDE Integrated Drive Electronics

InGaN Indiumgalliumnitrid

InP Indiumphosphid

Sperrstrom [A]

K Alterfaktor

Kfz Kraftfahrzeug

O/U

Kontrast nach Weber [%]

k Stephan-Bolzman-Konstante 1,380650524 10

-23

J k

-1

Photometrisches Strahlungsäquivalent 683 lm/W

L Leuchtdichte [cd/m²]

LED Licht emittierende Diode

S,äqu

Äquivalente Schleierleuchtdichte [cd/m²]

M Spezifische Ausstrahlung [W/m²]

m Masse [kg]

Na Natrium

NaI Natriumjodid

n Brechungsindex

P, P’ Objekt-, Bildpunkt

PC Personal Computer

PDA Personal Digital Assistant

Elektrische Leistung [W]

Strahlungsleistung [W]

Strahlende Rekombinationsleistung [W]

Verlustleistung [W]

PWM Pulsweitenmodulation

Zugeführte Leistung [W]

Q Wärmearbeit [Ws]

QW Quantenwell

xiv

R Widerstand [Ω]

R² Bestimmtheitsmaß

Farbwidergabeindex

RPM Rounds Per Minut

Thermischer Widerstand [K/W]

r Radius [m]

r Abstand zwischen zwei Flächen [m]

S Sehschärfe

S0, S1, … Singulett-Zustände

SAE Society of Automotive Engineers

SCSI Small Computer System Interface

Sc Scandium

ScI Scandiumjodid

T Periodendauer [s]

T1, T2, … Triplett-Zustände

Temp Temperatur [°C]

Heatsinc- bzw. Kühlkörpertemperatur [K]

Sperrschichttemperatur [K]

; T

Umgebungstemperatur [K]

t Zeit [s]

Belichtungsdauer [s]

Pulsdauer [s]

U Spannung [V]

Diffusionsspannung [V]

Temperaturspannung [V]

UV Ultraviolett

V Volumen [m³]

V(λ) Hellempfindlichkeitsfunktion

VV Vertikale Linie

Energieniveau des Leitungsbandes [Ws]

Energieniveau des Valenzbandes [Ws]

∆W

Bandlücke [Ws]

X, Y, Z Normfarbwerte

x, y, z Normfarbwertanteile

Xe Xenon

D65

Normfarbwertanteil x von D

0,3138

D65

Normfarbwertanteil y von D

0,331

YAG:Ce

Yttrium-Aluminium-Granat

y Gegenstandsgröße [m]

y' Bildgröße [m]

Transienter thermische Scheinwiderstand [K/W]

z Differenz aus Gegenstandsweite und objektseitiger Brennweite [m]

z' Differenz aus Bildweite und bildseitiger Brennweite [m]

β' Abbildungsmaßstab [%]

Winkel des auftreffenden Lichtstrahles [°]

Winkel des transmittierten Lichtstrahles [°]

Grenzwinkel der Totalreflexion [°]

Φ Lichtstrom [lm]

γ, φ Raukoordinaten [°]

η Wirkungsgrad [%]

extraktion

Extraktionskoeffizient [%]

int

Interne Quanteneffizienz [%]

konv.

Wirkungsgrad der Farbstoffkonvertierung [%]

Lichtausbeute [lm/W]

Λ Lichtstromverteilungsfunktion

λ Wellenlänge [m]

π Ludolphsche Zahl

Θ Blickwinkel [°]

ρ Reflektionsgrad [%]

ρ Spezifische Masse [kg/m³]

τ Transmissionsgrad [%]

τ Zeitkonstante [s]

Ω Raumwinkel [sr]

Ω

Einheitsraumwinkel = 1sr

ω Winkelgeschwindigkeit [°/s]

Einleitung

1 Einleitung

Leuchtdioden erobern ständig neue Anwendungsbereiche in der Kfz-Beleuchtung. Der

Einzug der Light Emitting Diodes (LEDs) in den Serienautomobilbau begann im Jahr

1980 mit der Modifizierung des VW Golf 1. Sechs Jahre später wurden sie in den ersten

hochgesetzten Bremsleuchten verbaut. In den folgenden Jahren etablierten sie sich zu-

nehmend auch in Innenraumbeleuchtung und Leseleuchten, sowie in Instrumenten und

Schaltern des Armaturenbretts. Nachdem die Gesetzgebung den Weg für die LEDs im

Außenbereich der Karosserie geebnet hatte, stellte VW im Jahre 2002 den VW Phaeton

mit Heckleuchten in LED-Technik vor. Dies läutete den Durchbruch der LED-

Technologie in Brems-, Blink- und Schlussleuchten auf breiter Front ein [May05]. Heute

ist jeder größere Automobilkonzern mit Modellen auf dem Markt vertreten, in denen

LEDs in diesen Leuchten verbaut sind.

Betrachtet man die Eigenschaften dieser Lichtquelle, liegt der Trend zu dieser Technolo-

gie im Kfz-Bau auf der Hand. Die kleinen Abmessungen eröffnen Designern völlig neue

Gestaltungsmöglichkeiten. Außerdem sorgt die sehr hohe Lebensdauer, nach Angaben

von Osram bis zu 100.000 Betriebstunden, dafür, dass theoretisch ein Autoleben lang kei-

ne Leuchte gewartet werden muss. Ebenfalls kennzeichnend für LEDs ist ihr geringer E-

nergieverbrauch. Der Stromverbrauch einer Bremsleuchte sank beispielsweise nach An-

gaben von Porsche von 21 Watt auf 5 Watt [May05]. Die im Kontext dieser Arbeit wich-

tigste und interessanteste Eigenschaft der LED ist das schnelle Ansprechverhalten. LEDs

benötigen für den Einschaltvorgang wenige Nanosekunden [Schu06], wohingegen Stan-

dardglühlampen für Bremsleuchten nach ca. 200 ms voll leuchten [Siv93]. Abbildung 1-1

verdeutlicht diesen Unterschied. Das schnelle Schaltverhalten der LED prädestiniert sie in

erster Linie für den Einsatz in Bremsleuchten, resultierend in kürzeren Reaktionszeiten

der Fahrer im nachfolgenden Verkehr auf einen Bremsvorgang. Wie eine Untersuchung

von Sivak et. al. zeigt, verkürzt sich die Reaktionszeit um durchschnittlich 166 ms, wenn

statt einer Standard-Glühlampe LED-Technik in einer Bremsleuchte verwendet wird

[Siv93].

Abbildung 1-1 Ansprechverhalten von LED und Glühlampe

Einleitung

Nachdem es 1994 Nakamura et al. gelang blaue Hochleistungs-LED auf der Basis von Indium

Gallium Nitrid (InGaN) zu entwickeln, entwickelte NICHIA 1997 weiße LEDs, die durch

Konversion der blauen Strahlung mit Zer dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat-Pulver (Y-

AG:Ce

) ihre Lichtfarbe erhalten. Damit fanden Signalfunktionen am Kfz ihren Zugang. Be-

reits 2003 wurde der Audi A8 W12 durch die Firma Hella Hueck & Co. KGaA mit einem

weißem LED-Tagfahrlicht ausgestattet. Seitdem entwickeln sich die lichttechnischen Eigen-

schaften der weißen LED rasant weiter, sodass aus den gleichen Gründen wie bei Rückleuch-

ten (schnelles Schalten, lange Lebensdauer, kleine Bauform, hohe Lichtausbeute) erstmalig

ein Einsatz der LED für Beleuchtungsfunktionen interessant wurde. Man erhofft sich auch bei

den Scheinwerferfunktionen eine Steigerung der Lichtquellenlebensdauer und eine günstigere

Energiebilanz als bei herkömmlichen Leuchtmitteln. So gelang es wiederum Hella 2005 den

ersten Voll-LED-Scheinwerfer mit Xenon-Performance im Abblendlicht vorzustellen.

Da heutige LEDs an den energieeffizienten Xenonsystemen gemessen werden, sind sie trotz

dieser rasanten Entwicklungen noch nicht auf dem Niveau konventioneller Lichtquellen. Da-

her muss zunächst geklärt werden, ob aus lichttechnischer Sicht ein Einsatz der LED im

Scheinwerfer überhaupt sinnvoll ist. Anhand einer kritischen Diskussion der heutigen LED-

Performance und der realistisch zu erwartenden Lichtleistungen erfolgt im ersten Teil dieser

Arbeit eine gegenwärtige und zukünftige Einordnung der LED zur Erzeugung der Standard-

scheinwerferfunktionen.

Die für die roten LEDs zutreffenden schnellen Schaltzeiten von wenigen Nanosekunden gel-

ten auch für blaue Hochleistungs-LEDs. Neben dem schnellen Anschalten des Scheinwerfers,

ergeben sich aus der Möglichkeit der Pulsmodulierbarkeit der LED eine Reihe weiterer Mög-

lichkeiten zukünftiger Scheinwerfer. Scheinwerferfunktionen, die erst in Zukunft Einzug in

das Kfz halten werden, werden daher im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit ausführlich

diskutiert.

Lichterzeugung mit LEDs

2 Lichterzeugung mit LEDs

Dieses Kapitel dient dazu, weiße Hochleistungs-LEDs mit den bestehenden Standartlichtquel-

len zu vergleichen. Ausgehend von den prinzipiellen Vorgängen der verschiedenen Lichter-

zeugungsmethoden werden die bestehenden und möglichen Lichtleistungen von Glühlampe,

Xenonbrenner und LED dargelegt und diskutiert

Eine Lichtquelle hat die Aufgabe eine Energieform in elektromagnetische Strahlung umzu-

wandeln. Es gibt prinzipiell zwei Wege, wonach dies geschehen kann. [Hen72]:

1. Durch positive oder negative Beschleunigung elektrisch geladener Teilchen.

2. Durch Anregung von Atomen oder Molekülen und anschließendem Rückkehr dieser

in ihren Ausgangszustand.

Die frei werdende kinetische oder Bindungsenergie

∆

∆∆

∆

wird darauf folgend in Form elekt-

romagnetischer Strahlung der Frequenz f freigesetzt.

⋅

⋅⋅

⋅

∆

∆∆

∆

( 2-1 )

Bisher haben sich in der Kfz-Lichttechnik zwei Formen der Lichterzeugung herauskristalli-

siert: die Halogenglühlampe und die Metalldampflampe. Diese beiden Formen der Lichter-

zeugung sollen im Folgenden kurz erklärt werden.

2.1 Glühlampe

2.1.1 Lichterzeugung mit Temperaturstrahlern

Im Fall der Glühlampe wird einem elektrischen Leiter thermische Energie zugeführt, die

durch ohmsche Widerstände aus elektrischer Energie erzeugt wird. Diese Wärme versetzt die

Atome oder Moleküle des Leiters in Schwingung. Durch die resultierenden Kollisionen wird

den Atomen/Molekülen Energie zugeführt, die sie in einen angeregten Zustand versetzt. Da

dieser angeregte Zustand energetisch instabil ist, streben die angeregten Elemente das energe-

tisch günstigere Energieniveau an. Dieses wird ausschließlich durch die Abgabe von Energie

erreicht. Folglich emittieren diese Atome/Moleküle spontan die nun überschüssige Energie in

Form von elektromagnetischer Strahlung und können erneut angeregt werden.

Lichterzeugung mit LEDs

Abbildung 2-1 Schwingende Atome im Festkörper

In erster Annährung entspricht das entstehende Emissionsspektrum dem Absorptionsspektrum

eines idealen schwarzen Strahlers, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er bei konstanter

Temperatur jegliche auftreffende Strahlungsleistung absorbiert.

Dieses Spektrum kann nach Planck über folgende Gleichung bestimmt werden:

λλ

ππ

λλ

ddA

ddAM

⋅

⋅⋅

⋅













































−

−−

−⋅

⋅⋅

⋅

⋅⋅

⋅

⋅⋅

⋅

⋅⋅

⋅

=⋅

⋅⋅

⋅





































⋅

⋅⋅

⋅

⋅⋅

⋅

( 2-2 )

Wobei h das Plancksche Strahlungsäquivalent mit sJh

⋅⋅=

−34

1062607,6 , c die Lichtge-

schwindigkeit und k die Stepahn-Bolzman-Konstante mit

123

10380650524,1

−−

⋅⋅=

KJk ist.

Abbildung 2-2 Spektrale spezifische Aussstrahlung eines idealen schwarzen Körpers bei verschiedenen

Glühtemperaturen. Die V(λ

λλ

λ)-Kurve kennzeichnet den sichtbaren spektralen Anteil.

Das Verhältnis aus

(

)

V-bewerteter Strahlungsleistung und Gesamtstrahlungsleistung gibt

die Lichtausbeute dieser Strahlungsquelle an.

(

((

(

)

))

)

∫

∫∫

∫

∫∫

∫

⋅

⋅⋅

⋅

⋅⋅

⋅

λλ

ηη

λλ

dVMk

( 2-3 )

Lichterzeugung mit LEDs

Mit Hilfe der Gleichungen ( 2-2 ) und ( 2-3 ) lassen sich für den schwarzen Strahler für ver-

schiedene Temperaturen die theoretischen maximalen Lichtausbeuten berechnen. In

Abbildung 2-4 wird deutlich, dass ein solcher idealer thermischer Strahler ein Maximum der

Lichtausbeute bei Temperaturen um 6500 K aufweist. Hier sind Lichtausbeuten von maximal

100 lm/W erreichbar. Folglich wird versucht, die Glühtemperatur thermischer Strahler auf

diese Idealtemperatur zu erhöhen.

Abbildung 2-3 Lichtausbeute eines idealen schwarzen Strahlers bei verschiedenen Temperaturen

Das Bestreben nach hohen Temperaturen zeigt sich auch in den Meilensteinen der Entwick-

lung der Glühlampe. Neben dem Einsatz von Wolfram als Glühfaden haben vor allem der

Zusatz von Füllgasen, zur Verhinderung des Abdampfens, und der Halogenkreisprozess eine

Temperaturerhöhung ermöglicht.

Nachdem erste Glühlampen lediglich Temperaturen von knapp 2000 K erreichten, wurden

durch die beschriebenen Errungenschaften Temperaturen von bis zu 3200 K möglich. Dies

bedeutet einen Anstieg der Lichtausbeute von 13 lm/W auf 35 lm/W. Dennoch wird die ange-

strebte Idealtemperatur von 6500 K noch weit unterschritten.

2.1.2 Scheinwerfersysteme mit Halogenglühlampen

Die nach [ECE20] oder [SAE] geforderten Lichtverteilungen für Scheinwerfer mit Halogen-

glühlampen werden traditionell über zwei Varianten erzeugt. Entweder mit einem Parabol-

reflektor und einer Streuscheibe oder mit einem Freiformreflektor. Durch beiden Varianten

wird eine Vielzahl von reellen Glühwendelbildern in den Verkehrsraum (auf eine imaginäre

Wand in 25 m) abgebildet. Mit Hilfe der ersten (historisch älteren) Variante wird zunächst ein

kollimiertes („paralleles“) Strahlenbündel mit einem Parabolreflektor erzeugt. Durch das an-

schließende selektive Umlenken dieses Strahlenbündels über eine strukturierte Abschluss-

scheibe lässt sich die Lichtverteilung aus Einzelwendelbildern zusammensetzen. Diese optik-

behaftete Abschlussscheibe wird auch Streu- oder Prismenscheibe genannt. Mit der Einfüh-

rung der computerbasierten Strahlenberechnung konnten die optischen Eigenschaften der

Streuscheibe auf den Reflektor selbst verlagert werden. Der Reflektor besteht aus einer Viel-

Lichterzeugung mit LEDs

zahl von einzelnen Reflektorscherben, die je nach Entfernung von der Lichtquelle große oder

kleine Wendelbilder erzeugen.

Abbildung 2-4 Strahlengang bei der Erzeugung verschieden großer Wendelbilder in Paraboloidreflektoren

mit Streuscheibe (links) und in Freiformreflektoren (rechts)

Nach dem Abbildungsgesetz ist der Abbildungsmaßstab, der das Größenverhältnis aus Bild-

größe (Wendelbild) und Objektgröße (Wendel) angibt, gleich dem Verhältnis aus Objektweite

a’ (Entfernung Reflektor-Wendelbild) und Gegenstandsweite a (Entfernung Wendel-

Reflektor).

Die so entstehenden kleinen Wendelbilder aus dem Reflektoraußenbereich werden zur Erzeu-

gung hoher Beleuchtungsstärken in der Straßenmitte genutzt. Die großen Wendelbilder aus

dem Reflektorinneren eignen sich gut um großflächige Bereiche, wie z.B. das Vorfeld, auszu-

leuchten. Um zwischen Abblend- und Fernlicht zu wechseln, wird entweder ein zusätzlicher

Fernlichtscheinwerfer zugeschaltet oder in der Lampe bzw. im Reflektor befindet sich eine

zweite Wendel. Letzteres entspricht dem Aufbau von H4-Lampen. Eine Wendel ist hierbei so

durch eine Reflektorwanne abgeschattet, dass ihr Lichtstrom nur den oberen Teil des Reflek-

tors erreicht. Dieser Lichtstromanteil erzeugt das Abblendlicht. Wird die zweite freie Wendel

eingeschaltet, gelangt ein Teil ihres Lichtstromes auf die untere Reflektorschale, die die Fern-

lichtverteilung erzeugt. Diese Form der Lichtquelle hat einen weiteren Vorteil. Mit der durch

die scharfe Kante der Reflektorwanne begrenzten Abblendlichtwendel lassen sich scharf ab-

gegrenzte Wendelbilder erzeugen. Somit kann eine exakte Grenze zwischen beleuchtetem

Bereich und ausgeblendetem Bereich (Hell-Dunkel-Grenze) erzeugt werden. Nach Kotowicz

[Kot05] beträgt der Leuchtenwirkungsgrad dieser Systeme, aufgrund der ungünstigen Aus-

nutzung des Lampenlichtstroms und der Notwendigkeit der Streu- bzw. Abschlussscheibe,

nur etwa 27 %.

aayy

'''

ββ

. ( 2-4 )

Lichterzeugung mit LEDs

2.2 Gasentladungslampe

2.2.1 Lichterzeugung durch Gasentladung

Bei der auch „Xenonlampe“ genannten Metalldampflampe handelt es sich um eine Hoch-

druckgasentladungslampe mit metallischen Zusätzen, die zur Erzeugung des gewünschten

Spektrums notwendig sind. Im Gegensatz zu Glühlampen wird in Gasentladungslampen ein

leuchtendes Plasma, ein Aggregatzustand in dem Atomrümpfe und Elektronen getrennt vor-

liegen, erzeugt. Diese geladenen Teilchen (Ionen und Elektronen) werden in einem elektri-

schen Feld beschleunigt, in dem sie analog zur thermischen Strahlung kollidieren und rekom-

binieren. Erzeugt wird dieses Plasma durch Stoßionisation. Zwischen einer Anode und einer

Kathode werden elektrisch geladene Teilchen wie z.B. Elektronen und Ionen beschleunigt.

Diese stoßen auf weitere Atome oder Ionen und lösen dort unter Abgabe ihrer kinetischen

Energie Elektronen heraus. So entstehen neue Ionen und Elektronen und werden ihrerseits

wieder beschleunigt. Durch diesen Lawineneffekt entstehen so viele Ladungsträger, dass der

Widerstand zwischen den Elektroden gegen Null strebt. Um diesen Lawineneffekt auszulö-

sen, wird im Fall der Kfz-Gasentladungslampe ein Hochspannungsimpuls (25 kV) auf die

Lampe gegeben, wodurch ein Zündfunken von einer Elektrode zur anderen springt und das

enthaltene Gas ionisiert. Dies löst die Erzeugung des Plasmas aus, Elektronen und Ionen re-

kombinieren und emittieren spontan Photonen: Die Lampe leuchtet.

Das Gas in einer D1 und D2 Xenonlampe im Hauptbetrieb bei 60 bar ist Quecksilberdampf.

Dieses Quecksilber liegt im abgekühlten Zustand fast ausschließlich in flüssiger Form im

Lampenbrenner vor, da der Dampfdruck von Quecksilber bei niedrigen Temperaturen zu ge-

ring ist. Erst durch das Aufheizen im Betriebszustand verdampft weiteres Quecksilber. Dieses

Aufheizen und Verdampfen hat zufolge, dass einige Sekunden vergehen, bis die Lampe ihre

volle Leistung erreicht.

Nach [ECE98] muss eine Kfz-Gasentladungslampe nach 1 s 25 % und nach 4 s 80 % des Ge-

samtlichtstromes erzeugen. Um dies zu erreichen, wird Xenon als Startgas mit einem Partial-

druck im Kaltzustand von 10 bar zugemischt. Der Zündfunken erzeugt zu Beginn vorrangig

ein Xenonplasma, das augenblicklich ca. 15 % des Gesamtlichtstromes liefert. Durch kontrol-

lierten Überlastbetrieb werden anschließend das Quecksilber und weitere Metallsalze (NaI,

ScI

) möglichst schnell verdampft. Die endgültigen Dampfdrücke stellen sich ein und die

Lampe erreicht ihre Betriebslichtfarbe und ihre Betriebslichtausbeute.

Lichterzeugung mit LEDs

Abbildung 2-5 Plasma, bestehend aus Ionen und Elektronen in dem Brenner einer Gasentladungslampe

Durch die hohe Anregungsenergie des Quecksilbers im Vergleich zu den anderen Leuchtzu-

satzmetallen liefert es nach dem Einbrennen keinen bedeutsamen Beitrag für den Lampen-

lichtstrom. Es ist jedoch ausschlaggebend für die Lampenbrennspannung und sorgt durch sei-

ne geringe Wärmeleitfähigkeit für eine thermische Abschirmung des Lichtbogens [Kot05]. In

Abbildung 2-6 (links) ist die prozentuale Beteiligung der Füllgase an der Lichtstromerzeu-

gung über die Einschaltdauer abgetragen [OSRAM].

Abbildung 2-6 Prozentualer Anteil der jeweiligen Gase einer D2 bzw. D4 Lampe an der

Lichtstromerzeugung während des Einschaltvorganges (nach [OSRAM])

Im Zuge des schadstofffreien Autos wird die Quecksilberdampflampe schrittweise durch

quecksilberfreie D3- bzw. D4-Lampen ersetzt. In diesen Lampen wird mit ähnlichen Ergeb-

nissen Zink anstatt Quecksilber verwendet. Aufgrund des geringen Strahlungsbeitrages unter-

scheiden sich die Spektren der beiden Lichtquellen nur geringfügig.

Abbildung 2-7 Spektrum einer D2 und einer D4 Lampe [Man06]

Lichterzeugung mit LEDs

Da das Spektrum nahezu ausschließlich durch die Anregungsenergien der Leuchtzusatzmetal-

le bestimmt wird, ist ein gezieltes spektrales Lampendesign möglich, so dass fast ausschließ-

lich sichtbare Strahlung emittiert wird. (Mit UV-Anteilen der Quecksilberstrahlung und Infra-

rotstrahlung durch erwärmte Lampenteile) Dadurch sind mit weißen Gasentladungslampen

typische Lichtausbeuten von 90 bis 100 lm/Watt erreichbar.

2.2.2 Scheinwerfersysteme mit Gasentladungslampe

Der Lichtbogen der Gasentladungslampen wurde speziell so entwickelt, dass er in seiner Ge-

ometrie der einer Halogenglühlampe ähnelt.

Abbildung 2-8 Aufnahme einer H7-Glühwendel und eines D2-Lichtbogens im gleichen Maßstab. Hohe

Leuchtdichten sind mit dunklen, niedrige mit hellen Graustufen dargestellt.

Somit ist es möglich Halogenlichtsysteme mit Gasentladungslampen zu betreiben. Da der

Lichtbogen keine scharfe Abgrenzung zwischen leuchtend und nicht leuchtend besitzt, lassen

sich nur unscharfe Lichtbogenbilder kombinieren. Dies führt in Reflektionssystemen zu einer

unscharfen Hell-Dunkel-Grenze, was zur Folge hat, dass nahe der HDG keine hohen Beleuch-

tungsstärken realisieret werden können. Als Abhilfe dient hierbei eine weitere Anpassung der

Lichtquelle an die Scheinwerfertechnologie. Um eine reflektortaugliche Lichtquelle zu erhal-

ten, ist bei DxS (x=1,2,3) Lampen auf dem äußeren Splitter- und UV-Schutzkolben eine

Blende aufgedruckt. Wie bei der H4-Lampe ist es nun möglich einen Reflektor zu entwerfen,

der die HDG aus Abbildungen dieser Reflektorkante zusammensetzt. Trotz dieser Anpassun-

gen haben sich Xenon-Reflektionssysteme auf dem europäischen Markt kaum durchsetzen

können. Hauptsächlich finden Xenon-Projektionssysteme Verwendung.

Abbildung 2-9 Darstellung der geometrischen Brennpunkte eines Drei-Ellipsoid-Reflektors (links: horizon-

taler, rechts: vertikaler Schnitt)

Projektionssysteme funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip wie Diaprojektoren. Sie

leuchten eine Zwischenbildebene aus und bilden diese über eine Projektionsoptik in den Ver-

kehrsraum ab. Die geforderte Beleuchtungsstärkeverteilung muss folglich schon in der Zwi-

Lichterzeugung mit LEDs

schenbildebene als Lichtstärkeverteilung vorliegen. Im Gegensatz zu Diaprojektoren ist keine

homogene Ausleuchtung des Dias gewünscht, sondern eine Hotspotverteilung. Somit sind im

Zentrum höhere Lichtstärken als am Rand des Zwischenbildes notwendig. Des Weiteren muss

das Zwischenbild ein Aspektverhältnis der Breite zur Höhe von 7:1 aufweisen, um eine breite

Fahrbahnausleuchtung zu erreichen. Das gewünschte Zwischenbild lässt sich erzeugen, indem

zwei unterschiedlich große Ellipsoiden zu einem Freiformreflektor kombiniert werden, wobei

der Reflektor im horizontalen Schnitt eine größere Exzentrizität als der vertikale Reflektor-

schnitt aufweist (siehe Abbildung 2-9). Hierbei liegt der Lichtbogen in den jeweils ersten ge-

ometrischen Brennpunkten der Ellipsen. Der zweite geometrische Brennpunkt der kleineren

Ellipse liegt direkt in der Zwischenbildebene und erzeugt einen Hotspot. Der zweite geometri-

sche Brennpunkt der größeren Ellipse liegt wesentlich weiter entfernt, wodurch die Zwi-

schenbildebene breiter ausgeleuchtet wird.

Wie bereits beschrieben, liegt die Anschaltzeit einer Xenon-Lampe trotz speziellen Anpas-

sungen bei einigen Sekunden. Somit ist die Erzeugung des Fernlichtes und speziell das Schal-

ten zwischen Fern- und Abblendlicht nicht durch eine zweite Gasentladungslampe möglich.

Aus diesem Grund werden häufig zusätzliche Halogenfernlichtscheinwerfer in einem Schein-

werfer verwendet, sodass die Gasentladungslampe nur den Abblendlichtanteil der Lichtvertei-

lung erzeugt. Um trotz der langen Schaltzeiten von Xenonlampen auf Glühlampen zu verzich-

ten, wurde von Börnchen et. al. [Bör02] ein mechanisch schaltendes Bi-Xenonsystem entwi-

ckelt. Hierbei wird mechanisch die Blende in der Zwischenbildebene variiert, so dass eine

geöffnete Blende eine Fernlichtverteilung frei gibt. Hierzu muss der Reflektor eine zusätzli-

che Lichtfunktion, die Fernlichtfunktion, auf den variablen Teil Blende abbilden, damit diese

beim Öffnen in den Verkehrsraum abgebildet werden kann. Ein Erweitern des Reflektors um

eine dritte Ellipse macht dies möglich. Der erste geometrische Brennpunkt dieser Ellipse fällt

wiederum mit dem Lichtbogen der Lampe zusammen. Der zweite geometrische Brennpunkt

liegt hier zwischen denen der anderen zwei Ellipsen, so dass dieser Strahlengang durch die

mechanische Blende geschaltet werden kann. Dieser dritte Ellipsenschnitt des Freiformreflek-

tors ist im unteren Teil der vertikalen Schnittansicht zu erkennen.

Lichterzeugung mit LEDs

2.3 LED

2.3.1 Grundlagen Licht emittierender Dioden

Als drittes Prinzip soll nun das der Lichterzeugung mit LED erklärt werden. Ausgehend vom

Bohrschen Atommodell wird der Kristallaufbau von Halbleitern sowie deren Dotierung er-

klärt. Zum Verständnis dienen hierbei die zugehörigen Energiediagramme.

2.3.1.1

Bohrsches Atommodell

Um den Vorgang der Lichterzeugung mit LED zu verstehen, ist das Bohrsche Atommodell

hilfreich. Nach Bohr bestehen Atome aus einem positiv geladenen Atomkern und Elektronen,

die sich auf festen Bahnen, auch Schalen genannt, um den Atomkern bewegen.

Abbildung 2-10: Atommodell nach Bohr

Nach dem ersten Bohrschen Postulat gibt es ausschließlich diskrete Zustände, die Schalen, die

für Elektronen erlaubt sind. Die Elektronen auf der äußersten noch besetzten Schale heißen

Valenzelektronen, da sie für die chemische Bindung (Valenz) zu den Nachbaratomen zustän-

dig sind.

Das zweite Postulat besagt, dass der Übergang eines Elektrons zwischen zwei Schalen unter

Emission, bzw. Absorption elektromagnetischer Strahlung erfolgt.

Abbildung 2-11: Emission (links) und Absorption (rechts) elektromagnetischer Strahlung

In Abbildung 2-11 ist jeweils rechts des Bohrschen Atommodells das Energiediagramm des

Atoms dargestellt. Das Energiediagramm stellt die unterschiedlichen Energieniveaus der ein-

zelnen Schalen dar. Je größer der Radius der Schale, d.h. je weiter das Elektron vom Kern

entfernt ist, desto größer ist seine potentielle Energie.

Fällt bei der Emission ein Elektron auf eine energetisch niedrigere Bahn, so bedeutet dies,

dass es Energie verliert. Diese Energie wird als Photon abgestrahlt. Genau umgekehrt verhält

es sich bei der Absorption. Trifft ein Photon auf ein Elektron, so absorbiert dies dessen Ener-

gie und wird auf eine höhere Bahn gehoben.

Lichterzeugung mit LEDs

2.3.1.2

Kristallaufbau

Kristalle sind Festkörper mit regelmäßiger Atomanordnung. Sie entstehen dadurch, dass die

Valenzelektronen aller Atome untereinander Bindungen eingehen. Ein äußerst stabiles Kris-

tallgitter wird mit vierwertigen Atomen, d.h. mit Atomen mit vier Valenzelektronen, erreicht.

Durch die Bindung der benachbarten Valenzelektronen besitzt jedes Atom im Prinzip acht

Valenzelektronen, was der Edelgaskonfiguration entspricht.

Abbildung 2-12: Valenzbindung vierwertiger Atome

Eine vergleichbar stabile Bindung ist ebenso mit 3- und 5-wertigen Atomen möglich, bei der

die 3-wertigen Atome drei Valenzelektronen abgeben und die 5-wertigen fünf. Zu den so ge-

nannten III/V Halbleitern zählen z.B. Gallium-Arsenid (GaAs) und Indium-Phosphid (InP).

Werden gleiche Atome aneinander gebunden, müssten die Elektronen auch das gleiche Ener-

gieniveau besitzen. Das Pauli-Prinzip besagt jedoch, dass zwei Elektronen nie den gleichen

Energiezustand haben dürfen. Dies hat zur Folge, dass sich das ursprünglich gleiche Niveau in

ein Band aufspreizt. Da im Prinzip unendlich viele Atome an der Kristallbildung beteiligt

sind, liegen in dem Energieband unendlich viele Niveaus extrem dicht beieinander

(Abbildung 2-13).

Abbildung 2-13: Energiebänder im Kristall

Um im Folgenden den Vorgang der Lichterzeugung mit Halbleitern zu verstehen, sind zwei

Bänder zu beachten. Das Valenzband ist, in Analogie zu den Valenzelektronen, das äußerste

noch von Elektronen besetzte Band. Das Leitungsband beschreibt das Energieniveau im Kris-

tall, in dem sich die frei beweglichen Elektronen befinden. Beide Bänder sind durch die Band-

lücke

VLg

WWW

−

−−

−

∆

∆∆

∆

getrennt.

Abbildung 2-14: Leitungs- und Valenzband

Lichterzeugung mit LEDs

2.3.1.3

Licht aus Halbleitern

Als Halbleiter werden Kristalle mit einer Bandlücke von

eVW

∆

∆∆

∆

bezeichnet.

Geht ein Elektron vom Leitungs- ins Valenzband über (Rekombination), so kann die frei wer-

dende Energie

∆

∆∆

∆

in Lichtenergie umgewandelt werden. Sie wird in Form eines Photons

emittiert. Je größer die Anzahl der freien Elektronen im Leitungsband, desto höher ist die Re-

kombinationswahrscheinlichkeit und dementsprechend die Anzahl der emittierten Photonen.

Die Emissionswellenlänge

λλ

lässt sich über

∆

∆∆

∆

⋅

⋅⋅

⋅

λλ

( 2-5 )

berechnen. Mit h, dem planckschen Wirkungsquantum und c, der Lichtgeschwindigkeit, wird

durch die Energie der Bandlücke die Emissionswellenlänge bestimmt. Um LEDs mit ver-

schiedenen Emissionswellenlängen herzustellen, verwendet man Mischkristalle.

Tabelle 2-1 Eigenschaften verschiedener Halbleiterkombinationen

Material

∆

∆∆

∆

[eV]

λλ

[nm]

GaAs

1,43

870 (Infrarot)

GaP

2,26

550 (

Grün)

InGaN

2,76

450 (Blau)

2.3.1.4

Dotierung

Wie schon beschrieben steigt die Wahrscheinlichkeit der Rekombination, je höher die Anzahl

der Elektronen im Leitungsband ist. Diese lässt sich durch Dotierung der Halbleiterkristalle

gezielt beeinflussen. Bei der n-Dotierung werden beispielsweise 4-wertige Atome im Kristall-

gitter durch 5-wertige ersetzt. Vier der Valenzelektronen gehen eine Bindung mit dem Nach-

baratom ein, das fünfte Elektron wird für die kovalente Bindung nicht benötigt und ist nicht

gebunden. Es ist somit eine geringere Energie notwendig, um dieses Elektron ins Leitungs-

band zu heben. Im Energiediagramm bedeutet dies, dass unter dem Energieniveau des Lei-

tungsbandes ein neues Energieniveau W

entsteht. „D“ steht hierbei für Donator, vom lateini-

schen donare: schenken, abgeben (eines Elektrons).

Abbildung 2-15: n-Dotierung mit Energiediagramm

Lichterzeugung mit LEDs

Eine zweite Möglichkeit die Rekombinationswahrscheinlichkeit zu steigern, ist den Elektro-

nen ein Überangebot an Rekombinationsmöglichkeiten zur Verfügung zu stellen. Dies wird

mit der p-Dotierung erreicht, bei der ein 4-wertiges durch ein 3-wertiges Atom ersetzt wird.

Im Kristallgitter fehlen Valenzelektronen, und es entstehen so genannte Löcher. Diese Löcher

können von Valenzelektronen des Nachbaratoms unter geringem Energieaufwand besetzt

werden. Es entsteht über dem Energieniveau des Valenzbandes ein neues Niveau W

. „A“

steht hierbei für Akzeptor, lat. akzeptare: aufnehmen (eines Elektrons).

Abbildung 2-16: p-Dotierung mit Energiediagramm

Zur Lichterzeugung mit einer LED dient ein pn-Übergang. Dieser entsteht durch das Zusam-

menfügen von p- und n-dotierten Halbleitern. Die freien Elektronen des n-Halbleiters rekom-

binieren mit den Löchern des p-Halbleiters. Es entsteht ein Bereich mit ortsfesten Ladungen.

Die Ladungen führen zu einem elektrischen Feld, das das weitere Eindringen von Ladungs-

trägern verhindert. Der pn-Übergang ist gesperrt, weshalb die Anordnung der ortsfesten La-

dungen auch als Sperrschicht oder Raumladungszone bezeichnet wird. Die entstandene Span-

nung wird als Diffusionsspannung U

bezeichnet.

Abbildung 2-17: Ausgleichsvorgang (links) und pn-Übergang ohne äußere Spannung (rechts)

Im Energiediagramm entsteht ein Energieverlauf nach Abbildung 2-18 (a). Die Diffusions-

spannung U

(im Bild V

) ist hier als Barriere dargestellt, die die freien Ladungsträger daran

hindert, die neutrale Zone des gegenüberliegenden Halbleiters zu erreichen.

Abbildung 2-18: Energieverlauf im pn-Übergang ohne und mit Vorwärtsspannung [Schu06]

Lichterzeugung mit LEDs

Wird an den pn-Übergang Spannung in Durchlassrichtung gelegt, wirkt diese der Diffusions-

spannung entgegen. Da auf Seite des n-Halbleiters Elektronen in die Sperrschicht gedrückt

werden, auf p-Seite entsprechend Löcher, wird die Sperrschichtbreite verringert. Im Energie-

diagramm wird dieser Effekt durch ein Absinken der Barriere dargestellt (Abbildung 2-18

(b)). Überschreitet die angelegte Spannung die Diffusionsspannung U

, ist die Sperrschicht

komplett abgebaut und die Rekombination der Ladungsträger ist möglich. Die LED leuchtet.

2.3.1.5

I-U-Kennlinie

Wird die Spannung über U

hinaus vergrößert, steigt der Strom durch die Diode exponentiell

über der Spannung an. Abbildung 2-19 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinien verschiedener

Diodentypen.

Abbildung 2-19: Diodenkennlinien verschiedener

Diodentypen [Mer02]

Durch die Shockley-Formel ist die Kennlinie einer idealen Diode beschrieben ( 2-6 )

Die Diodenkennlinie zeigt, dass der Betrieb mit konstantem Strom, dem Betrieb an konstanter

Spannung vorzuziehen ist, da minimale Abweichungen der Spannung eine große Abweichung

des Stromes zur Folge haben. Die LED könnte leicht zerstört werden. Gewöhnliche LEDs

werden mit ca. 20 mA betrieben, Hochleistungs-LEDs mit bis zu 500 mA. Im gepulsten Be-

trieb sind kurzzeitig bis zu 2 A zulässig [DB06].

eII

2...1

10...10

612

≈

≈≈

≈

⋅

⋅⋅

⋅

≈

≈≈

≈

≈≈

≈













































−

−−

−⋅

⋅⋅

⋅=

−

−−

−

⋅

⋅⋅

⋅

( 2-6 )

Lichterzeugung mit LEDs

2.3.2 Lichtausbeute

Es gibt zwei entscheidende Beweggründe eine neue Lichtquelle im Kfz einzusetzen. Erstens

die Möglichkeit mit weniger zugeführter Leistung die gleiche Lichtperformance zu liefern.

Zweitens die Option bei gleicher Leistung die Ausleuchtung der Straße wesentlich zu verbes-

sern. Der Einsatz von Gasentladungslampen brachte eine Verdopplung des zur Verfügung

stehenden Lichtstromes bei gleichzeitiger Halbierung der notwendigen elektrischen Leistung.

Einen ähnlichen Effekt erhofft man sich von dem Einsatz der LED. Bisher ist die Lichtaus-

beute einer LED vergleichbar mit Halogenglühlampen, doch die Roadmaps der Chiphersteller

lassen einen starken Anstieg vermuten. In diesem Kapitel soll ausgehend von physikalischen

und technischen Grenzen die mögliche Lichtausbeute für weiße Dioden kritisch erörtert wer-

den, um eine Abschätzung der zukünftigen Bedeutung der LED im Vergleich zu Glüh- und

Gasentladungslampe zu ermöglichen.

2.3.2.1 Wirkungsgrad

Unter dem Wirkungsgrad einer Lichtquelle versteht man das Verhältnis aus Strahlungsleis-

tung P

und der zugeführten Leistung P

. Im Fall der LED wird elektrische Leistung P

zuge-

führt, die sich aus dem Produkt des fließenden Stromes I und der anliegenden Spannung U

berechnet.

⋅

⋅⋅

⋅

ηη

( 2-7 )

Die zugeführte elektrische Leistung wird durch Rekombination der Elektron-Loch-Paare in

Strahlungsleistung umgewandelt. Ein Teil dieser Rekombination führt nicht zu Strahlungs-

emission, sondern versetzt die Kristallstruktur in Schwingungen und bewirkt somit eine Tem-

peraturerhöhung innerhalb der Rekombinationszone. Dieser Vorgang wird nichtstrahlende

Rekombination genannt. Ein weiterer Anteil der elektrischen Leistung geht durch ohmsche

Widerstände in Wärme über. Das Verhältnis aus innerhalb der Rekombinationszone erzeugter

strahlender Rekombinationsleistung P

zur zugeführten elektrischen Leistung P

wird als

interne Quanteneffizienz bezeichnet.

int

ηη

( 2-8 )

Diese interne Quanteneffizienz erreicht durch geeignete Maßnahmen, wie z.B. Quantenwell-

strukturen und extreme Reinheit der Halbleitermaterialien nahezu das Maximum von 100 %

für rote Dioden [(Al

1-x

)

0.5

P] und liegt für blaue Dioden [In

1-x

N] bei beachtlichen

50 % [Kra03] [Lac06].

Würden alle Photonen, die durch strahlende Rekombination erzeugt werden, die LED verlas-

sen, ergebe sich somit ein Wirkungsgrad von 50-100 %. Aufgrund der hohen Brechungsindi-

Lichterzeugung mit LEDs

zes der Halbleiter (n

= 2,5-3,5) werden Photonen an der Grenzfläche LED zur Luft bereits

bei sehr kleinen Winkeln durch Totalreflexion zurück in den Halbleiter reflektiert. Der

Grenzwinkel

, unter dem Strahlung gerade noch die Grenzfläche zwischen zwei Stof-

fen passiert, errechnet sich aus dem Brechungsgesetz mit der Annahme eines Austrittswinkels

von 90°.

)sin()sin(

2211

εε

⋅

⋅⋅

⋅=

=⋅

⋅⋅

⋅

( 2-9 )

°°

°=

εε

( 2-10 )













































arcsin n

εε

( 2-11 )

Für typische Halbleiterbrechzahlen ergeben sich Grenzwinkel von 16-24 °. Alle unter dem

Grenzwinkel auf die Grenzfläche treffenden Strahlen bilden einen Kegel, der als Escapecone

(Austrittskegel) bezeichnet wird.

Die in der Rekombinationszone erzeugte Strahlung wird auf dem Weg zur Grenzschicht be-

reits teilweise absorbiert. Aufgrund der kleinen Escapecones wird ein Großteil zurück in den

Halbleiter reflektiert und dort wiederum absorbiert. Das Verhältnis aus ausgekoppelter oder

extrahierter Strahlungsleistung P

zur (in der aktiven Zone) erzeugten Strahlungsleistung P

wird Extraktionseffizienz bezeichnet.

extraktion

ηη

( 2-12 )

Der Extraktionseffizienz wird hauptsächlich durch die an der Grenzfläche reflektierte Strah-

lung bestimmt und liegt ohne zusätzliche Maßnahmen bei lediglich 2%. Darum werden viele

bauliche Maßnahmen getroffen, um diese so gering wie möglich zu halten oder um diese auf

weiteren Wegen zu extrahieren. Beispielhaft sollen hier die Nutzung mehrer Escapecones

[Zuk04], die Mikrostrukturierung der Grenzflächen [Rei04], die Flipchip-Technologie, das

Stufen des Brechungsindexes durch Epoxid- oder Silikondome und das Aufbringen von beu-

genden Strukturen genannt werden. So ist es 2006 gelungen mit Hilfe eines zirkularen Bragg-

gitters die ansonsten innerhalb der LED reflektierte Strahlung so zu beugen, dass diese extra-

hiert werden kann [Su06].

Lichterzeugung mit LEDs

Abbildung 2-20 zirkulares Bragggitter zur Steigerung der Auskoppeleffizienz [Su06]

Eine Erhöhung der Extraktionseffizient über 50 % ist jedoch nach Schubert [Schu06] nicht

ohne die Anwendung anspruchsvoller und sehr kostenaufwendiger Prozesse möglich.

Der wirtschaftlich erreichbare Wirkungsgrad einer LED, zusammengesetzt aus interner Quan-

teneffizienz und Extraktionseffizienz und daher auch als externe Quanteneffizienz bezeichnet,

ist demnach realistisch bei ca. 50 % anzunehmen.

extractionext

ηη

⋅

⋅⋅

⋅=

int

( 2-13 )

Der japanische Chip Hersteller Nichia präsentierte 2006 einen LED Chip, der eine externe

Quanteneffizienz von 41,7 % erreicht [Nic06]. Dies zeigt anschaulich wie nah momentane

Entwicklungen dem angestrebtem Maximum sind.

2.3.2.2 Lichtausbeute

Soll die von der LED erzeugte Strahlungsleistung von Menschen wahrgenommen werden, so

reicht es nicht aus, lediglich den Wirkungsgrad bzw. die externe Quanteneffizienz der Licht-

quelle zu betrachten. Auch die Wirkung auf das menschliche, visuelle System muss mit be-

rücksichtigt werden. Der Mensch kann keine Strahlungsleistung im infraroten und im ultravi-

oletten Strahlungsbereich wahrnehmen. Somit besitzen Infrarot- oder UV-LEDs zwar einen

hohen Wirkungsgrad, ihr Beitrag zum Leuchten oder Beleuchten ist dennoch gleich null. Um

diesen Beitrag zu quantifizieren, wurde die Lichtausbeute eingeführt. Bei der Lichtausbeute

handelt es sich um eine relative Größe, dem Verhältnis von Lichtstrom

zur aufgewendeten

Leistung

P[Gal04].





































ΦΦ

ezu

ηη

( 2-14 )

Lichterzeugung mit LEDs

Der Lichtstrom

ist eine lichttechnische Größe, also eine spektral bewertete Größe, die mit

der spektralen Hellempfindlichkeitskurve

(

)

V für das Tagsehen (2° Gesichtsfeld) gewichtet

wird [Gal04]. Die allgemeingültige Formel zur Berechnung des Lichtstroms

lautet:

(

((

( )

))

)

[

[[

[ ]

]]

]

830

360

683

−

−−

−

⋅

⋅⋅

⋅=

=⋅

⋅⋅

⋅=

=Φ

ΦΦ

∫

∫∫

∫

WlmklmdVPk

λλ

( 2-15 )

Die Konstante

stellt das photometrische Strahlungsäquivalent (Tagsehen) dar. Da die

Hellempfindlichkeitskurve

(

)

V maximal einen Wert von eins annehmen kann, (bei einer

Wellenlänge von 555nm) ist die maximale Lichtausbeute einer Lichtquelle immer kleiner

gleich 683 lm/W.

Lichterzeugung mit LEDs

2.3.2.3 Lichtausbeute weißer LEDs

Da das emittierte Licht von Halbleiterdioden zunächst nahezu monochromatisch ist, kann mit

einer LED kein weißes Licht erzeugt werden. Um dennoch weißes Licht zu erhalten, gibt es

nach [Zuk04] [Schu06] mehrere verschiedene Möglichkeiten. Zum einen können zwei oder

drei LEDs zu so genannten Di- oder Trichromaten zusammengefasst werden. Als Resultat

erhält man anschließend als Mischlicht Weiß. Zum anderen besteht die Möglichkeit, hoch-

energetische LED-Strahlung vollständig oder teilweiße in niederenergetischere Strahlung um-

zuwandeln, sodass in der Mischung aus LED-Strahlung und konvertierte Strahlung, bzw. nur

durch konvertierte Strahlung, Licht mit weißem Erscheinungsbild entsteht.

Weißes Licht lässt sich aus unendlich vielen verschiedenen spektralen Strahlungszusammen-

setzungen erzeugen. Diese Strahlung unterscheidet sich jedoch in ihren Farbwiedergabeeigen-

schaften, die mit dem Farbwiedergabeindex

beschrieben werden. Es können von Stoffen

nur Frequenzen reflektiert werden und somit zum Farbeindruck beitragen, wenn diese in dem

Spektrum vorhanden sind. Nach Zissis [Zis03] haben Lampen mit hoher Lichtausbeute im

allgemeinen geringe Farbwiedergabeindizes. Da in der Kfz-Beleuchtung das Wiedergeben

von Farben eine untergeordnete Rolle spielt, wird in den folgenden Überlegungen nach dem

Spektrum einer weißen Lichtquelle mit maximaler Lichtausbeute gesucht, ohne weiter auf die

Farbwiedergabeeigenschaften einzugehen.

Zur Auswahl der geeigneten Spektralkombinationen soll die Farbdarstellung in der CIE-

Normfarbtafel verwendet werden. Es handelt sich bei der CIE-Normfarbtafel um die relativen

Anteile x und y (Normfarbwertanteile) der Normfarbwerte X und Y. Der Normfarbwertanteil z

wird nicht explizit angegeben, da dieser mittels der Formel: x + y + z = 1, durch die Abhän-

gigkeit zu x und y berechnet werden kann. Die Größe x beschreibt dabei den relativen Rot-

Anteil, y den relativen Grün-Anteil. Durch die Abszisse (x) und die Ordinate (y) wird eine

Farbebene aufgespannt, die den einzelnen Farbarten Punkte der zweidimensionalen, ebenen

Farbtafel zuordnet. Alle Farben der gleichen Farbart (Farbton und Sättigung), aber verschie-

dener Helligkeit, sind dem gleichen Farbtafelpunkt zugeordnet. Die Helligkeit wird zusätzlich

durch den Normfarbwert Y angegeben [Ric80]. Die Orte aller Spektralfarben (spektral reine

Farben) liegen in der Normfarbtafel auf einem hufeisenförmig gekrümmten Spektralfarben-

zug, dessen Enden durch die Purpurgerade (Mischfarben aus Violett und Rot) eingefasst sind.

Alle Farben, die durch Mischung von mindestens zwei Komponenten herstellbar sind, liegen

auf einer Mischgeraden. Die Menge der Farbarten, die durch additive Mischung von drei Far-

ben herstellbar ist, wird determiniert durch den Farbraum dreier Farben. Die drei Ausgangs-

farben bilden Eckpunkte eines Dreiecks, das in der Ebene der CIE-Normfarbtafel aufgespannt

wird. Mittels dieser drei Farben sind dann alle Farben innerhalb des Dreiecks durch Mischung

herstellbar. Mit den additiven Grundfarben Rot, Grün, Blau lässt sich das größte innerhalb des

Spektralfarbenzugs liegende Dreieck bilden.

Lichterzeugung mit LEDs

Abbildung 2-21 Darstellungen der CIE-Farbtafel, die durchgezogene Mischgerade zeigt die möglichen

Kombination zweier Spektralfarben. Das gestrichelte Dreieck grenzt die Kombinationsmöglichkeiten drei-

er Spektralfarben zur Herstellung einer Mischfarbe ein.

Die Einheiten der CIE-Normfarbtafel sind so gewählt, dass der Weißpunkt bei x, y, z = 1/3

(Unbuntpunkt E) liegt. Für zwei Spektralfarben gibt also der gegenüberliegende Schnittpunkt

der Mischgerade, der durch den Punkt (x, y) einer vorgegebenen Farbe und dem Unbundpunkt

(x=1/3, y=1/3) aufgespannt wird, mit dem Normspektralzug die zweite Mischfarbe (x’, y’) an.

Diese Farbe wird auch Komplementärfarbe genannt. Das Leistungsverhältnis der zwei Ein-

zelwellenlängen ergibt sich aus der Vorgabe einer Zielmischfarbe, die dem Unbuntpunkt E

entspricht. Das so erhaltene Spektrum kann mit Hilfe der Gleichung ( 2-14 ) in eine maximale

Lichtausbeute umgerechnet werden. In Abbildung 2-22 sind die so erhaltenen Ergebnisse dar-

gestellt. Es zeigt sich ein deutliches Maximum der Lichtausbeute im Zweifarbenfall bei einer

Kombination der Wellenlängen 445 nm und 570,56 nm. Theoretisch ist demnach bei einem

LED-Wirkungsgrad von 100%, weißes Licht aus zwei Wellenlängen mit einer Lichtausbeute

von ca. 430 lm/W mischbar.

Abbildung 2-22 links: Kombinationsmöglichkeiten zur Erzeugung maximaler Lichtausbeuten aus zwei

Spektrallinien. rechts: Spektrum der Zweifarbenkombination mit maximaler Lichtausbeute. Zur Veran-

schaulichung ist zudem die V(λ

λλ

λ)-Kurve dargestellt.

Lichterzeugung mit LEDs

Analog dem Zweifarbenfall lässt sich die gleiche Betrachtung mit einer wesentlich höheren

Kombinationsmöglichkeit für drei Farben durchführen. In Abbildung 2-23 sind für eine vor-

gegebene Wellenlänge die jeweiligen Maxima der Lichtausbeute aus der Mischung mit zwei

weiteren Farben abgetragen. Das globale Maximum dieser Einzelmaxima ergibt keine neue

verbesserte Kombinationsmöglichkeit, sondern läuft auf die gleiche spektrale Zusammenset-

zung hinaus wie der Zweifarbenfall.

Abbildung 2-23 links: Kombinationsmöglichkeiten zur Erzeugung maximaler Lichtausbeuten aus drei

Spektrallinien. rechts: Spektrum der Dreifarbekombination mit maximaler Lichtausbeute. Zur Veranschau-

lichung ist zudem die V(λ

λλ

λ)-Kurve dargestellt.

Es zeigt sich, dass für eine Ziellichtfarbe mit den Normspektralwertanteilen x = y =1/3 eine

maximale Lichtausbeute von 430lm/W erreichbar ist. Für eine Ziellichtfarbe, die der Norm-

lichtart D

entspricht (x

D65

= 0,3138 und y

D65

= 0,3310), liegt nach Schubert [Schu06] mit

zwei Spektrallinien bei 445 nm und 563,5 nm die maximale Lichtausbeute bei ca. 440 lm/W.

Selbst bei einer externen Quanteneffizienz von 50 % ergibt sich eine beachtliche Lichtausbeu-

te von 215-220 lmW je nach gewünschter Lichtfarbe.

2.3.2.4 Fluoreszenzdiode

Wie bereits erwähnt, haben Lichtquellen mit schmalen Spektrallinien einen schlechten Farb-

wiedergabeindex, da von Körpern nur noch das Verhältnis von Blau zu Gelb verändert wer-

den kann und ihre wahrgenommene Farbe nur auf der beschrieben Mischgeraden zwischen

den zwei Spektralfarben in der CIE-Normfarbtafel liegen kann. Aus diesem Grund hat sich im

Bereich der Beleuchtung mit weißen LED-Lichtquellen ein Trend hin zu blauen LEDs in

Kombination mit Lumineszenzfarbstoffen abgezeichnet. Das kurzwellige und damit energie-

reichere blaue Licht regt den Farbstoff zum Leuchten an. Dabei wird langwelliges, energie-

armes gelbes Licht abgegeben. Da nicht das gesamte blaue Licht umgewandelt wird, ergibt

die resultierende additive Mischung der Spektralfarben einen weißen Farbton. Der Farbton

der Weißlichtdiode ist über Wahl und Dosierung des Farbstoffes einstellbar und bewegt sich

Lichterzeugung mit LEDs

in der CIE-Normfarbtafel auf der Mischgeraden zwischen den beiden Farben. Das so erhalte-

ne volle Spektrum zeichnet sich durch einen höheren Farbwiedergabeindex aus. Außerdem

wird die Lichtfarbe nur durch die Fluorophordicke und –konzentration bestimmt, und ist so-

mit nicht von externen Einflüssen wie Temperatur und Stromschwankungen abhängig. Im

Gegensatz zu Di- oder Trichromaten, die ohne eine aktive Farbregelung unter Temperatur-

und Stromschwankungen nicht ihren Farbort halten können.

Abbildung 2-24 Prinzip der Weißlichterzeugung mit Lumineszenzstoffen. Rechts: Typisches Spektrum

weißer LED

Das hier dargestellte Spektrum stammt von einer Luxeon V Portable DS40, einer weißen

Hochleistungs- LED der Firma Lumileds. Mit Hilfe des vermessenen Spektrums lässt sich die

theoretisch maximale Lichtausbeute einer konvertierten LED berechnen.

∫

⋅

⋅⋅⋅

dVPk

830

360

830

360

)(

λλ

( 2-16 )

Die maximale Lichtausbeute eines solchen Spektrums beträgt:

Wlm

4,308

Diese 308,4 lm/W lassen sich jedoch nur dann erreichen, wenn eine externe Quanteneffizienz

von 100 % vorliegt. Wie beschrieben, ist es jedoch realistischer eine Effizienz von 50 % für

die Erzeugung der LED-Strahlung anzunehmen. Dies gilt wiederum nur für den blauen Anteil

der durch die LED direkt erzeugten, Strahlung. Der durch Konversion erzeugte gelbe Strah-

lungsanteil wird durch Reduzierung der Lichtquantenenergie E

erzielt. Um für die Leistungs-

bilanz die tatsächlich aufzubringende Leistung zu erhalten, muss demnach die gelbe Leistung

auf eine Leistung der LED-Strahlung vor der Konvertierung umgerechnet werden.

21 ,

λλ

hEfhE

⋅

⋅⋅

⋅=

=⋅

⋅⋅

⋅=

=→

→→

→⋅

⋅⋅

⋅=

( 2-17 )

λλ

( 2-18 )

c: Lichtgeschwindigkeit

h: Plancksches Wirkungsquantum 6,626 10

-34

Ws²

Lichterzeugung mit LEDs

Für die Luxeon V Portable DS40 liegt die zentrale Wellenlänge der blau emittierenden Diode

bei 444,16nm und kann als mittlere Ausgangswellenlänge E

λ1

angenommen werden. Unter

Berücksichtigung der Konvertierungsverluste ist nach Gleichung ( 2-18 ) eine um den Faktor

1,26 höhere Leistungsabgabe der blauen LED nötig (Wirkungsgrad der Konvertie-

rung:

%79

konv

). Somit ist maximal noch ein weißer Lichtstrom von 243,8 lm pro Watt

elektrischer Leistung erreichbar. Durch Absorptionsverluste innerhalb des Konversionsstoffes

ist mit weiteren Wirkungsgradeinbußen zu rechnen.

2.3.2.5 Temperatur

Als letzter Einfluss auf die Lichtausbeute soll der Einfluss der Temperatur diskutiert werden.

Nahezu jegliche der LED zugeführte Leistung, die nicht in Strahlung umgewandelt wird, fällt

in Form von Wärmeleistung innerhalb des Halbleiterchips an. Dies können je nach Quanten-

effizienz 50% bis 90% der zugeführten Leistung sein. Abhängig von dem thermischen Wider-

stand der LED zur Umgebung, der Temperatur der Umgebung und der zugeführten Leistung

führt dies zu einer mehr oder weniger starken Aufheizung der Rekombinationszone (siehe

Kapitel 4.2). Diese Aufheizung hat zur Folge, dass die Zahl der nicht-strahlenden Rekombina-

tionen zunimmt und somit die Quanteneffizienz sinkt. Hochleistungs-LEDs können auf diese

Weise Junctiontemperaturen von über 100°C aufweisen. In Abbildung 2-25 sind die Quanten-

effizienz-Temperatur-Kennlinien von zwei Hochleistungs-LEDs abgetragen. Es ist zu erken-

nen, dass bei typischen Betriebsbedingungen von 100°C Junctiontemperatur der Lichtstrom

und demnach die Quanteneffizienz auf 80 % des Ausgangslichtstromes (der Ausgangseffi-

zienz) bei 20°C sinkt.

Abbildung 2-25 Temperaturabhängiger Lichtstrom verschiedener Hochleistungs LEDs [DB06] [K206]

Lichterzeugung mit LEDs

In der folgenden Auflistung sind alle maximal zu erwartenden Effizienzen und Wirkungsgra-

de zusammengefasst:

Tabelle 2-2 theoretische Effizienzen und Wirkungsgrade bei der Weißlichterzeugung mit LEDs

Nach den vorangegangenen Überlegungen sind in Zukunft realistisch maximale Lichtausbeu-

ten bei weißen LEDs zwischen 100 und 140 lm/W zu erwarten. Damit wird die LED die

Lichtausbeute einer Leuchtstofflampe erreichen können (vgl. Tabelle 2-3). Für hochlumige

kompakte Pakete ist aufgrund der starken Temperaturabhängigkeit eine deutliche Steigerung

gegenüber konventionellen Lichtquellen allerdings kaum zu bewerkstelligen.

Tabelle 2-3 Lichtausbeuten verschiedener Lichtquellen

Lichtquelle lm/W

Kerze 0,1

Glühlampe 13-15

Halogenglühlampe 28

Leuchtstofflampe 80-110

Quecksilberdampflampe 80-100

Pkw-Gasentladungslampe („Xenon“) 90

Dichromatische LED 140 (praktisch)

Lumineszenzfarbstoff konvertierte LED 40 (2006)-100 (praktisch)

Interne Quanteneffizienz

Externe Quanteneffizienz

Maximale Lichtausbeute eines weißen Dichro-

maten und einer Lumineszenzfarbstoff konver-

tierten LED

Konvertierungswirkungsgrad

Thermische Quanteneffizienzverluste %80

%80

4,308.430

%50

%100

int

≈

⋅⋅=

≤

≤=

−−

therm

konv

ext

WlmbzwWlm

Lichterzeugung mit LEDs

2.3.3 Leuchtdichte

Ein weiteres wichtiges Merkmal einer Lichtquelle ist die Leuchtdichte. Die Leuchtdichte ist

ein Maß dafür, wie viel Lichtstrom

eines Flächenelementes dA sich in einem Raumwinkel-

element d

Ω

befindet. Die Leuchtdichte wird demnach sowohl durch die Leistungsdichte einer

Fläche, als auch durch die Bündelung der Strahlung bestimmt. In Tabelle 2-4 sind einige typi-

sche Leuchtdichteverteilungen verschiedener Lichtquellen abgetragen.

Tabelle 2-4 Leuchtdichten der klassischen Kfz-Lichtquellen im Vergleich zu einer Hochleistungs-LED

(Angaben in Mcd/m²)

Gasentladungslampe D2

35 W

Halogenglühlampe H7

55 W

LED Golden Dragon

1 W

200 Mcd/m² 20 Mcd/m² 2 Mcd/m²

Aus der Tabelle 2-4 wird deutlich, dass die Leuchtdichte der Halogenglühlampe um den Fak-

tor 10 geringer ist als die der Gasentladungslampe, und dass die aufgeführte LED um weitere

90% dunkler ist. Welchen Einfluss haben hohe bzw. niedrige Leuchtdichten auf das Syntheti-

sieren von optischen Systemen? Die Aufgabe von Beleuchtungssystemen ist es, den Licht-

strom einer Lichtquelle auf eine zu beleuchtende Fläche zu projizieren. In der Regel wird die

Ziellichtfunktion als Beleuchtungsstärkefunktion auf einer zu beleuchtenden Fläche A vorge-

geben. Neben der Homogenität und Größe der Ausleuchtung sind meist Mindestbeleuch-

tungsstärken gewünscht oder gefordert. Maximale Beleuchtungsstärken lassen sich durch das

Abbilden der Lichtquelle auf die zu beleuchtende Fläche erzielen.

1,5

2,5

0,5

250

Lichterzeugung mit LEDs

H, H’

A’

A =A ’

Linse Linse

a a’L

A’

Abbildung 2-26 Einstufige Abbildung im paraxialen Gebiet

Nach dem photometrischen Grundgesetz [Gal04] ist der Lichtstrom, der von einer leuchten-

den Fläche A

auf eine Fläche A

trifft, definiert durch:

∫

∫∫

∫ ∫

∫∫

∫

⋅

⋅⋅

⋅Ω

ΩΩ

Ω=

=Φ

ΦΦ

→

→→

→

1 2

21021

coscos

A A

dAdA

εε

( 2-19 )

Dabei stellt L die Leuchtdichte der leuchtenden Fläche dar. Die Winkel

bzw.

sind die

Winkel zwischen den Flächennormalen der Flächenelemente dA

bzw. dA

und der optischen

Achse. Der Abstand der Flächenelement dA

, dA

wird mit r bezeichnet.

Für einen großen Abstand der Linse zur LED, im Vergleich zur Ausdehnung der LED

a>>d

LED

und unter der Annahme der Lambertschen Abstrahlungscharakteristik der LED, kön-

nen in dem konkreten Fall folgende Näherungen angenommen werden:

1coscos0

),(

.)(,

2121

=→

→→

→°

°°

°=

=≈

≈≈

≈

≠

≠≠

≠

>>>>

εε

konstar

dAdAfL

konstLda

LED

Somit ist der Lichtstrom, der von der leuchtenden Fläche A

= A

LED

auf die Linsenfläche

= A

Linse

trifft, annähernd gleich:

Ω

ΩΩ

Ω⋅

⋅⋅

⋅

⋅⋅

⋅

≈

≈≈

≈Φ

ΦΦ

−

−−

−

AAL

LinseLEDLED

LinseLED

( 2-20 )

Lichterzeugung mit LEDs

Je nach Transmissionsgrad

Linse

der Linse wird ein Teil des Lichtstromes auf das bildseitig

entstehende Abbild des Chips gelenkt und bewirkt dort unter der Annahme einer idealen ab-

berationsfreien Abbildung, folgende Beleuchtungsstärke:

Linse

LED

LinseLED

ττ

⋅

⋅⋅

⋅

ΦΦ

→

→→

→

( 2-21 )

Aus der Definition des Abbildungsmaßstabes lässt sich das Bild der LED wie folgt substituie-

ren:

LEDLED

a⋅

⋅⋅

⋅=

'',

ββ

( 2-22 )

Einsetzen von ( 2-20 ) und ( 2-22 ) in ( 2-21 ) ergibt:

'Ω

ΩΩ

Ω⋅

⋅⋅

⋅

⋅⋅

⋅

⋅⋅

⋅

Linse

LED

LinseLEDLED

aAa

aAAL

ττ

( 2-23 )

Somit besteht unter den angenommenen Randbedingungen und Näherungen folgender Zu-

sammenhang zwischen der Leuchtdichte einer LED und der maximal erzielbaren Beleuch-

tungsstärke im Abbild der Diode:

'Ω

ΩΩ

Ω⋅

⋅⋅

⋅

⋅⋅

⋅

Linse

LinseLED

ττ

( 2-24 )

Für Reflektorsysteme kann in Analogie zu Linsensystemen die gleiche Herleitung vollzogen

werden:

0Re

'Ω

ΩΩ

Ω⋅

⋅⋅

⋅

⋅⋅

⋅

flektor

flektorLED

ρρ

( 2-25 )

Aus dieser Herleitung resultierend lässt sich sagen:

Für die maximal erzielbare Beleuchtungsstärke sind einzig die Leuchtdich-

te der Lichtquelle, der Abstand des Scheinwerfers zur Beleuchtungsebene

und die effektiv leuchtende Fläche des Scheinwerfers verantwortlich.

Lichterzeugung mit LEDs

Nach den Vorschriften für Fernlicht mit Gasentladungslampen muss die Beleuchtungsstärke

auf einem Messschirm in 25m Entfernung im Schnittpunkt der Linien HH und VV mindes-

tens 70lx betragen [ECE20]. Aus dieser Forderung lassen sich nach Gleichung ( 2-24 ) bzw. (

2-25 ) für die verschiedenen Leuchtdichten der Kfz-typischen Lichtquellen die erforderlichen

Mindestaustrittsflächen der Scheinwerfersysteme berechnen.

Tabelle 2-5 Mindestdurchmesser der Austrittspupille eines Scheinwerfers zur Erzeugung der für Fernlicht

geforderten Beleuchtungsstärken

Gasentladungslampe D2

35 W

Halogenglühlampe H7

55 W

LED Golden Dragon

1 W

200 Mcd/m² 20 Mcd/m² 2 Mcd/m²

2,2 cm² 22 cm² 220 cm²

Die um den Faktor 100 geringeren Leuchtdichten der LEDs gegenüber den Gasentladungs-

lampen führen zu Scheinwerferaustrittsflächen, die hundertmal größer sein müssen als die von

Systemen mit Gasentladungslichtquellen. Da der Bauraum und die Austrittsfläche eines

Scheinwerfers aufgrund der kompakten Bauweise von Kraftfahrzeugen sehr eng begrenzt ist,

könnte dieser wesentlich größere Platzbedarf ein empfindliches Problem für den Einsatz der

LEDs als Scheinwerferlichtquelle darstellen. Um die Größe dieses Problems abzuschätzen,

soll im Folgenden das Entwicklungspotenzial der Leuchtdichte von LEDs diskutiert werden.

Wie bereits beschrieben, wird nur ein Teil der zugeführten elektrischen Leistung in Strah-

lungsleistung umgewandelt. Die verbleibende Verlustleistung liegt aufgrund von Resorbti-

onsvorgängen und ohmschen Verlusten in Form von Wärmeleistung

innerhalb der LED

vor.

QPP

( 2-26 )

Die Leuchtdichte einer LED kann mit:

)(

Ω

ΩΩ

Ω⋅

⋅⋅

⋅

ΦΦ

Ω

ΩΩ

Ω⋅

⋅⋅

⋅

⋅⋅

⋅

∫

∫∫

∫

ddA

dVPk

pLEDLEDpLED

LED

λλ

( 2-27 )

berechnet werden. Demzufolge muss zum Steigern der Leuchtdichte entweder der Gesamt-

lichtstrom erhöht oder die projizierte Fläche bzw. der Raumwinkel der LED verkleinert wer-

den. Mit der Flächenverringerung nehmen proportional die Größe der Rekombinationszone

Lichterzeugung mit LEDs

und somit auch der abgegebene Lichtstrom ab. Dieser Eingriff führt also nicht zu einer

Leuchtdichteerhöhung. Aufgrund der ungerichteten Rekombination innerhalb der LED wird

auch der Lichtstrom gleichmäßig in den Halbraum vor der LED abgegeben. Eine bauliche

Verkleinerung des Abstrahlwinkels ohne eine Reduktion des Lichtstromes ist nicht möglich.

Durch das Gesetz der Konstanz der Leuchtdichte ist außerdem eine nachträgliche optische

Veränderung des Faktors A

LED

·Ω

LED

nicht möglich.

In einem optischen System gilt:

.''

konstAA

Ω

ΩΩ

Ω

⋅

⋅⋅

⋅

Ω

ΩΩ

Ω

⋅

⋅⋅

⋅

( 2-28 )

Dieser Ausdruck wird ferner geometrischer Fluss oder étendue (frz.: Ausdehnung) genannt

und stellt eine geometrische Konstante der Abbildung dar.

Abbildung 2-27 Veranschaulichung der Konstanz der Leuchtdichte in abbildenden optischen Systemen

Es bleiben demnach zur Steigerung der Leuchtdichte einer LED die Erhöhung der LED-

Lichtausbeute und die Steigerung der in einer LED umgesetzten Leistung. Zur Messung der in

Tabelle 2-4 gezeigten LED-Leuchtdichte kam eine LED mit einer Lichtausbeute von ca.

30 lm/W zum Einsatz. Wie in Kapitel 2.3.2 beschrieben, ist eine Steigerung der Lichtausbeute

auf 100 bis 140 lm/W für weiße LED ein ehrgeiziges, jedoch realistisches Ziel. Durch die

Steigerung der Lichtausbeute ist folglich ein Faktor 3 bis 5 erreichbar. Für die vermessene

Golden Dragon [DB06] heißt dies einen theoretischen Anstieg der Leuchtdichte auf 6 bis

12 Mcd/m². Zur Erinnerung sei hier erwähnt, dass eine D2 Gasentladungslampe 200 Mcd/m²

und eine H7-Glühlampe 20 Mcd/m² erreicht..

Es reicht also nicht aus, die Lichtausbeute zu erhöhen. Nur eine Steigerung der umgesetzten

Leistung kann eine Leuchtdichtesteigerung bewirken. Die maximal zuzuführende Leistung

reelle Abbi

dung

virtuelle Abbi

dung

Ω

ΩΩ

Ω

ΩΩ

Ω

ΩΩ

Ω

ΩΩ

Ω

ΩΩ

Ω

Lichterzeugung mit LEDs

einer LED ist durch die maximale erlaubte LED-Junction-Temperatur T

und die maximal

abführbare thermische Leistung

max

Q aus der LED begrenzt. Heutige LEDs erlauben Juncti-

ontemperaturen von bis zu 185 °C [Lux06] und besitzen thermische Widerstände R

von ca.

10 K/W. Für Umgebungstemperatur (20 °C) ergibt sich so eine maximal zulässige Verlust-

leistung von 16 Watt. Für eine externe Quanteneffizienz

ext

von 50 % sind demnach theore-

tisch 32 Watt pro LED denkbar. Bei einer Schwellspannung von ca. 3 V müssten Ströme von

nahezu 10 A durch den Halbleiter fließen.

Abbildung 2-28 Vereinfachte Darstellung des thermischen Pfades in einer LED

Nach Schubert [Schu06] kommt es bei hohen Strömen zu einem Ladungsträgerüberlauf in der

aktiven Region der LED, so dass ab einem bestimmten maximalen Strom eine Erhöhung des

Stromes zu keinen weiteren Rekombinationen führt und der Lichtstrom in Sättigung geht. Um

dieses Problem zu vermeiden, müssen Hochleistungs-LED mit dicken doppelheterostruktu-

rierten aktiven Zonen, vielen Quantenwells oder großen Strominjektionskontaktflächen ausge-

rüstet sein.

Abbildung 2-29 Von In

0.16

0.84

AS/GaAs emittierte optische Intensität, deren aktive Zone ein, vier, sechs

oder acht Quantumwells enthält, sowie die theoretische Intensität eines perfekt isotropischen Emitters

[Schu06]

(

((

(

)

))

)

−

−−

−

∆

∆∆

∆

max

( 2-29 )

gebung

Lichterzeugung mit LEDs

Eine extreme Steigerung der Strahlungsleistung durch Steigerung der elektrischen Leistung pro LED ist

folglich nicht realistisch. Des Weiteren ist aus der Darstellung in Abbildung 2-25 ersichtlich, dass eine

Temperaturerhöhung auf 180 °C gleichzeitig einen Abfall der externen Quanteneffizienz auf 70 % der Effi-

zienz, die bei 20 °C erreicht wird, bewirkt.

Halogenglühlampe

Gasentladungslampe

100

3 Watt

2 Watt

1 Watt

1998 2000 2002 2004 2006 2008

Jahr

Leuchtdichte [Mcd/m²]

Abbildung 2-30 Roadmap der Leuchtdichteentwicklung weißer LEDs

All diese Faktoren zeigen, dass Entwicklungspotential für die Leuchtdichte der LEDs gegeben

ist, aber gleichzeitig auch, dass ihr physikalische Grenzen gesetzt sind. So ist es realistisch

anzunehmen, dass bald Leuchtdichten von Glühlampen erreicht werden. Die hohen Leucht-

dichten einer Gasentladungslampe sind aber für LEDs auch in Zukunft nicht erreichbar.

2.3.4 Lichtstrom

2.3.4.1 Einfluss des Lichtstromes auf das Leuchtendesign

Die Leuchtdichte einer LED ist maßgebend für die erreichbare Beleuchtungsstärke in einer

definierten Entfernung. Das Integral der geforderten Beleuchtungsstärken über die Szenerie

gibt die nötige Gesamtstrahlungsleistung

ges

des Scheinwerfersystems vor. Typische

Kfz-Scheinwerfer erreichen heutzutage im Fernlicht Lichtströme zwischen 1000 und 1700 lm

auf der Fahrbahn. Einzelne Hochleistungs-LEDs erzeugen einen Lichtstrom von ca. 40 lm. Im

Gegensatz zu den klassischen Lichtquellen der Kfz-Lichttechnik, die Lichtströme von

1000 lm (H7) bis 3400 lm (D2) erzeugen, reicht demnach der Lichtstrom einer LED nicht aus,

um eine komplette Scheinwerferlichtverteilung zu erzeugen.

Für LED-Scheinwerfer besteht somit die Notwendigkeit, mehrere LED-Lichtquellen zu einem

Gesamtsystem zu kombinieren. Für diese Kombination gibt es mehrere Möglichkeiten der

optischen Herangehensweise. Die gewünschte Lichtverteilung kann in einer ersten Kombina-

tionsmöglichkeit aus einer Vielzahl von LED-Optik-Kombinationen erzeugt werden. Dabei

erzeugt jedes dieser Einzelmodule eine einzelne Lichtverteilung. Die Summe dieser Lichtver-

teilungen macht die Gesamtlichtverteilung aus. Dies hat den Vorteil, dass verschiedene Licht-

verteilungen im Baukastenprinzip aus einem Katalog von einzelnen LED-Modulen kombi-

niert werden können. Die Justage- und Fertigungstoleranzen der Einzelmodule zueinander

Lichterzeugung mit LEDs

stellen allerdings eine große Herausforderung dar. Da erstens eine minimale Verschiebung der

LED innerhalb des optischen Systems aufgrund der großen Abbildungsmaßstäbe eine große

Verschiebung der LED-Abbildung bewirkt und zweitens, eine kleine Abweichung der LED-

Module untereinander die Abbildungen in großer Entfernung so stark verschiebt, dass Lücken

und Inhomogenitäten in der Lichtverteilung entstehen.

Die zweite Kombinationsmöglichkeit ist, ein LED-Feld mit einer gemeinsamen Optik in die

Szenerie zu projizieren. So können bei hinreichend genauer Fertigung der LED-Felder die

Toleranzen der Optik durch nachträgliches Ausrichten des gesamten Scheinwerfers ausgegli-

chen werden. Durch diese Feldanordnung wird jedem Raumabschnitt genau eine LED zuge-

ordnet, so dass sich durch einzelnes Ansteuern der LEDs bestimmte Zonen stärker oder

schwächer ausleuchten lassen und so eine hochdynamische Lichtverteilung realisierbar wird

[Goe05]. Durch die dichte Anordnung der LEDs auf einem gemeinsamen Träger befindet sich

die gesamte Verlustleistung des Scheinwerfers auf einem kleinen Feld und muss von dort

möglichst gut abgeführt werden. Diese Wärmeabfuhr ist die Hauptschwierigkeit der zweiten

Kombinationsmöglichkeit.

Als dritte Möglichkeit der LED-Optik-Kombination stellt eine Hybridlösung aus der ersten

und zweiten Anordnung einen guten Kompromiss dar. Diese dritte Variante besteht aus Mo-

dulen, zusammengesetzt aus einer thermodynamisch vertretbaren Kombination aus mehreren

LED-Chips auf einer gemeinsamen Platine und einer Optik. Aus diesen LED-Modulen wird

die gewünschte Lichtverteilung generiert.

Tabelle 2-6 Möglichkeiten der LED-Cluster Bildung mit Vor- und Nachteilen

1 + Modulbauweise

+ Design

- Toleranzen

- Fertigungsaufwand

2 + Toleranzen

+ Dynamik

+ Thermomanagement

+ Design

3 + Modulbauweise

+ Design

- Toleranzen

- Thermomanagement

Lichterzeugung mit LEDs

Mittlerweile gibt es von den verschiedenen Scheinwerferentwicklern verschiedene LED-

Scheinwerferprototypen. Ein von Hella KGaA vorgestellter VW-Golf Voll-LED Scheinwer-

ferprototyp besteht aus einer Kombination der Hybridmodule mit Einzellichtquellen-

Modulen. Die Firma OSRAM hat basierend auf dem Hybridprinzip ein eigenes Funktions-

muster vorgestellt. Audi strebt an, Ende 2007 der erste Anbieter von Voll-LED Serienschein-

werfern zu sein. Der im Audi R8 angebotene Scheinwerfer besteht, ähnlich dem Hella-

Produkt, aus einer Kombination von Hybridmodulen und Einzellichtquellen-Modulen.

Abbildung 2-31 Erste Voll-LED Scheinwerfer von OSRAM, Hella, und Audi

2.3.4.2 Roadmap des Lichtstromes

Die Entwicklung des Lichtstromes verhält sich analog zur Entwicklung der Leuchtdichte. Es

zeichnet sich ein Trend zu LED-Feldern ab, die anschließend als LED vermarktet werden.

Diese Namensgebung impliziert den Eindruck eines signifikanten Anstieges des LED-

Lichtstromes. Dieser resultiert jedoch de facto maßgeblich aus einem Zusammenschalten

mehrer Dioden. Aufgrund des Ladungsträgerüberlaufes in der aktiven Region der LED bei

hohen Strömen sind dem Lichtstrom pro Einzeldiode hier ebenfalls Grenzen gesetzt.

2002

2003

2004

2005

2006

2007

140

200

260

350mA

1-2-3W

350-700-1000mA

700mA

lm/LED

Abbildung 2-32 Roadmap des erwarteten Lichtstromes eines Diodenpackages von Philips. Die Verfünffa-

chung des Lichtstromes von 50lm auf 250lm bei einer Verdoppelung des Stromes von 350mA auf 700mA ist

nur durch eine Reihenschaltung von mehreren Dioden möglich.

Lichterzeugung mit LEDs

2.3.5 Klimamanagement

Wie bereits in Kapitel 2.3.2.5 beschrieben, hängt die interne Quanteneffizienz einer LED

stark von der Temperatur der Rekombinationszone ab. Die Lebensdauer einer Diode steht

ebenfalls im Zusammenhang mit ihren Betriebsbedingungen. So kommt es bei zu hohen

Temperaturen neben physikalischer Degradation des Halbleiters aufgrund verschiedener

thermischer Ausdehnungseigenschaften zu mechanischen Spannungen innerhalb des LED-

Aufbaus. Dies hat zur Folge, dass besonderer Wert auf das thermische Management von

Scheinwerfern mit LEDs gelegt wird.

Die verschiedenen Umgebungen, in denen ein Kfz-Scheinwerfer ausfallfrei arbeiten muss,

reichen von der tropischen Zone mit Temperaturen um die 45°C bis hin zu Polarregionen mit

Temperaturen um -40 °C. Zusätzlich kann es unter extremen Lastfällen und schlechter Küh-

lung des Kfz-Motors im Motorraum am Scheinwerfergehäuse zu Spitzentemperaturen von bis

zu 120 °C kommen.

Um die Beleuchtungseigenschaften eines Xenon-Systems zu erreichen, sind Lichtströme von

ca. 1600 lm auf der Straße notwendig. Bei einem Leuchtenwirkungsgrad von 50 % sind dem-

nach LEDs bzw. LED-Arrays mit 3200 lm pro Scheinwerfer notwendig. Die Lichtausbeuten

heutiger weißer LED liegen bei max. 40-50 lm/W und werden sich nach Kapitel 2.3.2.3 auf

maximal 100 lm/W steigern lassen. Somit ist zur Erzeugung der geforderten Lichtströme 80-

32 W elektrische Leistung nötig. Die Verlustleistung beträgt dabei 70 W (heute) bis minimal

25 W (zukünftig). Sie heizt die LEDs und den Scheinwerfer auf, was wiederum zu Degradati-

on und Lichtstromeinbußen führt.

Im Gegensatz zu anderen Lichtquellen muss die Verlustwärme bei LEDs komplett über Wär-

meleitung abgeführt werden, da die erzeugte Strahlung keine Wärmeanteile enthält. Dies hat

dazu geführt, dass bereits die Hochleistungsdiode an sich speziell an diese Wärmeabführauf-

gabe angepasst ist.

Abbildung 2-33 Aufbau einer Hochleistungs-LED bestehend aus LED-Chip mit als Wärmesenke

ausgelegter Anode und angebondeter Kathode

Typischerweise bestehen Hochleistungs-LEDs aus einem auf eine Wärmesenke geklebten

Chip. Diese Wärmesenke dient gleichzeitig als Anode. Die Kontaktierung der Kathode erfolgt

über eine durch Bonden angesetzte Zuführung. Das andere Ende der Wärmesenke ist großflä-

chig ausgeführt, um die Wärme bereits in der LED zu spreizen und um eine gute thermische

Kontaktierung zur Umgebung oder weiteren Kühlsystemen zu gewährleisten.

Lichterzeugung mit LEDs

Mahlkow [Mah06] hat die thermischen Pfade eines solchen Systems analysiert und hat fol-

gende Zusammenstellung dieser Pfade erstellt: (Abbildung 2-34)

Junction

Substrat

Leitkleber

Innenlage

Lötzinn

Lötpad

Dielektrikum

Metall

Verguß Bonddraht

Innenlage

Lötzinn

Lötpad

Dielektrikum

Metall

Luft

Umgebung

Wärmeleitung

Konvektionsleitung

Wärmestrahlung

Abbildung 2-34 Wichtigste Entwärmungspfade in einer Anordnung OHX-6XX - Schaltungsträger - Umge-

bung (nach [Mah06])

Daran anschliesend führt Mahlkow Berechnungen an, die für die Transportarten Strahlung

und Konvektion einen Anteil von <1 % an der Gesamtwärmeleitung ausmachen. Auf Grund

dieser Berechnungen vernachlässigt er diese Transportarten und beschränkt sich auf die Wär-

meleitung.

Es stehen noch die thermischen Pfade durch die Wärmesenke und den Bonddraht zur Verfü-

gung. Da nach Mahlkow der Bonddraht ebenfalls unter 1 % zur gesamten Wärmeleitung bei-

trägt, wird auch dieser vernachlässigt.

Mit Hilfe dieser Vereinfachungen bleibt schließlich nur noch ein thermischer Pfad übrig. Die

Wärme wird aus dem Chip über die Wärmesenke an die Umgebung abgegeben.

Das vereinfachte thermische Ersatzschaltbild sieht also wie folgt aus:

thJH

thHA

Abbildung 2-35 Vereinfachtes thermisches Ersatzschaltbild einer Hochleistungs-LED

ist die Verlustleistung der LED, d.h. die in der Sperrschicht erzeugte thermische Leistung.

Die Potenziale entsprechen den Temperaturen der Sperrschicht T

, der Wärmesenke T

und

der Umgebung T

. Die zwei thermischen Widerstände geben die Übergangswiderstände von

Lichterzeugung mit LEDs

der Sperrschicht zur Wärmesenke R

thJH

und von der Wärmesenke zur Umgebung R

thHA

an.

Der gesamte thermische Widerstand von der Sperrschicht zur Umgebung R

thJA

heutiger LEDs

liegt bei ca. 15 K/W. Somit liegt die Sperrschichttemperatur pro Watt Verlustleistung um 15

Kelvin höher als die Umgebungstemperatur. Die Überlegungen zur Leuchtdichte der Dioden

zeigen, dass hohe Leuchtdichten nur durch hohe Leistungen erreicht werden können. Daraus

folgt, dass die Umgebungstemperatur T

gering gehalten werden muss bzw., dass hohe zuläs-

sige Sperrschichttemperaturen erreicht werden müssen.

VthJAAJ

PRTT

⋅

⋅⋅

⋅

−

−−

−

( 2-30 )

Maximal zulässige Sperrschichttemperaturen liegen bei kommerziellen LEDs heutzutage bei

etwa 120-150 °C. Sollte die LED also ihre Wärme direkt an den Motorraum mit Spitzentem-

peraturen von 120 °C abgeben, wäre kaum Temperaturgefälle vorhanden, um Verlustleistung

abzuführen. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit eines Kühlsystems, das eine Wärmebrücke

zur 45 °C warmen Umgebung ermöglicht. Hierbei reichen die Überlegungen von einfachen

großen Wärmespreizen und –senken, die mit der Fahrzeugumgebung verbunden sind, über

Ventilator-Kühlkörper-Kombinationen bis hin zu Systemen, die die Enthalpie der Phasen-

übergänge von Stoffen als Wärmepuffer und Kreislaufantrieb nutzen.

Bei neueren LEDs findet man des Öfteren thermische Widerstände mit Werten von 3-5K/W.

Bei diesen LEDs muss beachtet werden, dass es sich um LED-Arrays mit mehreren Halblei-

terchips auf einem gemeinsamen Grundkörper handelt.

Abbildung 2-36 OSRAM O-Star

Somit befinden sich n einzelne LED-Chips auf einer gemeinsamen Wärmesenke. Jede dieser

n LEDs produziert jeweils eine Verlustleistung P

. Diese Verlustleistung muss jeweils einem

thermischen Pfad folgen, der wiederum maßgeblich zwei Widerstände beinhaltet. Dies sind

zum einen der jeweilige Widerstand vom Chip zur Wärmesenke und zum anderen der ge-

meinsame Widerstand von der Wärmesenke zur Umgebung.

thJH 1

thJH 2

thJH n

thHA

PV Array

thJH Array

RthHA

Abbildung 2-37 Thermisches Ersatzschaltbild eines LED-Arrays

Lichterzeugung mit LEDs

Zur Vereinfachung des gesamten thermischen Ersatzschaltbildes lassen sich die einzelnen

Verlustleistungen unter der Annahme, dass diese für alle LED gleich groß ist, zu einer ge-

meinsamen Verlustleistung P

v Array

zusammenfassen. Der gesamte thermische Widerstand der

Einzelchips zur gemeinsamen Wärmesenke errechnet sich analog einer elektrischen Parallel-

schaltung durch die Summe der Einzelreziprokwerte.

∑

∑∑

∑

nvArrayV

( 2-31 )

∑

∑∑

∑

nnthJHArraythJH

( 2-32 )

Unter der Annahme, dass die Einzelwiderstände gleich groß sind, ergibt sich somit ein ther-

mischer Gesamtwiderstand des Arrays von:

thHA

thJH

Arrayth

( 2-33 )

Durch diese Parallelschaltung kann demnach der thermische Gesamtwiderstand des LED-

Arrays reduziert werden. Dabei ist zu beachten, dass realistisch nur eine Aufspreizung der

Leistung auf n Chips realisiert wurde. Das heißt, es wird bei gleicher Gesamtleistung aus ei-

ner Multichip-LED leichter Wärme abgeführt, als aus einer Einzelchip-LED. Neben dem Auf-

spreizen des thermischen Pfades wird zudem der Lichtstrom auf mehrere LED-Chips und

somit auf eine größere Fläche verteilt. Dadurch ist die Leuchtdichte einer Multichip-LED um

das ca. 1/n-fache geringer als die Leuchtdichte einer Singlechip-LED gleicher Leistung. Die

Leuchtdichte, nach Kapitel 2.3.2.2 entscheidend für die Größe der Scheinwerferaustrittsflä-

che, kann folglich durch diese „Verringerung“ des thermischen Widerstandes nicht gesteigert

werden. Allerdings ist dadurch der Vorteil einer leichter justierbaren Multichiplampe mit hö-

herem Lichtstrom gegeben. (Kapitel 2.3.4.1 ).

Neben der Kühlung spielen bei der thermodynamischen Auslegung des Scheinwerfers die

Enttauung und die Enteisung der optisch wirksamen Flächen eine zentrale Rolle. Je nach

Wetterbedingung kommt es im und am Scheinwerfer durch Ablagerung von Flüssigkeit an

abkühlenden Scheinwerferteilen zu dünnen Wasserfilmen oder Eisschichten. Da Xenon- oder

Halogenscheinwerfer einen hohen Anteil an infraroter Strahlung besitzen, wird diese Schicht

in kurzer Zeit verdampft und führt nicht zu einer Beeinträchtigung des Strahlenganges. Ledig-

lich in Zonen mit wenig Strahlung kann diese Schicht länger sichtbar sein und damit aus De-

signgründen als störend empfunden werden. Einen Einfluss auf die Lichtverteilung hat dies

jedoch kaum [Nol05] [Mas07].

LEDs besitzen keine thermischen Strahlungsanteile. Somit kann auch keine Enttauung der

Scheinwerfer durch einfaches Einschalten erreicht werden. Aus diesem Grund gibt es zahlrei-

che Bestrebungen die Abwärme der LEDs auf die Abschlussscheibe des Scheinwerfers zu

lenken.

Lichterzeugung mit LEDs

2.4 Heutiger Entwicklungsstand der LED

Die LED als weiße Lichtquelle eines Kfz-Frontscheinwerfers hat zum Zeitpunkt dieser Arbeit

die Halogenglühlampe hinsichtlich der Lichtausbeute überholt. Es besteht durchaus die Mög-

lichkeit mit Hilfe der Diodentechnologie in Zukunft Lichtquellen zu konstruieren, die selbst

die bisher effizientesten Lichtquellen, die Gasentladungslampen, in ihrer Lichtausbeute über-

treffen. Es ist jedoch fraglich, ob dies ebenfalls im Hochleistungsbereich gelingen wird. Bei

hohen Leistungen und damit verbundenen hohen Verlustleistungen und Wärmeentwicklungen

sinken Lebensdauer und Wirkungsgrad der LEDs extrem ab, was ein aufwendiges und kosten-

intensives Klimamanagement für High Power LEDs unumgänglich macht. Aus diesem Grund

und aufgrund der Ladungsträgersättigung in der Rekombinationszone, können kaum Leucht-

dichten erreicht werden, die vergleichbar mit Gasentladungslampenleuchtdichten sind. Einen

klaren Vorteil bietet die lange Lebensdauer der Diode. Sollten 50.000 bis 100.000 Betriebs-

stunden erreicht werden, würde dies die Lebensdauer eines Kfz (3.000-5.000 h) weit über-

schreiten. Es ist allerdings zu beachten, dass diese Angaben bisher nur für Low Power LEDs

gelten. Aufgrund des großen thermischen Stresses, dem High Power LEDs ausgesetzt sind,

bleibt eine endgültige Validierung dieser Angaben abzuwarten. Für Scheinwerfer muss bei

der Betrachtung der Lebensdauer das komplette System betrachtet werden. Das bedeutet, dass

auch die Ansteuerelektronik, das Kühlsystem und die optischen Komponenten den Anforde-

rungen an einen ausfallfreien Scheinwerfer gerecht werden müssen. So ist das Glühlampen-

system aufgrund seiner einfachen Gestaltung und Ansteuerung sehr robust und ausfallarm.

Hier begrenzt die leicht und günstig wechselbare Lichtquelle den Lebenszyklus. In Systemen

mit Gasentladungslampen ist ebenfalls die Lichtquelle der Hauptausfallgrund. Diese ist je-

doch mit Lebensdauern von bis zu 3.000 Stunden vergleichbar mit der Kfz-Lebensdauer.

Aufgrund der hochgesteckten Ziele in der Vergangenheit werden Gasentladungslampen unter

extremen Stress betrieben. Damit ist realisierbar, dass zu Beginn sehr hohe Leuchtdichten und

Lichtströme erreicht werden. Nach ca. 1.000 Stunden Betriebsdauer sinken diese allerdings

auf Halogenglühlampenniveau ab. Seit kurzem wird daher an Longlife Gasentladungslampen

gearbeitet. Longlife Gasentladungslampen werden unter geringerem Stress betrieben und be-

sitzen so geringere Startlichtströme und Lichtausbeuten. Da diese Lampen weniger stark de-

gradieren, werden über längere Zeit konstante Lichtströme erzielt, was über die Zeit zu einer

höheren Lichtausbeute führt. Nach ersten Aussagen könnten somit Lampenlebensdauern von

bis zu 9.000 Stunden erreicht werden. Ein weiteres Kriterium einer Scheinwerferlichtquelle

sind die Kosten pro Lumen, die beim Lampenkauf aufgebracht werden müssen. Damit ist der

Preis der Lichtquelle bezogen auf die Lichtleistung gemeint. Heutige Hochleistungs-LEDs

kosten bei Lichtströmen von ca. 30 lm weniger als 3 Euro. Dies ergibt ca. 10 lm pro Euro,

also 100 €/klm. Dieser Preis ist noch weit entfernt von dem der Gasentladungslampe (ca.

Lichterzeugung mit LEDs

1,1 €/klm) oder der Glühlampe (0,5 €/klm). In dieser Rechnung sind jedoch nur die Anschaf-

fungspreise und nicht die Wartungskosten enthalten.

LED Halogen Xenon

Lichtausbeute + - ++

Leuchtdichte + ++ +++

Klimamanagement - ++ +

Lebensdauer ++(?) + ++(?)

Kosten - +++ +

Innovationspotential +++ - ++

An dieser Stelle sei noch einmal darauf hingewiesen, dass alle Betrachtungen für die Beleuch-

tung mit weißem Licht gemacht werden. Für Selbstleuchter und für farbige Beleuchtung ist

die LED aufgrund ihrer kleinen Bauform und nahezu monochromatischen Strahlung ideal

geeignet.

Eine zusammenfassende Bewertung der heutigen Situation gibt [Huh06]:

„Erste LED Scheinwerfer werden weit entfernt von all diesen Vorteilen sein. Sie werden viel

Masse haben, großes Bauvolumen und eine durchschnittliche Lichtleistung und überdies ex-

treme Kosten verursachen. Aber sie öffnen das Tor zu neuen Möglichkeiten, die in ihren

Auswirkungen noch nicht einmal abschätzbar sind.“

Lichterzeugung mit LEDs

2.5 Optische Schaltzeiten

Neben ihren bisher gezeigten Vor- und Nachteilen besitzt die Leuchtdiode ein weiteres we-

sentliches Alleinstellungsmerkmal unter den Lichtquellen - eine sehr gute Pulsmodulierbar-

keit. Da es sich bei der Diodenlichterzeugung um eine direkte „Abzweigung“ von Leistung

aus dem elektrischen Stromfluss handelt, leuchten LEDs sofort nach dem Anlegen einer ent-

sprechenden elektrischen Spannung auf, im Gegensatz zu Temperaturstrahlern, wie z.B.

Glühlampen, die erst ihre Betriebstemperatur erreichen müssen um maximal und effizient

Licht zu emittieren. Diese thermodynamischen Vorgänge benötigen bei Standard-Kfz-

Glühlampen Zeitspannen von ca. 200 ms. Somit lassen sich Glühlampen nur mit Pulsmodula-

tionsfrequenzen unterhalb 2,5 Hz ohne Informationsverlust modulieren.

Gasentladungslampen wiederum benötigen zum einen sehr hohe Zündspannung (25 kV), um

ein leuchtendes Plasma zu erzeugen, zum anderen ist für die effiziente Lichtausbeute ein tem-

peraturbedingter Dampfdruck nötig, der sich noch langsamer als die Glühwendeltemperatur

einer Halogenglühlampe aufbaut. Um ein erhitztes Plasma erneut zu zünden, sind aufgrund

des erhöhten Druckes höhere Spannungen nötig. Diese Hochspannungen machen ein gezieltes

Pulsen oder schnelles Schalten von Gasentladungslampen nahezu unmöglich. Dies ist der

Grund dafür, dass das Schalten zwischen mehreren Lichtverteilungen bei Xenon-Systemen

nicht zwischen Lichtquellen, sondern mechanisch zwischen verschieden Optik- bzw. Blen-

denzuständen erfolgt [Bör01].

Sind der Arbeitsdruck und der Lichtbogen aufgebaut, werden Kfz-Gasentladungslampen mit

einer Frequenz von ca. 400 Hz mit Wechselstrom betrieben. Dies verhindert durch ein perma-

nentes Wechseln der Richtung der Ionenbeschleunigung, dass entlang des Lichtbogens unter-

schiedliche Lichtfarben aufgrund eines Ionengradienten entstehen. Der Wechselstrom sollte

hierbei über eine Rechteckspannung angelegt sein, so dass während des Umpolens die Dauer

ohne anliegende Spannung gegen Null geht. Ansonsten würde sich das Plasma zu stark ab-

kühlen und entionisieren. Ein erneutes zünden der Lampe wäre in diesem Fall nur noch über

einen erneuten Hochspannungspuls möglich. Gasentladungslampen können und sollten mit

Wechselstrom betrieben werden, ein Pulsen der Lichtquelle ist allerdings nur bedingt mög-

lich.

Abbildung 2-38 Prinzipieller Einschaltvorgang einer D2-Gasentladungslampe (gestrichelt) und einer Glüh-

lampe (gepunktet)

250

500

750

Lichterzeugung mit LEDs

Die Frequenz, bei der die Ausgangsleistung auf das

−

−−

−

fache sinkt, wird 3 dB Grenzfre-

quenz genannt. Eine Glühlampe erreicht diese Dämpfung bei einer angenommenen Schaltzeit

von

250

nach Gleichung ( 2-34 ) bei 1,1 Hz. Für Kfz-Gasentladungslampen mit gefor-

derten Schaltzeiten von

800

[ECE98] liegt die 3 dB Grenze bei ca. 1/3 Hz.

(

((

( )

))

)

πτ

πτπτ

πτ

dBf

( 2-34 )

Folglich kann eine Glühlampe nur einmal pro Sekunde ein- und angeschaltet werden. Eine

Gasentladungslampe sollte nur in einem Zyklus von 3 Sekunden gepulst werden.

Wie jedes Bauteil hat auch die LED eine endliche Zeitkonstante beim Ein- und Ausschalten

und somit Tiefpasscharakteristik. Hervorgerufen werden diese Verzögerungen hauptsächlich

durch die elektrische Kapazität C der LED und den Gesamtwiderstand des Stromkreises R. In

diesem Fall errechnet sich für das An- und Ausschalten die Zeitkonstante τ der LED aus dem

Produkt von C und R [Schu06].

Abbildung 2-39 Schaltzeiten einer RCLED bei T=300k; die Unterschiede zwischen τ

ττ

rise

und τ

ττ

fall

basieren

auf dem Ladungsträger sweep-out aus der aktiven Zone [Schu06]

Messungen von Schubert et al. zeigen, dass LED-Zeitkonstanten in der Größenordung 5-10 ns

liegen. Dies ermöglicht 3 dB Grenzfrequenzen von 27-55 MHz.

Für weiße LEDs, die durch die Kombination blaue LED und gelber Konverter ihre Lichtfarbe

erzeugen, stellt sich die Frage, welchen Einfluss die Konversion auf die Zeitkonstanten der

Lichtquelle hat. Für die Erzeugung des gelben Lichts wird der Effekt der Photolumineszenz

genutzt. Dieser Effekt besagt, dass optische Strahlung entsteht, wenn ein System, das durch

optische Strahlung angeregt wird, in seinen Grundzustand zurückkehrt. Zwischen Anregung

und Emissionen können hierbei Sekundenbruchteile bis Stunden vergehen. Dieses „Nachglü-

hen“ würde einen extremen Tiefpass darstellen und die Zeitkonstante der optischen Strahlung

einer LED um ein Vielfaches verlängern. Die Photolumineszenz wird in zwei Untereffekte

unterteilt, die Phosphoreszenz und die Fluoreszenz.

Lichterzeugung mit LEDs

Abbildung 2-40 Umwandlung im Fluorophor

Tatsächlich werden für weiße LEDs Fluorophore und keine Phosphore eingesetzt. Bei der

Fluoreszenz behalten die angeregten Elektronen der Moleküle ihre Spinquantenzahl (bzw.

ihren Spin) bei. Da bei dem Übergang dieses angeregten Elektrons aus diesem angeregten

Singulett-Zustand (S1, S2,…) in den energetisch günstigen Grundzustand die Spinquanten-

zahl (Symmetrie) wiederum erhalten bleibt, ist die Wahrscheinlichkeit dieses Übergangspro-

zesses hoch. Somit fällt das Elektron bereits nach ca. 80 ns in den Grundzustand zurück. Mit

sehr geringer Wahrscheinlichkeit erreichen Elektronen bestimmter Molekühle unter Umkehr

ihres Spins einen so genannten Triplett-Zustand. Dieser Prozess wird auch Intersystemüber-

gang genannt. Da das Erreichen des Singulett-Grundzustandes ausschließlich durch erneute

Spinumkehr erreichbar ist, ist die Wahrscheinlichkeit dieses Überganges geringer. Je nach

Phosphor kann die Verweildauer eines Elektrons im angeregten Triplett-Zustand bis zu meh-

rere Jahre betragen.

Abbildung 2-41 Darstellung der Phosphoreszenz und der Fluoreszenz im Bändermodell

Wie bereits erwähnt wird für weiße Dioden der schnelle Singulett-Singulett Übergang (Fluo-

rophorkonversion) ausgenutzt. Dies bewirkt demnach maximal eine Phasenverschiebung des

gelben Signals um ca. 80 ns. Selbst mit einer verlängerten Schaltzeit auf 80 ns ließen sich

weiße Dioden nach Gleichung ( 2-34 ) noch mit einer Frequenz von 3 MHz betreiben. Der

Einfluss dieser Phasenverschiebung wird in Kapitel 4.1 näher betrachtet.

Lichterzeugung mit LEDs

Die extreme Schaltzeitverkürzung durch Leuchtdioden hat bereits zu einigen Neuerungen und

Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der automobilen Lichttechnik geführt.

So haben Locher et al. [Loc06] und Sivac et al. [Siv93] zeigen können, dass sich die Reakti-

onszeiten des nachfolgenden Verkehrs bei plötzlichen Bremsmanövern eines Vordermannes

um ca. 80 ms verkürzen, wenn das Fahrzeug anstatt mit Glühlampen- mit LED-Rücklicht

ausgerüstet ist. Dies entspricht bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h einem um 2 m ver-

kürzten Anhalteweg.

Abbildung 2-42 Gepulste Scheinwerfer zur Car2Car Kommunikation (ISLE)

In Verbindung mit einem Detektor besteht die Möglichkeit Informationen von einem Fahr-

zeug zum anderen zu übertragen. Hierzu wird die Information über Pulsweitenmodulation der

Rück- bzw. Bremslichtfunktion an den Detektor des folgenden Fahrzeuges übertragen. Mit

LED-Scheinwerfern ist eine Datenübertragung vom folgenden an das vorausfahrende Fahr-

zeug ebenfalls möglich. Die Arbeitsgruppe ITS (Intelligent Transport System) des 2003 ge-

gründeten japanischen Konsortiums VLCC (Visible Light Communications Consortium) und

das ISLE Konsortium (Integrated communicating Solid-state Light Engine) des 6. EU Rah-

menprogramms haben bereits die Möglichkeiten dieser Car to Car Kommunikationsart de-

monstriert. Die Daimler Chrysler Forschung konnte mit einem Demonstrator zeigen, dass sich

mit gepulsten Rückleuchten (Bremslichtern) Daten, wie z.B. Geschwindigkeit und Beschleu-

nigung, über eine Distanz von bis zu 50 m (100 m) an den Folgeverkehr übertragen lassen

[Moi05].

Durch die schnellen Schaltzeiten der Diode kann noch ein weiterer Effekt genutzt werden –

das Dimmen über Pulsweitenmodulation. Unter der Pulsmodulation im Allgemeinen versteht

man die Veränderung von Impulskenngrößen einer Impulsfolge. Pulsweitenmodulation wird

im speziellen die Modulation eines Rechtecksignals in seinem Tastverhältnis genannt, d.h. es

wird die prozentuale Dauer des Impulses zur gesamten Pulsdauer verändert. Die Periodendau-

er und die Amplitude des Signals bleiben hierbei konstant [Schi87]. Wenn über Pulsweiten-

modulation gedimmt wird, ist unter einer vollen Ansteuerung das Einstellen des Tastverhält-

nisses auf 100 % zu verstehen. Der gedimmte Zustand wird durch das Einstellen eines Tast-

verhältnisses kleiner 100 % erreicht. Pulsweitenmodulation ist ein oft angewandtes Prinzip,

nicht zuletzt beim Dimmen von Glühlampen. Ansteuerungen, die dieses Prinzip nutzen, wer-

den bei vielen Kfz-Modellen sowohl für LED-Heckleuchten, als auch für Leuchten mit Glüh-

lampen ausgelegt. Doch es existiert ein entscheidender Unterschied im Wirkprinzip der Puls-

Lichterzeugung mit LEDs

weitenmodulation bei LEDs und Glühlampen, der sich aus den verschiedenen Schaltzeiten

ergibt.

Aufgrund der langen Schaltzeit der Glühlampe kann diese dem Pulssignal nicht folgen. Es

stellt sich vielmehr eine, der mittleren Leistung des Signals entsprechende, konstante Tempe-

ratur des Glühfadens und somit ein entsprechender Lichtstrom bzw. eine entsprechende

Leuchtdichte ein. Die mittlere Leistung des Signals hängt vom zeitlichen Mittel des Pulses

über die Periodendauer ab. Dieses zeitliche Mittel wird durch das Tastverhältnis bestimmt. So

wird der Dimmeffekt erreicht, während die Glühlampe kontinuierlich leuchtet. Aufgrund der

Temperaturabhängigkeit des Wirkungsgrades und der Lichtfarbe einer Glühwendel ist dieses

leistungsabhängige Dimmverfahren nur bedingt anwendbar. Anders verhält es sich bei den

LEDs. Im Gegensatz zur Glühlampe folgen die LEDs aufgrund ihres Schaltverhaltens der

Rechteckimpulsfolge des Ansteuersignals in ihrem Lichtstrom und somit in ihrer Leuchtdich-

te ohne Verwaschung. Sie bilden dadurch eine diskontinuierliche Lichtquelle. Erst durch den

Betrieb mit einem Pulssignal oberhalb der Flimmerverschmelzungsfrequenz wird diese Licht-

quelle als kontinuierlich wahrgenommen. Dabei stellt sich ein Dimmeffekt ein, da das

menschliche Auge das zeitliche Mittel der Leuchtdichte nach dem Talbotschen Gesetz wahr-

nimmt. Nähere Ausführungen zu dem physiologischen Phänomen der Flimmerverschmelzung

finden sich in Abschnitt 4.3.1. Der Dimmeffekt stellt sich bei der Pulsweitenmodulation von

Glühlampen auf physikalischer, beim Dimmen der LEDs auf physiologischer Ebene ein. An-

hand des Beispiels für die Schlussleuchte eines Modells der Firma BMW soll das Wirkprinzip

der Pulsweitenmodulation von LED-Arrays im Folgenden noch einmal verdeutlicht werden.

Abbildung 2-43 Schlussleuchte eines BMW mit gedimmter Rücklichtfunktion (links) und voll angesteuer-

ter Bremslichtfunktion (rechts)

Die in Abbildung 2-43 gezeigte Schlussleuchte nutzt den oberen Teil des LED-Arrays für

Schluss- und Bremslichtfunktion gemeinsam. In der linken Abbildung ist sie im Schlusslicht-

betrieb, also gedimmten Zustand, zu sehen. In der rechten ist sie im Bremslichtbetrieb abge-

bildet, wobei alle LED voll angesteuert werden und durch Zuschaltung weiterer LED die Flä-

che vergrößert wird. Dem Zustand im Schlusslichtbetrieb liegt das in Abbildung 2-44 abge-

bildete Pulssignal zugrunde. Die Impulsfolgefrequenz beträgt etwa 80 Hz, bei einem Tastver-

hältnis von etwa 8 %. Die Stromamplitude liegt im Nennbereich der LED und sorgt für ein

homogenes Erscheinungsbild beim Dimmen. Da die LEDs diesem Signal in ihrem Ansprech-

verhalten ohne weiteres folgen können, entspricht das Verhältnis des zeitlichen Mittels des

Lichterzeugung mit LEDs

wahrgenommenen Leuchtdichtesignals zum Leuchtdichtepegel bei voller Ansteuerung dem

des zeitlichen Mittels des gepulsten Ansteuersignals zur Impulsamplitude. Dieses beträgt in

beiden Fällen 8%, wie die Leuchtdichtewerte 1.300 cd/m² für Schlusslicht und 16.000 cd/m²

für Bremslicht bestätigen.

Abbildung 2-44 Ansteuerungssignal einer gedimmten Schlussleuchte

Die Pulsfrequenz übernimmt hier die Funktion, ein Signal oberhalb der Flimmerverschmel-

zung zu erzeugen. Der Dimmeffekt stellt sich bei konstanter Stromamplitude im Nennwertbe-

reich einzig und allein durch Verringerung des Tastverhältnisses von 100 % auf einen gerin-

geren Wert ein. Bei einem gesetzlich vorgeschriebenen Verhältnis der Lichtstärken der

Brems- und Schlussleuchte von mindestens 5:1 [ECE7] kann das Tastverhältnis des Schluss-

leuchtensignals maximal 20 % betragen. Wie gezeigt, liegt das Tastverhältnis in der Umset-

zung jedoch unter diesem Wert.

Einsatz der gepulsten Lichtquelle in zukünftigen Scheinwerfern

3 Einsatz der gepulsten Lichtquelle in zukünftigen Scheinwer-

fern

Bisher wird die Möglichkeit des Pulsens hauptsächlich für Rückleuchten verwendet. Es stellt

sich die Frage, ob dieses Pulsen für zukünftige Scheinwerfer neue Möglichkeiten bietet. Um

der Antwort auf diese Frage näher zu kommen, werden im Folgenden aktuelle Ideen und For-

schungsarbeiten zu zukünftigen Scheinwerfersystemen vorgestellt.

3.1 Zukünftige Scheinwerfer

Betrachtet man die Entwicklung der Scheinwerfer, wird deutlich, dass sich die Ziele und da-

mit auch die Motivationen für neue technische Lösungen verändert haben. Die bis heute wich-

tigste Funktion eines Scheinwerfers ist, den Verkehrsraum für den Fahrer möglichst so auszu-

leuchten, dass dieser den Fahrweg und Hindernisse rechtzeitig erkennen kann. Somit war die

Aufgabe des Kfz-Lichttechnikers möglichst viel Lichtstrom auf die Straße zu projizieren. Aus

dieser Zielstellung ergab sich, dass in regelmäßigen Abständen Lichtquellen mit immer grö-

ßeren Lichtströmen und Leuchtdichten zum Einsatz kamen. Hatten erste Glühlampen, deren

Fadentemperatur bei höchstens 1.270 °C lag, nur Leuchtdichten von 2-3 Mcd/m² und Licht-

ströme von 200 lm (Edison-Glühlampe bei 80 W), so steigerten sich die Lichtquellen über

Halogenglühlampen (3.200 °C, 20 Mcd/m², 1.400 lm, H7 bei 75 W) bis hin zu heutigen Gas-

entladungslampen mit 3400 lm Lichtstrom und Leuchtdichten von ca. 100 Mcd/m² (D2 Lam-

pe bei 35 W).

Mit zunehmender Verkehrsdichte und heller werdenden Scheinwerfern gewann als zweite

Kfz-Scheinwerferfunktion das Ausblenden des Gegenverkehrs an Bedeutung. Da Ausblenden

und Ausleuchten einen klaren Zielkonflikt bilden, versucht man seitdem mit Hilfe der gege-

benen technischen Möglichkeiten Kompromisse zur Lösung dieses Problems zu finden. So

gab es bereits 1908 für einige Acetylenscheinwerfer eine Abblendvorrichtung, die es ermög-

lichte via Handhebel und Bowdenzug die Gasflamme aus dem Brennpunkt des Scheinwerfers

zu bewegen. Mit den zwei Funktionen Abblend- und Fernlicht war schnell das Maximum an

manuell kontrollierbaren Lichtverteilungen erreicht. Der Fahrer hat zu entscheiden, ob sich

innerhalb des ausgeleuchteten Verkehrsraums blendgefährdete Objekte (i. d. R. andere Ver-

kehrsteilnehmer) befinden und ist in diesem Fall verpflichtet, von Fern- auf Abblendlicht um-

zuschalten. Als Folge dessen werden nur noch Objekte unterhalb der so genannten Hell-

Dunkel-Grenze (HDG) des Scheinwerfers beleuchtet, die je nach Scheinwerfer in einer Ent-

fernung zwischen 60 m und 80 m liegt [Völ06]. Da in Gegenden mit Rechtsverkehr selten

Verkehrsteilnehmer rechts vor dem Fahrzeug blendgefährdet sind, wurde 1957 die asymmet-

rische HDG eingeführt. Diese hat eine angehobene Lichtverteilung auf der rechten Seite. (Für

Linksverkehr gilt das Gegenteil.) Mit den Aufgaben bei schlechten Sichtbedingungen manuell

Einsatz der gepulsten Lichtquelle in zukünftigen Scheinwerfern

Nebellicht (1930) zuzuschalten und die Scheinwerferneigung ladungsabhängig zu justieren

(manuelle Leuchtweitenregulierung 1939), war die Grenze des von Fahrern manuell Machba-

ren erreicht.

Einen weiteren Entwicklungsschub erfuhren Scheinwerfer Anfang der 90er Jahre. Dies lässt

sich auf den schnellen Fortschritt der Prozessortechnologien zurückführen. So ermöglichen

sie zum einen das gezielte Steuern oder Regeln komplexer mechatronischer Systeme, zum

anderen lassen sich Computer gestützte Simulationen, Modulationen und Optimierungen e-

lektronischer, mechanischer und optischer Komponenten immer schneller und präziser durch-

führen. Diese mechatronischen Scheinwerfer werden, gestützt durch Fahrzeugsensorik, auto-

matisch an die jeweilige Situation angepasst. Erste Anwendungen sind die dynamische und

automatische Leuchtweitenregelung, das Mitführen des Fernlichtanteils in Kurvenfahrten (dy-

namisches Kurvenlicht) oder das seitliche Ausleuchten bei Abbiegevorgängen (statisches

Kurvenlicht). Frühere Versuche hierzu mussten aufgrund fehlender Mess- und Regelungs-

technik 1918 von Cadillac und 1967 von Citroen eingestellt werden.

Zu diesen so genannten AFS-Funktionen (adaptive front lighting system) kamen im Jahr 2006

weitere automatisch zugeschaltete AFS-Scheinwerferlichtverteilungen hinzu. Diese sind ne-

ben den klassischen Abblend-, Fern- und Nebellichtfunktionen zusätzlich Autobahn-,

Schlechtwetter- und Stadtlicht. Um den prozentualen Anteil der Fahrten mit Fernlicht zu er-

höhen hat BMW 2005 den Fernlichtassistent mit kamerabasierter, automatischer Abblend-

funktion bei entgegenkommendem oder vorausfahrendem Verkehr als zusätzliche mechatro-

nische Lichtfunktion eingeführt. Kuhl et al. haben 2006 ein Scheinwerfersystem vorgestellt,

das nicht nur dynamisch horizontalen Kurven, sondern auch vertikalen Kuppen und Wannen

folgt [Kuh06]. Dieses Kuppen- und Wannenlicht wird in Zukunft das dynamische Scheinwer-

ferschwenksystem komplettieren.

Trotz all dieser neuen Lichtfunktionen wird, außer bei Fernlicht, ein großer Bereich der Sze-

nerie abgedunkelt, um eventuelle Blendungen zu vermeiden. Deshalb schlagen viele Autoren

[Kau06] [Ros05] [Wal98] [Wal05] [Wör07] eine direkt adressierbare Lichtverteilung vor.

Diese dynamische Lichtverteilung schaltet gezielt nur die auszublendenden Objekte dunkel

und hält die Fernlichtperformance für die restliche Szenerie aufrecht. Zusätzlich wird durch

Anleuchten oder Anblinken auf gefährliche Objekte im Fahrschlauch aufmerksam gemacht.

Abbildung 3-1 Adressierbarer Scheinwerfer

Einsatz der gepulsten Lichtquelle in zukünftigen Scheinwerfern

Neben der Umfeldsensorik, um Gefahrenobjekte, Verkehrsteilnehmer und Straßenverläufe zu

identifizieren und zu klassifizieren [Ros05], ist für zukünftige Scheinwerfer demnach eine

hochdynamische und hoch auflösende Beleuchtungsoptik notwendig. In den Entwicklungsla-

boren wird daher an verschiedenen aktiven Scheinwerferkonzepten gearbeitet. Eine umfang-

reiche Analyse dieser Systeme findet sich in [Kau06].

Die in den folgenden Abschnitten (3.1.1-3.1.2) beschriebenen, mit konventionellen Leucht-

mitteln ausgestatteten Leuchtenkonzepte scheinen die zukunftsträchtigsten zu sein.

3.1.1 Konzepte mit Halogenglühlampen

Der scannende Scheinwerfer verwendet einen Raumwinkelanteil der Abstrahlung der Lampe,

um über einen Freiformreflektor die statische, also unveränderliche Grundlichtverteilung, zu

erzeugen. Ein zweiter Lichtstromanteil wird über ein scannendes, im Wesentlichen aus zwei

senkrecht zueinander stehenden oszillierenden Spiegeln bestehenden, System in den dynami-

schen Beleuchtungsraum projiziert. Durch schnelles Scannen mit dem Lichtspot kann so na-

hezu jede beliebige Lichtverteilung „geschrieben“ werden [Kau04] [Goe05].

Abbildung 3-2 Prinzipielle Funktionsweise eines scannenden Scheinwerfers

3.1.2 Konzepte mit Gasentladungslampen

3.1.2.1 Halogenmetalldampflampe

Auf dem Prinzip des Projektionmoduls [Bon21] aufbauend, wird die von einem Polyellipsoid

ausgeleuchtete Blendenebene variablere gestaltet. Hierbei reichen die Überlegungen von einer

Blendenwalze, dem so genannten VarioXenon-Modul [Eic98], bei dem unterschiedliche Man-

telflächen einer Walze die AFS-Lichtverteilungen wiedergeben, bis hin zu einzeln verstellba-

ren Blendensegmenten. Dadurch entstehen Einzelschatten, die in die Szenerie fahren und an-

dere Verkehrsteilnehmer ausblenden. Durch die Kombination dieses Systems mit einem Kur-

Einsatz der gepulsten Lichtquelle in zukünftigen Scheinwerfern

venlichtschwenkmodul kann mit einer minimalen Blendenzahl gearbeitet werden, da die

Schatten dem Objekt bei der Vorbeifahrt nachgeführt werden.

Abbildung 3-3 Scheinwerfer mit hoch dynamischer Blende

3.1.2.2 Kurzbogenlampe

Mit Gasentladungslampen lässt sich ein weiteres Prinzip realisieren, das noch effizienter mit

Kurzbogengasentladungslampen arbeitet. Hierbei wird der Lichtstrom der Lichtquelle auf

eine dynamisch variierbare Oberfläche projiziert. Diese Oberfläche besteht aus einer Vielzahl

(0.5-1Mio) von Mikrospiegeln. Diese werden einzeln digital zwischen zwei Endlagen ge-

schaltet. Das Digitalspiegelbauteil (Digital Mirror Device = DMD) wird anschließend über

eine Projektionsoptik in den Verkehrsraum abgebildet. Je nach Spiegelstellung wird der

Lichtstrom des Spiegels durch die Optik oder auf einen Absorber gelenkt. Die Abbildung ei-

nes Spiegels erscheint somit entweder hell oder dunkel [End99].

Abbildung 3-4 Scheinwerfer auf DMD-Basis

Betrachtet man die Entwicklung der Scheinwerfer, wird deutlich, dass eine neue Lichtquelle

als alleinige Innovation bisher nicht den Markt erobert hat. Die Lichtquelle selbst spielt für

neue Systeme zwar eine entscheidende Rolle, aber es sind diese Systeme und ihre neuen

Lichtfunktionen, die die tatsächliche Innovation bringen. Soll sich eine neue Lichtquelle wie

die LED durchsetzen, muss sie nicht nur eine alte Lichtquelle ablösen, sie muss zusätzlich

neue Möglichkeiten bieten, ohne alte Funktionalitäten zu vernachlässigen.

Einsatz der gepulsten Lichtquelle in zukünftigen Scheinwerfern

3.1.3 Visionen mit LED Technologie

Im Gegensatz zu den bisher vorgestellten subtraktiven Systemen, bei denen durch bewegliche

Elemente Licht einer kontinuierlich leuchtenden Lichtquelle abgeblendet wird, bieten LEDs

oder LED-Arrays die Möglichkeit, Licht nur dort abzubilden, wo es beleuchtet und nicht

blendet. Im Rahmen des BMBF Projektes „NanoLux – mehr Licht mit weniger Energie“ wird

unter anderem von der Firma Hella KGaA Hueck & Co. und der Audi AG ein Scheinwerfer

aufgebaut, der als Lichtquelle ein von OSRAM GmbH entwickeltes LED-Array besitzt.

Durch die Projektion dieses Arrays in den Verkehrsraum kann jedem einzelnen LED-Chip ein

Raumwinkel zugeordnet und adressiert werden.

Abbildung 3-5 Frei adressierbare Lichtquelle (Mitte) Projektion einer Fernlichtfunktion (links) Projektion

einer Abblendlichtfunktion (rechts)

Einsatz der gepulsten Lichtquelle in zukünftigen Scheinwerfern

3.2 Möglicher Einsatz gepulster LEDs in zukünftigen Scheinwerfern

Im nachfolgenden Kapitel soll ausgehend von der Tatsache der schnellen Pulsmodulierbarkeit

von LEDs gezeigt werden, welche Möglichkeiten sich aus einer neuen adressierbaren Licht-

quelle ergeben.

3.2.1 Grundprinzip

Wie bereits erläutert, ist die maßgeblich leistungsbegrenzende Größe einer LED die mittlere

Verlustleistung, resultierend in einer Junctiontemperatur, die eine thermische Degradation des

Halbleiterchips verursacht. Im Umkehrschluss heißt dies, dass, vorausgesetzt die Verlustleis-

tung führt nicht zu einer Überhitzung der LED, die elektrische Leistung und somit die Strah-

lungsleistung beliebig innerhalb eines Pulses verteilt werden kann. Zudem darf der Impuls

nicht beliebig kurz und somit beliebig stark bei gleicher mittlerer Leistung sein, da dies an-

sonsten zu einer Zerstörung der LED durch zu hohe Stromdichten führen kann. In Abbildung

3-6 sind einige Impulse der gleichen Energie aufgezeigt.

Abbildung 3-6 Impulse gleicher Energie

Demnach ist es möglich, die Strahlungsenergie einer LED auf die Zeit zu verteilen. Wenn es

gelingt, die zeitlich aufgelöste Strahlungsleistung in eine örtlich aufgelöste zu transformieren,

lässt sich über das zeitliche Modulieren der Pulse die Lichtverteilung variieren.

3.2.2 Transformation Zeitliche in Örtliche

Abbildung 3-7 Nach Goldstein [Gol02] hängt die Wahrnehmung der Scheinbewegung von dem Zeitinter-

vall ab.

Reizzwischenintervall Resultat

<30ms Gleichzeitigkeit

(keine Bewegung)

30-60ms Teilbewegung

>60ms Scheinbewegung

(kontinuierlich)

>200-300ms Sukzessivstadium

(keine Bewegung)

a b

Einsatz der gepulsten Lichtquelle in zukünftigen Scheinwerfern

Um die zeitliche Auflösung der Lichtquelle in eine örtliche umzuwandeln, kann man sich das

menschliche Wahrnehmungssystem zu nutze machen, das aufgrund seiner endlichen Integra-

tionszeit über visuelle Reize, alle Reize innerhalb eines endlichen Zeitintervalls als gleichzei-

tig empfindet und die Information als eine mittlere über dieses Intervall aufnimmt. Genaueres

hierzu wird in dem Kapitel 4.3.1 beschrieben.

Wird also der Lichtstrom

ΦΦ

einer Lichtquelle durch ein variables optisches System abwech-

selnd in Richtung der Zustände a und b gelenkt (Abbildung 3-7), so werden diese Zustände ab

einem Reizzwischenintervall kleiner 30 ms als zeitgleich wahrgenommen [Gol02] [Roc98].

Die dabei empfundene Helligkeit ergibt sich nach dem Talbotschen Gesetz aus der über die

gesamte Periode gemittelten Leuchtdichte dieser Zustände. Bei einer ausreichend hohen Fre-

quenz bestimmt somit das Reizintervallverhältnis der Einzelreize die empfundene Helligkeit.

Abbildung 3-8 Helligkeitseindruck zweier periodisch wechselnder Reize (Frequenz liegt über der Flim-

merverschmelzungsfrequenz)

Erweitert man die Anzahl der Zustände von 2 (a und b) auf n Zustände, so werden auch diese

als zeitgleich wahrgenommen, sofern das Intervall zwischen Reiz 1 und Reiz n kleiner 30 ms

ist. Hier gibt das Verhältnis der Reizintervalle zur Gesamtperiode T

1-n

die einzelnen Hellig-

keitseindrücke wieder.

Die einzelnen Reize können als diskrete Pixel einer jeweiligen Koordinate γ,φ zugeordnet

sein. In diesem Fall bestimmt die jeweilige Reizperiode die empfundene Pixelhelligkeit. Bei

sich überlappenden Einzelreizen wird die Pixelhelligkeit aus der integrativen Helligkeit der

Einzelreize über der Koordinate γ,φvorgegeben.

Reizintervallverhältnis Resultat

a/b < 1 a dunkler b

a/b = 1 gleiches

Hellempfinden

a/b > 1 a heller b

a b

Einzelreize Empfundene Helligkeit

Pixelzuordnung von n Reizen

Überlappende Reize

Einsatz der gepulsten Lichtquelle in zukünftigen Scheinwerfern

Unter der Voraussetzung, dass jeder Zustand n insgesamt m verschiedene Reizintervalle un-

terschiedlicher Länge einnehmen kann, ergibt sich für die somit erreichbaren Gesamtreize

eine Kombinationsmöglichkeit der n Reize von m

Da die Einzelreize durch das periodische Projizieren des Lichtstroms einer Lichtquelle entste-

hen, können sie entweder durch verschiedene aufeinander folgende Einzellichtquellen oder

durch verschiedene periodische Projektionszustände des optischen Systems erzeugt werden.

Bei der Variante der unterschiedlichen Zustände wird der Lichtstrom einer Lichtquelle auf die

verschiedenen Reize über das Produkt aus Reizdauer und jeweiligen Lichtstromintensität ver-

teilt. Somit lässt sich der Gesamtlichtstrom auf die einzelnen Pixel γ,φ verteilen, indem die

Intensität einer Lichtquelle über Pulsmodulation der jeweiligen relativen dynamischen Licht-

stromverteilung zum Zeitpunk t zugeordnet wird. Es ist möglich, die integrale Gesamtlicht-

stromverteilung einzig durch das Ansteuern der Lichtquelle zu steuern, sofern diese synchron

zu den periodisch wiederkehrenden Lichtstromverteilungen geschaltet wird. Dadurch gelingt

es, die zeitliche Auflösung der Lichtquelle in eine örtliche Auflösung der Lichtverteilung um-

zuwandeln.

dynamischer

Lichtstrom

ΦΦ

Φ(t)

dynamisch

Lichtstromverteilung

ΛΛ

Λ(γ,φ,

γ,φ,γ,φ,

γ,φ,t)

relative

dynamische

Lichtstromverteilung

ΛΛ

Λ(γ,φ

γ,φγ,φ

γ,φ,t)

integrale

Lichtstromverteilung

Φ(γ,φ)

Φ(γ,φ) Φ(γ,φ)

Φ(γ,φ) = ∫ Λ

Λ Λ

Λ(γ,φ,

γ,φ,γ,φ,

γ,φ,t)*Φ

ΦΦ

Φ(t) dt

Einsatz der gepulsten Lichtquelle in zukünftigen Scheinwerfern

3.2.3 Offene Fragen

Nach den vorangegangenen Überlegungen scheint es möglich, den Lichtstrom einer gepulsten

LED durch die Synchronisation mit einer periodisch variablen Optik zu verteilen und damit

eine adressierbare Scheinwerferlichtverteilung zu erzeugen.

Aus dem erstmaligen Einsatz gepulster Scheinwerferlichtquellen ergeben sich mehrere Fra-

gen, die für den Einsatz im Straßenverkehr geklärt werden müssen. Diese Fragen werden in

den folgenden Abschnitten dieses Kapitels formuliert.

Es stellt sich die Frage, ob ein gepulster Scheinwerfer stärker blendet als ein ungepulster

Scheinwerfer mit gleichen mittleren lichttechnischen Eigenschaften. Das Talbotsche Gesetz

besagt, dass der Helligkeitseindruck einer gepulsten Lichtquelle dem zeitlichen Mittel der

Leuchtdichte entspricht. Demnach ist zu vermuten, dass auch die Blendwirkung dieser Licht-

quelle durch die mittlere Leuchtdichte beschrieben werden kann. In Kapitel 0 wird dieser Fra-

ge auf den Grund gegangen.

Innerhalb der letzten Jahre wurden verstärkt gepulste LEDs in Kfz-Rückleuchten eingesetzt.

Obwohl die Pulsfrequenz dieser oberhalb der Flimmerverschmelzung liegt, und somit im Nor-

malfall der Betrachtung einer solchen Lichtquelle eine kontinuierliche Leuchte wahrgenom-

men wird, tritt in bestimmten dynamischen Fällen ein physiologischer Effekt auf, der einen

frequenzabhängigen Charakter hat. Er wurde in nächtlichen Verkehrssituationen und in der

Dämmerung schon häufig bei Schulterblick und Blickbewegungen vorbei an Schlussleuchten,

und als Flimmern beim Blick auf Schlussleuchten während Rüttelbewegungen, hervorgerufen

durch unebenen Straßenbelag, beobachtet. Tagsüber ist er nur sehr selten zu beobachten. Ab-

gesehen davon, dass Schlussleuchten meist erst ab der Dämmerung eingeschaltet sind, gibt es

dafür noch andere Gründe. Es ist bemerkbar, dass die Designs, die schmale, linienförmige,

vertikale Anordnungen von LEDs benutzen, besonders auffällig sind. Beispiele hierfür sind

der Cadillac STS und SRX sowie der Peugeot 307cc. Der Effekt ist auch in Haushalten an

Geräten wie Elektroherden oder Waschmaschinen mit eingebauten LEDs zu beobachten. Die-

se LEDs werden mit der normalen 50 Hz Netzspannung betrieben, wobei nur eine Halbwelle

der Wechselspannung in Durchlassrichtung anliegt. Pulsweitenmodulation wird in der

Kfz-Technik auch beim Dimmen von Glühlampen genutzt, wenn Schluss- und Bremslicht-

funktion realisiert werden sollen. Hierbei tritt der Effekt allerdings nicht auf. Im Folgenden

soll der Effekt, mit Bezug auf sein Erscheinungsbild, als Perlschnureffekt bezeichnet werden.

Abbildung 3-9 zeigt, wie er beispielsweise in Verkehrssituationen mit gepulsten LED-

Schlussleuchten auftreten und beobachtet werden kann.

Einsatz der gepulsten Lichtquelle in zukünftigen Scheinwerfern

Abbildung 3-9 Perlschnureffekt bei gepulstem Rücklicht

Um diesen Effekt bei Scheinwerfern zu vermeiden sollen folgende Fragen in Kapitel 4.3.2

beantwortet werden:

- Warum kommt es bei gepulsten LED Rückleuchten zum Perlschnureffekt, obwohl die

Flimmerverschmelzungsfrequenz deutlich überschritten ist?

- Kann dieser Effekt auch bei gepulsten Scheinwerfern auftreten?

- Wenn ja, wie kann er verhindert werden?

Wie in Kapitel 2.3.2.3 beschrieben, wird bei weißen LEDs häufig die Strahlung einer blauen

LED durch gelbe Konversionsstoffe in weißes Licht umgewandelt. Da für die angestrebte

Anwendung hohe Pulsfrequenzen nötig sind, wird in Kapitel 4.1 untersucht:

- Welchen Einfluss hat die Leuchtstoffkonversion auf die Schaltzeiten der weißen Dio-

den?

Eine Annahme aus dem diskutierten Grundprinzip ist, dass im Pulsbetrieb die thermische

Verlustleistung und damit verbundene Temperaturen denen im Konstantstrombetrieb entspre-

chen. In Kapitel 4.2 werden daher durch analytische Betrachtungen und Simulationen folgen-

de Aspekte untersucht:

- Wie verhalten sich Junctiontemperatur und thermische Widerstände einer gepulsten

Halbleiterdiode?

- Lässt sich aus gepulsten LEDs bei gleicher umgesetzter elektrischer Leistung mehr

Licht generieren als aus ungepulsten?

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

4 Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

4.1 Phasenverschiebung durch Fluoreszenz

Wie in Kapitel 2.5 beschrieben entsteht durch den Einsatz von fluoreszierenden Stoffen zur

Erzeugung des Gelbanteils eine Phasenverschiebung der konvertierten Photonen. Da diese

Verschiebung einen entscheidenden Einfluss auf die maximale LED-Frequenz hat, soll mit

folgenden Untersuchungen ein mögliches Nachleuchten der LEDs analysiert werden.

4.1.1 Messprinzip

Um den Einfluss des Fluoreszenzfarbstoffs zu untersuchen, ist es zweckdienlich, die spektral

aufgelöste Sprungantwort der weißen LED auf einen Stromsprung zu vermessen. Hierzu wur-

de ein Messaufbau nach dem Schema der Abbildung 4-1 realisiert.

Über einen Impulsgenerator I werden synchron ein zweiter Impulsgenerator II, ein Pulser und

ein PC getriggert. Das Ausgangssignal des Impulsgenerators II schaltet die LED mit einer

Pulsweite von 50,5 µs und einer Frequenz von 19,8 kHz. Über eine Sammellinse gelangt das

gepulste Licht der LED in einen Monochromator, der das Licht in seine spektralen Bestand-

teile zerlegt. Nachdem dieses ein elektronisches Gate passiert hat, wird es mit einer CCD-

Zeile vermessen, wobei jedem Pixel des Detektors ein bestimmter Wellenlängenbereich zuge-

ordnet ist. Das Gate zwischen Monochromator und Detektor wird durch den Pulser während

der on-Flanke geöffnet und mit der off-Flanke geschlossen. Über ein zwischengeschaltetes

Oszilloskop werden die Signale des Impulsgenerators II und des Pulsers überwacht. Über die

Phasenverschiebung des Pulsers zum Impulsgenerator II kann nun ein Auslesefenster über die

Sprungantwort der Diode verschoben werden. Dabei gibt die Breite der Pulsdauer des Pulsers

die Integrationszeit einer Einzelmessung an. Durch längere Integrationszeiten des Detektors

lässt sich die Messempfindlichkeit der Apparatur erhöhen, da der Detektor in den Messpausen

durch das Gate dunkel geschaltet ist und somit nur mehrere Einzelmessungen zu einer Ge-

samtmessung aufintegriert werden.

Impulsgenerator I

Monochromator Detektor

Oszilloskop

Impulsgenerator II Pulser

Gate

LED

Abbildung 4-1 Messprinzip zur Ermittlung der wellenlängenaufgelösten LED-Sprungantwort

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

Die Oszilloskopaufnahmen (Abbildung 4-2) zeigen in der unteren Bildhälfte den Impuls des

Generators II, also den Ansteuerstrom der LED. In der oberen Bildhälfte ist der Impuls darge-

stellt, der das Gate des Monochromators erreicht. Dieser stellt die Integrationszeit einer Ein-

zelaufnahme dar. Es wird deutlich, dass das Auslesefenster, das über den Impuls geschoben

wird, eine deutlich endliche Größe besitzt. Dies hat zur Folge, dass nicht die Sprungantwort

der LED vermessen wird, sondern die Faltung dieser mit dem Auslesefenster.

Abbildung 4-2 Oszilloskopanzeigen der LED-Vermessung (oben: Auslese-Gate, unten: LED-Ansteuerung)

4.1.2 Ergebnisse und Schlussfolgerungen

In Abbildung 4-3 sind die ermittelten Daten in einem dreidimensionalen Koordinatensystem

dargestellt. Die Fläche des Koordinatensystems wird durch die einzeln vermessenen Wellen-

längenbereiche und die Zeitachse aufgespannt. Auf der logarithmisch skalierten z-Achse ist

die jeweils ermittelte Intensität dargestellt. Es ist das typische Spektrum einer leuchtstoffkon-

vertierten weißen LED mit der blauen Diodenstrahlung und der gelben Fluororeszenzstrah-

lung zu erkennen. Weiterhin kann ein nahezu linearer Abfall der kurzwelligen (um 460nm)

und der mittelwelligen (um 550nm) Intensitäten innerhalb einer Mikrosekunde beobachtet

werden. (Abbildung 4-3 rechts) Die langwellige Strahlung (um 650nm) hat eine wesentlich

längere Abklingkurve. Diese erreicht erst nach ca. drei Mikrosekunden das Nullniveau.

Abbildung 4-3 Wellenlängenaufgelöste Sprungantwort einer weißen LED

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei den Ergebnissen um das Faltungsintegral aus Ausle-

sefenster und tatsächlichem zeitlichen Verhalten der optischen Strahlung.

Um zu analysieren, welche tatsächlichen Schaltzeiten auftreten, seien drei hypothetische line-

are Ausschaltvorgänge diskutiert. Aus Kapitel 2.5 sind eine kurze Schaltzeit von 5ns, die die

Schaltzeiten einer Diode simuliert, und eine Abklingkurve von 80ns, die der theoretischen

Aufenthaltszeit eines Elektrons auf einem angeregten Orbital entspricht, interessant. Eine Fal-

tung dieser zwei angenommen Abklingfunktionen mit einem 1

s breiten Abtastfenster ent-

spricht etwa den gemessenen Ergebnissen von 450nm und 550nm. Um jedoch das Ergebnis

bei 650nm nachzubilden, muss eine wesentlich längere Abklingkurve von mindestens 2000ns

angenommen werden. (Abbildung 4-4)

Abbildung 4-4 Simulierte Sprungantwort (5ns, 80ns, 2000ns) und aus der Faltung zu erwartendes Messer-

gebnis

Die Ergebnisse der Messung bestätigen die von Schubert [Schu06] beschriebenen Zeitkon-

stanten der Dioden von wenigen Nanosekunden. Außerdem spiegeln sich die erwarteten kur-

zen Verweildauern des Singulett-Singulett Überganges für die Fluorophorkonversion in der

Sprungantwort der Wellenlängen zwischen 500 nm und 600 nm wider. Überraschend sind die

bis zu 2000 ns andauernden Sprungantworten der langwelligen Strahlung um 650 nm. Es ist

anzunehmen, dass hier Elektronen des Leuchtstoffes in Triplettzustände übergehen. Unter

Berücksichtigung dieser Erscheinung ergibt sich nach Gleichung ( 2-34 ) eine 3 dB Grenzfre-

quenz von 135 kHz. Zur Datenübertragung mit weißen LEDs sollten demnach diese 135 kHz

nicht überschritten werden.

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

4.2 Thermodynamik gepulster LEDs

4.2.1 Thermisches Ersatzschaltbild

Um den Einfluss des Pulsbetriebes der LED auf die thermischen und lichttechnischen Vor-

gänge zu analysieren, wird im Folgenden, aufbauend auf dem thermischen Ersatzschaltbild

und den temperaturabhängigen Kennlinien der Diode, das Pulsverhalten analysiert.

Wie bereits in Kapitel 2.3.4.1 erörtert, wird nach Mahlkow [Mah06] die thermische Verlust-

leistung der LED im thermodynamischen Gleichgewicht über die Übergangswiderstände von

der Sperrschicht zur Wärmesenke (R

thJH

) und von der Wärmesenke zur Umgebung (R

thHA

) an

die Umgebung (T

) übertragen. Daraus ergibt sich folgendes thermisches Ersatzschaltbild

(ESB).

Abbildung 4-5 Statisches thermisches ESB

Zur Untersuchung des zeitlichen Verhaltens von Temperatur und Strahlungsleistung reicht

dieses statische ESB nicht aus. Hierfür ist das dynamische ESB notwendig.

Abbildung 4-6 Dynamisches thermisches ESB

Mit Einführung der thermischen Kapazitäten können die zeitlichen Vorgänge in der LED un-

tersucht werden. In diesem Fall sind die thermischen Kapazitäten des Chips (C

thChip

) und der

Wärmesenke (C

thH

) zu berücksichtigen. Die thermische Kapazität gibt an, wie viel Wärme der

jeweilige Abschnitt aufnehmen kann, bis das Material vollständig thermisch leitend ist. In der

LED bedeutet dies: Wird in der Sperrschicht die Verlustleistung P

erzeugt, wird zunächst der

Chip aufgeheizt. Ist dieser „thermisch gesättigt“, muss er den kompletten Wärmestrom über

seinen thermischen Widerstand in die Wärmesenke abführen. Sobald diese ebenfalls vollstän-

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

dig aufgeheizt ist, befindet sich die LED im thermischen Gleichgewicht und das ESB ent-

spricht Abbildung 4-5. Das ESB zur Untersuchung der LED ist somit vollständig.

Abbildung 4-7 Dynamisches thermisches ESB (anhand von Hydraulik)

Das gleiche Ersatzschaltbild lässt sich auch hydraulisch verdeutlichen (Abbildung 4-7). Die

Verlustleistung ist dann eine Flüssigkeit, die tropfenweise (gepulst) über ein Ventil in den

LED-Chip geleitet wird. Die Wärmekapazitäten des Chips und der Wärmesenke werden

durch Flüssigkeitsreservoirs und die Widerstände zwischen Chip und Wärmesenke, bzw.

Wärmesenke und Umfeld werden durch Rohrverbindungen repräsentiert. Beim sprunghaften

Einschalten des Ventils passiert folgendes: Ein Teil der Verlustleistung wird zunächst von der

LED „geschluckt“ und führt zum Auffüllen (Aufheizen) des ersten Reservoirs. Die restliche

Leistung entweicht durch den ersten Widerstand und füllte (heizt) die Wärmesenke. Von dort

„läuft“ die Verlustleistung über den zweiten Widerstand (Rohrverbindung) in die Umgebung

ab. Die Höhe der einzelnen Flüssigkeitspegel spiegelt die Temperaturen wieder.

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

4.2.1.1 Bestimmung der Parameter

4.2.1.1.1 Thermische Widerstände

Alle weiteren Untersuchungen werden im Folgenden exemplarisch anhand des Beispieles der

Golden Dragon

von OSRAM Opto Semiconductors durchgeführt. Zur Bestimmung der ther-

mischen Widerstände sind die Datenblattangaben des Herstellers [DB06] für die folgenden

Untersuchungen ausreichend genau. Der angegebene Wert beträgt:

WKR

thJA

( 4-1 )

Da hier lediglich der Gesamtwiderstand von der Sperrschicht zur Umgebung angegeben ist,

muss dieser noch entsprechend dem ESB aus Abbildung 4-5 aufgeteilt werden. Untersuchun-

gen der Einzelwiderstände ergaben Werte von 2-3K/W [Mah06] für den thermischen Wider-

stand von der Sperrschicht zur Wärmesenke. Die Angaben sind ebenfalls ausreichend genau,

da das Verhalten maßgeblich durch den Widerstand Wärmesenke-Umgebung bestimmt wird.

Die Parameter der Widerstände lauten also:

WKR

thJH

( 4-2 )

WKR

thHA

( 4-3 )

4.2.1.1.2 Thermische Kapazitäten

Zur vollständigen Beschreibung des ESB fehlen nun noch die thermischen Kapazitäten des

Chips und der Wärmesenke. Deren Berechnung erfolgt über:

cmC

⋅

⋅⋅

⋅

( 4-4 )

Hier steht c für die spezifische Wärmekapazität und m für die Masse. Da sich die Masse als

Multiplikation der spezifischen Masse

mit dem Volumen V berechnet, ergibt sich die ther-

mische Kapazität:

cVC

⋅

⋅⋅

⋅

⋅⋅

⋅

ρρ

( 4-5 )

Die Größen

und c sind spezifische Stoffeigenschaften. Das Volumen des Chips folgt aus

dessen Geometrie. Abbildung 4-8 zeigt eine Mikroskopaufnahme des verwendeten LED-

Chips.

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

Abbildung 4-8 Oberseite des Chips mit Anschlusspunkt des Bonddrahtes (links) und im Profil (rechts)

Die Abmessungen des Chips entsprechen Abbildung 4-9.

Abbildung 4-9 Maße des Chips in mm

Damit beträgt das Volumen:

1016447,0

Chip

−

−−

−

⋅

⋅⋅

⋅=

( 4-6 )

Aus der Annahme, dass der Chip großteils aus Gallium (Ga) besteht, resultieren die Stoffda-

ten

= 5,907 g/cm

und c

= 0,37 J/gK. Die thermische Kapazität des Chips ist somit:

cVC

GaChipGathChip

0003595,0=

=⋅

⋅⋅

⋅=

ρρ

( 4-7 )

Ebenso lässt sich mit der Wärmesenke verfahren. Unter dem Mikroskop entstanden die Auf-

nahmen in Abbildung 4-10.

Abbildung 4-10 Wärmesenke von oben (links) und im Profil (rechts)

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

Im linken Bild ist die Reflektorwanne, in die der Chip eingeklebt ist, gut zu erkennen. Der

große Querschnitt am unteren Ende dient der besseren thermischen Kopplung an das umge-

bende Medium. Für die Wärmesenke ergeben sich folgende Abmessungen:

Abbildung 4-11 Bemaßung der Wärmesenke in mm

Das Volumen beträgt

104367,12

−

−−

−

⋅

⋅⋅

⋅=

Das hier angenommene Kupfer (Cu) besitzt die Stoffdaten

= 8,92 g/cm

und c

= 0,385

J/gK. Daraus resultiert die thermische Kapazität

cVC

CuHCuthH

04276,0=

=⋅

⋅⋅

⋅=

ρρ

( 4-8 )

Somit sind alle Parameter bestimmt und das vollständige dynamische thermische ESB kann

wie folgt beschrieben werden:

Abbildung 4-12 Dynamisches thermisches ESB mit Parametern

Mit diesem Modell ist es möglich Simulationen des Temperaturverhaltens von LEDs durch-

zuführen.

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

4.2.1.2 Modelle für MATLAB/Simulink

Das in Abschnitt 4.2.1.1 beschriebene Modell wird mit seiner mathematischen Systembe-

schreibung in MATLAB/Simulink implementiert. Zur Vereinfachung dient folgende Be-

zeichnung des thermischen ESB:

Abbildung 4-13 Thermisches ESB mit vereinfachter Bezeichnung

Mit der Wahl der Zustandsgrößen x

∆

und x

∆

ergibt sich die Zustandsgleichung:

RRCRC

RCRC

⋅

⋅⋅

⋅

















































































∆

∆∆

∆

∆∆

∆

⋅

⋅⋅

⋅







































































































+

+−

−−

−

−−

−





































∆

∆∆

∆

∆∆

∆

1111

21212

1111

( 4-9 )

∆

zugleich die Temperaturdifferenz zwischen Sperrschicht und Umgebung darstellt, ist

durch Wahl der Ausgangsgröße y = x

das Temperaturverhalten der LED leicht einzusehen.

Mit dem Simulink-Modell aus Abbildung 4-14 ist es möglich, die Temperatur der LED bei

verschiedenen Ansteuerungen zu simulieren.

Abbildung 4-14 Simulink-Modell des dynamischen thermischen ESB

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Übertragungsfunktion der Systembeschreibung in

Simulink zu nutzen. Nach Berechnung über:

bscsG

)()( Φ

ΦΦ

Φ=

( 4-10 )

mit

)()(

−

−−

−

−−

−=

=Φ

ΦΦ

AIss

( 4-11 )

ergibt sich die Übertragungsfunktion

2121222111

21211

1111

)(

CCRR

CRCRCR

RRCC











































+











































+

( 4-12 )

In Simulink folgt daraus das Modell:

Abbildung 4-15 Simulink-Modell mit Übertragungsfunktion

Beide Modelle liefern äquivalente Ergebnisse.

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

4.2.2 Thermische Simulation

Mit Hilfe des dynamischen thermischen Ersatzschaltbildes kann für beliebige Frequenzen und

Pulsmodulationen das Temperaturverhalten der LED analysiert werden. Besonderes Interesse

gilt hierbei der Sperrschicht der Diode, da die Temperatur der Rekombinationszone aus-

schlaggebend für die thermischen Quantenverluste ist. In Abbildung 4-16 ist das Verhalten

der LED-Strahlungsleistung bei unterschiedlichen Temperaturverläufen dargestellt. Der annä-

hernd lineare Zusammenhang des Datenblattes konnte mit eigenen Messungen bestätigt wer-

den. Hierzu wurden vier LEDs in einem Badkryostat bei verschiedenen Temperaturen in

thermodynamische Gleichgewichtszustände versetzt [Sof97]. Durch Anlegen eines geringen

LED-Betriebsstroms (1mA) konnte gewährleistet werden, dass die Selbstaufheizung der Dio-

de gering gehalten wurde. Anschließend wurde die Lichtleistung vermessen und in das Ver-

hältnis zur Leistung bei 25 °C gesetzt.

Abbildung 4-16 Gemessenes und nach Datenblatt angegebenes temperaturabhängiges Verhalten der LED-

Strahlungsleistung

4.2.2.1 Sprungantwort

Die Sprungantwort der Temperatur auf einen Anstieg der Verlustleistung zeigt Abbildung

4-17 (links). Auf der Ordinate ist der Betrag der thermischen Impedanz

Z (der transiente

Scheinwiderstand) zwischen Sperrschicht und Umgebung abgetragen. Die Abszisse ist die

logarithmische Zeitachse. Auf den Sprung der zugeführten Leistung folgt zunächst ein schnel-

ler Anstieg der Temperatur. In diesem Zeitbereich erfolgt die Temperaturausbreitung in den

Chip selbst und in seine Umgebung. Da der Chip über eine geringe Wärmekapazität verfügt,

ist der Vorgang schnell abgeschlossen. Auf dem ersten Plateau ist das erste RC-Glied geladen.

An dieser Stelle entspricht der transiente Widerstand annähernd dem Widerstand zwischen

Sperrschicht und Wärmesenke

JHth

R, da die thermische Kapazität

Chipth

C vollständig geladen

ist. Im weiteren zeitlichen Verlauf wird die Wärmesenke aufgeheizt bis auch die Kapazität

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

Hth

C geladen ist. Anschließend wird die Wärme über den Gesamtwiderstand

HAthJHth

abgeführt [Sof95].

Aus der Definition der Zeitkonstante für RC-Glieder

und aus der Tatsache, dass nach

⋅

95% des Anstieges erreicht sind, ist es möglich, die beobachteten Plateaus mit fol-

gender Formel zu berechnen.

⋅

⋅⋅

⋅

ττ

( 4-13 )

Für die hier verwendete LED ergeben sich folgende Zeitkonstanten:

08,1

ττ

5,0

ττ

Durch den linearen Zusammenhang zwischen Temperatur und relativer Strahlungsleistung ist

eine umgekehrt proportionale Abnahme dieser zu beobachten. (Abbildung 4-17 rechts) Hier-

bei ist zu beachten, dass das Zwischenplateau aufgrund der linearen Zeitachse nicht zu erken-

nen ist.

Abbildung 4-17 Sprungantwort der Temperatur (links) und der relativen Strahlungsleistung (rechts)

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

4.2.2.2 Pulsbetrieb

Wird der Diode über periodisches Pulsen thermische Verlustleistung zugeführt, so wechseln

sich Sprungantwort und Abklingen permanent ab. Da die Sprungantwort und das Abklingen

annähernd als e-Funktionen betrachtet werden können, nähern sie sich asymptotisch im un-

endlichen ihrem Endzustand, wobei der Anstieg der Funktion kontinuierlich gegen Null

strebt. Somit steigt/fällt die Temperatur anfangs stärker. Befindet sich die Temperatur wäh-

rend der Pulspause nahe am angestrebten Endwert, so fällt diese nur langsam ab und startet

daher bei dem nächsten Puls von einem höheren Anfangsniveau (Abbildung 4-18 links). Da-

durch schaukelt sich die Temperatur der Diode so lange auf, bis die Temperaturdifferenz zwi-

schen Ausschaltzeitpunkt und angestrebtem Nullniveau gleich der Differenz zwischen An-

schaltzeitpunkt und angestrebtem Endniveau ist.

In Abbildung 4-18 (rechts) wird die modellierte Diode beispielhaft durch ein Rechtecksignal

mit einem Tastverhältnis

von 50 % und einer Amplitude von 2 W betrieben. Die Sperr-

schicht würde bei 2 W Konstantleistung 30 K wärmer werden als die Umgebung. Bei 0 W

hätte die Sperrschicht die gleiche Temperatur wie das gesamte System. Demnach ist, bei einer

mittleren Leistung von einem Watt, das Endniveau 30 K und das Nullniveau 0 K über Umge-

bungstemperatur. Wie in der Simulation zu erkennen ist, schaukelt sich die Temperatur so

lange auf, bis sie zwischen den Werten 17,5 K und 12,5 K schwankt. Die Temperaturdifferenz

ist zu diesem Zeitpunkt +17,5 K bzw. -17,5 K. So können sich Ansteigen und Abfallen aus-

gleichen.

Abbildung 4-18 Temperaturantwort einer LED bei 50% Tastverhältnis. Einzelpuls (links)/ Rechteckfre-

quenzantwort (rechts)

Diese Betrachtungen haben ihre Gültigkeit auch für andere Frequenzen und Tastverhältnisse.

Sie zeigen außerdem, dass die sich einstellende mittlere Temperatur der Diode im Pulsbetrieb

gleich der Temperatur ist, die sich beim Anlegen der mittleren Leistung einstellen würde. In

Abbildung 4-19 (links) sind die gemittelten Temperaturen für verschiedene Tastverhältnisse

abgetragen. Diese gleiche mittlere Temperatur hat allerdings nicht zur Folge, dass der emit-

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

tierte Lichtstrom verschiedener Tastverhältnisse gleicher mittlerer Leistung gleich groß ist. In

Abbildung 4-19 (rechts) ist deutlich zu erkennen, dass mit abnehmendem Tastverhältnis und

zunehmender Amplitude der Wirkungsgrad der Diode sinkt. Da die Analysen bei einer theore-

tischen Umgebungstemperatur von 0 °C durchgeführt wurde, liegen die relativen Strahlungs-

leistungen bei Werten über 100 %.

Abbildung 4-19 Mittlere Temperatur und relative Strahlungsleistung für verschiedene Tastverhältnisse

Eine Analyse der Einzelpulse zeigt die Ursache für den Rückgang der Strahlungsleistung.

(Abbildung 4-20 links) Da die Diode nur während des Pulses leuchtet, ist nicht die mittlere

Temperatur des gesamten Zyklus von Bedeutung, sondern nur die mittlere Temperatur der

Diode während des Pulses (Abbildung 4-20 rechts). Bei großen Tastverhältnissen und kurzen

Pulspausen entspricht die Pulstemperatur etwa der mittleren Temperatur. Bei kleinen Tastver-

hältnissen ist die Temperatur während des Pulses weit über dem Mittelwert. In der Abbildung

4-20 (rechts) sind diese mittleren Pulstemperaturen über dem Tastverhältnis abgetragen. Hier

lässt sich erneut der indirekt proportionale Zusammenhang zwischen Temperatur (Abbildung

4-20 rechts) und Strahlungsleistung (Abbildung 4-19 rechts) erkennen.

Abbildung 4-20 Pulsantwort der Temperatur (links) und mittlere Arbeitstemperatur (rechts) bei verschie-

denen Tastverhältnissen gleicher Leistung

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

Da die Temperatur bei geringeren Frequenzen mit größeren Amplituden schwankt, ist die

Pulsweitenabhängigkeit der Strahlungsleistung umso größer, je kleiner die Frequenz ist.

(Abbildung 4-21)

Abbildung 4-21 Arbeitstemperatur und Strahlungsleistung für verschiedene Tastverhältnisse und 166Hz

bzw. 80Hz

Ein weiterer wichtiger Aspekt beim Pulsen von LEDs ist die maximale Sperrschichttempera-

tur. Sollte diese überschritten werden, wird die LED stark degradiert oder zerstört. Je länger

der Puls dauert, desto höher wird die Temperatur der LED steigen. Es stellt sich die Frage,

welche Pulsdauern welche Maximaltemperatur zufolge haben.

Zur Klärung dieser Frage wurden Simulationen mit Frequenzen von 0,1 Hz bis zu 900 Hz

durchgeführt. Das Tastverhältnis

blieb konstant bei 50 %. Der jeweils maximale thermi-

sche Scheinwiderstand

maxth

(maximale Temperaturdifferenz zwischen Sperrschicht und

Umwelt pro zugeführter Leistung) wurde ermittelt und in folgenden Kennlinien abgetragen:

Abbildung 4-22 Frequenz- bzw. pulsdauerabhängige Maximaltemperatur

Zum allgemeinen Verständnis der Kennlinie: Für

∞

→

nähert sich die maximale Tempera-

tur im Pulsbetrieb der Temperatur im Konstantbetrieb an, so dass die (im Pulsbetrieb größere)

Verlustleistung bei hohen Frequenzen nur noch sehr geringe Zeitdauern anliegt und die Tem-

peratur demnach nur geringfügig schwankt. Bei niedrigen Frequenzen liegt die (höhere) Ver-

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

lustleistung so lange an, dass die LED vollständig aufgeheizt wird. Für

→

wird die LED

also thermisch gesättigt und es liegt der Maximalwert des thermischen Scheinwiderstandes

vor. Mit kleiner werdenden Frequenzen steigt die Maximaltemperatur nicht kontinuierlich an,

sondern erreicht ein Plateau im Bereich zwischen 40 Hz und 90 Hz. Dies bedeutet, dass es

kaum Auswirkungen auf die maximale Sperrschichttemperatur hat, ob die LED mit 40 Hz

oder 90 Hz gepulst wird. Die Ursache zeigt sich in den unterschiedlichen Temperaturkennli-

nien bei verschiedenen Frequenzen.

Abbildung 4-23 Temperaturkennlinien bei verschiedenen Frequenzen

Bei Frequenzen zwischen 40 Hz und 90 Hz wird die LED grundsätzlich auf dem Plateau der

Sprungantwortkennlinie ausgeschaltet. Wird die LED also mit diesen Frequenzen angesteuert,

ändert sich die maximale Sperrschichttemperatur nur geringfügig. Bei höheren oder niedrige-

ren Frequenzen wird jeweils in einem steileren Teil der Sprungantwortkennlinie geschaltet

und die Temperatur reagiert dem entsprechend empfindlicher auf eine Frequenzvariation. Es

ist demnach zu empfehlen, gepulste LEDs mit Frequenzen zu betreiben, deren Periodendauern

oberhalb der durch den Chip gegebenen ersten Zeitkonstante liegen.

ChipthJHth

⋅

⋅⋅

⋅

≥

≥≥

≥

( 4-14 )

Für kleinere Tastverhältnisse

verschiebt sich das Plateau des konstanten Scheinwiderstan-

des in Richtung kleinerer Frequenzen, da damit eine Verkürzung der Pulse verbunden ist.

(Abbildung 4-24 links) Trägt man die maximalen Temperaturen über der Pulsdauer ab, ist

erkennbar, dass sich für alle Tastverhältnisse

ein Plateau zwischen 5 ms und 25 ms auf-

spannt. (Abbildung 4-24 rechts) Richtigerweise sollte daher eine maximale Pulsdauer anstatt

einer minimalen Pulsfrequenz eingehalten werden.

ChipthJHth

⋅

⋅⋅

⋅

⋅⋅

⋅

≤

≤≤

≤

( 4-15 )

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

Abbildung 4-24 Frequenz- bzw. Pulsdauerabhängigkeit der maximalen Temperatur für dc=10; 30; 50; 70%

Zusammenfassend lässt sich sagen:

- Die mittlere Temperatur einer gepulsten LED entspricht der Temperatur einer unge-

pulsten LED bei gleicher umgesetzter Leistung. Diese Temperatur stellt sich nach ei-

nem endlichen Einschwingvorgang des thermischen Systems ein.

- Während des Pulses ist die mittlere Temperatur abhängig vom angelegten Tastverhält-

nis. Mit kleiner werdenden Tastverhältnissen steigen während eines Pulses die mittle-

ren Temperaturen der LED. Die Lichtleistung nimmt ab. Dieser Effekt ist umso stär-

ker, je geringer die Pulsfrequenz ist.

- Die maximale Temperatur, die eine gepulste Diode erreicht, hängt von der Pulsdauer

ab. Die maximale Pulsdauer lässt sich aus den Materialparametern der Diode berech-

nen.

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

4.3 Physiologische Effekte und Risiken

In den nachfolgenden Kapiteln wird, ausgehend von physiologischen Effekten beim Einsatz

von gepulsten Lichtquellen zum Be- oder Selbstleuchten, geklärt, ob sich daraus mögliche

Risiken beim Einsatz dieser gepulsten Lichtquellen als Rückleuchten oder Scheinwerfer erge-

ben. Da gepulste LEDs heutzutage hauptsächlich in gedimmten Rückleuchten eingesetzt wer-

den, wird zunächst der Effekt des Dimmens über Pulsweitenmodulation erklärt. Anschließend

folgt eine theoretische Erklärung des Perlschnureffektes, die anhand von experimentellen Un-

tersuchungen validiert wird. Ausgehend von den so erhaltenen Erkenntnissen, werden am

Ende dieses Abschnittes Konstruktionshinweise für Leuchten und Scheinwerfer mit gepulsten

Lichtquellen gegeben.

4.3.1 Physiologie des Dimmens über Pulsweitenmodulation

Das menschliche Auge nimmt periodische, rasch verlaufende Leuchtdichteschwankungen nur

unterhalb der Flimmerverschmelzungsfrequenz wahr. Oberhalb dieser Frequenz geht das Fla-

ckern in eine scheinbar konstante mittlere Leuchtdichte über. Aus der Fernsehtechnik sind

beispielsweise Frequenzen von 50 Hz bekannt. Hier werden 50 Halbbilder pro Sekunde im

Zeilensprungverfahren dargeboten, resultierend in 25 Bildern pro Sekunde bei einer Flimmer-

frequenz von 50 Hz. Kinofilme werden mit Bildraten von 24 Hz aufgenommen, allerdings

wird jedes Bild zwei oder drei mal mit Hilfe eines Shutters projiziert, woraus sich eine Bild-

wiederholfrequenz von 48 bzw. 72 Hz ergibt. Computerbildschirme werden heute mit Bild-

wiederholungsraten von 85 Hz und höher betrieben. Leuchtstofflampen mit konventionellen

Vorschaltgeräten flackern im 50 Hz Wechselstombetrieb mit, für den Menschen im Normal-

fall nicht wahrnehmbaren Lichtwechseln, von 100 Hz. Die Flimmerverschmelzungsfrequenz

, also die Frequenz, bei der das Flimmern zu einer zeitkonstanten Leuchtdichte verschmilzt,

ist in erster Linie von der mittleren Leuchtdichte L

abhängig. Diese stellt sich nach dem Tal-

botschen Gesetz als der arithmetische zeitliche Mittelwert der periodischen Leuchtdichte-

schwankungen oberhalb der Flimmerverschmelzungsfrequenz ein [Hen02]. Das Talbot’sche

Gesetz beschreibt die mittlere Leuchtdichte als das Integral des zeitlichen Leuchtdichtever-

laufs über die Zeit T der Periodendauer bezogen auf die Periodendauer.

(

((

( )

))

)

∫

∫∫

∫

dttL

( 4-16 )

Ein zweiter wesentlicher Parameter ist das Verhältnis der Amplitude, der nach Fourier aus

dem zeitlich periodischen Leuchtdichteverlauf bestimmten Grundwelle, zum arithmetischen

Mittelwert der Leuchtdichte. Der halbe Wert dieses Verhältnisses wird als Grundwellenquo-

tient GW bezeichnet. Dieser ist beispielsweise für eine Rechteckform der Lichtimpulse bei

gleichen Hell- und Dunkelzeiten 0,637, bei Sinusform 0,500 und für eine 40 W Leuchtstoff-

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

lampe etwa 0,15. Abbildung 4-25 gibt den Verlauf der Flimmerverschmelzungsfrequenz in

Abhängigkeit von der mittleren Leuchtdichte wieder. Der Parameter ist hierbei der Grundwel-

lenquotient. Aus der Abbildung geht hervor, dass beispielsweise für die Leuchtstofflampe f

kleiner als etwa 70 Hz bleibt, und somit bei 100 Hz Lichtwechsel kein Flimmern sichtbar ist.

Im Kinobetrieb mit Lichtwechseln von 48 Hz ist mit einem GW von 0,5 ab etwa 30 cd/m²

abwärts mit Flimmern zu rechnen, bei 72 Hz Lichtwechsel erst ab einigen hundert cd/m².

Verglichen zur 48 Hz Bildwiederholungsrate im Kino, tritt beim Fernsehen mit 50 Hz ein

Flimmern wegen des Nachleuchtens des Schirms bei kleinem Grundwellenanteil auch erst bei

höheren Leuchtdichten auf [Hen02]. Ein weiterer Parameter ist die Feldgröße der flimmern-

den Fläche. Große flimmernde Felder resultieren in einer höheren f

als kleine Felder. Zusätz-

lich ist auch der Ort des flimmernden Feldes bestimmend für die Flimmerverschmelzungsfre-

quenz. Sie ist im seitlichen Gesichtsfeld, der Peripherie, höher als im Fixationszentrum, der

Fovea [Schi01]. Es wird deutlich, dass die Flimmerverschmelzungsfrequenz je nach Bedin-

gung und Anwendungsgebiet variiert. Jedoch sind Frequenzen um 100 Hz für die meisten

Fälle als flimmerfrei zu betrachten.

Abbildung 4-25 Abhängigkeit der Flimmerverschmelzungsfrequenz von Umfeldleuchtdichte und Grund-

wellenquotient [Hen02]

Im Zusammenhang mit Lichtquellen, die in ihrer Helligkeit über die Zeit in periodischer Wei-

se fluktuieren, kommt die Frage des Einflusses auf Menschen auf, die sensibel auf Beleuch-

tungssituationen reagieren. Eine solche Gruppe bilden Menschen, die unter Fotoepilepsie lei-

den. Licht-Fluktuationen bei einer bestimmten Frequenz mit einem hohen Modulationsgrad

über eine große Fläche können bei diesen Personen Anfälle auslösen [Boy03]. Es sprechen

jedoch mehrere Faktoren dafür, dass pulsweitenmodulierte LED-Rückleuchten keine Gefahr

für diese Menschen darstellen. Der Modulationsgrad der Fluktuation beträgt zwar aufgrund

des schnellen Ansprechverhaltens der LED etwa 100 %. Die Fläche über die sich die Hellig-

keit ändert ist aber in Verkehrssituationen im Verhältnis zum Gesichtsfeld gering. Die Fre-

quenzen mit denen gepulst wird, liegen außerdem weit über den kritischen Frequenzen. Die

kritischen Frequenzen liegen nach Angaben des Epilepsiezentrums Bethel in Bielefeld zwi-

schen 10 und 20 Hz [Eb05], Boyce [Boy03] gibt sie mit 15 Hz an. Anfälle, die durch Fre-

quenzen über 40 Hz ausgelöst werden, sind eine absolute Rarität [Eb05]. Nach Meinung der

Fachärzte stellen pulsweitenmodulierte Rückleuchten keinerlei Gefahr für Menschen mit Fo-

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

tosensitivität dar. Viel mehr Gefahrenpotential bergen beispielsweise Fahrten durch Alleen

bei Sonnenschein, wenn Licht und Schatten im Gesichtsfeld sehr schnell wechseln.

4.3.2 Der Perlschnureffekt

Wie in 3.2.3 eingeführt, tritt bei der Betrachtung einer pulsweitenmodulierten LED-

Lichtquelle, trotz einer Pulsfrequenz oberhalb der Flimmerverschmelzung, in bestimmten

dynamischen Fällen ein physiologischer Effekt mit einem frequenzabhängigen Charakter auf.

Das Phänomen, sowie die Bedingungen und Ursachen für sein Auftreten bzw. Verschwinden,

sollen im Folgenden theoretisch betrachtet werden.

4.3.2.1 Das Phänomen des Perlschnureffekts

Der Perlschnureffekt kann theoretisch grundsätzlich dann auftreten, wenn sich eine zeitlich

periodisch diskontinuierliche Lichtquelle mit hohem Modulationsgrad der Leuchtdichte-

Fluktuation mit einer Winkelgeschwindigkeit

ωω

in relativer Bewegung zur optischen Achse

des Betrachters befindet. Diese relative Bewegung kann durch Augenbewegung, Bewegung

der Lichtquelle oder eine Überlagerung beider entstehen. Diese Theorie beruht auf den fol-

genden Betrachtungen: Nimmt man eine geradlinige Bewegung mit einer konstanten Winkel-

geschwindigkeit im Zeitintervall [t

, t

] an, so bewegt sich nach Formel ( 4-17 ) das Bild der

Lichtquelle auf der Retina des Betrachterauges in dieser Zeit von Position a

nach Position a

)(

atta

⋅

⋅⋅

⋅

ωω

( 4-17 )

Wäre die Leuchtdichte der Lichtquelle während des Zeitintervalls konstant (Fall 1), beschrie-

be ihr Bild während der Bewegung auf der Retina des Betrachters eine Linie, da die Leucht-

dichte von Position a

bis Position a

konstant bliebe.

[

[[

[ ]

]]

] [

[[

[ ]

]]

]

01010

,0,

constLLconstLL

aaatt

→

→→

→

( 4-18 )

Ist die Leuchtdichte der Lichtquelle aber mit einem hohen Modulationsgrad zeitlich variabel

(Fall 2), so variiert bei der Bewegung die Leuchtdichte zusätzlich stark über dem Ort, also in

Abhängigkeit der Position. ( 4-19 ) So beschreibt die Lichtquelle während der Bewegung auf

der Retina eine unterbrochene Linie.

[

[[

[ ]

]]

] [

[[

[ ]

]]

]

)()(

1010

aLLtLL

aatt

→

→→

→

( 4-19 )

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

Abbildung 4-26 illustriert die beiden beschriebenen Fälle.

Abbildung 4-26 Entstehung der Perlschnur auf der Netzhaut

Die Superposition der zeitlich periodischen Leuchtdichteänderung entsprechend dem Ansteu-

ersignal und der Bewegung mit der Winkelgeschwindigkeit

resultiert in der wiederholten,

zeitlich und örtlich getrennten Abbildung der Lichtquelle auf der Retina. Das beobachtete

Erscheinungsbild des Perlschnureffekts deutet jedoch darauf hin, dass die Lichtquelle zwar

zeitlich getrennt abgebildet wird, mehrere dieser Abbilder aber zusammenhängend als eine

Art Leuchtspur wahrgenommen werden.

Es ist bekannt, dass die Bewegung einer Wunderkerze oder eines ähnlich hellen Objekts über

das Gesichtsfeld bei einem dunklen Umfeld sichtbare Leuchtspuren erzeugt. Der physiologi-

sche oder psychologische Mechanismus, der dieser Tatsache zu Grunde liegt, trägt mit großer

Wahrscheinlichkeit zum Erscheinungsbild des Perlschnureffekts bei. In der Psychologie wird

er als sensorisches Gedächtnis bezeichnet. Das sensorische Gedächtnis existiert nach einem

Modell von Atkinson und Shiffrin [Atk68] neben dem Kurzzeit- und Langzeitgedächtnis. Es

speichert kurzfristig und unbewusst mit großer Kapazität sensorische Reize und gibt sie, in

Abhängigkeit der auf dem Reiz liegenden Aufmerksamkeit, gefiltert und selektiert an das

Kurzzeitgedächtnis mit einer geringeren Kapazität weiter. Für jeden Sinnesreiz, sei er taktiler,

akustischer, visueller oder anderer Art, gibt es im sensorischen Gedächtnis einen Speicher.

Der Speicher für visuelle Reize wird ikonisches Gedächtnis genannt. Die Dauer einer sensori-

schen Erinnerung wird für visuelle und akustische Informationen unter einer Sekunde ange-

geben, und wird als Persistenz bezeichnet [Win81] [And95] [Bad99]. In einem Experiment

ermittelte 1740 der Wissenschaftler Segner die Dauer der visuellen Persistenz. Er befestigte

ein glühendes Stück Kohle an einem rotierenden Rad. Wenn sich das Rad sehr schnell drehte,

konnte er einen vollen Kreis wahrnehmen, da die am Anfang der Drehung entstandene Spur

immer noch leuchtete, wenn das Kohlestück wieder am Startpunkt anlangte. Bei einer lang-

sameren Drehung war nur das Teilstück eines Kreises zu sehen, weil die Spur des ersten Ab-

schnitts verblasst war, bis die Kohle wieder den Ausgangspunkt erreicht hatte. Segner wählte

nun eine Geschwindigkeit, mit der gerade noch ein vollständiger Kreis zustande kam und maß

die Zeit für eine Umdrehung. Er schätzte sie auf ungefähr 100 ms [Bad99]. Diese Zeit ent-

spricht auch der Integrationszeit der bei Dunkelheit aktiven Stäbchen-Fotorezeptoren [Val05].

Diese könnte ebenfalls eine Erklärung für das Entstehen der Leuchtspur liefern. Wird eine

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

ausreichend helle Lichtquelle bei dunklem Umfeld über das Gesichtsfeld bewegt, dann integ-

rieren und somit mitteln die Stäbchen Hell- und Dunkelsignal der Lichtquelle und des Umfel-

des über die Zeit von 100 ms ab dem Zeitpunkt, an dem die Lichtquelle sie überstreift. So

entsteht eine „wandernde“ Leuchtspur mit einer konstanten Ausdehnung, die dem Weg ent-

spricht, über den sich die Lichtquelle in 100 ms bewegt hat, da jeder Punkt des Pfades der

Lichtquelle nur 100 ms ab dem Zeitpunkt, an dem die Lichtquelle ihn überstreift, zu „sehen“

ist. Würde man seine Aufmerksamkeit auf einen selbst gewählten Anfangspunkt der Leucht-

spur richten, wäre selbiger nach dieser Zeit verschwunden. Möglicherweise basieren die Er-

gebnisse des Experiments von Segner und das darüber beschriebene Phänomen der visuellen

Persistenz auf diesem Verhalten der Stäbchen, zumindest ist das Verhalten der Stäbchen ein

Faktor, der zu diesem Phänomen beiträgt. Warum derartige Leuchtspuren bei Tageslicht we-

sentlich schwieriger zu beobachten sind, könnte aus der Integrationszeit der bei diesen Licht-

verhältnissen aktiven Zapfen-Fotorezeptoren erklärt werden. Diese wird mit Zeiten von 10-

20 ms angegeben [Val05]. Bewegt sich dieselbe Lichtquelle, wie sie eben beschrieben wurde,

mit der gleichen Geschwindigkeit bei Tageslicht über das Gesichtsfeld, so verkürzt sich ihre

Leuchtspur aufgrund der Integrationszeit von nur etwa 20 ms um das Fünffache. Jeder Punkt

des Pfades der Lichtquelle ist ab dem Zeitpunkt, an dem die Lichtquelle ihn überstreift, nur

20 ms zu „sehen“. Würde man seine Aufmerksamkeit auf einen selbst gewählten Anfangs-

punkt der Leuchtspur richten, wäre dieser schon nach dieser Zeit verschwunden. Zudem ist

der Kontrast zwischen Lichtquelle und Umfeld geringer als bei nächtlichen Verhältnissen.

Bewegt sich zum Beispiel eine mit 100 Hz pulsweitenmodulierte LED-Lichtquelle bei dunk-

lem Umfeld relativ zur optischen Achse, werden die Bilder der Lichtquelle wie beschrieben

als Stimuli auf der Retina abgebildet. Das Phänomen der visuellen Persistenz bzw. das be-

schriebene Verhalten der Stäbchen ermöglicht es, eine Leuchtspur mit insgesamt etwa zehn

Elementen als eine Art Ortsfrequenz wahrzunehmen. Diese diskontinuierliche Linie stellt für

den Betrachter eine ungewohnte Situation dar, worauf er mit höherer Aufmerksamkeit rea-

giert. Der kritische Punkt, an dem dieser Effekt verschwindet, ist erreicht, wenn die Abstände

zwischen den Bildern der Lichtquelle auf der Retina so klein sind, dass sie nicht mehr aufge-

löst werden können. Die Bilder der Lichtquelle verschwimmen zu einer Linie. In diesem Fall

gleicht das Erscheinungsbild wieder dem einer kontinuierlichen Lichtquelle. Offensichtlich

handelt es sich bei diesem Effekt also um ein Problem des örtlichen Auflösungsvermögens.

Bevor im nächsten Abschnitt auf die kritischen Grundgrößen beim Auftreten des Perlschnur-

effekts eingegangen wird, soll kurz geklärt werden, warum pulsweitenmodulierte Glühlampen

den Perlschnureffekt nicht hervorrufen. Da hier das Wirkprinzip der Pulsweitenmodulation

zum Dimmen auf physikalischer Ebene, nicht auf physiologischer Ebene funktioniert, und die

Glühlampe in diesem Fall eine kontinuierliche Lichtquelle darstellt, kommt es nicht zur Su-

perposition einer zeitlich periodischen Leuchtdichteänderung und einer Bewegung. Somit tritt

keine wiederholte zeitlich und örtlich getrennte Abbildung der Lichtquelle auf der Retina ein.

Diese stellt die Vorraussetzung für das Eintreten des Perlschnureffekts dar.

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

4.3.2.2Kritische Grundgrößen beim Auftreten des Perlschnureffekts

Ausgehend vom beschriebenen Entstehungsprozess des Effekts, nämlich der Überlagerung

einer zeitlich periodischen Leuchtdichteänderung entsprechend dem Ansteuersignal und einer

Bewegung der Lichtquelle, sollen nun Zusammenspiel, Verhältnis und Einfluss der beteiligten

Grundgrößen theoretisch betrachtet werden. Die entscheidenden Größen aus dem Ansteuer-

signal sind die Frequenz f

und das Tastverhältnis dc (duty cycle). Die Bewegung wird durch

die Winkelgeschwindigkeit

gekennzeichnet. Das entscheidende Merkmal der Lichtquelle ist

die gesehene Ausdehnung b in Bewegungsrichtung. Eine theoretische Untersuchung ist hier

möglich, indem man den Einfluss der Veränderung einer dieser Größen betrachtet, wobei die

anderen Größen als konstant angenommen werden. Zu diesem Zweck zeigt Abbildung 4-27

als Ausgangsfall die qualitative Abbildung einer Ortsfrequenz auf der Retina, wie sie theore-

tisch entsteht, wenn für die vier Größen die folgenden Werte angenommen werden:

kleinsigbarvernachläsdc

Hzf

'50

160

100

°°

°=

ωω

Diese Ortsfrequenz entsteht, weil sich die ausgeschaltete Lichtquelle während der Impulspau-

se des Ansteuersignals so weit bewegt, dass die im kurzen Einschaltmoment entstehenden

Bilder der Lichtquelle in entsprechenden Abständen auf der Retina abgebildet werden. Die

Impulspause t

entspricht hier annähernd der Periodendauer T

. Die Ausdehnung der weißen

Balken stellt im Ausgangsfall nur das Abbild der Lichtquelle dar.

Abbildung 4-27 Einflussgrößen auf den Perlschnureffekt

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

Abbildung 4-27 zeigt im Weiteren, wie sich die Ortsfrequenz verändert, wenn die einzelnen

Größen variiert werden. Wird die Frequenz f

des Ansteuersignals bei Konstanthaltung der

anderen Werte erhöht, so verkürzt sich dessen Periodendauer und somit dessen Impulspause.

Die Lichtquelle bewegt sich weniger weit, bis sie wieder aufleuchtet. Die Abbilder der Licht-

quelle (weiße Balken) rücken näher zusammen. Im Falle der Erhöhung der Winkelgeschwin-

digkeit

der Relativbewegung der Lichtquelle zur optischen Achse bewegt sich die Licht-

quelle während der Impulspause weiter als im Ausgangsfall. Die Abbilder der Lichtquelle

rücken auseinander. Wird die Breite b der Lichtquelle in Bewegungsrichtung erhöht, vergrö-

ßern sich entsprechend die Abbilder der Lichtquelle auf der Retina. Für das Tastverhältnis des

Ansteuersignals wird im Ausgangsfall ein vernachlässigbar kleiner Wert angenommen. Die

Lichtquelle wird nur für eine sehr kurze Zeit eingeschaltet, während der sie sich kaum be-

wegt. Somit repräsentiert die Breite der Abbildungen auf der Retina etwa die wahrgenomme-

ne Breite der Lichtquelle in Bewegungsrichtung. Wird das Tastverhältnis erhöht, so ändert

sich dies. Die Lichtquelle wird für eine längere Impulsdauer t

eingeschaltet, während der sie

sich weiterbewegt und eine Leuchtspur auf der Retina hinterlässt. Die Impulspause ist bei

gleich bleibender Periodendauer entsprechend kürzer. Somit entsprechen die Abbildungen auf

der Retina in ihrer Breite nicht mehr allein der Breite der Lichtquelle in Bewegungsrichtung,

sondern der Summe aus dieser und dem Weg, den die Lichtquelle während der Impulsdauer

zurückgelegt hat. Auch diese Veränderung ist in Abbildung 4-27 illustriert. Wie schon festge-

stellt wurde, ist der kritische Punkt zum Verschwinden des Perlschnureffekts erreicht, wenn

der Abstand zwischen den Bildern der Lichtquelle auf der Retina so klein ist, dass er nicht

mehr aufgelöst werden kann. Bei einem normalsichtigen Menschen mit einer Sehschärfe von

eins tritt dies unter normalen Umständen spätestens dann ein, wenn der Sehwinkel, der die-

sem Abstand entspricht, höchstens eine Winkelminute beträgt. Die Sehschärfe S errechnet

sich als das Reziprok dieses kleinsten Winkels

in Winkelminuten, unter dem das Auge zwei

Sehobjekte gerade noch getrennt wahrnehmen kann. Dieser Winkel wird auch als Auflö-

sungsvermögen bezeichnet. Aus den obigen Betrachtungen lässt sich ableiten, dass sich der

kritische Punkt über das Zusammenspiel der Größen f

b und dc unter folgenden Bedin-

gungen einstellt:

•

groß genug ist

•

ωω

klein genug ist

•

b groß genug ist

•

dc groß genug ist

Die ausgeschaltete Lichtquelle darf sich während der Impulspause t

höchstens um die Sum-

me (b + 1′) weiter bewegt haben, bevor sie wieder eingeschaltet wird. Der zurückgelegte Weg

ergibt sich aus dem Produkt der Impulspause und der Winkelgeschwindigkeit. Somit tritt der

Effekt nicht auf, wenn ( 4-20 ) erfüllt ist.

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

(

((

(

)

))

)

≤

≤≤

≤

⋅

⋅⋅

⋅

ωω

( 4-20 )

Mit

(

((

( )

))

)

(

((

(

)

))

)

PIp

dcTt

−

−−

−

=−

−−

−⋅

⋅⋅

⋅=

( 4-21 )

ergibt sich ( 4-20 ) zu

(

((

(

)

))

)

(

((

( )

))

)

+≤

≤≤

≤⋅

⋅⋅

⋅

−

−−

−

ωω

. ( 4-22 )

Aus ( 4-22 ) lässt sich für eine Sehschärfe von eins der kritische Punkt für jede der beteiligten

Größen berechnen. Ein Wert von eins beschreibt allerdings eine gute Sehschärfe. Verschiede-

ne Parameter können eine Verschlechterung dieser bewirken, wie z.B. Adaptationszustand,

Alter und Sehfehler. So könnte es sein, dass ein Individuum in Abhängigkeit dieser Parameter

nur noch benachbarte Elemente mit einem Abstand von zwei oder drei Bogenminuten als ge-

trennt wahrnehmen kann. Somit ergäben sich für die kritischen Größen und ihr Zusammen-

wirken andere Werte für den Punkt, an dem der Effekt für dieses Individuum nicht mehr

sichtbar ist. ( 4-22 ) kann unter Berücksichtigung dieses Umstandes zu ( 4-24 ) verallgemei-

nert werden.

(

((

(

)

))

)

(

((

( )

))

)

(

((

(

)

))

)





































+≤

≤≤

≤⋅

⋅⋅

⋅

−

−−

−

+≤

≤≤

≤⋅

⋅⋅

⋅

−

−−

−

bzwab

'11

ωω

( 4-23 )

Die Abbildung 4-27 illustriert lediglich die Längen der belichteten Linien auf der Netzhaut

des Beobachters. Für den Fall des vernachlässigbaren Tastverhältnisses

(

)

→

entspricht

die entstandene Linie in ihrer Intensitätsverteilung annähernd einer Rechteckfunktion. Mit

einem endlichen Tastverhältnis

(

)

entspricht die Belichtung H der Belichtungsdauer t

∫

∫∫

∫

⋅

⋅⋅

⋅=

dtEH

( 4-24 )

Die Belichtungsdauer t

leitet sich wiederum aus der Faltung des durch das Einschalten auf-

gespannten Rechteckes mit der Breite

⋅

und der Lichtquellenbreite b ab. Zur Veranschau-

lichung ist in Abbildung 4-28 die ortsabhängige Belichtungszeit als Faltungsintegral der Ein-

zelfunktionen dargestellt.

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

Abbildung 4-28 Illustration der Faltung von Lichtquelle und Bewegung

Die entstehende Flankenbreite ist für den gezeigten Fall

⋅

gleich der Lichtquellenbrei-

te b. Bewegt sich die Lichtquelle während der Anschaltzeit um einen geringeren Winkelab-

schnitt als sie selbst breit ist, so entsteht eine Intensitätsflanke mit einer durch diesen Winkel-

abschnitt vorgegebenen Flankenbreite. Dieser Fall

⋅

wird in Abbildung 4-29 veran-

schaulicht.

Abbildung 4-29 Veranschaulichung des Falls b > ω

ωω

ω t

Der Punkt, an dem die Überlagerung der trapezförmigen Faltungsfiguren zu einem homoge-

nen Signal führt, ist, wie in Abbildung 4-30 illustriert, genau der, an dem sich die Figuren um

die Breite ihrer Flanken überlagern. Die gepunktete Linie deutet die aus der Überlagerung

resultierende Addition der Leuchtdichten zu einem homogenen Signal an.

Abbildung 4-30 Entstehungsbedingung einer homogenen Linie

Für Tastverhältnisse kleiner gleich 50% ist für den Fall, dass sich die Lichtquelle während der

Impulspause um höchstens ihre Breite b bewegt, die Bewegung während der Impulsdauer

immer kleiner oder gleich der Breite b. Die Flankenbreite der Faltungsfigur kann hier also

grundsätzlich mit dem Weg t

angegeben werden. Die Überlagerung der Figuren ergibt

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

sich aus der Differenz zwischen b und dem Weg, den die Lichtquelle während der Impulspau-

se zurückgelegt hat. Sollen sich die Faltungsfiguren genau um ihre Flankenbreite überlagern,

so gilt Gleichung ( 4-26 ).

(

((

(

)

))

)

IdIp

ttab

⋅

⋅⋅

⋅

⋅⋅

⋅

−

−−

−

ωω

( 4-25 )

(

((

( )

))

)

(

((

(

)

))

)

⋅

⋅⋅

⋅=

−

−−

−

⋅

⋅⋅

⋅−

−−

−+

ωω

( 4-26 )

Löst man ( 4-26 ) nach f

auf, so erhält man

(

((

( )

))

)

ωω

. ( 4-27 )

Die kritische Frequenz, an der für alle Tastverhältnisse der Perlschnureffekt gerade nicht mehr

auftritt, lässt sich somit unabhängig vom Tastverhältnis über die Breite b der Lichtquelle in

Bewegungsrichtung und die Winkelgeschwindigkeit

der Relativbewegung berechnen.

4.3.2.3 Validierung des Perlschnureffektes

Um die bisher angestellten Überlegungen zu unterstützen, wird im Folgenden ein Probanden-

versuch dargestellt, der die sich herauskristallisierten Einflüsse auf den Perlschnureffekt ein-

zeln adressieren kann und somit eine Validierung der gefundenen theoretischen Zusammen-

hänge ermöglicht.

Da der Mensch nicht willkürlich verschieden schnelle Augenbewegungen vollziehen kann,

wird die notwendige Relativbewegung der Lichtquelle durch einen halbdurchlässigen Spiegel

realisiert, der in definierte Rotation versetzt werden kann. Die Positionierung der Lichtquelle,

des Spiegels und des Probanden sowie die resultierende Perlschnur sind in Abbildung 4-31

veranschaulicht. Mithilfe dieses Aufbaus lassen sich durch gezieltes Pulsmodulieren der

Lichtquelle und durch den Einsatz diverser Blenden die Einflussgrößen

und b auf die

Grenzfrequenz des Perlschnureffektes untersuchen.

Abbildung 4-31 Messaufbau und erzeugte Perlschnur

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

4.3.2.3.1 Einfluss der Winkelgeschwindigkeit

Unter photopischen Bedingungen wurden drei Probanden rote Lichtquellen mit einer Breite

von 20,2 Bogenminuten dargeboten. Bei verschiedenen Winkelgeschwindigkeiten der virtuel-

len Lichtquelle waren die Probanden angehalten, die Frequenz der Lichtquelle so lange zu

variieren, bis eine kontinuierliche Linie zu erkennen war. Dieser Versuch wurde zweimal

durchgeführt. Einmal mit einer Rechteckpulsfolge mit 50 % Tastverhältnis und einmal mit

5 % Tastverhältnis. Dadurch konnte überprüft werden, ob sich die theoretische Annahme ei-

ner vom Tastverhältnis unabhängigen Grenzfrequenz bestätigt.

Es zeigte sich, dass alle Probanden sehr genau die vorherberechneten Frequenzen einstellten.

In dem Diagram der Abbildung 4-32 sind die Resultate dieser Untersuchung abgetragen. Es

ist deutlich der lineare Zusammenhang zwischen Winkelgeschwindigkeit

und kritischer

Frequenz f

zu sehen. Ebenso deutlich wird, dass für beide Tastverhältnisse die gleichen kriti-

schen Frequenzen eingestellt werden. Die Überlegungen aus dem vorangegangenen Kapitel

haben sich also bestätigt und die Gleichung ( 4-27 ) kann zur Bestimmung der kritischen Fre-

quenz verwendet werden.

Abbildung 4-32 Abhängigkeit der kritischen Frequenz von der Winkelgeschwindigkeit der Lichtquelle

Durch das Erweitern des Versuchsaufbaus um eine hinter dem Drehspiegel aufgestellte Rück-

projektionswand, die mit dem Nachtsehen entsprechender skotopischer, dem Dämmerungsse-

hen entsprechender mesopischer und dem Tagsehen entsprechender photopischer Leuchtdich-

te ausgeleuchtet wird, kann des Weiteren der Einfluss des Adaptationsniveaus auf erkennba-

ren Pulsfrequenzen erörtert werden.

in °/s 10

150 20

300

Proband 1 in Hz 32

481 62

914

Proband 2 in Hz 31

468 63

917

Proband 3 in Hz 22

409 58

903

Mittelwert 28

453 61

911

Proband 1 in Hz 28

359 61

888

Proband 2 in Hz 29

447 59

872

Proband 3 in Hz 23

408 57

896

Tastverhältnis

50%

Mittelwert 27

438 59

885

theoretisch in Hz 29

445 59

891

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

Abbildung 4-33 Erweiterter Messaufbau zur Untersuchung des Einflusses von Umfeldleuchtdichte und

Blickwinkel

Um zusätzlich den Einfluss der Position der Lichtquelle im Blickfeld zu untersuchen, ist auf

der Projektionswand eine Markierung angebracht, die 21,3 Grad neben dem Spiegelmittel-

punkt liegt. Fixiert der Proband diese, wird die Perlschnur peripher auf dessen Netzhaut abge-

bildet und sollte aufgrund der geringeren peripheren Sehschärfe schlechter sichtbar sein. Mit

diesem erweiterten Aufbau konnte die kritische Frequenz zum einen in Abhängigkeit von der

Umfeldleuchtdichte und der Position der Lichtquelle, und zum anderen in Abhängigkeit vom

Spektrum und der Position der Lichtquelle mit 20 weiteren Probanden untersucht werden. Mit

steigender Adaptationsleuchtdichte steigt die menschliche Sehleistung an [Hen02]. Daraus

resultiert, dass, sowohl peripher als auch foveal ein Absinken der kritischen Frequenz mit

steigender Umfeldleuchtdichte zu erkennen ist (Abbildung 4-34 links). Es konnte kein Ein-

fluss des Spektrums der Lichtquelle auf die kritische Frequenz festgestellt werden (Abbildung

4-34 rechts).

Abbildung 4-34 Abhängigkeit der kritischen Frequenz von Umfeldleuchtdichte und Farbe der Lichtquelle

(Die Linien indizieren die Standardabweichung durch die Probanden.)

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

4.3.2.3.1.1 Winkelgeschwindigkeit der Relativbewegung

Nachdem gezeigt wurde, dass bei vorgegebener Ausdehnung der Lichtquelle in Blickbewe-

gungsrichtung die kritische Frequenz nur von der Geschwindigkeit der Relativbewegung der

Lichtquelle abhängt, ist nun zu klären, welche Geschwindigkeiten für den Beobachter im

Straßenverkehr auftreten.

Relevante Werte für die Winkelgeschwindigkeit

ergeben sich aus den Geschwindigkeiten

von Blickbewegungen und schnellen Bewegungen der Lichtquelle selbst. In der Literatur fin-

den sich Angaben zu Geschwindigkeiten von Blickbewegungen:

Ludvigh und Miller berichten, dass nach Adler freiwillige Augenbewegungen Geschwindig-

keiten von bis zu 500-600 °/s erreichen können, und die Geschwindigkeit für normale Augen-

bewegungen zwischen 100 °/s und 200 °/s liegt [Lud58].

Die gleichen Werte für gewöhnliche Augenbewegungen geben Honegger und Schäfer an. Sie

beschreiben ein Experiment, dass ebenfalls Ludvigh und Miller durchführten. Das Auge wur-

de bei der Verfolgung eines 110 °/s schnellen Objekts mit einer Hochgeschwindigkeitskamera

gefilmt. Es konnte festgestellt werden, dass es sich dabei mit bis zu 260 °/s bewegte [Hon64].

Für Sakkaden, die schnellen, meist unwillkürlichen Bewegungen des Auges zwischen den

Fixationszeiten bzw. Fixationspunkten, werden maximale Geschwindigkeiten von 700 °/s bis

1000 °/s beschrieben [Boy03] [Ban04] [Pal99] [Die05]. Solche sakkadischen Bewegungen

können auch willkürlich ausgelöst werden. Es wird häufig zusätzlich erwähnt, dass das

menschliche Auge während der Sakkaden praktisch nichts wahrnimmt. Dieser Prozess wird

sakkadische Suppression genannt. Geht man von diesen Voraussetzungen aus, scheiden diese

Bewegungen als irrelevant aus. Nach [Thi04] handelt es sich bei der sakkadischen Suppressi-

on jedoch eher um eine Erhöhung der Sehschwelle. Lichtquellen, die oberhalb der Schwelle

liegen, könnten während Sakkaden möglicherweise trotz Suppression gesehen werden, und

somit den Perlschnureffekt bei sehr hohen Winkelgeschwindigkeiten hervorrufen. Diese offe-

ne Frage bleibt zu beantworten. Die Ergebnisse der genannten Studie sowie die Begriffe Sak-

kade und sakkadische Suppression werden im nachfolgenden Kapitel bei der Beschreibung

eines eigenen Versuchs zu diesem Thema noch einmal aufgegriffen.

Blickfolgebewegungen erreichen nach Boyce [Boy03] maximal 40 °/s; Palmer [Pal99] gibt

als obere Grenze für diese Augenbewegung 100 °/s an. Diem [Die05] hat in einer umfangrei-

chen Arbeit das Blickverhalten von Kraftfahrern im dynamischen Straßenverkehr untersucht.

Er macht folgende Angaben: Die in der Literatur angegebenen Extremwerte für die Ge-

schwindigkeiten der Augenbewegung von mehr als 200 °/s kommen relativ selten vor (4 %).

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

80 % der Augenbewegungen erfolgen mit einer Geschwindigkeit von unter 20 °/s für horizon-

tale und unter 10 °/s für vertikale Bewegungen. Die Augenbewegungsgeschwindigkeiten sind

bei Tag zu 60 % kleiner als 50 °/s, bei Nacht zu 90 % [Die05]. Diese Angaben geben einen

Überblick über die Häufigkeit von schnellen Augenbewegungen, schließen selbige jedoch

nicht aus.

Eine Relativbewegung nur durch die Bewegung der Lichtquelle wurde anhand des Beispiels

eines Überholvorgangs auf der Autobahn theoretisch untersucht. Angenommen wurde der

Extremfall mit Geschwindigkeiten von 80 km/h für das überholte, und 220 km/h für das über-

holende Fahrzeug. Im betrachteten Fall bewegt sich die Rückleuchte des überholenden Fahr-

zeugs in 2,5 m horizontaler Entfernung vom Fahrer des langsameren Fahrzeugs mit einer

Bahngeschwindigkeit von 140 km/h oder 38,9 m/s. In dem Moment, in dem sich die Licht-

quelle im 45 ° Winkel zum Betrachterauge befindet, hat sie so eine Relativgeschwindigkeit

von ca. 630 °/s. Hat sie sich um 47,5 m in Fahrtrichtung weiterbewegt, beträgt ihre relative

Winkelgeschwindigkeit nur noch ca. 45 °/s, da ihre Bahngeschwindigkeit konstant, aber der

Abstand zum Betrachter nun wesentlich größer ist. Die Fortbewegung der Lichtquelle um

50 m in Fahrtrichtung dauert ca. 1,3 s. Tabelle 4-1 gibt einen Überblick darüber, wie sich in

dieser Zeit die Winkelgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Entfernung und somit der

Position im Gesichtsfeld ändert.

Tabelle 4-1 relative Winkelgeschwindigkeiten beim Überholvorgang

Entfernung der Licht-

quelle vom Betrachter in

Fahrtrichtung

relative Winkelgeschwin-

digkeit

0 m 892 °/s

2,5 m 630 °/s

10 m 216 °/s

20 m 110 °/s

30 m 74 °/s

40 m 56 °/s

50 m 45 °/s

Zusammenfassend lässt sich aus den obigen Betrachtungen ableiten, dass für die Winkelge-

schwindigkeit der Relativbewegung

Werte von 0 bis zu 1000 °/s relevant sein können. Das

Auftreten von solch hohen Winkelgeschwindigkeiten bei einer Eigenbewegung der Lichtquel-

le erfordert, wie gezeigt, extreme Voraussetzungen und ist im Vergleich zur Häufigkeit von

solch schnellen Augenbewegungen in den seltensten Fällen anzunehmen. Theoretisch könnten

sich noch wesentlich höhere Geschwindigkeiten durch die Kombination einer Blick- und Ob-

jektbewegung ergeben.

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

4.3.2.3.2 Einfluss der sakkadischen Supression

Nachdem nachgewiesen wurde, dass der Perlschnureffekt über ein einfaches lineares Verhält-

nis (vgl. ( 4-27 )) der Größen fp, ω und b unter Berücksichtigung des Auflösungsvermögens α

erklärt werden kann, ist es von Interesse, welche maximalen Winkelgeschwindigkeiten für das

Phänomen Perlschnureffekt wirklich relevant sind. Somit könnte auf eine maximale Pulsfre-

quenz, über die der Effekt für eine Lichtquelle der Breite b sicher vermieden werden kann,

geschlossen werden. In 4.3.2.3.1.1 wurde der Bereich der potentiell relevanten Winkelge-

schwindigkeiten abgesteckt. Es blieben die Fragen offen, ob bei sakkadischen Blickbewegun-

gen helle Lichtquellen gesehen werden können, und ob somit der Perlschnureffekt bei sakka-

dischen Winkelgeschwindigkeiten auftritt. Sakkaden sind sehr schnelle, abrupte Augenbewe-

gungen. Sie finden bis zu fünfmal pro Sekunde statt. Sie sind Teil des Abtastvorgangs, über

den das Auge die Umgebung wahrnimmt. Da nur in der Fovea das scharfe und farbige Sehen

optimal ausgeprägt ist, reicht es nicht aus, einen Punkt eines Sehobjektes zu fixieren, um das

Objekt im Ganzen klar wahrzunehmen. Vielmehr werden viele Punkte des Sehobjektes

schnell nacheinander abgetastet, und die scharfen Einzelbilder im Gehirn zu einem Gesamt-

bild verrechnet. Dies geschieht durch das Wechselspiel von Sakkaden und Fixationsperioden.

Die Aufnahme von visuellen Informationen über die statische Umgebung geschieht während

der Fixation. Sakkaden sind ballistische Bewegungen. Haben sie einmal begonnen, ist ihr

Weg vorbestimmt. Die „Planung“ und Ausführung einer Sakkade benötigen zwischen 150

und 200 ms. Die ballistische Bewegung des Auges ist sehr schnell, benötigt typischer Weise

etwa 30 ms und erreicht, je nach Amplitude, Geschwindigkeiten bis zu 1000 °/s [Pal99].

Während Sakkaden findet die sakkadische Supression statt. Ihre Funktion besteht darin, dass

während der Augenbewegung keine bewusste Wahrnehmung eines verschmierten Bildes ge-

schieht. Die Abbildung der Umgebung bewegt sich schnell über die Retina, was unweigerlich

starke Bewegungsunschärfen hervorruft. Diese werden jedoch im Normalfall nicht wahrge-

nommen. In einem Experiment von Thilo et al. [Thi04] wurde die sakkadische Suppression

untersucht. Über transkranielle Magnetstimulation des Kortex bzw. elektrische Stimulation

der Retina wurden Phosphene, kleine illusionäre visuelle Wahrnehmungen, bei den Proban-

den erzeugt. Die Probanden wurden gebeten, freiwillige Sakkaden zwischen zwei Fixati-

onspunkten im Abstand von 24 ° durchzuführen, bzw. nach Fixation des einen Punktes auf

den später erscheinenden zweiten Punkt zu schauen. Für verschiedene Zeiten vor, während

und nach der Sakkade wurde der Schwellwert der Stimulation für Cortex und Retina gemes-

sen, bei dem das Phosphen gerade noch wahrnehmbar war. Es zeigte sich, dass die über den

Cortex erzeugten Phosphene auch während der Sakkaden ohne eine Änderung der Stimulati-

onsstärke wahrnehmbar waren. Für die retinale Stimulation wurde jedoch, wie in Abbildung

5-20 zu sehen, eine merkliche Erhöhung der Schwelle bereits 50ms vor Beginn der Sakkade

bis zu einigen 100 ms nach der Sakkade festgestellt [Thi04].

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

Abbildung 4-35 Zeitverlauf der sakkadischen Supression [Thi04]

Dies bedeutet, dass die sakkadische Supression an einer Stelle zwischen Retina und visuellem

Cortex stattfindet, und auf einer Schwellenerhöhung, jedoch keinem absoluten Unvermögen

der visuellen Wahrnehmung beruht.

In einem eigenen Experiment sollte evaluiert werden, ob eine Lichtquelle die Suppressions-

schwelle während einer Sakkade überschreiten kann, und wenn, ob diese Schwelle eine abso-

lute oder relative Größe ist. Hierzu wurden Probanden über einen stillstehenden halbdurchläs-

sigen Spiegel gepulste Lichtquellen dargeboten, die mit einer Frequenz knapp über der Flim-

merverschmelzungsfrequenz betrieben wurden. Dadurch wurde gewährleistet, dass bereits bei

kleinen Relativbewegungen der Perlschnureffekt sichtbar wird. Auf der Projektionswand wa-

ren zwei Markierungen, je eine rechts und links von der virtuellen Lichtquelle angebracht und

der Proband musste willkürliche Sakkaden zwischen diesen beiden Fixationspunkten durch-

führen. Durch eine regelbare Stromquelle wurde die Leuchtdichte der gepulsten Diodenlicht-

quelle so lange auf- bzw. abgedimmt bis der Proband den Perlschnureffekt gerade wahrneh-

men bzw. gerade nicht mehr wahrnehmen konnte. Da diese willkürlichen Blickbewegungen

nur von gut geschulten Probanden durchgeführt werden können und da es um eine prinzipielle

Klärung der Frage nach einer absoluten oder relativen Schwelle, und nicht um eine qualitative

Bestimmung dieser ging, wurde dieser Versuch nur mit zwei Probanden durchgeführt.

Abbildung 4-36 Abhängigkeit der sakkadischen Supressionsschwelle von der Umfeldleuchtdichte

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

Die Messergebnisse zeigen, dass beide Probanden ähnliche Schwellwerte für die gerade nicht

mehr wahrnehmbaren Leuchtdichten aufwiesen. Diese Schwellen-Leuchtdichte hängt von der

Adaptationsleuchtdichte, also der Umfeldleuchtdichte ab und liegt um ein Vielfaches über

dieser, besonders wenn berücksichtigt wird, dass die zeitdiskrete Leuchtdichte aufgrund des

Tastverhältnisses von 50 % dem doppelten der angegebenen Leuchtdichte entspricht. Die

sakkadische Supression macht es demnach unmöglich Objekte, die dunkler als eine von der

Umfeldleuchtdichte abhängigen Schwelle sind, während einer Sakkade zu sehen. Durch diese

Erkenntnis lassen sich einige Phänomene in Verbindung mit gepulsten Lichtquellen erklären.

4.3.2.4 Phänomene des Perlschnureffektes

Mit Hilfe der sakkadischen Supression lassen sich zwei Phänomene im Zusammenhang mit

dem Perlschnureffekt erklären. Zum einen zeigen Beobachtungen, dass der Effekt tagsüber

seltener auftritt als nachts, zum anderen scheinen die Leuchten der vorausfahrenden Fahrzeu-

ge kurzzeitig an Stellen zu erscheinen, an denen nie ein Fahrzeug gewesen ist. Daher werden

diese Erscheinungen auch Doppel- oder Geisterbilder genannt.

Zur Klärung dieser Phänomene soll folgendes Fallbeispiel dienen:

Ein Kfz-Fahrer folgt einem vorausfahrenden Fahrzeug auf einer Landstraße. Vor ihm bietet

sich die in Abbildung 4-37 dargestellte Szenerie.

Abbildung 4-37 Straßensituation mit zwei Fixationspunkten (Ortsschild und Baum)

Zum Zeitpunkt a fixiert der Fahrer das vor ihm auftauchende Ortsschild. Aus irgendeinem

Grund erregt der Baum auf der linken Seite sein Interesse, so dass er seinen Blick von dem

Schild abwendet und eine schnelle Blickbewegung (Sakkade) vollführt. Nachdem er diese

beendet hat, fixiert er nun zum Zeitpunkt b den Baum. Da dieser Vorgang bei Tag vonstatten

geht, herrschen typische Umfeldleuchtdichten von ca. 5000 cd/m² vor (bedeckter Himmel).

Die Leuchtdichte der Rückleuchte beträgt hierbei aber lediglich ca. 1300 cd/m² (Golf Plus).

Aus der vorangegangenen Untersuchung lässt sich schließen, dass die Schwelle der sakkadi-

schen Supression über der Umfeldleuchtdichte liegt, und die Person während der Blickbewe-

gung weder das Umfeld noch die dunklere Rückleuchte wahrnimmt. Damit erklärt sich, wa-

rum der Perlschnureffekt bei Tag nicht durch Blickbewegungen hervorgerufen werden kann.

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

Bei Augenbewegung, unabhängigen Relativbewegungen, wie z.B. Vorbeifahrt oder Beobach-

tung durch einen bewegten Spiegel, kommt es nicht zur sakkadischen Supression und die

Perlschnüre werden sichtbar.

Abbildung 4-38 Netzhautbilder bei Blickbewegungen bei Tag

Nachts liegen die typischen Umfeldleuchtdichten auch mit Straßen- oder Scheinwerferbe-

leuchtung bei Größenordnungen von 10 cd/m² bis maximal 100 cd/m². Die Rückleuchte ist

hier also um das Zehn- bis Hundertfache heller als die Umgebung. Da es sich bei der Supres-

sionsschwelle um eine relative Schwelle handelt, ist diese unter diesen Umständen niedriger

als die Leuchtdichte der Rückleuchte. Dies bewirkt folgendes: Während der Sakkade nimmt

der Fahrer trotz Supression die Perlschnur wahr. Aufgrund des ikonischen Gedächtnisses mixt

er dieses Bild bei der Fixation des zweiten Objektes (Baum). Nach kurzer Zeit verschwindet

die Perlschnur und die gewohnte Szenerie ist zu erkennen. Dieser Vorgang ist in Abbildung

4-39 illustriert. Es ist deutlich zu sehen, dass links neben der Fahrbahn Lichtquellen erschei-

nen, obwohl das Fahrzeug selbst nie die Fahrbahn verlassen hat. Der gleiche Effekt tritt auf,

wenn der Fahrer seinen Blick vom Heck des Vorausfahrenden auf den Tacho lenkt. Hierbei

scheint kurz ein zweites Paar Rückleuchten über dem Fahrzeug zu schweben.

Abbildung 4-39 Netzhautbilder bei der Blickbewegung bei Nacht

Bisher konnte gezeigt werden, warum die Perlschnur entsteht, warum sie nachts häufiger vor-

kommt als am Tag, und warum es dadurch zu Geisterbilderscheinungen kommen kann. Es

stellt sich allerdings noch die Frage, warum bei kontinuierlichen Lichtquellen keine „Geister-

linien“ auftreten. Auch ungepulste Rückleuchten müssten nachts zwar keine Perlschnur, aber

eine Linie hinterlassen.

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

Abbildung 4-40 Netzhautbild einer kontinuierlichen und einer diskontinuierlichen Rückleuchte

Tatsächlich lassen sich nachts solche Linien beobachten. Diese Linien sind jedoch bei einer

gleich hellen Rückleuchte wesentlich dunkler als die Perlen der Perlschnur. Wie in Kapitel 2.5

beschrieben, werden Rückleuchten, die über Pulsweitenmodulation gedimmt werden, mit vol-

ler Stromamplitude betrieben und nur das Tastverhältnis bestimmt aufgrund des Talbot’schen

Gesetztes den Helligkeitseindruck. Da normalerweise Helligkeitsunterschiede von eins zu

zehn zwischen Rück- und Bremslicht erreicht werden, werden gepulste Rückleuchten wäh-

rend der An-Phase mit einer bis zu 10fach größeren Intensität betrieben. Die Intensität wird

förmlich in den Perlen der Perlschnur zusammengezogen.

Abbildung 4-41 Zeitdiskreter Lichtstrom einer kontinuierlichen und einer diskontinuierlichen Rückleuchte

gleicher Helligkeit

Diese wesentlich helleren Lichtpunkte liegen demnach weiter über der Supressionsschwelle

und werden als deutlich heller empfunden. Eine weitere Erklärung, warum Lichtlinien weni-

ger zu Irritationen führen, könnte darin begründet sein, dass der Beobachter bei Blickbewe-

gungen und bei bewegten Objekten solche Linien erfahrungsgemäß erwartet. Erst eine unter-

brochene, quasi „blinkende“ Linie signalisiert eine diskontinuierliche Lichtquelle oder gar

mehrere Quellen, auf die der Beobachter mit gesteigerter Aufmerksamkeit reagiert.

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

4.3.2.5 Konstruktionshinweise für gepulste Lichtquellen

Da besonders nachts auch während einer Sakkade gepulste Lichtquellen wahrgenommen wer-

den, sind für die Auslegung der Lichtquelle Blickgeschwindigkeiten von 700 °/s bis 1000 °/s

zu berücksichtigen. Nach der in Kapitel 4.3.2 hergeleiteten Gleichung zur Bestimmung der

kritischen Pulsfrequenz würde eine Lichtquelle mit einem Durchmesser von 20 cm in einem

Abstand von 50 m bei einer 1000 °/s schnellen Sakkade noch bei über 4000 Hz eine Perl-

schnur verursachen.

(

((

( )

))

)

ωω

Untersuchungen von Diem [Die05] haben gezeigt, dass ca. 90 % aller Blickbewegungen eines

Fahrers innerhalb 50 °/s liegen, und dass etwa 98 % der Blickbewegungen bei einer Ge-

schwindigkeit unter 200 °/s liegen. Somit kann für die Beispiellichtquelle und einer Blickge-

schwindigkeit von 50 °/s schon bei 220Hz die Wahrscheinlichkeit des Erscheinens einer Perl-

schnur gering gehalten werden.

Bei der Konstruktion von gepulsten Lichtquellen ist neben der Pulsfrequenz auch die Breite b

der Lichtquelle in Blickrichtung so zu gestalten, dass der Perlschnureffekt unterdrückt wird.

In Abbildung 4-42 sind Rückleuchten dargestellt, die entweder in vertikaler oder in horizonta-

ler Richtung geringe Ausdehnung haben. Bei dieser erstmalig durch LEDs ermöglichten Bau-

form müssen besonders hohe Frequenzen für die Pulsweitenmodulation bei adaptiven Leuch-

tenfunktionen verwendet werden.

Abbildung 4-42 Rückleuchten mit geringer horizontaler bzw. vertikaler Ausdehnung

Für den Fall, dass der Beobachter nah an die Leuchte herankommt, kann er je nach Konstruk-

tion die einzelnen LEDs auflösen. Dadurch verringert sich die Breite der Lichtquelle. Da so-

mit auf einem Areal mehrere Perlschnüre auftreten können, bewirken Rüttelbewegungen

durch Fahrbahnunebenheiten eine Art „Flimmern“ der Rückleuchte.

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

Abbildung 4-43 Rückleuchte mit visuell auflösbaren Einzellichtquellen

Zum Perlschnureffekt lässt sich zusammenfassend sagen, dass dieser nur durch eine Erhöhung

auf sehr hohe Frequenzen vermieden werden kann. Werden die Dioden zu größeren Arealen

zusammengefasst, können unter Einhaltung der Konstruktionsrichtlinien bereits Frequenzen

um 220Hz ausreichen, um den Perlschnureffekt unwahrscheinlich werden zu lassen.

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

4.3.3 Blendung durch gepulste Lichtquellen

Anhand des Beispiels der pulsmodulierten Rückleuchte konnten die Risiken beim Betrachten

einer solchen leuchtenden Lichtquelle aufgezeigt werden. Um jedoch den in Kapitel 3.2.1

beschriebenen Ansatz zum dynamischen Beleuchten zu realisieren, müssen wesentlich hellere

gepulste Lichtquellen eingesetzt werden. Zwar ist das Ziel dieser aktiven Beleuchtung, jegli-

che blendgefährdeten Verkehrsteilnehmer zu detektieren und auszublenden, doch ist häufig

ein schwächeres Beleuchten von z.B. Fußgängern am Straßenrand zur Orientierung des Fahr-

zeugführers hilfreich. Werden Personen mit über Pulsweitenmodulation gedimmten Licht-

quellen beleuchtet, stellt sich die Frage, ob dies einen Einfluss auf die Blendung dieser Perso-

nen hat.

Eine weit verbreitete Theorie der Blendung ist die Theorie der Schleierleuchtdichte:

Befindet sich im Blickfeld des menschlichen Auges eine unabgeschirmte Lichtquelle, so wird

das Licht auf der Hornhaut (1), in der Linse (2) und im Glaskörper (3) gestreut und auf der

Netzhaut (4) reflektiert. Im Inneren des Auges entsteht so ein Streulicht, das sich wie ein

Schleier auf die Netzhaut legt. Diese virtuelle Helligkeit wird auch mit Hilfe einer äquivalen-

ten Raumhelligkeit durch die äquivalente Schleierleuchtdichte beschrieben (Abbildung 4-44)

[Lan04] [Bae90].

Abbildung 4-44 Entstehungszentren für Streulicht im Auge bei Blendung [Lan04]

Nach der Kontrastdefinition von Weber ist der wahrgenommene Kontrast K

O/U

, eines gegen-

über dem Umfeld helleren Objektes, gleich:

−

−−

−

( 4-28 )

Aufgrund der, durch Streulicht entstehenden, Schleierleuchtdichte, werden sowohl das Objekt

als auch das Umfeld virtuell aufgehellt. Es wird somit die äquivalente Schleierleuchtdichte

S,äqu

aufaddiert. Nach ( 4-29 ) verringert sich dadurch der Kontrast des Objektes zum Um-

feld.

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

(

((

(

)

))

)

(

((

(

)

))

)

(

((

( )

))

)

äquSO

äquSUäquSO

LLLL

−

−−

−

=→

→→

→

−

−−

−

( 4-29 )

Dieser Vorgang heißt physiologische Blendung. Die physiologische Blendung ist eine mess-

bare Beeinträchtigung der Sehfunktion. Unterhalb eines bestimmten Wertes ist keine messba-

re Beeinträchtigung der Sehfunktion feststellbar. Häufig werden allerdings auch dann noch

Blendlichtquellen als störend empfunden. Diese Erscheinung wird psychologische Blendung

oder Unbehaglichkeitsblendung genannt. Ihre Bewertung beruht auf den subjektiven Urteilen

einer größeren Anzahl von Beobachtern. Diese Blendung hat zwar keinen Einfluss auf die

Sehleistung, kann aber Auswirkungen auf Wohlbefinden, Arbeitsleistung und Konzentrations-

fähigkeit haben.

Da die entstehende Schleierleuchtdichte, durch die die Kontrastverflachung hervorgerufen

wird, im Fall der pulsmodulierten Lichtquelle im Maximum um den Faktor des reziproken

Tastverhältnisses höher ist, könnte man vermuten, dass eine größere Blendwirkung entsteht.

Nach dem Talbot’schen Gesetz sollte die Schleierleuchtdichte aus der mittleren Beleuch-

tungsstärke am Auge des Geblendeten errechenbar sein.

Nach Baehr [Bae90] kann die äquivalente Schleierleuchtdichte L

S,äqu

aus der Blendbeleuch-

tungsstärke am Auge E

, dem Winkel unter dem die Lichtquelle zur Blickrichtung erscheint

θθ

und der altersbedingten Glaskörper- und Linsentrübung (Alterfaktor K) errechnet werden.

ΘΘ

äquS

∫

∫∫

∫⋅

⋅⋅

⋅=

dttE

)(

Es ist also zu erwarten, dass gepulste Lichtquellen, bei gleicher mittlerer Beleuchtungsstärke,

oberhalb der Flimmerverschmelzungsfrequenz die gleiche Kontrastverflachung bewirken wie

ungepulste Lichtquellen. Eine Apparatur, die die durch Blendung verursachte Kontrastverfla-

chung messbar macht, ist das Mesoptometer [Mes]. Dieses für die Messung der Nachtfahr-

tauglichkeit von Kfz-Fahrern entwickelte Messinstrument ermöglicht die Messung der von

Probanden unter mesopischen Bedingungen wahrnehmbaren Kontraste unter dem Einfluss

einer Blendlichtquelle. Der gerade noch wahrnehmbare Kontrast ist hierbei ein Maß für die

Blendung, da der Schwellenkontrast durch die äquivalente Schleierleuchtdichte der Blend-

lichtquelle steigt. Mit Hilfe eines modifizierten Mesoptometers, das zusätzlich das Variieren

der Pulsparameter der Blendlichtquelle ermöglicht, lassen sich die Einflüsse der Pulsfrequenz

Alter K

20 6,3

30 9,2

40 12,1

50 15

60 17,8

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

und der Pulsamplitude bzw. des Tastverhältnisses auf die physiologische Blendwirkung über-

prüfen.

Eine Untersuchung an 20 Probanden soll die Hypothese der frequenz- und amplitudenunab-

hängigen Blendung überprüfen. Die getesteten Personen waren acht Frauen und zwölf Män-

ner im Alter zwischen 23 bis 46 Jahren mit einem Durchschnittsalter von 27,9 Jahren. In

Tabelle 4-2 sind die resultierenden Schwellen der gerade noch wahrnehmbaren Kontraste der

Personen unter den jeweiligen Blendsituationen von konstantem Licht bis hin zu mit nur

50Hz gepulstem Licht aufgeführt. Der Schwellenkontrast wird hier aus dem Verhältnis der

Leuchtdichte des gerade noch erkannten Objektes L

O,S

zu dem Umfeld mit mesopischer

Leuchtdichte L

(0,1cd/m²) bestimmt.

( 4-30 )

Tabelle 4-2 Ermittelter Schwellenkontrast bei verschiedenen Pulsparametern

Frequenz [Hz] - 100 100 100 500 50

Pulsweite t

[ms] - 8,62 1,88 1,05 0,38 3,75

dc [%] 100,00 86,20 18,80 10,50 18,90 18,75

mittel

[lx] 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50

max

[lx] 0,50 0,58 2,66 4,76 2,65 2,67

Mittlerer Schwellenkon-

trast 0,44 0,42 0,42 0,43 0,43 0,41

Standardabweichung 0,14 0,17 0,19 0,16 0,15 0,17

Es zeigt sich, dass das Gesetz von Talbot auch auf die Blendung mit gepulsten Lichtquellen

anwendbar ist. Zur Veranschaulichung sind in dem Diagramm, das die Ergebnisse und die

Streubreite einer Standardabweichung enthält, zusätzlich die Lagen der Mittelwerte einer Un-

tersuchung von Kliebisch, Stahl und Völker [Kli03] aufgeführt, in deren Studie unter anderem

der Einfluss des Alters auf die Blendempfindlichkeit untersucht wurde.

Untersuchungen zu pulsmodulierten LEDs

Abbildung 4-45 Die Schwankungen innerhalb der ermittelten Schwellenkontraste sind geringer als alters-

bedingte Schwankungen [Kli03]

Fasst man die Ergebnisse zusammen, lässt sich schlussfolgern, dass die Frequenz als solche

keinen signifikanten Einfluss auf die objektive Blendung hat. Die zu beobachtenden kleinen

Schwankungen des mittleren Schwellenkontrastes bei verschiedenen Frequenzen sind wesent-

lich geringer als der Unterschied, der von Kliebisch et al. vermessenen Altersgruppen. Somit

kann angenommen werden, dass für den Blendeindruck gepulster Lichtquellen oberhalb der

Flimmerverschmelzungsfrequenz die nach Talbot berechnete mittlere Leuchtdichtdichte, bzw.

Beleuchtungsstärke am Auge und die Position der Lichtquelle zum Beobachter ausschlagge-

bend ist.

Funktionsmuster

5 Funktionsmuster

Aus den vorangegangenen Kapiteln lässt sich ableiten, dass ein Scheinwerfer auf der Basis

von gepulsten LEDs unter bestimmten Rahmenbedingungen kein physiologisches Risiko dar-

stellt. So ist die Blendwirkung oberhalb der Flimmerverschmelzungsfrequenz (FVF) gleich

der eines ungepulsten Scheinwerfers gleicher mittlerer lichttechnischer Werte. Um eine Irrita-

tion anderer Verkehrsteilnehmer durch den Perlschnureffekt zu vermeiden, muss die Frequenz

der Lichtquelle auf ein Vielfaches der FVF erhöht werden. (Kapitel 4.3.2.5)

Auch die thermodynamischen Eigenschaften von Dioden begrenzen die einsetzbaren Fre-

quenzen. Die unter Kapitel 4.2 untersuchten LEDs dürfen z.B. bei Frequenzen unter 40Hz

nicht mehr mit der maximalen Leistung betrieben werden.

Die Obergrenze der Frequenzen ist durch die LED selbst (~75-55MHz; Kapitel 4.2) und

durch die Fluorophorkonversion (~135kHz; Kapitel 4.1) festgelegt. Außerdem führt die Tat-

sache, dass die geplante Lichtquelle in einem Kfz betrieben werden soll zu besonderen An-

forderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). EMV wird definiert als die

Fähigkeit eines elektromagnetischen Systems, regelgerecht in seinem bestimmungsgemäßen

elektromagnetischen Umfeld zu funktionieren, ohne störend auf andere Systeme in diesem

Umfeld einzuwirken. Ziel ist es, das elektronische System gegen Emissionen anderer Systeme

abzuschirmen, Störeinflüsse auf die Operationen anderer Systeme zu vermeiden, und die Be-

einträchtigung der eigenen Funktion zu unterbinden [Ryb04]. Demnach muss das System ge-

gen einstrahlende elektromagnetische Strahlung geschützt werden und es muss erreicht wer-

den, dass die Frequenzen, entstehend durch das Pulsen der Lichtquelle, nicht das System als

solches oder dessen Umwelt stören.

Alle erworbenen Erkenntnisse werden in dem nachfolgenden Kapitel angewendet, um ein

Funktionsmuster zu entwerfen, das die Möglichkeiten einer gepulsten Lichtquelle zeigt. Nach

der Auswahl eines geeigneten dynamischen Optikprinzips werden dessen Komponenten theo-

retisch ausgelegt, um im Anschluss ein funktionsfähiges Muster zu fertigen.

Funktionsmuster

100

5.1 Optik

5.1.1 Dynamische Lichtstromverteilung

In diesem Abschnitt werden verschiedene optische Systeme vorgestellt, die eine dynamisch

periodische Lichtverteilung erzeugen.

Da sich maximale Beleuchtungsstärken und Kontraste lediglich durch das Abbilden der Licht-

quelle (LED) in die Bildebene erreichen lassen, beschränken sich die nachfolgenden Überle-

gungen einzig auf dynamische periodische Abbildungssysteme. Weiterhin werden ausschließ-

lich Systeme analysiert, die bild- und objektseitig das gleiche Medium umgibt. Die Brechzah-

len n und n’ sind somit gleich.

Abbildungssystem

F’

y’

z’

f’

P’

n’

Abbildung 5-1 Variablen eines abbildenden Systems im paraxialen Gebiet

Um aus gegebener Lage und Größe eines Gegenstandes auf dessen Bildlage und Bildgröße zu

schließen, können bei bekannten optischen Systemdaten die Abbildungsgleichungen herange-

zogen werden [Schr02].

Für

gilt:

−

−−

−=

ββ

( 5-1 )

Enthält die Optik spiegelnde Bestandteile, kann die optische Achse, die die Krümmungsmit-

telpunkte der Einzelflächen verbindet, einen Knick wie in Abbildung 5-1 erfahren. Um den

Lichtstrom einer Lichtquelle im Punkt P dynamisch in der Bildebene zu verteilen, muss auf

die Optik derart eingegriffen werden, dass periodisch das Bild der Lichtquelle im Punkt P’ die

Bildebene durchläuft. Lediglich den Abbildungsmaßstab zu variieren, ist hierbei wenig

zweckdienlich. Es sei denn, das Ziel sind geringere Auflösungen und Kontraste der dynami-

schen Optik in einigen Zonen der Beleuchtung. Auch ist in der Regel der Abstand a’ der Bild-

ebene zur Hauptebene vorgegeben und soll somit auch nicht variiert werden.

Funktionsmuster

101

Zweckmäßige Möglichkeiten für eine dynamisch scannende Optik ergeben sich durch das

Variieren der Relativlage des Punktes P(x,y) oder durch das Knicken der optischen Achse. Im

Folgenden werden verschiedene Varianten für das optische System vorgestellt, um im An-

schluss ein geeignetes System auszuwählen und zu entwerfen.

Variante 1:

Mit Hilfe eines abbildenden Systems wird die Lichtquelle auf die zu beleuchtende Szenerie

abgebildet. Mechanisch wird derart eingegriffen, dass sich die Relativlage der Lichtquelle zur

optischen Achse bewegt. Aufgrund des großen Abbildungsmaßstabs bewirken bereits kleine

Winkelbewegungen große Auslenkungen im Bildraum. Es genügen demnach bereits Oszilla-

tionen der Lichtquelle oder der Optik mit kleinen Amplituden, um einen scannenden Effekt

großer Abtastung zu erzeugen. Nachteilig an dieser Variante ist die mechanische Umsetzung

der Oszillation. Sowohl die Optik als auch die LED mit Wärmesenke wird in einem späteren

Aufbau eine nachteilig große Masse aufweisen, sodass große Lagerkräfte auftreten. In einer

Umgebung, wie der des Fahrzeuges, in der zudem externe Einflüsse von Stößen mit Be-

schleunigungen von bis zu 11g auftreten können, ist es zusätzlich zu gewährleisten, dass diese

die Oszillation nicht beeinflussen.

Abbildung 5-2 Dynamik durch Variation der Relativlage von Optik zu Lichtquelle

Variante 2:

Die Umlenkung der Abbildung wird durch ein variables Knicken der optischen Achse er-

reicht. Hierzu sitzt zwischen Optik und Szenerie ein Umlenkspiegel, der oszilliert oder rotiert.

Ein Kfz-Scheinwerfer nach diesem Prinzip wird in einer Offenlegungsschrift von Götz et al.

beschrieben [Goe06]. Der Wechsel zur Rotation ermöglicht eine robustere und unanfälligere

Bauweise der mechanischen Komponenten. Wie in Kapitel 2.3.3 erörtert, ist es durch die ge-

ringen Leuchtdichten der Dioden notwendig, Optiken mit großen Öffnungsblenden zu reali-

sieren. Dies führt zu großen Austrittspupillen, also zu Optiken mit großen Durchmessern. In

der Prinzipskizze wird deutlich, dass der Umlenkspiegel mindestens die Größe der Optik ha-

ben muss, um den gesamten Lichtstrom zu erfassen und um somit eine Vignettierung zu ver-

meiden. Damit ergibt sich eine große Spiegelfläche, die rotiert werden muss. Aufgrund des

Luftwiderstandes der Spiegelmasse und der bereits beschrieben Betriebsbedingungen, ist die-

se Lösung nur bedingt praktikabel.

Funktionsmuster

102

Abbildung 5-3 Dynamik durch variables Abknicken der optischen Achse [Goe06]

Variante 3:

Mit Hilfe einer ersten Abbildungsoptik wird ein Zwischenbild erzeugt. Eine zweite Projekti-

onsoptik bildet das Zwischenbild in der zu beleuchtenden Szenerie ab. Eine ähnliche Bauform

wird in einer Offenlegungsschrift von OSRAM Opto Semiconductors GmbH vorgeschlagen

[Die04], um einen LED-Projektor zu realisieren. Durch eine geknickte Bauform und einen

variablen Umlenkspiegel lässt sich die optische Achse der ersten Optik zu der der zweiten

Optik verdrehen. Dadurch wird erreicht, dass sich das Zwischenbild in Analogie zu Variante 1

bewegt. Mit diesem Aufbau wird die mechanische Komponente, sowohl in der Größe als auch

in der Masse der Baugruppe, auf ein Minimum reduziert.

Abbildung 5-4 Dynamik durch Erzeugung eines bewegten Zwischenbildes [Die04]

Trotz der zusätzlichen optischen Komponente führten die leichte Bauweise und der kontinu-

ierliche rotatorische Antrieb dazu, dass diese Variante für den Aufbau des Funktionsmusters

weiterverfolgt wird.

Funktionsmuster

103

5.1.2 Spiegelgeometrie

Da der Lichtstrom einer LED auch in Zukunft nicht ausreichen wird, um einen Voll-LED-

Scheinwerfer zu realisieren, soll für das Funktionsmuster ein LED-Array verwendet werden.

Mit einer zeilenförmigen Anordnung der Dioden können die Spiegelbewegungen und damit

die Rotationsachsen auf eine Achse reduziert werden. Durch die Spiegelbewegung wird die

Auflösung in einer Achse der Beleuchtung realisiert. Die notwendige senkrechte Auflösung

ermöglicht die adressierbare LED-Zeile. (Abbildung 5-5)

Abbildung 5-5 Kombination von dynamischer Optik und dynamischer Lichtquelle

Die Zahl der Spiegelflächen ist im Wesentlichen ein Kompromiss aus zwei Faktoren. Bei

konstanter Drehzahl vervielfacht sich die Bildwiederholrate der Projektion mit zunehmender

Spiegelanzahl. Damit sind eine längere Laufzeit und eine geringere Lagerbelastung des Spie-

gelantriebes möglich. Bei gleicher Spiegelflächengröße nimmt auch der Durchmesser des

Polygonspiegels mit der Spiegelanzahl zu. (Abbildung 5-6) Dies vergrößert wiederum das

Bauvolumen und die Masse des Spiegels.

Abbildung 5-6 Polygonspiegel mit gleicher Spiegelgröße

Für das Funktionsmuster kommt ein Spiegel mit vier Spiegelflächen zum Einsatz.

Funktionsmuster

104

5.1.3 Optisches System

Die benötigte Optik unterteilt sich in die Abbildungsoptik, die ein von dem Polygonspiegel

umgelenktes Zwischenbild erzeugt und in die Projektionsoptik, die das aufgespannte Zwi-

schenbild in die Szenerie abbildet.

5.1.3.1

Abbildungsoptik

Durch die Optimierung einer als Vorbildsystem dienender Kondensoroptik der Köhlerschen

Beleuchtung ist das in Abbildung 5-7 dargestellte zweilinsige System entstanden. Mit einer

dritten Linse, die nah an der Lichtquelle positioniert ist und damit quasi als Feldlinse dient,

kann der Öffnungswinkel zusätzlich erhöht werden. Somit wird mehr Lichtstrom eingefangen

und ein besserer Leuchtenwirkungsgrad erzielt.

Abbildung 5-7 Synthetisierte Abbildungsoptik

Die Analyse der Abbildungsoptik zeigt, dass mit zunehmendem Optikradius zwar der Licht-

strom ansteigt, die Beleuchtungsstärke hingegen in Sättigung geht. Die Ursache hierfür sind

die größer werdenden Abbildungsfehler für achsferne Strahlen. Diese Fehler könnten durch

asphärische Linsenflächen minimiert werden. Mit diesem Abbildungssystem ist demnach für

das Funktionsmuster ein Optikdurchmesser von 40mm ausreichend.

Abbildung 5-8 Anstieg des Lichtstromes und der Beleuchtungsstärke (~Abbildungsqualität) mit zuneh-

mendem Optikradius

Funktionsmuster

105

5.1.3.2

Projektionsoptik

Da der Polygonspiegel seine projizierte Fläche in Richtung Abbildungsoptik mit dem Dreh-

winkel verringert, bewirkt dieser bei großen Ablenkwinkeln eine Vignettierung des Zwi-

schenbildes. Demnach sollte der Scannbereich minimiert werden. Um dennoch eine breite

Ausleuchtung zu erreichen, muss das Zwischenbild optisch aufgeweitet werden. Dies wird

durch anamorphotische Optiken erreicht. Für das Funktionsmuster dient als Vorbildsystem

ein Anamorphot nach dem Prinzip Projektionsoptik + Zylinderlinse [Haf02]. Anschließend an

die Optimierung der Projektionsoptik und der Zylinderlinsenoptik ergibt sich das in

Abbildung 5-9 dargestellte System. Hier ist es ebenfalls dienlich eine Feldlinse einzufügen,

um die durch den Spiegel abgelenkten und unter steilen Winkel in die Optik fallenden Strah-

len einzufangen. Aufgrund der einachsigen Ablenkung genügt eine Zylinderfeldlinse.

Abbildung 5-9 Optisches System des Funktionsmusters

Durch den Spiegel, die Abbildungsoptik und die Projektionsoptik sind die optischen Flächen

des Funktionsmusters vollständig beschrieben. Der komplette optische Aufbau ist in

Abbildung 5-9 dargestellt.

Funktionsmuster

106

5.2 Mechatronik

5.2.1 Regelkreis

Die optischen Komponenten müssen in einen Regelkreis eingebunden werden. Dieser besteht

aus zwei Hauptkomponenten, die zur Wahrung der Funktionalität synchron betrieben werden.

Diese sind die pulsmodulierte LED-Zeile und der konstant drehende Polygonspiegel. Um die

jeweilige Spiegelstellung zu überprüfen und um die LED-Zeile dieser Stellung anzupassen,

soll eine Lichtschranke den Umlauf des Spiegels überwachen. In Abbildung 5-10 (links) sind

vereinfacht die für die Regelung wichtigen Komponenten dargestellt. Der Energie- und der

Informationsfluss sollen mit Abbildung 5-10 (rechts) verdeutlicht werden.

Abbildung 5-10 Mechatronische Komponenten & Energie- und Informationsfluss des Funktionsmusters

5.2.2 LED-Zeile

Als Lichtquelle für das Funktionsmuster dient eine adressierbare Zeile aus 16 einzelnen

Hochleistungs-LEDs. Die größte Einschränkung beim Aufbau der Zeile entsteht durch das

Gehäuse der LED. Das Gehäuse ist bei den meisten verfügbaren LEDs um ein Vielfaches

größer als der Chip selbst. Da nur der Chip die lichtemittierende Fläche darstellt, entstehen

große Lücken zwischen den einzelnen Leuchtflächen. Diese Lücken würden sich in der Pro-

jektion als sichtbare Abstände zwischen den Zeilen bemerkbar machen. Zusätzlich wird durch

große Gehäuse die LED-Zeile sehr lang. Folglich hat eine große LED-Zeile den Nachteil, dass

die Optik mit der die LED abgebildet wird, entsprechend groß sein muss. Sehr gute Eigen-

schaften sind hingegen bei einer LED-Zeile zu erwarten, bei der sich alle benötigten Chips im

gleichen Gehäuse befinden. Auf diese Weise können sehr viele Chips mit geringen Abständen

zueinander angeordnet werden. Solche LED-Zeilen befinden sich bereits im ausgereiften For-

Funktionsmuster

107

schungsstadium, standen allerdings für den Bau des Prototyps nicht zur Verfügung. Sie soll-

ten jedoch in späteren Aufbauten Anwendung finden.

Abbildung 5-11 Prototyp eines COB LED-Arrays

Die LED-Zeile für das Funktionsmuster ist aus diskreten LEDs aufgebaut. Dafür kommen

LEDs mit sehr kleiner Bauform zum Einsatz. Die kleinsten, zur Zeit des Aufbaus verfügbaren

Leistungs-LEDs waren die Luxeon Flash der Firma Lumileds [LF06]. Diese LEDs sind spe-

ziell für den Einsatz als Blitzlicht in Handheld Computern, wie zum Beispiel Mobiltelefone

und PDA mit integrierter Digitalkamera, entwickelt. Die folgende Abbildung zeigt eine Luxe-

on Flash LED mit ihren Abmessungen.

Abbildung 5-12 Luxeon Flash mit Abmessungen [LF06]

Die Luxeon Flash LEDs sind für die kurzzeitige Belastung mit hohen Strömen ausgelegt. Da-

bei wird ein hoher Lichtstrom freigesetzt. Laut Datenblatt darf eine Luxeon Flash kurzzeitig

mit 1000mA betrieben werden. Der erzeugte Lichtstrom beträgt über 50lm. In der folgenden

Tabelle sind die wichtigsten Werte aus dem Datenblatt zusammengefasst.

Abbildung 5-13 Elektrische Parameter der Luxeon Flash [LF06]

Funktionsmuster

108

Die LED-Zeile ist mit 16 einzeln schaltbaren Luxeon Flash LED aufgebaut. Jede LED hat

zwei Anschlüsse: eine Anode (Pluspol) und eine Kathode (Minuspol). Um nicht 32 Leitungen

herauszuführen, ist es zweckmäßig, einen der beiden Pole für alle LEDs zu verbinden, so dass

nur noch 17 Leitungen benötigt werden. Die LED-Zeile ist mit einer gemeinsamen Anode für

alle LEDs ausgestattet. Abbildung 5-14 zeigt die Verschaltung der LEDs.

Abbildung 5-14 Schaltplan der LED-Zeile

Die LEDs sind in einer Reihe zu einer Messingplatte ausgerichtet und jeweils mit ihrer Anode

an die Messingplatte gelötet. Auf diese Weise sind gleichzeitig die gemeinsame Kontaktie-

rung der Anode, die mechanische Stabilität und die thermische Kopplung der LEDs realisiert.

Aufgrund der guten Wärmeleitung durch die Messingplatte ist ein Anlöten der Kathoden der

LEDs nicht möglich. Daher wurde die Kontaktierung der Kathoden mit Hilfe von Drähten

über eine Klemmtechnik hergestellt. Die folgende Abbildung zeigt das Prinzip der Kontaktie-

rung.

Abbildung 5-15 Kontaktierung der einzelnen LEDs

Abbildung 5-16 zeigt die fertig aufgebaute LED-Zeile. Rechts der LEDs befindet sich die,

durch eine Aluminiumklemmvorrichtung fixierte, Messingplatte. Links der LEDs ist die Lei-

terplatte mit den Drähten für die Kontaktierung der Kathoden zu erkennen.

Abbildung 5-16 Verwendete LED-Zeile

Funktionsmuster

109

5.2.3 LED-Treiber

Für die Erzeugung der adressierbaren Lichtverteilung ist es notwendig, alle LEDs der Zeile

einzeln über die Software des Mikrocontrollers schalten zu können. Für das pulsartige Schal-

ten der hohen Ströme für die LEDs sind Leistungsstufen notwendig. Der LED-Treiber besteht

aus 16 Leistungsstufen, die mit dem Mikrocontroller angesteuert werden können. Die Schal-

tung der einzelnen Leistungsstufen wurde einfach gehalten, um den Gesamtaufwand mög-

lichst praktikabel zu gestalten. Daher wird lediglich ein Leistungstransistor pro Kanal ver-

wendet. Die Transistoren werden digital angesteuert und arbeiten somit als Schalter.

5.2.4 Antrieb

Für den Antrieb, der für die Rotationsbewegung des Spiegels benötigt wird, können unter-

schiedliche Typen von Motoren eingesetzt werden. Da hohe Winkelgeschwindigkeiten er-

reicht werden sollen, werden an den Antrieb für den Spiegel besondere Anforderungen ge-

stellt. Die Winkelgeschwindigkeit sollte darüber hinaus möglichst stabil bleiben. Besonders

an die mechanische Verarbeitung werden daher hohe Ansprüche gestellt. Für eine gute Lauf-

ruhe bei hoher Drehzahl muss die Achse hochwertig gelagert sein. Mit dem Versuchsaufbau

sollen aufgrund des Perlschnureffektes hohe Bildwiederholfrequenzen von ca. 400Hz erreicht

werden können. Die Drehzahl des Motors für eine Bildwiederholrate von 400Hz beträgt bei

einem vierseitigen Polygonspiegel 6000 Umdrehungen pro Minute. Die gestellten Anforde-

rungen werden z.B. von Motoren erfüllt, die ursprünglich für Festplatten konstruiert wurden.

Hohe Drehzahlen bei konstanter Geschwindigkeit und eine präzise mechanische Verarbeitung

für eine lange Lebensdauer sind wichtige Voraussetzungen von Festplattenmotoren. Gängige

IDE-Festplatten laufen mit Drehzahlen von 5400min

-1

bzw. 7200min

-1

. Moderne SCSI-

Festplatten weisen Drehzahlen bis zu 15000min

-1

auf. Für den Versuchsaufbau wurde ein Mo-

tor für IDE-Festplatten als Antrieb für den Polygonspiegel verwendet.

Funktionsmuster

110

5.2.5 Sensorik

Für die Synchronisation der LED-Ansteuerung auf die Rotationsbewegung des Polygonspie-

gels werden Informationen über die Position und Geschwindigkeit des Antriebs benötigt. Die-

se Information wird in Form eines Null-Grad-Durchgangssignals des Motors geliefert. Für

diese Aufgabe wird als optischer, berührungslos arbeitender Sensor eine Infrarotlichtschranke

verwendet. Am Motor ist ein Ring befestigt, der zwei Zähne als Unterbrecher besitzt. Pro Mo-

torumlauf wird die Lichtschranke zweimal unterbrochen. Abbildung 5-17 zeigt den Antrieb

zusammen mit der Lichtschranke und der Befestigungsvorrichtung für den Spiegel.

Abbildung 5-17 Spiegelantrieb mit Unterbrechungsring und Lichtschranke

5.2.6 Mikrocontroller und Software

Der mechatronische Regelkreis, bestehend aus dem Spiegelmotor, der Lichtschranke und der

LED-Zeile, wird wie in Abbildung 5-18 gezeigt durch einen Mikrocontroller geschlossen. Für

das Funktionsmuster kam ein 8-Bit Mikrocontroller PIC 18F458 der Firma Microchip auf-

grund seiner guten Verfügbarkeit zum Einsatz. Über einen weiteren Anschluss (RS232) ist der

Mikrokontroller mit einer eigens entwickelten PC-Software verbunden und somit ansteuerbar.

Durch eine grafische Benutzeroberfläche (graphical user interface, GUI) (Abbildung 5-18)

wird es dem Benutzer ermöglicht, einzelne Pixel innerhalb der Bildebene aus- bzw. einzu-

schalten. Des Weiteren besteht die Möglichkeit aus Demonstrationszwecken die Drehzahl des

Spiegelmotors (Motorspeed), und aus Justagegründen die Phasenverschiebung zwischen

LED-Ansteuerung und Spiegelnulldurchlauf, zu variieren. Diese Phasenverschiebung bewirkt

eine Rechts- bzw. Linksauslenkung des Zwischenbildes, somit lässt sich die optimale Position

des Zwischenbildes mit minimaler Vignettierung des Strahlenganges einstellen.

Funktionsmuster

111

Abbildung 5-18 GUI der Ansteuersaftware LED-Headlamp

Durch die Größe der Abbildung der LED und durch den objektseitigen horizontalen Bildwin-

kel der Projektionsoptik ist eine horizontale Auflösung von 64 Pixel pro Zeile mit diesem

Funktionsmuster möglich. Die vertikale Auflösung ist aufgrund der LED-Anzahl auf 16 Pixel

pro Spalte begrenzt. Über die Ansteuersoftware sind daher beliebige Bilder einer 64 x 16 Auf-

lösung möglich. In Abbildung 5-19 ist exemplarisch die Fotografie des projizierten L-LAB-

Logos abgebildet.

Abbildung 5-19 Mit dem Funktionsmuster projiziertes L-LAB-Logo

Funktionsmuster

112

5.3 Diskussion der Messergebnisse

Die simulierten Abbildungseigenschaften der synthetisierten Optiken geben sehr gut die reale

Messung am Funktionsmuster wieder. Es konnte gezeigt werden, dass einzig durch das puls-

modulierte Ansteuern der einzelnen LEDs beliebige Lichtverteilungen projiziert werden kön-

nen. Die erreichten Beleuchtungsstärken des Funktionsmusters entsprechen nicht denen eines

nach ECE oder SAE geforderten Scheinwerfers, da mit dem Funktionsmuster lediglich die

Funktion der modulierten Zeile gezeigt werden sollte und hypothetische zukünftige LEDs als

Berechnungsgrundlage galten. Um die notwendigen Beleuchtungsstärken zu erreichen, sind

mit diesem Aufbau LEDs mit wesentlich höheren Leuchtdichten nötig. Ob eine dramatische

Steigerung der Leuchtdichte der LED zu erwarten ist, sei an dieser Stelle noch einmal in Fra-

ge gestellt. Eine weitere Möglichkeit die Beleuchtungsstärke zu steigern, besteht darin, meh-

rere LED-Abbildungen verschiedener Arrays nacheinander auf die gleiche Stelle zu projizie-

ren. Es kann z.B. die verwendete LED-Zeile um eine weitere parallele Zeile erweitert werden,

so dass ein 2 x 16 Array entsteht. Wird diese zweite Zeile mit einer entsprechenden Phasen-

verschiebung angesteuert, liegen die Abbilder der beiden Zeilen übereinander und die Be-

leuchtungsstärke wird verdoppelt. (Abbildung 5-20, links) Des Weiteren kann über eine zwei-

te gespiegelte Abbildungsoptik eine zweite LED-Zeile auf die Zwischenbildebene abgebildet

werden. Dadurch verdoppeln sich die Leuchtdichten im Zwischenbild, wodurch eine Ver-

dopplung der Beleuchtungsstärken bewirkt wird. (Abbildung 5-20, rechts)

Abbildung 5-20 Erhöhung der Beleuchtungsstärke durch Überlagerung mehrerer LED-Arrays

Zusammenfassung und Ausblick

113

6 Zusammenfassung und Ausblick

Durch den Einsatz monochromatischer LEDs in Rückleuchten und andere Signalfunktionen

konnte gezeigt werden, dass durch diese Lichtquelle, bei gleichzeitiger Verlängerung der

Wartungsintervalle und einer Vielzahl neuer Designmöglichkeiten, sowohl Bauraum als auch

Energie eingespart werden kann. Seitdem es gelang weiße Hochleistungs-LEDs zu produzie-

ren, besteht seitens der Leuchtenindustrie der Wunsch, diese Vorteile auch für Beleuchtungs-

zwecke auszunutzen. Die Anforderungen für Beleuchtungslichtquellen (Scheinwerfer) unter-

scheiden sich jedoch wesentlich in einigen Punkten von selbst leuchtenden Systemen (Rück-

leuchten, Displays). Daher sind für Beleuchtungszwecke wesentlich höhere Leuchtdichten der

Lichtquelle nötig.

Durch die geringen Leuchtdichten heutiger LEDs ergeben sich größere optische Systeme.

Dies führt zu einer Bauraumvergrößerung und nicht zu einer Verkleinerung im Vergleich zu

Systemen mit herkömmlichen Lichtquellen wie Halogen- oder Xenonlampen. In dieser Arbeit

wurden analytisch alle physikalischen Möglichkeiten und Grenzen der Weißlichterzeugung

mittels LEDs verknüpft. Es zeigt sich, dass die Produktion von LEDs mit Leuchtdichten ähn-

lich der von Gasentladungslampen ein ehrgeiziges Ziel darstellt. Diese Hochleistungs-LEDs

werden auch zukünftig, aufgrund der nicht unerheblichen Verlustleistungen, bei hohen Junc-

tiontemperaturen betrieben werden. In Verbindung mit dem Effekt der thermischen Degrada-

tion von LEDs sind die gewünschten langen Lebensdauern für Kfz-Lichtquellen daher frag-

lich.

Der Aspekt der Energieeinsparung ist eng verbunden mit der Lichtausbeute der Lichtquelle.

Leuchten mit LEDs für z.B. Brems-, Rück- oder Blinklicht sind energieeffizienter als ver-

gleichbare konventionelle Leuchten, da im Gegensatz zu Glühlampen zur Erzeugung des far-

bigen Lichtes keine Filter verwendet werden. Für die Straßenbeleuchtung ist jedoch weißes,

ungefiltertes Licht notwendig. Die Lichtausbeute der weißen LED liegt nur knapp über der

Lichtausbeute der ungefilterten Glühlampe und noch weit unter der der Gasentladungslampe.

Es ist jedoch noch eine Steigerung der LED-Lichtausbeute im Laufe der nächsten Jahre zu

erwarten. Eine deutliche Steigerung gegenüber Gasentladungslampen ist aber unwahrschein-

lich.

Erste LED-Scheinwerfer benötigen daher mehr Bauraum, haben einen höheren Energieumsatz

und werden nur schwer gleiche Beleuchtungsstärken wie Xenonsysteme erreichen. Diese De-

fizite könnten in Zukunft gelöst werden. Es würde dadurch allerdings lediglich eine Licht-

quelle (Xenon) durch eine andere (LED) ersetzt. Aufgrund ihrer kleinen Bauweise bietet sich

die LED als Lichtquelle für selbst leuchtende Designelemente des Scheinwerfers an. Daher

werden in Zukunft zahlreiche LED-Tagfahrlichter zu beobachten sein. Dies führt zu der Über-

legung, dass ein Hybridsystem aus zwei Lichtquellentypen alle Vorteile verknüpft. Werden

Zusammenfassung und Ausblick

114

diese Lichtquellen an der für sie jeweils prädestinierten Stelle eingesetzt, minimieren sich

zudem die Nachteile. Ein Scheinwerfer, der zur Beleuchtung bei Nacht mit Xenonscheinwer-

fer arbeitet und am Tag bzw. bei Dämmerung auf LED umschaltet, sobald nur das Erkennen

des Fahrzeuges durch andere Verkehrsteilnehmer notwendig wird, vereint alle Vorteile. Die

Gasentladungslampe liefert hohe Leuchtdichten bei geringem Energieverbrauch und die Dio-

de ermöglicht fahrzeugspezifische Designs. Durch das automatische Schalten zwischen LED

und Xenon, würde die Xenonbrenndauer stark reduziert, wodurch die Lebensdauer der Xe-

nonlampe ein Autoleben überschreiten würde. Der Scheinwerfer wäre wartungsfrei.

Die LED besitzt ein entscheidendes Alleinstellungsmerkmal. Sie kann innerhalb kürzester

Zeit geschaltet werden. Diese kurzen Schaltzeiten haben zu der Frage geführt, ob dadurch

eine neue Scheinwerferfunktion, der aktive Scheinwerfer, realisiert werden kann. Mit Hilfe

einer adressierbaren Lichtverteilung soll es in Zukunft möglich werden, Hindernisse zu mar-

kieren oder blendgefährdete Verkehrsteilnehmer auszublenden. In dieser Arbeit wurde ein

System vorgestellt, das diese schnelle Lichtquelle synchron mit einer periodisch variablen

Optik kombiniert. Dadurch kann unter pulsmodulierter Ansteuerung der Lichtquelle die ge-

wünschte adressierbare Lichtverteilung realisiert werden. Um eine gepulste Lichtquelle in

einem Scheinwerfer zu verwenden, mussten zunächst einige wichtige physiologische Fragen

beantwortet werden.

Im Bezug auf die Blendung durch gepulste Scheinwerfer, lässt sich sagen, dass kein signifi-

kanter Unterschied des Schwellenkontrastes, also der objektiven Blendung, bei der Blendung

durch gepulste oder konstante Lichtquellen mit gleicher mittlerer Leuchtdichte festzustellen

ist. Somit können für gepulste Lichtquellen, die oberhalb der Flimmerverschmelzungsfre-

quenz betrieben werden, die gleichen lichttechnischen Grenzwerte, die bereits für ungepulste

Lichtquellen Anwendung finden, zur Blendungsreduzierung verwendet werden.

Trotz der Verwendung von Pulsfrequenzen oberhalb der Flimmerverschmelzungsfrequenz

sind bei schnellen Relativbewegungen der Lichtquelle zur Blickrichtung kurzeitig unterbro-

chene Leuchtspuren wahrnehmbar. Aufgrund seines Erscheinungsbildes wurde dieser Effekt

in dieser Arbeit Perlschnureffekt genannt. Es konnte gezeigt werden, dass diese Perlschnur,

bei einer Bewegung der Lichtquelle und starrem Auge, nur dann nicht sichtbar ist, wenn die

Pulsfrequenz mindestens dem Quotient aus Lichtquellenbreite und der Lichtquellenwinkelge-

schwindigkeit entspricht. Für das bewegte Auge ist die Perlschnur auch dann unsichtbar,

wenn die Leuchtdichte der Lichtquelle unterhalb der Schwelle der sakkadischen Supression

liegt. Aus diesem Grund zeigen Rückleuchten diesen Effekt lediglich nachts. Aufgrund der

hohen Blickgeschwindigkeiten während einer Sakkade ist der Perlschnureffekt nachts nur

durch eine extreme Frequenzerhöhung zu vermeiden. Um seine Auftrittswahrscheinlichkeit

dennoch weitestgehend zu reduzieren, wurden in dieser Arbeit Konstruktionsrichtlinien gege-

ben, die den Perlschnureffekt unterbinden.

Zusammenfassung und Ausblick

115

Neben den physiologischen Risiken waren auch einige technische Fragestellungen zu beant-

worten. Es zeigt sich, dass aufgrund der Fluorophorkonversion bei weißen LEDs, je nach

Wellenlänge, Schaltzeitverlängerungen von bis zu einer Mikrosekunde auftreten. Diese wei-

ßen LEDs sind daher nicht zur hochfrequenten Datenübertragung geeignet. Für die angestreb-

te Anwendung in einem Scheinwerfer spielt dieser Effekt allerdings keine Rolle.

Des Weiteren konnten anhand einer thermodynamischen Simulation keine Verbesserung der

thermischen Leitfähigkeit der LED im gepulsten Betrieb nachgewiesen werden. Es stellte sich

heraus, dass durch die thermische Kapazität des LED-Chips und durch den thermischen Wi-

derstand zwischen Chip und Heatsink eine Zeitkonstante gegeben ist, mit der die minimale

Pulsfrequenz einer LED bestimmt werden kann, bei der diese noch mit voller mittlerer Leis-

tung betrieben werden darf, ohne den p-n-Übergang zu überhitzen.

Mit Hilfe der gewonnen Erkenntnisse konnte ein Funktionsmuster gefertigt werden, das nach

dem Prinzip der Kombination einer gepulster LED-Zeile mit einer dynamisch periodisch

scannenden Projektionsoptik arbeitet. Für dieses Muster war es notwendig, die optischen,

mechanischen und elektronischen Komponenten auszulegen und zu einer Gesamtarchitektur

zusammenzufügen. Es konnte die Machbarkeit einer variablen Lichtverteilung durch alleini-

ges Ansteuern der Pulsparameter der Lichtquelle belegt werden.

Da sich das Muster aufgrund der aufwendigen Optik und Mechanik durch eine große Masse

auszeichnet und heutige LEDs nicht ausreichen um akzeptable Beleuchtungsstärken mit die-

sem Prinzip zu erzielen, sollte vorerst auf ein solches System als Hauptscheinwerfer verzich-

tet werden. Eine kleinere Variante ist als Nebenscheinwerfer für Markierungslichtfunktion

jedoch durchaus denkbar.

Literatur

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Stand: April 2006 123

Das Heinz Nixdorf Institut –

Interdisziplinäres Forschungszentrum

für Informatik und Technik

Das Heinz Nixdorf Institut ist ein Forschungszentrum der Universität

Paderborn. Es entstand 1987 aus der Initiative und mit Förderung von

Heinz Nixdorf. Damit wollte er Ingenieurwissenschaften und Informatik

zusammenzuführen, um wesentliche Impulse für neue Produkte und

Dienstleistungen zu erzeugen. Dies schließt auch die Wechselwirkungen

mit dem gesellschaftlichen Umfeld ein. Die Forschungsarbeit orientiert

sich an dem Programm „Dynamik, Mobilität, Vernetzung: Auf dem Weg

zu den technischen Systemen von morgen“. In der Lehre engagiert sich

das Heinz Nixdorf Institut in vielen Studiengängen der Universität. Hier

ist das übergeordnete Ziel, den Studierenden die Kompetenzen zu vermit-

teln, auf die es in der Wirtschaft morgen ankommt. Heute wirken am

Heinz Nixdorf Institut sieben Professoren mit insgesamt 200 Mitarbeite-

rinnen und Mitarbeitern. Etwa ein Viertel der Forschungsprojekte der

Universität Paderborn entfallen auf das Heinz Nixdorf Institut und pro

Jahr promovieren hier etwa 30 Nachwuchswissenschaftlerinnen und

Nachwuchswissenschaftler.

Heinz Nixdorf Institute –

Interdisciplinary Research Centre

for Computer Science and Technology

The Heinz Nixdorf Institute is a research centre within the University of

Paderborn. It was founded in 1987 initiated and supported by Heinz

Nixdorf. By doing so he wanted to create a symbiosis of computer sci-

ence and engineering in order to provide critical impetus for new prod-

ucts and services. This includes interactions with the social environment.

Our research is aligned with the program “Dynamics, Mobility, Integra-

tion: En route to the technical systems of tomorrow.” In training and edu-

cation the Heinz Nixdorf Institute is involved in many programs of study

at the University of Paderborn. The superior goal in education and train-

ing is to communicate competencies that are critical in tomorrow’s econ-

omy. Today seven Professors and 200 researchers work at the Heinz

Nixdorf Institute. The Heinz Nixdorf Institute accounts for approximately

a quarter of the research projects of the University of Paderborn and per

year approximately 30 young researchers receive a doctorate.

Bände der HNI-Verlagsschriftenreihe

___________________________________________________________________________

124 Bezugsadresse:

Heinz Nixdorf Institut

Universität Paderborn

Fürstenallee 11

33102 Paderborn

Bd. 1 F

AHRWINKEL

U.: Methoden zur Model-

lierung und Analyse von Geschäfts-

prozessen zur Unterstützung des

Business Process Reengineering.

Dissertation, Fachbereich für Maschinen-

technik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

1, 1995 – ISBN 3-931466-00-0

Bd. 2 H

ORNBOSTEL

D.: Methode zur Model-

lierung der Informationsverarbeitung in

Industrieunternehmen. Dissertation,

Fachbereich für Maschinentechnik,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 2, 1995

– ISBN 3-931466-01-9

Bd. 3 S

TEMANN

V.: Contention Resolution in

Hashing Based Shared Memory Simu-

lations. Dissertation, Fachbereich für

Informatik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

3, 1995 – ISBN 3-931466-02-7

Bd. 4 K

ETTERER

N.: Beschreibung von Daten-

austausch eines verteilten Fertigungs-

steuerungssystems. Dissertation, Fach-

bereich für Wirtschaftswissenschaften,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 4, 1995

– ISBN 3-931466-03-5

Bd. 5 H

ARTMANN

T.: Spezifikation und Klassifi-

kation von Methoden zur Definition

hierarchischer Abläufe. Dissertation,

Fachbereich für Wirtschaftswissen-

schaften, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

5, 1995 – ISBN 3-931466-04-3

Bd. 6 W

ACHSMANN

A.: Eine Bibliothek von

Basisdiensten für Parallelrechner:

Routing, Synchronisation, gemeinsamer

Speicher. Dissertation, Fachbereich für

Informatik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

6, 1995 – ISBN 3-931466-05-1

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einer multiplen Zukunft. 1. Paderborner

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Bd. 8 C

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niques: PRAM Algorithms and PRAM

Simulations. Dissertation, Fachbereich

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HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 8, 1995 – ISBN 3- 931466-07-8

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verarbeitung auf Basis eines objektorien-

tierten Anforderungsmodells. Disserta-

tion, Fachbereich für Maschinentechnik,

Universität Paderborn, HNI-Verlagsschrif-

tenreihe, Paderborn, Band 9, 1995 –

ISBN 3-931466-08-6

Bd. 10 A

MEUR

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Space-Bounded Learning

Algorithms. Dissertation, Fachbereich für

Informatik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

10, 1995 –ISBN 3-931466-09-4

Bd. 11 P

AUL

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Szenariobasiertes Konzipieren

neuer Produkte des Maschinenbaus auf

Grundlage möglicher zukünftiger Techno-

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bereich für Maschinentechnik, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 11, 1996 – ISBN 3-

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Ordnungsmäßigkeit von Infor-

mations- und Kommunikationssystemen.

Dissertation, Fachbereich für Informatik,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

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– ISBN 3-931466-11-6

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Workshop on Global Engineering Net-

working - organized by GLENnet e.V.,

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Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 14, 1996

– ISBN 3-931466-13-2

Bd. 15 L

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S.: Fallbasiertes Störungs-

management in flexiblen Fertigungs-

systemen. Dissertation, Fachbereich für

Maschinentechnik, Universität Pader-

born, HNI-Verlagsschriftenreihe, Pader-

born, Band 15, 1996 – ISBN 3-931466-

14-0

Bd. 16 S

CHNEIDER

U.: Ein formales Modell und

eine Klassifikation für die Fertigungs-

steuerung - Ein Beitrag zur Systematisie-

rung der Fertigungssteuerung.

Dissertation, Fachbereich für

Wirtschaftswissenschaften, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 16, 1996 – ISBN 3-

931466-15-9

Bände der HNI-Verlagsschriftenreihe

___________________________________________________________________________

Bezugsadresse: 125

Heinz Nixdorf Institut

Universität Paderborn

Fürstenallee 11

33102 Paderborn

Bd. 17 F

ELSER

W.: Eine Methode zur Erstellung

von Fertigungssteuerungsverfahren aus

Bausteinen. Dissertation, Fachbereich für

Wirtschaftswissenschaften, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 17, 1996 – ISBN 3-

931466-16-7

Bd. 18 G

AUSEMEIER

J.;

LEXANDER

INK

A.:

Neue

Wege zur Produktentwicklung – Erfolgs-

potentiale der Zukunft. HNI-Verlagsschrif-

tenreihe, Paderborn, Band 18, 1996–

ISBN 3-931466-17-5

Bd. 19 D

ANGELMAIER

W.;

AUSEMEIER

J.:

Fortgeschrittene Informationstechnologie

in der Produktentwicklung und Fertigung.

2. Internationales Heinz Nixdorf Sympo-

sium, HNI-Verlagsschriftenreihe, Pader-

born, Band 19, 1996 – ISBN 3-931466-

18-3

Bd. 20 H

ÜLLERMEIER

E.: Reasoning about Sys-

tems based on Incomplete and Uncertain

Models. Dissertation, Fachbereich für

Wirtschaftswissenschaften, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 20, 1997 – ISBN 3-

931466- 19-1

Bd. 21 G

AUSEMEIER

J.: International Symposium

on Global Engineering Network - Ant-

werb, Belgium, HNI-Verlagsschriften-

reihe, Paderborn, Band 21, 1997 – ISBN

3- 931466-20-5

Bd. 22 B

URGER

A.: Methode zum Nachweis der

Wirtschaftlichkeit von Investitionen in die

Rechnerintegrierte Produktion. Disserta-

tion, Fachbereich für Maschinentechnik,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 22, 1997

– ISBN 3-931466-21-3

Bd. 23 G

AUSEMEIER

J.: Entwicklung und Trans-

fer von Entwicklungssystemen der

Mechatronik - Paderborner Workshop

TransMechatronik. HNI-Verlagsschriften-

reihe, Paderborn, Band 23, 1997 – ISBN

3- 931466-22-1

Bd. 24 G

ERDES

K.-H.:

Architekturkonzeption für

Fertigungsleitsysteme der flexiblen auto-

matischen Fertigung. Dissertation,

Fachbereich für Maschinentechnik,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 24, 1997

– ISBN 3-931466-23-X

Bd. 25 E

BBESMEYER

P.: Dynamische Texturwän-

de - Ein Verfahren zur echtzeitorientier-

ten Bildgenerierung für Virtuelle Umge-

bungen technischer Objekte. Disserta-

tion, Fachbereich für Maschinentechnik,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 25, 1997

– ISBN 3-931466-24-8

Bd. 26 F

RANK

G.:

Ein digitales Hardwaresystem

zur echtzeitfähigen Simulation biologie-

naher neuronaler Netze. Dissertation,

Fachbereich für Elektrotechnik,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 26, 1997

– ISBN 3-931466-25-6

Bd. 27 D

ITTRICH

W.: Communication and I/O

Efficient Parallel Data Structures.

Dissertation, Fachbereich für Informatik,

Universität Paderborn, HNI-Verlagsschrif-

tenreihe, Paderborn, Band 27, 1997 –

ISBN 3-931466-26-4

Bd. 28 B

ÄUMKER

A.: Communication Efficient

Parallel Searching. Dissertation, Fach-

bereich für Informatik, Universität Pader-

born, HNI-Verlagsschriftenreihe, Pader-

born, Band 28 1997 – ISBN 3- 931466-

27-2

Bd. 29 P

INTASKE

C.: System- und Schaltungs-

technik neuronaler Assoziativspeicher.

Dissertation, Fachbereich für Elektro-

technik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

29, 1997 – ISBN 3-931466-28-0

Bd. 30 H

ENKEL

S.: Ein System von Software-

Entwurfsmustern für die Propagation von

Ereignissen in Werkzeugen zur koopera-

tiven Fabrikmodellierung. Dissertation,

Fachbereich für Wirtschaftswissen-

schaften, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

30, 1997 – ISBN 3-931466-29-9

Bd. 31 D

ANGELMAIER

W.: Vision Logistik – Logis-

tik wandelbarer Produktionsnetze. HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

31, 1997 – ISBN 3-931466-30-2

Bd. 32 B

REXEL

D.: Methodische Strukturmodel-

lierung komplexer und variantenreicher

Produkte des integrativen Maschinen-

baus. Dissertation, Fachbereich für Ma-

schinentechnik, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 32, 1997 – ISBN 3-931466-31-0

Bände der HNI-Verlagsschriftenreihe

___________________________________________________________________________

126 Bezugsadresse:

Heinz Nixdorf Institut

Universität Paderborn

Fürstenallee 11

33102 Paderborn

Bd. 33 H

AHN

A.: Integrationsumgebung für

verteilte objektorientierte Ingenieursys-

teme. Dissertation, Fachbereich für Ma-

schinentechnik, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 33, 1997 – ISBN 3-931466-32-9

Bd. 34 S

ABIN

A.: Semantisches Modell zum Auf-

bau von Hilfsorientierungsdiensten in

einem globalen Engineering Netzwerk.

Dissertation, Fachbereich für Maschi-

nentechnik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

34, 1997 – ISBN 3-931466-33-7

Bd. 35 S

TROTHMANN

W.-B.: Bounded Degree

Spanning Trees. Dissertation, Fachbe-

reich für Informatik, Universität Pader-

born, HNI-Verlagsschriftenreihe, Pader-

born, Band 35, 1997 – ISBN 3-931466-

34-5

Bd. 36 M

ÜLLER

W.;

AMMIG

F.-J.: Methoden und

Beschreibungssprachen zur Modellierung

und Verifikation von Schaltungen und

Systemen. HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 36, 1998 – ISBN 3-

931466- 35-3

Bd. 37 S

CHNEIDER

W.: Anwenderorientierte

Integration von CAE-Systemen. Ein Ver-

fahren zur Realisierung eines durch-

gehenden Informationsflusses entlang

des Produktentwicklungsprozesses. Dis-

sertation, Fachbereich für Maschinen-

technik, Universität Paderborn, HNI-Ver-

lagsschriftenreihe, Paderborn, Band 37,

1998 – ISBN 3-931466-36-1

Bd. 38 D

EMEL

W.;

CHMITZ

(Hrsg.): Entwick-

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temen der Mechatronik. Aachener Work-

shop TransMechatronik, 26. Juni 1998,

Technologiezentrum am Europaplatz

Aachen, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 38, 1998 – ISBN 3-

931466-37-X

Bd. 39 G

ROBBEL

R.;

ANGEMANN

T.: Leitfaden

PPS-Systeme: Auswahl und Einführung

in der Möbelindustrie. HNI-Verlagsschrif-

tenreihe, Paderborn, Band 39, 1998 –

ISBN 3-931466-38-8

Bd. 40 R

EHBEIN

P.: Tribologische Untersuchung

von hochfrequent schwingenden Gleit-

kontakten für den Einsatz in Reibkraft-

schlüssigen Antrieben. Dissertation,

Fachbereich für Maschinentechnik,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 40, 1998

– ISBN 3-931466-39-6

Bd. 41 D

ANGELMAIER

W.: KOMNET – Kommuni-

kationsplattform für KMU-Netzwerke.

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 41, 1998 – ISBN 3-931466-40-X

Bd. 42 K

ALLMEYER

F.: Eine Methode zur Model-

lierung prinzipieller Lösungen mechatro-

nischer Systeme. Dissertation, Fachbe-

reich für Maschinentechnik, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 42, 1998 – ISBN 3-

931466-41-8

Bd. 43 T

RAPP

R.: Stereoskopische Korrespon-

denzbestimmung mit impliziter Detektion

von Okklusionen. Dissertation, Fachbe-

reich für Elektrotechnik, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 43, 1998 – ISBN 3-

931466-42-6

Bd. 44 G

AUSEMEIER

J.;

INK

CHLAKE

O.:

Grenzen überwinden - Zukünfte gestal-

ten. 2. Paderborner Konferenz für Sze-

nario-Management, HNI-Verlagsschrif-

tenreihe, Paderborn, Band 44, 1998 –

ISBN 3-931466-43-4

Bd. 45 wird noch vergeben!

Bd. 46 V

ÖCKING

B.: Static and Dynamic Data

Management in Networks. Dissertation,

Fachbereich für Informatik, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 46, 1998 – ISBN 3-

931466-45-0

Bd. 47 S

CHEKELMANN

A.: Materialflußsteuerung

auf der Basis des Wissens mehrerer

Experten. Dissertation, Fachbereich für

Wirtschaftswissenschaften, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 47, 1999 – ISBN 3-

931466-46-9

Bd. 48 G

ECK

-M

ÜGGE

K.: Herleitung und Spezi-

fikation generischer Bausteine zur ein-

heitlichen Modellierung von Fertigungs-

informationen für die Fertigungssteue-

rung. Dissertation, Fachbereich für Wirt-

schaftswissenschaften, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 48, 1999 – ISBN 3-

931466-47-7

Bände der HNI-Verlagsschriftenreihe

___________________________________________________________________________

Bezugsadresse: 127

Heinz Nixdorf Institut

Universität Paderborn

Fürstenallee 11

33102 Paderborn

Bd. 49 W

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J.;

ÜCKEL

J.;

ITTMANN

W.:

Heinz Nixdorf Symposium on Mechatro-

nics and Advanced Motion Control. 3.

Internationales Heinz Nixdorf Symposi-

um, HNI-Verlagsschriftenreihe, Pader-

born, Band 49, 1999 – ISBN 3-931466-

48-5

Bd. 50 F

INK

A.: Szenariogestützte Führung

industrieller Produktionsunternehmen.

Dissertation, Fachbereich für Maschinen-

technik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

50, 1999 – ISBN 3-931466-49-3

Bd. 51 H

OLTKAMP

R.: Ein objektorientiertes

Rahmenwerk zur Erstellung individueller,

verteilter Fertigungslenkungssysteme.

Dissertation, Fachbereich für Wirtschafts-

wissenschaften, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 51, 1999 – ISBN 3-931466-50-7

Bd. 52 K

UHN

A.: Referenzmodelle für Pro-

duktionsprozesse zur Untersuchung und

Gestaltung von PPS-Aufgaben. Disserta-

tion, Fachbereich für Wirtschaftswissen-

schaften, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

52, 1999 – ISBN 3-931466-51-5

Bd. 53 S

IEBE

A.: Systematik der Umsetzung von

IT-orientierten Veränderungsprojekten in

dynamischen Umfeldern. Dissertation,

Fachbereich für Maschinentechnik,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 53, 1999

– ISBN 3-931466-52-3

Bd. 54 K

LAHOLD

F.:

Dimensionierung kom-

plexer Produktionsnetzwerke. Disserta-

tion, Fachbereich für Wirtschaftswissen-

schaften, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

54, 1999 – ISBN 3-931466-53-1

Bd. 55 S

CHÜRHOLZ

A.: Synthese eines Modells

zur simulationsgestützten Potentialana-

lyse der Distribution. Dissertation, Fach-

bereich für Wirtschaftswissenschaften,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 55, 1999

– ISBN 3-931466-54-X

Bd. 56 G

EHNEN

G.:

Integriertes Netzwerk zur

Fertigungssteuerung und –automatisie-

rung. Dissertation, Fachbereich für Ma-

schinentechnik, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 56, 1999 – ISBN 3-931466-55-8

Bd. 57 K

RESS

S.: Architektur eines workflow-

basierten Planungsinstruments für die

technische Auftragsbearbeitung unter

besonderer Berücksichtigung des Einsat-

zes der Telearbeit. Dissertation, Fach-

bereich für Wirtschaftswissenschaften,

Universität Paderborn, HNI-Verlagsschrif-

tenreihe, Paderborn, Band 57, 1999 –

ISBN 3-931466-56-6

Bd. 58 T

HIELEMANN

F.: Integrierte Methodik zur

Gestaltung von Leistungserstellungspro-

zessen mittels Workflowmanagement.

Dissertation, Fachbereich für Maschinen-

technik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

58, 1999 – ISBN 3-931466-57-4

Bd. 59 K

ROME

J.: Modelle zur Untersuchung des

Schwingungsverhaltens von Statoren für

piezoelektrische Ultraschall-Wanderwel-

len-Motoren. Dissertation, Fachbereich

für Maschinentechnik, Universität Pader-

born, HNI-Verlagsschriftenreihe, Pader-

born, Band 59, 1999 – ISBN 3-931466-

58-2

Bd. 60 D

EMEL

W.;

CHMITZ

(Hrsg.): Entwick-

lung und Transfer von Entwicklungssys-

temen der Mechatronik. Krefelder Work-

shop TransMechatronik, 24. August 1999

Fachhochschule Niederrhein, HNI-Ver-

lagsschriftenreihe, Paderborn, Band 60,

1999 – ISBN 3-931466-59-0

Bd. 61 L

ANGEMANN

T.: Modellierung als Kern-

funktion einer systemorientierten Analyse

und Bewertung der diskreten Produktion.

Dissertation, Fachbereich für Wirtschafts-

wissenschaften, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 61, 1999 – ISBN 3-931466-60-4

Bd. 62 K

ÜMMEL

M.: Integration von Methoden

und Werkzeugen zur Entwicklung von

mechatronischen Systemen. Dissertation,

Fachbereich für Maschinentechnik,

Universität Paderborn, HNI-Verlagsschrif-

tenreihe, Paderborn, Band 62, 1999 –

ISBN 3-931466-61-2

Bd. 63 L

UKOVSZKI

T.: New Results on Geometric

Spanners and Their Applications. Disser-

tation, Fachbereich für Informatik, Univer-

sität Paderborn, HNI-Verlagsschrif-

tenreihe, Paderborn, Band 63, 1999 –

ISBN 3-931466-62-0

Bände der HNI-Verlagsschriftenreihe

___________________________________________________________________________

128 Bezugsadresse:

Heinz Nixdorf Institut

Universität Paderborn

Fürstenallee 11

33102 Paderborn

Bd. 64 L

ÖFFLER

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ÜCKERT

(Hrsg.): Experiments with the Mini-Robot

Khepera, Proceedings of the 1st Interna-

tional Khepera Workshop. HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 64, 1999

– ISBN 3-931466-63-9

Bd. 65 S

CHÄFERMEIER

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ISCHOFF

C.: KMUnet

- Ein Konzept zur ablauforganisatori-

schen Gestaltung der Lieferanteneinbin-

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born, Band 65, 2000 – ISBN 3-931466-

64-7

Bd. 66 H

OLTHÖFER

N.: Regeln in einer Mengen-

planung unter Ausbringungsgrenzen. Dis-

sertation, Fachbereich für Wirtschafts-

wissenschaften, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 66, 2000 – ISBN 3-931466-69-8

Bd. 67 S

CHLAKE

O.: Verfahren zur kooperativen

Szenario-Erstellung in Industrieunter-

nehmen. Dissertation, Fachbereich für

Maschinentechnik, Universität Pader-

born, HNI-Verlagsschriftenreihe, Pader-

born, Band 67, 2000 – ISBN 3-931466-

66- 3

Bd. 68 L

EWANDOWSKI

A.: Methode zur Gestal-

tung von Leistungserstellungsprozessen

in Industrieunternehmen. Dissertation,

Fachbereich für Maschinentechnik,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 68, 2000

– ISBN 3-931466-67-1

Bd. 69 S

CHMIDTMANN

A.: Eine Spezifikations-

sprache für die Fertigungslenkung.

Dissertation, Fachbereich für Wirtschafts-

wissenschaften, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 69, 2000 – ISBN 3-931466-68-X

Bd. 70 G

ROBBEL

R.:

Eine Referenzarchitektur für

Kooperationsbörsen. Dissertation, Fach-

bereich für Wirtschaftswissenschaften,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 70, 2000

– ISBN 3-931466-69-8

Bd. 71 W

ESSEL

R.:

Modelocked Waveguide

Lasers in Lithium Niobate. Dissertation,

Fachbereich für Physik, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 71, 2000 – ISBN 3-

931466-70-1

Bd. 72 L

ÖFFLER

A.: Energetische Modellierung

neuronaler Signalverarbeitung. Disserta-

tion, Fachbereich für Informatik, Universi-

tät Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 72, 2000 – ISBN 3-

931433-71-X

Bd. 73 L

UDWIG

A.: Computational Intelligence

in der Produktionswirtschaft. Dissertation,

Fachbereich für Wirtschaftswissenschaf-

ten, Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 73, 2000

– ISBN 3-931466-72-8

Bd. 74 W

ENSKI

R.: Eine objektorientierte

Systemkomponente zur Workflow-Model-

lierung und -Ausführung unter beson-

derer Berücksichtigung der Telekoopera-

tion. Dissertation, Fachbereich für Wirt-

schaftswissenschaften, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 74, 2000 – ISBN 3-

931466-73-6

Bd. 75 G

RASMANN

M.: Produktkonfiguration auf

Basis von Engineering Data Manage-

ment-Systemen. Dissertation, Fach-

bereich für Maschinentechnik, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 75, 2000 – ISBN 3-

931466-74-4

Bd. 76 D

ITZE

C.: Towards Operating System

Synthesis. Dissertation, Fachbereich für

Informatik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

76, 2000 – ISBN 3-931466-75-2

Bd. 77 K

ÖRNER

T.: Analog VLSI Implementation

of a Local Cluster Neural Network. Dis-

sertation, Fachbereich für Elektrotechnik,

Universität Paderborn, HNI-Verlagsschrif-

tenreihe, Paderborn, Band 77, 2000 –

ISBN 3-931466-76-0

Bd. 78 S

CHEIDELER

C.: Probabilistic Methods for

Coordination Problems. Dissertation,

Fachbereich für Informatik, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 78, 2000 – ISBN 3-

931466-77-9

Bd. 79 G

AUSEMEIER

J.; L

INDEMANN

, U.; R

EINHART

G.; W

IENDAHL

, H.-P.: Kooperatives Pro-

duktengineering - Ein neues Selbstver-

ständnis des ingenieurmäßigen Wirkens.

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 79, 2000 – ISBN 3-931466-78-7

Bände der HNI-Verlagsschriftenreihe

___________________________________________________________________________

Bezugsadresse: 129

Heinz Nixdorf Institut

Universität Paderborn

Fürstenallee 11

33102 Paderborn

Bd. 80 G

AUSEMEIER

J.;

ÜCKEL

J.: Entwicklungs-

umgebungen Mechatronik - Methoden

und Werkzeuge zur Entwicklung mecha-

tronischer Systeme. HNI-Verlagsschrif-

tenreihe, Paderborn, Band 80, 2000 –

ISBN 3-931466-79-5

Bd. 81 R

IEPING

I.: Communication in Parallel

Systems-Models, Algorithms and Imple-

mentations. Dissertation, Fachbereich für

Informatik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

81, 2000 – ISBN 3-931466-80-9

Bd. 82 G

AUSEMEIER

ÜCKEL

J.: Auf dem Weg

zu den Produkten für die Märkte von mor-

gen. 4. Internationales Heinz Nixdorf

Symposium, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 82, 2000 – ISBN 3-

931466-81-7

Bd. 83 D

ASTILLO

G.: The ASM Workbench -

A Tool Environment for Computer-Aided

Analysis and Validation of Abstract State

Machine Models. Dissertation, Fach-

bereich für Informatik, Universität Pader-

born, HNI-Verlagsschriftenreihe, Pader-

born, Band 83, 2000 – ISBN 3-931466-

82-5

Bd. 84 S

CHÄFERMEIER

U.: Eine Methode zur

systemorientierten organisatorischen

Gestaltung der Zweckaufgabenverrich-

tung in kooperativen Verbünden; Klassifi-

kation, Aufgabenzuordnung. Dissertation,

Fachbereich für Wirtschaftswissen-

schaften, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

84, 2000 – ISBN 3-931466-83-3

Bd. 85 K

RÜGER

J.: Ganzheitliche Beherrschung

von Abläufen in und zwischen soziotech-

nischen Systemen: Ein Beitrag zur

Modellbildung und zum paradigmatischen

Verständnis von Industrieunternehmen

zur Integration von Mensch und

Maschine; Prozess und Struktur.

Dissertation, Fachbereich für Wirtschafts-

wissenschaften, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 85, 2000 – ISBN 3-931466-84-1

Bd. 86 B

ARTSCHER

T.: Methoden des Inte-

grierten Workflowmanagements (IWFM).

Dissertation, Fachbereich für Maschinen-

technik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

86, 2000 – ISBN 3-931466-85-X

Bd. 87 Q

UINTANILLA

J.:

Ein Verifikationsansatz

für eine netzbasierte Modellierungsme-

thode für Fertigungssteuerungssysteme.

Dissertation, Fachbereich für Informatik,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 87, 2000

– ISBN 3-931466-86-8

Bd. 88 P

REIS

R.: Analyses and Design of

Efficient Graph Partitioning Methods.

Dissertation, Fachbereich für Maschinen-

technik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

88, 2001 – ISBN 3-931466-87-6

Bd. 89 wird noch vergeben!

Bd. 90 W

ESTERMANN

M.:

Caching in Networks:

Non-Uniform Algorithms and Memory

Capacity Constraints. Dissertation, Fach-

bereich für Informatik, Universität Pader-

born, HNI-Verlagsschriftenreihe, Pader-

born, Band 90, 2001 – ISBN 3-931466-

89-2

Bd. 91 L

EMKE

J.:

Nutzenorientierte Planung des

Einsatzes von CAD- / CAE-Systemen.

Dissertation, Fachbereich für Maschinen-

technik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

91, 2001 – ISBN 3-935433-00-X

Bd. 92 V

OHUSZEWICZ

O.:

Eine Methode zur

Visualisierung von Geschäftsprozessen

in einer virtuellen Umgebung. Disserta-

tion, Fachbereich für Maschinentechnik,

Universität Paderborn, HNI-Verlagsschrif-

tenreihe, Paderborn, Band 92, 2001 –

ISBN 3-935433-01-8

Bd. 93 B

ÖRNCHEN

T.: Zur Entwicklung dyna-

mischer Komponenten für variables

Kraftfahrzeug-Scheinwerferlicht. Disser-

tation, Fachbereich für Maschinentech-

nik, Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 93, 2001

– ISBN 3-935433-02-6

Bd. 94 W

INDELER

I.: Auswahl von Restrukturie-

rungsprojekten in Forschungs- und Ent-

wicklungsorganisationen der Automobil-

industrie. Dissertation, Fachbereich für

Maschinentechnik, Universität Pader-

born, HNI-Verlagsschriftenreihe, Pader-

born, Band 94, 2001 – ISBN 3-935433-

03-4

Bd. 95 W

OLFF

C.:

Parallele Simulation großer

pulscodierter neuronaler Netze. Disserta-

tion, Fachbereich für Elektrotechnik,

Universität Paderborn, HNI-Verlagsschrif-

tenreihe, Paderborn, Band 95, 2001 –

ISBN 3-935433-04-2

Bände der HNI-Verlagsschriftenreihe

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130 Bezugsadresse:

Heinz Nixdorf Institut

Universität Paderborn

Fürstenallee 11

33102 Paderborn

Bd. 96 H

ENKE

A.:

Modellierung, Simulation und

Optimierung piezoelektrischer Stellsys-

teme. Dissertation, Fachbereich für Ma-

schinentechnik, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 96, 2001 – ISBN 3-935433-05-0

Bd. 97 R

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U.;

ITTE

J.;

ITKOWSKI

(Hrsg.): Autonomous Minirobots for

Research and Edutainment AMiRE2001.

5. Internationales Heinz Nixdorf Symposi-

um, HNI-Verlagsschriftenreihe, Pader-

born, Band 97, 2001 – ISBN 3-935433-

06-9

Bd. 98 L

P.: Datenkonversion für den Daten-

austausch in verteilten Fertigungs-

Lenkungssystemen. Dissertation, Fach-

bereich für Wirtschaftswissenschaften,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 98, 2001

– ISBN 9-935433-07-7

Bd. 99 B

RANDT

C.: Eine modellbasierte Methode

zum strukturierten Entwurf virtueller

Umgebungen. Dissertation, Fachbereich

für Maschinentechnik, Universität Pader-

born, HNI-Verlagsschriftenreihe, Pader-

born, Band 99, 2001 – ISBN 9-935433-

08-5

Bd. 100 W

LEKLINSKI

C.: Methode zur Effektivitäts-

und Effizienzbewertung der Entwicklung

maschinenbaulicher Anlagen. Disserta-

tion, Fachbereich für Maschinentechnik,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 100,

2001 – ISBN-3-935433-09-3

Bd. 101 H

EMSEL

T.: Untersuchung und Weiterent-

wicklung linearer piezoelektrischer

Schwingungsantriebe. Dissertation, Fach-

bereich für Maschinentechnik, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 101, 2001 – ISBN 3-

935433-10-7

Bd. 102 M

AUERMANN

H.: Leitfaden zur Erhöhung

der Logistikqualität durch Analyse und

Neugestaltung der Versorgungsketten.

Dissertation, Fachbereich für Wirtschafts-

wissenschaften, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 102, 2001 – ISBN 3-935433-11-5

Bd. 103 W

AGENBLAßT

D.: Eine Analysemethode

zur Beurteilung der Funktionssicherheit

von gemischt analog-digitalen Schal-

tungen. Dissertation, Fakultät für

Elektrotechnik, Informatik und Mathe-

matik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

103, 2002 – ISBN 3-935433-12-3

Bd. 104 P

ORRMANN

M.: Leistungsbewertung ein-

gebetteter Neurocomputersysteme.

Dissertation, Fakultät für Elektrotechnik,

Informatik und Mathematik, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 104, 2002 – ISBN 3-

935433-13-1

Bd. 105 S

EIFERT

L.: Methodik zum Aufbau von

Informationsmodellen für Electronic

Business in der Produktentwicklung.

Dissertation, Fakultät für Maschinenbau,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 105,

2002 – ISBN 3-935433-14-X

Bd. 106 S

OETEBEER

M.: Methode zur Model-

lierung, Kontrolle und Steuerung von Pro-

duktstrategien. Dissertation, Fakultät für

Maschinenbau, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 106, 2002 – ISBN 3-935433-15-8

Bd. 107 G

AUSEMEIER

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M. (Hrsg.):

1. Paderborner Workshop Augmented &

Virtual Reality in der Produktentstehung.

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 107, 2002 – ISBN 3-935433-16-6

Bd. 108 F

LATH

M.: Methode zur Konzipierung

mechatronischer Produkte. Dissertation,

Fakultät für Maschinenbau, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 108, 2002 – ISBN 3-

935433-17-4

Bd. 109 A

VENARIUS

J.: Methoden zur Suche und

Informationsbereitstellung von Lösungs-

elementen für die Entwicklung mechatro-

nischer Systeme. Dissertation, Fakultät

für Maschinenbau, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 109, 2002 – ISBN 3-935433-18-2

Bd. 110 H

ELMKE

S.: Eine simulationsgegestützte

Methode für Budgetentscheidungen im

Kundenbindungsmanagement. Disserta-

tion, Fakultät für Wirtschaftswissenschaf-

ten, Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 110,

2002 – ISBN 3-935433-19-0

Bände der HNI-Verlagsschriftenreihe

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Bezugsadresse: 131

Heinz Nixdorf Institut

Universität Paderborn

Fürstenallee 11

33102 Paderborn

Bd. 111 C

ZUBAYKO

R.: Rechnerinterne Repräsen-

tation von informationsverarbeitenden

Lösungselementen für die verteilte

kooperative Produktentwicklung in der

Mechatronik. Dissertation, Fakultät für

Maschinenbau, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 111, 2002 – ISBN 3-935433-20-4

Bd. 112 G

OLDSCHMIDT

S.: Anwendung mengen-

orientierter numerischer Methoden zur

Analyse nichtlinearer dynamischer Sys-

teme am Beispiel der Spurführungsdyna-

mik von Schienenfahrzeugen. Disserta-

tion, Fakultät für Maschinenbau, Univer-

sität Paderborn, HNI-Verlagsschriften-

reihe, Paderborn, Band 112, 2002 – ISBN

3-935433-21-2

Bd. 113 L

EHMANN

T.: Towards Device Driver

Synthesis. Dissertation, Fakultät für

Elektrotechnik, Informatik und Mathe-

matik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

113, 2002 – ISBN 3-935433-22-0

Bd. 114 H

ÄRTEL

W.: Issueorientierte Frühaufklä-

rung. Dissertation, Fakultät für Maschi-

nenbau, Universität Paderborn, HNI-Ver-

lagsschriftenreihe, Paderborn, Band 114,

2002 – ISBN 3-935433-23-9

Bd. 115 Z

IEGLER

M.: Zur Berechenbarkeit reeller

geometrischer Probleme. Dissertation,

Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und

Mathematik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

115, 2002 – ISBN 3-935433-24-7

Bd. 116 S

CHMIDT

M.: Neuronale Assoziativspei-

cher im Information Retrieval. Disserta-

tion, Fakultät für Elektrotechnik, Infor-

matik und Mathematik, Universität Pader-

born, HNI-Verlagsschriftenreihe, Pader-

born, Band 116, 2003 – ISBN 3-935433-

25-5

Bd. 117 E

-K

EBBE

A.: Towards the MaSHReC

Manufacturing System under Real-Time

Constraints. Dissertation, Fakultät für

Elektrotechnik, Informatik und Mathe-

matik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

117, 2003 – ISBN 3-935433-26-3

Bd. 118 P

USCH

R.: Personalplanung und -ent-

wicklung in einem integrierten Vorge-

hensmodell zur Einführung von PDM-

Systemen. Dissertation, Fakultät für

Maschinenbau, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 118, 2003 – ISBN 3-935433-27-1

Bd. 119 S

OHLER

C.: Property Testing and

Geometry. Dissertation, Fakultät für

Elektrotechnik, Informatik und Mathe-

matik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

119, 2003 – ISBN 3-935433-28-X

Bd. 120 K

ESPOHL

H.: Dynamisches Matching –

Ein agentenbasiertes Verfahren zur

Unterstützung des Kooperativen Produkt-

engineering durch Wissens- und Techno-

logietransfer. Dissertation, Fakultät für

Maschinenbau, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 120, 2003 – ISBN 3-935433-29-8

Bd. 121 M

OLT

T.: Eine domänenübergreifende

Softwarespezifikationstechnik für auto-

matisierte Fertigungsanlagen. Disserta-

tion, Fakultät für Maschinenbau, Univer-

sität Paderborn, HNI-Verlagsschriften-

reihe, Paderborn, Band 121, 2003 – ISBN

3-935433-30-1

Bd. 122 G

AUSEMEIER

J.;

ÜCKEL

J.;

ALLASCHEK

J. (Hrsg.): 1. Paderborner Workshop

Intelligente mechatronische Systeme.

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 122, 2003 – ISBN 3-935433-31-X

Bd. 123 G

AUSEMEIER

J.;

RAFE

(Hrsg.):

2. Paderborner Workshop Augmented &

Virtual Reality in der Produktentstehung.

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 123, 2003 – ISBN 3-935433-32-8

Bd. 124 L

ITTMANN

W.: Piezoelektrische resonant

betriebene Ultraschall-Leistungswandler

mit nichtlinearen mechanischen Randbe-

dingungen. Dissertation, Fakultät für

Maschinenbau, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 124, 2003 – ISBN 3-935433-33-6

Bd. 125 W

ICKORD

W.: Zur Anwendung probabi-

listischer Methoden in den frühen Phasen

des Systementwurfs. Dissertation,

Fakultät für Maschinenbau, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 125, 2003 – ISBN 3-

935433-34-4

Bd. 126 H

EITTMANN

A.: Ressourceneffiziente

Architekturen neuronaler Assoziativ-

speicher. Dissertation, Fakultät für

Elektrotechnik, Informatik und Mathe-

matik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

126, 2003 – ISBN 3-935433-35-2

Bände der HNI-Verlagsschriftenreihe

___________________________________________________________________________

132 Bezugsadresse:

Heinz Nixdorf Institut

Universität Paderborn

Fürstenallee 11

33102 Paderborn

Bd. 127 W

ITKOWSKI

U.: Einbettung selbst-

organisierender Karten in autonome

Miniroboter. Dissertation, Fakultät für

Elektrotechnik, Informatik und Mathe-

matik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

127, 2003 – ISBN 3-935433-36-0

Bd. 128 B

OBDA

C.: Synthesis of Dataflow Graphs

for Reconfigurable Systems using

Temporal Partitioning and Temporal

Placement. Dissertation, Fakultät für

Elektrotechnik, Informatik und Mathe-

matik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

128, 2003 – ISBN 3-935433-37-9

Bd. 129 H

ELLER

F.:

Wissensbasiertes Online-

Störungsmanagement flexibler, hoch

automatisierter Montagesysteme. Disser-

tation, Fakultät für Wirtschaftswissen-

schaften, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

129, 2003 – ISBN 3-935433-38-7

Bd. 130 K

ÜHN

A.: Systematik des Ideenmanage-

ments im Produktentstehungsprozess.

Dissertation, Fakultät für Maschinenbau,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 130,

2003 – ISBN 3-935433-39-5

Bd. 131 K

EIL

-S

LAWIK

R.;

RENNECKE

A.;

OHEN

HAUS

M.: ISIS -Installationshandbuch für

lernförderliche Infrastrukturen. HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

131, 2003 – ISBN 3-935433-40-9

Bd. 132 O

ULD

AMADY

M.: Ein Ansatz zur Gestal-

tung des operativen Fertigungsmanage-

ments innerhalb der Lieferkette. Disserta-

tion, Fakultät für Wirtschaftswissen-

schaften, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

132, 2003 – ISBN 3-935433-41-7

Bd. 133 H

OLTZ

C.: Theoretical Analysis of

Unsupervised On-line Learning through

Soft Competition. Dissertation, Fakultät

für Elektrotechnik, Informatik und Mathe-

matik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

133, 2003 – ISBN 3-935433-42-5

Bd. 134 U

EBEL

M.: Ein Modell zur Steuerung der

Kundenbearbeitung im Rahmen des

Vertriebsmanagements. Dissertation,

Fakultät für Wirtschaftswissenschaften,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 134,

2003 – ISBN 3-935433-43-3

Bd. 135 B

RINKMANN

A.: Verteilte Algorithmen zur

Datenplazierung und zum Routing in

gegnerischen Netzwerken. Dissertation,

Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und

Mathematik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

135, 2003 – ISBN 3-935433-44-1

Bd. 136 F

RÜND

E.: Aktive Kompensation von pe-

riodischen Schwingungen an rotierenden

Walzen. Dissertation, Fakultät für Ma-

schinenbau, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

136, 2003 – ISBN 3-935433-45-X

Bd. 137 K

EIL

-S

LAWIK

(Hrsg.): Digitale Medien

in der Hochschule: Infrastrukturen im

Wandel. HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 137, 2004 – ISBN 3-

935433-46-8

Bd. 138 S

TORCK

H.: Optimierung der Kontaktvor-

gänge bei Wanderwellenmotoren. Disser-

tation, Fakultät für Maschinenbau,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 138,

2004 – ISBN 3-935433-47-6

Bd. 139 K

ALTE

H.: Einbettung dynamisch rekon-

figurierbarer Hardwarearchitekturen in

eine Universalprozessorumgebung. Dis-

sertation, Fakultät für Elektrotechnik, In-

formatik und Mathematik, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 139, 2004 – ISBN 3-

935433-48-4

Bd. 140 I

SKE

B.: Modellierung und effiziente

Nutzung aktiver Infrarotsensorik in auto-

nomen Systemen. Dissertation, Fakultät

für Elektrotechnik, Informatik und Mathe-

matik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

140, 2004 – ISBN 3-935433-49-2

Bd. 141 B

ÄTZEL

D.: Methode zur Ermittlung und

Bewertung von Strategiealternativen im

Kontext Fertigungstechnik. Dissertation,

Fakultät für Maschinenbau, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 141, 2004 – ISBN 3-

935433-50-6

Bd. 142 B

ÖKE

C.: Automatic Configuration of

Real-Time Operating Systems and Real-

Time Communication Systems for Distri-

buted Embedded Applications. Disserta-

tion, Fakultät für Elektrotechnik, Informa-

tik und Mathematik, Universität Pader-

born, HNI-Verlagsschriftenreihe, Pader-

born, Band 142, 2004 – ISBN 3-935433-

51-4

Bände der HNI-Verlagsschriftenreihe

___________________________________________________________________________

Bezugsadresse: 133

Heinz Nixdorf Institut

Universität Paderborn

Fürstenallee 11

33102 Paderborn

Bd. 143 K

ÖCKERLING

M.: Methodische Entwick-

lung und Optimierung der Wirkstruktur

mechatronischer Produkte. Dissertation,

Fakultät für Maschinenbau, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 143, 2004 – ISBN 3-

935433-52-2

Bd. 144 H

ENZLER

S: Methodik zur Konzeption der

Struktur und der Regelung leistungs-

verzweigter Getriebe mit Toroidvariator.

Dissertation, Fakultät für Maschinenbau,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 144,

2004 – ISBN 3-935433-53-0

Bd. 145 G

AUSEMEIER

J.;

ÜCKEL

J.;

ALLASCHEK

J. (Hrsg.): 2. Paderborner Workshop

Intelligente mechatronische Systeme.

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 145, 2004 – ISBN 3-935433-54-9

Bd. 146 L

ESSING

H.: Prozess zur multivariaten

Prognose von Produktionsprogrammen

für eine effiziente Kapazitätsplanung bei

typisierten Dienstleistungen. Dissertation,

Fakultät für Wirtschaftswissenschaften,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 146,

2004 – ISBN 3-935433-55-7

Bd. 147 H

AMOUDIA

H.: Planerische Ablaufgestal-

tung bei prozessorientierten Dienst-

leistungen. Dissertation, Fakultät für

Wirtschaftswissenschaften, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 147, 2004 – ISBN 3-

935433-56-5

Bd. 148 B

USCH

A.: Kollaborative Änderungspla-

nung in Unternehmensnetzwerken der

Serienfertigung – ein verhandlungsba-

sierter Ansatz zur interorganisationalen

Koordination bei Störungen. Dissertation,

Fakultät für Wirtschaftswissenschaften,

Universität Paderborn, HNI-Verlagsschrif-

tenreihe, Paderborn, Band 148, 2004 –

ISBN 3-935433-57-3

Bd. 149 G

AUSEMEIER

J.;

RAFE

M. (Hrsg.):

3. Paderborner Workshop Augmented &

Virtual Reality in der Produktentstehung.

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 149, 2004 – ISBN 3-935433-58-1

Bd.150 M

EYER

B.: Value-Adding Logistics for a

World Assembly Line. Dissertation, Fa-

kultät für Wirtschaftswissenschaften,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 150,

2004 – ISBN 3-935433-59-X

Bd. 151 G

RIENITZ

V.: Methodik zur Erstellung von

Technologieszenarien für die strate-

gische Technologieplanung. Dissertation,

Fakultät für Maschinenbau, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 151, 2004 – ISBN 3-

9354 33-60-3

Bd. 152 F

RANKE

H.: Eine Methode zur unterneh-

mensübergreifenden Transportdisposition

durch synchron und asynchron

kommunizierende Agenten. Dissertation,

Fakultät für Wirtschaftswissenschaften,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 152,

2004 – ISBN 3-9354 33-61-1

Bd. 153 S

ALZWEDEL

A.: Data Distribution

Algorithms for Storage Networks. Disser-

tation, Fakultät für Elektrotechnik, Infor-

matik und Mathematik, Universität Pader-

born, HNI-Verlagsschriftenreihe, Pader-

born, Band 153, 2004 – ISBN 3-935433-

62-X

Bd. 154 R

ÄCKE

H.: Data Management and

Routing in General Networks. Disserta-

tion, Fakultät für Elektrotechnik, Informa-

tik und Mathematik, Universität Pader-

born, HNI-Verlagsschriftenreihe, Pader-

born, Band 154, 2004 – ISBN 3-935433-

63-8

Bd. 155 F

RANK

U.;

IESE

H.;

LEIN

F.;

BERSCHELP

O.;

CHMIDT

A.;

CHULZ

B.;

ÖCKING

H.;

ITTING

K.;

AUSEMEIER

(Hrsg.): Selbstoptimierende Systeme des

Maschinenbaus – Definitionen und Kon-

zepte. HNI-Verlagsschriftenreihe, Pader-

born, Band 155, 2004 – ISBN 3-935433-

64-6

Bd. 156 M

ÖHRINGER

S.:

Entwicklungsmethodik für

mechatronische Systeme. Habilitation,

Fakultät für Maschinenbau, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 156, 2004 – ISBN 3-

935433-65-4

Bd. 157 F

AHRENTHOLZ

M.: Konzeption eines Be-

triebskonzepts für ein bedarfsgesteuertes

schienengebundenes Shuttle-System.

Dissertation, Fakultät für Wirtschafts-

wissenschaften, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 157, 2004 – ISBN 3-935433-66-2

Bände der HNI-Verlagsschriftenreihe

___________________________________________________________________________

134 Bezugsadresse:

Heinz Nixdorf Institut

Universität Paderborn

Fürstenallee 11

33102 Paderborn

Bd. 158 G

AJEWSKI

T.: Referenzmodell zur Be-

schreibung der Geschäftsprozesse von

After-Sales-Dienstleistungen unter be-

sonderer Berücksichtigung des Mobile

Business. Dissertation Fakultät für Wirt-

schaftswissenschaften, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 158, 2004 – ISBN 3-

935433-67-0

Bd. 159 R

ÜTHER

M.: Ein Beitrag zur klassifizie-

renden Modularisierung von Verfahren

für die Produktionsplanung. Dissertation,

Fakultät für Wirtschaftswissenschaften,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 159,

2004 – ISBN 3-935433-68-9

Bd. 160 M

UECK

B.:

Eine Methode zur benutzersti-

mulierten detaillierungsvarianten Berech-

nung von diskreten Simulationen von

Materialflüssen. Dissertation, Fakultät für

Wirtschaftswissenschaften, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 160, 2004 – ISBN 3-

935433-69-7

Bd. 161 L

ANGEN

D.:

Abschätzung des Ressour-

cenbedarfs von hochintegrierten mikro-

elektronischen Systemen. Dissertation,

Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und

Mathematik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

161, 2005 – ISBN 3-935433-70-0

Bd. 162 O

RLIK

L.: Wissensbasierte Entschei-

dungshilfe für die strategische Produkt-

planung. Dissertation, Fakultät für Ma-

schinenbau, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

162, 2005 – ISBN 3-935433-71-9

Bd. 163 G

AUSEMEIER

J.;

AMMIG

F.;

CHÄFER

W.;

ALLASCHEK

J. (Hrsg.): 3. Paderborner

Workshop Intelligente mechatronische

Systeme. HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 163, 2005 – ISBN 3-

935433-72-7

Bd. 164 F

ISCHER

M.:

Design, Analysis, and Eval-

uation of a Data Structure for Distributed

Virtual Environments. Dissertation, Fakul-

tät für Elektrotechnik, Informatik und

Mathematik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

164, 2005 – ISBN 3-935433-73-5

Bd. 165 M

ATYSCZOK

C.: Dynamische Kantenext-

raktion - Ein Verfahren zur Generierung

von Tracking-Informationen für Augmen-

ted Reality-Anwendungen auf Basis von

3D-Referenzmodellen. Dissertation,

Fakultät für Maschinenbau, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 165, 2005 – ISBN 3-

935433-74-3

Bd. 166 J

ANIA

T.: Änderungsmanagement auf

Basis eines integrierten Prozess- und

Produktdatenmodells mit dem Ziel einer

durchgängigen Komplexitätsbewertung.

Dissertation, Fakultät für Maschinenbau,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 166,

2005 – ISBN 3-935433-75-1

Bd. 167 G

AUSEMEIER

J.;

RAFE

(Hrsg.):

4. Paderborner Workshop Augmented &

Virtual Reality in der Produktentstehung.

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 167, 2005 – ISBN 3-935433-76-X

Bd. 168 V

OLBERT

K.: Geometric Spanners for

Topology Control in Wireless Networks.

Dissertation, Fakultät für Elektrotechnik,

Informatik und Mathematik, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 168, 2005 – ISBN 3-

935433-77-8

Bd. 169 R

OSLAK

J.: Entwicklung eines aktiven

Scheinwerfersystems zur blendungs-

freien Ausleuchtung des Verkehrs-

raumes. Dissertation, Fakultät für

Maschinenbau, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 167, 2005 – ISBN 3-935433-78-6

Bd. 170 E

MMRICH

A.: Ein Beitrag zur systemati-

schen Entwicklung produktorientierter

Dienstleistungen. Dissertation, Fakultät

für Wirtschaftswissenschaften,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 170,

2005 – ISBN 3-935433-79-4

Bd. 171 N

OWACZYK

O.: Explorationen: Ein Ansatz

zur Entwicklung hochgradig interaktiver

Lernbausteine. Dissertation, Fakultät für

Elektrotechnik, Informatik und Mathe-

matik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

171, 2005 – ISBN 3-935433-80-8

Bände der HNI-Verlagsschriftenreihe

___________________________________________________________________________

Bezugsadresse: 135

Heinz Nixdorf Institut

Universität Paderborn

Fürstenallee 11

33102 Paderborn

Bd. 172 M

AHMOUD

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brake shoe factor. Dissertation, Fakultät

für Maschinenbau, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 172, 2005 – ISBN 3-935433-81-6

Bd. 173 K

LIEWER

G.: Optimierung in der Flug-

planung: Netzwerkentwurf und Flotten-

zuweisung. Dissertation, Fakultät für

Maschinenbau, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 173, 2005 – ISBN 3-935433-82-4

Bd. 174 B

ALÁŽOVÁ

M.: Methode zur Leistungs-

bewertung und Leistungssteigerung der

Mechatronikentwicklung. Dissertation,

Fakultät für Maschinenbau, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 174, 2005 – ISBN 3-

935433-83-2

Bd. 175 F

RANK

U.: Spezifikationstechnik zur

Beschreibung der Prinziplösung selbst-

optimierender Systeme. Dissertation,

Fakultät für Maschinenbau, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 175, 2005 – ISBN 3-

935433-84-0

Bd. 176 B

ERGER

T.: Methode zur Entwicklung

und Bewertung innovativer Technologie-

strategien. Dissertation, Fakultät für

Maschinenbau, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 176, 2005 – ISBN 3-935433-85-9

Bd. 177 B

ERSSENBRÜGGE

J.: Virtual Nightdrive -

Ein Verfahren zur Darstellung der kom-

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Scheinwerfersysteme im Rahmen einer

virtuellen Nachtfahrt. Dissertation, Fakul-

tät für Maschinenbau, Universität Pader-

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Bd. 179 F

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Universität Paderborn, HNI-Verlags-

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2005 – ISBN 3-935433-88-3

Bd. 180 W

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Proceedings of the 2nd International

Workshop on Piezoelectric Materials and

Applications in Actuators. HNI-Verlags-

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2005 – ISBN 3-935433-89-1

Bd. 181 M

EYER AUF DER

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(Hrsg.): New Trends in Parallel & Dis-

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Bd. 182 H

EIDENREICH

J.: Adaptierbare Ände-

rungsplanung der Mengen und Kapazitä-

ten in Produktionsnetzwerken der Se-

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Wirtschaftswissenschaften, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 182, 2006 – ISBN 3-

939350-01-X

Bd. 183 P

APE

U.: Umsetzung eines SCM-Kon-

zeptes zum Liefermanagement in Liefer-

netzwerken der Serienfertigung. Disser-

tation, Fakultät für Wirtschaftswissen-

schaften, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

183, 2006 – ISBN 3-939350-02-8

Bd. 184 B

INGER

V.: Konzeption eines wissensba-

sierten Instruments für die strategische

Vorausschau im Kontext der Szenario-

technik. Dissertation, Fakultät für Ma-

schinenbau, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

184, 2006 – ISBN 3-939350-03-6

Bd. 185 K

RIESEL

C.: Szenarioorientierte Unter-

nehmensstrukturoptimierung – Strategi-

sche Standort- und Produktionsplanung.

Dissertation, Fakultät für Wirtschaftswis-

senschaften, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

185, 2006 – ISBN 3-939350-04-4

Bd. 186 K

LEIN

J.: Efficient collision detection for

point and polygon based models. Disser-

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Bd. 187 W

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R.: Methodische Entwicklung

von Echtzeit 3D-Anwendungen für

Schulung und Präsentation. Dissertation,

Fakultät für Maschinenbau, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 187, 2006 – ISBN 3-

939350-06-0

Bände der HNI-Verlagsschriftenreihe

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136 Bezugsadresse:

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Informatik und Mathematik, Universität

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(Hrsg.):

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Entwurfs selbstoptimierender Systeme.

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2006 – ISBN 3-939350-11-7

Bd. 193 S

HEN

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Dissertation, Fakultät für Maschinenbau,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

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2006 – ISBN 3-939350-12-5

Bd. 194 R

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A.: Verfahren zur Planung von

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fortgeschrittene mechatronische

Systeme. Dissertation, Fakultät für

Maschinenbau, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 194, 2006 – ISBN 3-939350-13-3

Bd. 195 K

UHL

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des Abblendlichtes an den vertikalen

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Maschinenbau, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 195, 2006 – ISBN 3-939350-14-1

Bd. 196 M

ICHELS

J. S.: Integrative Spezifikation

von Produkt- und Produktionssystem-

konzeptionen. Dissertation, Fakultät für

Maschinenbau, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 196, 2006 – ISBN 3-939350-15-X

Bd. 197 R

IPS

S.: Adaptive Steuerung der Lastver-

teilung datenparalleler Anwendungen in

Grid-Umgebungen. Dissertation, Fakultät

für Elektrotechnik, Informatik und Mathe-

matik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

197, 2006 – ISBN 3-939350-16-8

Bd. 198 G

AUSEMEIER

J. (Hrsg.): Vorausschau und

Technologieplanung. 2. Symposium für

Vorausschau und Technologieplanung

Heinz Nixdorf Institut, 9. und 10. Novem-

ber 2006, Schloß Neuhardenberg, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

198, 2006 – ISBN 3-939350-17-6

Bände der HNI-Verlagsschriftenreihe

___________________________________________________________________________

Bezugsadresse: 137

Heinz Nixdorf Institut

Universität Paderborn

Fürstenallee 11

33102 Paderborn

Bd. 199 F

RANKE

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tierte Herleitung von Inter-Fachkompo-

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für Wirtschaftswissenschaften,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

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2006 – ISBN 978-3-939350-18-7

Bd. 200 S

CHEIDELER

P.: Ein Beitrag zur

erfahrungsbasierten Selbstoptimierung

einer Menge technisch homogener

fahrerloser Fahrzeuge. Dissertation,

Fakultät für Wirtschaftswissenschaften,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 200,

2006 – ISBN 978-3-939350-19-4

Bd. 201 K

ÖSTERS

C.: Ein ontologiebasiertes

Modell zur Beschreibung der Abläufe in

einem Produktionssystem unter beson-

derer Berücksichtigung einer diskreten

Produktion. Dissertation, Fakultät für

Wirtschaftswissenschaften, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 201, 2006 – ISBN 978-

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Bd. 202 H

ALFMEIER

S.: Modellierung und

Regelung von Halbtoroidvariationen in

leistungsverzweigten Getriebestrukturen.

Dissertation, Fakultät für Maschinenbau,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 202,

2006 – ISBN 978-3-939350-21-7

Bd. 203 R

ÜHRUP

S.: Position-based Routing

Strategies. Dissertation, Fakultät für

Elektrotechnik, Informatik und Mathe-

matik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

203, 2006 – ISBN 978-3-939350-22-4

Bd. 204 S

CHMIDT

A.: Wirkmuster zur Selbstop-

timierung – Konstrukte für den Entwurf

selbstoptimierender Systeme. Disser-

tation, Fakultät für Maschinenbau,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 204,

2006 – ISBN 978-3-939350-23-1

Bd. 205 I

HMOR

S.: Modeling and Automated

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Dissertation, Fakultät für Elektrotechnik,

Informatik und Mathematik, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 205, 2006 – ISBN 978-

3-939350-24-8

Bd. 206 E

CKES

R.: Augmented Reality – basiertes

Verfahren zur Unterstützung des

Anlaufprozesses von automatisierten

Fertigungssystemen. Dissertation, Fakul-

tät für Maschinenbau, Universität Pader-

born, HNI-Verlagsschriftenreihe, Pader-

born, Band 206, 2007 – ISBN 978-3-

939350-25-5

Bd. 207 S

TEFFEN

D.: Ein Verfahren zur Produkt-

strukturierung für fortgeschrittene

mechatronische Systeme. Dissertation,

Fakultät für Maschinenbau, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 207, 2007 – ISBN 978-

3-939350-26-2

Bd. 208 L

AROQUE

C.: Ein mehrbenutzerfähiges

Werkzeug zur Modellierung und rich-

tungsoffenen Simulation von wahlweise

objekt- und funktionsorientiert geglieder-

ten Fertigungssystemen. Dissertation,

Fakultät für Wirtschaftswissenschaften,

Universität Paderborn, HNI-Verlags-

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2007 – ISBN 978-3-939350-27-9

Bd. 209 G

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(Hrsg.):

6. Paderborner Workshop Augmented &

Virtual Reality in der Produktentstehung.

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Band 209, 2007 – ISBN 978-3-939350-

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AUSEMEIER

J.;

AMMIG

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CHÄFER

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ALLASCHEK

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Paderborner Workshop Entwurf mecha-

tronischer Systeme. HNI-Verlagsschrif-

tenreihe, Paderborn, Band 210, 2007 –

ISBN 978-3-939350-29-3

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AUSCHKE

R.: Systematik zur licht-

technischen Gestaltung von aktiven

Scheinwerfern. Dissertation, Fakultät für

Maschinenbau, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 211, 2007 – ISBN 978-3-939350-

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Bd. 212 D

J.: Zellen-basierte Dienst-Entdeck-

ung für Roboternetzwerke. Dissertation,

Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und

Mathematik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

212, 2007 – ISBN 978-3-939350-31-6

Bd. 213 D

ANNE

K.: Real-Time Multitasking in

Embedded Systems Based on Recon-

figurable Hardware. Dissertation, Fakultät

für Elektrotechnik, Informatik und Mathe-

matik, Universität Paderborn, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Paderborn, Band

213, 2007 – ISBN 978-3-939350-32-3

Bände der HNI-Verlagsschriftenreihe

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138 Bezugsadresse:

Heinz Nixdorf Institut

Universität Paderborn

Fürstenallee 11

33102 Paderborn

Bd.

214 E

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ÖSTER

, M.: Analyse und Entwurf von

Methoden zur Ressourcenverwaltung

partiell rekonfigurierbarer Architekturen.

Dissertation, Fakultät für Elektrotechnik,

Informatik und Mathematik, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 215, 2007 – ISBN 978-

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Bd. 216 R

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, U.; S

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Informatik und Mathematik, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

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for Relaying Real-Time Video Packets.

Dissertation, Fakultät für Elektrotechnik,

Informatik und Mathematik, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

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Bd. 218 V

IENENKÖTTER

A.: Methodik zur Entwick-

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Maschinenbau, Universität Paderborn,

HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 218, 2007 – ISBN 978-3-939350-

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Bd. 219 G

AUSEMEIER

J. (Hrsg.): Vorausschau und

Technologieplanung. 3. Symposium für

Vorausschau und Technologieplanung

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HNI-Verlagsschriftenreihe, Paderborn,

Band 219, 2007 – ISBN 978-3-939350-

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Bd. 220 F

RÜND

J.: Eine Architekurkonzeption für

eine skalierbare mobile Augmented Rea-

lity Anwendung für die Produkt- präsenta-

tion. Dissertation, Fakultät für Maschi-

nenbau, Universität Paderborn, HNI-

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220, 2007 – ISBN 978-3-939350-39-2

Bd. 221 P

EITZ

T.: Methodik zur Produktoptimie-

rung mechanisch elektronischer Bau-

gruppen durch die Technologie MID

(Molded Interconnect Devices). Disser-

tation, Fakultät für Maschinenbau, Uni-

versität Paderborn, HNI-Verlags-

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Bd. 222 M

EYER AUF DER

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Bd. 223 G

AUSEMEIER

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AMMIG

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CHÄFER

(Hrsg.): Self-optimizing Mechatronic Sys-

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ISBN 978-3-939350-42-2

Bd. 224 R

ATH

M.: Methode zur Entwicklung hyb-

rider Technologie- und Innovationsstrate-

gien – am Beispiel des Automobils. Dis-

sertation, Fakultät für Maschinenbau, U-

niversität Paderborn, HNI-Verlags-

schriftenreihe, Paderborn, Band 224,

2008 – ISBN 978-3-939350-43-9

Bd. 225 G

RÜNEWALD

M.: Protokollverarbeitung mit

integrierten Multiprozessoren in

drahtlosen Ad-hoc-Netzwerken.

Dissertation, Fakultät für Elektrotechnik,

Informatik und Mathematik, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 225, 2008 – ISBN 978-

3-939350-44-6

Bd. 226 S

TRAUSS

S.: Theoretische und experi-

mentelle Untersuchungen zum Einsatz

gepulster Halbleiterlichtquellen in der

Kraftfahrzeugbeleuchtung. Dissertation,

Fakultät für Maschinenbau, Universität

Paderborn, HNI-Verlagsschriftenreihe,

Paderborn, Band 226, 2008 – ISBN 978-

3-939350-45-3