Analyse elektronischer, optischer, thermischer und schaltungstechnischer Aspekte der LED-Chip-on-Board-Technologie

Zusammenfassung: Ziel dieser Diplomarbeit ist es, notige Voruntersuchungen fur die Entwicklung eines adaptiven Kfz-Frontscheinwerfers mit variabler Lichtverteilung auf Basis der LED-Chip-on-Board-Technologie (Light Emitting Diode) durchzufuhren. Ein besonderes Augenmerk soll hierbei auf die Eignung eines, mittels Chip-on-Board-Technologie hergestellten LED-Moduls, als Beleuchtungseinheit fur einen Kfz-Frontscheinwerfer gelegt werden. Im Rahmen der Diplomarbeit werden Untersuchungen betreffend der optischen, thermischen und schaltungstechnischen Eigenschaften eines moglichen LED-Moduls anhand aktueller, weiser Hochleistungs-LEDs durchgefuhrt. Hierbei werden notwendige farb- und fotometrische Eigenschaften der Hochleistungs-LEDs in Abhangigkeit der Substrattemperatur vermessen. Um dies zu ermoglichen sind verschiedene Testaufbauten wahrend der Diplomarbeit entstanden. Mit den Ergebnissen aus den unterschiedlichen Messungen, werden Ruckschlusse auf die Leistungsfahigkeit der aktuellen LED-Technologie gezogen. Ebenfalls wird deren Einsetzbarkeit in extremen Bereichen, z.B. hohe Umgebungstemperaturen >80°C wie sie in einem Kfz-Frontscheinwerfer herrschen, beurteilt. Basierend auf den Messergebnissen dieses Vergleichs aktueller Hochleistungs-LEDs werden grundlegende Anforderungen, welche an ein LED-Modul als Lichtquelle zu stellen sind, ermittelt. Diese sind so gewahlt, dass sie realistischen Einsatzbedingungen im Rahmen eines Kfz-Scheinwerfers entsprechen. Zu den Anforderungen zahlen die Abschatzung des benotigten Lichtstroms, um verschiedene, gewunschte Lichtverteilungen erzeugen zu konnen. Die Anzahl der hierzu benotigten LEDs, wird anhand der Messergebnisse ermittelt. Weiterhin zahlt auch die fur eine Scheinwerferoptik notwendige Leuchtdichte, welche das LED-Modul erzeugen muss, zu diesen Kriterien. Aus den aufgestellten optischen Kriterien folgen direkt bestimmte thermische Anforderungen, welche ein LED-Modul bzw. der gesamte Scheinwerfer erfullen muss. Um einen gewissen Lichtstrom zu erzeugen, wird zwangslaufig eine bestimmte Menge an Warmeenergie erzeugt, welche an die Umgebung abgegeben wird. Die in den LEDs erzeugte Verlustleistung wird mittels der Ergebnisse aus den Messungen mit den aktuellen Hochleistungs-LEDs abgeschatzt. Anhand dieser Daten werden erste Kuhl-Konzepte entwickelt und mit einer thermischen Simulation uberpruft. Die fur den Betrieb der LED-Beleuchtungseinheit und fur eine thermische Simulation notigen Rahmenbedingungen und moglichen Vereinfachungen werden ebenfalls ermittelt und kontrolliert. Ein weiterer im Rahmen der Diplomarbeit bearbeiteter Punkt ist die Uberprufung und Auswahl verschiedener Moglichkeiten eine mogliche LED-Beleuchtungseinheit, aus dem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges, mit Energie zu versorgen. Hierfur werden verschiedene Topologien betrachtet und auf ihre Eignung uberpruft. Fur eine grundlegende Auswahl moglicher Topologien werden Kriterien, welche eine Treiberelektronik erfullen muss, aufgestellt. Basierend auf diesen Uberlegungen werden Empfehlungen fur eine den Anforderungen entsprechende Form der Treiberelektronik ausgesprochen.