Die LED im Kfz

Die Leuchtdiode, kurz LED für Light Emitting Diode, hat die Glühlampe im Fahrzeug fast vollständig abgelöst. Tippe auf eine Karte, um die Einsatzbereiche kennenzulernen.

Eine LED ist eine Halbleiterdiode. Sie besteht aus zwei unterschiedlich dotierten Schichten: Die n-Schicht hat überschüssige Elektronen, die p-Schicht hat „Löcher“, also fehlende Elektronen. Wo beide Schichten aufeinandertreffen, liegt der pn-Übergang.

Legt man die Spannung in Durchlassrichtung an, Plus an die p-Seite (Anode) und Minus an die n-Seite (Kathode), wandern Elektronen und Löcher zum pn-Übergang. Dort treffen sie aufeinander, das Elektron fällt in das Loch und gibt dabei Energie ab, bei der LED in Form eines Lichtteilchens, eines Photons. Diesen Vorgang nennt man Rekombination.

Die Farbe hängt vom Halbleitermaterial ab. Rote und gelbe LEDs bestehen meist aus Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid, blaue und grüne aus Indium-Gallium-Nitrid. Weißes Licht entsteht fast immer aus einer blauen LED, deren Licht teilweise von einer gelben Leuchtstoffschicht umgewandelt wird. Blau und Gelb zusammen empfindet das Auge als Weiß.

Eine LED verhält sich ganz anders als eine Glühlampe. Unterhalb der Durchlassspannung fließt praktisch kein Strom. Wird sie erreicht, steigt der Strom schon bei kleinster Spannungserhöhung sehr steil an. Probiere es im Simulator aus, auch in Sperrrichtung.

Die steile Kennlinie hat eine wichtige Folge: Man kann eine LED nicht einfach an eine feste Spannung anschließen. Schon wenige Zehntel Volt zu viel lassen den Strom so stark steigen, dass die LED zerstört wird. Der Strom muss deshalb immer begrenzt werden, mit einem Vorwiderstand oder einer Konstantstromquelle.

Der Vorwiderstand nimmt die Spannung auf, die zwischen Bordnetzspannung und Durchlassspannung der LEDs übrig bleibt, und begrenzt damit den Strom. Nach dem ohmschen Gesetz gilt:

Beobachte zwei Dinge. Mehr LEDs in Reihe verringern die Verluste im Widerstand, weil weniger Spannung „verheizt“ wird. Gleichzeitig reagiert der Strom dann stärker auf Schwankungen der Bordnetzspannung. Das Bordnetz schwankt im Betrieb zwischen etwa 12 V bei stehendem Motor und über 14 V bei laufendem Generator. Deshalb setzen Hersteller bei hellen LEDs statt eines Vorwiderstands eine Konstantstromquelle ein.

Im Fahrzeug werden LEDs selten direkt über einen Schalter und einen Vorwiderstand betrieben. Meist steuert ein Steuergerät sie an, etwa das Bordnetzsteuergerät oder ein eigenes Leuchtensteuergerät im Scheinwerfer. Typische Aufgaben:

• Konstantstrom: Ein LED-Treiber hält den Strom unabhängig von Bordnetzspannung und Temperatur konstant. So bleibt die Helligkeit gleich.
• Dimmen per PWM: Die LED wird sehr schnell ein- und ausgeschaltet. Das Verhältnis von Ein- zu Gesamtzeit bestimmt die Helligkeit. So können dieselben LEDs als Schlusslicht gedimmt und als Bremslicht voll leuchten.
• Lampenausfallkontrolle: Das Steuergerät misst den Strom. Fällt eine Leuchte aus, erscheint eine Warnung im Kombiinstrument.

Nachrüsten von LED-Lampen

LED-Ersatzlampen für Scheinwerfer, die ursprünglich für Halogenlampen gebaut wurden, sind nur zulässig, wenn es eine Genehmigung für genau diese Kombination aus Lampe und Scheinwerfer gibt. Ohne diese Genehmigung ist der Umbau nicht erlaubt, weil Lichtverteilung und Blendung nicht mehr stimmen. Dazu kommt ein technisches Problem: Die LED-Lampe braucht viel weniger Strom, und das Steuergerät meldet deshalb einen Lampenausfall.

1. Fehlerspeicher auslesenLichtfehler werden im zuständigen Steuergerät gespeichert, etwa Bordnetz- oder Scheinwerfersteuergerät. Istwerte und Stellglieddiagnose nutzen, um die Leuchte gezielt anzusteuern.
2. SichtprüfungLeuchte auf Feuchtigkeit, Risse und verbrannte Stellen prüfen, Stecker auf Korrosion. Leichtes Beschlagen nach dem Einschalten kann normal sein, Wassertropfen oder stehendes Wasser nicht.
3. Versorgung und Masse messenAm Stecker der Leuchte bei eingeschalteter Funktion messen. Bei PWM-Ansteuerung zeigt das Multimeter nur einen Mittelwert, ein Oszilloskop zeigt das echte Signal.
4. Einzelne LED prüfenMit der Diodenprüfung des Multimeters in Durchlassrichtung messen: Die LED zeigt ihre Durchlassspannung und glimmt oft schwach. Weiße und blaue LEDs brauchen etwa 3 V, was nicht jedes Multimeter liefert.
5. Tausch und EinstellungLED-Leuchten werden meist komplett getauscht. Bei Scheinwerfern danach die Grundeinstellung durchführen und die Einstellung am Scheinwerfereinstellgerät prüfen.

5 Fragen zu den Kapiteln 1 bis 6. Die Erklärung erscheint direkt nach deiner Antwort.

In einem Halbleiter gibt es einen verbotenen Energiebereich zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband, die Bandlücke E_g. Fällt ein Elektron vom Leitungsband zurück ins Valenzband, gibt es ungefähr diese Energie als Photon ab. Die Energie eines Photons bestimmt seine Wellenlänge und damit die Farbe:

Daraus folgt auch, warum die Durchlassspannung von der Farbe abhängt: Um ein Photon mit der Energie E_g zu erzeugen, muss jedes Elektron mindestens diese Energie mitbringen. Die Durchlassspannung liegt deshalb ungefähr bei E_g/e, bei roten LEDs um 2 V, bei blauen um 3 V.

Weißlicht und Farbtemperatur

Bei weißen LEDs regt blaues Licht einen Leuchtstoff an, meist ein mit Cer dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat. Er wandelt einen Teil des Blaus in breitbandiges gelbes Licht um. Über Dicke und Zusammensetzung des Leuchtstoffs lässt sich die Farbtemperatur einstellen. Scheinwerfer arbeiten typisch mit etwa 5.000 bis 6.500 K, deutlich kühler als Halogen mit etwa 3.200 K. Die Farbe des Lichts ist für Scheinwerfer in den ECE-Regelungen vorgeschrieben.

Auch wenn LEDs effizient sind, wird ein großer Teil der elektrischen Leistung im Chip zu Wärme. Im Gegensatz zur Glühlampe strahlt die LED diese Wärme nicht nach vorne ab, sie muss über die Rückseite abgeleitet werden. Maßgeblich ist die Temperatur am pn-Übergang, die Sperrschichttemperatur T_j:

Eine hohe Sperrschichttemperatur hat mehrere Folgen: Der Lichtstrom sinkt, die Farbe verschiebt sich leicht, und die Lebensdauer verkürzt sich deutlich. Scheinwerfer haben deshalb Kühlkörper, oft auch kleine Lüfter, und die Treiber reduzieren bei Übertemperatur den Strom. Dieses Derating merkt man selten, es schützt aber die LEDs.

Gefahr bei Spannungsbetrieb

Die Durchlassspannung einer LED sinkt mit steigender Temperatur, typisch um etwa 2 mV pro Kelvin. Wird eine LED an einer festen Spannung ohne ausreichende Strombegrenzung betrieben, steigt bei Erwärmung der Strom, dadurch die Erwärmung, dadurch wieder der Strom. Diese thermische Mitkopplung kann die LED zerstören. Ein Konstantstromtreiber verhindert das.

Der LED-Treiber hält den Strom konstant, egal wie stark Bordnetzspannung und Temperatur schwanken. Zwei Grundprinzipien sind verbreitet:

Ein Hochsetzsteller wird gebraucht, wenn viele LEDs in Reihe mehr Spannung brauchen, als das Bordnetz liefert. Zehn weiße LEDs benötigen etwa 30 V. Das hat den Vorteil, dass durch alle LEDs derselbe Strom fließt und sie gleich hell leuchten.

Anforderungen durch das Bordnetz

Der Treiber muss mit den typischen Störungen im Kfz-Bordnetz zurechtkommen: Einbrüche beim Motorstart auf unter 9 V, kurzzeitige Überspannungen beim Abschalten großer Verbraucher und im Extremfall der Load Dump, wenn die Batterie bei laufendem Generator abgeklemmt wird. Außerdem darf der getaktete Treiber den Radioempfang und andere Systeme nicht stören. Deshalb enthalten Scheinwerfer umfangreiche Filter und Abschirmungen.

Bei der Pulsweitenmodulation wird die LED mit konstantem Strom sehr schnell ein- und ausgeschaltet. Die Helligkeit, die das Auge wahrnimmt, folgt dem zeitlichen Mittelwert. Das Verhältnis aus Einschaltzeit und Periodendauer heißt Tastgrad. Der Vorteil gegenüber einem kleineren Dauerstrom: Die LED arbeitet immer im selben Betriebspunkt, die Farbe bleibt gleich.

Schluss- und Bremslicht teilen sich oft dieselben LEDs: als Schlusslicht mit kleinem Tastgrad, als Bremslicht mit voller Helligkeit. Die PWM-Frequenz muss hoch genug sein. Bei niedrigen Frequenzen flimmert das Licht sichtbar, und schon bei einigen hundert Hertz kann bei schnellen Augenbewegungen eine Kette von Lichtpunkten entstehen, der Perlschnureffekt. Auch Fahrerassistenzkameras anderer Fahrzeuge können Leuchten mit zu niedriger PWM-Frequenz falsch erkennen.

Wie das Steuergerät einen Ausfall erkennt

Bei eingeschalteter Leuchte misst das Steuergerät den Strom. Liegt er zu niedrig, meldet es einen Ausfall, liegt er zu hoch, einen Kurzschluss. Diese Warmüberwachung ist bei LED-Leuchten schwieriger, weil der Strom klein ist und ein Ausfall einzelner LEDs ihn kaum verändert. Viele LED-Leuchten haben deshalb eine eigene Elektronik, die einen Fehler über eine separate Diagnoseleitung meldet.

Manche Steuergeräte prüfen Leuchten zusätzlich im ausgeschalteten Zustand mit kurzen Messimpulsen, der Kaltüberwachung. Bei Glühlampen reichen diese Impulse nicht zum Leuchten. Bei nachgerüsteten LEDs können sie dagegen ein Glimmen oder Flackern verursachen.

Profitipps

• Fehlercodes für Licht sind meist herstellerspezifisch und liegen im Karosserie- oder Scheinwerfersteuergerät, nicht in der Motorsteuerung.
• Scheinwerfer mit Treiberelektronik vor dem Öffnen oder Tausch spannungsfrei schalten. Manche Systeme arbeiten intern mit deutlich höheren Spannungen als 12 V.
• Kondenswasser verschwindet nach kurzer Betriebszeit meist wieder. Stehendes Wasser deutet auf eine undichte Leuchte oder eine verstopfte Belüftung.

6 Fragen zu den Kapiteln 7 bis 12, auf Meister- und Technikerniveau. Die Erklärung erscheint direkt nach deiner Antwort.