Es werde Licht

[HaraldSchuessler]

Liebe LED-Freunde,
nun habe ich auch noch Rainers Text gefunden.
Gruß Harald

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Beleuchtung am 170´ er Mercedes Benz



Vorspann :


Beim Treffen 2012 des 170´v Forums auf dem Haigern hatte mir unser Benz-Freund OTP-Franz das Muster einer weißen 12V –Hochleistungs-LED inkl. Kühlblech und Elektronik zur Umrüstung der Eierleuchte mitgebracht. Vorausgegangen waren bereits Beiträge von
OTP-Franz und mir zur Verbesserung der Leuchtstärke mittels LED – Birnen und Mini-Halogen-Glühbirnen.
Die Vielfahrer und Vertreter von Fahrsicherheit und Alltagstauglichkeit waren sich überwiegend einig, dass diese Hochleistungs-LED unser Problem löst. Enttäuscht waren zu
diesem Zeitpunkt noch die Besitzer von 6V –Anlagen, da keine passenden weißen Hochleistungs-LED für 6V auf dem Markt zu erhalten waren.

Natürlich gab es sofort wieder die üblichen Diskussionen um Originalität.

Den Verfechtern der originalen Technik wird empfohlen bei hellem Sonnenlicht oder in der
Dunkelheit hinter Ihrem eigenen Fahrzeug hinterherzufahren und dann die die Fahrsicherheit
zu beurteilen oder sich die Messwerte im ersten theoretischen Teil des Beitrags anzusehen.

Einziges Problem der Hochleistungs-LED ist die nicht vorhandene Zulassung für den Straßenverkehr, dies gilt jedoch auch für die LED-Birnen.

Im Kapitel 3 kommt für diejenigen, die trotzdem wissen wollen wie die Umrüstung
Funktioniert, die Berechnung und praktische Umsetzung , Bezugsquellen etc.

Mein besonderer Dank gilt OTP-Franz der die elektronische Realisierung der Umrüstung zum
Beitrag bei gesteuert hat.




Lanz5506












Leuchtmittel für den 170er Mercedes
Hier speziell für die Eierleuchten

1. Entwicklung der Leuchtmittel Überblick

Die Umwandlung von elektrischer Energie in sichtbares Licht findet nur sehr unvollkommen
statt, ein großer Teil der zugeführten Energie wird als Licht im Infrarotbereich erzeugt.
Auf die Entwicklung der Glühlampe wird hier nicht weiter eingegangen. Startpunkt der
Betrachtung sollen die derzeit auf dem Markt erhältlichen Bauformen ab Einführung des
Wolframglühfadens sein.

1.1 Funktionsprinzip Glühbirne

Lässt man einen elektrischen Strom durch einen dünnen Leiter fließen, so erwärmt sich der Draht bei ausreichender Stromstärke bis zur Weißglut. der Schmelzpunkt von Wolfram
liegt mit 3422°C über den Betriebstemperaturen der Glühwendel von 1500-3000°C .
Zur Vermeidung der Oxidation des Wolframdrahtes durch den Sauerstoff der Umgebungsluft
wurde der Faden in einem Vakuumgefäß zum Glühen gebracht. Die Form der Kugel bzw. der
Birne entstand als stabilste Form des Glaskolbens gegen den Druck der Außenluft. Diese
Formgebung hatte einen weiteren Vorteil: Durch die hohen Temperaturen verdampft ständig
Material aus dem glühendem Faden, so das ein Beschlagen des Glaskolbens durch Metalldampf wegen des gleichen Abstands Faden Glaswand überall relativ gleich ist und keine einseitig dunklen Flecken entstehen.
Das Abdampfen des Metalls ist die Ursache für das Versagen der Glühbirne, sie brennt durch.
Denn ausgerechnet an der dünnsten Stelle des Fadens wird der Faden am heißesten, weil
dort der Widerstand wegen des geringeren Querschnitts höher ist.
Bei der konventionellen Glühbirne werden nur 3-5% der zugeführten Energie in sichtbares Licht umgesetzt, der Rest ist Infrarotstrahlung. Das Maß für die Effektivität der Lichterzeugung ist die Leuchtausbeute pro zugeführter elektrischer Leistung lm/W,
hier 12-15 lm/w. Das Licht ist ein Kontinuum mit dem Maximum bei 2300-2900°K .

1.2 Halogen-Glühbirne

Der Zusatz von Halogenen (z.B. Jod) verhindert bei hohen Temperaturen des Glaskolbens
den Niederschlag von Wolfram auf dem Glaskolben, dadurch lässt sich ein sehr kleiner
Glaskolben verwenden (s.o.). Bei kleinerem Volumen kann man einen höheren Innendruck des Inertgases beherrschen, der wiederum die Abdampfrate des Glühdrahtes verringert. Als Inertgas werden Edelgase verwendet.
Insgesamt kann die Betriebstemperatur auf 2800-3100°K erhöht werden, ohne dass die Lebensdauer der Glühlampe dadurch verkürzt wird. Die Glühlampen haben daher ein weißeres Licht , die Lichtausbeute liegt bei ca. 5% entsprechend 10- 19,5 lm/W .
Durch die Anwendung weiterer „Tricks“ konnte man die Lichtausbeute bis auf 26 lm/W
steigern. Betrachtet man eine 60W H7 Glühlampe so ergeben sich Leuchtstärken von 1500lm.
Die Lebensdauer der H7 Glühlampe beträgt nur 450h.


1.3 Energiesparlampe

Bei der „Energiesparlampe“ handelt es sich um Leuchtstoffröhren, fälschlicherweise oft als


Neonröhre bezeichnet . ( Neonröhre emittiert rotes Licht ).Die Leuchtstoffröhre ist eine
Niederdruck-Gasentladungsröhre. Zwischen zwei beheizten Kathoden, die Elektronen
emittieren , wird durch Hochspannungszündung das Füllgas ionisiert. Durch die an den
Elektroden anliegende Spannung werden die Elektronen im elektrischen Feld beschleunigt
und ionisieren weiter Füllgasmoleküle, es entsteht ein Plasma. Als Gasfüllung dient Quecksilberdampf zur Emission von UV-Licht, das durch die Leuchtstoffbeschichtung in sichtbares Licht umgewandelt wird (das UV-Licht entsteht bei der Rekombination der Quecksilberionen mit den Elektronen des Plasmas , es werden diskrete Spektrallinien emittiert ). Die Lichtausbeute liegt bei 45-100lm/W . Alle Leuchtstoffröhren erreichen ihren
Betriebsdruck erst durch Erwärmung und daher ihre volle Leuchtkraft erst nach einigen Sekunden. Trotz ihrer guten Energieeffizienz sind diese Lampen für den Einsatz in Kfz ungeeignet. Wegen ihrer Baugröße ,ihrer Abhängigkeit der Leuchtstärke von der Betriebs-
temperatur (bei Frost ist die Energieeffizienz sehr schlecht) und ihrer verzögerten Starteigenschaften kann die Leuchtstoffröhre wesentliche Forderungen der StVZVo nicht
erfüllen.

1.4 Xenonlampe

Das Xenonlicht ist im Prinzip ein Lichtbogen ,der zwischen zwei Wolframelektroden brennt
und das unter hohem Druck im Brennraum stehende Xenon zum Leuchten bringt. Der Licht-
bogen wird durch einen Hochspannungsimpuls gezündet. Das durch Stoßionisation erzeugte
Plasma heizt sich auf ca.1000-10000°K auf. Im Betrieb steigt der Druck von 20 bar bis auf ca. 100 bar .Das Xenon hat im sichtbaren Bereich sehr viele Spektrallinien die durch den hohen Druck verbreitert werden ( elastische Stoßwechselwirkung) und durch Zusatzstoffe entsteht der Eindruck eines kontinuierlichen tageslichtähnlichen Spektrums.
Auch hier wird die Lichtausbeute ca. 91lm/W bei der D2S-Lampe erst nach einigen Sekunden erreicht .Die Strahlungsquelle hat eine sehr geringe räumliche Ausdehnung und ist daher für den Einsatz im Kfz sehr geeignet ,jede Lampe benötigt eine eigene elektronische Steuerung. D2S-Lampe ca. 3200lm Lebensdauer ca. 2000h .


1.5 LED


Im Gegensatz zur Leuchtstofflampe und Xenonlampe bei der der angeregte ionisierte Zustand einzelner Gasatome und deren Rekombination zur Aussendung diskreter Spektrallinien führt, ist dies bei Kristallen nicht möglich. In der Kristallstruktur wechselwirken die Elektronen mit
der Gesamtheit der Kristallatome (die Orbitale der Atomhüllen verschmelzen zu neuen möglichen Energiezuständen. In diesem quantenmechanischen Bänder-Modell liegen die möglichen Energiezustände so dicht beieinander, dass sie in einem schmalen Kontinuum den Energiebändern betrachtet werden. Die Lichtemission findet dann z.B. durch Übergang vom
Leitungsband in das Valenzband statt. Das heißt. die beim Anlegen einer elektrischen Spannung an den Halbleiter zugeführte Energie wird bei bestimmten Verbindungen sowohl
als nahezu monochromatisches Licht als auch in Form von Wärme abgeführt.

Leuchtdioden arbeiten je nach Farbe zwischen 1,3V und 4V. Die Farbe weiß kann durch
Mischung von drei Farben erzeugt werden, heute nicht mehr sehr verbreitet. Heute wird Weiß durch Einsatz eines entsprechenden Leuchtmittels in Verbindung mit blauen Leucht-
dioden erzeugt. Technisch bedingt, kann der Abstrahlwinkel des Halbleiterkristalls
nur kleiner als 180° sein, d.h. um die Charakteristik einer Glühlampe nachzubilden

benötigt man eine Vielzahl von Leuchtdioden. Die Lichtausbeute entwickelte sich seit
2006 rasant und liegt bei ca. 30-80 lm/W , wobei die Preise für Hochleistungsdioden bis
10W im Bereich von 10 EURO liegen.
In 2012 wurden durch Osram und Cree bereits Leuchtdioden von 168 bzw. 200lm/W vor-
gestellt. Die Lebensdauer liegt bei Einhaltung korrekter konstanter Spannungsversorgung
und Betriebstemperatur bei 15000-30000h. Einige Hersteller garantieren bis zu 100000 h.



2. Einsatz der Leuchtmittel im Kfz

2.1 Standardglühbirne

Welches Ziel der Ausleuchtung mit einem Leuchtmittel erreicht werden sollte, bestimmte lange Zeit die Bauform der Leuchte und seine Einbaugeometrie. Beim Kfz war das Ziel der
Frontbeleuchtung , die Fahrbahn vor dem Fahrzeug auszuleuchten ohne den Gegenverkehr
stark zu blenden. Mit der Glühbirne, die ihr Licht nahezu in alle Richtungen abgibt, ausge-
nommen der Sockelbereich, war es nur möglich das Licht durch einen großen Parabolspiegel
auf eine Hauptrichtung zu bündeln. Die Beleuchtung hinten war wegen der geringeren Geschwindigkeiten und der geringeren Verkehrsdichte bis in die fünfziger Jahre nicht
sonderlich interessant. Es entstanden zeitgemäß Rückleuchten mit kleiner Leuchtstärke
kleinem Lichtaustritt und oft ohne Reflektoren. Die Bauform mit zur Glühbirne passendem
Reflektor hätte wegen ihrer Abmessungen nicht zum Fahrzeug gepasst ( Musterbeispiel die
„Eierleuchte“ des 170er Mercedes Benz .
Daher konnte für die Eierleuchten mit dem Einbau stärkerer Glühbirnen kein Fortschritt
erzielt werden ,außer ausgebeulte und verbrannte Streuscheiben .

2.2 Halogenglühbirne

Der Einsatz von Mini-Halogenbirnen mit 20W brachte trotz höherer Lichtausbeute keine wesentliche Verbesserung. Bei Sonnenschein konnte der Hintermann weder Blinklicht noch
Bremslicht frühzeitig erkennen , bei Dunkelheit konnte man sich nicht mehr auf Schnellstraßen trauen. Das Problem der Wärmeentwicklung blieb bestehen , die Kunststoff-
gläser wurden zwar nicht mehr verschmort, da die Glühbirnen wegen ihrer kleineren Bauform
nicht mehr am Glas anlag.

2.3 LED

Mit der Entwicklung der weißen LED schien das Problem zunächst gelöst. Die geringe Leuchtstärke wurde durch eine Vielzahl von Leuchtdioden in einer Standardfassung ersetzt.
Die Anordnung wurde in Form der alten Glühbirne ausgebildet, um die alten Reflektoren
bzw. Bauformen auszunutzen und den geringen Abstrahlwinkel der LED zu kompensieren.
Die Folge für die Eierleuchten war klar : Einen Beitrag zur Beleuchtung der Lichtaustritts -scheibe leisten nur die Dioden , die Licht direkt nach hinten abstrahlen. Unerwünscht waren
dann die durch die Streuscheibe sichtbaren Leuchtpunkte. Findige Handwerker konnten die
Sichtbarkeit der Lichtpunkte durch Mattierung der Streuscheibe vermindern.

2.4 Hochleistungs –LED

In 2012 kamen sehr leistungsfähige LED für 12V Betriebsspannung zu günstigen Preisen
auf den Markt.

Reichelt : 12,8V 860 lm ca. 15 EURO
Pollin : 12,8 V 560 lm ca. 6 EURO siehe Bezugsquellen
Hyan : 6,0 V 360 lm ca. 3 $

Für die Eierleuchten ist der eingeschränkte Abstrahlwinkel von 120° optimal, da die gesamte
Strahlungsintensität durch die Fenster als Begrenzungs-, Brems-, Blinklicht abgestrahlt wird.
Da die LED gegen zu hohe Temperaturen empfindlich sind (Zerstörung) müssen die LED
auf einem Kühlkörper montiert werden. Bei der 860 lm Diode ergibt sich mit Kühlkörper im
Dauerbetrieb eine Erwärmung der Eierleuchte auf Handwärme. Weiterhin sind Spannungsschwankungen für die Lebensdauer der LED negativ, so dass bei kommerziellen Leuchten Spannungskonstanthalter verbaut werden (Lebensdauer 40000h). Bei der Anwendung als Leuchtmittel in der Eierleuchte ist es ausreichend die Spannung der Lichtmaschine auf die Betriebsspannung der LED zu reduzieren. Voraussetzung für die
Benutzung von LED ist jedoch ein intakter Lichtmaschinenregler und eine intakte Batterie.
Eine Verkürzung der Lebensdauer der LED (optimale Bedingungen ca. 30000h) unter diesen Bedingungen ist sicher zu erwarten, jedoch tolerierbar ( zum Vergleich Glühbirne 1000h, H7 ca. 450h ) . Der Betrieb mit einer Konstantstromquelle würde die Installation erheblich verteuern.


3.1 Schaltplan

Die Abbildung zeigt einen möglichen Schaltplan für die Eierleuchten in Kombination mit einer dritten Bremsleuchte. Das Standlicht ist über einen zusätzlichen Widerstand dunkler geschaltet als das Bremslicht . Die dritte Bremsleuchte ist ein Kaufteil mit integriertem Vorschaltwiderstand. In einem der Bilder des Anhanges wird die praktische Umsetzung gezeigt. Will man kein drittes Bremslicht realisieren, ist die Blinklichtschaltung die Standardschaltung alle Sperrdioden sind dann überflüssig.
Durch den geringen Stromverbrauch der LED bedingt, kann es zu Änderung der Blinkfrequenz kommen. (Abhilfe : Last erhöhen oder elektronisches Blinkrelais verwenden)

3.2 Vorschaltwiderstand

Da die Strom-Spannungskennlinie exponentiell ansteigt, ist es unbedingt erforderlich den
vom Hersteller angegebenen Betriebspunkt einzuhalten.
Für die Berechnung de Vorschaltwiderstandes ergibt sich

U0 - ULED U0 = Quellenspannung ( V )
R = ----------------- ULED = Betriebsspannung ( V )
ILED ILED = Betriebsstrom (A )

für die Verlustleistung im Widerstand

Pv = ( U0 –ULED ) * ILED


Beispiele :

12V – Anlage Reglerspannung 14,1 V = U0
LED : COB-K- FLMW-8W ca. 560lm ; I = 600mA ; ULED = 12,8V

R = ( 14,1 – 12,4 )V : 0,6A = 2,2 Ohm
P = 1,3V* 0,6A = 0,78 W

Der Widerstand mit 2,2 Ohm und 1W ist im Handel verfügbar.


6V – Anlage Reglerspannung 7,2V = U0
LED-P5-D-white ca. 360lm ; I = 700mA ; ULED = 6V

R = ( 7,2 - 6 )V : 0,7A = 1,7 Ohm
P = 1,2V*0,7A = 0,84Ohm

Der Widerstand mit 1,8 Ohm und 1W ist im Handel verfügbar.


3.3 Montage

Vorzugsweise sollten LED verwendet werden ,die durch den Hersteller bereits auf einem Träger aus Alublech montiert sind. Diese LED können dann einfach auf den Kühlkörper
geschraubt werden (Wärmeleitpaste nicht vergessen), der wiederum auf das Trennblech
zwischen den Leuchtkammern montiert wird. Die Widerstände werden in die Diodenzuleitung
gelötet und mit Schrumpfschlauch isoliert. Eine extra Massezuleitung ist als Masse-Flachsteckkontakt auf der Trennwand der Leuchtkammern montiert. Die jeweilige
+ Verbindung erfolgt über isolierte Standard-Flachsteckverbindungen, damit ist gewährleistet,
dass eine defekte LED leicht ausgewechselt werden kann.
Standlicht und Bremslicht können mit einer LED realisiert werden, indem man den
Arbeitspunkt des Standlichts gegenüber dem Bremslicht nach unten verschiebt.
(Beispiel COB : Bremslicht Vorwiderstand 2,2 Ohm 1W ,Standlicht Vorwiderstand
15 -18Ohm 1W).

[170DS]

Hallo Harald,

vielen Dank für das Einstellen der ausführlichen Dokumentation von Rainer!

[170forever]

Hallo Miteinander,
Danke an Rainer für diese Dokumentation. Ich überlege das zumindest für die Scheinwerfer.
Hinten bin ich auch mit 6V ganz zufrieden.

Goethes letzte Worte waren angeblich: „mehr Licht“
Beste Grüße
Ralf

[Peter_B]

Hallo Ralf,
der olle Goethe war ja Hesse.
Man sagt, dass der vollständige letzte Satz des Herrn auf dem Sterbebett lautete:
"Mer lischt hier so schlecht!"

Schöne Grüße
Peter

[170forever]

Hallo Peter,
Das denke ich auch, wenn ich mal wieder unterm Wagen liege.
Liebe Grüße
Ralf

[GeorgesBuerginCH]

Tschau Ralf,

denk daran, in der heutigen Zeit sind die hinteren Lichter meist wichtiger als die vorderen.
Nach vorne richtest Du Deine Augen, weisst aber nicht ob der Nachfolgende ebenso konzertiert bei der Sache ist,
und ahnt dass die "alte Karre" vor im bloss "Kerzchen" eingebaut hat.

Auf der Rückfahrt vom Haigern bei schönstem Wetter durch den schönen Schwarzwald hatte ich eine Schrecksekunde.
Unsere Gruppe war mit ca. 80 km/h unterwegs, Plötzlich hatte Roland Koch ein Motorenproblem,
er ist auf die Bremse getreten und hat sein Fahrzeug zum stehen gebracht.
Ich folgte ihm mit einiger Distanz, es war wegen Sonnenschein kein Bremslicht, kein Blinklicht zu erkennen.
Dass sein Fahrzeug stillsteht musste ich erst realisieren, und konnte dank breiter Strasse und wenig Gegenverkehr dem Fahrzeug ausweichen.

Ich habe seine schlechte Beleuchtung gekannt, aber in dieser Situation hätte mir an seinem 170 S-D eine hintere, zeitgemässere Beleuchtung schon sehr geholfen.

Gute Fahrt, Georges