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– Untersuchung 2017 –

Fahrzeug-Lichttechnik & LED-Retrofits

Für uns selbstverständlich ist ein Fahrzeug mit Lichtern und Leuchten ausgestattet. Sie ermöglichen uns das Fahren bei Dunkelheit, Dämmerung oder schlechter Sicht, aber auch dienen sie zur Erkennbarkeit des Fahrzeugs und zur Signalisierung von Fahrmanövern. Doch wie entsteht eigentlich das elektrische Licht? Wie funktioniert ein Scheinwerfer? Im Rahmen einer Kurzrecherche wird die Lichttechnik am Fahrzeug beschrieben.

LED-Leuchtmittel, die anstelle einer Glühlampe verwendet werden könnten, nennt man LED-Retrofits. Der ADAC hat LED-Leuchtmittel untersucht, die in Fahrzeugen Verwendung finden könnten, besonders in Fahrzeugen, die schon mit Glühlampentechnik am Straßenverkehr teilnehmen. Ist das eine valide Alternative zur Glühlampe?

Der ADAC Lichttest 2017 hat ergeben, dass mehr als ein Siebtel aller Fahrzeuge mit mindestens einem defekten Licht am Straßenverkehr teilnimmt. Dreiviertel aller Fahrzeuge sind mit Glühlampentechnik ausgestattet, die eine hohe Ausfallrate aufzeigt. Das Risiko, nachts im Straßenverkehr getötet zu werden, ist dreimal höher als am Tage.


Die Leuchtmittel

  • Die Glühlampe (Halogen)
    Jahrzehntelang war die Glühlampe das einzige Leuchtmittel, das am Fahrzeug für die Ausleuchtung der Fahrbahn, zur Anzeige der Außenbegrenzung oder Ankündigung von Fahrmanövern eingesetzt wurde. Zwar wurde im Laufe der Zeit die Technik verbessert, doch das Prinzip blieb gleich. 

    Lichttechniken_01_350x218.jpgGrafik: Hella

    Durch Zufuhr elektrischer Energie wird eine Wolframwendel zum Glühen gebracht. Dadurch kommt es zum Abdampfen von Metall von der Wendel. Durch eine Halogenfüllung (Jod oder Brom) in der Lampe steigen die Wendeltemperaturen bis nahe an den Schmelzpunkt des Wolframs (ca. 3400 °C).

    Das verdampfte Wolfram verbindet sich in unmittelbarer Nähe der heißen Glaskolbenwand (ca. 300 °C) mit dem Füllgas zu einem lichtdurchlässigen Gas (Wolframhalogenid). Gelangt das Gas in die Nähe der Wendel, zersetzt es sich aufgrund der hohen Wendeltemperatur und bildet wieder eine gleichmäßige Wolframschicht – es bildet sich so ein Kreislauf.

    Ist die Herstellung einer Glühlampe und deren Leuchten verhältnismäßig günstig, so bietet sie auch Nachteile. Das abgestrahlte Licht ist nahezu ein Abfallprodukt, der überwiegende Teil der aufgewandten Energie wird in Wärme umgewandelt. Weiter ist die glühende Wendel extrem erschütterungsempfindlich, glühendes Metall lässt sich leicht umformen, ein kleiner Schlag gegen die leuchtende Lampe lässt den Glühfaden abreißen. Zudem unterliegt der Prozess des stetigen Abdampfens und Wiederanlagerns der Metallteile am Glühfaden einem Verschleiß, es lagern sich auch Metallteile final am Glaskolben ab und fehlen am Glühfaden, der dadurch partiell abnimmt und am Ende durch die Verjüngung und an der Stelle entstehenden Temperaturspitzen reißt. Das geschieht ungefähr nach 1.000 Stunden.

    Die durchschnittlich kurze Lebensdauer einer Glühlampe im Fahrzeug spiegelt sich wider in der Statistik der jährlichen Lichttestaktion des ADAC: Bei fast jedem sechsten Fahrzeug ist mindestens eine Lampe defekt!

  • Die Gasentladungslampe (Xenon)

    Besonders zur energieeffizienten Beleuchtung von großen Flächen wie Hallen oder Straßen wurde die Gasentladungslampe entwickelt. Aufgrund von Fortschritten in der Fertigungstechnik und in der Elektronik wurde es möglich, Gasentladungslampen im Fahrzeug für die Scheinwerfer einzusetzen.

    Lichttechniken_02_350x160.jpgAbbildung: Hella 


    Durch das Anlegen einer Zündspannung aus dem Vorschaltgerät (bis 23 KV) wird das Gas zwischen den Elektroden im kugelförmigen Bereich im inneren Glaskolben der Lampe  ionisiert und mit Hilfe eines Lichtbogens zum Leuchten angeregt. Die Füllung erfolgt mit dem Edelgas Xenon und einer Mischung aus Metallen und Metallhalogeniden.

    Während der kontrollierten Zufuhr von Wechselstrom (ca. 400 Hz) verdampfen die flüssigen und festen Substanzen aufgrund der hohen Temperaturen. Ist die volle Lichtleistung erreicht, ist nur noch eine Betriebsspannung von 85 V für die Erhaltung des physikalischen Prozesses erforderlich.

    Gasentladungslampen sind unempfindlicher gegen Erschütterungen. Die Lebensdauer ist etwa fünfmal so hoch wie die der Glühlampen.
  • Die lichtemittierende Diode (LED)
    Eine Diode ist ein elektrisches Bauelement, das Strom nur in eine Richtung fließen lässt. Leuchtdioden (Licht Emittierende Diode) werden aus zwei Schichten hauchdünnen Halbleitermaterials hergestellt, die auf ein Trägermaterial aufgebracht werden. Es handelt sich um winzige Flächen, kleiner als 1mm² Größe.

    Lichttechniken_03_350x223.jpgGrafik: Hella 

    Vereinfacht beschrieben, strahlen Elektronen beim Übergang von der einen in die andere Halbleiterschicht beim Eintritt in elektronenarme Atome Licht (=Energie) ab. Durch den Schichtaufbau der winzigen LED-Chips strahlt die LED das Licht nur zu einer Seite ab. 

    LED-Arrays oder Multichip-LEDs erzeugen größere Lichtmengen.

    Die LED wurde sehr lange Zeit eingesetzt als zuverlässiges und ausfallsicheres Anzeigeinstrument, z.B. als Kontrollleuchte. Mechanische Robustheit und geringer Stromverbrauch sind die Stärken. LEDs in weißer Lichtfarbe waren zunächst nicht verfügbar, sondern rot, gelb oder grün, später folgte blau.

    Die Steigerung der Effizienz ermöglichte es, dass die LED inzwischen ein etabliertes Leuchtmittel in fast allen Bereichen geworden ist. Zwar braucht auch die LED eine einfache elektronische Ansteuerung, doch ist der Betrieb mit niedrigen Spannungen ab knapp über 3 Volt möglich. Inzwischen ist die Energieeffizienz so hoch, dass sie etablierte und sparsame Leuchtmittel wie die Leuchtstoffröhre oder die Gasentladungslampe überholt hat.

    Anders als die anderen Leuchtmittelarten strahlt eine LED das Licht jedoch nur in eine Richtung ab, sie kann das Licht nicht ringsherum abgeben wie z.B. ein Glühfaden. Das ist in den meisten Fällen ein Vorteil, denn ohnehin werden in der Regel Flächen beleuchtet und Reflektoren müssen bei herkömmlichen Leuchtmitteln das Licht umlenken, was mit der LED weitgehend entfallen kann.

    Die LED mag keine Wärme. Basieren Glüh- und Gasentladungslampe auf Effekten, die nur bei hohen Temperaturen möglich sind, so sind für die LED hohe Temperaturen schädlich. Wird sie zu warm, sinken die Lichtabgabemenge, die Effizienz und die Lebensdauer. Deshalb müssen High-Power-LEDs gut gekühlt werden. Bei optimalen Einsatzbedingungen können LEDs bis zu 50.000 Stunden halten. Im Fahrzeug werden Kompromisse eingegangen, da die Lebensdauer eines Fahrzeugs mit 5.000 bis 10.000 Betriebsstunden deutlich kürzer ist.

Die Leuchten

  • Der Reflektorscheinwerfer
    Bei einem Reflektorscheinwerfer strahlt eine Glühwendel das Licht ab. Zwei Glühwendeln oder zwei Scheinwerfer je Seite sind zur Darstellung von Abblend- und Fernlicht erforderlich.
    Bei einem Scheinwerfer mit Streuscheibe erfolgt die Lichtbündelung und -ausrichtung über Reflektor und Streuscheibe. Heute jedoch üblich sind Scheinwerfer mit Freiflächen-Reflektor und klarer Kunststoffabdeckung. Ein computerberechneter Kunststoffreflektor mit Metallbeschichtung nimmt Lichtbündelung und -ausrichtung vor. 

    Lichttechniken_04_350x185.jpgGrafik: Hella / 1: Reflektor    2: Leuchtmittel    3: Blendschutz
    4: Scheinwerferglas/-abdeckung

    Auch LED-Scheinwerfer basieren auf dem Reflektionsprinzip, mehrere Hochleistungs-LEDs strahlen in einen oder mehrere Freiflächenreflektoren und erzeugen so das erforderliche Lichtbild auf der Straße.

  • Der Projektionsscheinwerfer

    Anders als im Reflektorscheinwerfer, bei dem die Qualität von Reflektor (und Streuscheibe) bestimmt, wie gut das Licht abgestrahlt wird, bündelt der Projektionsscheinwerfer das Licht des Leuchtmittels zur Abstrahlung in eine Richtung, sendet es durch eine Blende, die nicht erwünschte Lichtstrahlen abdeckt, und wirft das Licht über ein Linsensystem auf die Straße.

    Das Prinzip ist für Gasentladungslampen erforderlich, da die Lichtquelle nicht so exakt justiert werden kann wie bei der Glühlampe. Bei einem Bi-Xenon-System wird die Blende verändert, um aus dem Abblendlicht ein Fernlicht zu gestalten, es ist dann nur ein Scheinwerfer je Fahrzeugseite für Abblend- und Fernlicht erforderlich.

    Lichttechniken_05_350x180.jpgGrafik: Hella / 1: Reflektor    2: Leuchtmittel    3: Blende   4: Linse   5: Scheinwerferglas/-abdeckung


  • Signalisierungs-, Begrenzungs- und Umrissleuchten

    Der Fokus bei dieser Leuchtenart liegt auf einer guten Erfüllung der Aufgabe, die Lichtzeichen müssen aus definierten Blickwinkeln gut und einwandfrei zu erkennen sein, Missinterpretationen müssen ausgeschlossen sein. Die Leuchtweiten sind in der Regel gering, der Lichtkegel breit. Lediglich für die Kennzeichenbeleuchtung gelten etwas strengere Richtlinien, das Kennzeichen muss gut ausgeleuchtet sein, der nachfolgende Verkehr darf aber nicht geblendet werden.

    Um die farbige Lichtabgabe zu ermöglich (z.B. Schlusslicht, Bremslicht, Blinker), wird die Leuchtenabdeckung eingefärbt. Beim Blinker ist es auch möglich, den Glaskolben der Glühlampe einzufärben.

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