Das Geheimnis der Konstruktion von Scheinwerfern

Scheinwerfer, Bremssysteme, Sicherheitsgurte und Airbags gehören heutzutage zu den wichtigsten Sicherheitsvorrichtungen in unseren Autos. Ohne sie richtig zu funktionieren, können wir gar nicht losfahren. Unter ihnen hebt jedoch der Scheinwerfer hervor, der das Erscheinungsbild unseres Fahrzeugs stark beeinflusst. Darüber hinaus beleuchten wir mit ihrer Hilfe die Fahrbahn vor uns sowie können Verkehrszeichen, Gegenstände, Personen und Tiere am Straßenrand besser erkennen. Aber auch tagsüber sorgen sie dafür, dass wir von anderen Verkehrsteilnehmern gut gesehen werden. Trotzdem wissen wir immer noch wenig über die Lichtsignaturen.

Welche Lichtquellen hat unser Auto?

Aufgrund ihrer Funktion werden Lichtquellen in drei Gruppen eingeteilt. Es gibt Lichtsignaturen, einschließlich Scheinwerfer und Nebelscheinwerfer, da ohne sie der Verkehr bei unterschiedlichen Wetterbedingungen und aufgrund der wechselnden Tageszeiten unmöglich wäre. Zur zweiten Gruppe gehören Positions- und Blinkerleuchten wie Tagfahrlicht, Rückfahrlicht und Blinker. Zur dritten Gruppe gehören Lichtquellen, die unserem Komfort dienen, wie beispielsweise die Innenraum- und Armaturenbrettbeleuchtung.

Eine kurze Geschichte der Entwicklung des Scheinwerfers

Zu Beginn nutzten sie thermische Lichtquellen, jedoch keine elektrisch beheizten, sondern Lampen mit in einem Ölderivat getränkten Dochten, die nach dem Prinzip einer Fackel funktionierten. Die nächste Entwicklungsstufe erfolgte in den 1890er Jahren, als die Straßenoberfläche mit Karbidlampen beleuchtet wurde, die mit Acetylen gefüllt waren. Im Vergleich zu ihren Vorgängern erfreuten sich diese Lampen deutlich größerer Beliebtheit, da ihre Flamme wesentlich widerstandsfähiger gegen Umwelteinflüsse wie Wind und Regen war, was für einen sicheren Nachtverkehr von größter Bedeutung war. Aber auch diese Leuchtkörper brachten keinen großen Erfolg, da sie nicht sehr lange hielten. Sie brannten schnell aus oder aufgrund der schlechten Straßenqualität gingen einfach kaputt. Im Jahr 1908 wurden elektrische Scheinwerfer serienmäßig in die Fahrzeuge der amerikanischen Peerless Motor Company eingebaut. Doch die erste ernsthafte Entwicklung in Richtung noch heute funktionierender Scheinwerfer erfolgte im Jahr 1913. Damals präsentierte die Firma Bosch ihre ersten Scheinwerfer für Fahrzeuge, die aus einem Generator, einem Anlasser und einer Lampe bestanden. Doch diese Scheinwerfer beleuchteten nicht nur die Strassen, sondern blendeten auch den Gegenverkehr. Um dies zu beseitigen, führte die Guide Lamp Company zwei Jahre später, 1915, das erste Abblendlicht ein, und 1924 wurde der erste Scheinwerfer geboren, der sowohl Fernlicht als auch Abblendlicht umfasste. Der nächste Meilenstein war das Erscheinen des Nebelscheinwerfers im Jahr 1938, der von Cadillac eingeführt wurde und die Verkehrssicherheit erheblich verbesserte. 1957 kam die asymmetrische Glühbirne mit abgeblendeten Licht auf den Markt und 1971 wurden Bilux-Halogenlampen eingeführt. Das erste damit ausgestattete Modell war der Mercedes SL. 1987 kamen Projektorscheinwerfer auf den Markt und 1991 wurde der 7er BMW als erstes Serienfahrzeug mit Xenon-Scheinwerfern ausgestattet.

Aus welchen Einheiten besteht ein Scheinwerfer?

Scheinwerfer bestehen aus vier Hauptteilen: dem Scheinwerfergehäuse, der Lichtquelle, der Abdeckung und verschiedenen optischen Elementen. Die grundlegende Aufgabe des Scheinwerfergehäuses ist der Schutz vor physikalischen Einwirkungen, also der Schutz vor Staub und Wasser. Dieses Gehäuse beherbergt beispielsweise die Lichtquelle und die optischen Elemente. Die Lichtquelle kann Halogen, Xenon oder LED sein. Das Scheinwerferglas spielt nicht nur beim Schutz der Lichtquelle eine Rolle, sondern auch bei der Lichtstrahlung. Zu den optischen Elementen gehören der Reflektorspiegel oder Projektionslinsen, letztere sind nicht in allen Scheinwerfern zu finden. Die Aufgabe der optischen Elemente besteht darin, sicherzustellen, dass die Größe und Richtung des Lichtstrahls präzise wird.

Warum wird der Reflektorspiegels im Scheinwerfer benötigt?

Die Aufgabe eines Reflektors besteht darin, möglichst viel des von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichts in die richtige Richtung zu projizieren. Früher bestanden Reflektoren aus Blech, das mit der Weiterentwicklung der Produktionstechnik durch thermoplastischen Spritzgusskunststoff ersetzt wurde. Die reflektierende Schicht wird im PVD-Verfahren auf die gegebene Oberfläche aufgebracht. Dabei handelt es sich um die sogenannte Lichtlinie, an der das ausgesendete Licht reflektiert wird. Mit der Zeit brennt die von den Lampen erzeugte Hitze diese reflektierende Metallschicht ab und der Reflektor wird stumpf, wodurch auch die Helligkeit der Lichtsignatur abnimmt. Im Werkstatt von Reflektorklinik wird diese Schicht neu bedampft. Dieses Verfahren erfolgt durch Metallbedampfung, dem modernsten PVD-Verfahren. Bei der Metallbedampfung wird 99,99 % reines Aluminium verwendet. Der Prozess findet im Hochvakuum statt, das Endvakuum beträgt 5 × 10 −5 Mbar. In dem Behälter, in dem die Teile platziert sind, zerfällt das auf der Wolframelektrode platzierte Aluminium durch Erhitzen in seine Moleküle und bewegt sich dann geradlinig von Wand zu Wand. Der in die Molekülwolke verwandelte Reflektor kollidiert mit der Molekülen Lacke, die an der darauf befindlichen Speziallackierung haften und den Scheinwerfer wieder in altem Glanz erstrahlen lassen.

Herkömmliche Halogenlichtquellen

Halogenlichtquellen arbeiten nach einem thermischen Prinzip, das heißt, das von der Glühbirne emittierte Licht entsteht durch Erhitzen des Wolframfadens mit elektrischem Strom. Abhängig von der Art der Füllgase im Kolben unterscheidet man zwei Gruppen. Es gibt traditionelle- und sogenannte Halogenlampen. Wo finden wir eine herkömmliche Glühbirne im Auto? Zum Beispiel bei Kontrollleuchten. Da diese Art von Glühbirnen keinen ausreichenden Lichtstrom erzeugen konnte, um die Straße ausreichend auszuleuchten, übernahmen bei Scheinwerfern Halogenlampen ihre Rolle. Allerdings verfügen auch diese Leuchtmittel nicht über perfekte Eigenschaften, da sie auch hinsichtlich der Lichtausnutzung keine herausragenden Werte aufweisen. Das sind 10-15 lm/W. Zudem ist ihre Lebensdauer nicht allzu lang, sie beträgt ca. 1000–2000 Stunden. Denn sie geben durch die Erwärmung nicht nur Licht, sondern auch Wärme ab. Nur 2 % der Energie werden als Licht genutzt, der Rest wird verschwendet.

Welche Arten von Scheinwerfern unterscheiden wir?

Es gibt die Parabol-Reflektorlampen, die Ellipsoidspiegel-Scheinwerfer, der mit DE abgekürzt wird, die Freiform-, mit der Abkürzung FF, und die Super-DE-Systeme. Diese vier Scheinwerfertypen lassen sich weiter in zwei verschiedene Gruppen unterteilen, nämlich die klassische und die Projektionslinsen Gruppe, auch Reflexionsgruppe genannt. Aber schauen wir uns jeden Typ im Detail an. 

• In den Parabolspiegelscheinwerfern kamen zunächst herkömmliche Glühlampen zum Einsatz, später wurden sie durch H4-Halogenlampen ersetzt, bei denen dem Füllgas Halogene wie Jod beigemischt wurden. Dadurch waren sie heller, weißer und langlebiger. Einer der gravierenden Nachteile von Parabolscheinwerfern ist der große Platzbedarf und die Tatsache, dass sie mittlerweile als veraltete Technik gelten. Zudem kann sie nur 26 Prozent des verfügbaren Lichts nutzen, sodass sie einen relativ kleinen Bereich ausleuchten kann.

• Projektorlinse Scheinwerfer gaben den Designern viel mehr Freiheit und konnten dank ihrer modernen Technologie einen viel größeren Bereich ausleuchten als Parabolspiegelscheinwerfer.

• Bei dieser Lösung ist der Spiegel ellipsoidförmig und der Brennpunkt ist die Halogenlampe. Doch die reflektierten Lichtstrahlen kreuzten sich vor der Glühbirne in einem anderen Brennpunkt, sodass eine Projektionslinse benötigt wurde, die die Lichtstrahlen parallelisiert und auf die Straße lenkt. Bei diesem System wird das Abblendlicht mit Hilfe einer vor der Projektionslinse angebrachten Abdeckplatte erzeugt, die den Lichtstrahlen den Weg versperrt und den entgegenkommenden Autofahrer blendet.

• Bei Freiformscheinwerfern leitet die Gestaltung der Haube Oberfläche die Lichtstrahlen an die richtige Stelle. Bei der Freiform besteht die reflektierende Oberfläche aus verschiedenen Formelementen. In diesem Fall wird das Licht von jeder einzelnen Oberfläche in einem anderen Winkel reflektiert. Dabei wird die Reflexion und Streuung des Lichts mit Hilfe moderner Technik berechnet, um eine möglichst gleichmäßige Lichtverteilung zu gewährleisten.

• Gasentladungsscheinwerfer werden üblicherweise einfach als Xenon-Scheinwerfer bezeichnet, diese Bezeichnung ist jedoch falsch. Denn Xenon fungiert in diesen Systemen lediglich als Füllgas. Die Lichtemission wird nicht durch einen Glühfaden verursacht, sondern durch den Lichtbogen, der zwischen zwei im Gasraum platzierten Elektroden entsteht. Sein Licht ist deutlich blauer als das von Halogenscheinwerfern, strahlt aber deutlich besser zur Seite. Der Nachteil besteht darin, dass das System zum Betrieb eine unter hohem Druck stehende Haube und Hochspannung benötigt und außerdem einige Sekunden dauert, bis sich der Scheinwerfer erwärmt. Aufgrund der extrem scharfen Hell-Dunkel-Grenze ist der Einsatz außerdem nur in Kombination mit einer dynamischen Scheinwerferhöhenverstellung möglich, die die Blendung der Gegenverkehr reduziert.

Heutzutage sind auch LED-Scheinwerfer zu erwähnen. Für das Licht dieser Lampen sorgen nicht mehr Glühbirnen, sondern Leuchtdioden. LEDs sind wesentlich energieeffizienter als jeder Scheinwerfer, der mit einer Hochtemperatur-Halogenlampe ausgestattet ist.