Viele Autofahrer verbringen eine Menge Zeit in ihrem Fahrzeug. Deshalb versuchen Hersteller, ihnen diese so angenehm wie möglich zu gestalten. Leuchtdioden (LEDs) bieten hierfür unzählige Möglichkeiten: Helligkeit und Farbe lassen sich je nach Vorliebe und aktueller Stimmung des Fahrers ändern sowie an die äußeren Lichtverhältnisse anpassen, beleuchtete Türgriffe, Getränkehalter oder ähnliche Elemente vereinfachen die Bedienung. Dabei setzen Hersteller immer häufiger auf RGB-LEDs, die jeweils einen Chip pro Grundfarbe rot, grün und blau besitzen. Gegenüber einfachen LEDs bieten sie den Vorteil, dass sie deutlich mehr verschiedene Farben erzeugen können und weniger Platz beanspruchen. Die geringen Abmessungen sind ein wichtiges Kriterium, da relativ viele Lichtpunkte notwendig sind, um die gewünschten Beleuchtungseffekte und eine qualitativ hochwertiger Anmutung zu erzielen.
Hierfür müssen die einzelnen RGB-LEDs angesteuert werden. Geschieht dies über eine eigene Verkabelung, steigen mit jedem Lichtpunkt nicht nur die Systemkosten, sondern auch das Gewicht des Fahrzeugs. Beides lässt sich mit Hilfe des seriellen Kommunikationssystems LIN (Local Interconnect Network) reduzieren. An diese, im Fahrzeug bereits vorhandene Busstruktur lassen sich mehrere LEDs verkettet kontaktieren. Dabei müssen die Treiber-ICs die Robustheit des Beleuchtungssystems unterstützen, die sich an der rauen Automotive-Umgebung orientiert. Da die RGB-LED-Module aufgrund der Start-Stopp-Abläufe mit Spannungen von zirka 6 Volt arbeiten müssen, und die LED-Schwellenspannung höchstens vier Volt beträgt, bleiben für den Verpolungsschutz zwei Volt. Zudem ist der Spannungsabfall der LED-Treiberstufe zu berücksichtigen.
ICs für niedrige Spannung
Speziell auf den Betrieb bei niedriger Spannung ausgelegt, ist zum Beispiel der MLX81106 von Melexis. Dieser frei programmierbare LIN-RGB-LED-Slave-Schnittstellen-IC enthält alle erforderlichen Treiber und kann durch seine integrierte Konstantstromquelle bis zu vier LEDs direkt ansteuern. Auf 9 mm x 9 mm Grundfläche enthält er einen Phy-LIN-Trans-
ceiver, einen 19,2-KBit/s-LIN-Controller, einen 10-Bit-A/D-Wandler mit integriertem Vorteiler, einen Spannungsregler und einen 16-Bit-RISC-Mikrocontroller mit 24 beziehungsweise 32 KByte Flash, 512 Byte RAM und 128 Byte EEPROM.
Über den Mikrocontroller lässt sich jeder der vier Ausgänge programmieren, sodass er bis zu 35 mA Treiberstrom bereitstellt – mit integrierter Boost-Funktion bis 48 mA. Wird für ein weißes Licht mehr Strom benötigt, kann dieser – dank der hohen Spannungsfestigkeit des MLX81106 – von einem externen Bauteil geliefert werden. Der Treiber-IC verfügt außerdem über eine 16-Bit PWM-Erzeugung sowie konstantstrom- und hochspannungsfähige Ausgänge und eine LED-Schwellwert-
überwachung. Damit ermöglicht er die schnelle und einfache Integration von LIN in RGB-Innenraumbeleuchtungen mit bis zu 2,7 x 1.014 Farben.
Um die unterschiedlichen Lichtintensitäten von LEDs je nach Alter und Außentemperatur in den Griff zu bekommen, können die LEDs innerhalb der End-of-Line(EOL)Modul-Fertigung mit Hilfe des EEPROM des IC kalibriert werden. Seine LED-Schwellwert-Überwachungsfunktion enthält eine Alterungs- und Temperaturkompensation und kann damit die sich ändernden Farbwerte des LED-Emitters kompensieren. Auch produktionsbedingt können eigentlich identische LEDs bereits verschiedene Lichtintensitäten und damit unterschiedliche Ausgangsfarben haben. Dies führt zu einem inhomogenen Gesamtbild, vor allem wenn sich die Lichtpunkte relativ nahe beieinander befinden. Hersteller führen deshalb mittels Binning eine Vorselektion durch und teilen die LEDs in vier Bereiche ein. Für ein zunehmend besseres Ergebnis werden die Toleranzen hier immer enger.
Für fortschrittliche LIN-basierte LED-Beleuchtungen hat Melexis den MLX81109 entwickelt. Er verfügt ebenso über einen hohen Integrationsgrad, neben den vier hochspannungsfähigen (12-Volt-Direkt) I/Os bietet er acht Low-Voltage-fähige I/Os mit 5 Volt. Auch hier lässt sich jeder I/O programmieren, um die Anwendungskomponenten über den integrierten Flash-Speicher anzusteuern. So vereinfacht der IC die Kommunikation und LIN-Infrastruktur im Fahrzeug.
Um einzelne LED-Module über LIN ansteuern zu können, auch wenn alle im Fahrzeug verbauten Module hinsichtlich Hardware und Software identisch sind, muss das System die Position jedes LED-Moduls erkennen. Hierfür nutzen die Melexis-ICs den Auto-Konfigurationsmechanismus bei einem Bus-Shunt. Das LIN-Protokoll funktioniert nach dem Master-Slave-Prinzip: Das Hauptsteuergerät fungiert dabei als Master, die einzelnen LEDs sind die Slaves. Sendet der Master nun ein Signal, überprüfen die LED-Module die Zieladresse. Das Modul mit der identischen Adresse führt den Befehl aus. Mit einer solchen automatischen Adressvergabe kann ein Modul ohne manuelle Adresseingabe eingebaut oder ausgetauscht werden.
Individuelles Gesicht mit Außenbeleuchtung
Auch für die Außenbeleuchtung kommen immer häufiger LEDs zum Einsatz. Viele Hersteller nutzen die neuen Möglichkeiten, um ihrer Marke mit spezifisch geformten Brems- oder Blinklichtern ein individuelles Gesicht zu geben und ihren Wiedererkennungswert zu steigern. So basieren in Europa bereits rund Zweifünftel der hochgesetzten Bremsleuchten auf LED-Technik.
Ein zusätzliches Plus an Sicherheit bieten Matrix-LED-Scheinwerfer: Fällt eine Leuchtquelle aus, bleibt nicht gleich der gesamte Scheinwerfer dunkel, da sie aus mehreren Leuchtmitteln bestehen. Noch effizienter als LEDs sind Laserdioden. So tragen sie unter anderem dazu bei, bei Verbrennungsmotoren den CO2-Ausstoß zu reduzieren, beziehungsweise bei Elektrofahrzeugen die Reichweite zu erhöhen.
Noch weiter gehen Projektor-Scheinwerfer, die die Auflösung des Matrix-Scheinwerfers auf das Niveau eines einfachen TFT-Displays heben. Sie haben bislang jedoch noch nicht die Serienreife erreicht, da die bildgebenden Elemente – zum Beispiel auf High-Temperature-PolySilicon(HTPS)-basierende transmissive TFTs – noch nicht serientauglich sind. Hierfür müssen sie auch die spezifischen Automotive-Anforderungen erfüllen, das heißt, eine ausreichende Temperaturfestigkeit der Flüssigkristalle, ein entsprechendes Thermomanagement der Leuchtmittel sowie eine lange Lebensdauer.
Für beide – LED und Laserdioden – gilt, dass sie elektrisch und thermisch beherrscht werden müssen. Kühlelemente, die spezifisch für LED-Matrix-Module ausgelegt sind, führen die Abwärme der LEDs ab – wenn das erforderlich ist. Denn in manchen Fällen wird die entstehende Wärme vor Ort genutzt, um Feuchtigkeit im Scheinwerfer verdunsten zu lassen.
Lichtpunkte individuell ansteuern
Auch bei der Außenbeleuchtung kann mit Hilfe eines LIN-Protokolls jeder Lichtpunkt individuell angesteuert werden, sodass sich je nach Situation einzelne Segmente zu- oder abschalten lassen. Dadurch kann eine mechanische Leuchtweitenregulierung entfallen. Zudem lassen sie sich mit Sensoren und Kameras sowie mit Streckendaten des Navigationssystems verknüpfen. Damit lassen sich zum Beispiel bestimmte Schweinwerfer-Segmente ausschalten, wenn diese Gegenverkehr registrieren, oder der Abstrahlwinkel wird innerorts verbreitert, damit der Fahrer Fußgänger besser wahrnehmen kann.
Darüber hinaus geht der Trend dahin, die Scheinwerfer mit den ADAS(Advanced Driver Assistance Systems)-Systemen zu verknüpfen. So kann ein ADAS-System dem Fahrer über das Head-up-Display zum Beispiel bei einer Nachtfahrt einen dunkel gekleideten Verkehrsteilnehmer anzeigen, den er mit bloßem Auge praktisch nicht wahrnimmt, der jedoch vom Radar, Lidar oder einer Thermokamera erfasst wurde. Auch via Dedicated Short Range Communication (DSRC) drahtlos gesendete Signale anderer Verkehrsteilnehmer werden künftig zunehmend in die Steuerung der Außenbeleuchtung
einfließen.
Im Bereich der Lichttechnologie werden organische LEDs (OLED) die LEDs und Laserdioden ergänzen. Als Flächenstrahler ermöglichen sie ganz neue Designs: Sie liefern diffuses, blendarmes Licht für die Innenbeleuchtung, Bremsleuchten und Blinker sowie Zierleisten. Am Fahrzeug könnten sie Beklebungen als Designelement oder Werbemittel ablösen. Und sogar für Markierungen zur Fahrbahnbegrenzung lassen sich OLEDs nutzen.
