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Strategien zur Realisierung von LED-Lichtsystemen für Autos : Ausgabe 17/2016, 19.10.2016

Emotionen, Sicherheit und Zuverlässigkeit

Aufgrund der Fortschritte bei LEDs und der LED-Ansteuertechnik wenden sich Automobilhersteller immer mehr von Halogen- und Glühlampen ab. Leselicht, LED-Hintergrundbeleuchtungen, Blinker, Scheinwerfer, Nebelleuchten, Rücklichter, Orientierungsleuchten und sogar Infrarotbeleuchtungen für Fahrerassistenzsysteme – all das lässt sich mit LED-gestützten Designs aufbauen.

Autor: Fionn Sheerin, Product Marketing Ingenieur für Analog & Interface Products Division bei Microchip Technology, Text und Bilder

Diese auf LED-Technik basierenden Neuentwicklungen bieten mehr Kontrolle über das Licht, höhere Zuverlässigkeit, verringerten Energieverbrauch, ein besseres ästhetisches Erscheinungsbild und allgemein eine hellere Beleuchtung. Allerdings haben diese unterschiedlichen Systeme sehr verschiedene Ansteuerungsanforderungen, und sie erfordern entsprechend unterschiedliche Schaltungsvarianten, um die Vorteile nutzen zu können.

LEDs im Innen- und Aussenbereich bei Autos

In neuen Fahrzeugentwicklungen ist mehr Licht­technik enthalten als je zuvor: Leselicht, Display-Hintergrundbeleuchtungen, Blinker, Abblend- und Fernlicht, Nebelleuchten, Kurvenlichter, Rücklichter, Orientierungsleuchten und sogar Infrarotbeleuchtungen für Fahrerassistenzsysteme. Im Inneren des Fahrgastraums ersetzen LED-Leuchten die Glühlampen vor allem dank ihrer günstigeren Abmessungen und Kosten sowie dank ihrer besseren Energieeffizienz und Langlebigkeit.

Technische Verbesserungen bei LEDs und Treiberschaltungen für ultrahelle LEDs verstärken diesen Trend, sodass LEDs nun auch in Aussenleuchten zum Einsatz kommen. Sehr sinnvoll und einfach ist z. B. die Umstellung von Glühbirnen auf jahrzehntelang haltende LEDs beim Leselicht oder bei Display-Hintergrundbeleuchtungen. Der Austausch notwendiger, gesetzlich vorgeschriebener Aussenbeleuchtungen erfordert dagegen erhebliche technische Weiterentwicklungen bei Leuchtdioden und Ansteuerschaltungen. Innovative, intelligente Ansteuerkonzepte erlauben völlig neue Funktionen mit LEDs; dies führt zu einer «Revolution» bei Autoaussenbeleuchtungen.

LED-Beleuchtungen in zahlreichen Serienfahrzeugen

Diese Umstellungen begannen mit LED-Tagfahrleuchten am Audi A8 des Jahres 2004 und erstreckten sich beim Audi R8 des Jahres 2007 auf die komplett LED-bestückten Scheinwerfer. Heute gibt es komplett mit LEDs ausgestattete Frontbeleuchtungssysteme für die unterschiedlichsten Serienfahrzeuge auf der ganzen Welt (wie etwa für Cadillac, Audi, BMW, Mercedes-Benz, Toyota, Jaguar und Volkswagen). Osram erwartet, dass 20 % aller Scheinwerfer bis zum Jahr 2020 mit LEDs ausgestattet sind, was nach den Massstäben der Autoindustrie eine sehr schnelle Umstellung ist. Gegenüber Halogen- und Hochdruckentladungsleuchten bieten LED-Leuchten einen höheren Wirkungsgrad und niedrigeren Stromverbrauch, und die Preise für ultrahelle LEDs haben eine stark fallende Tendenz; Leuchtdioden sind zudem ausserordentlich zuverlässig.

Der wesentliche Grund für den Einsatz von LEDs ist aber ihre Steuerbarkeit – dies erfordert jedoch intelligente LED-Treiberschaltungen. Das letzte und zugleich wichtigste Argument für viele Verbraucher ist aber der ästhetische Effekt einer guten Beleuchtung. Die Beleuchtung ist ein wichtiges Designelement für Fahrzeuge – Autofahrer sind in vielen Fällen sogar bereit, extra dafür zu bezahlen.

Innovative LED-Schaltungen helfen bei der Erfüllung von Vorschriften

Behörden und Gesetzgeber interessieren sich besonders für die Fahrzeugaussenbeleuchtung. In den meisten Ländern auf der Welt gibt es gesetzliche Vorschriften für die Anzahl, Helligkeit und Farbe von Aussenleuchten. In manchen Fällen gibt es auch Regeln darüber, welche Leuchten unter welchen Bedingungen verwendet werden dürfen, z. B. ob Scheinwerfer zum Ausgleich der Fahrzeugbeladung automatisch nivelliert werden müssen, oder bei welchen Geschwindigkeiten die Kurvenlichter eingeschaltet werden dürfen oder müssen.

Viele dieser Anforderungen lassen sich mit Anordnungen aus LED-Leuchten, sorgfältig ausgelegten Konstantstromreglern und intelligentem Aufbau erfüllen. Gute LED-Treiber- und zugehörige Elektronikschaltungen lassen sich für viele Designs wiederverwenden. In die Scheinwerfer integrierte Mikrocontroller können Informationen aus Licht- und Temperatursensoren nutzen, um Variationen über den LED-Treiberstrom zu kompensieren. Sie können damit einen gleichmässigen Lichtstrom sichern bzw. den Lichtstrahl absichtlich refokussieren oder die Helligkeit an veränderte Fahrbedingungen anpassen.

Verschiedene Einzel-LEDs innerhalb des Scheinwerfers lassen sich ein- bzw. ausschalten oder dimmen, um eine Kurve auszuleuchten oder eine Blendung entgegenkommender Fahrzeuge ohne mechanische Komponenten zu vermeiden. Darüber hinaus können Brems-, Warn- oder Blinklichter in bestimmten Mustern oder Sequenzen aufleuchten, und so eine bessere Wahrnehmbarkeit gewährleisten. Vor allem aber lassen sich richtig implementierte LED-Leuchten fast augenblicklich ein- oder ausschalten. Natürlich muss es sich erst noch zeigen, ob diese Anpassungen langfristig einen merklichen Einfluss auf die Verringerung von Autounfällen haben; bisherige Hinweise sind aber vielversprechend.

LED-Design und ansteuerbare Treiberschaltungen sind nötig

Wesentlich für diese Überlegungen ist aber, dass diese Funktionen nicht nur LED-Anordnungen in hoher Qualität, sondern auch sehr genau ansteuerbare Treiberschaltungen mit intelligenten Funktionen benötigen. Die dsPIC Digital Signal Controller (DSC) Chips von Microchip eignen sich bestens für diese Anforderungen. Die Qualität der Schaltungsumsetzung und der Algorithmen sowie eine passende Bauteilauswahl werden den Unterschied zwischen erfolgreichen und weniger geeigneten Beleuchtungsprodukten ausmachen. Sind die Lichtsysteme über einen CAN-, LIN- oder ähnlichen Datenbus im Fahrzeug vernetzt, so könnte das Auto bei einer fehlerhaften Leuchtfunktion den Fahrer warnen – Microchip bietet eine Reihe von CAN- und LIN-Transceiver und -Mikrocontroller für solche Anwendungen.

Für eine korrekte Implementation dieser Diagnosefunktionen müssen die Schaltungen für die LED-Ansteuerung und -Überwachung genauso zuverlässig sein wie die Leuchtdioden, die von ihnen gesteuert werden. LED-gestützte Systeme enthalten oft mehr Bauteile als die herkömmlichen Birnen, an deren Stelle sie treten. Um die volle Lebensdauer bei einer LED zu erzielen, benötigt man eine passende Treiberschaltung, also eine, die über alle Betriebsbedingungen eine gute Stromregelung bietet. Zur Sicherung einer überlegenen Lichtqualität und eines zuverlässigen Betriebs muss die Ansteuerschaltung sämtliche Temperatur-, Eingangsspannungs- und Lastwiderstandsänderungen kompensieren können und darüber hinaus unter allen Betriebsbedingungen einen konstanten Ausgangsstrom gewährleisten.

Autokäufer zahlen gerne für moderne LED-Lichtlösungen

Langfristig zuverlässige LED-Leuchten benötigen Lichtsysteme mit DC/DC-Reglern, die mit engen Toleranzen gesteuert werden und von Herstellern stammen, die eine anerkannte Erfolgsbilanz für Automobilqualität aufweisen können. Microchip fertigt eine Reihe von Digitally-Enhanced-Power-Analog-PWM-Controllern wie den MCP19115; diese Controller setzen Massstäbe in Bezug auf Stromregelung und verfügen über integrierte digitale Kommunikationsschnittstellen. Bei richtiger Auslegung verfügen solche Lichtsysteme über alle nötigen Elemente für eine lange Lebensdauer.

Sicherheit und Zuverlässigkeit sind absolut wünschenswerte Merkmale, und Autokäufer sehen Mängel in diesem Bereich oft als Gründe, ein Fahrzeug nicht zu kaufen. Oft neigen sie dazu, Marken oder Modelle zu meiden, die ihnen als unsicher oder wenig zuverlässig erscheinen. Gut konzipierte Leuchtsysteme können einem Fahrzeug das entscheidende ästhetische Erscheinungsbild verleihen, das anspruchsvolle Käufer anlockt. Die Kunden sind bereit, für solche Features zu bezahlen. Im Zubehörbereich zählen Scheinwerfer zu den beliebtesten Fahrzeugaufrüstungen, gleichgültig ob es sich dabei um Scheinwerfer für ein Geländefahrzeug handelt (das womöglich niemals den Asphalt verlässt) oder um Nebelleuchten für eine Luxuslimousine (die womöglich niemals im Nebel fahren wird). Emotionale Attraktivität verkauft Fahrzeuge und attraktive, perfekt angesteuerte LED-Lösungen bieten diese Emotion.

Fazit

LED-Technologie eignet sich besonders gut für die Autoaussenbeleuchtung. Ältere Halogen- und HID-Systeme bieten nicht die gleiche Flexibilität zur Unterstützung moderner Designs und zukünftiger Erwartungen an die Sicherheit. Präzise Konstantstrom-DC/DC-Wandler, manchmal in Kombination mit Mikrocontroller-Intelligenz, lassen sich für die Implementation vom einfachen Rücklicht bis zum hochmodernen, segmentierten Scheinwerfer nutzen. Zukünftige Beleuchtungsdesigns – ob es sich dabei um LED-gestützte Systeme in der nahen Zukunft oder auch um neue Systeme auf Laserbasis handelt – ebnen den Weg für intelligente Fahrzeugsysteme der Zukunft. Das Erkennen von Hindernissen ist ein weiterer Schritt auf dem Weg zu mehr Fahrzeugsicherheit. Zugleich kann die Autoindustrie damit beweisen, dass sie zusätzliche Sicherheit und Zuverlässigkeit schafft, das ästhetische Erscheinungsbild verbessert und letztendlich den effektiven Nutzwert der Fahrzeuge steigern kann. 

Infoservice

Microchip Technology Inc.
Karlsruher Strasse 91, DE-75179 Pforzheim
Tel. 0049 7231 424 750, Fax 0049 7231 424 75 99 www.microchipdirect.com



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