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Design und Sicherheit: Was mit LEDs in modernen Fahrzeugen möglich ist

| Autor / Redakteur: Mark Patrick * / Hendrik Härter

Ausreichend Licht auf der Straße: Dank der LED und die damit verbundenen Entwicklungen hat das Licht nicht nur einen Designaspekt, sondern macht Autofahren sicherer.
Ausreichend Licht auf der Straße: Dank der LED und die damit verbundenen Entwicklungen hat das Licht nicht nur einen Designaspekt, sondern macht Autofahren sicherer. (Bild: Daimler AG)

Die LED sorgt im Auto dafür, dass die Straße bestmöglich ausgeleuchtet wird. Dank eines flachen Designs der Leuchten im Fahrzeug stehen dem Entwickler viele Möglichkeiten offen. Wir zeigen, was sich heute bereits umsetzen lässt.

Verschiedene Studien belegen, dass die vorherrschenden Lichtverhältnisse direkten Einfluss auf einen Verkehrsunfall haben. Aus diesem Grund sind Forscher daran interessiert, die Ausleuchtung von Straßen stetig zu verbessern. Ein Ansatz ist beispielsweise der vernetzte Scheinwerfer [1]. Und es ist vor allem in der Nacht, in der Unfälle geschehen: In der EU kommt es zu 10.000 Unfällen pro Jahr, am Tag ist es nur die Hälfte. Schlechte Sichtverhältnisse führen dazu, dass der Fahrer unübersichtliche Verkehrssituationen nur schwer einschätzen kann und auch der Abstand zu einem Fahrzeug oder eines Hindernisses ist schwieriger. Auch bei künftigen autonomen Fahrzeugen wird die LED eine wichtige Rolle spielen.

LED-Scheinwerfer spielen bei der Sicherheit am Fahrzeug eine wesentliche Rolle. Die Automobilindustrie ist bestrebt, die Scheinwerfertechnik weiter zu verbessern. Der Wechsel von der klassischen Halogen- und Hochdruck-Entladungslampe zur LED ist dabei ein wesentlicher Schritt. Die LED-Technik hat sich in den letzten Jahren deutlich verbessert. Sowohl was die Lichtausbeute als auch bezogen auf den Stückpreis. Autobauer profitieren davon: kleinere Gehäuse und freie Formgestaltung bei der LED-Lichttechnik. Dabei profitiert das gesamte Fahrzeug mit seinen Frontleuchten und Bremslichtern. Die Analysten von TrendForce prognostizieren, dass angesichts dieser Entwicklung der LED-Bedarf im Automobilsektor weiter steigen wird. Laut einer Studie der Marktforscher wird der LED-Markt für Fahrzeuge von Ende 2017 bis Ende 2018 um 12,5% wachsen.

Welche Vorteile die LED im modernen Kfz bietet

Eine auf LED-basierte Beleuchtung bietet verschiedene Vorteile im Automobil. Neben einer hohen Zuverlässigkeit und langen Lebensdauer, und das mit nur minimalen verschleißbedingten Leistungseinbußen, sind die LEDs hocheffizient, was sich positiv auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Wenn man hier die vielen elektronischen Assistenzsysteme außen vor lässt. Eine LED gewinnt aus der ihr zugeführten Energie mehr Licht und weniger Wärme. Dadurch ist ein weniger aufwendiges Wärmemanagement mit entsprechenden Kosten- und Platzeinsparungen notwendig. Gerade die hohen Temperaturschwankungen, die im Fahrzeug an der Tagesordnung stehen, können die LEDs standhalten. Ein weiterer Vorteil sind die Schaltzeiten, mit denen sie ein- und ausgeschaltet werden können.

Darüber hinaus bieten LEDs gegenüber konventioneller Fahrzeugbeleuchtung mehr Funktionen. Eine Schlüsselrolle dabei spielen die sogenannten Pixel-Scheinwerfern[2]. Bei dieser Technik können dank gerasterter LED-Module Teile des Frontlichts abgeblendet werden, damit entgegenkommende Verkehrsteilnehmer, Fußgänger und Tiere nicht geblendet werden. So lässt sich das Risiko eines Unfalls reduzierten. Mit der LED ist es möglich, die Beschaffenheit des Lichtstrahls an die Umgebung anzupassen, ohne dass Motoren, Aktoren oder andere elektromechanische Elemente erforderlich sind. Solche adaptiven Lichtfunktionen passen den Lichtstrahl an den Straßenverlauf an. Der Winkel des Lichtstrahls wird in vertikaler Richtung geändert, wenn das Fahrzeug bergauf bzw. bergab fährt oder auf eine Unebenheit der Fahrbahn trifft.

In Kurven lässt sich die Richtung des Lichtstrahls in Relation zur horizontalen Achse ändern, um für eine situationsgerechte Lichtverteilung zu sorgen. Außerdem lässt sich die Reichweite des Lichtstrahls bei erhöhter Fahrzeuggeschwindigkeit erhöhen, damit dem Fahrer beispielsweise mehr Zeit bleibt, ein Hindernis zu identifizieren, das ein Ausweichmanöver erfordert. Damit sich das umsetzen lässt, müssen Daten zur Geschwindigkeit, zur Drehrate und zur Fahrzeugneigung im Verhältnis zur Straße erfasst werden. Das geschieht mit verschiedenen Sensoren, die im Fahrzeuggehäuse platziert und via CAN- oder Ethernet-Netzwerkinfrastruktur miteinander verbunden sind.

Individuelles Licht dank adaptiver LED-Frontscheinwerfer

In der aktuellen E-Klasse von Mercedes-Benz befinden sich beispielsweise adaptive Frontscheinwerfer, die mit jeweils 84 individuell ansteuerbaren, rasterförmig angeordneten Hochleistungs-LED-Chips ausgestattet werden können, damit eine präzisionsgesteuerte Beleuchtung bei gleichzeitig hoher Lichtstärke realisiert werden kann. Unterstützt von vier elektronischen Steuereinheiten (ECUs) ist das Fahrzeug in der Lage, zu jeder Zeit für eine optimale Lichtverteilung zu erzeugen. Das Lichtmuster kann dabei bis zu hundertmal pro Sekunde verändert werden.

Ein wichtiger Hersteller für smarte Automobilbeleuchtung ist Osram Opto Semiconductors [3]. Die Serie Oslon Black Flat S umfasst SMD-LEDs = Surface Mounted Device, die Automobilingenieuren pro Paket bis zu fünf einzeln ansteuerbare Emitter-Elemente bieten. Sie passen die Scheinwerferbeleuchtung an und blenden bei Bedarf vorgegebener Bereiche aus. Mit der SMD-LED lässt sich ein Lichtstrom von bis zu 1650 lm bei einem Kontrastverhältnis von 1:65 erzielen. Lumileds bietet mit der LFMH/A LUXEON F eine LED mit typischer Ausgangsleistung von 203 lm bei einem Blickwinkel von 188°. Sie messen 1,9 mm x 2,3 mm. Die Bauteile basieren auf aktueller Phosphortechnik und sind in 1x2- oder 1x4-Konfigurationsoptionen erhältlich (mit oder ohne Kabelschuhe).

Der LED-Treiber als Herzstück der Beleuchtung

Neben Weißlicht-LEDs für die Frontbeleuchtung gibt es Phosphor-gewandelte bernsteinfarbene Versionen für Blinker. Eingesetzt werden können die LEDs bis 85 °C und entsprechen den ECE- und SAE-Farbspezifikationen. Aus einer analogen IC-Perspektive entstanden ebenfalls Produkte rund um die LEDs. Die AEC-Q100-konformen LED-Treiber der Reihe TPS92515-Q1 für einen Strom von 2 A verfügen sie über einen integrierten N-Kanal-MOSFET mit geringem Widerstand. Selbst eine Eingangsspannung bis 42 V ist kein Problem. Das Vorschalt-IC und der Zwei-Kanal-LED-Treiber des Typs NCV78763 basieren auf einem Single-Chip. Mit einem Ausgangsstrom von 1,6 A lassen sich zwei LED-Stränge bis 60 V über zwei interne unabhängige Abwärtswandler-Ausgangskanäle ansteuern.

Die Optoelektronik und ihre Entwicklungen schreiten voran. Angerissen werden soll noch der laserbasierte Frontscheinwerfer im BMW i8, der die Straße bis auf 600 m ausleuchten kann. Oder seien es die OLED-Rückleuchten, die der Oberklasse von BMW ein besonderes Flair geben. Damit die LED weiter verbreitet werden kann, muss sie noch kostengünstiger werden. Nicht die LED allein ist dabei teuer, sondern die mit ihr zusammenhängende Treiberelektronik.

Referenzen

[1] „Vernetzter Scheinwerfer sorgt jederzeit für ausreichend Helligkeit“, https://www.elektronikpraxis.vogel.de/sensorik-vernetzter-scheinwerfer-sorgt-jederzeit-fuer-ausreichend-helligkeit-a-735443/
[2] LED-Scheinwerfer arbeitet mit 1024 Pixeln, https://www.elektronikpraxis.vogel.de/erster-prototyp-led-scheinwerfer-arbeitet-mit-1024-pixeln-a-678829/
[3] Die Bedeutung von LED und Optoelektronik in intelligenten und autonomen Fahrzeugen, https://www.elektronikpraxis.vogel.de/die-bedeutung-von-led-und-optoelektronik-in-intelligenten-und-autonomen-fahrzeugen-a-724437/

* Mark Patrick arbeitet seit 2014 als Supplier Marketing Manager bei Mouser Electronics in Mansfield, USA.

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