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LED-Pixelscheinwerfer im täglichen Einsatz auf der Straße

| Autor / Redakteur: Stefan Groetsch und Stefan Seidel * / Hendrik Härter

Mit moderen Pixel-Scheinwerfer und LED-Technik lassen sich nicht nur Straßen effizient ausleuchten, sondern auch Informationen projizieren oder mit anderen Verkehrsteilnehmern kommunizieren.
Mit moderen Pixel-Scheinwerfer und LED-Technik lassen sich nicht nur Straßen effizient ausleuchten, sondern auch Informationen projizieren oder mit anderen Verkehrsteilnehmern kommunizieren. (Bild: Osram Opto Semiconductor)

Dank cleverer LED-Frontscheinwerfer wird die Straße besser ausgeleuchtet und gleichzeitig der Gegenverkehr nicht geblendet; es lassen sich zudem Informationen auf die Straße projizieren und selbst die V2X-Kommunikation wird über LED-Scheinwerfer möglich.

Von der immer besser werdenden LED-Technik profitiert sehr stark die Automobilbeleuchtung. Mit der Integration von Elektronik in LED-Komponenten sind jetzt völlig neue Möglichkeiten für zusätzliche Funktionen möglich. Die Anzahl der einzelnen LEDs lässt sich dank der deutlich verringerten Systemkomplexität wesentlich erhöhen. Am Beispiel der adaptiven Frontbeleuchtung zeigt der Text, welche neuen Möglichkeiten und Vorteile dieses Setup erschließt.

Um bei Dunkelheit andere Verkehrsteilnehmer nicht zu blenden, kann in ganz unterschiedlichen Verkehrssituationen nur das Abblendlicht eingesetzt werden. Allerdings sieht der Fahrer kaum wichtige Details, wie beispielsweise einen Radfahrer (Bild 1). In der Vergangenheit setzten viele Hersteller auf adaptive Frontbeleuchtung mit mechanischer Abblendung, um die gefährliche Einschränkung bei der Sicht zu verringern. Eine signifikante Änderung ergab sich seit der Einführung LED-basierter adaptiver Fernlichtsysteme Anfang der Dekade. Jetzt ist es möglich, auch einzeln schaltbare Bereiche des Fernlichts abzudunkeln oder komplett abzuschalten (Bild 2).

Licht zur Kommunikation im Fahrzeug

Dank einzeln ansteuerbarer LED-Pixel lassen sich jetzt deutlich kleinere Bereiche beleuchten. Beispielsweise kann mit den LED-Pixelscheinwerfer die Frontscheibe des entgegenkommenden Fahrzeugs gezielt ausgeblendet werden. Gleichzeitig sieht der Fahrer einen nahenden Fahrradfahrer, da dieser ausgeleuchtet wird. (Bild 3). In einer solchen 2D-Matrix geht es um Elemente mit weniger als 0,5°. Das ist ein deutlicher Sprung im Vergleich zu den Segmenten im Bild 2, die typischerweise rund 1 bis 2 Grad breit waren. Die bisher behandelten Weiterentwicklungen der funktionalen Frontbeleuchtung zählen zur klassischen Illumination. Jüngste Fortschritte bei der Entwicklung eröffnen den Automobilbauern zusätzliche Einsatzmöglichkeiten. Der Fahrer kann zusätzliche Informationen mithilfe des Lichts auf die Straße projizieren. Hier geht es um Funktionen, die über die reine Lichtverteilung hinausgehen oder verhindern, dass das Licht blendet. Auch dient das Licht zur Kommumnikation via Car2X.

Hier kommuniziert das Fahrzeug oder genauer das Lichtsystem über visuelle Informationen mit dem Fahrer, Passanten oder anderen Verkehrsteilnehmern. Es lassen sich einerseits Informationen wie Führungslinien aber alternativ auch Navigationshinweise oder Distanzwarnungen an den Fahrer übermitteln (Bild 4). Die Sicherheit im Straßenverkehr lässt sich erhöhen, da allen Verkehrsteilnehmern mitgeteilt wird, dass sie gefahrlos die Straße überqueren können, indem beispielsweise ein Fußgängerübergang auf die Straße projiziert wird (Bild 5). Der unter Illumination zusammengefasste Bereich deckt einen weiten Winkelbereich von ungefähr -25 bis 25° horizontal und ungefähr -5° bis 5° vertikal ab. Die Definition des ausgeleuchteten Bereichs für die Visualisierung bezieht sich auf eine kleinere Zone in der horizontalen Mitte der Scheinwerferlichtverteilung bis knapp über die Horizontlinie sowie den vertikalen Bereich von ungefähr -5° (Bild 6).

Zwei grundlegende Konzepte von Pixel-Lichtquellen

Es gibt zwei grundlegende Konzepte von Pixel-Lichtquellen für Frontbeleuchtungssysteme: Das sind zum einen sogenannte subtraktive Lichtmodulatoren. Sie verwenden räumliche Modulatoren, wie in der Projektionstechnik. Digitale Spiegelsysteme, auch DMD (Digital Mirror Devices) genannt, benötigen Lichtquellen mit sehr hohen Leuchtdichten. Dadurch lassen sich Größe und damit auch die Kosten minimieren. Beim Einsatz von LEDs resultiert das in einer geringeren Effizienz an der Lichtquelle, da zwei- bis dreimal mehr Licht aus der vergleichbaren Fläche herkömmlicher LEDs erzeugt werden muss (Bild 7). Der Stromverbrauch verringert sich außerdem nicht, wenn einzelne Pixel von „Ein“ auf „Aus“ geblendet werden, da die Beleuchtungslichtquelle eingeschaltet bleibt.

Der bisher am besten energieoptimierte Ansatz wird über aktive LED-Pixel-Arrays erreicht. Beim aktuellen Stand der Technik, um eine adaptive Beleuchtung umzusetzen, ist auf Basis mehrerer diskreter LEDs. Das kann beispielsweise mit der Oslon Compact CM erfolgen, die im System als einzelne Pixel fungieren. Dahinter verbirgt sich eine ausgeklügelte Primäroptik, welche die untere und obere LED-Reihe im Fernfeld streckt (Bild 8). Die horizontale Auflösung kann so bei ~1,2° belassen werden, was die Anzahl erforderlicher LEDs senkt und den Einsatz herkömmlicher Integrationsmethoden ermöglicht. Eine deutlich höhere Anzahl aktiver Pixel erfordert die Integration der Treiberelektronik und der aktiven LED auf Halbleiter-Ebene.

Ein neuer Ansatz ist mit einer Hybrid-LED mit der Bezeichnung Eviyos möglich. Das Akronym steht für Efficient, Versatile, Intelligent, µ-structured LED-Chip von Osram Opto Semiconductors. Dabei ist ein großer LED-Pixel-Array-Chip direkt mit dem aktiven Silizium-IC verbunden und adressiert die einzelnen Lichtpixel (Bild 9). Damit lässt sich der Anschlussbedarf von je zwei Pads pro LED an eine Stromquelle auf eine Spannungsversorgung und eine digitale serielle Schnittstelle reduzieren. Konkret sind das bei Eviyos sind das 1024 Pixel auf einer Grundfläche von rund 4 mm x 4 mm. Vier nebeneinander liegende Eviyos decken das Fernfeld ab, was zu einer horizontalen und vertikalen Auflösung von etwa 0,25° führt.

LED-Scheinwerfer mit unterschiedlicher Intensität

Im Bild 10 sind zwei fiktive Intensitätsverteilungen eines Scheinwerfers dargestellt, die mit vier Einheiten der Eviyos-LED-Lichtquelle und ihren 1024 Pixel ausgeleuchtet werden. Die Lichtintensität wird direkt in die Pixelhelligkeit modelliert. Das Fernlicht hat einen durchschnittlichen PWM-Wert von rund 32%, was einen Lichtstrom von rund 4500 lm der hypothetischen 14.000 lm ergibt, wenn alle LED-Pixel mit voller Leistung betrieben würden. Bei einer Optikeffizienz von 40% ergeben sich damit rund1800 lm auf der Straße und eine LED-Leistungsaufnahme von rund 46 W. Wenn die Pixel oberhalb der Abblendgrenze für ein Abblendlicht ausgehen, sinkt die durchschnittliche PWM des Arrays auf 18% bei einer Leistung von 26 W, die in den Komponenten verbraucht werden. So werden mit der gleichen Optik rund 1000 lm von den erzeugten 2500 lm auf die Straße gebracht.

Um den Energiebedarf eines Scheinwerfers mit 84 LED-Pixeln zu schätzen, gehen die Entwickler bei Osram von einem durchschnittlichen PWM-Wert von ungefähr 33,3% aus und betreiben die LEDs mit 0,5 A und 3,2 V. Das entspricht ungefähr einer Leistung von 45 W. Eine mögliche Lichtquelle für ein DMD-System mit rund 0,55 Zoll wären beispielsweise drei LEDs des Typs Oslon Boost HX mit einer Emissionsfläche von jeweils 2 mm². Diese drei LEDs benötigen ungefähr 46 bis 65 W und arbeiten zwischen 4,5-6 A und rund 3,5 V. Das Bild 11 zeigt den Energieverbrauch von Fernlichtverteilungen mit vier Ansätzen: 84 LED-Pixel, vier Eviyos-Einheiten, eine einfache DMD-Lösung und eine DMD-Lösung kombiniert mit einer 84-Pixel-Lösung. In diesem Vergleich ist bei der Eviyos auch die Leistung der Stromlängsregler im Silizium enthalten, welcher bei den andern Ansätzen noch dazukommt. Ihr Ansatz erhöht die Auflösung im vollen Ausleuchtungsbereich, ohne dass der Energieverbrauch erhöht wird.

Künftig eine höhere Anzahl an Pixel

Die technische Weiterentwicklung für Automobil-Scheinwerfersysteme, die auf Basis der aktueller LED- und Halbleitertechnik umgesetzt werden kann, verbessern Sicht und Sichtbarkeit im Fahrzeug und gleichzeitig blenden sie weniger. Hinzu kommen intelligentere adaptive Funktionen. Damit wird eine erhöhte Sicherheit für den Fahrer und alle anderen Verkehrsteilnehmer erreicht. Ein entscheidender Faktor für diesen Fortschritt war der Entwicklungssprung im Bereich der Multipixel LEDs. Die Eviyos hat mit ihren 1024 Pixeln auf kleinstem Raum für einen deutlichen Ruck in der Branche gesorgt. Heute arbeiten die Entwickler in Regensburg bereits an einem Bauteil mit deutlich höherer Pixelanzahl. Zudem haben die Entwickler elektronische Komponenten für eine neue Generation von Hybrid-LEDs integriert, um die Eviyos weiter voranzubringen. Damit verbunden sind geringere Systemkosten und Modulgrößen, eine verbesserte Zuverlässigkeit, Farbgenauigkeit und schließlich geringere thermische Verluste.

Die Optoelektronik liefert nicht nur die Grundlage für leistungsfähigere Frontscheinwerfer, sondern dient als Basis für weitere Entwicklungen in der Fahrzeugbeleuchtung. Die Integration von integrierter Mikroelektronik mit LEDs ebnet beispielsweise den Weg für dynamische RGB-Systeme. Die möglichen Einsatzgebiete für RGB-LEDs, LiDAR, Infrarot-Technik und Sensoren wachsen beständig. Fahrassistenzsysteme, adaptive Geschwindigkeitsregelung, Pre-Crash-Sensorik, Systeme zur Erkennung von Objekten im toten Winkel (Blind Spot Detection) sowie dynamische Funktionen im Interior- und Exterior-Bereich sind nur einige Beispiele, denen in den kommenden Jahren noch zahlreiche weitere folgen werden.

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* Stefan Groetsch ist Principal Key Expert Applications und Dr. Stefan Seidel ist Senior Manager Marketing. Beide arbeiten im Bereich LED/Automotive-Beleuchtung bei Osram Opto Semiconductors in Regensburg.

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