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LED-Entwicklung revolutioniert intelligente Scheinwerfer

22. Januar 2019, 13:00 Uhr   |  Von Stefan Groetsch und Dr. Stefan Seidel

LED-Entwicklung revolutioniert intelligente Scheinwerfer
© Osram

Zahlreiche Funktionsmöglichkeiten mit der LED-Technik und vereinfachte Steuerung thermischer Vorteile.

Mit der zunehmenden Verbreitung der LED-Technik in der Fahrzeugbeleuchtung ergeben sich zahlreiche Funktionsmöglichkeiten. Durch die verringerte Systemkomplexität kann die Anzahl der LEDs erhöht werden, während die vereinfachte Steuerung thermische Vorteile mit sich bringt.

Das Unfallrisiko ist bei Nacht und schlechter Sicht etwa doppelt so groß, weshalb sich circa ein Drittel der tödlichen Autounfälle in der Nacht ereignen. Studien belegen, dass die wahrgenommene Helligkeit des vom Fahrer aufgenommenen LED-Spektrums 1,3 bis 1,5 Mal höher liegt als die reine photometrische Bewertung eines Plankschen Strahlers gleichen Lichtstroms – also beispielsweise im Vergleich zu Halogenleuchten. Zusätzlich tragen intelligente adaptive Systeme auf Basis von LED-Technik zur Steigerung der Verkehrssicherheit bei. Bisher gibt es jedoch kaum LED-Komponenten mit integrierter Elektronik.

Adaptive Ausleuchtung und Visualisierung

Bei Dunkelheit wird die maximale Ausleuchtung durch den kombinierten Einsatz von Abblend- und Fernlicht des Autos erreicht. Um jedoch andere Verkehrsteilnehmer nicht zu blenden, kann in vielen Situationen lediglich das Abblendlicht zum Einsatz kommen. Damit bleiben häufig wichtige Details einer Verkehrssituation unerkannt, wie beispielsweise ein Fahrradfahrer (Bild 1).

Um dem Dilemma zu entkommen, wurde in der Vergangenheit eine adaptive Frontbeleuchtung mit mechanischer Abblendung realisiert. Die UN-ECE-Regulierung Nr. 123 erlaubt unterschiedliche Möglichkeiten zur Anpassung der Abblendlichtverteilung innerorts, auf Landstraßen sowie der Autobahn und das blendfreie Fernlicht. Seit Anfang der Dekade gibt es zudem LED-basierte adaptive Fernlichtsysteme. Bild 2 veranschaulicht, wie einzeln schaltbare LED-Segmente einzelne Bereiche des Fernlichts abdunkeln oder gar abschalten.

Adaptive Ausleuchtung und Visualisierung

Die Verkehrssituation (a) ist durch das Sichtfeld mit herkömmlichem Abblendlicht stark eingeschränkt (b).
Abblendlicht und adaptives Fernlicht durch adressierbare LEDs
Verkehrssituation, die mit einer hochauflösenden Pixel-Array- Lichtquelle beleuchtet

Alle Bilder anzeigen (6)

Mit der Zunahme einzeln ansteuerbarer LED-Pixel in Richtung einer 2D-Matrix können mittlerweile Bereiche viel genauer ausgeblendet und somit auch detaillierter ausgeleuchtet werden (Bild 3). Waren die Segmente in Bild 2 noch circa ein bis zwei Grad breit, so strebt man in der 2D-Matrix feinere Elemente mit weniger als 0,5 Grad an. Entwicklungen im Bereich der funktionalen Straßenausleuchtung werden hier als Beleuchtung (Illumination) bezeichnet.

Zudem gibt es noch einen weiteren Bereich mit interessanten Fortschritten – die Visualisierung. Hierbei geht es um Funktionen, die über die reine Lichtverteilung und den Blendungsaspekt hinausgehen – die sogenannte Car-2-X-Kommunikation. Damit können beispielsweise Informationen, wie Führungslinien, Navigationshinweise oder Distanzwarnungen, direkt auf der vorausliegenden Fahrbahn (im Sichtbereich des Fahrers) dargestellt werden (Bild 4).

Ein weiterer Anwendungsfall im Bereich der Car-2-X-Kommunikation ist beispielsweise die Kommunikation mit Fußgängern. So könnte ein projizierter Fußgängerübergang signalisieren, dass das Fahrzeug die Fußgänger passieren lässt (Bild 5).

Der unter Beleuchtung zusammengefasste Bereich deckt einen Winkelbereich von circa -25° bis +25° (horizontal) und +5° bis -5° (vertikal) ab. Der Visualisierungsbereich nimmt dabei eine kleine Zone in der horizontalen Mitte des Sichtfelds (horizontal) und von -5° bis knapp über die 0°-Horizontlinie (vertikal) ein (Bild 6).

Pixel-Lichtsysteme

Im Bereich der Pixel-Lichtquellen für Frontbeleuchtungssysteme werden zwei grundlegende Konzepte unterschieden:

  • Subtraktive Lichtmodulatoren
  • Additive Pixel-Arrays

Subtraktive Lichtmodulatoren verwenden räumliche Modulatoren, die aus der Projektionstechnik bekannt sind. Dazu gehören beispielsweise Flüssigkristallanzeigen oder digitale Spiegelsysteme, auch DMD (Digital Mirror Devices) genannt. Sie benötigen Lichtquellen, die mit einer sehr hohen Leuchtdichte arbeiten, um Größe und Kosten der Mikroanzeigen zu minimieren.

Oslon Boost HX mit hoher Leuchtdichte als Primärlichtquelle für subtraktive Modulatoren
© Osram Opto Semiconductors

Bild 7. Oslon Boost HX mit hoher Leuchtdichte als Primärlichtquelle für subtraktive Modulatoren.

Im Fall von LEDs resultiert das in einer geringeren Effizienz der Lichtquelle, da wie bei der Oslon Boost HX (Bild 7) zwei- bis dreimal mehr Licht aus der vergleichbaren Fläche herkömmlicher LEDs erzeugt werden muss. Wenn zudem einzelne Pixel von »Ein« auf »Aus« geblendet werden, ist die Lichtquelle weiterhin aktiv, so dass die Stromaufnahme gleich hoch bleibt.

Systeme mit mehreren Lichtquellen zur Beleuchtung eines Micro-Displays dimmen einzelne Bereiche in der Ausleuchtung des Mikrodisplays lokal, sodass die Energieaufnahme verringert wird. Der große Vorteil ist die hohe nutzbare Pixelzahl. Die auch für Videoanwendungen eingesetzten Modulatoren in HD-Auflösung ermöglichen mehr Pixel, als in Scheinwerferanwendungen erforderlich sind.

Sichtfeld (a) der 84 LED-Pixeleinheit mit Primäroptik (b), die die untere und obere LED-Reihe vertikal streckt.
© Osram Opto Semiconductors

Bild 8. Sichtfeld (a) der 84 LED-Pixeleinheit mit Primäroptik (b), die die untere und obere LED-Reihe vertikal streckt.

Auf der anderen Seite repräsentieren additive LED-Pixel-Arrays den am besten energieoptimierten Ansatz. Bild 8 zeigt den aktuellen Stand der Technik beispielsweise bei Daimler zur Realisierung einer adaptiven Beleuchtung auf Basis diskreter LEDs, wie der Oslon Compact CM.Die entwickelte Primäroptik streckt die obere und untere Pixelreihe auf mehrere Grad vertikal, lässt aber die horizontale Auflösung bei ~1,2°. Das reduziert die erforderliche Anzahl von LEDs und ermöglicht den Einsatz herkömmlicher Integrationsmethoden.

chematische Darstellung der Eviyos mit einem Sichtfeld, das von vier Einheiten eines aktiven integrierten LED-Arrays abgedeckt wird
© Osram Opto Semiconductors

Bild 9. Schematische Darstellung der Eviyos mit einem Sichtfeld, das von vier Einheiten eines aktiven integrierten LED-Arrays abgedeckt wird.

Eine wesentlich höhere Anzahl aktiver Pixel erfordert allerdings die Integration einer Treiberelektronik und der aktiven LED auf Halbleiter-Ebene.

Bild 9 zeigt den Ansatz der Hybrid-LED »Eviyos« (Efficient, Versatile, Intelligent, µ-structured LED Chip von Osram Opto Semiconductors) von Osram. Ein großer LED-Pixel-Array-Chip ist direkt mit dem aktiven Silizium-IC verbunden und adressiert die einzelnen Lichtquellen (Bild 9b). Daher kann der Anschlussbedarf von je zwei Pads pro LED an eine Stromquelle auf eine Spannungsversorgung und eine digitale serielle Schnittstelle reduziert werden. Im Fall der Eviyos sind das 1.024 Pixel auf circa 4 mm x 4 mm. Das Sichtfeld wird dabei von vier nebeneinander liegenden Einheiten abgedeckt – die horizontale und vertikale Auflösung beträgt etwa 0,25° (Bild 9a).

Beliebiges Vollstrahl- (a) und Abblendlichtmuster (b), basierend auf den vier Eviyos-LEDs mit je 1.024 Pixeln
© Osram Opto Semiconductors

Bild 10. Beliebiges Vollstrahl- (a) und Abblendlichtmuster (b), basierend auf den vier Eviyos-LEDs mit je 1.024 Pixeln.

Beide Konzepte beabsichtigen, das größtmögliche Sichtfeld abzudecken, wobei die Stromaufnahme dem Beleuchtungsszenario entspricht. Bild 10 zeigt zwei fiktive Scheinwerferintensitätsverteilungen, die mit vier Eviyos-LEDs ausgeleuchtet werden.
Die Strahlintensität wird direkt in die Pixelhelligkeit modelliert. Das Fernlicht hat einen durchschnittlichen Pulsweitenmodulations (PWM)-Wert von ~32 Prozent – circa 4.500 lm von den hypothetischen 14.000 lm, wenn alle LED-Pixel mit voller Leistung arbeiten. Bei einer Optikeffizienz von 40 Prozent ergeben sich damit ~1.800 lm auf der Straße und eine LED-Leistungsaufnahme von ~46 W.

Wenn die Pixel oberhalb der Abblendgrenze für ein Abblendlicht ausgehen, sinkt die durchschnittliche PWM des Arrays auf 18 Prozent bei 26 W, die in den LEDs verbraucht werden.

Energieaufnahme eines Vollstrahlmusters bei verschiedenen Ansätzen
© Osram Opto Semiconductors

Bild 11. Energieaufnahme eines Vollstrahlmusters bei verschiedenen Ansätzen.

Die gleiche Optik überträgt damit aus den 2.500 lm rund 1.000 lm auf die Straße. Um den Energiebedarf eines Scheinwerfers mit 84 LED-Pixeln einzuschätzen, wird ein durchschnittlicher PWM-Wert von 33,3 Prozent angenommen, der die LEDs mit 0,5 A und 3,2 V betreibt – ungefähr 45 W. Eine mögliche Lichtquelle für ein DMD von rund 0,55 Zoll wären beispielsweise drei Oslon Boost mit einer Emissionsfläche von jeweils 2 mm². Die drei LEDs arbeiten zwischen 4,5 bis 6 A und ~3,5 V – die Leistungsaufnahme liegt zwischen 46 und 65 W. Bild 11 zeigt den Leistungsvergleich von vier nachfolgenden Ansätzen:

  • 84 LED-Pixel
  • 4 Eviyos-Einheiten
  • Einfache DMD-Lösung
  • Kombination von 84 LED-Pixel und DMD-Lösung

In dem Vergleich ist bei der Eviyos bereits die Leistung der Stromlängsregler berücksichtigt, die bei den anderen Ansätzen noch unberücksichtigt ist. Der Ansatz erhöht somit die Auflösung im vollen Ausleuchtungsbereich, ohne die Energieaufnahme zu erhöhen.

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2. Dynamische Beleuchtungsfunktionen im Innenraum

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