Intelligente RGB-LEDs Dynamische Beleuchtung im Fahrzeuginnenraum

Ohne Know-how ermöglicht die ISELED-Technik eine LED-Beleuchtung mit dynamischen Lichtfunktionen.
Ohne Know-how ermöglicht die ISELED-Technik eine LED-Beleuchtung mit dynamischen Lichtfunktionen.

Die ISELED-Technik vereinfacht durch RGB-LEDs mit integriertem Controller Chip die Ansteuerung von Lichtsystemen und ermöglicht die Kalibrierung der Farbe. Somit wird LED-Beleuchtung mit dynamischen Lichtfunktionen auch für Unternehmen zugänglich, die kein Know-how auf dem Gebiet aufgebaut haben.

Die Innenraumbeleuchtung hat in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen. Sie schafft im Fahrzeug eine Atmosphäre, die bisher eher aus dem heimischen Wohnzimmer oder modernen Hotelbars bekannt war. Licht hat eine enorme Auswirkung auf das Wohlbefinden und kann eine emotionale Bindung zum Kunden herstellen. Bisher sind für die ambiente Beleuchtung meist simple Lichtelemente im Einsatz, die aus einem Lichtleiter und einer einzelnen RGB-LED bestehen, die ihr Licht seitlich einkoppelt. Der Aufbau erzeugt ein homogenes, einfarbiges Licht entlang des Lichtleiters (Bild 1a).

Die LED wird dabei meist mit einem LIN-Slave-Baustein angesteuert, der eine Datenrate von maximal 20 kbit/s erreicht. Der LIN-Master ist typischerweise ein Mikrocontroller, der mit maximalen 16 Slaves kommunizieren kann (Bild 2).

Die Autoindustrie wünscht in künftigen Fahrzeugen dynamische Lichteffekte – stufenlose Helligkeiten und verschiedene Farbtöne entlang eines Lichtleiters, die in Videogeschwindigkeit variieren können.

Damit werden einerseits »Welcome & Goodbye«-Sequenzen möglich, die einen hohen Wiedererkennungseffekt erzielen und damit das Corporate Design des OEMs hervorheben. Andererseits schafft ein dynamisches Licht neue Möglichkeiten und zusätzliche Funktionen. So lassen sich situationsbedingte Informationen und Warnsignale an den Fahrer übermitteln, um ihn auf Ereignisse inner- oder außerhalb des Fahrzeugs aufmerksam zu machen. In Zukunft ist auch eine Kommunikation über Lichtsignale zwischen autonomen Fahrzeugen und anderen Verkehrsteilnehmern wie beispielsweise Fußgängern denkbar. Um jedoch dynamische Effekte realisieren zu können, werden mehrere und auch einzeln adressierbare RGB-LEDs benötigt (Bild 1b).

Herausforderung Farbkonsistenz

Das menschliche Auge ist in der Lage, bereits geringe Farbunterschiede benachbarter Lichtpunkte zu identifizieren. Da die Fahrzeughersteller allerdings hochqualitative Lichtelemente verbauen wollen, sind Unterschiede in der jeweiligen Farbgebung inakzeptabel. Das stellt eine große Herausforderung dar, die bereits beim Herstellungsverfahren der LED-Chips beginnt. Bei dem Prozess werden optische Halbleitermaterialien auf Wafern abgeschieden. Bereits geringe Abweichungen der Materialzusammensetzung, der Schichtdicke sowie Störstellen in der Struktur der abgeschiedenen Halbleiter-Kristalle wirken sich auf die Wellenlänge, die Flussspannung sowie die Emissionsintensität der LED aus. In der Regel ergibt sich daraus eine gewisse Verteilung der Kenngrößen über den Verlauf des Wafers. Schwankungen von Charge zu Charge können dabei noch stärker ausfallen. Die einzelnen LED-Chips werden daher nach ihrer Fertigung vermessen und entsprechend sortiert beziehungsweise klassifiziert.

Das Einteilen wird als »Binning« bezeichnet. Eine Klasse oder »Bin« wird dabei durch die Ober- und Untergrenze der jeweiligen Kenngröße definiert. Dem Produktionsziel nach LEDs mit möglichst gleichen Eigenschaften (hinsichtlich Wellenlänge und Helligkeit) stehen jedoch höhere Herstellungskosten und ein vermehrter Ausschuss bei der Sortierung gegenüber. Die Zulieferer der Autoindustrie verbauen daher zumeist bezahlbare LED-Bins in ihren Baugruppen. Nach der Fertigung müssen die kompletten Systeme dann erneut vermessen und hinsichtlich eines gemeinsamen Farbortes kalibriert werden. Hierfür sind kostspielige optische Messtechnik und ein hohes Maß an Expertise und Erfahrung erforderlich, um die geforderte Genauigkeit bei gleichzeitig hohem Durchsatz zu erzielen. Eine weitere Herausforderung stellt die Emissionsintensität der roten LED dar, die im Vergleich zu grünen und blauen LEDs eine starke Temperaturabhängigkeit aufweist (Bild 3).

Um den Effekt zu kompensieren, ist ein Regelmechanismus auf Basis einer Temperaturmessung erforderlich. Bisherige Produkte wie LIN-Slave Controller verfügen zwar über einen Temperatursensor, die Bausteine sind jedoch räumlich von den LEDs getrennt und thermisch nur über die Leiterplatte mit ihnen verbunden. Die in den LEDs entstehende Wärme wird von der Leiterplatte abgeführt und die Sperrschicht-Temperatur kann je nach Anwendung relativ stark vom Messwert des LIN-Controllers abweichen. Insbesondere bei Mischfarben, bei denen RGB-Grundfarben in Abhängigkeit ihrer Intensitäten einen monochromatischen Farbeindruck hinterlassen, kann das zu Diskrepanzen zwischen Soll- und Ist-Wert der eingestellten Farbe führen.

Digitale LED

Das im Jahr 2016 vorgestellte ISELED-Konzept (Integrated Smart Ecosystem Light Emitting Diode) bietet ein ausgereiftes Produkt zu der beschriebenen Problematik. Es beruht auf einem von Inova entwickelten Controller Chip, der von LED-Herstellern zusammen mit drei RGB-LED-Chips in ein einzelnes Gehäuse integriert wird (Bild 4). Für eine exakte Farbwiedergabe werden die Bausteine dann direkt nach ihrer Fertigung beim LED-Hersteller mit einem Spektrometer vermessen und mit Hilfe des Chips kalibriert.

Die Kalibrierungs-Daten werden in einem nicht-flüchtigen, One-Time-Programmable (OTP)-Speicher auf dem Chip hinterlegt. Zur Einstellung der korrekten Farbe stehen drei Konstantstrom-Regler (CCR) zur Verfügung, die wiederum mit drei unabhängigen Helligkeitsreglern angesteuert werden.

Die Stromstärken der grünen und blauen Kanäle sind in 15 äquidistanten Schritten zwischen 5 und 80 mA justierbar. Das ermöglicht eine Anpassung der emittierten dominanten Wellenlängen. In der Regel werden grüne und blaue LEDs in Indiumgalliumnitrid (InGaN)-Technik gefertigt und weisen eine nichtlineare Abhängigkeit der dominanten Wellenlänge vom Vorwärtsstrom auf (Bild 5).

Über den Strombereich von 5 bis 80 mA ist eine Anpassung der dominanten Wellenlänge von mehreren nm möglich – der Effekt ist zumeist bei Grün stärker ausgeprägt als bei Blau. In Bezug auf die Farbnormtafel der Internationalen Beleuchtungskommission (Commission internationale de l’éclairage, CIE) führt die Maßnahme zu einer leichten Verschiebung der grünen und blauen Eckpunkte des dargestellten Gamuts der RGB-LEDs (Bild 6).

Rote Leuchtdioden bestehen zumeist aus Indium-Gallium-Aluminium-Phosphid (InGaAlP). Die Wellenlänge des Lichts, das aus dieser Materialzusammensetzung emittiert wird, zeigt nahezu keine Änderung über den Vorwärtsstrom. Daher wurde bei der Entwicklung des Chips auf eine Variationsmöglichkeit der Stromstärke auf dem roten Kanal verzichtet und fest auf 25 mA eingestellt.

Neben der dominanten Wellenlänge wird der Farbort der drei Grundfarben durch die Farbsättigung bestimmt. Je gesättigter eine Farbe ist, desto näher liegt ihr Farbort am Rand der CIE-Farbnormtafel. Umgekehrt liegen ungesättigte Farben näher am Weißpunkt. Die Sättigung einer LED-Farbe korreliert mit der Breite ihres emittierten Spektrums. Je schmäler ein Emissionsspektrum ist, desto gesättigter die Farbe. Die Fertigung von Dioden mit schmalem Emissionsspektrum ist eine große Herausforderung für die Hersteller. Für die Kalibrierung des Weißpunkts ermöglicht der Controller für jeden Farbkanal eine unabhängige Steuerung der Helligkeit mit einer Auflösung von 12-bit. Das Verhältnis der drei maximalen Helligkeitsintensitäten definiert den Farbort des Weißpunkts, der sich aus der additiven Farbmischung der Grundfarben ergibt. Die Summe der drei Intensitäten bestimmt die gesamte Lichtstärke der RGB-Komponente.

Im Gegensatz zu konventionellen Konzepten ist beim ISELED-Controller ein Temperatursensor fester Bestandteil des Chips. Er befindet sich aufgrund des integrierten Aufbaus in unmittelbarer Nähe der Leuchtdioden. Die thermische Masse und der Wärmewiderstand zwischen den RGB-LEDs und dem Sensor sind geringer als bei einer Anordnung eines ICs mit externen Leuchtdioden – das erlaubt eine präzisere Messung der Sperrschicht-Temperatur. Der Sensor detektiert alle 2 s die Temperatur und passt anschließend automatisch die Helligkeitsintensität des roten Kanals an. Um den Mechanismus zu optimieren, kann der Hersteller die Kennlinie seiner roten Diode im OTP-Speicher des Chips hinterlegen. Damit sind die RGB-LEDs bereits bei der Auslieferung hinreichend genau kalibriert, wodurch die zuvor beschriebene Kalibrierung beim Tier-1 entfallen kann – das spart Zeit und Kosten.