Evolution des smarten Fahrlichts Von segmentierten Lichtern zu Pixel-Matrix-Scheinwerfern

LED-Fahrlichter bieten nicht nur völlig neue Designmöglichkeiten. Auch die Ausleuchtung des jeweils gewünschten Fahrbahnbereichs lässt sich immer exakter regeln. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die wichtigsten Entwicklungsstufen »intelligenter« Fahrlichter bis hin zum heutigen Stand der Technik.

Im Jahr 2006 wurden die ersten LED-Tagfahrlichter in Scheinwerfern von Fahrzeugen eingeführt. Im Laufe der Jahre kamen mehr und mehr Lichtfunktionen wie beispielsweise Fahrtrichtungsanzeiger, Standlicht oder Kurvenlicht in LED-Technik dazu. Nach der Einführung der ersten LED-basierten Fern- und Abblendlichter wurden die beiden klassischen Lichtbereiche in weitere, individuell steuerbare Segmente unterteilt, mechanische Komponenten für Leuchtweitenregulierung und Kurvenlicht entfernt sowie flexible, umgebungssensitive Ausleuchtungsszenarien entwickelt. Im Folgenden wurde dann die optische Auflösung der Lichtverteilung stetig erhöht. Microchip Technology beteiligt sich seit Anfang an in Zusammenarbeit mit namhaften Fahrzeug- und Scheinwerferherstellern aktiv an der Entwicklung neuer, zukunftsweisender Technologien.

Segmentierte Fahrlichter

Die Ambition hinter der Segmentierung von Fahrlichtern ist es, die Ausleuchtung des Fahrwegs zu verbessern, ohne andere Verkehrsteilnehmer zu blenden, und somit die Sicherheit bei Nachtfahrten für alle Beteiligten zu erhöhen. Die Verwendung von Linsenoptiken über Einzel-LEDs oder einzelnen LED-Array-Chips erlaubt die räumlich sehr begrenzte Ausleuchtung definierter Bereiche. Werden für jede dieser Einzelzellen eigene Stromquellen verwendet, ergibt sich dadurch eine sehr flexible Steuerbarkeit der Lichtverteilung.
In ersten Systemen wurden Fernlicht und Abblendlicht in wenige, definierte Untersegmente unterteilt, wie in Bild 1 dargestellt.

Jedes dieser Einzelsegmente kann individuell in Helligkeiten von 0 bis 100 % eingestellt werden. Die einzelnen Segmente unterscheiden sich je nach Ausrichtung stark in Größe und Reichweite und erfordern somit eine unterschiedliche Anzahl von LEDs und elektrischen Strömen, um eine gleichmäßige Ausleuchtung des Fahrwegs über mehrere hundert Meter hinweg zu gewährleisten. Die erforderliche Treiber­architektur muss daher für jeden einzelnen Lichtkanal unterschiedliche Vorwärtsspannungen und -ströme unterstützen.

Die etablierte Topologie einer solchen Treibereinheit basiert auf einem zweistufigen Wandler. Als erste Stufe wird hierbei ein Aufwärtswandler verwendet, der die Spannungsversorgung aus der Fahrzeugbatterie anhebt und dynamische Änderungen etwa während Lastwechseln und während Kalt- und Warmstartphasen des Motors effektiv ausgleicht. Die Ausgangsspannung dieser DC/DC-Stufe wird dann als Eingangsspannung mehrerer parallel geschalteter Abwärtswandler verwendet. Jeder dieser Wandler arbeitet dabei als eigenständige Stromquelle eines einzelnen String (Bild 2).

In dieser Schaltung bestimmt die höchste benötigte Vorwärtsspannung im LED-Verbund die benötigte Zwischenkreisspannung VBULK. Die gesamte Wandlerarchitektur wird meist auf einer einzelnen Platine ausgeführt, deren Ausgänge dann mit den LED-Strängen verbunden werden. Dabei lassen sich unter Umständen einige Kathodenleitungen zusammenfassen, um die Gesamtverdrahtung zu vereinfachen. Allerdings bedingt das, dass alle Strommessungen und der Lastschalter in der positiven Ausgangsleitung platziert werden, was zusätzliche Kosten birgt, jedoch sicherheitstechnisch unumgänglich ist.

Die Verwendung von volldigitalen Reglern, wie hier gezeigt auf einem Digital Signal Controller (DSC) des Typs dsPIC GS, bringt viele Vorteile mit sich, da neben der Anpassung des digitalen Kompensationsfilters des DC/DC-Wandlers an die gegebenen Ein- und Ausgangsspannungsverhältnisse noch weitere adaptive Zusatzalgorithmen dazu verwendet werden können, um über den gesamten Arbeitsbereich von Eingangsspannung und Last ein identisches Bandbreiten-Stabilitäts-Verhältnis des Stromrichters zu gewährleisten und so zum einen sichtbares Flackern bei hoher Dynamik innerhalb des Power Distribution Network (PDN) zu unterdrücken und zum anderen die Zuverlässigkeit der gesamten Einheit deutlich zu erhöhen.

Die hohe innere Dynamik resultiert zu einem entscheidenden Anteil aus dem Betrieb mehrerer Abwärtswandler an derselben Quelle. Dies führt in dieser Leistungsklasse zu einigen Schwierigkeiten, wenn mehrere Stränge durch Pulsweitenmodulation der Dimming-Frequenz in ihrer Helligkeit angepasst werden. In diesem Zustand wird jeder Einzelwandler mit 0 bis 100 % Lastwechseln mit mehreren 100 Hz beaufschlagt. Das Digitalisieren und Zusammenziehen aller Regelschleifen in einem DSC löst dabei gleichzeitig mehrere Probleme. Zum einen lassen sich digitale Kompensationsfilter zur Dimming-Aus-Zeit „einfrieren“, was das in analogen Regelschleifen sonst typische Übersättigen des Fehlerverstärkers verhindert.

Zum zweiten kann jedes einzelne Dimming-Signal phasenverschoben und das entstehende Gesamt-Lastprofil auf diese Weise ausbalanciert werden. Als große Stärke des zentralen, volldigitalen Regelungssystems ist es zusätzlich möglich, jeden Lastwechsel im Regelkreis des Vorreglers prädiktiv vorzuspannen, da die Leistungsaufnahme eines jeden Kanals bekannt ist und die PWM-Dimming-Steuerung ebenfalls vom selben Regler ausgeführt wird.

Wie in Bild 1 zu sehen ist, lassen sich Gegenverkehr und weitere Verkehrsteilnehmer effektiv ausblenden, während weite Bereiche des Fahrwegs weiterhin beleuchtet werden; jedoch ist diese Funktion durch die geringe Auflösung noch stark eingeschränkt. Dennoch stellt diese Technologie eine kostengünstige Möglichkeit für komfortable Lichtfunktionen dar.