LED-Trends für den Fahrzeuginnenraum

| Autor / Redakteur: Stephan Pawlik * / Hendrik Härter

LED-Licht im Fahrzeug: Licht spielt für das Cockpit eine wichtige Rolle. Hier sind es vor allem Design- und Sicherheitsaspekte.
LED-Licht im Fahrzeug: Licht spielt für das Cockpit eine wichtige Rolle. Hier sind es vor allem Design- und Sicherheitsaspekte. (Bild: Osram Opto Semiconductors)

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Licht im Automobilbau sind nicht nur LED-Scheinwerfer und Außenbeleuchtung. Auch im Fahrzeug spielt sichtbares und unsichtbares Licht eine wichtige Rolle.

Das Konzeptfahrzeug Snap fährt langsam heran und projiziert „Willkommen“ auf den Boden vor der Fahrzeugtür, sobald sich der Fahrgast nähert und rollt einen virtuellen roten Teppich aus Licht aus. Auf den großen Automobil- und Technikmessen, wie der CES, der IAA oder dem Internationalen Auto Salon Genf, sehen Besucher, wie die Zukunft der Mobilität aussehen könnte. Zunehmend intelligente und autonom funktionierende Anwendungen auf Basis von sichtbarem und unsichtbarem Licht sorgen schon bei heutigen Fahrzeugmodellen für mehr Sicherheit und Komfort.

Dazu gehört neben der Außenbeleuchtung, auch eine Vielzahl neuer Applikationen für den Fahrzeuginnenraum. Entwicklungsfortschritte in der Optoelektronik spielen eine zentrale Rolle für die Umsetzung neuer, dynamischer und intelligenter lichtbasierter Anwendungen mit der LED. Das erste Anwendungsbeispiel zeigt Konzeptfahrzeuge wie die Modelle „SNAP“ und „microSNAP“ von Rinspeed bereits beim Zugang zum Fahrzeuginneren.

Beschleunigt durch Anwendungen aus der Mobile- und Consumer-Welt wurde die Entwicklung biometrischer Identifikationssysteme stark beschleunigt. Biometrische Verfahren wie Fingerabdruck, Iris-Scan und Gesichtserkennung gelten als ausgesprochen zuverlässig, sicher und benutzerfreundlich. Viele Automobilhersteller erwägen daher solche Systeme für einen sicheren Fahrzeugzugang, Fahrererkennung oder den Zugriff auf persönliche Daten im Fahrzeug einzusetzen.

Biometrische Anwendungen und Design

Infrarotlicht-basierte, biometrische Anwendungen wie die 3D-Gesichtserkennung oder der Iris-Scan sorgen dafür, dass nur befugte Personen in das Fahrzeug einsteigen können. Gleichzeitig können sie aber auch individuell gewünschte Einstellungen oder die Nutzung privater Daten freischalten. Sobald eine Person vom System erkannt wird, kann von der bevorzugten Innenraumbeleuchtung oder Temperatur bis hin zur Sitzposition oder der Lieblingsmusik alles an die Bedürfnisse des jeweiligen Fahrgastes angepasst werden. Auch für die wachsende Zahl an Car-Sharing-Konzepten bietet die Anwendung verschiedene Vorteile. Nutzer müssten dank dieser Techniken nicht auf ihre persönlichen Vorlieben im Fahrzeug verzichten oder diese immer wieder neu einstellen.

Insgesamt nehmen lichtbasierte Anwendungen im Fahrzeuginneren stark zu. Für Automobil-Marken und OEMs sind die Lichtelemente nicht nur ein wichtiges Designelement, um sich vom Mitbewerb zu differenzieren. Sie eröffnen außerdem neue Anwendungsfelder. Dazu gehört auch die Ambient-Beleuchtung, die für lange Zeit eine fixe Design-Komponente war. Heute ist sie bei einigen Fahrzeugmarken und Modellen bereits individuell steuerbar.

Je nach Geschmack, Stimmung oder Situation können die Fahrgäste die Farben anpassen. Das Spektrum reicht von beruhigenden Blau- oder Grüntönen bis hin zu belebendem Gelb-Orange oder dynamischem Rot. Zukünftig wird das Licht im Innenraum weitere Funktionen übernehmen. Es kann beispielsweise durch eine Farbänderung oder dynamische Lichtführung die Aufmerksamkeit eines Fahrers zurück auf den Verkehr lenken. Aufgaben wie diese werden im Zusammenhang mit teil- oder vollautonomen Fahrkonzepten immer relevanter. Entsprechende dynamische Lichtanwendungen benötigen jedoch zusätzliche Steuerungselektronik.

LED und Ansteuerelektronik schrumpfen

Die Topled E1608 misst 1,6 mm x 0,8 mm und ist 20-mal kleiner als Vorgängermodelle. Damit eignet sich das LED-Package für die Beleuchtung im Fahrzeuginnenraum.
Die Topled E1608 misst 1,6 mm x 0,8 mm und ist 20-mal kleiner als Vorgängermodelle. Damit eignet sich das LED-Package für die Beleuchtung im Fahrzeuginnenraum. (Bild: Osram Opto Semiconductors)

Die Zahl von LEDs und Ansteuerelementen im Fahrzeug nimmt weiter zu. Außerdem sind noch zusätzliche Komponenten gefragt. Deshalb müssen Entwickler einen besonderen Blick hinsichtlich Bauraum, Thermik und Verbrauch haben. Ein offensichtlicher Punkt ist der Platzbedarf bei einem sehr beschränkten Raumangebot.

Um mehr Elemente auf gleichem Raum unterzubringen, müssen die verbauten elektronischen Komponenten schrumpfen. Dazu gehören oberflächen-montierbare LEDs, die aufgrund ihrer Kosteneffizienz bei der Montage auf FR4 eine besonders beliebte Variante für Entwickler sind. Als Beispiel sei hier die Topled E1608 des Herstellers Osram Opto Semiconductors genannt: Im Vergleich zu den Vorgängermodellen konnte das Gehäuse bei gleicher Leistung um den Faktor 20 verkleinert werden. Für ein robustes Gehäuse sorgt die Premold-Technik.

Kleine LEDs und die Leuchtstoffmengen

Die Bezeichnung E1608 weist auf die Package-Abmessung von 1,6 mm x 0,8 mm hin. Eine Standard-Topled misst aktuell 3,2 mm x 2,8 mm. Auch die Höhe ist mit 0,6 mm flacher als die bisherigen 1,9 mm. Damit ermöglicht das kompakte Topled vor allem bei Anwendungen im Innenraum eines Fahrzeugs für unterschiedliche Designs. In Kombination mit den effizienten Konvertern stellt die Low-Power-LED trotz ihrer geringen Abmessungen hohe Leistungswerte sicher. Beispielsweise kommt die Konversions-Pure-Green-Variante bei 10 mA auf einen Wert von 780 mcd.

Bei der Miniaturisierung standen die Entwickler vor einigen Problemen: beispielsweise die Reproduktion kleinster Leuchtstoffmengen sowie deren Dosierung in ein Gehäuse mit einer Öffnung von 0,5 mm. Zudem verhalten sich Materialkombinationen in diesem mikroskopischen Bereich teilweise ganz anders als im makroskopischen Maßstab.

Dynamische Licht-Funktionen dank integrierter Elektronik

Neben drei Farbchips ist auch ein Treiber-IC in die Osire E4633i inegriert. Über einen seriellen Bus lassen sich die LEDs individuell ansteuern.
Neben drei Farbchips ist auch ein Treiber-IC in die Osire E4633i inegriert. Über einen seriellen Bus lassen sich die LEDs individuell ansteuern. (Bild: Osram Opto Semiconductors)

Noch anspruchsvoller sind die Anforderungen für dynamische Lichtanwendungen. Um die Anzahl der Komponenten für das geringe Raumangebot zu reduzieren und die Implementierung zu vereinfachen, hat Osram Opto Semiconductors eine Serie von LEDs mit drei RGB-Farbchips und einem seriell ansteuerbaren Treiber entwickelt.

In der ersten Stufe wurde eine sehr kleine RGB-LED mit einer eineindeutigen Kennung auf dem Gehäuse entwickelt. Über diese Kennung, die als ein 2D-Data-Matrix-Code ausgeführt ist, kann der Anwender der LED, in der Regel ist das ein Tier 1, die hinterlegten optischen Messwerte der Leuchtdiode auslesen. Das spart die sonst notwendige Vermessung beim Tier 1 ein und vereinfacht gleichzeitig den Herstellungsprozess.

Zusammen mit den sehr kleinen Gehäusemaßen 3,3 mm x 2,3 mm x 0,7 mm eignet sich diese LED auch zum Einsatz von längeren LED-Ketten. Damit lassen sich dynamische Lichtfunktion anzeigen. Mit der bald verfügbaren Osire E4633i ist die richtige Kalibrierung der RGB-Farbchips bereits fest in einem OTP eingebrannt.

Ein ASIC ist bereits im LED-Package integriert

Darüber hinaus ist in der LED ein Drei-Kanaltreiber integriert, der über einen seriellen Bus angesteuert wird. Ermöglicht wird das durch die Integration eines ASICs in das LED-Package. Mit diesem Ansatz können längere, mit der Osire E4633i bestückte Ketten nach dem Daisy-Chain-Prinzip mit einem seriellen Bus verbunden werden. Über diesen seriellen Bus lässt sich jede LED individuell ansteuern und auch ihre Diagnose ist möglich. Da die Kalibrierung bereits erfolgt ist, lässt sich die Ansteuerung vereinfachen und beschränkt sich auf ein Kommando: Set RGB Wert.

Über diesen schnellen Bus und die kleinen Ansteuerzyklen wird sichergestellt, dass sich längere Ketten von LEDs in Echtzeit ansteuern bzw. dynamische Lichtfunktion darstellen lassen. Die Osire-Familie ist qualifiziert für die verschiedenen Anwendungen in der Automobilindustrie und die ersten Produkte sind bereits auf den Markt gekommen, andere stehen kurz vor der Einführung.

Sicherheits- und Assistenzsysteme

Neben den Design-Aspekten für das Ambiente-Licht im Fahrzeug, kommt das gesamte Display-Segment hinzu: Head-up-Displays und Augmented-Reality-Anwendungen. Zudem unterstützen Infrarot-Anwendungen (IR) wichtige Sicherheits- und Assistenzsysteme wie das Driver Monitoring. Solche Funktionen sind beispielsweise im Hinblick auf zukünftige halbautonome Fahrzeuge wichtig, denn das Auto muss in bestimmten Fahrsituationen den Fahrer alarmieren oder ihm das Kommando übergeben können.

Licht im Fahrzeuginnenraum wird zu einem wesentlichen Bestandteil und übernimmt dabei wichtige funktionale und gestalterische Aufgaben.

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Dieser Beitrag ist erschienen im Sonderheft LED- und OLED-Lichttechnik II der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF)

* Stephan Pawlik arbeitet als Marketing-Ingenieur bei Osram Opto Semiconductors in Regensburg.

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