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Trends in der Beleuchtung – Die Evolution der LED im Fahrzeug

Autor / Redakteur: Florian Fink * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Die LED-Technik für die Fahrzeugbeleuchtung hat sich in den letzten Jahren weiter entwickelt. Frontscheinwerfer im Fahrzeug sind nicht nur kleiner geworden, sondern auch ihre Hellligkeit hat zugenommen.

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Automobil-Beleuchtung: Dank platzsparender und gleichzeitig sehr hellen LEDs wie der Oslon Boost sind schmale Scheinwerferdesigns mögllich.
Automobil-Beleuchtung: Dank platzsparender und gleichzeitig sehr hellen LEDs wie der Oslon Boost sind schmale Scheinwerferdesigns mögllich.
(Bild: Osram Opto Semiconductors)

Licht ist ein wesentlicher Sicherheitsbaustein von Fahrzeugen – sowohl für besseres Sehen aber auch um von anderen gesehen zu werden. Mit der Weiterentwicklung der Automobile durchlief auch das Fahrzeuglicht unterschiedliche Stufen der Veränderung. Je schneller die Autos wurden, desto wichtiger war es bei Dunkelheit möglichst weit zu sehen.

In aktuellen Fahrzeuggenerationen spielen neben der Helligkeit auch Faktoren wie Energieeffizienz oder Designfreiheit eine entscheidende Rolle. LEDs bieten dabei gegenüber heute noch häufig genutzten Halogen-Leuchten eine Reihe von Vorteilen.

Neben den rein funktionalen Aspekten verschiebt LED-Technologie die Grenze des Machbaren in vielerlei Hinsicht immer weiter nach hinten. So rücken beispielsweise Themen wie die Kommunikation mithilfe von Licht über Scheinwerfer und Rückleuchten immer stärker in den Fokus der Hersteller.

Gestiegene Helligkeit und eine bessere Energieeffizienz

In vielen der heutigen Fahrzeugmodelle kommen konventionelle Lichttechnologien wie Halogen oder Xenon zum Einsatz. Die ständigen technologischen Verbesserungen von LED-Technologie sorgen allerdings dafür, dass sich dieses Kräfteverhältnis immer deutlicher in Richtung der LEDs verschiebt – und in den kommenden Jahren weiter verstärken wird. Die Gründe dafür sind vielfältig.

Bei LEDs lässt sich die gewünschte Lichtwellenlänge einfach generieren. Sie benötigen wenig Energie und Bauraum und haben darüber hinaus eine wesentlich höhere Lebensdauer als bisher eingesetzte Lichttechnologien. Mit der Oslon Black Flat und Oslon Compact-LED-Serie hat Osram Opto Semiconductors zwei Produktfamilien aufgelegt, deren Design auf ein möglichst gutes Verhältnis von Energieeffizienz und Helligkeit getrimmt ist.

Höher bestromen, höhere Helligkeitswerte

Die zweite Generation der Oslon Compact PL verfügt über mehrere Varianten – mit einem und bis zu vier LED-Chips. Ein spezielles elektrisch isoliertes Pad sorgt für eine deutlich vereinfachte Wärmeableitung aus den Keramik-Bauteilen. In der Folge können die LEDs höher bestromt werden, was bei der 1-Chip-Variante zu einem höheren Helligkeitswert von 395 lm bei einem Strom von 1 A führt. Die Abmessungen von 1,9 mm x 1,5 mm x 0,73 mm ermöglichen zudem platzsparende Systemdesigns, die beispielsweise für ADB-Systeme (Adaptive Driving Beam) wichtig sind.

Dank der erneut deutlich verbesserten Effizienzwerte innerhalb der Familie Oslon Black Flat S mit einer Lichtleistung von 130 lm/W bei 1 A bietet sich ein Austausch etwaiger bisher genutzter Halogenlösungen umso mehr an. Damit tragen die Verbesserungen außerdem dazu bei, dass der benötigte Kühlkörper wesentlich kleiner ausfallen kann – mit entsprechend positiven Auswirkungen auf die Gesamtkosten des Systems – und perspektivisch sogar LED-Anwendungen, die ganz ohne eigenen Kühlkörper realisierbar sind.

Mehr Freiheiten bei dem Design von Leuchten

Eines der zentralen Argumente für LED-basierte Scheinwerfer sind die kompakten Abmessungen der Dioden. Die sehr guten Lichtleistungen bei äußerst geringem Platzbedarf bieten deutlich mehr Gestaltungsfreiheit als konventionelle Systemansätze. So ist auch der jüngste Trend mit LED-Technik besonders gut zu realisieren.

Vor allem im Premiumsegment ist beispielsweise eine deutliche Tendenz hin zu immer schmäleren Designs zu erkennen. Das erfordert nicht nur besonders kompakte LEDs, sondern eine entsprechend hohe Lichtleistung. Osram hat darum die Oslon-Boost-Familie entwickelt. Sie bietet Abmessungen von 1,9 mm x 1,5 mm x 0,73 mm und basiert auf Keramik. Das SMD-Bauteil nicht nur sehr klein, sondern überzeugt mit einer Leuchtdichte von 255 cd/mm².

Adaptive Frontbeleuchtung für eine höhere Auflösung

Vom Groben ins Feine – mithilfe pixellierter LEDs können unterschiedliche Bereiche des Sichtfeldes sehr präzise beleuchtet, ausgeblendet oder gedimmt werden.
Vom Groben ins Feine – mithilfe pixellierter LEDs können unterschiedliche Bereiche des Sichtfeldes sehr präzise beleuchtet, ausgeblendet oder gedimmt werden.
(Bild: Osram Opto Semiconductors)

(Bild: Osram Opto Semiconductors)

(Bild: Osram Opto Semiconductors)

Bereits vor einigen Jahren wurden erste LED-basierte Lösungen zur adaptiven Frontbeleuchtung mit mechanischer Abblendung umgesetzt. Mit ihr lassen sich einzeln schaltbare Bereiche des Fernlichts abdunkeln oder abschalten. So wird beispielsweise vermieden, dass entgegenkommende Fahrer geblendet werden. Die Verknüpfung von Hochleistungs-LEDs mit intelligenten Funktionen wird künftig einen zusätzlichen Beitrag zu deutlich mehr Verkehrssicherheit leisten.

Einen großen Schritt nach vorne stellen hierbei Entwicklungen mit einzeln ansteuerbaren LED-Pixeln dar. Hier können nicht nur einzelne, grobe Segmente des Sichtfelds, sondern deutlich kleinere und feiner umrissene Bereiche, wie die Frontscheibe eines entgegenkommenden Fahrzeugs gezielt ausgeblendet und gleichzeitig Details, wie nahende Fahrradfahrer, beleuchtet werden. In einer solchen 2D-Matrix geht es um Elemente mit weniger als 0,5° – im Vergleich zu der Ausblendung mit LED-Segmenten, die typischerweise ungefähr 1 bis 2° breit sind. Das ist ein deutlicher Sprung.

Als bisher bester energieoptimierter Ansatz für adaptive Frontbeleuchtungssysteme sind aktive LED-Pixel-Arrays hervorzuheben. In aktuellen Lösungen werden mehrere diskrete LEDs, wie Osrams Oslon Compact CM verwendet. Jede LED fungiert dabei als einzelner „Pixel“. Eine spezielle Primäroptik streckt die obere und untere Pixelreihe vertikal auf mehrere Grad. Die horizontale Auflösung kann dadurch bei ~1,2° belassen werden. Dies senkt nicht nur die Anzahl benötigter LEDs, sondern ermöglicht darüber hinaus die Nutzung herkömmlicher Integrationsmethoden für Elektronik.

Einzelne LED-Pixel ansteuern

Die erste Generation der Hybrid-LED Eviyos von Osram.
Die erste Generation der Hybrid-LED Eviyos von Osram.
(Bild: Osram Opto Semiconductors)

Ist eine deutlich höhere Anzahl aktiver Pixel das Ziel, ist die Integration der Treiberelektronik und der aktiven LED bereits auf Halbleiter-Ebene nötig. So geschehen in der weltweit ersten Hybrid-LED mit der Bezeichnung Eviyos von Osram. Das Akronym Eviyos steht für Efficient, Versatile, Intelligent, µ-Structured-LED-Chip von Osram Opto Semiconductors.

Ein LED-Pixel-Array-Chip ist direkt mit einem aktiven Silizium-IC verbunden und steuert die einzelnen Lichtpixel an. Damit ist es möglich, eine Einheit zu nutzen, die eine gemeinsame Spannungsversorgung mit einer digitalen, seriellen Schnittstelle kombiniert. Bisher musste jeder LED-Pixel über zwei Kontakte an eine externe Stromquelle angeschlossen werden. Bei der ersten Produktgeneration der Eviyos finden 1024 Pixel auf einer Fläche von rund 4 mm x 4 mm Platz.

Eviyos ermöglicht eine besonders feine LED-Pixelauflösung bei voller Ausleuchtung, ohne dass der Energieverbrauch erhöht wird. Bei den im Normalfall häufigeren Verteilungen ohne Fernlicht wird weitere Energie durch echtes Abschalten der LED-Pixel eingespart. Bei bisherigen adaptiven Ansätzen wird die Gesamtlösung immer bei voller Helligkeit betrieben und nicht benötigtes Licht manuell ausgeblendet und somit verschwendet.

Höhere Auflösung bei der Automobil-Beleuchtung

Hochauflösende Visualisierung von Informationen mithilfe des Scheinwerfers – die 25.600 Pixel der zweiten Generation von Eviyos ermögichen das in Zukunft.
Hochauflösende Visualisierung von Informationen mithilfe des Scheinwerfers – die 25.600 Pixel der zweiten Generation von Eviyos ermögichen das in Zukunft.
(Bild: Osram Opto Semiconductors)

Etwa zwei Jahre nach der Ankündigung der ersten Hybrid-LED läutet Osram mit der zweiten Generation der Eviyos ein neues Kapitel für Multi-Pixel-Lösungen für Autoscheinwerfer ein: mehr als 25.000 einzeln ansteuerbare Pixel befinden sich auf einer Grundfläche von 40 mm². Die Lichtpunkte rücken dabei bis auf einen Pixelabstand von nur 40 µm zusammen und ermöglichen so besonders platzsparende Systemdesigns.

Die zweite Generation der Eviyos befindet sich aktuell noch in der Entwicklung und soll im Jahr 2023 auf den Markt kommen.

Eine Warnung via Kommunikation mit Licht.
Eine Warnung via Kommunikation mit Licht.
(Bild: Osram Opto Semiconductors)

Mit Produkten wie der Eviyos sind künftig Anwendungen jenseits der klassischen Beleuchtung im Auto möglich: Es lassen sich hochauflösende Projektionen auf die Straße bringen. Diese Form der Visualisierung mithilfe von Licht ist unter dem Begriff Car-To-X Kommunikation zusammengefasst. Neben der Projektion von Informationen in das Sichtfeld des Fahrers, werden Fahrzeuge künftig immer häufiger auch mit anderen Verkehrsteilnehmern kommunizieren. So können Heckleuchten aus mehreren LED-Pixeln bestehen, die im Normalbetrieb als klassische Rückbeleuchtung fungieren. Wenn es die Situation erfordert, dann schalten sie nur die Pixel ein, die das Wort „Achtung!“ auf die Straße projizieren, um den nachfolgenden Fahrer beispielsweise vor zu nahem Auffahren zu warnen.

Beleuchtung im Fahrzeug wird sich verändern

Die jüngsten Entwicklungsfortschritte zeigen bereits heute, wie sich die Automobilbeleuchtung in den kommenden Jahren verändern wird. Der Wandel von Halogen- zu LED-basierten Scheinwerfern wird sich weiter beschleunigen, und in weitere Fahrzeugklassen vordringen. Ebenso werden Scheinwerfer und Rückleuchten nicht nur einzelne Bereiche in einer sehr hohen Präzision beleuchten oder ausblenden, sondern sie können völlig neue Anwendungsfelder jenseits der klassischen Beleuchtung erschließen.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 21/2020 (Download PDF)

Die mit der Eviyos eingeläutete neue Generation von Hybrid-LEDs ermöglicht zusätzliche Vorteile. Dazu gehören geringere Systemkosten und Modulgrößen, geringere thermische Verluste, eine noch höhere Zuverlässigkeit und eine bessere Farbgenauigkeit. Gleichzeitig sind mit der Integration von Elektronik in die einzelnen LED-Komponenten zusätzliche Funktionen möglich.

Hersteller wie Osram zeigen damit, wo die technologische Reise für die Fahrzeugbeleuchtung in den kommenden Jahren hingehen kann: Multifunktionale, intelligent ansteuerbare Scheinwerfer. Sie sind nicht nur in der Lage, die Straße auszuleuchten, sondern können mit ihrer Umgebung kommunizieren.

* Florian Fink ist Marketing Manager für Automotive Exterior bei Osram Opto Semiconductors in Regensburg.

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