Moduliertes LED-Licht Wie sich mit der LED auch Fahrzeugdaten übertragen lassen

Autor / Redakteur: Jörg Latzel * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Front- und Heckscheinwerfer eines Kfz mit LEDs dienen nicht nur zur Beleuchtung. Über moduliertes LED-Licht lassen sich auch Daten für die Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation übertragen.

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Mehr als eine Lichtquelle: Die LED-Leuchten im Auto lassen sich für die Fahrzeug-zu-Fahrzeugkommunikation verwenden.
Mehr als eine Lichtquelle: Die LED-Leuchten im Auto lassen sich für die Fahrzeug-zu-Fahrzeugkommunikation verwenden.
(Bild: Yokogawa)

In der Innen- und Außenbeleuchtung ist die LED für die Beleuchtung bereits etabliert. Und das nicht nur als Alternative für Glüh- und Gasentladungslampen der Fahrzeugober- und Mittelklasse. Blickt man auf die Geschichte der Halbleiterbeleuchtung, so muss man sich in das Jahr 1935 begeben. Der französische Forscher und Physiker Georges Destriau entdeckte die Elektrolumineszenz an Zinksulfid. Erst fast 30 Jahre später, im Jahr 1962, kommt die erste rote LED von Nick Holonyak auf den Markt.

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Mit dem Halbleiter Galliumarsenidphosphid oder kurz GaAsP wird erstmalig eine LED angeboten, die sichtbares, rotes Licht abstrahlt. Anfang der 1970er Jahre werden mit neuen Halbleitermaterialien weitere Farben realisiert. Grüne, gelbe und auch orange LEDs stehen zur Verfügung und werden als Signalisierungsleuchten und in der KFZ-Industrie eingesetzt.

Die Automobilhersteller konnten zur damaligen Zeit noch Ausnahmegenehmigungen erwirken, um gelbe LEDs als Kontrolleuchte für eingeschaltetes Fernlicht einzusetzen. Kurz vor Mitte der 1990er Jahre gelingt es dem Japaner Shuji Nakamura das Material Gallium Nitrit zu entwickeln, um hell leuchtende, blaue LEDs zu entwickeln. Damit gilt diese Entwicklung als Grundlage für weiße, hocheffiziente LEDs und wurde 2014 mit dem Nobelpreis in Physik honoriert.

Effizientes Licht mit der LED erst seit 10 Jahren

Nach anfänglichen Versuchen, eine Raumbeleuchtung mit gelben LEDs zu realisieren war schnell klar, dass auf diesem Wege kein Umstieg von Glühlampen hin zu LEDs machbar sein konnte. Die Effizienz bei der Lichtausbeute einer LED ist es erst in den vergangenen 10 Jahren ausreichend geworden. Damit konnte die LED nicht nur zur Signalisierung, sondern auch zur Beleuchtung eingesetzt werden.

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Aufmodulierte Fahrdaten via LED übertragen

Über das Tagfahrlicht und die Rücklichter mit LED lassen sich Fahrdaten aufmodulieren. Die Leuchten müssen pulsweitenmoduliert und per CAN-Bus gesteuert werden. Der Sicherheitsgewinn der vorhandenen Systeme dürfte die Mehrkosten rechtfertigen. Allerdings ist eine hohe Marktdurchdringung wichtig, damit eine sinnvolle Nutzung machbar ist. Ein Nachteil sei nicht verschwiegen: Kann das Licht eine Nebelwand nicht mehr durchdringen, so kann es nicht mehr ausgewertet werden. In diesem Fall hätte ein Funksystem einen Vorteil.

Als weiterer denkbarer Schritt sind LED-basierende Ampelanlagen, die aufmodulierte Informationen übermitteln. Das können beispielsweise Dauer einer Grün- oder Rotphase sein oder Triggerung eines gleichzeitigen, gleichmäßigen Anfahrens unter Einsatz der Fahrzeug- zu Fahrzeugkommunikation.

Effizienzerhöhungen von bis zu 12 Prozent pro Entwicklungsjahr [2] sind nach Angaben führender Hersteller noch immer realistisch. Wir sind bereits bei einer Lichtausbeute von über 200 Lumen/Watt angekommen und somit nur noch bei einer Wärmeentwicklung von 70 Prozent gegenüber einer Lichtausbeute von 30 Prozent während die klassischen Glühlampen bei 95 Prozent Wärmeentwicklung gegen 5 Prozent Licht liegen [2].

In der Beleuchtung und bei der Signalisierung sowie bei Displaybeleuchtungen ist es nicht nur komfortabel, sondern auch sicherheitsrelevant und augenschonend, die Lichtleistung an die Umgebungshelligkeit anzupassen. Da in der Kfz-Industrie der Designaspekt eine sehr entscheidende Rolle spielt, zählen zu den wichtigsten Forderungen an das gedimmte Licht eines Diodenarrays, also beispielsweise die Anordnung mehrere LEDs nebeneinander: Gleiche Helligkeit aller LEDs zu einem Zeitpunkt t, gleiches Spektrum aller LEDs zum Zeitpunkt t.

Einzelne LEDs aus einer Charge wurden untersucht und es zeigte sich, dass analoges Dimmen ein Auseinanderlaufen insbesondere der Dominantwellenlänge zur Folge hat. Für eine einzelne LED wird diese Drift in den CIE-Diagrammen in Bild 2 und 3 gezeigt. Die Abweichung ist bei diversen LEDs deutlich unterschiedlich.

Dimmen und Effizienz einer LED im Auto

Ein Dimmen der LED-Leuchten auf unter 20 Prozent des Nennstromes führte zudem zu einer unterschiedlichen Effizienz und einige LEDs leuchteten unter einer Marke von 5 Prozent gar nicht mehr [1]. Ein solches Auseinanderlaufen der Dominantwellenlänge oder der Leistung würde das menschliche Auge im direkten Vergleich der nebeneinander angeordneten Quellen direkt wahrnehmen. Das wäre für das Fahrzeugdesign nicht förderlich. Grundsätzlich bietet eine LED gegenüber einer Glühlampe jedoch eine höhere Farbstabilität. Wird eine Halogenlampe gedimmt, so verschiebt sich die Lichtfarbe in den Rot-Bereich.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 20/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Bei konventionellen Glühlampen muss etwa 200 ms eine Spannung anliegen, bis sie hell leuchten [6]. Eine LED hingegen leuchtet unmittelbar bei Anlegen eines Stroms auf. Dadurch erreicht das Lichtsignal schneller den Sollwert. Allein dadurch gewinnt der aufmerksame nachfolgende Autofahrer grob 200 ms für den Notanhaltevorgang. Ein Fahrzeug legt innerhalb der 200 ms bis das Bremslicht leuchtet, bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h, einen Weg von 5,5 m zurück.

Das Dimmen der LEDs ist im Kfz getrennt zu betrachten. In der AutomobilIndustrie wird mit Gleichspannungen gearbeitet. Aus diesem Grund kommt die effiziente Phasenanschnittsteuerung nicht in Betracht. Aufgrund der guten Verfügbarkeit von günstigen Pulsweitenmodulatoren ist der Ansatz der PWM näher zu betrachten.

Das Steuersignal für PWM und der Duty-Cycle

Eine Frequenz oberhalb 100 Hz ist wichtig, um ein Flackern im Auge des Betrachters zu vermeiden. Frequenzen oberhalb von 500 Hz können zu Schwierigkeiten in Hinsicht auf elektromagnetische Abstrahlung führen. Grund sind die Rechtecksignale, welche deutlich höhere Frequenzanteile als die der Grundfrequenz haben. Neben der Frequenz finden sich die automatisch gemessenen Pulsbreiten. Die dargestellten Werte können an dem verwendeten Oszilloskop DLM4000 von Yokogawa aus einer Liste von 30 Parametern ausgewählt und in zwei unterschiedlichen Größen auf dem Display angezeigt werden.

Das Bild 4 zeigt zwei Zustände einer Rückfahrleuchte eines Kfz, die über ein PWM-Ansteuersignal betrieben wird. Im ersten Teil wird ein PWM-Signal mit 24 Prozent Duty Cycle (aufgezogen im unteren linken Displayviertel) und im zweiten Teil ein Signal mit fast 94 Prozent Duty Cycle. Durch die unterschiedlichen Duty Cycles lassen sich Rücklicht (Zustand 1) und Bremslicht (Zustand 2) mit ein und demselben Leutdiodenarry realisieren.

Die Ermittlung des Integrals über einen bestimmten Zeitschlitz, das ebenfalls über die Nutzermathematik des verwendeten Oszilloskops einblendbar ist, gibt dabei die Auskunft über den erreichten Helligkeitseindruck. Dieser lässt sich beispielsweise in Prozent angeben. Die LEDs werden typischerweise über einen PWM-Schaltkreise mit einem MOSFET angesteuert.

Das gleiche Verfahren wird verwendet, um das LED-Tagfahrlicht in den Scheinwerfern abzusenken und so die Sichtbarkeit des Blinkers auch bei eingeschaltetem Tagfahrlicht zu verbessern. Aktuelle Kraftfahrzeuge sind bereits mit modulierten LEDs und der entsprechenden Ansteuerung ausgestattet, welche in diesem Ausbau grundsätzlich auch zur Aufmodulation von nachrichtentechnischen Signalen einsetzbar ist [4].

Die Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation

Die Automobilbauer verwenden verschiedene Lösungen für die Fahrzeug- zu Fahrzeugkommunikation. Dazu gehören im Wesentlichen WLAN und Mobilfunkkommunikation, aber auch die Kommunikation über Satellit werden untersucht und von den Herstellern verwendet. Mit den beschriebenen LED-Leuchten in der Front- und Heckbeleuchtung eines Autos ist zudem ein völlig neuer Ansatz denkbar: Die Vehicle-to-Vehicle-(VtV-)Kommunikation. Wird an eine LED ein Versorgungsstrom angelegt, so reagiert diese so schnell, dass sich LEDs prinzipiell zum Übertragen von Datenraten im Bereich von einigen Megabit in der Sekunde eignen.

Eine einfache Signalisierung oder Übertragung von Daten lassen sich mit wenigen Kilobit pro Sekunde übermitteln. Zu den übertragenen Daten gehören gefahrene Geschwindigkeit, Abstand zum Vorausfahrenden Fahrzeug oder auch das Durchreichen der Geschwindigkeit des vorausfahrenden Fahrzeugs. Der Vorteil gegenüber Systemen wie WLAN oder Mobilfunk ist, dass der Sender grundsätzlich räumlich identifiziert ist. Es handelt sich entweder um das direkt oder seitlich vorausfahrende oder folgende Fahrzeug. Ein Austausch von Positionen oder gar das Einloggen in übergeordnete Netzwerke entfällt damit komplett. Einzig die Fahrdaten werden übermittelt.

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Mit den bereits heute verwendeten Fahrzeugkomponenten können sicherheitsrelevante Fahrdaten zwischen den Fahrzeugen ausgetauscht werden und somit beispielsweise der Bremsdruck vorab bereitgestellt, Gurtstraffer aktiviert oder ein synchrones Anfahren im Stau umgesetzt werden. Die Kameras für den Spurhalteassisten, die Frontkamera oder eine Heckkamera zur Einparkhilfe können genau an den Positionen den vorausfahrenden oder den nachfolgenden Verkehr beobachten. Um die Effizienz der entsprechenden Empfangskamera für die Kommunikationsdaten zu erhöhen, eignen sich Optical-Communication-Image-Sensoren, kurz OCI, mit ihren hohen Übertragungsraten besser, als die aktuell eingesetzten Bildkameras.

Pulsmodulation bei der Fahrzeugkommunikation

Das Bild 3 zeigt die Konfiguration eines auf sichtbarem Licht beruhenden Fahrzeug- zu Fahrzeugkommunikationssystems. Die LED Front- und Heckleuchten dienen als Sender und Front- bzw. Heckkamera als Empfänger. Betrachtet man die bereits heute eingesetzten Systeme für die Pulsweitenmodulation mit Licht, so fällt die wahrscheinlichste Wahl des Modultionsverfahrens auf die Pulspositionsmodulation.

Allerdings gehen wir auf die Art der verwendeten Codierung in diesem Beitrag nicht weiter ein. Die Pulsweitenmodulation ist prinzipiell gut umsetzbar. Dabei sind die vorhandenen MOSFETs zum Ansteuern über die PWM in der Lage, sowohl die Pulsbreite für den Helligkeitseindruck der Beleuchtung, als auch die Position des Pulses zu steuern. Bleibt man bei einer PWM mit Frequenzen von 100 bis 500 kHz, so beträgt die Datenrate bei einfacher Codierung bis zu 500 kBit/s. Das ist für wichtige Statusinformationen ausreichend.

Literatur

[1] Information zum Dimmen von LED-Lichtquellen, Herausgeber: ZVEI - Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V.

[2] Stand der LED-Technik und Entwicklungsperspektive; Daniel Werner, Prof. Dr.-Ing. Eva Schwenzfeier-Hellkamp, FH Bielefeld.

[3] VEHICLE TO VEHICLE COMMUNICATION USING “VISIBLE LIGHT COMMUNICATION TECHNOLOGY” 1MEHBOOB RAZA HAIDER, 2MANOJ M. DONGRE; Proceedings of 24th IRF International Conference, 12th April 2015, Pune, India

[4] Kommunikation über Beleuchtungselemente von Kraftfahrzeugen, Dissertation an der Universität Ulm von Dipl.-Ing. Torsten Sven Schaal aus Göppingen.

[5] Optical Vehicle-to-Vehicle Communication System Using LED Transmitter and Camera Receiver, Isamu Takai,1,2 Member, IEEE, Tomohisa Harada,1 Michinori Andoh,1 Keita Yasutomi,2 Member, IEEE, Keiichiro Kagawa,2 Member, IEEE, and Shoji Kawahito,2 Fellow, IEEE; IEEE Photonics Journal Vol. 5 Oct. 2014

[6] 20 Jahre LED-Kompetenz, HELLA KGaA Hueck & Co., 2011

[7] http://www.elektronik-kompendium.de/sites/kom/0401121.htm (abgerufen am: 24.9.2015)

* Jörg Latzel ist Vertriebsleiter bei Yokogawa Deutschland GmbH in Herrsching.

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