Laut einer Studie der Europäischen Kommission ist die Wahrscheinlichkeit schwerer Autounfälle außerhalb des Tageszeitraums um 60 Prozent höher. Um diese alarmierende Zahl zu verringern, wollen die Fahrzeughersteller wesentlich fortschrittlichere Scheinwerfer und Leuchten in ihre Autos verbauen. Der folgende Beitrag beschreibt die neuen Pixellichtquellen und deren Ansteuerungsmöglichkeiten. Welche dieser Lösungen verfügt über das größte Potenzial, um in den Fahrzeugen der nächsten Generation zum Einsatz zu kommen?

Bild 1: Anheben/Absenken des Lichtstrahls mit Hilfe eines Pixelscheinwerfers: Links ohne AFS und rechts mit AFS auf Basis eines Pixelscheinwerfers.

Bild 1: Anheben/Absenken des Lichtstrahls mit Hilfe eines Pixelscheinwerfers: Links ohne AFS und rechts mit AFS auf Basis eines Pixelscheinwerfers.ON Semiconductor

In den letzten zehn Jahren haben sich bei der Fahrzeugbeleuchtung einige Veränderungen ergeben. Glühlampen werden immer häufiger durch LEDs ersetzt. Dies traf zuerst auf weniger für den Straßenverkehr relevante Bereiche wie die Innenraumbeleuchtung, das Parklicht und Instrumenten-Cluster zu. Seit Kurzem finden sich LED-Lampen aber auch in den Frontscheinwerfern von Fahrzeugen der Mittel- und Oberklasse. Selbst für Kleinwagen stehen sie als Sonderzubehör zur Verfügung. Zu den Hauptgründen für diesen Übergang auf LEDs zählen deren höhere Zuverlässigkeit und der geringere Stromverbrauch. Für die Fahrzeugsicherheit ist vor allem die Flexibilität von LED-Beleuchtungen entscheidend, da sich die Ausgangsleistung und somit die Lichtabgabe jeder LED anpassen lässt.

Mit der Einführung neuer, anpassbarer Optoelektronik haben sich adaptive Frontscheinwerfer (AFS; Adaptive Front-Lighting System) etabliert, die eine höhere Sicherheit im Straßenverkehr ermöglichen. Pixelscheinwerfer ermöglichen das Formen eines bestimmten Beleuchtungsstrahls, der die Sicht des Fahrers verbessert. Dabei werden einzelne LED-Emitter in der Gesamtanordnung aktiviert, deaktiviert oder gedimmt, um ein AFS-Lichtprofil zu formen, das genau den Anforderungen an jedem Punkt der Fahrt entspricht.

Ansteuerung von Matrix-Scheinwerfern

SDT-Systeme (Systeme mit serieller Ansteuerung) sorgen durch ihren automatischen Stromgleichlauf für eine effiziente Ansteuerung von AFS-Systemen mit Pixellicht (Matrix-Scheinwerfer). Mithilfe passender Halbleiterlösungen lässt sich der von den Fahrzeugherstellern geforderte modulare Ansatz realisieren.

Im Vergleich zu AFS-Systemen mit herkömmlichen Glühlampen, die auf einer motorgesteuerten Justierung des Lichtstrahls basieren, ist die Steuerung mehrerer LED-Emitter mit Pixellicht wesentlich effektiver. Durch die Nutzung des im Fahrzeug integrierten GPS lässt sich die Lichtabgabe der Emitter regeln, um einen Lichtstrahl zu formen, der Kurven besser ausleuchtet und bei Hügeln/Senken für ein Anheben beziehungsweise Absenken des Lichtstrahls sorgt (Bild 1). In Kombination mit Bildverarbeitungssystemen lassen sich so Verkehrszeichen, Fußgänger und andere Objekte in Sichtweite des Fahrers besser ausleuchten und gleichzeitig die Blendung des Gegenverkehrs verringern. Bild 2 zeigt, wie der Bereich eines entgegenkommenden Fahrzeugs von der Beleuchtung ausgespart werden kann, um die Blendwirkung zu verringern.

Bild 2: AFS-Systeme ermöglichen das dynamische Ausblenden von Teilbereichen, sodass der Gegenverkehr trotz eingeschaltetem Fernlicht nicht geblendet wird.

Bild 2: AFS-Systeme ermöglichen das dynamische Ausblenden von Teilbereichen, sodass der Gegenverkehr trotz eingeschaltetem Fernlicht nicht geblendet wird. ON Semiconductor

Da LED-AFS-Scheinwerfer Pixellicht verwenden, das ein Formen und Schwenken des Lichtstrahls auf Emitterebene ermöglicht, erübrigt sich der Motor zur mechanischen Umlenkung des Lichtstrahls. Mit Pixellicht lässt sich auch die Strahlform ändern, womit auch der Motor für diese Funktion entfällt. Durch eine adaptive Hell-Dunkel-Grenze (ACOL; Adaptive Cut Off Line) ist zwar eine höhere Pixelzahl im Frontscheinwerfer erforderlich, ein Nivellierungsmotor erübrigt sich jedoch.

Ansteuerung von Pixellicht

Für Pixellicht-AFS-Systeme gibt es zwei grundlegende Ansteuerungs-Topologien: Für Systeme mit paralleler Ansteuerung (PDT; Parallel Drive Topology) dient ein hochleistungsfähiger Abwärtswandler als Stromquelle, und jeder LED-Emitter ist an die Hochstromschiene der PDT angeschlossen. Abweichungen der elektrischen Eigenschaften jedes Emitters haben erhebliche Auswirkungen auf die Gesamtleistung der Beleuchtung. Da bei der Anoden-Kathoden-Spannung der Emitter beträchtliche Unterschiede bestehen können, muss viel Wärme abgeführt werden. Damit erhöht sich der Stromverbrauch und umfangreiche Wärmemanagement-Maßnahmen sind erforderlich, was wiederum die Kosten und den Platzbedarf erhöht. Es ist daher unwahrscheinlich, dass diese Topologie weit verbreiteten Einzug in AFS-Systeme hält, solange kein besserer LED-Gleichlauf möglich wird.

Bild 3: Weiterentwicklung der Ansteuerung; links ein PDT-System, rechts ein SDT-System.

Bild 3: Weiterentwicklung der Ansteuerung; links ein PDT-System, rechts ein SDT-System.ON Semiconductor

Im Gegensatz zur PDT-Topologie, bei der eine konstante Stromquelle pro LED-Emitter vorliegt, weisen Systeme mit serieller Ansteuerung (SDT; Serial Drive Topology) zwei Anschlüsse pro LED-Strang auf. Ein LED-Strang-Treiber stellt sicher, dass zu jedem der Stränge ein konstanter Strom fließt. Die einzelnen Emitter im Pixel-Array werden deaktiviert/gedimmt, um so die Form des Lichtstrahls über Kurzschlussschalter zu verändern. Wird ein Companion-Chip mit eingebracht, dann lassen sich durch Systempartitionierung der hohe Stromverbrauch und die Wärmemanagement-Maßnahmen paralleler Topologien vermeiden. Da die serielle Variante eine Konstantstromquelle pro String erlaubt, ist im Gegensatz zur PDT keine Stromanpassung erforderlich, was eindeutig Kostenvorteile mit sich bringt.

SDT als Favorit

SDT scheint somit die bessere Topologie zur Ansteuerung für AFS-Systeme mit Pixellicht zu sein. Damit diese Systeme in den nächsten Jahren zur Standardausstattung in Fahrzeugen werden können, müssen sie allerdings mithilfe einer äußerst kosteneffizienten modularen Elektronik implementiert werden. Der Boost-Buck-LED-Treiber NCV78763 von ON Semiconductor bildet die Stromquelle für das System. Der hochintegrierte Baustein wird durch einen kombinierten Pixel-Controller-/Companion-Baustein unterstützt, wobei der modulare Aufbau gut zur Produktentwicklungsstrategie der Fahrzeughersteller passt. Er senkt die Bauteilkosten, rationalisiert die Umsetzung und beschleunigt das Systemdesign sowie die Implementierung.

Bild 4: Pixel-Controller mit Systempartitionierung.

Bild 4: Pixel-Controller mit Systempartitionierung.ON Semiconductor

Die hohe Funktionalität, das schnelle Schalten und die bessere Performance von Pixellicht bietet bei allen möglichen Fahrbedingungen enormes Potenzial, die Sicherheit auf unseren Straßen zu verbessern. Die Lichtstrahlen der Scheinwerfer lassen sich zur am besten geeigneten Form ausrichten oder biegen, um so eine genauere und reaktionsschnellere Ausleuchtung zu ermöglichen. Zudem lassen sich je nach Bedarf mehrere Blindbereiche innerhalb des Lichtstrahls einfügen. Dies ist nun ohne Motoren (und deren Treiber-ICs und Ähnliches) möglich. Die Elektronik, die dann für die Frontscheinwerfer erforderlich ist, kann weniger komplex ausfallen, und die Stückliste fällt kleiner aus.