In neuen Fahrzeugentwicklungen ist mehr Lichttechnik enthalten als je zuvor: Leselicht, Display-Hintergrundbeleuchtungen, Blinker (Bild 1), Abblend- und Fernlicht, Nebelleuchten, Kurvenlichter, Rücklichter, Orientierungsleuchten und sogar Infrarotbeleuchtungen für Fahrerassistenzsysteme. Im Inneren des Fahrgastraums ersetzen LED-Leuchten die Glühlampen vor allem dank der kleineren Abmessungen und niedrigeren Kosten sowie dank des höheren Wirkungsgrads und ihrer Langlebigkeit. Technische Verbesserungen bei LEDs und Treiberschaltungen für ultrahelle LEDs verstärkten diesen Trend, so dass LEDs aufgrund der verbesserten Sicherheit und Zuverlässigkeit sowie ansprechenderen Gestaltung nun auch in Außenleuchten zum Einsatz kommen.

Sehr sinnvoll und einfach ist zum Beispiel die Umstellung von Glühbirnen auf jahrzehntelang haltende LEDs beim Leselicht oder bei Display-Hintergrundbeleuchtungen. Der Austausch notwendiger, gesetzlich vorgeschriebener Außenbeleuchtungen erforderte dagegen erhebliche technische Weiterentwicklungen bei Leuchtdioden und Ansteuerschaltungen (in manchen Fällen sind dazu noch Änderungen der gesetzlichen Bestimmungen nötig). Innovative, intelligente Ansteuerkonzepte ermöglichen völlig neue Funktionen mit LEDs; dies führt zu einer Revolution bei Auto-Außenbeleuchtungen.

Bild 1:	LED-Blinklicht, für bessere Sichtbarkeit am Rückspiegel untergebracht.

Bild 1: LED-Blinklicht, für bessere Sichtbarkeit am Rückspiegel untergebracht.

Diese Umstellungen begannen mit LED-Tagfahrleuchten am Audi A8 des Jahres 2004 und erstreckten sich beim Audi R8 des Jahres 2007 auf die komplett LED-bestückten Scheinwerfer. Heute gibt es komplett mit LEDs ausgestattete Frontbeleuchtungssysteme für viele unterschiedliche Serienfahrzeuge auf der ganzen Welt, beispielsweise für Cadillac, Audi, BMW, Mercedes-Benz, Toyota, Jaguar und Volkswagen (siehe Bild 2). Osram gab vor kurzem bekannt, dass 20 % aller Scheinwerfer bis zum Jahr 2020 mit LEDs ausgestattet sein sollen, was nach den Maßstäben der Autoindustrie eine sehr schnelle Umstellung ist. Gegenüber Halogen- und Hochdruck-Entladungsleuchten (HID) bieten LED-Leuchten einen höheren Wirkungsgrad und niedrigeren Stromverbrauch, und die Preise für ultrahelle LEDs haben eine stark fallende Tendenz. Außerdem sind Leuchtdioden außerordentlich zuverlässig. Der wesentliche Grund für den Einsatz von LEDs ist aber ihre Steuerbarkeit, und die erfordert intelligente LED-Treiberschaltungen.

Bild 2:	LED-gestütztes Scheinwerfer-Design mit unabhängigen Leuchtenketten für mehrere Lichtfunktionen.

Bild 2: LED-gestütztes Scheinwerfer-Design mit unabhängigen Leuchtenketten für mehrere Lichtfunktionen.

Ästhetik

Das letzte und zugleich wichtigste Argument für viele Verbraucher ist aber der ästhetische Effekt einer guten Beleuchtung. Beleuchtung ist ein wichtiges Designelement für Fahrzeuge – schlechte Beleuchtung führt bei Anwendern schnell zur Frustration, während sie gute Beleuchtung sofort wahrnehmen. Autofahrer verlangen gute Beleuchtung und sind in vielen Fällen sogar bereit, extra dafür zu bezahlen. Premium-Scheinwerfer sind eine beliebte Option für Neuwagen in der Oberklasse sowie für die Nachrüstung. Solche Scheinwerfer verändern das Styling, die Wahrnehmung, den Fahrkomfort und die Sicherheit des Fahrzeugs. Autohersteller verstehen das, und dementsprechend stehen die neuen Beleuchtungssysteme im Fokus von Fahrzeug- und Komponenten-Herstellern. Hella, Automotive Lighting (Magneti Marelli), Koito und Valeo haben alle im letzten Halbjahr Pressemitteilungen zu Beleuchtungssystemen herausgegeben, was die Aufmerksamkeit dieser Hersteller für diesen Produktbereich verdeutlicht. Gute LED-Leuchtensysteme können durch Sicherheit, Zuverlässigkeit und elegantes Erscheinungsbild ein Fahrzeug erheblich aufwerten und damit zu höheren Verkaufszahlen und -preisen beitragen.

Gesetzliche Vorgaben

Behörden und Gesetzgeber interessieren sich besonders für die Fahrzeug-Außenbeleuchtung. In den meisten Ländern auf der Welt gibt es gesetzliche Vorschriften für die Anzahl, Helligkeit und Farbe von Außenleuchten. Leuchten mit einer zu hohen Helligkeit bei speziellen Fahrbahnbedingungen können Probleme durch Blendung verursachen, während trübe oder ausgefallene Außenlichter ein Sicherheitsrisiko sind. Die meisten Gesetzgeber haben akzeptable Helligkeitswertebereiche für Tagfahrlicht, Abblendlicht, Fernlicht, Blinklichter, Kurvenleuchten und Nebelscheinwerfer an der Vorderseite des Fahrzeugs definiert. Ähnliche Anforderungen gibt es für die Leuchten an der Fahrzeug-Rückseite. In manchen Fällen gibt es auch Regeln darüber, welche Leuchten unter welchen Bedingungen verwendet werden dürfen, ob beispielsweise Scheinwerfer zum Ausgleich der Fahrzeug-Beladung automatisch nivelliert werden müssen oder bei welchen Geschwindigkeiten die Kurvenlichter eingeschaltet werden dürfen beziehungsweise müssen. In Bezug auf Designanforderungen ist das ein Albtraum, zu dessen Lösung man eine große Vielzahl herkömmlicher Halogen- oder HID-Leuchten bräuchte, die womöglich sogar noch zusätzliche mechanische Motoren oder Blenden benötigten.

Bild 3:	LED-bestücktes Rücklicht mit redundanten Lichtquellen für höhere Zuverlässigkeit.

Bild 3: LED-bestücktes Rücklicht mit redundanten Lichtquellen für höhere Zuverlässigkeit.

Elektroniklösungen

Viele dieser Anforderungen lassen sich aber mit Anordnungen aus LED-Leuchten, sorgfältig ausgelegten Konstantstrom-Reglern und einem intelligenten Aufbau erfüllen. Mit guten LED-Treiberschaltungen und der zugehörigen Elektronik ist auch die Wiederverwendung vieler Designs möglich. In die Scheinwerfer integrierte Mikrocontroller können Informationen aus Licht- und Temperatursensoren nutzen, um Variationen über den LED-Treiberstrom zu kompensieren. Sie können damit einen gleichmäßigen Lichtstrom sichern beziehungsweise den Lichtstrahl absichtlich refokussieren oder die Helligkeit an veränderte Fahrbedingungen anpassen. Verschiedene Einzel-Leuchtdioden innerhalb des Scheinwerfers lassen sich ein- beziehungsweise ausschalten oder dimmen, um eine Kurve auszuleuchten oder eine Blendung entgegenkommender Fahrzeuge ohne mechanische Komponenten zu vermeiden. Darüber hinaus können Brems-, Warn- oder Blinklichter in bestimmten Mustern oder Sequenzen aufleuchten und so eine bessere Wahrnehmbarkeit gewährleisten. Vor allem aber lassen sich richtig implementierte LED-Leuchten fast augenblicklich ein- oder ausschalten, während eine Glühbirne erst nach 250 ms die volle Helligkeit erreicht. Natürlich muss es sich erst noch zeigen, ob diese Anpassungen langfristig einen merklichen Einfluss auf die Anzahl von Fahrzeugunfällen haben. Bisherige Hinweise sind aber vielversprechend.

Wesentlich für diese Überlegungen ist aber, dass diese Funktionen nicht nur LED-Anordnungen in hoher Qualität, sondern auch sehr genau ansteuerbare Treiberschaltungen mit intelligenten Funktionen benötigen. Die dsPIC-Chips von Microchip eignen sich bestens für diese Anforderungen. Die Qualität der Schaltungsumsetzung und der Algorithmen sowie eine passende Bauteilauswahl werden den Unterschied zwischen erfolgreichen und weniger geeigneten Beleuchtungsprodukten ausmachen.

20 Jahre Lebensdauer

Auch die konstruktionsbedingte Zuverlässigkeit von LEDs ist ein entscheidender Vorteil gegenüber früheren Leuchten-Generationen. Da manche LED-Hersteller für die Lebensdauer ihrer Bauteile mehr als 20 Jahre spezifizieren, ist es denkbar, dass Fahrzeugleuchten in Zukunft nicht mehr ausgetauscht werden müssen. Im Werk installierte Leuchten könnten ohne Wartung genauso lange halten wie der Antriebsstrang. LED-Leuchtensysteme lassen sich schon bei ihrer Entwicklung für eine hohe Zuverlässigkeit auslegen. Durch die Anordnung mehrerer voneinander unabhängiger Leuchtenketten in einem Brems- oder Rücklicht besteht die Möglichkeit, innerhalb einer einzigen Leuchte kosteneffizient Redundanz einzubauen, so dass ein Schaden oder Ausfall statt eines Totalausfalls nur die Lichtleistung am Ausgang verringern würde (siehe Bild 3).

Eckdaten

Aufgrund der Fortschritte bei LEDs und LED-Ansteuertechnik wenden sich Automobilhersteller immer mehr von Halogen- und Glühlampen ab. Leselicht, LED-Hintergrundbeleuchtungen, Blinker, Scheinwerfer, Nebelleuchten, Rücklichter, Orientierungsleuchten und sogar Infrarotbeleuchtungen für Fahrerassistenzsysteme – all das lässt sich mit LED-gestützten Designs aufbauen. Diese Neuentwicklungen bieten mehr Kontrolle über das Licht, höhere Zuverlässigkeit, weniger Energieverbrauch, ein besseres ästhetisches Erscheinungsbild und allgemein eine hellere Beleuchtung. Allerdings haben diese unterschiedlichen Systeme sehr verschiedene Ansteuerungsanforderungen und benötigen entsprechend unterschiedliche Schaltungsvarianten, damit sich die wichtigsten Vorteile für jede dieser Beleuchtungsanwendungen erzielen lassen.

Darüber hinaus kann eine weiterentwickelte Elektronik Fehlermeldungsfunktionen enthalten, so dass sich der Zustand der Leuchten auf dem Armaturenbrett anzeigen oder ein entsprechender Bericht als Diagnose-Datensatz über die Serviceschnittstelle ausgeben lässt. Sind die Lichtsysteme über einen CAN-, LIN- oder ähnlichen Datenbus im Fahrzeug vernetzt, so könnte das Kfz bei einer fehlerhaften Leuchtenfunktion den Fahrer warnen. Microchip bietet für solche Anwendungen eine Reihe von CAN- und LIN-Transceivern sowie -Mikrocontrollern. Dies ist kein neues Konzept, da es CAN-Bus-kompatible Beleuchtung schon seit langer Zeit für bestimmte Fahrzeuge gibt; ältere Systeme können aber nur erhebliche Funktionsänderungen erkennen, und effiziente Low-power-Ersatzbirnen erzeugen häufig falsche Fehlermeldungen. Dank intelligenter LED-Treiberschaltungen lassen sich allerdings detailliertere Daten übermitteln als nur ein Totalausfall. Leuchtensysteme können kostengünstig detaillierte Telemetriedaten für Strom-/Spannungsverschiebungen, Temperaturänderungen oder sogar Veränderungen der Eingangsspannung melden. Solche Diagnosedaten könnten schon vor dem Auftreten von Fehlern auf zukünftige Ausfälle hinweisen oder sogar kleine Veränderungen wie eine einzelne kurzgeschlossene LED in einer langen Kette erkennen.

Zuverlässige Diagnose

Für eine korrekte Implementation dieser Diagnosefunktionen müssen die Schaltungen für die LED-Ansteuerung und -Überwachung genauso zuverlässig sein wie die von ihnen angesteuerten Leuchtdioden. LED-gestützte Systeme enthalten oft mehr Bauteile als herkömmliche Glühlampen, an deren Stelle sie treten.

Um die volle Lebensdauer bei einer LED zu erzielen, benötigt man eine passende Treiberschaltung, die über alle Betriebsbedingungen eine gute Stromregelung bietet. Zur Sicherung einer überlegenen Lichtqualität und eines zuverlässigen Betriebs muss die Ansteuerschaltung sämtliche Änderungen von Temperatur, Eingangsspannung und Lastwiderstand kompensieren können und darüber hinaus unter allen Betriebsbedingungen einen konstanten Ausgangsstrom gewährleisten. Jedes zusätzliche Bauteil im System ist mit einer zusätzlichen Fehlermöglichkeit verbunden. Damit ein Rücklicht 20 Jahre lang funktioniert, müssen sowohl die LEDs wie auch die LED-Treiberschaltungen für eine Lebensdauer von 20 Jahren ausgelegt sein.

Eine solche Regelung und Langlebigkeit lässt sich nicht mit Abschlusswiderständen erzielen. Langfristig zuverlässige LED-Leuchten benötigen Lichtsysteme mit DC/DC-Reglern, die mit engen Toleranzen gesteuert werden und von Herstellern stammen, die eine anerkannte Erfolgsbilanz für Automotive-Qualität aufweisen können. Microchip fertigt eine Reihe von Digitally-Enhanced-Power-Analog-PWM-Controllern wie den MCP19115; diese Controller bieten die passende Stromregelung und verfügen über integrierte digitale Kommunikationsschnittstellen. Bei richtiger Auslegung verfügen solche Lichtsysteme über alle nötigen Elemente für eine lange Produktlebensdauer: hochzuverlässige Bauteile im Zusammenspiel mit Redundanz und Überwachung.

Kundenwünsche erfüllen

Sicherheit und Zuverlässigkeit sind absolut wünschenswerte Merkmale und Kfz-Kunden sehen Mängel in diesem Bereich oft als Gründe, ein Fahrzeug nicht zu kaufen. Oft neigen sie dazu, Marken oder Modelle zu meiden, die ihnen als unsicher oder wenig zuverlässig erscheinen, und entscheiden sich stattdessen aus Image-Gründen für die verbleibenden, aus ihrer Sicht akzeptablen Fahrzeuge. Gut konzipierte Leuchtensysteme können einem Fahrzeug glücklicherweise das entscheidende ästhetische Erscheinungsbild verleihen, das anspruchsvolle Käufer anlockt. Immer öfter erfolgt die Vermarktung der Fahrzeuge mit dramatischen Videos von Autoscheinwerfern, die sich plötzlich einschalten und zielbewusst durch die Dunkelheit bewegen.

Scheinwerfer mit einem guten Design sind nicht nur für Fahrzeuge der Oberklasse, sondern auch für einfache Fahrzeuge attraktiv. Vor allem sind die Kunden bereit, für ein solches Feature zu bezahlen. Im Zubehörbereich zählen Scheinwerfer zu den beliebtesten Fahrzeugaufrüstungen – unabhängig davon, ob es sich dabei um Scheinwerfer für ein Geländefahrzeug handelt, das womöglich niemals den Asphalt verlässt, oder um Nebelleuchten für eine Luxuslimousine, die womöglich niemals im Nebel fahren wird. Das visuelle Erscheinungsbild der Außenbeleuchtung ist genauso wichtig wie das Styling des Chassis oder der Inneneinrichtung. Trotz aller Sicherheits-, Zuverlässigkeits-, Kosten- und Langlebigkeitsargumente ist das Fahrzeug für viele Fahrer ebenso sehr ein Ausdruck ihrer Persönlichkeit wie es ein Werkzeug für einen sicheren Transport ist. Emotionale Attraktivität verkauft Fahrzeuge, und gut platzierte Ketten sorgfältig gesteuerter LEDs können diese Emotion (sogar in der Dunkelheit) hervorrufen. Manche Kfz-Hersteller und Zulieferer lassen sich heute von den Mehrkosten eines höheren Anteils von Halbleiterbauteilen in ihren Fahrzeugen abschrecken; in Wirklichkeit aber bringen diese Elektronikfunktionen wesentlich mehr Nutzwert als ihre Implementation kostet.

LED-Technologie eignet sich besonders gut für die Auto-Außenbeleuchtung. Ältere Halogen- und HID-Systeme bieten nicht die gleiche Flexibilität zur Unterstützung moderner Designs und zukünftiger Erwartungen an die Sicherheit. Präzise Konstantstrom-DC/DC-Wandler, manchmal in Kombination mit Mikrocontroller-Intelligenz, lassen sich für die Implementation von Allem nutzen: vom einfachen Rücklicht bis zum hochmodernen segmentierten Scheinwerfer. Zukünftige Leuchtendesigns – ob es sich dabei um LED-gestützte Systeme in der nahen Zukunft oder auch um neue Systeme auf Laser-Basis handelt – ebnen den Weg für intelligente Fahrzeugsysteme der Zukunft. Das Erkennen von Hindernissen ist ein weiterer Schritt auf dem Weg zu mehr Fahrzeugautomatisierung. Zugleich kann die Kfz-Industrie damit beweisen, dass sie zusätzliche Sicherheit und Zuverlässigkeit schafft, das ästhetische Erscheinungsbild verbessert und letztendlich den effektiven Nutzwert der Fahrzeige steigern kann.