Ein Matrix-LED-Scheinwerfer verteilt sein Licht sehr effektiv. (Bild: Linear Technology)
Eckdaten
Außer in den Frontscheinwerfern haben LEDs bereits einen festen Platz bei Beleuchtungen im Fahrzeug. Trotz höherer Kosten werden die Leistungseigenschaften der IC-gesteuerten Beleuchtungshalbleiter deren Weg in die Matrix-LED-Scheinwerfer beschleunigen.
Bekanntlich dürfen die 40-W- und 60-W-Glühbirnen, wie man sie bisher üblicherweise in der Mehrzahl der Haushalte verwendet hat, nicht mehr produziert werden, aber auch die 75-W- und 100-W-Glühbirnen sind ausgelaufen. Der Grund für ihr Ableben liegt in der Notwendigkeit, einen besseren Wirkungsgrad bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Licht zu erzielen, wie von der EPA gefordert. Ziel dabei ist es, den Verbrauch und damit auch die Erzeugung elektrischer Energie zu senken, weil laut US Energy Information Administration die Beleuchtung der privaten Haushalte rund 14 % des gesamten elektrischen Energiebedarfs ausmachte. Deshalb fand die alternative LED-Lichtquelle, die nur noch etwa 1/8 der Leistung benötigt, um die gleiche Lichtmenge in Lumen zu erzeugen, ihren Weg in unsere moderne Welt.
Auch in Fahrzeugen haben daher LEDs Einzug gefunden. Sie finden beispielsweise in über 70 % der Anzeigeleuchten im Innenraum und bei über 45 % der Hintergrundbeleuchtungen von Displays Verwendung. Im Vergleich mit den Tagesfahrlichtern, die heute über 55 % Anteil haben, ist bei den Scheinwerfern mit rund 5 % Anteil das große Entwicklungspotenzial deutlich zu erkennen. Obwohl die Frontscheinwerfer, also Abblendlicht, Fernscheinwerfer und Nebelscheinwerfer, die größten Entwicklungsmöglichkeiten bieten, ist dieser Bereich noch am wenigsten penetriert. Einer der Hauptgründe dafür sind die Kosten für die Automobilhersteller, um LED-Scheinwerfer zu einem Preis implementieren zu können, die der Kunde bereit ist zu bezahlen.
Vieles spricht für LED-Scheinwerfer
Der Einsatz von LED-Abblendlichtern verläuft noch schleppend, obwohl viele Fahrer und selbst die OEMs LED-Beleuchtungen bevorzugen. Für LEDs sprechen beispielsweise ihre Designflexibilität wegen ihres Formats und ein großer Bereich an Dimm-Möglichkeiten, denn das menschliche Auge reagiert bereits auf geringe Änderungen der Lichtstärke empfindlich. LEDs haben nicht nur einen besseren Wirkungsgrad, was Energieeinsparungen und geringeren CO2-Ausstoß bedeutet, sie haben auch signifikant längere Lebenszeiten. Obwohl man die Kosten in der Regel als Grund nennt, sind LEDs in Applikationen außerhalb der Scheinwerfer wegen der kontinuierlichen Kostensenkungen, ihrer Langlebigkeit und der hervorragenden Qualität für die Endkunden zum neuen Standard für den Mehrwert geworden. Auch gesetzliche Vorschriften, die die Anforderungen an Tagesfahrlichter und Scheinwerfer aber auch an weitere Beleuchtungsapplikationen spezifizieren, haben die Nachfrage nach LED-Beleuchtungen ebenfalls gesteigert. Es überrascht daher auch nicht, dass Audi allgemein als führender Hersteller gilt, wenn es um den Einsatz von LEDs in praktisch allen externen Automobilbeleuchtungen geht. Ihre berühmten Augenbrauen-Tagesfahrlichter erkennt sofort jeder, der sie in seinem Rückspiegel auftauchen sieht. Außerdem war Audi der erste Hersteller, der bereits 2004 LED-Scheinwerfer in seinem Modell R8 einsetzte.
Gut aber teuer
Die Antwort auf die Frage, warum sich LED-Schweinwerfer nicht genauso schnell durchgesetzt haben wie LEDs in anderen Automobil-Beleuchtungsapplikationen, sind die Kosten. Die Alternativen zu LEDs im Scheinwerfer sind nach wie vor Glühlampen, Halogenleuchten oder Hochdruck-Gasentladungs-Xenon-Birnen. Vergleichbare LEDs kosten bis zu 100 % mehr als Halogenscheinwerfer, die ursprünglich 1962 in Europa auf den Markt kamen, und bis zu 1,5-mal mehr als Hochdruck-Xenon-Lampen. Um eine vergleichbare Lichtleistung wie eine Xenon-Lampe zu erreichen, ist eine deutlich teurere LED-Lösung erforderlich als für Halogenalternativen mit geringeren Leistungsanforderungen.
Was ihre Leuchtkraft anbelangt liegen LED-Scheinwerfer zwischen den Halogen- und Hochdruck-Xenon-Lampen, aber sie schaffen wesentlich fokussiertere Lichtkegel und ermöglichen auch die Erzeugung unterschiedlicher Lichtkonturen. Auch dank ihrer geringen Größe lassen sich mit LEDs alle Arten von Lampenformen und -gruppierungen erzeugen, die perfekt zum Design der jeweiligen Modelle der Automobilhersteller passen. Obwohl aktiv leuchtende LEDs keine nennenswerte Wärme abgeben, erzeugen sie dennoch Wärme an der Unterseite des stromdurchflossenen Emitters, was ein potenzielles Risiko für benachbarte Baugruppen und Verbindungskabel darstellt. Aus diesem Grund benötigen LED-Scheinwerfer Lüfter oder Kühlsysteme gegen Überhitzung, die darüber hinaus in der Regel im nicht gerade kühlen Motorraum untergebracht sind. Folglich sind LED-Scheinwerfer schwieriger und aufwendiger zu entwickeln und in einem Fahrzeug zu implementieren und deswegen teurer als Hochdruck-Xenon-Lampen.
Neue ICs für LED-Scheinwerfer
Anders als bei Glühlampen, bei denen nur elektrischer Strom benötigt wird, um den Glühfaden zum Leuchten zu bringen, benötigen LEDs für ihren Betrieb spezielle integrierte Schaltungen. Eine Schlüsseleigenschaft, die ein LED-Treiber-IC heute haben muss, ist die Fähigkeit, die LEDs entsprechend den Anforderungen zu dimmen. Da LEDs mit einem Konstantstrom betrieben werden, wobei der Pegel des Gleichstroms proportional zur Helligkeit der LED ist, gibt es zwei Methoden, um die Helligkeit der LEDs durch Regeln des LED-Stroms zu variieren und damit zu dimmen. Die erste Methode ist das analoge Dimmen, indem man den LED-DC-Strompegel proportional durch Verringern des LED-Konstantstroms reduziert. Das Reduzieren des LED-Stroms kann in einer Änderung der LED-Farbe oder ungenauen Regelung des LED-Stroms resultieren. Die zweite Methode ist das digitale Dimmen oder das PWM-Dimmen (Pulsweitenmodulation), das die LEDs mit einer Frequenz von 100 Hz oder darüber ein- und ausschaltet, was für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar ist. Der Arbeitstakt des PWM-Dimmens ist dabei proportional zur Helligkeit der LED. Weil der LED-Strom zur Ein-Zeit auf demselben Pegel bleibt, wie vom LED-Treiber-IC eingestellt, bleibt auch die LED-Farbe während hoher Dimmverhältnisse konstant. Diese Methode des PWM-Dimmens lässt sich in einigen Applikationen mit Verhältnissen bis zu 3000:1 nutzen.
Der I2C-LED-Treiber-IC verfügt über einen Matrixdimmer mit acht Schaltern. Linear Technology
Hoher Wirkungsgrad
Besonders beim Betrieb von LEDs mit hoher Helligkeit sind die LED-Treiber-ICs von Linear Technology in der Lage, ausreichend Strom und Spannung für viele unterschiedliche LED-Konfigurationen zu liefern. Dies erfolgt in einer Wandlerkonfiguration, die sowohl den Eingangsspannungsbereich als auch die Anforderungen an die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom erfüllt. Deshalb besitzen die LED-Treiber-ICs für helle LEDs von Linear Technology auch typischerweise einen großen Eingangsspannungsbereich, einen großen Ausgangsspannungsbereich, einen hohen Wirkungsgrad der Wandlung, einen exakt geregelten LED-Stromabgleich und die Möglichkeit zum Betrieb mit konstanter Frequenz und geringem Rauschen sowie eine voneinander unabhängige Strom- und Dimmregelung, weite Dimmverhältnisse und ein kleines, kompaktes Format mit nur minimal erforderlichen externen Komponenten.
Mit dem LT3965 lässt sich eine in Reihe geschaltete Kette von LEDs betreiben. Linear Technology
Linear Technology bietet in diesem Bereich eine Vielzahl von Bausteinen, um die besonderen Designbedürfnisse beim Betreiben von LEDs zu befriedigen, wie sie üblicherweise auch bei Hauptscheinwerfern am Automobil vorzufinden sind. Der LT3965 beispielsweise, ein Konstantstrom/Konstantspannungswandler, verkraftet beziehungsweise generiert bis zu 80 V Ein- beziehungsweise Ausgangsspannung und erlaubt es, Hochstrom-LEDs zu betreiben. Der Baustein enthält einen internen Low-Side-N-Kanal-Leistungs-MOSFET, der für 84 V bei 3,3 A ausgelegt ist und den eine intern geregelte 7,15-V-Versorgung betreibt. Die Strommodus-Architektur mit fester Frequenz resultiert in einem stabilen Betrieb über einen weiten Bereich an Versorgungs- und Ausgangsspannungen. Ein auf Masse bezogener FB-Spannungs-Pin dient als Eingang für mehrere LED-Schutzfunktionen und ermöglicht es dem Wandler, als eine Konstantspannungsquelle zu arbeiten. Ein Pin zur Frequenzeinstellung erlaubt es dem Anwender, die Frequenz zwischen 100 kHz und 1 MHz zu programmieren, um Wirkungsgrad, Leistung oder auch die Ausmaße der externen Komponenten zu optimieren. Der LT3965 misst den Ausgangsstrom auf der Strom führenden Seite der LED-Kette, was man allgemein als High-Side-Strommessung bezeichnet und als die flexibelste Art zum Betreiben von LEDs gilt, da hiermit aufwärts-, abwärts- oder auf-/abwärts wandelnde Konfigurationen möglich sind.
Blick in die Zukunft
Trotz der heutigen geringen Einsatzrate von LED-Scheinwerfern dürften die Vorteile bezüglich ihrer Leistungseigenschaften zu verlockend sein für die Automobilhersteller, um noch länger darauf zu verzichten. Für die LEDs sprechen eine erhöhte Sicherheit für den Fahrer, Flexibilität im Design der Scheinwerfer, Energieeinsparungen und schlichtweg gutes Aussehen. Es ist bekannt, dass es das Aussehen eines Automobils ist, das den Kaufwunsch maßgeblich beeinflusst. Künftig wird man wohl zunehmend Matrixbeleuchtungen im Automobil begegnen und einen rasch ansteigenden Einsatz von LED-Scheinwerfern erkennen, wenn man in den Rückspiegel schaut.
(pet)
