Iseled– die LED wird digital

Keine Frage, dass die LED gerade dabei ist, die gesamte Beleuchtungstechnik zu revolutionieren. Durch den Wegfall des Glaskolbens bisheriger Glüh- oder Energiesparlampen sind bei diesem Licht auf Halbleiter-Basis praktisch beliebige Bauformen möglich, was nicht nur Designer und Architekten zu immer neuen Ideen für den „Leuchtkörper“ inspiriert. Ihr hoher Wirkungsgrad macht die LED zudem zum Licht mit der besten Energieeffizienz im Vergleich zu allen bisherigen Lampen. Doch damit nicht genug: So eine LED ist ja im Prinzip „nur“ eine Diode – also ein einfacher pn-Halbleiterübergang – die allerdings Licht emittiert. Während bei einer „normalen“ Diode meist Silizium als „indirekter“ Halbleiter zum Einsatz kommt, ist es bei der Leuchtdiode eine Galliumverbindung. Ohne im Detail auf die Physik einzugehen, entsteht bei diesen sogenannten „direkten“ Halbleitern beim Übergang des Elektrons vom Leitungs- in das Valenzband ein Photon, das als sichtbares Licht abgestrahlt wird. Je nach verwendetem Material und chemischer Zusammensetzung lässt sich der Abstand zwischen den beiden Bändern – die Bandlücke – und damit Frequenz und Wellenlänge des Lichts beeinflussen. So ist es möglich, LEDs in praktisch jeder Farbe des sichtbaren aber auch nicht mehr sichtbaren Spektrums (UV, Infrarot) leuchten zu lassen.

Die Kehrseite dieser buchstäblich durch Alchemie erreichten Farbenvielfalt der LED ist allerdings ein geradezu primadonnenhaftes Verhalten: je nach verwendeter chemischer Verbindung und Farbe ändert sich etwa die Durchflussspannung von rund 2 V bei roten auf bis zu 3,5 V bei blauen LEDs, ebenso die Helligkeit und das Alterungsverhalten. Fällt dies bei einer einzelnen Signal-LED kaum auf, wird es schon schwieriger, wenn drei einfarbige LEDs – meist rot grün und blau – in ein Gehäuse als sogenannte „RGB-LED“ verbaut und durch unterschiedliche Helligkeit der einzelnen LED beliebige Mischfarben erzeugt werden. Und sollen diese RGB-LEDs – in größerer Zahl auf Kupferstreifen montiert – dann auch noch die hohen Anforderungen im Fahrzeug hinsichtlich Farbtreue und Helligkeitsstabilität über Temperaturänderungen und Lebensdauer des Fahrzeugs hinweg erfüllen, wird es kompliziert.

Grenzen heutiger Konzepte

Um LEDs heute auf hohe Lichtkonformität zu trimmen, müssen die Hersteller einen hohen Aufwand treiben: die einzelnen LEDs werden bei der Produktion hinsichtlich Wellenlänge und Helligkeit vermessen und in Kategorien eingeteilt – das sogenannte „binning“ – und bekommen diese Informationen in Form eines Barcode, eine Art Steckbrief für jede einzelne LED, mit auf den Weg. Diese Kenndaten jeder eingesetzten LED werden dann in einem Systemcontroller abgelegt. Von hier werden die Daten an Untercontroller weitergegeben, an die wiederum Gruppen von üblicherweise vier RGB-LEDs angeschlossen sind. Aufgrund der Menge an Daten, die so zu übertragen sind, kommt hier üblicherweise ein schneller SPI-Bus mit bis zu 50 MHz Taktfrequenz zum Einsatz, was EMV-technisch nicht unproblematisch ist. Diese buchstäbliche „Materialschlacht“ – der enorme Aufwand an Komponenten, Verdrahtung, Stromversorgung, EMV-Maßnahmen und vieles mehr – und dann auch noch die finale Kalibrierung des LED-Streifens beim Zulieferer schlägt sich natürlich in den Kosten nieder.

Es liegt auf der Hand, dass mit diesem Konzept die Visionen der Fahrzeughersteller, schon ab 2021 bis zu 300 farbige (RGB) LEDs und mehr im Fahrzeug einzusetzen, nicht realisierbar sind. Dazu kommen weitere Einschränkungen: durch das „Schieberegister-Prinzip“ – die Daten werden von jedem Untercontroller empfangen, gelesen und dann weitergereicht – dauert der Datentransport zu den einzelnen LEDs umso länger, je mehr auf einem LED-Streifen aneinandergereiht werden. Anspruchsvolle Lichteffekte in Videogeschwindigkeit sind auf diese Weise erst gar nicht möglich. Dazu kommt, dass Licht im Auto bald nicht mehr nur eine Wohlfühl-Atmosphäre schaffen soll („Ambientenlicht“), sondern künftig auch funktionale Aufgaben übernehmen wird: etwa um dem gerade nicht auf die Straße oder das Display schauenden Fahrer eines selbstfahrenden Autos zu vermitteln, dass er wieder die Kontrolle übernehmen muss. Oder dem Fußgänger draußen zu signalisieren: “ja, ich habe Dich gesehen und registriert, dass Du die Straße überqueren willst“. Und dazu müssen die LEDs dann auch die Anforderungen an die funktionale Sicherheit erfüllen und diagnosefähig sein, was heutige LED-Systeme nur sehr bedingt leisten können.

Bild 2: Digitale LED: Alle Funktionen zur Steuerung und Diagnose der drei farbigen LEDs einschließlich der Kalibrierung und Regelung sämtlicher optischer Parameter sind in Form eines winzigen Controller-Chips direkt in die RGB-LED integriert. Die Ansteuerung erfolgt über ein sehr effizientes Protokoll, äußerst störsicher mit nur 2 MBit/s Übertragungsrate. Inova Semiconductor

Vor diesem Hintergrund dachte Inova Semiconductors zusammen mit BMW erstmals im Frühjahr 2015 über alternative Lösungen nach. Eine sehr fruchtbare Zusammenarbeit, aus einem ähnlichen Brainstorming im Sommer 2002 ging die Idee zu „APIX“ – dem „Automotive Pixel Link“ – hervor. Dieser hat sich zwischenzeitlich mit über 70 Millionen Knoten im Markt weit über BMW hinaus als ein De-facto-Standard etabliert. Erst vor wenigen Wochen hat Inova die dritte APIX-Generation – APIX3 jetzt mit 12 Gbit/s Bandbreite – präsentiert. Und es ist kein Geheimnis, dass in der „digitalen LED“ viele Gene von APIX stecken, insbesondere was das effektive Kommunikationsprotokoll betrifft.

Die Grundidee des neuen Konzepts besteht darin, dass alle Maßnahmen, die zur Sicherstellung stabiler Lichtparamater – Helligkeit und Farbstabilität – notwendig sind, nicht außerhalb und mit bekannt hohem Aufwand, sondern innerhalb der RGB-LED selbst durchgeführt werden. Und die LED damit buchstäblich zu „digitalisieren“, dass sie – wie andere digitale Komponenten auch – über ein „schlankes“ Protokoll, nur mit den Zielparametern für Farbe und Helligkeit, gesteuert werden kann.

Bild 3: Das Konzept von „ISELED“ (unten) im Vergleich zu bisherigen Konzepten (oben) zur Steuerung einer größeren Zahl von RGB-LEDs. Inova Semiconductor

Herzstück der neuen digitalen LED ist ein winziger Controller-Chip von Inova mit gerade einmal 1 mm² Fläche, der zusammen mit den drei farbigen LEDs – einer roten, grünen und blauen – von Dominant Opto Technologies aus Malaysia in ein kompaktes Gehäuse mit einer Größe von gerade einmal 3 × 4 × 0,6 mm³ integriert wird. Er verfügt nicht nur über die erforderlichen Treiberstufen zur Ansteuerung der LEDs, sondern auch über sämtliche Vorrichtungen, um beim Endtest des LED-Moduls bei Dominant alle drei Einzel-LEDs präzise auf die Referenzwerte für Farbe und Helligkeit kalibrieren zu können. Und ohne dass die LEDs dazu – wie bisher üblich – vorher gebinned und mit Barcode versehen sein müssen. Diese Kenndaten werden dann auf einem kleinen Speicher im Controller abgelegt und dann bei der Ansteuerung der LEDs als Korrekturwert herangezogen. Über einen ebenfalls integrierten und beim Chiptest kalibrierten Temperatursensor wird darüber hinaus auch noch die aktuelle Temperatur der LEDs ermittelt und zur Regelung ihrer Helligkeit herangezogen.

Da bei der Datenübertragung zwischen Systemcontroller und LED-Streifen so der ganze „Datenoverhead“ aller LED-Kenndaten wegfällt, hat das Kommunikationsprotokoll jetzt nur noch die Aufgaben, die eigentlichen Lichtsteuerbefehle zu übertragen: differenziell und sehr EMV-freundlich mit nur 2 MBit/s über ungeschirmte Zweidrahtleitung, die einfach in dem Fahrzeug-Kabelbaum mit eingeflochten wird.

Trotz der niedrigen Datenrate können theoretisch bis zu 4096 LEDs aneinandergereiht werden. Die Steuerbefehle liegen dabei praktisch quasi-simultan an jedem RGB-Modul an, das den Datenstrom um nur zwei Taktzyklen – rund 1 µs – verzögert an das nächste Modul in der Kette weiterreicht. Alle RGB-LEDs können damit in Videogeschwindigkeit angesteuert werden und so auch als einzelnes Pixel eines großen LED-Bildschirms oder -Displays mit 24 (3×8) bit Auflösung fungieren. Die Zahl von maximal 4096 LEDs je Zeile ist nicht zufällig auch die horizontale Auflösung des UHD-Formats (Ultra High Definition): Damit reichen die Einsatzmöglichkeiten dieses LED-Konzepts weit über das Fahrzeug hinaus, die Anfragen reichen heute bereits von der Illuminierung von Gebäudefassaden über Flugzeugkabinen bis hin zu Kreuzfahrtschiffen.

Hintergründe zur ISELED Allianz

Bild 4: Das ISELED-Demo-Kit: Ein Leuchtstreifen mit den „digitalen“ RGB-LEDs von Dominant Opto und dem Evalboard mit dem S32K-Controller von NXP mit SW-Treiber, Kabelsatz und Steckern (von TE) für einfaches „plug-n-play“ Inova Semiconductor

Inova wollte mit „ISELED“ aber nicht nur ein innovatives LED-Konzept auf den Markt bringen: Ziel der im Herbst 2016 ins Leben gerufenen „ISELED Allianz“ mit den Gründungsmitgliedern Dominant Opto Technologies (LED-Hersteller), NXP (System-Controller), TE Connectivity (Konnektivität) und der Hochschule Pforzheim (optische Messtechnik) war es, den Kunden von Beginn an eine komplette Systemlösung anzubieten mit nicht nur aufeinander abgestimmten Hardware-Komponenten sondern auch der passenden Software dazu. Die besteht nicht nur aus dem passenden Treiber für den NXP-Controller, mittlerweile gibt es für ISELED auch erste Anwendersoftware von Lucie Labs, einem französischen IoT-Startup und Allianz-Mitglied seit März. Damit lassen sich eigene Lichtszenarien entwickeln und dann ganz einfach übers Smartphone steuern. Seit wenigen Wochen ist auch der französische Automotive-Zulieferer Valeo mit an Bord, der, mit einem starken Fokus auf das LED-Licht im Fahrzeug, wichtige Aspekte aus Anwendersicht in die Allianz mit einbringt.

Seit wenigen Wochen werden die ersten Alpha-Kunden mit ISELED Demo-Kits beliefert (Bild 4). Auf der neuen Messe „lighting technology“ vom 10. bis 12.10. in Essen wird Inova zusammen mit den Allianz-Partnern ISELED nicht nur vorstellen, sondern in einem eigenen Workshop auch „in voller Aktion“ zeigen.

(ah)