Eck-Daten

Bei der Entwicklung von LED-Frontscheinwerfern ist eine Reihe von Herausforderungen zu bewältigen. ON Semiconductor bietet mit dem Referenzdesign eine Plug-and-play-Lösung, die das Plattformkonzept nutzt und den Übergang von der Glühlampen- zur LED-Technologie vereinfacht.

Im Jahr 2014 waren nur etwa 4 % der Frontleuchten an Fahrzeugen mit LEDs (Solid State Lighting) ausgestattet. Dieser Wert stieg im Jahr 2015 auf 7 %, bis zum Jahr 2017 soll dieser Wert auf 15 % und bis Ende dieses Jahrzehnts sogar auf 21 % ansteigen. Das überrascht nicht, denn die LED-Technik ermöglicht es Fahrzeugentwicklern, überlegene Funktionalität zu integrieren, die HID-Lampen nicht liefern können, beispielsweise das Dimmen oder Deaktivieren bestimmter LED-Stränge oder einzelner LEDs. Damit lässt sich der Lichtstrahl beliebig verändern, um die Straße in Kurven oder beim Befahren von Hügeln besser auszuleuchten. LED-Leuchten sind zudem wesentlich zuverlässiger als HID-Lampen und bieten durchschnittlich eine 20-mal längere Lebensdauer. Die höhere Energieeffizienz der LEDs bietet im Vergleich zu HIDs einen weiteren wichtigen Vorteil, da Fahrzeughersteller erhebliche Verbesserungen beim Kraftstoffverbrauch erzielen können.

Auch das Fahrzeugdesign und die Ästhetik lassen sich verbessern, weil sich LED-Lampen in kleinere Formfaktoren verbauen lassen und trotzdem die gleiche oder sogar eine bessere Lichtleistung als Standard-HIDs bieten. Dies ist mit ein Grund, warum davon auszugehen ist, dass man in Zukunft auch kleinere Wagen mit LED-Lampen ausstattet. Mehr Kompaktheit kommt außerdem den zunehmend eingeschränkten Platzverhältnissen in modernen Fahrzeugen entgegen. Auf keinen Fall darf man ignorieren, dass LED-Technik den Fahrzeughersteller als innovativ ausweist, was potenzielle Autokäufer sehr schätzen. All dies gewinnt immer mehr an Bedeutung, da die steigende Nachfrage nach LEDs zu größeren Skaleneffekten und geringeren Stückkosten führt. Steigende Nachfrage führt zu einer dynamischen Entwicklung ähnlich dem Moore’schen Gesetz: Die Preise für LEDs sinken und weitere Gelegenheiten eröffnen sich, diese Technik in Fahrzeuge zu integrieren.

Das Referenzdesign NCV78763 nutzt zur Entwicklung von LED-Frontbeleuchtungen das Plattformkonzept.

Das Referenzdesign NCV78763 nutzt zur Entwicklung von LED-Frontbeleuchtungen das Plattformkonzept. ON Semiconductor

LEDs in Fahrzeug-Frontleuchten

Untersuchungen haben ergeben, dass derzeit drei wesentliche Elemente zur Wiedererkennbarkeit eines Automodells beitragen: die äußere Form, der Kühlergrill und die Frontleuchten. Fahrzeug-Frontleuchten beschränken sich dabei nicht nur auf das Fern- und Abblendlicht. Der Begriff deckt viel mehr ab, auch die Blinker, Nebelscheinwerfer und das Tagfahrlicht.

Der Übergang auf LED-Technik findet bei allen Fahrzeugherstellern weltweit statt. In Fernost zeichnet sich jedoch das größte Potenzial ab und in aufstrebenden Wirtschaftsnationen wie China geht der Übergang auf LED-Beleuchtung wesentlich schneller vonstatten. Hier lässt sich auf überzeugende Art und Weise eine Differenzierung in einem sich schnell entwickelnden und äußerst wettbewerbsträchtigen Markt herbeiführen. Durch die hohe Nachfrage nach dieser Technik steht aber auch viel auf dem Spiel, denn Hersteller, die nicht schnell genug reagieren, verlieren Marktanteile.

Automobilfirmen wollen nicht nur LED-Frontleuchten in kommende Modelle verbauen, sie beginnen auch mit der Nachrüstung aktueller Modelle. In der Regel beträgt der Lebenszyklus eines Fahrzeugmodells heute etwa fünf bis sieben Jahre. Ebenfalls üblich ist, dass man nach etwa drei bis vier Jahren ein bestimmtes Modell einem Facelift unterzieht, um das Marktinteresse und die Umsätze zu steigern. Die Umgestaltung eines älteren Modells durch Hinzufügen von LED-Beleuchtung verlängert eindeutig dessen Modelllaufzeit.

Herausforderungen für Entwickler

Bei der Integration von Frontleuchten müssen Entwickler verschiedene Herausforderungen bewältigen. Zum einen ist ein maximaler Wirkungsgrad durch Umsetzung auf Bauteil- und Systemebene zu erzielen, wobei für gewöhnlich ein Wert über 90 % erwartet wird. Daneben ist die Betriebsflexibilität entscheidend für Hardware-, Firmware- und Optikentwickler. Unterschiedliche Parameter sollten veränderbar sein und verschiedene Steuerungs- und Diagnosefunktionen sollte man bei Bedarf hinzufügen können. So wird eine größere Differenzierung beim Leuchtendesign möglich, damit sich Fahrzeuge vom Wettbewerb abheben können.

Mit dem Referenzdesign steht Entwicklern eine Plug-and-play-Lösung für den Übergang zur LED-Technik zur Verfügung.

Mit dem Referenzdesign steht Entwicklern eine Plug-and-play-Lösung für den Übergang zur LED-Technik zur Verfügung. ON Semiconductor

Durch begrenztes Personal und den Zeitdruck bei der Produkteinführung müssen Entwicklungsteams Ressourcen optimieren und sind daher nicht begeistert, wenn für jedes Fahrzeugmodell ein neues Design erforderlich ist. Hier ist ein Plattform-Ansatz von Vorteil, indem das grundlegende Design, das beispielsweise für Kleinwagen verwendet wird, als Basis dient. Darauf aufbauend lassen sich zusätzliche LED-Stränge und komplexere Funktionen für Fahrzeuge der Oberklasse implementieren. Durch die Nutzung der gleichen Hardware über das gesamte Produktportfolio eines Fahrzeugherstellers hinweg ergeben sich erhebliche Kosteneinsparungen und die Entwicklungszyklen verkürzen sich. Falls Entwickler auch noch alle Vorteile der LED-Technik nutzen wollen, müssen sie die Auswirkungen elektromagnetischer Störungen (EMI) auf die Leistungsfähigkeit des Beleuchtungssystems mindern.

Um Risiken zu minimieren, müssen Entwickler gewährleisten, dass die entstehenden Kosten nicht die Vorteile der LED-Technik zunichtemachen. Dies bezieht sich auf den zeitlichen als auch finanziellen Aufwand, denn jedes Designprojekt birgt ein gewisses Risiko. Wenn ein Entwicklungsfehler unentdeckt bleibt, entstehen sofort neue Kosten für das Re-Design, die mit zu berücksichtigen sind. Selbst wenn dies sehr früh in der Entwicklungsphase erfolgt, kann es sich auf das Geschäft des Herstellers auswirken, da die Gelegenheit zum frühen Markteintritt verloren geht oder das Marktfenster verpasst wird. Noch schlimmer ist es, wenn man den Fehler erst viel später entdeckt. Der Hersteller muss dann die Kosten eines Rückrufs mit einbeziehen und einen möglichen Imageverlust hinnehmen.

Übergang von Glühlampen zu LEDs

Der Bedarf an LED-Technik ist zweifellos vorhanden, um die spezifischen Anforderungen von Fahrzeugleuchten zu erfüllen und glühlampenbasierende Systeme zu ersetzen. Der Grad an Funktionalität, der für Fahrzeuge der Oberklasse erforderlich ist, lässt sich damit zum grundlegenden Design der Klein- und Mittelklassewagen des Herstellers hinzufügen, wobei die Hardware die Implementierung mehrerer Konfigurationen mittels Firmware-Anpassungen unterstützen muss.

Die logarithmische Stromsteuerungsrampe schafft eine lineare Wahrnehmung über das menschliche Auge.

Die logarithmische Stromsteuerungsrampe schafft eine lineare Wahrnehmung über das menschliche Auge. ON Semiconductor

ON Semiconductor bietet Automotive-Entwicklern beim Umrüsten herkömmlicher Frontleuchten auf LED-Technik sein Glühlampenersatz-Referenzdesign NCV78763 LDM A. Das Design eignet sich für alle Arten von Frontlichtfunktionen, einschließlich Tagfahrlicht, Positionslichter und Blinker. Es bedient sich eines kompakten Evaluierungsmoduls, womit Entwickler praktisch eine fertige Plug-and-play-Lösung erhalten.

Das Referenzdesign nutzt zur Entwicklung von Beleuchtungssystemen das Plattformkonzept, sodass für neue Designs weniger Zeitaufwand und Entwicklungsressourcen erforderlich sind, die Beschaffung vereinfacht wird und das Fehlerrisiko sinkt. Das Design ist kompatibel zu einer Vielzahl von LED-Strang-Konfigurationen und die SPI-Programmierbarkeit (Serial Interface Protocol) sorgt für hohe Flexibilität. Damit ist eine Skalierung von Designs möglich, die mehr LED-Stränge benötigen, und auch verschiedene Topologien von LED-Strängen sind realisierbar. Es sind keine umfangreichen Programmierkenntnisse zur Anpassung der Hardware an die jeweilige Beleuchtungskonfiguration erforderlich.

Das NCV78763 ist immun gegen EMI und minimiert den Aufwand für externe Filter.

Das NCV78763 ist immun gegen EMI und minimiert den Aufwand für externe Filter. ON Semiconductor

Die Ansteuerung der LED-Stränge erfolgt über fortschrittliche Dimmertechnik, einschließlich logarithmischer, analoger und digitaler Modulationsrampen, die eng an die Empfindlichkeit des menschlichen Auges angepasst sind. Damit ergibt sich bei kleinsten Änderungen eine genauere Lichtwahrnehmung. Zur Fehlerdiagnose zählen das Erkennen von Lastunterbrechungen offener Lasten sowie Schutz gegen Kurzschluss und Überhitzung. Die Fehlerursache lässt sich somit leichter feststellen und Probleme lassen sich schneller beheben. Das Referenzdesign ist außerdem von Grund auf immun gegen EMI und minimiert somit den Aufwand für externe Filter.

Fazit

Die Automobilbranche wendet sich zunehmend der LED-Technik zu, da die kommerziellen und logistischen Vorteile dieser Technik immer attraktiver werden. Durch ihren höheren Wirkungsgrad, die längere Lebensdauer, den geringeren Platzbedarf und die höhere Einsatzflexibilität werden LEDs immer interessanter. Ein vielseitiges, benutzerfreundliches Fahrzeug-Beleuchtungssystem, das mit einer geringen Anzahl an Bauteilen herkömmliche glühlampenbasierende Systeme ersetzt, bietet Fahrzeugherstellern eine bewährte und risikofreie Möglichkeit, den Übergang auf LED-basierende Frontleuchten reibungslos vonstattengehen zu lassen.