Vor allem die Kfz-Innenraumdesigner treiben den Fortschritt bei LED-Innenraumbeleuchtungen in Fahrzeugen voran, denn schließlich wollen sie einen Mehrwert bieten und ihre Fahrzeuge für den Kunden interessanter machen. Gleichzeitig möchten sie damit das Fahrerlebnis und die Markentreue steigern. Während die Elektronik noch vor Mechanik, Pneumatik und Hydraulik weiterhin das am schnellsten wachsende Segment im Automotive-Bereich ist, nimmt die Zahl der LED-Anwendungen in Fahrzeugen stetig zu: von der Hintergrundbeleuchtung für Instrumenten-Cluster und Lampen für Getränkehalter über Kartenleseleuchten bis hin zu stimmungsvollen Beleuchtungen im Fußraum und in Türverkleidungen.

Leuchtendes Unterscheidungsmerkmal

LED-Innenraumbeleuchtung – sowohl weiß als auch farbig (RGB) – dient als Unterscheidungsmerkmal für Fahrzeughersteller. Forschungen haben ergeben, dass diese Art der Beleuchtung sogar die visuelle Wahrnehmung des Fahrers verbessert.
Um alle Applikationsanforderungen zu erfüllen und kostengünstige Designs mit kurzer Markteinführungsdauer anzubieten, ist es entscheidend, die richtige Embedded-Lösung zu wählen. In diesem Beitrag geht es nicht nur um die Abwägungen bei den verschiedenen Ansteuerungsmöglichkeiten von LED-Innenraumbeleuchtungen, sondern auch um den Einsatz von Steuerungsalgorithmen für effizientes Binning und Dimmen sowie für die Temperaturkompensation zum Erhalt der LED-Farbe. Zusätzlich kommt die Entwicklung fahrerbezogener Beleuchtungsszenarien durch Ändern der Farbe und Helligkeit von LED-Anordnungen zur Sprache. Bei steigendem Bedarf an vernetzten Beleuchtungsmodulen kann die LIN-Kommunikation für geringe Entwicklungskosten und kurze Entwicklungszeiten bei LED-Beleuchtungen für den Innenraum sorgen. Da LEDs weniger Strom verbrauchen und weniger Platz einnehmen als herkömmliche Lösungen, erhöht sich auch die Kraftstoff-Effizienz, während die kleinere Bauweise die Kreativität der Designer erhöht, LED-Leuchten zur Aufwertung des Fahrzeug-Innenraums zu verwenden. LED-Innenraumbeleuchtungen bieten Fahrzeugherstellern somit die Möglichkeit, den Komfort und die Atmosphäre für Fahrer und Beifahrer zu verbessern.

Bild 1: Lösungsan­sätze für drei und  vier PWM-Kanäle.

Bild 1: Lösungsan­sätze für drei und vier PWM-Kanäle.Microchip

Situationsabhängige Beleuchtung

LED-Innenraumbeleuchtung ist weit mehr als nur ein Gimmick. Untersuchungen in dieser Hinsicht wurden bisher weitgehend ignoriert, weil der Schwerpunkt auf der Außenbeleuchtung lag. Dies ändert sich nun. Mit der raschen LED-Weiterentwicklung in den letzten Jahren sind die OEMs nun in der Lage, nicht nur farbige Innenraumbeleuchtungen anzubieten, sondern auch vom Fahrer einstellbare Beleuchtungsszenarien zu ermöglichen. Fahrer können dann die Beleuchtung je nach Stimmung oder Geschmack individuell einstellen. Somit ergibt sich ein wesentlich größeres Nutzungspotenzial für die Innenraumbeleuchtung.
In zukünftigen Fahrzeugen wird die Innenraumbeleuchtung Teil eines fortschrittlichen Fahrer-Informationssystems. Die revolutionäre Idee besteht darin, die Innenraumbeleuchtung der jeweiligen Fahrsituation anzupassen. Die Farbe des Innenraumlichts kann beispielsweise bei Stadtfahrten anders sein als bei Fahrten auf Landstraßen oder Autobahnen. Rotes Innenraumlicht kann die Aufmerksamkeit des Fahrers in der Stadt erhöhen, während gelbes Licht im Innenraum zum entspannten Fahren auf der Autobahn dient. Die Innenraumbeleuchtung könnte sogar den Fahrer vor einem drohenden Unfall warnen. Eine flimmerfreie Innenraumbeleuchtung ist für viele Fahrzeughersteller ein hochwertiges Ausstattungsmerkmal, um ihr Produkt in einem immer stärker umkämpften Markt zu etablieren.

Ansteuerung der LEDs

LEDs benötigen einen konstanten Strom. Die meisten LEDs erzielen bei einem bestimmten Stromwert die maximale Helligkeit, ohne vorzeitig zu versagen. Dabei ist die Lichtausbeute einer LED proportional zu dem Strom, der sie durchfließt. Es gibt zwei Techniken, die Helligkeit einer LED zu regeln: Die eine besteht darin, den LED-Treiberstrom über einen variablen Widerstand oder eine Stromversorgung mit variabler Spannung zu verändern. Die andere Technik nutzt die Pulsbreitenmodulation (PWM) oder eine frequenzvariable PWM mit festem Tastverhältnis.

Bild 2: LIN-Transceiver mit und ohne Auto- Adressierung.

Bild 2: LIN-Transceiver mit und ohne Auto- Adressierung.Microchip

Das erste Verfahren hat zwei wesentliche Nachteile: Verringert sich der Strom, dann sinkt auch die Helligkeit der LED. In weißen Hochleistungs-LEDs kann dabei auch eine Farbveränderung auftreten. Die PWM-Dimmtechnik steuert die LED stets mit dem vollen Strom an, so dass Probleme wie geringerer Wirkungsgrad oder Farbänderungen gar nicht erst auftreten. Um verschiedene Farbkombinationen zu erzielen, müssen die Tastverhältnisse der PWM-Ausgänge über der Zeit verändert werden.

Techniken zur Farbsteuerung

Embedded-Mikrocontroller ermöglichen die Messung der Farbkomponenten einer Lichtquelle und deren Steuerung. Aktive Farbsteuerung kann bestimmte Lichtfarben oder eine Farbmischung erzeugen. So lassen sich mehrere Farbkomponenten mischen, um eine bestimme Qualität von weißem Licht zu erzielen. Mit den drei Einzelfarbwerten Rot (R), Grün (G) und Blau (B) sowie einem zusätzlichen Wert für die Helligkeit wird die gewünschte Farbe erreicht – entweder mit drei PWM-Kanälen oder einfacher und effizienter mit drei PWM-Kanälen (je ein Kanal pro Farbe) und einem vierten PWM-Kanal für die Helligkeit. Der letztgenannte Ansatz findet sich bei neuen Fahrzeugen von Ford, die nun eine stimmungsvolle Innenraumbeleuchtung bieten.
Der Ansatz, der drei Kanäle für eine integrierte Farb- und Helligkeitsregelung verwendet, erfordert eine Auflösung von 14 bis 16 Bit und einen relativ leistungsfähigen Mikrocontroller. Die gleiche Qualität lässt sich mit vier Kanälen erzielen, von denen jeder Kanal 10 Bit Auflösung bietet, was in kostengünstigen 8-Bit-MCUs der Fall ist. Dabei erfolgt die Farb-Helligkeits-Multiplikation in einem externen Schaltkreis. Die logarithmische Abstufung, die zur Helligkeitssteuerung erforderlich ist, lässt sich ebenfalls ausreichend präzise mit einer solchen Low-Cost-8-Bit-MCU realisieren – und zwar mit der Annäherung über eine Potenzfunktion. (Bild 1).
Die LED-Temperatur ist einer der Faktoren, die einen erheblichen Einfluss auf die LED-Farbe haben. Die Temperatur muss somit kompensiert werden. Eine einfache, effiziente und kostengünstige Methode zur Temperaturkompensation bietet der integrierte Komparator einer MCU in Kombination mit einem NTC-Thermistor (negativer Temperaturkoeffizient), der sich in der Nähe der LEDs befindet. Eine andere Möglichkeit zur Regelung der LED-Temperatur erfolgt mittels Messung des Durchlassspannungsabfalls; die Auflösung des in die MCU integrierten 10-Bit-A/D-Wandlers reicht dazu aus. Diese Messung hat ihre Vorteile, da sich damit externe Bauelemente erübrigen.

Beleuchtungsnetzwerke

Farbkorrektur, Temperaturkompensation, Farbänderung, Farbmischung, Helligkeitsregelung und der Wunsch der Fahrzeughersteller, verschiedene Beleuchtungsszenarien zu ermöglichen, erfordern den Einsatz einer MCU mit nichtflüchtigem Speicher. Hier bieten sich zum Beispiele die PIC-MCUs von Microchip an. Hinzu kommt, dass diese RGB-Beleuchtungs-Netzwerkknoten im Fahrzeug miteinander vernetzt werden müssen und zwar diagnosefähig und mit einem geeigneten kostengünstigen Kommunikationsprotokoll. Die ersten Generationen von Innenraumbeleuchtungen waren zwar noch einzeln verdrahtet, aber neueste Entwicklungen nutzen den bekannten und kostengünstigen Kommunikationsbus LIN/J2602. Die LIN-Übertragungsgeschwindigkeit von 19,2 KBaud reicht aus, um Farbänderungen und Beleuchtungsszenarien ohne wahrnehmbare Effekte für Fahrer und Beifahrer durchzuführen.
Seit neustem kommt zu diesem Zweck bei einigen Fahrzeugherstellern eine LIN-Kommunikation mit automatischer Adressierung zum Einsatz. Es gibt verschiedene Auto-Adressierungsmethoden mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen (Bild 2). Allen gemeinsam ist, dass sie im Vergleich zur Standard-LIN-Kommunikation die Halbleiterkosten erhöhen. Diese zusätzlichen Kosten führen jedoch zu geringeren Logistikkosten bei den Fahrzeugherstellern und Tier-1-Zulieferern.

Bild 3: Das Ambient-Lighting-Board PIC16F1829LIN RGB von Microchip arbeitet mit 10 mm x 20 mm großen Modulen. Hier ist die Vorderseite zu sehen.

Bild 3: Das Ambient-Lighting-Board PIC16F1829LIN RGB von Microchip arbeitet mit 10 mm x 20 mm großen Modulen. Hier ist die Vorderseite zu sehen.Microchip

Beengte Platzverhältnisse berücksichtigen

Innenraumbeleuchtungen in Fahrzeugen müssen mit einem beschränkten Platzangebot auskommen. Beleuchtungsknoten sind in Schalter, Getränkehalter, Türgriffe, Armaturenbretter, Sitze, Leseleuchten, Fußräume und Fahrzeugdachkonsolen integriert. Der für die Elektronik zur Verfügung stehende Platz ist meist nicht größer als 10 mm x 20 mm oder weniger, so dass kleine Gehäuse wie SSOP, QFN und DFN zum Einsatz kommen müssen. Die Umgebungstemperatur und die Eigenerwärmung erfordert in solchen Umgebungen ein sorgfältiges Wärmemanagement und damit Halbleiterbausteine mit geringer Verlustleistung sowie einem erweiterten Betriebstemperaturbereich von -40 bis +125 °C. Die Knoten sind meist mit dem Versorgungsanschluss 30 verbunden und benötigen daher einen sehr niedrigen Standby-Strom, der in der Regel deutlich unter 100 µA liegt.

Referenzdesign

Microchips Referenzdesign „Automotive Ambient Interior Lighting Module“ ermöglicht eine MCU-basierte Steuerung von RGB-LEDs. Das Modul lässt sich aus der Ferne über einen Master-Body-Controller und über den LIN-Bus steuern. Die 10 mm x 20 mm großen Module bestehen aus einer PIC16F1829LIN-Lösung inklusive LIN-Transceiver, Spannungsregler, 8-Bit-PIC-MCU und RGB-LED. LIN-Befehle setzt das Modul so um, dass sich damit die Farbmischung (16.383 Farben) und Farbintensität (1023 Stufen) regeln lassen. Microchip liefert das Kit mit vier Modulen aus, um Beleuchtungszonen in einem LIN- oder J2602-Netzwerk festzulegen. Die Module können auch zusammen mit Microchips LIN-Serial-Analyzer (APGDT001) zum Einsatz kommen, um ein sofort funktionierendes LIN-RGB-Netzwerk fertigzustellen.

Bild 4: Die Rückseite des Ambient-Lighting-Boards.

Bild 4: Die Rückseite des Ambient-Lighting-Boards.Microchip

Fazit

Eine MCU-basierte Lösung bietet die Flexibilität und Integration, die für zukünftige RGB-LIN-basierte Innenraumbeleuchtungen in Fahrzeugen erforderlich ist. Durchdachte Systemarchitekturen ermöglichen den Einsatz kostengünstiger 8-Bit-MCUs ohne Leistungseinbußen. Fahrzeuge lassen sich so mit einer farbigen Innenraumbeleuchtung auch für den Massenmarkt fertigen, und die Hersteller können den Mehrwert ihrer Fahrzeuge als auch den Fahrkomfort und die Sicherheit erhöhen. Funktionen wie Näherungssensorik und kapazitive Berührungsschalter sind zusätzliche Merkmale, die sich einfach und fast ohne zusätzliche Kosten mittels PIC-MCUs integrieren lassen und somit den Wert des Systems weiter erhöhen.

Auf einen Blick

Interior Lighting mit LEDs

In diesem Beitrag geht es nicht nur um die Abwägungen bei den verschiedenen Ansteuerungsmöglichkeiten von LED-Innenraumbeleuchtungen, sondern auch um den Einsatz von Steuerungsalgorithmen für effizientes Binning und Dimmen sowie für die Temperaturkompensation zum Erhalt der LED-Farbe. Zusätzlich kommt die Entwicklung fahrerbezogener Beleuchtungsszenarien durch Ändern der Farbe und Helligkeit von LED-Anordnungen zur Sprache.