Die Ambiente-Beleuchtung wird immer mehr zu einer zentralen Design-Komponente im Fahrzeuginnenraum. Bei den neuesten Fahrzeugmodellen, besonders aber auch im Hinblick auf die Entwicklung des autonomen Fahrens für zukünftige Fahrzeuge, erhält der Innenraum eine noch größere Bedeutung. Schon heute ist die Beleuchtung bei einigen Fahrzeugenmodellen individuell steuer- und einstellbar. Je nach Geschmack oder Gemütslage können Fahrgäste die Farben der Innenbeleuchtung anpassen – ob belebende Blau- oder Grüntöne, beruhigendes Gelb-Orange oder dynamisches Rot.

Dynamische Innenraumbeleuchtung

Innenraumbeleuchtungen mit LEDs können das Stimmung der Insassen beeinflussen,belebende Blau- oder Grüntöne, beruhigendes Gelb-Orange oder dynamisches Rot. Osram

Auf diese Weise lassen sich neben den persönlichen Präferenzen der Nutzer auch emotionale Aspekte als Markenbotschaften der Fahrzeughersteller transportieren. Gleichzeitig lassen sich spezielle Details im Interior-Design punktuell hervorheben, aber auch die Beleuchtung selbst kann der Hingucker sein, da sich kompakte LEDs als Lichtquellen heute kaum sichtbar in Textilien oder Kunststoffen verarbeiten lassen und dann erst im eingeschalteten Zustand sichtbar werden. Entwicklungsfortschritte bei den Lichtquellen, meist RGB-LEDs, sowie deren intelligentes Zusammenspiel mit speziellen Sensoren, machen Anwendungen wie diese möglich.

Herausforderungen für LEDs bei Farbgenauigkeit und -kalibrierung

Eckdaten

Sowohl bei Autofahrern als auch Autobauern erhält der Innenraum eine größere Bedeutung. Neben dynamischer Beleuchtung ermöglichen LEDs auch neue Design-Möglichkeiten und sie können die Aufmerksamkeit des Fahrers auf bestimmte Punkte lenken. Um diesen Funktionen gerecht zu werden, verbessen LED-Hersteller ihre Produkte ständig. Verbesserte Farbstabilität, Miniaturisierung, integrierte Treiber sind nur ein Teil der Möglichkeiten, die LEDs heute bieten.

Der in einem System verfügbare Farbbereich wird Color Gamut genannt. Vor allem im Bereich der RGB-LEDs konnten Experten in den vergangenen Jahren erhebliche Fortschritte beim Kalibrieren und Definieren dieser Farbskala erzielen. Eine enge Farbverteilung innerhalb heutiger RGB-LEDs ermöglicht die Verbesserung des Farbumfangs. Die Anzahl der ausgewählten Farbgruppen und Farbbins beeinflusst die Größe der gemeinsamen Farbskala, die mit dieser LED-Selektion erreichbar ist – und somit auch die Zahl der Farb-Möglichkeiten für die OEMs. Durch die enge Farbverteilung und das entsprechende Binning können LED-Hersteller auch sicherstellen, dass Produkte die gewünschten Farbzielpunkte erreichen, insbesondere diejenigen, die vom Endkunden festgelegt wurden.

Single-Bin versus Kalibrierung

Farbpunkt und Verteilung für eine einzelnes Farb- und Helligkeits-Binning

Bild 1: Farbpunkt und Verteilung für eine einzelnes Farb- und Helligkeits-Binning jedoch ohne Kalibrierung und Temperaturkontrolle. Osram

Das Ziel für RGB-Ambientebeleuchtung ist es, eine Farbstabilität innerhalb eines definierten Bereichs zu erreichen und den Farbumfang mit einer Genauigkeit von typischerweise ±0,01 (u´v´) unter allen Betriebsbedingungen sicherzustellen. Dies umfasst den gesamten Temperaturbereich und die Lebensdauer der LED in der Anwendung. Die Farbpunktvariation für einen einzelnen Farb- und Helligkeits-Bin ist in der Bild 1 dargestellt.

Zum Vergleich zeigt Bild 2, dass RGB-LEDs unter Berücksichtigung von Temperaturkompensation kalibriert und korrigiert werden müssen. Das gilt auch für eine einzelne Farbe oder das Binning der Helligkeit. Mit Hilfe der Kalibrierung lassen sich die Zielpunkte genau einhalten. Sie ermöglicht auch die Verwendung mehrerer Intensitäts- und Farbbinnings ohne die Farbgenauigkeit zu beeinträchtigen. Bedingung dafür ist lediglich, dass die gewünschten Ziele innerhalb der entsprechenden Farbskala liegen.

Die LED Topled E1608 von Osram ist beispielsweise mit einer Größe von 1,6 mm × 0.8 mm × 0.6 mm, einem Abstrahlwinkel von 120° und einem für die Oberflächenmontage geeigneten Gehäuse (SMT), nach Angabe des Unternehmens eine der kleinsten LED-Komponenten in diesem Bereich, die zudem die strengen Automobilstandards erfüllt. Sie eignet sich für eine Vielzahl von Einsatzbereichen, was unter anderem ihrer großen Bandbreite an Optionen für Farben und Helligkeitsstufen geschuldet ist.

Immer mehr Anwendungen auf engem Raum

Kalibriertes Modul mit Temperaturkompensation

Bild 2: Kalibriertes Modul mit Temperaturkompensation unter Verwendung folgender Bins einer Multiled von Osram. Osram

Das Thema Farbqualität ist aber natürlich nicht der einzige Bereich, in dem in letzter Zeit die Entwicklung enorme Fortschritte verzeichnen konnte. Zukünftig wird Licht im Innenraum auch neue Funktionen übernehmen. Durch eine Farbänderung oder dynamische Lichtführung lässt sich beispielsweise die Aufmerksamkeit des Fahrers zurück auf den Verkehr lenken. Solche Aufgaben gewinnen ganz besonders im Zusammenhang mit semiautonomen Fahrkonzepten an Relevanz. Dynamische Lichtanwendungen benötigen allerdings zusätzlich eine passende Steuerungselektronik.

Da also nicht nur die Zahl von Beleuchtungslösungen zunimmt, sondern darüber hinaus auch zusätzliche Komponenten gefragt sind, stehen Entwickler vor besonderen Herausforderungen im Hinblick auf das Produkt- und Systemdesign. Ein offensichtlicher Punkt ist der Platzbedarf bei einem gleichzeitig sehr eingeschränkten Raumangebot. Um mehr Elemente auf gleicher Fläche unterzubringen, ist eine Miniaturisierung der Komponenten unabdingbar – und dies möglichst ohne Verlust an Leistung und Energieeffizienz. Mit der jüngsten Generation der Topled E1608 zahlt Osram Opto Semiconductors auf diesen Trend ein. Das Gehäuse der LED ist im Vergleich zu den Vorgängermodellen um den Faktor 20 kleiner.

Dazu setzte Osram die neuesten Chiptechnologien wie Thin-GaN, Dünnfilm und Sapphire ein. In Kombination mit Konvertern kann die Low-Power-LED trotz der enormen Miniaturisierung hohe Leistungswerte sicherstellen. Bei einem normalen Betriebsstrom von 20 mA ist die neueste Generation der LED um bis zu 3,6 Mal heller als die Vorgängermodelle. Die Konversions-Pure-Green-Variante beispielsweise liegt bei 10 mA mit einem Wert von 780 mcd und ist damit dreimal heller als klassische Topled bei gleicher Stromstärke.

Für ein robustes Gehäuse sorgt die Premold-Technologie. Die Bezeichnung E1608 weist auf die kompakten Package-Abmessungen von 1,6 mm × 0,8 mm × 0,6 mm hin. Damit ermöglicht die Topled vor allem bei Anwendungen im Autoinnenraum mehr Vielfalt und Design-Flexibilität.

Eine weitere Herausforderung, die die Entwickler im Zuge der Miniaturisierung zu meistern hatten, war die Reproduktion kleinster Leuchtstoffmengen sowie deren Dosierung in ein Gehäuse mit einer Öffnung von gerade einmal 0,5 Millimeter. Hinzu kommt, dass sich Materialkombinationen in diesem mikroskopischen Bereich teilweise ganz anders verhalten als im makroskopischen Maßstab.

Die „Identität“ der einzelnen LEDs

Osire E4633i von Osram

Bild 3: Neben drei Farbchips ist auch ein Treiber-IC in die Osire E4633i von Osram integriert. Osram

Bei einem neuen Produkt der Osire Familie von Osram wird jede LED mit einer eigenen ID versehen, die als DMC (Dot Matrix Code) auf die LED gedruckt wird. Der Vorteil dieser LED besteht darin, dass Entwickler und Designer die End-of-Line-Kalibrierung zur Kompensation von temperatur- und altersbedingten Effekten sowie von Farb- und Helligkeitsunterschieden einfacher realisieren können. Die Hersteller der finalen Beleuchtungslösungen können dabei unkompliziert auf die erforderlichen Messwerte für jede einzelne Komponente zurückgreifen. Mit Hilfe der jeweiligen DMC-ID können sie die jeweiligen elektro-optischen Testdaten für jede einzelne LED auslesen. Die Messdaten sind für zwei verschiedene Ströme – 10mA und 50 mA – hinterlegt. Dies ermöglicht eine wesentlich höhere Genauigkeit bei der Anpassung der Helligkeit über verschiedene Ströme für helle und dunkle Anwendungsfelder. Die besagten Messdaten umfassen neben der Beleuchtungsintensität und der Vorwärtsspannung auch die Farbkoordinaten.

Die Nutzung des DMC vereinfacht darüber hinaus die Kontrolle der emittierten Farbe der LED. In den meisten Fällen lassen sich etwaige Farbabweichungen bei RGB LEDs auf minimale Abweichungen in puncto Intensität und Wellenlänge innerhalb einzelner Bins zurückführen – aber auch unterschiedliche Vorwärtsspannungen und Temperaturabhängigkeiten spielen hier mit hinein. Darum sind vor allem die Kalibrierung, die Temperaturstabilisierung und das thermische Management des Bauteils für die Farbsteuerung der RGB-LEDs unerlässlich. Die Etablierung dieser individuellen Codes reduziert die Investitionen, die benötigten Ressourcen und die Produktionszeit bei den Zulieferern.

Vorteile durch integrierte Steuerungselektronik

Topled E1608 von Osram

Bild 4: Neue Maßstäbe im Bereich Miniaturisierung – die Topled E1608 ist mit 1,6 mm × 0,8 mm 20-mal kleiner als Vorgängermodelle Osram

Noch anspruchsvoller sind die Anforderungen für dynamische Anwendungen. Um die Anzahl der Komponenten für das geringe Raumangebot insgesamt zu reduzieren und die Implementierung zu vereinfachen, hat Osram Opto Semiconductors eine LED mit drei Farbchips (RGB) und einem seriell ansteuerbaren Treiber entwickelt.

Dazu musste der Opto-Spezialist eine Reihe von Neuerungen im Chip umsetzen. Bei traditionellen Ansätzen müssen Tier-1-Lösungsentwickler jede LED individuell in den Produktionslinien vermessen. Das bedeutete einen zusätzlichen Aufwand für die Hersteller und deren Investition in entsprechende Tools. Zusätzlich mussten sie Kalibrierungsalgorithmen entwickeln und Fachkräfte mit umfangreichem RGB-Knowhow einsetzen. Jede LED wurde dann entsprechend des passenden Algorithmus kalibriert.

Beim traditionellen Vorgehen müssen Systementwickler eine Vielzahl verschiedener Halbleiterkomponenten und Verbindungen integrieren, um dynamische Lichteffekte umzusetzen. Neben dem beschriebenen Problem des begrenzt verfügbaren Bauraums ist auch der Aufwand für die Abstimmung und Verbindung der Komponenten bisher sehr hoch. Dazu sind online Messungen oder die Zuhilfenahme der offline Messwerte über die DMC notwendig, was wiederum spezielle Software für die komplexen Anforderungen erfordert. Ein Temperaturwechsel kann zu zusätzlichen Abweichungen führen. Kontrollfunktionen für dynamische Lichteffekte sind also sehr komplex.

Die neue Generation von RGB-LEDs von Osram mit integriertem IC bietet demgegenüber mehrere Vorteile: Zum einen reduziert sich der Platzbedarf durch die geringere Zahl an benötigten Komponenten und Verbindungen. Zum anderen sinkt der Integrationsaufwand. Osram liefert die Komponenten bereits vorkalibriert. Etwaige Lichtleistungsschwankungen kompensiert ein enthaltener ASIC, der auch die durch Temperaturschwankungen hervorgerufenen Farbverschiebungen so automatisch korrigiert. Das macht gleichzeitig auch die Rückverfolgbarkeit der LED-Daten nicht mehr erforderlich.

Mit der integrierten Lösung lassen sich in Beleuchtungsanwendungen eine Vielzahl einzelner LEDs über ein serielles Bus-System individuell oder als Gruppen ansteuern. Die drei enthaltenen Farbchips machen eine genaue und einheitliche Farbdarstellung im gesamten aufgespannten Farbraum sowie in dynamische Lichtszenarien möglich.

Die Osire-Familie von Osram liefert verschiedene Modelle für unterschiedliche Anwendungsbereiche. Zudem sind die Produkte mit bestehenden SMT-Verarbeitungsmethoden kompatibel, so dass gängige Bestückungsmethoden für den Montagevorgang anwendbar sind.

Ausblick: Zusammenführung von Technologie für sichtbares und unsichtbares Licht

Für Automobilhersteller und OEMs sind Lichtlösungen nicht nur als optische Differenzierung gegenüber Wettbewerbern wichtig, sie eröffnen auch immer neue Möglichkeiten. Bisher wurden Anwendungen, die auf sichtbarem Licht basieren und solche, die auf infrarotem Licht basieren, meist getrennt voneinander betrachtet. Heute wachsen diese durchaus unterschiedlichen Bereiche immer stärker zusammen.

LED-Armaturenbrett

Auch in Armaturenbrett oder Head-up-Displays sind Lösungen mit LEDs möglich. Osram

Die beschriebenen Anwendungsbeispiele bilden nur einen Teil der lichtbasierten Lösungen im Fahrzeuginnenraum ab. Hinzu kommt auch das gesamte Display-Segment, mit neuen Entwicklungen in Bereichen wie Head-up-Displays und Augmented Reality-Anwendungen. Besonders interessant für künftige Anwendungen ist auch die Zusammenführung von Anwendungen auf Basis von sichtbarem und unsichtbarem Licht. Driver Monitoring System registrieren beispielsweise anhand der Augenbewegungen oder wie oft der Fahrer blinzelt, wann er müde wird. Zur erneuten Aktivierung des ermüdeten Fahrzeuglenkers könnte neben einem Tonsignal auch die Beleuchtung im Fahrzeug entsprechend angepasst werden. Durch helleres Licht oder eine Veränderung der Farbtemperatur kann dazu beitragen werden, den Fahrer wach zu halten, oder im schlimmsten Fall rechtzeitig zu alarmieren, um einen Unfall zu vermeiden.