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Wie die LED-Technik die Fahrzeugbeleuchtung veränderte

| Autor / Redakteur: Paul Decloedt * / Hendrik Härter

Mit LED-Technik im Fahrzeug haben sich nicht nur völlig neue Designaspekte eröffnet. Auch die Sicherheit auf der Straße hat sich erhöht. Allerdings ist die LED als Bauelement auch anspruchsvoller.

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Neben neuen Design-Optionen erfüllt die LED im Fahrzeug auch einen hohen Sicherheitsaspekt.
Neben neuen Design-Optionen erfüllt die LED im Fahrzeug auch einen hohen Sicherheitsaspekt.
(Bild: BMW)

Die Automobilelektronik entwickelt sich rasant und hat in den letzten Jahren das Fahrzeugdesign grundlegend verändert. Vor allem die Beleuchtung hat sich Dank der LED-Technik zu einem wesentlichen Design- und Sicherheitsaspekt entwickelt. Vor den Fortschritten der letzten zehn bis 15 Jahre war die Fahrzeugbeleuchtung sehr einfach und nur darauf ausgelegt, den gesetzlichen Anforderungen zu entsprechen und dem Fahrer eine ausreichende Sicht zu bieten. Die Frontleuchten bestanden üblicherweise aus einer Lampe mit mehreren Glühfäden für Fern- und Abblendlicht, das vom Fahrer manuell ausgewählt wurde.

Vor nicht langer Zeit waren alle Scheinwerfer runde Standardeinheiten. Als dann die HID-Technik (High Intensity Discharge Lamp) mit Xenon eingeführt wurde, bei der Linsen anstelle von Reflektoren zum Einsatz kamen, eröffneten sich andere Formen und bessere Gestaltungsmöglichkeiten. Obwohl HID teurer war zeigte seine Beliebtheit, dass Verbraucher zusätzliche Kosten für Leuchten ausgeben wollten.

Dieser Trend setzt sich bis heute fort, und obwohl ein Großteil der Fortschritte sicherheitsrelevant ist, erleichtert er auch die Gestaltungsfreiheit, die es den Autoherstellern ermöglicht, ihre Fahrzeuge zu verbessern und vom Wettbewerb zu differenzieren.

Sicherheit auf der Straße

Die Fahrzeugbeleuchtung entwickelt sich als Teil einer umfassenden Initiative schnell weiter: Um den Energieverbrauch zu senken, Größe, Gewicht und Kosten einzusparen sowie die Sicherheit für den Fahrer und andere Verkehrsteilnehmer zu verbessern. Seit der Einführung des ersten LED-Scheinwerfers im Jahr 2007 stand er im Mittelpunkt dieser Veränderungen.

Selbst in Fahrzeugen der Kompaktklasse werden heute Halogenlampen durch LEDs für das Abblendlicht, Fernlicht, Standlicht und Tagfahrlicht und sogar die Blinklichter ersetzt. Der von Yole Developpement geschätzte Markt für Fahrzeugbeleuchtung ist erheblich, er liegt bei ungefähr 30 Mrd. US-Dollar und weist ein durchschnittliches jährliches Wachstum (CAGR) von 5,7% auf. Die LED-Technik dringt angesichts der weiterhin sinkenden LED-Preise immer mehr in diesen Markt vor. Der größte Teil entfällt auf die Frontbeleuchtung (rund 66%), und auch die Heckbeleuchtung ist mit einem Marktanteil von rund 17% von Bedeutung.

Matrix-Scheinwerfer mit LED-Technik

Das Wachstum und die Größe des Marktes sind nicht zuletzt darauf zurückzuführen, dass sich LED-Beleuchtung nicht mehr nur auf hochwertige Fahrzeuge beschränkt, sondern auch bei Fahrzeugen der Mittelklasse und vielen Kleinfahrzeugen sehr beliebt und immer mehr verbreitet ist. Bei der eingesetzten Technik gibt es nach wie vor eine Differenzierung.

Fahrzeuge der Oberklasse bieten Matrix- und adaptive Frontlichttechnik, die bei Kleinfahrzeugen eine Zusatzoption sein kann. Die Matrixleuchten können bis zu 100.000 Pixel umfassen, die alle Strom und eine Ansteuerung erfordern. Ein zusätzlicher Umweltvorteil der LED-Lichttechnik ist, dass sie die CO2-Emissionen erheblich reduziert.

Moderne adaptive Matrix-Scheinwerfer sind von den frühen Scheinwerfern mit ihren beiden Betriebsarten von Fernlicht und Abblendlicht weit entfernt. Die Scheinwerfer sollen die Straße jederzeit maximal ausleuchten und sicherstellen, dass andere Verkehrsteilnehmer nicht geblendet werden. Adaptive Multimode-Leuchten konfigurieren sich automatisch und der Fahrer hat die bestmögliche Sicht auf die Straße.

Sensoren in den Frontscheinwerfern

Die beiden wichtigsten Eingangsgrößen bei einem Frontbeleuchtungssystem (AFS = Advanced Front-Lighting System) sind Geschwindigkeit des Fahrzeugs und ein nach vorne gerichteter Sensor. Der Sensor erkennt die Lichter vorausfahrender Fahrzeuge. Das erfolgt unabhängig, ob diese verfolgt werden oder aus der entgegengesetzten Richtung kommen. Ist die Geschwindigkeit niedrig, kommt der Stadtmodus mit breiter Beleuchtung zum Einsatz, um Gefahren am Straßenrand zu identifizieren.

Die Hell-Dunkel-Grenze der Leuchten ist in der Stadt niedrig angesiedelt. Mit zunehmender Geschwindigkeit wird die Grenze angehoben, um einen längeren Lichtstrahl zu erzeugen, der asymmetrisch wird, um die Blendung entgegenkommender Fahrzeuge zu vermeiden. Auf Autobahnen ändert sich die Lichtverteilung erneut, um den höheren Geschwindigkeiten zu entsprechen. Ein AFS lenkt das Licht in die Richtung, in die das Fahrzeug in einer Kurve fährt. Das erfolgt über die Lenkung, die ein Schwenken der Leuchten ermöglicht. Damit lassen sich Gefahren auf dem Weg des Fahrzeugs beleuchten, sobald es in eine Kurve fährt.

Die Funktion der Heckbeleuchtung ist etwas einfacher. Hier ist die Zahl der Pixel geringer, um animierte Funktionen bereitzustellen. So erhöht der Blinker Sicherheit, da das beabsichtigte Abbiegen eher wahrgenommen wird. Die Autohersteller werden aufgrund der erweiterten Funktionen dem Fahrer in Zukunft ein gewisses Maß an Anpassungsmöglichkeiten bieten, sodass er zwischen vorkonfigurierten Stylings wählen kann. So lässt sich die Funktion wählen und die Farbe konfigurieren. Alles im Rahmen der straßenverkehrsrechtlichen Möglichkeiten.

LEDs sind anfälliger bei einer Überlastung

Vor den LED-Leuchten war die Stromversorgung ein wesentliches Problem. Da LEDs Licht weitaus effizienter erzeugen, ist der Leistungsbedarf bei gleicher Lichtleistung deutlich geringer. Das erhöht nicht nur die Reichweite von Elektrofahrzeugen, es ist zudem weniger Aufwand und Hardware erforderlich, um das Wärmemanagement zu gewährleisten. Zudem lassen sich die Designs kompakter und leichter auslegen.

Die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Fahrzeugbeleuchtung hat sich damit deutlich verbessert. Während Glühfadenlampen regelmäßig ausgetauscht werden müssen, bieten LEDs eine Lebensdauer, die länger als die des Fahrzeugs sein kann. Da es sich um Halbleiterbauelemente handelt, sind LEDs anfälliger für Überlastung als herkömmliche Glühlampen. Daher sind Power-Management- und Schutzschaltkreise von Anbietern wie ON Semiconductor entscheidend, um die volle Lebensdauer von LEDs nutzen zu können.

Ganz am Anfang wurden die LEDs mit einfachen DC/DC-Wandler angesteuert. Viele dieser Wandler waren nicht immer in der Lage, den schwierigen Betriebsbedingungen im Fahrzeug gerecht zu werden, was zu einer Überlastung der LEDs führen und deren Lebensdauer verkürzen oder einen vorzeitigen Ausfall verursachen kann. Da die Beleuchtung im und um das Fahrzeug spezifischer und komplexer wird, werden immer mehr Halbleiterbauelemente entwickelt. Die Frontbeleuchtung wird über ein Schaltnetzteil mit Strom versorgt und erfordert LED-Treiber und Matrixlicht-Controller sowie Schrittmotortreiber, um die Lichter physikalisch in die Richtung zu bewegen. Im Fahrzeugheck ist der Aufbau etwas einfacher, da ein- und mehrkanalige LED-Lineartreiber erforderlich sind, während animierte Lösungen eher einen mehrkanaligen PWM-gesteuerten Treiber verwenden.

* Paul Decloedt arbeitet als Product Marketing Manager, Auto Lighting Products, bei ON Semiconductor.

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