Ein zentraler Controller steuert individuell LEDs in Fahrzeugen

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Bis zu 4096 LEDs lassen sich mit einem einzigen System-Controller ansteuern. Das ändert nicht nur die Innenbeleuchtung in Fahrzeugen. Denkbar ist auch die Kommunikation der Fahrzeuge untereinander.

Die Innenraumbeleuchtung gewinnt als Verkaufsargument im heutigen Automobilmarkt zunehmend an Bedeutung. Ambient-Licht hat das Potenzial, bei Fahrern und Beifahrern positive oder negative Emotionen zu wecken. Autohersteller sind daran interessiert, mit ihren Lichtlösungen im Fahrzeug eine unverwechselbare Atmosphäre zu schaffen, um eine emotionale Verbindung mit dem Wagen aufzubauen. In den letzten Jahren haben sich LEDs als Standard für die Innenbeleuchtung von Premium-Fahrzeugen etabliert. Allerdings gibt es bei der Ansteuerung der LEDs noch erhebliche Einschränkungen. Modernes Ambientlicht auf dem aktuellen Stand der Technik besteht in der Regel aus einer mehrfarbigen LED, die einen Lichtleiter speist (Bild 1).

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Ein zentraler Controller steuert die LED über einen LIN-Bus, der sich bei vielen Fahrzeugherstellern als kostengünstige Alternative zum teureren CAN-Bus etabliert hat. Allerdings lassen sich Helligkeit und Farbspektrum der LED aufgrund der Limitierungen des LIN-Busses in der Regel nur in ganz bestimmten Grenzen einstellen. Die optischen Effekte sind stark eingeschränkt, abgesehen davon, dass über die gesamte Länge des Lichtleiters nur ein einheitliches Lichtszenario hinsichtlich Farbe und Helligkeit möglich ist.

Bis 2021 über 300 LEDs in einem Fahrzeug verbaut

Eine Weiterentwicklung dieses Konzepts ist ein flexibler LED-Streifen mit 10 bis 30 LEDs – angesprochen über einen Controller, der die Steuerbefehle in Stromimpulse umsetzt und sämtliche LEDs auf dem Streifen zum Leuchten bringt (Bild 2). Diese Lösung hat jedoch eine Reihe erheblicher Nachteile: Aufgrund von Fertigungstoleranzen strahlen die einzelnen LEDs trotz identischer Ansteuerung kein Licht in gleicher Farbe und Helligkeit ab. Ein Grund ist die Alterung der LEDs im Lauf der langen Nutzungsdauer von Fahrzeugen. Diese zeigt sich als abnehmende Helligkeit infolge eines nachlassenden Wirkungsgrads. Insbesondere hohe Temperaturen über einen längeren Zeitraum, haben darauf großen Einfluss. Dazu kommt, dass die Temperaturen im Fahrzeuginneren stark variieren können. Grüne und blaue LEDs zeigen noch völlig andere Temperaturcharakteristika als rote.

Fahrzeughersteller verlangen immer bessere LEDs, um ausgeklügelte Lichtfunktionen zu realisieren und auch die Erkennbarkeit der LEDs bei Tageslicht deutlich zu verbessern. Während ein typisches Premium-Fahrzeug 2010 mit weniger als 50 LEDs ausgestattet war, dürften es bis 2021 schon über 300 sein (Bild 3). Dieser rasante Anstieg geht in erster Linie auf die so genannten RGB-LEDs zurück, die jeweils eine rote, grüne und blaue LED enthalten. Ein Controller steuert mithilfe von Stromimpulsen, welche Farbe und Helligkeit von den einzelnen LEDs abgestrahlt wird. Eine RGB- oder Multicolour LED ist weitaus komplexer als die monochrome LED.

Fahrzeughersteller benötigen eine ausgefeilte LED-Ansteuerung, um die hochgesteckten Designziele umsetzen zu können. Helligkeit und Farbe der einzelnen RGB-LEDs müssen auf einem LED-Streifen individuell geregelt werden können. Die LEDs müssen kalibriert sein, um ein einheitliches Licht abzustrahlen und so farbliche Überblend-Effekte zwischen benachbarten LEDs ohne sichtbare Helligkeits- und Farbsprünge wiederzugeben. Außerdem müssen die Auswirkungen unterschiedlicher Temperaturen und Alterungsprozesse auf die einzelnen LEDs kompensiert werden können. Das gesamte System aus Ansteuerung und RGB-LED muss nicht nur die hohen Qualitätsstandards der Automobilindustrie erfüllen, sondern künftig auch über Diagnosefunktionen verfügen, um in sicherheitsrelevanten Anwendungen nach ISO26262 eingesetzt werden zu können.

Neues LED-Ansteuerungskonzept für den Fahrzeugbau

Beim derzeitigen Stand der Technik steuert ein Mikrocontroller, in dem die Kenndaten jeder einzelnen LED Daten abgelegt sind, jede RGB-LED individuell an. Dafür sind eine hohe Zahl von Schaltkreisen notwendig mit umfangreicher Verdrahtung. Die Kommunikation zwischen dem Haupt- und - je nach Anzahl der LEDs - zahlreichen Subcontrollern erfolgt heute über ein schnelles Kommunikationsprotokoll wie SPI. Das ist aus EMV-Sicht kritisch. Mit steigender Anzahl von LEDs werden zudem immer größere Latenzzeiten verursacht (Bild 4) und einem praktikablen Diagnosekonzept entgegensteht: individuellen LED-Parameter wie Funktionsfähigkeit oder temperaturbedingter Verschleiß lassen sich hier nicht abfragen.

Damit sind solche Konzepte, wie sie etwa bei LED-Videowänden in der Industrie zum Einsatz kommen, für eine moderne, hochwertige Fahrzeuginnenbeleuchtung nicht geeignet. Ende 2016 hat Inova Semiconductors das Konzept einer sogenannten digitalen LED für das Fahrzeug vorgestellt, dass im Rahmen der ISELED-Allianz bereits von mehreren Partnern unterstützt wird. Das Konzept beruht auf einem intelligenten LED-Controller (Bild 5), der zusammen mit einer roten, grünen und blauen LED in einem winzigen Gehäuse von gerade einmal 3 mm x 4 mm untergebracht ist. Jedes der Mini-RGB-Module repräsentiert ein Pixel, welches bei einer Auflösung von 3 x 8 Bit = 24 Bit mehr als 16 Mio. Farben darstellen kann.

Inova hat seinen LED-Controller mit einer Reihe ausgereifter Kalibrierfunktionen ausgestattet, die etwa eine Vorauswahl (Binning) der LEDs oder eine Strichcodierung erübrigen und sogar größere Fertigungstoleranzen bei den LEDs zulassen als bisher üblich. Das RGB-LED-Modul wird beim Endtest vollständig kalibriert, wobei die Kenndaten jeder einzelnen der drei LEDs im Controller des LED-Moduls abgelegt werden. Eine weitere Kalibrierung des Moduls beim Zulieferer ist nicht erforderlich, was eine erhebliche Kosten- und Zeitersparnis bei der Fertigung bedeutet.

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