Die additive Farbmischung mit roten, grünen und blauen LEDs, zu Pixeln gruppiert, eröffnete neue Möglichkeiten für Displays und Lichtdesigns. Als vor etwa zehn Jahren die ersten Module mit integriertem Schaltkreis (IC) aufkamen, wurden die Lösungen nicht nur kompakter, sondern auch effizienter. Würth Elektronik bietet erst seit Anfang 2024 ICLEDs an, hat sich dabei aber zum Ziel gesetzt, die bisherigen Schwächen dieser Technologie gezielt anzugehen.
Signalsteuerungssysteme, vollfarbige LED-Matrix-Displays, Audio- und Spielgeräte, ambiente Beleuchtungssysteme oder Anzeigen an Ladesäulen verwenden leistungsstarke Lösungen, indem sie anstelle der Pixel eines LCDs benachbarte rote, grüne und blaue LEDs als Pixel verwenden. ICLEDs – auch bekannt als adressierbare, smarte oder Pixel-LEDs – sind Leuchtdiodenpakete, in die ein integrierter Schaltkreis (IC) verbaut ist. Dieser Treiber ermöglicht durch Pulsweitenmodulation (PWM) die individuelle Steuerung der roten, grünen und blauen Chips im Paket und somit raffinierte und präzise Beleuchtungslösungen mit verschiedenen Farben. Weil jede Pixelfarbe individuell mit Helligkeiten von 0 bis 100 Prozent reguliert und digital gedimmt werden kann, lassen sich mit den integrierten RGB-LEDs mehr als 16 Millionen verschiedene Farb- und Helligkeitswerte erzeugen. Und da weniger Bauteile wie zum Beispiel Vorwiderstände benötigt werden, sind Display-Lösungen mit den intelligenten LEDs nicht nur schneller umsetzbar, sondern auch energieeffizienter als herkömmliche LEDs. Die digitale Steuerung erhöht die Flexibilität dessen, was angezeigt werden kann. So könnten beispielsweise leuchtende Verkehrshinweisschilder beliebige Texte oder Symbole anzeigen, statt auf einige voreingestellte Schaltungen beschränkt zu sein.
Wer später in einen Markt eintritt, muss sich durch klare Differenzierungsmerkmale abheben. Würth Elektronik bietet deshalb nicht nur einen besonderen Service, sondern setzt auch auf höchste Qualitätsstandards. Bei seinen Horticulture LEDs erregte der Hersteller Aufmerksamkeit dadurch, indem er nicht nur die LEDs selbst, sondern auch Lösungen für die zugehörige Ansteuerung anbot. Zudem engagiert sich das Unternehmen mit einer eigenen Forschungsabteilung für die Entwicklung von Lichtrezepten zur Optimierung des Pflanzenwachstums. Bei seinen in vier Bauformen erhältlichen ICLEDs legte Würth Elektronik besonderen Wert auf eine hochwertige Verarbeitung, wie Goldbeschichtungen bei Chip-LED-Modelle und Silberbeschichtungen bei PLCC-Modelle, um die Lötfähigkeit zu verbessern. Vergleichsmessungen mit pin-kompatiblen Konkurrenzmodellen ergaben eine um 40 Prozent höhere Beleuchtungsstärke. Auch ein lästiges Problem bei der Bestückung wurde angegangen: Im Gegensatz zu bisher auf dem Markt erhältlichen vergleichbaren Lösungen weisen die intelligenten LEDs von Würth Elektronik einen Moisture Sensitivity Level von MSL3 auf – statt wie üblich MSL5 oder MSL 5a. Dies bedeutet, dass sie eine Woche lang in der SMT-Linie verwendbar sind. Um die LEDs für diverse Anwendungen zu qualifizieren, liefert der Hersteller für alle Modelle der Produktgruppe photobiologische Testberichte nach EN 62471:2008 und IEC 62471:2006. Diese sind beispielsweise relevant, wenn die intelligenten LEDs in Spielzeugen eingesetzt werden. Obwohl das Produkt nicht speziell für den Automotive-Markt entwickelt wurde, hat Würth Elektronik die Tests und Qualifikationen außerdem methodisch gemäß AEC Q102-003 durchgeführt. So erhalten Kundinnen und Kunden objektiv vergleichbare Spezifikationen.
Gute Verarbeitung, hohe Leistungswerte und Features wie die Schutzart IPx7 bei einigen Modellen sind starke Argumente für Bauelemente. Doch die entscheidende Frage ist ihre praktische Wirkung in der Anwendung. Genau hier setzt Würth Elektronik an, um ein neues Kapitel in der Nutzung smarter LEDs aufzuschlagen. Smarte LEDs bieten neue Möglichkeiten, doch der Ärger ist groß, wenn sie diese Potenziale in der Praxis nicht ausschöpfen. Besonders Farbabweichungen zwischen verschiedenen Produktionschargen stellen eine häufige Herausforderung bei ICLED-Anwendungen dar. Wenn eine Ansteuerung von ICLEDs die Wahl aus 16 Millionen Farb- und Helligkeitswerten ermöglicht, sollte es auch zuverlässig möglich sein, einen bestimmten Farbton reproduzierbar und auf eine Gruppe von LEDs einheitlich anzuwenden.
Die typische Anwendungsschaltung eines ICLED-Systems ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Datensignale werden von der Micro Controller Unit (MCU) erzeugt, deren Datensignalleitung mit dem DIN-Pin der ersten ICLED verbunden ist. Die restlichen Komponenten sind in einer Daisy-Chain-Verbindung miteinander verbunden. Abbildung 2 zeigt, dass die Daten bei jedem Empfang eines Datenpakets durch die IC um 24 Bits reduziert und die verbleibenden Bits an die nächste LED in der Kette weitergeleitet werden. Wird ein Reset-Code am DIN-Pin der ersten ICLED erkannt, bedeutet dies, dass die Übertragung eines neuen Datenpakets beginnt.
Diese Daten bestimmen die Pulsweitenmodulation für jede einzelne rote, grüne und blaue LED. Das heißt, die Dimmung wird nicht über die Stromstärke geregelt – denn das würde den Farbwert beeinflussen – sondern durch ein nicht wahrnehmbares schnelles Aus- und Einschalten des Stroms. Wenn bekannt ist, welche Frequenz bei den einzelnen LEDs zu welcher Farbmischung des Pixels führt, können beliebige Farbwerte und Helligkeiten erzeugt werden. Genau hier lag aber das Problem: Anwendungsentwickler konnten diese Frequenzen nicht ohne Weiteres bestimmen und erhielten auch keine Hilfe von Herstellern.
Mit dem ICLED Color Calculator hat Würth Elektronik eine neue Funktion seiner Online-Plattform REDEXPERT vorgestellt, die die Möglichkeiten der Beleuchtungs- und Signallösungen mit ihren ICLEDs massiv erweitert. Durch diesen Service können Entwickler erstmals mühelos die exakten PWM-Werte ermitteln, die nötig sind, um einen bestimmten Farbwert darzustellen. Auf der intuitiv bedienbaren Benutzeroberfläche des REDEXPERT ICLED Color Calculator (Abbildung 3) wählen Kunden den gewünschten ICLED-Typ sowie Farbe und Helligkeit im CIE1931-Normfarbsystem („xy-Farbraum“). Das generiert automatisch den passenden digitalen Wert für die Pulsweitenmodulation der im ICLED-Bauelement verbauten RGB-LEDs, bezogen auf die Eigenschaften ihres Bins. Diese Werte können direkt in die Programmierung der ICLEDs übernommen werden.
Möglich wird das durch die sorgfältige Sortierung der ICLEDs in der Produktion. Um pro Charge nur LEDs mit einheitlichen Farbtemperatur- und Helligkeitseigenschaften anzubieten, gibt es zahlreiche Bins. Dank der Genauigkeit ihrer Qualitätskontrolle und ihres Binnings eröffnet Würth Elektronik mit ihrem innovativen Entwicklungstool neue Möglichkeiten für anspruchsvolle LED-Anwendungen, wie hochwertige LED-Matrix-Displays und Anwendungen, die farblich perfekt auf ein Corporate Design abgestimmt sein müssen.
Insbesondere im Bereich von LED-Matrix-Displays weckt die Möglichkeit einer farbechten Darstellung den Wunsch nach hohen Frameraten für bewegte Bilder. Dies wird nun durch eine bisher selten angebotene ICLED-Variante realisierbar, die Würth Elektronik neu im Sortiment hat: Dual-Wire-ICLEDs.
Diese Technologie ermöglicht eine bis zu 13-mal schnellere Datenübertragung im Vergleich zu Single-Wire-ICLEDs. Sie arbeiten mit schnellen PWM-Raten von 20 kHz und erzeugen flimmerfreie Bilder. Ein weiterer Vorteil der Dual-Wire-ICLEDs ist ihr integrierter Schlafmodus, der die Stromaufnahme auf etwa 1 µA pro ICLED reduziert, wenn diese nicht in Betrieb sind. Das sorgt für eine deutlich energieeffizientere Nutzung, insbesondere in batteriebetriebenen Systemen. Zusätzlich bietet die Dual-Wire-Technologie eine frei einstellbare Taktfrequenz des Datensignals von bis zu 15 MHz, was eine flexible und schnelle Datenübertragung ermöglicht. Diese Kombination aus niedriger Leistungsaufnahme, hoher Anpassungsfähigkeit und schneller Datenübertragung macht die Dual-Wire-ICLEDs besonders attraktiv für moderne Smart-Lighting-Anwendungen.
Natürlich bleiben analoge LEDs eine günstigere Alternative – sie sind etwa 20 bis 30 Prozent billiger als ICLEDs – und werden aus einfacheren Anwendungen nicht verdrängt. Für signaltechnisch oder optisch anspruchsvolle Anwendungen bieten ICLEDs allerdings klare Vorteile. Applikationen lassen sich deutlich einfacher und hinsichtlich benötigter Bauteile und Kabel sparsamer realisieren. Mit der präzisen Steuerbarkeit von ICLEDs eröffnen sich zudem neue Anwendungsfelder. Ein großes Potenzial liegt in adaptiver Beleuchtung, etwa für Bürobeleuchtung, die sich automatisch an Wetterbedingungen oder Tageszeit anpasst. Eine durch einen Sensor ausgelöste Farbänderung kann beispielsweise die Rolle eines differenzierten Annäherungsalarms übernehmen, etwa als alternatives Signal für Hörgeschädigte. Farbkodierte Signale könnten auch dazu beitragen, bei Gesundheitsmonitoren oder Diagnosetools mehr Informationen auf einen Blick zu übermitteln. Wer übrigens beim Lesen dieses Beitrags Ideen für ICLED-Anwendungen hatte, kann zum schnellen Prototyping den ICLED Featherwing sowie verschiedene Sensor- und Funk-Featherwings von Würth Elektronik verwenden (Abbildung 5).
