Tecnologia a LED intelligente: quando la sicurezza stradale si illumina

 

Un consorzio di ricerca tedesco con membri eccellenti del panorama industriale e scientifico ha sviluppato i fondamenti per un faro a LED intelligente con elevata risoluzione che porta le cosiddette luci di marcia adattive in una nuova dimensione. Il modello dimostrativo è stato sviluppato da Osram, responsabile generale del progetto, e dalle aziende partner del progetto Daimler, Fraunhofer, Hella e Infineon. Ogni proiettore contiene tre nuove sorgenti luminose a LED con ognuna 1.024 punti regolabili singolarmente. In questo modo la luce dei fari può essere adattata con estrema precisione alle diverse situazioni del traffico, così da avere sempre condizioni di illuminazione ottimali senza abbagliare gli altri utenti della strada.

La luce è in grado di adattarsi a qualsiasi possibile andamento delle curve senza lasciare zone d’ombra ai margini della carreggiata. Con l’ausilio dei sensori della vettura è inoltre possibile analizzare l’area circostante per illuminare adeguatamente gli altri utenti della strada che così, vengono individuati molto più chiaramente da chi guida. Nel contempo però il viso dei conducenti dei veicoli che sopraggiungono non viene investito dal raggio luminoso per evitarne l’abbagliamento. Sulle strade principale non risulta quindi più necessario commutare su anabbaglianti queste luci abbaglianti così modulabili.

A tre anni e mezzo dalla partenza il progetto, supportato dal Ministero Federale dell’Istruzione e della Ricerca (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF), si è chiuso con successo con la produzione e la prova sul campo dei gruppi ottici dimostrativi. Per poterli realizzare Osram ha sviluppato, collaborando con Infineon e con il Fraunhofer Institut per l’affidabilità e la microintegrazione (Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration, IZM), gli Opto Semiconductors: nuovi chip LED con 1.024 punti luminosi regolabili singolarmente. Fino ad oggi per i fari adattivi venivano utilizzati diversi componenti LED affiancati e sovrapposti. Per comandare accensione e spegnimento dei segmenti LED erano necessari componenti elettronici aggiuntivi. Il numero dei segmenti dipendeva quindi dallo spazio limitato disponibile nel faro. Nella nuova applicazione il comando elettronico dei LED è integrato nel chip. In materia di chip LED ad alta risoluzione per le nuove luci auto intelligenti la divisione Osram Specialty Lighting ha sviluppato, in una seconda fase, un modulo LED che grazie alla sua interfaccia elettrica e termica può essere collegato direttamente all’elettronica del veicolo.

Utilizzando un proiettore intelligente ad alta risoluzione, la cui fattibilità è stata ampiamente comprovata dal progetto, situazioni di guida e condizioni atmosferiche vengono analizzate continuamente: qual è l’andamento del percorso, quanto è elevata la velocità, ci sono veicoli provenienti in senso contrario e a che distanza si trovano gli altri utenti della strada? Sulla base di questi dati la distribuzione della luce variabile ed adattiva è garanzia di illuminazione ottimale in ogni situazione. In presenza di velocità elevate, ad esempio, la profondità del cono luminoso aumenta automaticamente. Nel traffico cittadino, invece, la sicurezza aumenta con una distribuzione della luce più ampia che, oltre alla strada, illumina meglio anche marciapiede e margini della carreggiata. Queste funzioni vengono gestite in modo completamente elettronico, senza servomotori. Con gli abbaglianti con regolazione antiabbagliamento il guidatore dispone dunque sempre della migliore visibilità notturna, con buona pace degli altri utenti della strada. Per chi si trova al volante ciò si traduce una percezione decisamente più precisa dell’ambiente circostante che contribuisce notevolmente a ridurre il rischio di incidenti notturni.

“Abbiamo intenzione di portare fino alla produzione di serie questo nuovo tipo di fonti luminose a LED ad alta risoluzione e crediamo che grande sia il potenziale di utilizzo nei sistemi di illuminazione dei veicoli”, ha affermato Stefan Kampmann, della Divisione tecnica di OSRAM Licht AG.

Infineon Technologies AG ha sviluppato il circuito di accensione intelligente del nuovo chip LED, grazie a cui è possibile comandare singolarmente ognuno dei 1.024 punti luminosi. Il produttore di semiconduttori è riuscito a progettare il circuito di accensione in modo tale che nel chip LED esso debba essere collegato direttamente al LED array che emette la luce posto sopra di esso. Dal punto di vista tecnico la sfida consisteva nel conciliare i particolari requisiti tecnici necessari con le tecnologie produttive dei dispositivi di accensione dei LED. Con il circuito di accensione intelligente e la sua competenza nel campo delle applicazioni per automobili Infineon supporta il trend che porta a sistemi di illuminazione frontali adattivi altamente innovativi.

Partendo dei requisiti funzionali di Daimler HELLA KGaA Hueck & Co ha definito i requisiti tecnici fondamentali per la fonte luminosa. L’azienda, specializzata in luci ed elettronica, ha sviluppato l’intero sistema ottico dei moduli luce e il relativo sistema di dissipazione termica oltre a montare i gruppi ottici prototipali. Questi ultimi vantano un’efficienza di sistema molto elevata e generano una conformazione della luce estremamente omogenea con una buona qualità di riproduzione dei singoli punti luminosi. Le diverse conformazioni luminose possono così essere realizzate mediante la sola elettronica, senza attori meccanici. Si tratta di un passo avanti verso la digitalizzazione nel settore dell’illuminazione. Grazie alla sua divisione Sviluppo, Hella onora il proprio impegno di sviluppare sistemi luminosi innovativi con e per il Cliente, non limitandosi a renderli pronti per la produzione di serie con gli standard di maturità e qualità richiesti, bensì cercando anche sempre di spingersi un po’ oltre sul fronte innovazione tecnologica.

Nell’ambito del progetto di ricerca, Daimler AG ha specificato i requisiti funzionali e le future caratteristiche delle vetture per il sistema di illuminazione nel suo insieme. Da queste specifiche sono derivati i componenti e le caratteristiche dei moduli per il sistema di illuminazione nel suo insieme che calcola la distribuzione ottimale della luce in considerazione dei futuri sensori e delle architetture delle vetture per poi trasmetterla ai proiettori a pixel. In previsione dei futuri veicoli elettrici anche l’efficienza energetica è stato uno dei requisiti essenziali per il LED di nuovo sviluppo. Per i test condotti nel traffico reale è stata utilizzata una vettura Daimler con proiettori a LED intelligenti.

Sull’attuale Classe E Mercedes-Benz sono montati proiettori a LED MULTIBEAM di Hella, ognuno con 84 LED Osram ad alte prestazioni comandabili singolarmente. Daimler collabora attivamente allo sviluppo di proiettori a LED con pixel sempre più numerosi e sempre più piccoli fedele al proprio ruolo pionieristico anche nel settore dell’illuminazione.

Fraunhofer ha apportato al progetto la propria competenza relativamente alla tecnica di giunzione (LED & IC) e ai materiali, nonché in materia di riconoscimento e isolamento dei guasti. L’elevatissima risoluzione è ottenuta mediante una struttura ancora più fine unita a una tecnica di giunzione miniaturizzata straordinaria. A tale scopo presso l’IZM di Berlino dei LED array di Osram con 1.024 pixel sono stati montati su un circuito di azionamento attivo di Infineon che comanda ogni singolo pixel. I chip, che vantano un’eccellente dissipazione del calore, sono stati montati in modo tale da poter compensare una differenza di altezza di alcuni micron. Sono state testate in parallelo due tipi di tecnologie: il bonding a termocompressione con spugna nanoporosa e la saldatura per rifusione con lega oro-stagno di comprovata affidabilità. Entrambe le tecniche di montaggio sono state utilizzate con successo e rese elevate oltre a rivelarsi un’interfaccia robusta per i successivi processi sui LED.

Uno dei requisiti tecnologici dei gruppi ottici a LED ad alta risoluzione è il chip relativamente più grande con 1.024 pixel comandabili singolarmente. Con l’aumentare della dimensione del chip, infatti, durante la produzione aumenta il rischio che la potenza luminosa dei singoli punti all’interno della matrice di pixel si riduca o venga meno. Per risolvere questo problema il Fraunhofer Institut per la fisica dei corpi solidi applicata (Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF) di Friburgo ha sviluppato una nuova tecnologia per la riparazione degli elementi difettosi contestualmente alla produzione. Essa si basa sulla microlavorazione a laser e permette di riparare eventuali chip LED difettosi nel corso del processo produttivo. Il procedimento funziona in questo modo: le microscopiche aree in cui si è verificato il guasto vengono identificate e rimosse accuratamente con un laser UV o isolate elettricamente, senza che il laser provochi inavvertitamente nuovi danni, i cosiddetti ‘percorsi delle correnti di dispersione’. Dopo la lavorazione i pixel riparati emanano di nuovo la luce a piena potenza e il ‘quadro della luminanza’ è di nuovo omogeneo.

Il beneficio economico della microlavorazione a laser dello IAF non sta solo nella riduzione dei guasti in fase di produzione e nella conseguente riduzione degli scarti, che si traducono in costi di produzione inferiori per i chip LED di grandi dimensioni: il procedimento può anche prolungare la durata utile media dei LED. Si tratta di un importante vantaggio competitivo utile ad accrescere nel contempo il grado di soddisfazione del Cliente.