Oplysninger om LED - definition, design og funktioner
LED-forlygter
Her får du nyttig viden og vigtige tips om LED-forlygter i biler.
LED'er er i øjeblikket ved at afløse de klassiske glødepærer i moderne motorkøretøjer. De giver ikke blot større lysudbytte og større sikkerhed, men også større spillerum for design samt stort potentiale for energibesparelser. Tekniske interesserede kan på denne side få stillet deres videbegær om grundprincipperne for LED-teknikken i motorkøretøjer. Desuden får du at vide, hvad man skal være opmærksom på ved moderne LED-forlygter.
Vigtig sikkerhedsanvisning
De følgende tekniske informationer og praktiske tips er udarbejdet af HELLA for at hjælpe autoværkstederne professionelt i deres arbejde. De informationer, der gives på denne hjemmeside, må kun benyttes af brancheuddannede fagfolk.
INDHOLDSFORTEGNELSE
GRUNDPRINCIPPER FOR LED – DEFINITION, OPBYGNING OG FUNKTION: GRUNDPRINCIPPER
Lysdioden betegnes også som luminiscens-diode, og forkortes LED. LED står for „Light Emitting Diode“ (lys-emitterende diode), da den omdanner elektrisk energi til lys. Rens fysisk er den en kold lyskilde og en elektronisk halvleder-komponent i en opto-elektronikenhed, og den har en ledningsevne, der ligger mellem ledere (f.eks. metal, vand, grafit) og ikke-ledere (f.eks. ikke-metaller, glas, træ).
Opbygning
Alt efter behov fås lysdioder i mange forskellige størrelser, former og farver. Den klassiske variant (standard-LED) har cylinderform og er lukket af en halvkugle, hvor lyset kommer ud.
Enkelte lysdioder består af flg. komponenter
- LED-chip
- Reflektorrør (med kontakt til katode)
- Guldtråd (kontakt til anode)
- Plastlinse (samler og fikserer komponenter)
Lille og modstandsdygtig - højeffekt-dioden
Højeffektdioder har et stort metalemne, der sikrer en bedre varmeregulering. Da varmen bortledes lettere, kan der løbe en større strøm gennem dioden, lysudsendelsen sker over et større areal, og lyseffekten er større. I forhold til en enkel 5 mm-LED er varmemodstanden reduceret til en tiendedel. I praksis betyder det, at en højeffektdiode som f.eks. Luxeon Rebel har et ca. 1 mm stort, kvadratisk emissionsareal og en virkningsgrad på 40-100 lumen. I sammenligning hermed er effekten for en normal 5 mm standard-LED næsten ingenting. Med en størrelse på 0,25 mm og en effekt på mindre end 0,1 W og 20-30 mA opnår den kun en virkningsgrad på 1-2 lumen.
LED'ens lille, flade design giver masser af frihed for fremtidige produktdesign, som f.eks. "LEDayFlex"-kørelysmoduler til personbiler, lastbiler og autocampere.
Udformninger
Der findes mange forskellige typer og udformninger af lysdioder. Afhængigt af driftsområde adskiller de sig i opbygning, effekt og levetid. Til de vigtigste LED'er hører:
Ledningskoblede lysdioder
Forløberen for alle LED'er er de ledningskoblede lysdioder, der fortrinsvis benyttes som kontrollamper. De benyttes i dag også i kombination med flere LED'er som LED-spots, lysstofrør, -moduler og rør. De fås i størrelserne 3, 5 og 10 mm. Katoden, minuspolen i en ledningskoblet LED kan kendes på, at den er kortere end anoden (pluspolen), og at plasthuset er fladt. Lysets udgangsvinkel defineres af husets linseform.
SuperFlux
SuperFlux-LED'er, der har op til fire chips (halvleder-krystaller), er kraftigere end enkle, ledningskoblede LED'er. Blandt de hyppigt benyttede modeller er „Piranha“ og „Spider“. De udmærker sig i kraft af en stor udstrålingsvinkel og benyttes især til belysning af flader, da lyset udstråles plant. De har en god varmebortledning via fire kontakter, der kan aktiveres enkeltvis. Opbygningen af High Flux sikrer en lang levetid og gør dem dermed til en effektiv lyskilde, der kan benyttes universelt.
SMD
SMD står for „Surface Mounted Device“ og betyder, at denne diode benyttes til overflademontering. SMD LED'er består oftest af tre til fire chips og har loddeflige, der loddes på den pågældende printplade eller tilslutningsflade. De er relativt ufølsomme mht. strømtæthed og kan derfor lyse intensivt. SMD LED'er findes i mange forskellige udførelser. Størrelse, husets form og lysstrømmens intensitet kan vælges variabelt. De benyttes i dag også i kombination med andre SMD-lysdioder i LED-lysstofrør eller -moduler. I automobilindustrien benyttes de først og fremmest til blink-, stop- og kørelys.
High Power
High-Power-LED'er er kraftige og modstandsdygtige lysdioder, der kan anvendes med en strøm på 1000 mA under optimale driftsbetingelser. De bliver primært brugt til metalkerne-printplader. Deres usædvanlige udformning stiller høje krav til termokontrollen.
COB
„Chip On Board“-LED (COB) er den højest udviklede lysdiode. Navnet skyldes, at den monteres direkte på printpladen. Det gøres ved hjælp af „bundtning“, hvor chipsene fastgøres fuldautomatisk på den forgyldte printplade. Kontakten til den modsatte pol sker via en tråd af guld eller aluminium. Da der ikke benyttes reflektorer eller linseoptik til COB-LED'er, er vinklen for det udstrålede lys meget stor. De største fordele ved COB-teknologien er den store lysstyrke, den homogene lysfordeling og de mange forskellige anvendelsesformål.
Men hvad består en LED/lysdiode egentligt af?
Grundlæggende består en LED af flere lag halvlederforbindelser. Halvledere som f.eks. silicium er stoffer, hvis elektriske ledningsevne ligger mellem ledere som f.eks. metallerne sølv og kobber, og ikke-ledere (isolatorer) som f.eks. teflon og kvartsglas. Gennem en målrettet tilsætning (dotering) af elektrisk virksomme fremmedstoffer kan halvledernes ledningsevne påvirkes kraftigt. De forskellige halvlederlag udgør tilsammen LED-chippen. Den måde, som disse lag (forskellige halvledere) er sammensat på, bestemmer på afgørende måde lysdiodens lysudbytte (effektivitet) og lysets farve.
Når der løber strøm i gennemstrømningsretningen (fra anode + og katode -), dannes (emitteres) der lys.
Det n-doterede lag er præpareret ved tilsætning af fremmede atomer på en sådan måde, at der foreligger et overskud af elektroner. I det p-doterede lag er der kun få af disse ladningsbærere. Dermed findes der de såkaldte elektronhuller. Når der påtrykkes en elektrisk spænding (+) på det p-doterede lag og (–) på det n-doterede lag, bevæger ladningsbærerne sig mod hinanden. I p-n-overgangen sker der en rekombination (forening af modsat ladede elementer til et neutralt element). Ved denne proces bliver der frigivet energi i form af lys.
Elektriske egenskaber – hvorfor en for høj strømstyrke er skadelig
Når der påtrykkes en elektrisk spænding til en lysdiode, falder dens modstand til nul. Lysdioder er særdeles følsomme komponenter, hvor selv den mindste overskridelse af den tilladte strømstyrke medfører, at de ødelægges. Derfor skal man altid sikre, at lysdioder aldrig tilsluttes direkte til en spændingskilde. De må først tilsluttes, når der er indskudt en strømbegrænser eller en formodstand i kredsløbet. For højeffekt-LED'er sker aktiveringen via en elektronisk forkoblingsenhed, der leverer en konstant strøm.
Hosstående diagram viser et kredsløb, der kræves for optimal funktionsydelse af LED'en. I dette tilfælde indsættes der en formodstand som begrænser, som kontrollerer den gennemgangs-strøm IF, der løber gennem lysdioden. For at kunne vælge modstanden korrekt, skal gennemgangsspændingen UF først bestemmes.
For at beregne formodstanden RV, skal man bruge den samlede spænding, gennemgangsspændingen og gennemgangsstrømmen.
Kredsløb
Formel for formodstanden RV
LED-aktivering
Da LED'erne kun bruger meget lidt strøm, lyser de allerede, blot de kun får en brøkdel (få mA) af den tilladte gennemgangsstrøm. Det er som regel nok til at give et tilstrækkeligt lys. Som nævnt tidligere findes findes der forskellige muligheder at anvende LED'er på alt efter opgaven.
Aktiveringsmuligheder for LED'er
Fremtiden for LED – optimale lysforhold for køretøjet
LED har pga. af de høje anskaffelsesomkostninger indtil videre kun været brugt luksussegmentet af bilindustrien, men på længere sigt vil det sprede sig til de andre segmenter. Foruden de økonomiske aspekter taler især tekniske grunde for at seriemontere LED-lygter.
Lysdioder er attraktive på grund af funktionalitet, tekniske præstationer og optimale lysforhold. De bidrager til at skåne energiressourcerne og giver større sikkerhed i trafikken. Desuden giver den dagslyslignende farve for lyset en behagelig og subjektivt større lysopfattelse.
LED-markedet for lygter udvikler sig permanent i to retninger: På den ene side får luksussegmentet større betydning, hvilket kræver høj funktionalitet med fremragende lyseffekt. På den anden side bliver de økonomiske og økologiske aspekter vigtigere, hvilket ud over et lavere energiforbrug også forudsætter prisbillige løsninger. Højtudviklet, funktionel, økonomisk - LED byder på mange muligheder.
LED-optik i biler
Der findes forskellige metoder til at lede lyset i en bestemt retning. De vigtigste måder til at styre retningen af lyset fra en billygte er refleksion, brydning og hybrid (kombination af refleksion og brydning).
Eksempler på teknik til lysstyring
Kombinerede lysmoduler generer lyset
Da LED'erne kun bruger meget lidt strøm, lyser de allerede, blot de kun får en brøkdel (få mA) af den tilladte gennemgangsstrøm. Det er som regel nok til at give et tilstrækkeligt lys. Som nævnt tidligere findes findes der forskellige muligheder at anvende LED'er på alt efter opgaven. Nedenfor er tre af disse muligheder beskrevet.
TERMOKONTROL: GRUNDPRINCIPPER
Termokontrollen spiller en afgørende rolle ved anvendelsen af lysdioder, da disse komponenter er meget varmefølsomme.
Lysdioder er kolde lyskilder, da de udsender lys, men næsten ingen UV- eller IR-stråling. Det udsendte lys virker køligt, og det opvarmer ikke de genstande, som det rammer. LED'en opvarmes dog af lysgenereringsprocessen. Op til 85 % af energien omdannes til varme. Jo lavere temperaturen er, jo kraftigere og længere lyser LED'en. Der skal derfor sikres tilstrækkelig køling. Ud over den varme, som LED'en selv producerer, skal der i lygterne også tages højde for andre varmekilder så som motorvarme, solindstråling etc. Derfor benyttes der også forskellige teknikker til at forbedre varmeoverføringen hhv. varmebortledningen, alt efter LED og anvendelsesformål.
Eksempler
a) Ribbe-køleelement
b) Pin-køleelement
c) Køleelement med "heatpipe"
Desuden er der ofte den mulighed, at man kan regulere strømmen til LED'erne. Under ekstreme forhold kan lysdiodernes effekt reduceres til et bestemt niveau for at mindske varmeproduktionen. For at øge kølingen yderligere kan luftcirkulationen øges via aksial- eller radialblæsere mellem køleelementerne.
Ribbe-køleelement
Aksialblæser i Audi A8
FORDELE VED LED: SAMMENLIGNING
Lysdioder er attraktive i flere henseender. Selvom anskaffelsen er dyrere end normale gløde- eller halogenpærer, betaler de sig allerede efter kort tid. Specielt i automobilbranchen udnyttes de positive egenskaber ved LED, og de benyttes mere og mere i nye køretøjer af følgende grunde:
| Lyskilde | Lysstrøm [lm] | Effektivitet [lm/W] | Farvetemperatur [K] | Lysintensitet [Mcd/m2] |
|---|---|---|---|---|
| Konventionel glødepære W5W | ~ 50 | ~ 8 | ~ 2700 | ~ 5 |
| Halogenpære H7 | ~ 1100 | ~ 25 | ~ 3200 | ~ 30 |
| Gasudladningspære D2S | ~ 3200 | ~ 90 | ~ 4000 | ~ 90 |
| LED 2,5 watt | ~ 120 (2010) ~ 175 (2013) | ~ 50 (2010) ~ 70 (2013) | ~ 6500 | ~ 45 (2010) ~ 70 (2013) |
Vigtigste fordele
- Lavt energiforbrug
- Lang levetid
- Stød- og vibrationssikker
- Reduceret varmeudvikling
- Ingen vedligeholdelses- eller rengøringsudgifter
- Fri for kviksølv
- God blændingsbegrænsning
- Kan tændes og reguleres uden forsinkelse
- Lysgengivelse af høj kvalitet
- Mange udformninger (kan installeres næsten overalt)
- Individuel placering af lyskilden
- Lystemperaturen bevares ved dæmpning
- Justerbar lysfarve
- Lave produktionsomkostninger
- Højere lysmængde/chip
- Ekstremt få tidlige udfald
- Minimale dimensioner
- Ingen UV- eller IR-stråling
- Lavt strømforbrug
- Retningsbestemt lys – Lambert-udstråler med 120°-udstrålingsvinkel
- Høj farvemætning
Optimering af energiforbrug og besparelsesmuligheder med LED
Miljøbeskyttelse og stigende brændstofpriser er de to væsentligste argumenter for, at energibesparelser er mere i fokus end tidligere. Opmærksomheden ved nyindkøb af et køretøj er i dag klart på brændstofforbruget. Dog bliver det mht. besparelsesmuligheder ofte glemt, at køretøjets lys og lygter har indvirkning på køretøjets energibehov.
Ovenstående diagram viser fordelingen af det totale energibehov i et køretøj, der er udstyret med en kombination af glødepærer (baglygter) og halogenpærer (forlygter). Det er let at se, hvad der er den største strømforbruger. 60 % af den nødvendige energi bruges til nærlyset alene.
Allerede brugen af en kombination af xenon-lygter og LED'er medfører, at energibehovet kan reduceres med 39 %.
Hvis man kun benytter LED-lys, bliver energiforbruget mindsket med 60 %.
Brændstofbesparelse med en kombination af forskellige lyskilder
| Køretøjskonfiguration (forlygter/baglygter) | Brændstofforbrug [l/100 km] | CO2-emission [kg/100 km] | Reduktion |
|---|---|---|---|
| Halogen/konventionel | ~ 0,126 | ~ 0,297 | - |
| Xenon/LED | ~ 0,077 | ~ 0,182 | 39% |
| LED/LED (potentiale for 2015) | ~ 0,051 | ~ 0,120 | 60% |
Brændstofforbrug og CO2-emission ved gennemsnitlig driftstid for lygterne
| TFL-system | Brændstofforbrug [l/100 km] | CO2-emission [kg/100 km] | Reduktion |
|---|---|---|---|
| Halogen-forlygter | ~ 0,138 | ~ 0,326 | - |
| LED (separat TFL-funktion) | ~ 0,013 | ~ 0,031 | 91 % |
Yderligere brændstofforbrug og CO2-emission til kørelys (TFL)
| Sammenligning af lyskilder | Brændstofforbrug |
|---|---|
| Halogen-/glødepære-konfiguration | 0,10 – 0,25 l /100 km |
| Xenon-/LED-konfiguration | 0,05 – 0,15 l /100 km |
| Fuld-LED-konfiguration (potentiale for 2015) | 0,03 – 0,09 l /100 km |
Brændstofforbrug alt efter belysningskonfiguration (OE-bil)
Kortere standselængde - med LED på den sikre side
Antallet af motorkøretøjer vokser over hele verden. Den øgede trafiktæthed på vejene medfører flere og flere harmonikasammenstød. For at forhindre dem, er det vigtigt, at føreren kan opfatte lyssignaler hurtigt. Medens en normal glødepære bruger op til 0,2 sekunder til at tænde, reagerer en LED øjeblikkeligt. Den kræver ikke nogen opvarmningsfase og tænder straks, når der trædes på bremsen. Den bagvedkørende kan dermed reagere hurtigere på den forankørendes opbremsning.
Eksempel
To biler kører efter hinanden med en hastighed på 100 km/h (sikkerhedsafstand 50 m). Den forreste bil bremser, føreren af det bageste køretøj kan i kraft af de øjeblikkeligt lysende LED'er reagere i næsten samme øjeblik og ligeledes bremse. På denne måde forkortes standselængden med næsten 5 m. Det indebærer en enorm forbedring af sikkerheden.
LYGTEINDSTILLING AF LED-FORLYGTER MED AUDI A8 SOM EKSEMPEL: VEJLEDNING
Generelt kan LED-forlygter indstilles med et normalt lygteindstillingsapparat. LED-forlygter med kun en optisk linse (nærlys) behandles lige som andre forlygter med kun én lyskilde ved kontrol og indstilling af lysfordelingen. Der skal tages højde for et specielt forhold i forbindelse med visse forlygter med flere lyskilder. På grund af udformningen af en del forlygter er justeringsapparatets samlelinse ganske enkelt for lille til at opsamle det udsendte lys fra alle nærlysets LED'er. I sådanne tilfælde er det vigtigt at vide, hvilke LED'er der hører til de enkelte lysfunktioner.
Forlygter på Audi A8 - nærlys
Ved forberedelse af bilen skal fabrikantens anvisninger altid følges! Det ses klart i forbindelse med nærlyset på Audi A8. Som det allerede er anført, genererer tre lodret placerede LED'er både en symmetrisk og en asymmetrisk del af nærlyset.
Lysfordeling, indstilling
Derfor skal indstillingsapparatet rettes ind i forhold til disse linser. Hvis lygteindstillingsapparatet er rettet ind i henhold til forskrifterne, kan lysfordelingen indstilles på sædvanlig vis.