Podstawy technologii diodowej – definicja, konstrukcja i sposób działania diod LED
Reflektory diodowe
W tym miejscu znajdziesz pożyteczną wiedzę i ważne wskazówki dotyczące reflektorów diodowych w pojazdach.
W nowoczesnych samochodach diody LED coraz częściej wypierają klasyczne żarówki. Zapewniają one nie tylko większy wydatek światła i wyższe bezpieczeństwo, lecz także wiele możliwości projektowania oraz wysoki potencjał oszczędności energii. Osoby zainteresowane techniką mogą zaspokoić tu swoje pragnienie wiedzy o podstawach działania oświetlenia diodowego w pojazdach. Ponadto informujemy tutaj, czego należy przestrzegać przy ustawianiu nowoczesnych reflektorów diodowych.
Wskazówka dotycząca bezpieczeństwa
Poniższe informacje i porady praktyczne zostały przygotowane przez firmę HELLA w celu zapewnienia profesjonalnego wsparcia dla warsztatów samochodowych. Informacje udostępnione na tej stronie internetowej powinny być wykorzystywane tylko przez odpowiednio wykwalifikowany personel.
SPIS TREŚCI
PODSTAWY TECHNOLOGII DIODOWEJ – DEFINICJA, KONSTRUKCJA I SPOSÓB DZIAŁANIA DIOD LED: PODSTAWY
Dioda świecąca jest nazywana także diodą luminescencyjną lub w skrócie LED. LED to skrót od angielskiego pojęcia „Light Emitting Diode”, oznaczającego diodę elektroluminescencyjna, gdyż zamienia ona energię elektryczną na światło. Z punktu widzenia fizyki dioda jest źródłem zimnego światła i półprzewodnikiem stanowiącym element konstrukcyjny optoelektroniki, która pod względem przewodności plasuje się między przewodnikami (np. metalami, wodą, grafitem) a nieprzewodnikami (np. szkłem, drewnem).
Konstrukcja
W zależności od zapotrzebowania, diody świecące są dostępne w różnych rozmiarach, wzorach i kolorach. Wariant klasyczny (standardowy LED) ma kształt cylindra i w miejscu powstawania światła jest zamknięty półkulą.
Proste diody świecące składają się z następujących elementów:
- Chip LED
- Obudowa odbłyśnika (kontakt z katodą)
- Złoty przewód (kontakt z anodą)
- Soczewka z tworzywa sztucznego (łączy i ustala elementy konstrukcyjne)
Mała i wytrzymała – dioda wysokiej mocy
Diody wysokiej mocy posiadają duży element metalowy, zapewniający lepszą regulację temperatury. Dzięki lepszemu odprowadzaniu ciepła, przez diodę może przepływać większy prąd, emisja światła następuje na większej powierzchni, a moc światła jest wyższa. W porównaniu do zwykłej diody świecącej 5 mm, opór cieplny został dziesięciokrotnie zmniejszony. W praktyce oznacza to, że dioda wysokiej mocy – na przykład dioda Luxeon Rebel – posiada kwadratową powierzchnię emisji o boku ok. 1 mm przy sprawności około 40 do 100 lumenów. Moc zwykłej diody świecącej 5 mm zupełnie przy tym blednie. Przy wielkości 0,25 mm i mocy poniżej 0,1 W oraz natężeniu prądu wynoszącym 20 do 30 mA osiąga ona stopień sprawności tylko 1 do 2 lumenów.
Mała i płaska konstrukcja diod świecących zapewnia większą swobodę wzorniczą dla nowoczesnych i przyszłościowych produktów, takich jak na przykład moduły świateł do jazdy dziennej „LEDayFlex” do samochodów osobowych oraz pojazdów ciężarowych i kempingowych.
Formy konstrukcyjne
Występują różne typy i wzory diod świecących. W zależności od zastosowania różnią się one konstrukcją, mocą i trwałością. Najważniejsze rodzaje diod świecących to:
Przewlekane diody elektroluminescencyjne
Prekursorem wszystkich diod świecących są przewlekane diody elektroluminescencyjne, stosowane przede wszystkim jako lampki kontrolne. W zestawieniu kilku diod świecących są one dzisiaj stosowane jako spoty LED, lampy prętowe, lampy modułowe lub lampy rurowe. Są one dostępne w rozmiarach 3, 5 i 10 mm. Katoda, czyli biegun ujemny przewlekanej diody elektroluminescencyjnej jest krótsza od anody (bieguna dodatniego), a płaszcz z tworzywa sztucznego jest spłaszczony. Kąt promieniowania światła jest określany przez soczewkowaty kształt obudowy.
SuperFlux
Większą moc od przewlekanych diod świecących mają diody SuperFlux, wyposażone nawet w cztery czipy (kryształy półprzewodnikowe). Do najczęściej stosowanych modeli należą „Piranha” i „Spider”. Odznaczają się one większym kątem promieniowania światła i są stosowane zwłaszcza do oświetlania powierzchniowego, gdyż światło jest rozsyłane w jednej płaszczyźnie. Dobre odprowadzanie ciepła zapewniają cztery styki, które można indywidualnie wysterowywać. Konstrukcja diody High Flux zapewnia wysoką trwałość i powoduje, że są to wydajne źródła światła o uniwersalnym zastosowaniu.
SMD
Skrót SMD oznacza „Surface Mounted Device”, czyli diody montowane powierzchniowo. Diody SMD składają z reguły z trzech do czterech czipów i posiadają styki do lutowania, które zostają przylutowane do odpowiedniej płytki obwodu drukowanego lub powierzchni przyłączeniowej. Są one względnie niewrażliwe na natężenie prądu, dzięki czemu mogą intensywnie świecić. Wykonania diod świecących typu SMD są bardzo różnorodne. Wielkość, kształt obudowy i natężenie strumienia światła mogą być indywidualnie dobierane. W zestawieniu z innymi diodami SMD są one stosowane nadaj jako diodowe lampy prętowe lub lampy modułowe. W przemyśle motoryzacyjnym znajdują one przede wszystkim zastosowanie w światłach kierunkowskazów, hamowania lub do jazdy dziennej.
High Power
Diody świecące High Power to mocne i odporne diody, które w optymalnych warunkach pracy mogą być zasilane prądem do 1000 mA. Są one najczęściej stosowane na płytkach obwodów drukowanych z rdzeniem metalowym. Ich nietypowy kształt powoduje zwiększone wymagania w zakresie zarządzania temperaturą.
COB
Diody „Chip On Board” (COB) stanowią najwyższy stopień ewolucji diod świecących. Ich nazwę zawdzięczają one faktowi, że są mocowane bezpośrednio na płytce obwodu drukowanego. Następuje to przez „grupowanie”, przy czym pojedyncze czipy są całkowicie automatycznie mocowane na pozłacanej płytce obwodu drukowanego. Połączenie z przeciwległym biegunem jest wykonywane złotym lub aluminiowym drutem. Ponieważ w przypadku diod świecących COB nie są stosowane ani odbłyśniki, ani soczewkowe układy optyczne, kąt wypromieniowania światła jest bardzo duży. Największe zalety technologii COB to ich wysoka moc światła, homogeniczne oświetlenie oraz szeroki zakres zastosowania.
Z jakich elementów składa się dioda świecąca?
Podstawowe elementy diody świecącej to kilka warstw złączy półprzewodnikowych. Półprzewodniki, jak np. krzem, to substancje charakteryzujące się przewodnością elektryczną mieszczącą się pomiędzy przewodnikami, takimi jak metale srebro czy miedź, a nieprzewodnikami (izolatorami), jak np. teflon czy szkło kwarcowe. Przez odpowiednie dodanie obcych substancji czynnych elektrycznie (domieszkowanie) można wywrzeć silny wpływ na przewodność półprzewodników. Warstwy półprzewodników tworzą razem chip diody świecącej. Od sposobu i rodzaju skomponowania tych warstw (różnych półprzewodników) w decydujący sposób zależy wydatek światła (wydajność) diody świecącej oraz kolor jej światła.
Jeśli w diodzie świecącej prąd płynie w kierunku przepływu (od anody + do katody -), generowane (emitowane) jest światło.
Domieszkowana warstwa typu n jest w taki sposób preparowana obcymi atomami, że liczba elektronów jest za duża. W domieszkowanej warstwie typu p dostępne są tylko nieliczne nośniki ładunku. W ten sposób powstają tak zwane dziury elektronowe. W wyniku przyłożenia napięcia elektrycznego (+) do warstwy typu p i (–) do warstwy typu n nośniki ładunku zaczynają się poruszać, kierując się do przeciwnego ładunku. Przy przejściu z warstwy p do n następuje rekombinacja (ponowne połączenie elementów o przeciwnych ładunkach w neutralne cząsteczki). W trakcie tego procesu uwalniana jest energia w formie światła.
Właściwości elektryczne – dlaczego za duży prąd jest szkodliwy
Po przyłożeniu napięcia do diody świecącej jej rezystancja spada do zera. Diody świecące są bardzo wrażliwymi elementami, w przypadku których nawet najmniejsze przekroczenie dopuszczalnego natężenia prądu powoduje ich zniszczenie. Dlatego koniecznie należy zwracać uwagę na to, aby nigdy nie podłączać diod świecących bezpośrednio do źródła napięcia. Można je podłączać dopiero po zintegrowaniu w obwodzie ogranicznika prądu lub rezystora wstępnego. W przypadku diod świecących wysokiej mocy wysterowanie jest realizowane przez elektroniczny moduł sterujący, dostarczający stałego natężenia prądu.
Ilustracja obok pokazuje obwód elektryczny, wymagany do zapewnienia optymalnego działania diody świecącej. W tym przypadku stosowany jest rezystor wstępny jako ogranicznik, kontrolujący prąd przepływu IF przez diodę świecącą. Aby odpowiednio dobrać rezystor, należy wcześniej określić napięcie w kierunku przewodzenia.
W celu obliczenia rezystora wstępnego RV potrzebne jest napięcie całkowite, napięcie w kierunku przewodzenia i prąd przepływu.
Obwód elektryczny
Wzór do obliczania rezystancji wstępnej RV
Wysterowanie diod świecących
Ponieważ zapotrzebowanie diod świecących na prąd jest bardzo niskie, zaczynają one świecić już po odebraniu nawet tylko ułamkowych części dozwolonego prądu przepływu (kilka mA). Często wystarcza to już do zapewnienia wystarczającego oświetlenia. Jak już wspomnieliśmy wcześniej, w zależności od zastosowania dostępne diody świecące można zasilać w różny sposób.
Możliwości wysterowania diod świecących
Przyszłość technologii diodowej – optymalne oświetlenie pojazdu
Ze względu na wysokie koszty nabycia technologia diod świecących była do tej pory dostępna tylko w segmencie pojazdów klasy premium, lecz w dłuższej perspektywie będzie także stosowana w innych segmentach. Poza aspektem ekonomicznym za seryjnym montażem diod świecących przemawiają bowiem względy techniczne.
Diody świecące przekonują funkcjonalnością, osiągami technicznymi i optymalnymi wynikami oświetlenia. Pomagają one oszczędzać zasobów energetycznych i zapewniają wyższe bezpieczeństwo w ruchu drogowym. Ponadto ich zbliżony do światła dziennego kolor zapewnia przyjemny i subiektywnie lepsze postrzeganie oświetlenia.
W dłuższej perspektywie rynek opraw oświetleniowych i reflektorów z diodami świecącymi będzie się rozwijał w dwóch kierunkach. Z jednej strony na znaczeniu zyska segment premium, wymagający wysokiej sprawności i doskonałej energii świetlnej. Z drugiej strony będzie kładziony nacisk na aspekt ekonomiczny i ekologiczny, którego warunkiem — poza mniejszym zużyciem energii — jest stosowanie rozwiązań korzystnych pod względem kosztów. Nowoczesne, funkcjonalne i ekonomiczne diody świecące oferują wiele możliwości.
Różne optyki diod świecących w samochodach
Istnieją różne metody kierowania światła. Do najważniejszych metod w oświetleniu samochodowym należy odbijanie, załamywanie i techniki hybrydowe (połączenie odbijania i załamywania).
Przykładowe techniki kierowania światła
Połączone moduły świetlne generują światło
Ponieważ zapotrzebowanie diod świecących na prąd jest bardzo niskie, zaczynają one świecić już po odebraniu nawet tylko ułamkowych części dozwolonego prądu przepływu (kilka mA). Często wystarcza to już do zapewnienia wystarczającego oświetlenia. Jak już wspomnieliśmy wcześniej, w zależności od zastosowania dostępne diody świecące można zasilać w różny sposób. Na ilustracji obok zostały przedstawione trzy możliwości.
ZARZĄDZANIE TEMPERATURĄ: PODSTAWY
Zarządzanie temperaturą odgrywa decydującą rolę podczas użytkowania diod świecących, ponieważ odpowiedzialne za to elementy konstrukcyjne bardzo wrażliwie reagują na ciepło.
Diody świecące są zimnymi źródłami światła, emitującymi co prawda światło, któremu nie towarzyszy praktycznie żadne promieniowanie ultrafioletowe lub podczerwone. Emitowane światło jest odczuwane jako zimne i nie nagrzewa naświetlanych obiektów. Jednakże sam proces wydzielania światła nagrzewa diodę świecącą. Do 85% energii jest zamieniane na ciepło. Im niższa jest temperatura, tym jaśniej i dłużej świeci dioda świecąca. Dlatego należy bezwzględnie zwracać uwagę na odpowiednie chłodzenie. Oprócz ciepła wytwarzanego przez diody, w reflektorach lub lampach konieczne jest uwzględnienie także innych źródeł ciepła, takich jak np. ciepło silnika, promieniowanie słoneczne itp. Dlatego w zależności od diod świecących i ich zastosowania wykorzystywane są dzisiaj różne sposoby zwiększania przewodzenia lub odprowadzania ciepła.
Przykłady
a) Żebrowane radiatory
b) Wtykowe radiatory
c) Radiatory z „,rurką cieplną”’
Ponadto istnieje możliwość regulacji prądu doprowadzanego do diod świecących. W ekstremalnych warunkach można zmniejszyć moc diod LED do określonego poziomu, aby zapobiec wytwarzaniu ciepła. W celu poprawienia chłodzenia cyrkulacja powietrza zostaje zwiększona przez wentylatory osiowe lub promieniowe, umieszczone między elementami radiatorami.
Żebrowane radiatory
Wentylator osiowy w samochodzie Audi A8
ZALETY DIOD LED: PORÓWNANIE
Diody świecące są przekonujące pod wieloma względami Co prawda ich cena jest wyższa od zwykłych żarówek lub żarników halogenowych, lecz ich wykorzystanie amortyzuje się już po krótkim czasie. Zwłaszcza przemysł motoryzacyjny korzysta z pozytywnych własności diod świecących, montując je coraz częściej w nowych pojazdach ze względu na następujące zalety:
| Źródło światła | Strumień świetlny [lm] | Wydajność [lm/W] | Temperatura barwy [K] | Luminancja [Mcd/m²] |
|---|---|---|---|---|
| Standardowa żarówka W5W | ~ 50 | ~ 8 | ~ 2700 | ~ 5 |
| Lampa halogenowa H7 | ~ 1100 | ~ 25 | ~ 3200 | ~ 30 |
| Lampa wyładowcza D2S | ~ 3200 | ~ 90 | ~ 4000 | ~ 90 |
| Dioda świecąca 2,5 W | ~ 120 (2010) ~ 175 (2013) | ~ 50 (2010) ~ 70 (2013) | ~ 6500 | ~ 45 (2010) ~ 70 (2013) |
Podstawowe zalety
- Niskie zużycie energii
- Wysoka trwałość
- Odporność na uderzenia i drgania
- Zmniejszone wytwarzanie ciepła
- Brak kosztów konserwacji i czyszczenia
- Nie zawierają rtęci
- Skuteczna redukcja olśnienia
- Możliwość włączania i modulowania bez występowania bezwładności
- Emitują światło wysokiej jakości
- Różnorodne formy konstrukcyjne (możliwość zastosowania prawie wszędzie)
- Indywidualny układ źródła światła
- Przy ściemnieniu temperatura światła pozostaje zachowana
- Możliwość regulacji barwy światła
- Niskie koszty produkcji
- Zwiększona ilość światła na czip
- Bardzo mała liczba uszkodzeń w okresie początkowym
- Minimalne rozmiary
- Niskie promieniowanie ultrafioletowe lub podczerwone
- Niski pobór mocy
- Kierunkowe źródło światła – promiennik Lamberta o kącie promieniowania 120°
- Wysokie nasycenie barwy
Optymalizacja zużycia energii i oszczędności dzięki zastosowaniu technologii diod świecących
Ochrona środowiska i wzrastające ceny paliwa to dwa podstawowe argumenty, dlaczego temat oszczędzania energii jest dziś tak aktualny. Przy nabywaniu nowego pojazdu podstawowy nacisk jest jednoznacznie kładziony na zużycie paliwa. Lecz zbyt często zapomina się przy tym o potencjale oszczędności, kryjącym się w zapotrzebowaniu energii przez oświetlenie pojazdu.
Powyższa ilustracja przedstawia 100% zapotrzebowania pojazdu wyposażonego w kombinację żarówek (lamp tylnych) i lamp halogenowych (reflektorów). Wyraźnie widać najbardziej prądożerne odbiorniki. 60% wprowadzonej energii jest zużywane tylko przez światła mijania.
Wystarczy zastosować połączenie lamp ksenonowych i diod świecących, aby zredukować zapotrzebowanie na energię o 39%.
Przy zastosowaniu wyłącznie oświetlenia diodami świecącymi zużycie energii zostaje zmniejszone o 60%.
Oszczędność paliwa przy połączeniu różnych źródeł światła
| Konfiguracja pojazdu (reflektor/lampa tylna) | Zużycie paliwa [l/100 km] | Emisja CO2 [kg/100 km] | Redukcja |
|---|---|---|---|
| Halogen/oświetlenie konwencjonalne | ~ 0,126 | ~ 0,297 | - |
| Ksenon/diody świecące | ~ 0,077 | ~ 0,182 | 39% |
| Diody świecące/diody świecące (potencjał na rok 2015) | ~ 0,051 | ~ 0,120 | 60% |
Zużycie paliwa i emisja CO2 przy przeciętnym czasie pracy oświetlenia
| System świateł do jazdy dziennej | Zużycie paliwa [l/100 km] | Emisja CO2 [kg/100 km] | Redukcja |
|---|---|---|---|
| Reflektory halogenowe | ~ 0,138 | ~ 0,326 | - |
| LED (oddzielna funkcja świateł do jazdy dziennej) | ~ 0,013 | ~ 0,031 | 91 % |
Dodatkowe zużycie paliwa i emisja CO2 dla świateł do jazdy dziennej (TFL)
| Porównanie źródeł światła | zużycie paliwa |
|---|---|
| Konfiguracja lamp halogenowych/żarówek | 0,10 do 0,25 l/100 km |
| Konfiguracja ksenon/diody świecące | 0,05 do 0,15 l/100 km |
| Konfiguracja wyłącznie z oświetleniem diodami świecącymi (potencjał na rok 2015) | 0,03 do 0,09 l/100 km |
Zużycie paliwa w zależności od konfiguracji oświetlenia (samochód ciężarowy producenta OEM)
Skrócenie drogi hamowania – diody świecące zwiększają bezpieczeństwo
Liczba zarejestrowanych pojazdów na świecie ciągle rośnie. Zwiększone natężenie ruchu drogowe powoduje coraz częstsze wypadki. Aby im zapobiec, ważna jest szybka reakcja kierowcy na sygnały świetlne. O ile konwencjonalna żarówka potrzebuje do zaświecenia aż do 0,2 sekundy, dioda świecąca reaguje natychmiast. Nie potrzebuje fazy nagrzewania i świeci natychmiast po naciśnięciu pedału hamulca. Pojazd z tyłu może więc szybciej zareagować na hamowanie poprzedzającego pojazdu.
Przykład
Dwa samochody jadą z prędkością 100 km/h jeden za drugim, zachowując bezpieczny odstęp wynoszący 50 m. Pojazd jadący z przodu hamuje, a dzięki natychmiastowemu zaświeceniu diod świecących kierowca nadążającego pojazdu może zareagować praktycznie w tym samym momencie i zacząć hamowanie. W ten sposób droga hamowania ulega skróceniu o prawie 5 m, co oznacza ogromny wzrost bezpieczeństwa.
REGULACJA REFLEKTORÓW DIODOWYCH NA PRZYKŁADZIE SAMOCHODU AUDI A8: INSTRUKCJA
Typowo regulacja reflektorów diodowych jest możliwa przy użyciu konwencjonalnego urządzenia do ustawiania reflektorów. Reflektory diodowe z tylko jedną soczewką optyczną (światła mijania) są traktowane podczas sprawdzania i ustawiania rozdziału światła w taki sam sposób, jak inne reflektory z tylko jednym źródłem światła. W przypadku niektórych reflektorów z kilkoma źródłami światła należy zwracać uwagę na pewną cechę szczególną. Ze względu na kształt niektórych reflektorów soczewka zbiorcza urządzenia do ustawiania reflektorów jest po prostu za mała, aby być w stanie objąć strumień światła emitowany przez wszystkie diody świecące (światła mijania). W takich przypadkach konieczna jest informacja, która dioda świecąca odpowiada za jaką funkcję oświetleniową.
Reflektory Audi A8 – światła mijania
Podczas przygotowywania pojazdu bezwzględnie przestrzegać wskazówek producenta. Widać to wyraźnie w przypadku świateł mijania samochodu Audi A8. Jak opisano wcześniej, trzy pionowo ustawione diody świecące generują zarówno symetryczną, jak i asymetryczną część świateł mijania.
Ustawianie rozkładu światła
Dlatego urządzenie do ustawiania musi zostać ustawione na te soczewki. Jeżeli urządzenie zostało ustawione zgodnie ze wskazówkami, rozkład światła można ustawić w normalny sposób.
Czy ten artykuł jest dla Ciebie pomocny?
Nie, w niczym mi nie pomógł
Tak, okazał się pomocny