Reflektory diodowe

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.

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.

Podstawy technologii diodowej – definicja, konstrukcja i sposób działania diod led

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.

Wzór do obliczania rezystancji wstępnej RV

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.

Możliwości wysterowania diod LED — Możliwości wysterowania diod świecących

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.

Podstawowe właściwości

Trwałość – wpływ temperatury na trwałość
Mianem trwałości lub degeneracji światła diody świecącej jest określany czas świecenia diody do momentu, w którym jej zdolność oświetleniowa spadnie do połowy początkowej wartości. Sprawność diody świecącej zależy od wielu czynników. Są to między innymi użyty materiał półprzewodnikowy oraz warunki eksploatacji lub degeneracja kryształu krzemu.

Nie ma jednak ogólnej możliwości określenia rzeczywistej trwałości. O ile standardowe diody świecące mają trwałość do 100 000 godzin, to diody wysokiej mocy osiągają w przybliżeniu tylko jedną czwartą do połowy tej żywotności (od 25 000 do 50 000 godzin). Przy ciągłej, nieprzerwanej eksploatacji diody standardowe mogą pracować przez jedenaście lat, natomiast diody o wysokiej mocy przez przez ok. dwa lata.

Trwałość zależy w dużej mierze od miejsca użytkowania i gęstości doprowadzanego prądu. Bowiem przy wyższym przepływie prądu następuje większe nagrzewanie diody. Powoduje to skrócenie trwałości. Także temperatura otoczenia ma znaczenie dla trwałości, ponieważ im jest wyższa, tym częściej dioda ulega awariom. W przypadku wszystkich diod obowiązuje zasada, że natężenie promieniowania świetlnego spada w sposób ciągły z biegiem czasu. Jest to zaleta, ponieważ inaczej niż w przypadku zwykłych lamp (z żarówkami, halogenowych), przy stosowaniu diod LED nie ma ryzyka, że nagle światło zgaśnie. Nawet jeżeli zdolność oświetleniowa stopniowo spada, to w normalnych warunkach dzieje się to powoli. Stosowane w przypadku większości diod świecących tworzywa sztuczne, z których wykonane są soczewki, ulegają zmętnieniu z upływem czasu, co ma również ujemny wpływ na wydatek światła.

Główne czynniki wpływające na trwałość diody

Temperatura
Gęstość prądu
Degeneracja kryształu krzemu

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.

Kompetencja w technice oświetleniowej na najwyższym poziomie

Od 2010 r. pojazdy Audi A8 można nabyć alternatywnie z całkowicie diodowymi reflektorami. Dziesięć soczewek projekcyjnych zapewnia doskonałe światła mijania. Również światła do jazdy dziennej wyróżniają się możliwością kombinowania z kierunkowskazami i światłami pozycyjnymi. Funkcje AFS zapewniają indywidualne dopasowanie funkcji oświetlenia do aktualnych warunków, gdyż możliwe jest wyłączanie bądź włączanie poszczególnych diod świecących. W czasie podróży po krajach z ruchem lewostronnym określone diody świecące są wyłączane. Wskutek zastosowania technologii diodowej konstrukcja reflektorów jest bardzo skomplikowana. W porównaniu do konwencjonalnych reflektorów znacznemu zwiększeniu uległa liczba ich elementów.

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).

Światła do jazdy w złych warunkach pogodowych

Światła do jazdy dziennej i sygnały świetlne

Prezentacja funkcji oświetleniowych

W reflektorze LED w Audi A8 poszczególne funkcje oświetleniowe są generowane przez różne moduły diod LED. W zależności od sytuacji drogowej moduły zostają włączone lub wyłączone.

Połączone moduły świetlne generują światło

Zarządzanie temperaturą

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

Żebrowane radiatory
Wtykowe radiatory
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.

Zalety diod LED

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.

Zapotrzebowanie energii 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.

Zastosowanie połączenia lamp ksenonowych i diod LED — Wystarczy zastosować połączenie lamp ksenonowych i diod świecących, aby zredukować zapotrzebowanie na energię o 39%.

Wykorzystanie oświetlenia diodami LED — 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)

Ilustracja poglądowa dotycząca skrócenia drogi hamowania dzięki diodom LED

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

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 światła reflektorów diodowych na przykładzie samochodu Audi A8

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.

Urządzenie do ustawiania reflektorów – ukierunkowanie na soczewkę

Nie, w niczym mi nie pomógł

Tak, okazał się pomocny

Wyszukiwarka części zamiennych

Ręczna identyfikacja pojazdu Nr OE Części uniwersalne

Główny producent

Inni producenci

Wyszukiwarka części zamiennych

Prosta identyfikacja pojazdu za pomocą numeru KBA Określ części zamienne za pomocą numerów OE Szczegółowe informacje o produkcie Znajdź najbliższego dystrybutora