Светодиодные системы освещения на автомобильном рынке

Светодиоды находят применение не только в современном автомобильном освещении, но и во многих других приложениях. Снижение стоимости этих источников света и законодательное регулирование окажут большее влияние на рынок, чем дальнейшее совершенствование технологий твердотельного освещения. Статья является переводом Каролина Хейз (Caroline Hayes), пишущий редактор, журнал LEDs Magazine.

Светодиоды используются в освещении автомобильных салонов, панелей приборов и в фарах. Возможно, некоторые проекты расширят и сферу применения органических светодиодов (OLED), но пока эти проекты еще на стадии разработки. Другое дело — светодиоды: их внедрение, скорее всего, ограничивается не столько технологическими проблемами или характеристиками, сколько стоимостью и действующим законодательством.

Для освещения приборных панелей используются, как правило, мало- и среднемощные светодиоды — небольшие источники света в стандартных SMD-корпусах для пайки оплавлением на печатную плату. Например, компания Osram Opto Semiconductors недавно анонсировала семейство RGB-светодиодов MuLtiLED с синим свечением для освещения автомобильных салонов.

Однако для внешнего автомобильного освещения, как правило, применяются светодиоды большой мощности. В ассортимент многих компаний входят светодиоды, которые отвечают специфическим требованиям автомобильного освещения в условиях повышенной рабочей температуры. Светодиоды для заднего автомобильного освещения должны работать при 85°C, а в передних фарах — при 105°C.

Заметим для сравнения, что светодиоды во многих приложениях общего освещения работают в диапазоне 25-65°C, хотя его верхний предел может достигать 85°C в случае локальных потолочных светильников. Светодиоды для автомобильных приложений должны иметь продолжительный срок службы и обеспечивать надежность в экстремальных условиях эксплуатации. Например, светодиоды компании Philips LumiLeds соответствуют требованиям стандартов AECQ-101 и IEC 60810 для автомобильных приложений.

ВНЕДРЕНИЕ СВЕТОДИОДНОГО АВТОМОБИЛЬНОГО ОСВЕЩЕНИЯ
Являясь точечными источниками света, светодиоды находят широкое применение в приложениях для наружного освещения, например в фарах дневного света, которые автоматически включаются при движении машины. Однако переход на светодиодное освещение предполагает, что разработчики светотехнических изделий адаптируют их рабочие параметры в соответствии с жесткими условиями эксплуатации, характерными для автотранспорта, а инженеры-автомеханики учтут специфические требования твердотельного освещения.

Например, разработчики ИС светодиодных драйверов должны модифицировать их архитектуры, повысив степень интеграции и улучшив характеристики для построения более сложных систем электронного контроля и управления. Поскольку светодиоды потребляют меньший ток, необходимо также модифицировать стандартные электронные модули управления. Параметры этих модулей следует адаптировать под управление группами светодиодов с разными цветовыми коррелированными и рабочими температурами.

Светодиодные системы освещения на автомобильном рынке

Светодиоды в лампах для автомобильного освещения, как правило, установлены последовательно в виде цепочки, благодаря чему через них проходит одинаковый ток. Одна цепочка может содержать 6-20 источников света. Последовательное соединение предпочтительнее перед параллельным. Поскольку при параллельном соединении ток неодинаково распределяется между компонентами, у них разная яркость свечения. Чтобы ее выровнять, применяется фильтр, что повышает стоимость системы и усложняет ее. Яркость светодиодной цепочки не зависит от колебаний входного или прямого напряжений при протекании через нее стабилизированного тока.

Как правило, для управления светодиодами используется драйвер с вершенствованные светодиодные драйверы и DC/DC-преобразователи с более широким функционалом при той же стоимости, что делает их более доступными. Например, недавно компания Linear Technology выпустила светодиодный DC/DC-драйвер LT3795, который можно использовать в повышающей, повышающе-понижа-ющей и понижающих топологиях. Компания Texas Instruments, похоже, тоже считает, что драйверы расширят возможности светодиодов. Недавно она анонсировала светодиодный DC/DC-драйвер TPS92690 с поддержкой нескольких токовые автомобили фарами дневного света, принятым в феврале 2011 г., аналогичное требование в отношении всех грузовых машин и автобусов последовало в августе того же года, что повысило спрос на использование светодиодов. Принятию данного решения способствовала малая потребляемая мощность этих источников света.

Некоторые представители автомобильной промышленности поднимают вопрос о том, насколько экологичны эти решения Европейской комиссии. Однако сторонники указанных мер ссылаются на статистику, согласно которой фары дневного света потребляют всего лишь 25-35% энергии, потребляемой фарами дальнего света. При этом светодиодные фары сокращают эти показатели до 10%. Противники принятых мер заявляют о том, что свет от автомобильных фар в дневное время мешает водителям вовремя заметить пешеходов или велосипедистов, а также правильно определить дистанцию, что может привести к несчастным случаям.

Как бы то ни было, Европейская комиссия настояла на этих решениях, в результате чего машины стали ездить с включенными фарами даже в дневное время. По данным комиссии, новые законы позволили сократить число несчастных случаев в скандинавских странах, где зимой в северных районах дневное время ограничивается двумя-четырьмя часами.

СВЕТОДИОДНЫЕ ФАРЫ ДЛЯ АВТОМОБИЛЯ
Хотя светодиоды применяются в стоп-сигналах, фонарях заднего повышающей топологией, поскольку номинальное напряжение в автомобильных системах составляет 13,8 В или ниже в неустановившемся режиме. В драйверах с повышающей топологией имеется схема защиты от короткого замыкания, т.к. при авариях резко повышается вероятность возникновения электрической дуги из-за пролитого бензина. В настоящее время в этих устройствах также применяются топологии преобразования SEPIC (singLe-ended primary-inductor converter — преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью), что несколько усложняет решение и повышает общую стоимость системы. На рынке автомобильной электроники чаще стали появляться усопологий. Его можно использовать в архитектурах SEPIC, Cuk, а также в обратноходовой топологии. Это устройство, предназначенное для использования в противотуманных фарах и в общем освещении, обеспечивает малые электромагнитные помехи.

Светодиодные системы освещения на автомобильном рынке

РЕШЕНИЯ ЕВРОПЕЙСКОЙ КОМИССИИ
Существует немало причин, по которым светодиоды получили широкое распространение в автомобильном освещении. Законодательная власть играет значительную роль во внедрении светодиодного освещения в одних системах и исключении источников света в других приложениях.

Например, за решением Европейской комиссии оснастить все новые легхода, сигнальных указателях и для освещения салонов машин на протяжении уже нескольких лет, стандартные источники света только сейчас начинают уступать свои позиции в автомобильных фарах. Рисунок 3 иллюстрирует применение светодиодов семейства Osram Ostar в фарах головного света. Это приложение совершенствуется достаточно медленными темпами, главным образом, из-за ценовых преимуществ стандартных источников света по сравнению со светодиодами. В настоящее время только в автомобилях премиум-класса с повышенным комфортом установлены светодиодные фары головного света взамен галогенных или ламп накаливания. В качестве примера можно привести автомобили Audi A8 и R8, Lexus LS600h и RX450h, а также Porsche Cayenne.

Светодиодное освещение вносит немалый вклад в эстетический вид автомобиля. В частности, светодиоды с красивым синим свечением делают машины особенно привлекательными, подчеркивая, например, эффектные изгибы фар. Те качества, которые сделали светодиоды такими популярными для нужд внутреннего освещения, — малый форм-фактор, благодаря которому они устанавливаются в небольшие приборные панели, малая потребляемая мощность, а также высокий световой поток, позволяют применять их в автомобильном освещении.

Эти новые источники света замещают традиционные лампы и минимизируют использование металлических рефлекторов. В отличие от традиционных ламп, светодиоды излучают в относительно малом угле. Они почти не требуют технического обслуживания и служат на протяжении всего среднего срока эксплуатации автомобиля. Цветовая температура светодиодов для фар головного или дневного света составляет 5500 К, т.е. их излучение уменьшает нагрузку на глаза благодаря тому, что оно близко по характеристикам к дневному свету.

Светодиодные системы освещения на автомобильном рынке

СОКРАЩЕНИЕ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ
Благодаря малой потребляемой мощности светодиоды позволяют сократить расход топлива. Например, 30Вт светодиод эквивалентен 200-Вт лампе накаливания, установленной в фару головного света. Это преимущество дает возможность использовать светодиоды в электромобилях. В отличие от транспортных средств, работающих на газе, величина пробега электромобиля напрямую зависит от емкости аккумулятора двигателя.

Однако в отношении использования светодиодов в фарах дневного и головного света имеются ограничения: светодиоды должны надежно работать в жестких условиях эксплуатации и на сравнительно большой мощности (до 75 Вт) в корпусах фар ограниченного размера. Кроме того, типичной проблемой светодиодной системы освещения являются электромагнитные помехи.

Импульсные источники питания для светодиодов не применяются в задних габаритных огнях из-за малой мощности их потребления, но иначе обстоит дело с дополнительными фарами и фарами головного света, где светодиоды обеспечивают высокую эффективность. Именно в этих случаях необходимо снизить уровень электромагнитных помех.

АДАПТИВНОЕ ПЕРЕДНЕЕ ОСВЕЩЕНИЕ
В 2012 г. объем рынка светодиодных головных фар составил около 1 млрд долл. Ожидается, что в 2014 г. этот показатель увеличится в два раза. Такие заманчивые перспективы не могут остаться без внимания автопроизводителей. Светодиодные фары головного света увеличивают быстроту реакции водителя и, следовательно, безопасность вождения путем регулирования яркости света в зависимости от расстояния до приближающихся машин. Другими словами, система адаптивного переднего освещения позволяет избежать ослепления шоферов встречных машин фарами дальнего света, изменяя направление луча и силу света. Интеллектуальное регулирование света головных фар горячо обсуждается в отрасли.

Так, например, европейские производители автомобилей настаивают на внедрении систем адаптивного освещения с целью повышения безопасности езды, тогда как североамериканские, японские и корейские коллеги в целом относятся к этой идее достаточно прохладно. Например, световой поток новых фар головного света Matrix от компании Audi формируется 25 светодиодами, собранными в группы по пять штук, каждая из которых оснащена отражателем с линзой и работает под управлением бортового компьютера.

Новая технология позволяет регулировать свет, направленный на встречные и передние машины, движущиеся в том же направлении, а на участках дороги, не занятых другими транспортными средствами, использовать полную интенсивность светового пучка. Кроме того, электронная система с помощью видеокамеры дозирует яркость свечения светодиодов в зависимости от дорожной обстановки. Повсеместному распространению новой технологии освещения для обновленного автомобиля Audi А8, готовящегося к выпуску в Северной Америке, препятствует федеральное законодательство США от 1968 г., которое запрещает фары с активным управлением.

Светодиодные системы освещения на автомобильном рынкеСогласно закону, быстрое изменение светового потока с широкого на узкий является отвлекающим фактором. В настоящее время компании Audi, BMW, Mercedes-Benz, а также General Motors пытаются внести поправку в этот закон США на том основании, что он не учитывает те изменения в технологиях освещения, которые произошли за последние 45 лет. По мнению некоторых экспертов, фары головного света с регулируемым углом освещения пригодны для европейских водителей на горных дорогах, но для освещения американских прямых трасс эти фары не будут востребованы. Другим недостатком такой системы адаптивного освещения является необходимость использования микроконтроллеров и камер, что увеличивает ее сложность и уменьшает надежность в результате появления большего числа аппаратных и программных компонентов. При этом стоимость автомобиля увеличивается примерно на 2000 долл. Как бы то ни было, европейские производители полны решимости внедрить в автомобильное освещение интеллектуальные системы регулирования.

Например, компания Osram Opto Semiconductors при поддержке немецкого Федерального министерства образования и исследований координирует проект по микрофотонике с целью создания адаптивной системы переднего освещения. Этот проект, который стартовал в текущем году и должен завершиться в конце января 2016 г., предусматривает создание энергоэффективных светодиодных ламп. Излучение этих ламп будет лишено блеска, а управление дальним и ближним светом станет осуществляться с учетом скорости автотранспорта.

В условиях относительно медленного городского движения будет использовать более широкое освещение дороги фарами, позволяющее водителю лучше увидеть пешеходов и быстрее реагировать на потенциальную опасность. При быстрой езде система управления будет автоматически увеличивать дальность переднего освещения.

ПЕРСПЕКТИВЫ OLED-ОСВЕЩЕНИЯ В АВТОМОБИЛЯХ
Светодиодные системы освещения на автомобильном рынкеВозможность использования органических светодиодов в автомобильном освещении по-прежнему находится на уровне перспективных разработок. Так, например, компании Philips, Audi и Merck работают над совместным проектом с Кельнским университетом.

Цель этого сотрудничества — создание OLED-панелей для наружного освещения автомобиля. Компания Audi представила концепцию Swarm в новом OLED-освещении автомобилей. Эта технология позволяет формировать задние фонари и указатели поворота, которые изменяются в реальном времени в зависимости от действий водителя. Ожидается, что OLED-технология также найдет применение в подголовниках кресел и приборных панелях. В новом автомобиле Model S от компании Tesla в качестве центрального пульта используется 17-дюймовый сенсорный дисплей с одновременной поддержкой нескольких нажатий.

Энергосберегающий экран поставляется с операционной системой Linux и оснащается множеством функций, начиная с веб-обозревателя, навигационной системы Google Maps, сторонних приложений и заканчивая контролем над люком на крыше и кондиционером. Технология твердотельного освещения помогает автопроизводителям осуществить главную цель — снизить вес систем освещения, их энергопотребление и стоимость списка материалов. Со временем эта технология станет экономически эффективной, а небольшие усовершенствования в виде регулируемого цвета подсветки салона в зависимости от настроения пассажиров станут приятным дополнением к впечатлениям от путешествий.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
TRIAL NEWS