LED: a vöröstől a fehérig
A gépjárművilágítás fejlődésének története III.
2013/12. lapszám | Laász János | 5840 |
Figylem! Ez a cikk 11 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
LED (fénykibocsátó dióda), azaz félvezető anyagból készített fényforrás, amely az elektromos energiát közvetlenül fénnyé alakítja. Ez a jelenség a hidegen sugárzás, azaz elektrolumineszcencia, melyet Henry Joseph Round, angol elektromérnök írt le először 1907-ben, amikor egyenáramot vezetett át szilícium-karbidon (SiC) és fénykibocsátást észlelt. Az átalakítás során hőenergia is keletkezik, ez azonban nem vesz részt a fénykeltésben, viszont elvezetésével számolni kell. Inkoherens keskeny spektrumú fényt bocsát ki, az infravöröstől az ultraibolyáig terjedően a félvezető anyag összetételétől és az ötvözőitől függően.
A vörös és infravörös LED-ek jelentek meg elsőként. Ezeket követte a zöld, a sárga és kevert színként a narancssárga. A kék színű LED (Nakamura, 1991.) nagyon sokáig váratott magára, pedig csak a megjelenésével vált lehetővé a teljes színskála előállítása. A kék LED anyaga eleinte gallium-nitrid (GaN) vagy szilíciumkarbid (SiC) volt. Ma már erre a célra a kedvezőbb tulajdonságú indium-gallium-nitrid (InGaN) használatos, mivel 5-8-szoros fényáram érhető el ezzel az összetétellel a korábbi változatokhoz képest. A viszonylag keskeny sugárzási sáv ellenére is fennáll az a veszély, hogy a fénysűrűség, és a fény színe is megváltozik a LED-en átfolyatott áram erősségének változásának hatására. Ez a probléma még ugyanabból a gyártási sorozatból származó LED-ek esetében is felléphet, ami a frekventált helyeken történő alkalmazásukat erősen hátráltatja.
A fehér szín előállítása a kék színű LED megjelenésével vált lehetővé és a kutatások hangsúlya is erre helyeződött át. Két megoldást adódott: a színkeverés, ahol három különböző, kiegészítő (RGB = red-vörös + green-zöld + blue-kék) színű LED fényéből keverik ki a fehér színt. Ezek lehetnek egy tokon belül, illetve a három különböző színű dióda (háromchipes kivitel) egymáshoz nagyon közel azt feltételezve, hogy az emittált fényük az ember szemében integrálódva fehér fényt kever ki. A gyakorlatban viszont nem lehet megbízhatóan kivitelezni a szórások miatt. Azonban elektronikus szabályozással különböző változtatható színű háttérvilágításokra, esetünkben műszerfal, kijelzők megvalósításra tökéletesen alkalmas. Így a kutatások továbbra is a stabil fehér fényt kibocsátó, már nem csak háttér világításként, jelzőfényként, hanem megfelelő megvilágítást biztosító fényforrásként alkalmazható LED kialakítása felé összpontosultak.
A másik megoldáshoz gyakorlatilag a fénycsöveknél alkalmazott elv, a fénypor használata adta az ötletet. Az optikai lencsét képező, a chipet lefedő gyantába olyan lumineszcens anyagot keverni (vagy két rétegben zöld és vörös fénypor), amely kék színnel gerjesztve sárgát fényt sugároz ki. Az így gerjesztett sugárzás és az alap kék fény együttesen előállítja a fehér színt. Ezzel a megoldással sikerült azt is elérni, hogy az emittálódó fehér fény mindössze csak egyetlen változótól függ, mégpedig a kék LED által kibocsátott fény hullámhosszának kismértékű ingadozásától.
A LED megjelenése az autóiparban
A járműipar területén az eredetileg csupán háttérvilágítási és kijelzési célokra használt LED-ek, az utóbbi évtizedek kutatási eredményeinek köszönhetően, a stabil fehér fényt kibocsátó LED megjelenésével és megfelelő fényáram előállításával, ma már fényforrásként is komoly alternatívát jelentenek, vetélytársként jelentkeznek a hagyományos megoldásokkal szemben. Ezek a hatásfokban feljavított, korszerű LED-ek, azonos fényáram előállításához, csupán a töredékét használják fel izzólámpák által igényelt villamos energiának.
A jelentősen kevesebb tápáram egyben kisebb vezeték-keresztmetszetet is igényel. A működés közben keletkező hőmennyiségük lényegesen kisebb, mint az izzólámpáknál létrejövő. Élettartamuk, mivel nincs beépítve az a meghibásodási lehetőség, mint az izzólámpák használatakor (rezgő, izzított szál menet közben) 30-50 000 üzemóra. Figyelembe véve azt, hogy még ez sem jelent teljes meghibásodást, csak a fényáram körülbelül felére csökkenését, cseréjét vagy javítását a gyártók nem is tervezik. Más előnyei is vannak a LED-es moduloknak a gépjármű-világítás területén történő alkalmazásának. Nincs szükség a karosszérialemezeken a hagyományos nagyméretű kivágásokra a különféle lámpatestek részére, mert az SMD-(Surface Mounted Device) modulok felragaszthatók a karosszérialemezekre. Így a karosszériák biztonságosabbá válnak, könnyebben tervezhetők például merevségre, gyűrődési zónákra. A modulok tápellátását biztosító kábelcsatlakozáshoz is csak egy kisméretű furat szükséges a lemezen.
A frontvilágítás a legkritikusabb terület. A hagyományos kombinált fényvetők közös egységben oldják meg az irányjelző, a helyzetjelző, a tompított és a távfény létrehozását. Külön lámpatestben csak a ködfényszórók nagy része maradt. LED-et először, kihasználva a gyors fényfelfutást a harmadik féklámpánál építették be gépjárműbe. A tucatnyi sorba rakott LED 0,2 másodperccel hamarabb villan fel, mint a hagyományos izzók. Ez a fékútban 5 méter előnyt jelent az autópályán. A LED nem igényel hátsó tükröt, ami lehetővé teszi, hogy olyan rendkívül kicsi lámpatestek készüljenek, melyek a hátsó szélvédőre vagy akár a légterelőbe könnyen beépíthetők.
A már említett hagyományos LED-ek nem voltak képesek akkora fényáramra, hogy alkalmazhatók legyenek szélesebb körben is. A Hewlett Packard által 1996–ban bevezetett alumínium-indium- gallium-foszfid félvezető technológia hozta meg az áttörést. Ma már a legtöbb autógyár alkalmazza a LED-es fényforrásokat, nem csak a közlekedésbiztonsági, a napfényt megközelítő fénykibocsátása (1. ábra), valamint esztétikai szempontok, hanem az alacsony ára miatt is.
LED-es fényszórók
A LED-ek fokozatosan kerültek be a gépjárművek világításába. A belső világítások, a féklámpa, a menetfény, az irányjelző, a kombinált (xenon, LED) fényszórók és hátsófények, a tisztán LED-es hátsólámpák sorra jelentek meg. Az igazi kihívást a tisztán LED-es fényszórók jelentették. Mindenképpen meg kell említeni, hogy gyárilag, sorozat gyártott eszközökről beszélünk, amelyek még a LED-es megoldások gyors elterjedése és népszerűsége ellenére is leginkább a gépjárművek luxus kategóriájában találhatók meg.
A LED-es lámpák tekintetében a Hella, a fényforrások tekintetében pedig az Osram és a Philips játszott vezető szerepet. Elsők között jelenik meg a piacon Európában az Audi R8-ban (Automotive Lighting), tengerentúlon a Lexus LS 600H-ban és a Cadillac Escaladeban 2007-2008-ban. Hamarosan követte őket a Mercedes Benz is a CLS-, a BMW új 6-os típusában. 2010-2011-ben már kaphatók az AFS funkcióval is ellátott fényszórók. Itt azonban már szó sincs mechanikus forgó, mozgó alkatrészekről, számítógép vezérléssel alakul ki a fénykéve. A LED-es fényszórók felépítésükben, lámpatest kivitelben és optikai megoldásokban is különbözőek lehetnek. A fény irányítása lehet:
- visszaverődés,
- fénytörés,
- hibrid.
A BMW egyetlen, gyakorlatilag szabad formázású parabolatükrös fényszóróban helyezi el a LED-eket. A visszaverő felület felső része a tompított fény, alsó része pedig a távfény kialakításában vesz részt. Az Audi és az Opel viszont több projektoros lámpatestet használ, melyben a vetítés képét a bennük külön, külön elhelyezett LED-es fényforrás, a fényvisszaverő felület és a gyűjtőlencse határozza meg. Az adaptív LED-es lámpatesteknél a vetítés képét nem elforgatható blende, hanem mindig az adott világításhoz megfelelő és szükséges LED-ek számítógép által vezérelt ki- bekapcsolásával hozzák létre. Ezt összekapcsolva a beépített kamerával, olyan az adott forgalmi és időjárási helyzetnek megfelelő képet vetíthetünk az útra, amilyen szükséges.
Az Audi A8-nál például a tompított világítás 10 projektorlencséből áll. Minden modul a gépjármű előtti területnek a megvilágítását végzi. A nappali menetjelző a helyzet- és irányjelzővel egy egységben található (2. ábra). A LED impulzus szélesség modulálásával (PWM) gyakorlatilag fokozatmentesen csökkenthető a fényereje. Ezt kihasználva a világo-sötét határ geometriájának változtatása mellett, a kisebb fényerővel nappali menetfényként, helyzetezőként üzemelő LED sor az irányjelző bekapcsolásakor irányjelzőként, vagy féklámpaként is használható.
A számítógéppel történő finom, pontos szabályozás és irányítás, a lehető legkisebb áramfelvétel, a méretek miatt sokkal szabadabban tervezhető lámpatestformák és egyéb előnyök mellett, feltétlenül meg kell említeni az egyik legnagyobb hátrányt, az előbb említett kis áramfelvétel ellenére is fellépő melegedést. Ennek csökkentése érdekében a LED-es fényszórókba ma már hűtés is megjelenik.
LED-es jelzőlámpák
A hagyományos világítási rendszerek nem támogatják az adaptív jelzőrendszerek használatát. Közlekedés biztonsági szempontból pedig igen fontos lehet például a fékezés intenzitásáról, az esetleges vészfékezésről időben érkező információ, vagy a ködzárófény időjárási viszonyokhoz alkalmazkodó használat. LED-ek használatával megvalósítható az adaptív jelzőrendszer. A hátsó lámpa fényei a jelek fényintenzitásának változtatásával az aktuális körülményekhez igazíthatók. Például a féklámpa a fékezés erősségétől függően több fokozatban működtethető (3. ábra).
LED-es belső világítás
A műszerfal világítás eljutott a sok hagyományos izzós megvilágítástól, a LED-es megvilágításon át egy központi LED fényének optikai szálon való szétosztásáig, továbbításáig. Ez utóbbi irányvonal jellemző az utastér világítás megvalósítására is (4. ábra). Az optikai szálon történő fényelosztás történhet több fényforrással is. A Hella a BMW 7-es típusában vezette be a LED-es világítást az ajtókárpitba ágyazott világítórendszerként. A nyolc fényforrásból és négy olvasólámpából álló, a fényt optikai kábelen továbbító rendszert CELIS-nek nevezték el. Léteznek a komfortot fokozó megoldások is, mint például a környezet fényintenzitását felmérő és belső világítás fényerejét automatikusan ennek függvényében szabályozó, vagy a tanítható, mindig a gépjármű vezetője által beállított, kiválasztott világításra változó rendszerek.
A LEGÚJABB FEJLESZTÉSEK - A Mátrix fényrendszer
2012-ben prototípusokba építve az Opel már tesztelte az általa kifejlesztett intelligens Mátrix fényt, mely egy, az éjszakai autózást biztonságosabbá tevő világítórendszer. A rendszer lényege, hogy nem a tompított fény, hanem a forgalmi helyzetekhez automatikusan alkalmazkodó, vakításmentesen beállított távfény az alaphelyzet. Ezzel a megoldással az eddig alkalmazott technikáknál gyorsabban alkalmazkodik a fény a különböző forgalmi helyzetekhez. A visszapillantó tükör és a szélvédő között helyezkedik el az úgynevezett „Opel Eye” kamera, mely együtt dolgozik a Mátrix fénnyel. A kamera érzékelői által felismert, a gépjármű előtt haladó, vagy szembejövő járművet nem, viszont a környezetét erősen megvilágítja a rendszer. Így elkerülve az elvakítást minden más, a közlekedés biztonsága szempontjából fontos tárgy jól látható marad. (5-7. ábra)
Természetesen a Mátrix rendszerben kizárólag LED-eket alkalmaznak, ami rengeteg előnnyel jár. Ide tartozik a LED-es világításokra jellemző energiahatékonyság, mely sokkal jobb bármely más a gépjármű-világításban alkalmazott lámpáénál. Ami újdonság, hogy mindkét fényszóró 4-4 fényszegmensből áll, melyek szintén 4-4 külön- külön ki- és bekapcsolható fényforrást tartalmaznak, 16 különböző AFL kombinációs lehetőséget magukban hordozva. Ebből 256 féle a gépjármű vezető számára észrevétlen, folyamatos átmenetű beállítás adódik (8. ábra).
ADILIS – Advanced Infrared Lighting System
A gépjármű előtti távolabbi (ez lehet 150 méter is) területet az emberi szem számára láthatatlanul egy infravörös fényszóró „világítja” meg. A jármű előtt a hatótávolságon belül lévő objektumokról visszavert infravörös sugárzást egy kamera szürke képként felveszi és a kormány közelében található kijelzőn jeleníti meg, illetve a „Head-Up-Display” segítségével ezt a képet a szélvédőre kivetíti.
A Cadillac már több mint egy évtizede használ hasonló, Night Vision nevű éjjellátó készüléket, illetve a Mercedes S osztályú gépjárműveit 2005-ben felszerelték infravörös éjjellátó berendezéssel, melyeknek működése a környezet infravörös sugárzásának érzékelésén alapul.
Smart fényszóró, az okos fényszóró – „átlát” az esőn, havon
A balesetek körülbelül 25%-a rossz időjárási körülmények között történik. Különösen veszélyes, amikor a fényszórónak a lehulló esőről, hóról visszaverődő fénye elvakítja a gépjármű vezetőjét. A jelenleg kutatás és fejlesztés alatt álló rendszer projektorból, fényelosztó prizmából és kamerából áll. A gépjárművezetője számára észrevehetetlen idő alatt (kb. 15 milliszekundum) a kamera érzékeli a lehulló csapadékot, továbbítja a fedélzeti számítógépnek, az általa kiszámított adatok alapján a projektor kiszűri a reflektor által kibocsátott fénysugár azon elemeit, melyek visszaverődnének a hópelyhekről, vagy az esőcseppekről (10. ábra). A rendszer fejlesztése a nagyobb sebességeknél történő működésre koncentrálódik, mivel a pontossága 100 km/h-nál már csak 15-20%-os. Bevezetése a kutatók szerint 3-4 év múlva várható.
