VeLED vagy nélküled. Világítástechnika

Átírás

1 VeLED vagy nélküled Hosszú út vezetett a karbidlámpától a világítódióda fényforrásokkal szerelt gépjármű-világításig. Ez hellyel-közzel 100 év. A világítódiódákat, a LEDeket az autótechnikában, mint a XXI. század fényforrását jelölik meg. A dolog érdekessége, hogy a LED maga is 100 éves. Az első észlelettől hosszú út vezetett a mai nagy teljesítményű, fehér fényt emittáló világítódiódákig, és még hosszabb út az első szériagyártású reflektort is magába foglaló teljesen LED-es fényvetőegységig. Napjainkban szinte minden nagyobb fényszóró- és gépkocsigyártó foglalkozik a LED-es autófényszóró fejlesztésével. Így tehát a LED címben foglalt két fajtájából ma már egyértelmű, hogy a veled lesz a nyerő. Szerkesztőségünk meghívást kapott a Hella Hungária Kft. közvetítésével a Hella cégtől Lippstadtba, az éves nemzetközi sajtótájékoztatóra. Az idei sajtótájékoztató világpremierrel szolgált, szakmai mélységeiben is bemutatták a Hella által készített, első sorozatgyártású modellbe kerülő teljesled-es fényvetőegységet. Az autó az USA piacára kerülő Cadillac impozáns modellje, az Escalade Platinum. Ennek apropóján járjuk körül az autókban felhasználható, a világítást valóban forradalmasító LED fényforrást és fényvetőket. A jár- A formatervezés szabadsága Szerkezeti elemek száma Színhőmérséklet csekély közepes nagy sárga LED Xenon Halogén művilágítás fejlesztése, mint tudjuk, egyrészről a fényforrás, másrészről a fénykéve képzését, irányítását adó fényvető fejlesztéséből áll öszsze. A kettő egymástól jobbára elválaszthatatlan, hogy abból sikeres végtermék lehessen. A Hella a fényforrások fejlesztőivel, gyártóival együttműködve a fényvetőegység tervezésében, vizsgálatában és gyártásában áll a világ élvonalában. A Hella a Cadillac Escalade Platinum-modellnél az Osram Opto Semiconductor nagy teljesítményű LED-jeit használja, de együtt dolgozik a LumiLeds, a Nichia és a Stanley cégekkel is. A teljesled fényvetőgyártásban pedig a Hella, a jelenlegi éves 14 ezres kék nappali fény darabszámmal, első a világon. A Hella első, teljesled fényvető konstrukciója mint prototípus, Élettartam 2005-ben, az Opel Signum-modellben jelent meg. A vélemény már akkor az volt, hogy legalább, Energiafogyasztás ha nem jobb, mint a xenon. A látási igény teljesülése nagyfokú, a látáskomfort 1. ábra mindenképpen kellemesebb, mely alatt a megszokott, a nappali fényhez közel álló megvilágítást, kontrasztot, színfelismerést értették. Miért éppen egy USA-modell szolgál az első szériabeépítésre? Az európai előírás minden olyan fényforrás esetében (mindegy, hogy xenon vagy LED), amelynek 2000 lumen feletti a fényárama, mosóberendezést és előrevilágítás-szabályozó állítórendszer beépítését teszi kötelezővé. Az USA előírása, a Federal Motor Vehicle Safety Standards 108 (FMVSS) ilyen követelményeket nem ír elő, ezért vált lehetővé először az USAban a teljesled fényvető sorozatgyártású modellbe való beépítése. A LED-fényszórókra vonatkozó európai ENSZ EGB, illetve EU-előírás megszületését ez év harmadik negyedére várják. Addig is kerülhet piacra LED-fényszóróval jármű Európában, mint arra van is példa (Audi R8), ha arra külön engedélyt kap. Az előzmények A Hella mind a személy-, mind a haszonjárművek egyedi világítóeszközei és hátsó lámpái számára régóta gyárt LED fényforrású lámpákat. A Hella elsőként a világon 36 autótechnika 2008 I 6

2 Távfénytartományok Fényeloszlás az útfelületen Planck ECE/SAE-Spec. Xenon Halogén LED Nappali fény 2. ábra 2003 óta használ fehér fényforrású világítódiódát sorozatgyártású helyzetjelző és nappali világítást az Audi A8 W12 típusú gépkocsik fényszóróiban. A fényszórónként öt fehér világítódióda dobókocka pontelrendezését mintázó fénypontarculatával, összetéveszthetetlenül egyedi megjelenést kölcsönöz az A8-as járműsorozat topmodelljének. A hátsó világítóeszközöknek a LED-ek több mint tíz éve fényforrásai, például a Volks- Tompítottfény-tartományok 3. ábra 4. ábra wagen Golf Plus magasra helyezett hátsó zárófény-, fék- és irányjelző lámpái esetében. Kis energiafogyasztásuk miatt a LED-lámpák a hamarosan kötelezővé váló nappali menetjelző lámpákban is igen előnyösek. Előnyök A LED fényforrással szerelt lámpák előnyeit az energiafogyasztás, az élettartam, a biztonság, a konstrukció szempontjából tekint- Kevesen tudják, hogy 2007-ben a félvezető diódán alapuló fénykeltésnek a 100. évfordulóját ünnepeltük. Henry Joseph Round 1907-ben ismertette felfedezését, hogy az SiC (szilíciumkarbid) kristályt tűkontaktussal érintve, áram hatására fényjelenséget lehetett észlelni. A félvezető fizika rohamléptékű fejlődése nyilvánvalóvá tette, hogy jó hatásfokú világítást akkor várhatunk, ha a nyitó irányban előfeszített félvezető diódákon, p-n átmeneten injektálunk töltéshordozókat, és azok az átmeneti zónában jó hatásfokkal tudnak foton emisszióval rekombinálni, és kristályszerkezetük olyan, hogy az emittált foton a látható színképtartományba esik. A GaAsP kristály tilossávszélessége a látható színképtartományba esik, így várható volt, hogy az ilyen kristályból készített diódán sikerül látható (vörös) fényemissziót észlelni. Ez ben Holonyaknak és Bevacquának sikerült. A fejlődés ettől kezdve folyamatossá vált, egyrészt újabb félvezető összetételek segítségével rövidebb hullámhosszúságú emissziót sikerült előállítani, másrészt a fényhasznosítást javítani. Az első GaAsP diódák fényhasznosítása még csak mintegy 0,2 lm/w volt. A cinkoxiddal adalékolt GaP zölden világító diódák fényhasznosítása sem érte még el az 1 lm/w-ot. A nagy áttörést a GaN alapú diódák megjelenése hozta, miután Nakamurának sikerült jó minőségű GaN-rétegeket előállítania. A GaN-nek már elég széles a tilossávszélessége ahhoz, hogy kék színben világító diódát is lehetett belőle készíteni. Napjainkban a látható színképtartománynak szinte bármely hullámhosszán emittáló diódát lehet készíteni, a vöröstől a zöldig terjedő hullámhossztartományban különböző összetételű Al x In y Ga z P k alapanyagot, míg a zöldtől a kékig In x Ga 1-x N alapú kristályokat használnak. (Prof. Schanda János) autótechnika 2008 I 6 37

3 1. 6 szabad térformájú üveglencse Lencsetartó keretek sük át. A leírtak a LED fényforrású távolsági fényvetőkre napjainkban még maradéktalanul nem igazak. Kisebb energiafogyasztás. Az izzólámpákkal összehasonlítva, LED-ek alkalmazásával azonos fényteljesítmény mellett az energiafogyasztás kb. 86%-os csökkenése érhető el. Alkalmazás Izzó LED Féklámpa P21W 25 W 3 W Irányjelző P21W 25 W 4,5 W Hátsó lámpa R5W 5 W 0,5 W Tolatólámpa P21W 25 W 16 W Ködzárófény P21W 25 W 16 W Teljes energia 24,4 kwh 3,4 kwh Hosszabb élettartam. A hátsó lámpákban lévő izzólámpákat rezgések, nedvesség, hideg Alumínium hűtőtömb vezetékezéssel Frontburkolat 2. Takarókeret 3. Beállítás 4. Ház Ventilátor LDM 6. SML/PL 7. LED-modul LED-modul ábra Hűtőlevegő-csatorna LED Driver modul (LDM) 6. ábra és meleg terheli. Szerkezete alapján, pl. egy standard P P21W izzólámpának kb. 500 óra az élettartama. A LED-ek élettartama pedig akár óra is lehet, ami azt jelenti, hogy egy LED megszakítás nélkül kb. 5 évig világít. Nagyobb biztonság. Normál izzólámpák esetén 200 ms időre van szükség az izzóspirál olyan mértékű felmelegítéséhez, hogy a kívánt erősségű fényt sugározza. A LED-eknek nincs felmelegedési szakaszuk. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy a gyorsabb figyelmeztető hatásnak köszönhetően a fékút 100 km/h sebességről kiindulva hozzávetőlegesen egy gépkocsihosszal lerövidíthető. Kisebb hőfejlődés. A kisebb hőkisugárzás miatt a lámpák házai kisebbre méretezhetők, illetve lehetőség van olyan nyersanyagok alkalmazására is, melyek termikus terhelhetősége kisebb. Kialakítás/ergonómia. A LED-eknek köszönhetően a tervezők alkotói szabadsága lényegesen nagyobb. Az ergonómiai aspektusok is könnyebben megvalósíthatók. Az elmondottakat a Hella kördiagramba is foglalta (1. ábra): az egyes világítórendszerek jellemzőit egymáshoz viszonyítva szemléletesen mutat rá a LED előnyeire. Az ábra belső köre az adott tulajdonság alsó, a középső a közepes, a külső pedig a kiemelkedő szintjét jelenti. Vegyük például az energiafogyasztást: a halogénnél a xenon kisebb fogyasztású, a LED a legkedvezőbb, és a napjainkban végzett folyamatos fejlesztés eredményeként további csökkenés is várható. A szerkezeti elemek, alkatrészek számát illetően is a LED-es rendszer van előnyben, és itt is további integráció, azaz alkatrészszám-csökkenés van kilátásban. Talán a legnagyobb előnyt a szabad formai kialakítás lehetősége adja. A fényforrások elhelyezésénél a formatervező fantáziája szárnyalhat. Az élettartamban is jobb a LED, mint a vetélytársak. Kicsit talán a színhőmérséklet ily módon való besorolása sántít. A legjobbnak itt is a LED-et hozták ki, a nappali fény színhőmérséklete miatt, ezt követi a xenon, és a legkedvezőtlenebbnek a halogén megvilágítást. A különböző, ma a gépjárműben használt fényforrások színhőmérsékletére a 2. ábra világít rá. A színhőmérséklet fogalmát, megvilágítási jelentőségét egyik keretes részünkben taglaljuk. A LED fényét hideg fénynek is nevezzük. A halogén fényforrás fonalas izzója a bevezetett energiának csak mintegy 5%-át alakítja át látható fénnyé, a maradó 95% infravörös (IR) tartományban kisugárzódik. A LED a bevezetett energia 20%-át alakítja át látható fénnyé, és nincs hősugárzása (nem sugároz az infravörös tartományban). A maradék energia a LED-chipben (LED-morzsa) hővé alakul, azt melegíti. (A tokozott LED-ben az elektromos teljesítményt optikai sugárzássá átalakító félvezető elemet LED-chipnek LED-morzsának nevezzük.) A keletkezett hőt el kell vezetni, mert a felmelegedett LED-morzsa fényemissziója romlik, élettartama csökken. Ezért a LEDlámpákban a hőmérséklet-szabályozást, a hő elvitelét ún. thermo-management rendszerrel kell megoldani. A fehér fényű LED és a LED-modul Az ezredfordulóra a LED-ek elérték az izzólámpa fényhasznosítását, és meg lehetett 38 autótechnika 2008 I 6

4 kezdeni azoknak valódi világítástechnikai feladatok megoldására való felhasználását. Az első alkalmazások kihasználták a LED-ek azon tulajdonságát, hogy a morzsa maga keskeny sávú színes fényt emittál, így minden olyan területen, ahol színes fényre volt szükség, a LED előnyösebb volt az izzólámpánál, mert nem kellett az emittált fény nagy részét színszűrővel elnyeletni. A LED-ek színképét más fényforrásokéhoz képest könnyebben lehet az egyes feladatok számára optimalizálni. Világítódiódák segítségével különböző színhőmérsékletű sugárzásokat lehet létrehozni. A ma használatos fehér színben sugárzó LED-ekben a fehér fényszínt általában úgy valósítják meg, hogy egy kék színben világító LED-chip elé a rövidebb hullámhosszúságú sugárzásra gerjedő sárgás színben világító fényporréteget visznek fel. A kék és sárga színű fény keverékét fehérnek látjuk. A fényporréteg vastagságának változtatásával változtatni lehet a fényszínt. Egy másik megoldásnál három különböző összetételű LED-morzsa segítségével vörösen, zölden és kéken világító szerkezetet hoznak létre úgy, hogy a három sugárzás keverékét szemünk fehérnek érzékelje. A Hella a Cadillac részére gyártott fényvetőjében valamennyi LED-chip azonos típusú. A LED fényforrásegység 5 darab, sor- A színhőmérséklet ban elhelyezett LED-chipből áll. Az egység neve LED-modul vagy LED-sor (LED-Array). A LED-Array hossza kb. megegyezik a fonalas izzó tekercsének hosszával. A teljesled fényvető Ahhoz, hogy a gépkocsiban felhasználásra kerülő LED-es fényszóró kielégítse a látási igényeket és ne kápráztasson, még számos látásfiziológiai és pszichológiai kérdést kell tisztázni, és ezeknek megfelelően tervezni meg az új fényszóró-led konstrukciókat. A fényvető 7 moduljában a LED-Array azonos, de kettő kivételével optikájuk eltérő, hiszen mindegyiknek az útfelület egy területét az arra jellemző sajátosságokkal kell bevilágítania, mind a tompított, mind a távfény és például a kanyarodási fény esetében. A moduláris felépítés teszi lehetővé a tompított fény sötét-világos határvonalának a kialakítását is. A Cadillac Escalade Platinum Hella teljesled fényvetőjében a tompított fény terítésre 5 modul, a távfény létrehozására ehhez még 2 modul társul (3. ábra). A fénykéve az USA-előírásoknak megfelelően szimmetrikus, de a tompított fényt képző 5 modul közül a legfelső optika (kör alakú, 60 mm átmérőjű lencsével) az út jobb oldalára, a padka felé vetíti a fényt. A nappali világítást a tompított fény moduljaival A színhőmérséklet a látható fény egy jellegzetessége. A fehér fény, mint tudjuk, különböző színű fények keveréke. A különféle fényforrások fényei nem azonos arányban tartalmazzák a fehér fény összetevőit, tehát színük is különbözik egymástól. A fényforrások valós színe az adott fényforrás által kisugárzott energia hullámhossz szerinti eloszlásával írható le. A színhőmérséklet a látható tartományban kisugárzott energia hullámhossz szerinti eloszlására jellemző szám. Egy ideális termikus fényforrás által kisugárzott fény színhőmérséklete megegyezik annak kelvinfokban kifejezett hőmérsékletével. A nem ideális termikus sugárzók (pl. izzószál) és a nem termikus sugárzók (pl. fénycső) színhőmérséklete megegyezik annak az ideális termikus sugárzónak a hőmérsékletével, amellyel azonos színű fényt sugároz ki. Az izzólámpák színhőmérséklete csak kevéssé tér el az izzószál hőmérsékletétől. A színhőmérséklet emelkedésével a fény vörös összetevői csökkennek, míg kék összetevői növekednek, tehát minél nagyobb a fény színhőmérséklete, annál kékebb, és minél kisebb a fény színhőmérséklete, annál vörösebb lesz a színe. A napfény színhőmérséklete évszaktól, napszaktól függően folyamatosan változik. Derült időben, átlagos napsütés esetén ez kb K. Hajnalban vagy naplementekor a színhőmérséklet 2500 K-re is csökkenhet, viszont borult, párás, ködös időben K-re is növekedhet. (Nincs sok köze témánkhoz, de most, a nyaralási időszakban elmondhatjuk, hogy nyílt tengeren, ill. magas hegyekben a színhőmérséklet a ezer K-t is elérheti.) LED-fejlesztés A LED-ek fejlesztésénél valamennyi fénytani jellemző növelése fontos, így a fényáramé (lm), a fényhasznosításé, a fényerőé (cd) és a lumen/ euró költségmutató kedvező alakulása sem másodlagos. A világítódióda-fejlesztés évtizedünkben négy súlyponti kérdésévé a nagyobb belső kvantumhatásfok, a nagyobb egységteljesítményű dióda készítése, a fény jobb kicsatolása és a még mindig jelentős keletkező hő elvezetése vált. A belső kvantumhatásfok növeléséhez hibamentesebb kristálykészítést, az élek, az átmeneti zónák határfelületeinek megfelelő paszsziválását kellett megoldani. Ezen a téren sok eredményt tudtak és tudnak a technológusok átvenni a félvezetőgyártás hagyományosabb eszközeinek készítőitől. A nagyobb egységteljesítményű diódák készítéséhez ugyancsak jobb minőségű kristályokra van szükség, hogy ne nőjön meg a selejtszázalék; valamint az áramhozzávezetések javítására, mivel a nagyobb teljesítmény eléréséhez az áramsűrűséget is tovább kell növelni. A fény kicsatolásához újszerű megoldásokon dolgoznak a kutatók. Minden LED-készítéshez használható anyag törésmutatója nagy, ezért a már nem nagy szög alatt a kristályból kilépő sugárzás teljes visszaverődést szenvedhet, és az így visszavert fénysugár könnyen elnyelődhet az anyagban. A morzsa felületének strukturálásával végzett kísérletek igen biztatóak ezen a téren. A kristály felmelegedésével a dióda hatásfoka romlik, ezért azt olyan alacsony értéken kell tartani, ahogy csak lehet. A hőelvezetéshez jó hővezető alapkristályokra növesztik az aktív félvezetőt, nagyon vékony aktív rétegekkel dolgoznak, a LED külső tokozását jó hővezető anyagokból készítik. Bár 1000 lumenes fényáramukkal a LEDfényszórók tompított üzemmódban működő (proto)típusai már ma elérik a xenonlámpák világításszintjét, távolsági fénykibocsátásuk azonban még kissé elmarad azokétól. A Hella fejlesztőinek véleménye szerint azonban a LEDek termikus viszonyainak, továbbá a gyártástechnológia, illetőleg az optikai tulajdonságok javításával a kívánt szint rövidesen elérhetővé válik. autótechnika 2008 I 6 39

5 képezik, csökkentett fényerővel. A 4. ábra az útfelületi fényeloszlást izolux görbékkel mutatja a tompított és a távfény esetén. Kommunikáció LED-ekkel Mivel a LED-ek világítása az elektromos vezérlést igen gyorsan követi: a LED-eket nagyfrekvenciásan lehet modulálni, olyan frekvenciákon, melyeket az emberi látószerv már nem tud követni. Ezzel lehetőség van arra, hogy a világítással párhuzamosan a LED-es fényszórókkal információt továbbítsunk, a LED-es fényszóró más gépkocsikkal, vagy az úttest mellett elhelyezett vevőkkel kommunikáljon. Egy ilyen rendszer egyrészt kommunikálni tudna a szembejövő gépkocsi világítórendszerével, automatikusan kérve pl., hogy az országúti világításról kapcsoljon át a tompított világításra, vagy kommunikálni tud az azonos sávban haladó gépjárművel, előzési engedélyt kérve, vagy annak fékezésekor nyugtázva a fékezési információ vételét, és így a ráfutásos balesetek számát csökkentve. A rendszert fel lehet majd használni a gépkocsi és a közlekedés biztonságára ügyelő telepített rendszerek közötti kommunikációra is, vagy pl. garázsajtó automatikus nyitására, amikor is az ajtó felismeri a hazai kódot adó gépkocsi jelzését, és idegen kocsi számára nem nyitja ki. (Prof. Schanda János tanulmánya nyomán) Meg kell jegyeznünk, hogy a bemutatott teljesled fényvető energiafogyasztása ma még csekéllyel több, mint a HID (xenon) egységé. A fényvető szerkezeti kialakítását az 5. és a 6. ábrák mutatják. Fotóinkon, melyek a Hella kutató-fejlesztő központjának ún. fényalagútjában készültek, jól látható a fényvetőegység és a karosszéria harmóniája, egyedi megjelenése, ma még szokatlan fényorgiája. Napjainkban, így 2008-ban a teljesled fényvetők fejlesztését és beépítését az újdonságon túl a formatervezői fokozott szabadság, ezzel az egyéni kialakítás lehetősége és a vevők exkluzivitási igénye motiválja től várhatóan a statikus vagy a dinamikus kanyarodási fény a LEDmodulokkal mechanikus állítás nélkül valósul meg tól pedig az intelligens, kamerairányítású világítás például szituációfüggő, adaptív sötét-világos határ magasságállítás, potenciális veszélyforrás jelzőfénykéve várhatóan nagy lökést ad a teljesled-rendszereknek. Dr. Nagyszokolyai Iván Köszönettel tartozunk a Hella Hungária Kft.-nek a szakmai anyagok rendelkezésre bocsátásáért és a közlési engedélyért. Köszönjük továbbá dr. Schanda János emeritus professzor úrnak számos publikációjából a tanulás és a merítés lehetőségét. Hella Hungária Kft Budapest, Forgách u. 17. Tel.: Fax: info@hellahungaria.hu autótechnika 2008 I 6