LED осветление за автомобилното производство

ОсветлениеСп. Инженеринг ревю - брой 9/2017 • 09.01.2018

LED осветление за автомобилното производство
LED осветление за автомобилното производство
LED осветление за автомобилното производство


С все по-широкото навлизане на светодиодната технология в автомобилите, светлините в тях претърпяха значително развитие и от основно функционално средство се превърнаха в отличителна характеристика със значителен потенциал. Наистина, светодиодната технология даде на производителите възможността да внесат голямо разнообразие в дизайна на светлините и в предлаганите допълнителни функции. Това се отнася в най-голяма степен до външните светлини, а все повече и до осветлението вътре в автомобила. Промените оказват съществено влияние върху производствените процеси – появяват се нови доставчици и нови вериги на добавена стойност.

Понастоящем, нарастващото търсене на технически средства за светлините в автомобила се определя от няколко фактора. Сред тях са: все по-широкото навлизане на светодиодите в различни светлинни или осветителни системи на автомобила; необходимостта да се осветяват все повече обекти във, по и около него; потенциалното внедряване на нови светлинни източници като органичните светодиоди (OLED) и лазерите; разработката на усъвършенствани системи за предни светлини (УСПС) и на други функции за безопасност; както и редица още оригинални разработки, включващи осветлението като нова конструктивна особеност.

Внедряването на нови светлинни източници води до преобразувания в системите за предните светлини на автомобила и в начина на използването им. Това е свързано с по-гъвкави възможности при конструирането на тези системи, по-добра ефективност и нови функции. Светодиодите бързо набират популярност, като се има предвид, че цените им спадат, а качеството им се подобрява (т. е. висок КПД и голяма яркост в корпуси с все по-малки размери).

Лазерите и органичните светодиоди са все още технологии в процес на усвояване и поради това и цените им са по-високи, а имат и някои технологични проблеми, които трябва да бъдат решени, за да се отговори на изискванията на големите производители в автомобилостроенето по отношение на надеждността и експлоатационния живот.

Температурни проблеми
Сериозен проблем при осветлението на основа на LED технологията по принцип, а в частност и при светлините в автомобила, е поддържането на температурната стабилност при съблюдаване на изискванията по отношение на експлоатационни характеристики, експлоатационен живот и себестойност. Има широк набор от възможности за идентифициране и решаване на температурните проблеми.

Предлагат се модерни тестови установки за изследване на температурните изменения, а така също и софтуерни средства за симулиране на флуидния поток (най-често това е въздушният поток), от който зависи доброто отвеждане на топлината. Чрез тях разработчиците могат да установят наличието и източника на температурните проблеми, да генерират и оценят различни конструктивни решения и бързо да намерят оптималното. След като се уточни окончателният вид на съответния модул, следва изработване на прототипа му.

Последният се подлага на всички възможни измервания, за да се установи доколко производствените толеранси на различните компоненти не водят до отклонения от изискванията за температурна стабилност, а така също и за да се идентифицират евентуалните проблеми в началния етап на производството. Придобитите знания и опит се използват за изработването на по-добри конструктивни решения за предните и задните светлини, за мигачите, за дневните светлини, а също и за осветлението в купето на автомобила.

Сегменти в производството на LED светлини за автомобили
LED светлините за автомобили могат да се разделят на три групи: предни (фарове), задни (габарити) и за осветление вътре в купето. От тях най-енергоемки са фаровете, а често те са и с висока степен на сложност. Има много иновации в тази област. За захранването на LED светлините специалистите обикновено предпочитат многоканални DC-DC повишаващи или понижаващи преобразуватели. За габаритите се изисква захранваща мощност на средно ниво, а в сравнение с фаровете те са и с не толкова сложна конструкция. Що се отнася до вътрешното LED осветление в купето, там водещи са изискванията за функционалност и естетика. Обикновено то употребява малка мощност и изискванията за управлението му са съвсем стандартни.

Фарове. Захранването за фаровете със светодиоди често се реализира по схемата на 3-канален повишаващ-понижаващ преобразувател. Като ключов елемент се ползва полупроводниково реле, образувано от два n-канални полеви транзистора, свързани противоположно един спрямо друг. Тези два n-канални полеви транзистора и всеки от ключовете на изходната страна се захранват от напрежение, което е по-високо от подаваното по компенсиращата обратна връзка VBAT.

От функционална гледна точка, системата се състои от два DC-DC преобразувателя: един повишаващ и един понижаващ, които могат да работят синхронно (посредством два полеви транзистора) или асинхронно. В последния случай за превключване се ползват един полеви транзистор и един шотки диод. Преобразувателите се управляват от микроконтролер, който се захранва от линеен стабилизатор (LDO), като изходният ток се подава през биполярен PNP транзистор.
Повишаващият преобразувател обикновено е многофазов и е свързан с две независими фази/изхода с повишена мощност и по-малки пулсации. Понижаващият преобразува повишеното напрежение и го намалява до нива подходящи за захранването на всяка редица светодиоди. Интензитетът на светлината се управлява от два контролера, които могат да регулират изходното напрежение до желаната стойност. Изходните светодиоди могат да бъдат димирани посредством комбинация от маломощни биполярни транзистори и един преместващ регистър.

За димирането на светодиодите на фаровете трябва да има верига, която да окъсява всеки един светодиод, така че токът да не протича през него. Това може да стане като паралелно на всеки светодиод се монтира биполярен транзистор. Поредицата биполярни транзистори се управлява – т. е. те се отпушват и запушват, от изходите на един или няколко последователно свързани преместващи регистъра.

Накратко, фаровете със светодиоди имат следните предимства: голяма яркост; висок КПД; специална функция с цифрово управление за адаптиране на светлините, така че да не заслепяват водачите в насрещното движение; индивидуално димиране на всеки светодиод; точно отмерване на тока през светодиодите; компактни конструктивни размери; драйвер с висок КПД; ниска обща цена; малогабаритен корпус с висока степен на интеграция и оттам висока устойчивост на електромагнитни смущения.

Габарити. Що се отнася до габаритите отзад, комуникацията между управляващия ги електронен модул и локалното управление на светлинното тяло се осъществява посредством едночипова базова система (ЕБС) по LIN/CAN комуникационна линия през съответните защитни диоди. ЕБС поддържа комуникационния протокол и подава захранването на микроконтролера. За да се предпази ЕБС от прегряване на захранващия изход се монтира биполярен PNP транзистор. Микроконтролерът регулира до каква стойност да се повиши изходното напрежение, управлява ключовият елемент, а така също и ШИМ изхода към редиците от светодиоди.
Изходните редици от светодиоди се захранват от повишаващ преобразувател, чието изходно напрежение се задава достатъчно точно, така че да няма нужда да се променя/донастройва.

В случай че токът през редиците светодиоди трябва да е различен, може последователно да се свърже допълнителен резистор. Освен това чрез ШИМ управление може да се регулира интензитетът на светенето им. За целта последователно на светодиодите се свързват полеви транзистори (мощни, ако токът е голям, или маломощни, в случаите на малки токове). Полевите транзистори се управляват директно от микроконтролера. Ако той няма достатъчно свободни входно-изходни изводи, полевите транзистори могат да се управляват и през преместващ регистър (като един вид разширение на изходите).

Наложените от пазара изисквания към габаритите включват: управление на яркостта, което да не зависи от VBAT (напрежението на акумулатора); висок КПД; поддържане на постоянна яркост чрез точно задаване на тока; компактни размери; преобразуване на енергията при висок КПД; ниска обща цена; малогабаритен корпус с висока степен на интеграция и оттам висока устойчивост на електромагнитни смущения; висока устойчивост при температурни изменения.

Вътрешно осветление. В последната категория LED светлини за автомобила – за осветлението вътре в купето – предлаганите конструктивни решения наподобяват много тези, които се ползват за габаритите. Една от големите разлики е липсата на DC-DC (повишаващ) преобразувател. Причината за това е, че обикновено за вътрешното осветление е необходима по-малка мощност. И затова за захранването на светодиодите може да се използва направо напрежението на акумулатора (12 V). При това положение е възможен един страничен ефект: при стартиране на двигателя, без DC-DC преобразувател и стабилно напрежение, хората в колата ще усетят леки колебания в яркостта. Един начин да се реши този проблем е като микроконтролерът следи напрежението на акумулатора и съответно коригира коефициента на запълване на ШИМ, а от него и зависи яркостта на светодиодите.

По отношение на функционалността: в случай че токът през светодиодите е твърде голям, те трябва да се включват/изключват чрез полеви транзистор. И обратно, ако този ток не е толкова голям, той може да се комутира директно от преместващ регистър или от контролера, стига той да има достатъчен брой входно/изходни пинове. Защита от обратно включване на акумулатора може да се реализира чрез n-канален полеви транзистор, свързан директно на входа откъм акумулатора. Между сорса и гейта на транзистора има обратна връзка, състояща се от обикновен диод и кондензатор, през който към гейта се подават управляващите превключването импулси от изходен извод на контролера.

Вътре в купето на автомобила, не само с естетическа цел, но и за да изпълняват някаква функция, се монтират самостоятелно единични светодиоди. За предпочитане е те да се управляват от генератор на постоянен ток за да светят с постоянна яркост.
Изискванията на пазара по отношение на вътрешното осветление в автомобила налагат: едно-, дву- и многоканални LED драйвери; LED драйвери с генератор на постоянен ток; компактни размери; сериен интерфейс, при който се свежда до минимум броят на комуникационните линии (проводници); ниска обща цена на системата; устойчивост на електромагнитни смущения и по-добра електромагнитна съвместимост чрез използване на корпуси без изводи.

Налагане на LED за външните светлини на автомобила
В началото светодиодите са се използвали само за част от габаритните светлини. На следващия етап габаритите вече изцяло са се изработвали от светодиоди. С навлизането на светодиодите с бяла светлина и все по-големия им светлинен поток, LED технологиите започват да се използват и при фаровете.
Освен повишаването на тяхната ефективност и удължаването на срока им на служба, има и други технологични предимства, които доведоха до утвърждаването на светодиодите при изработката на светлините на автомобила. Сред тях са малката площ и височина на светодиодите. Благодарение на това те могат да се разполагат свободно в осветителните тела (фарове, лампи), могат да формират дори и сложна тримерна структура вътре в тях.

Често LED светлините се разполагат тримерно по корпуса на автомобила и в сравнение с конвенционалните халогенни или ксенонови лампи му придават повече индивидуалност в дневни и нощни условия, както отпред, така и отзад. Светодиодите се използват най-редовно за да се подчертае формата на корпуса на автомобила. По оформлението на светодиодните светлини могат да се различават моделите на даден производител. Нещо повече, те могат да бъдат и специфична характеристика, която да отличи една компания сред конкурентите.

Сложните тримерни конструкции обаче се монтират трудно, а и за свързването на много светодиоди в пространството се изразходват много компоненти. Освен това, традиционните системи за охлаждане също трябва да се адаптират към желаните тримерни форми.

Специфики на захранването
Светодиодните системи за светлините на автомобила често са изградени от голям брой светодиоди, които искат различно захранване и светят в различен цвят съобразно функцията си – стопове, дневни светлини или дори за късите и дългите светлини. Тъй като напрежението на входа на конвенционалната електрическа мрежа в автомобила варира, то за да светят светодиодите с постоянна яркост, те трябва да се захранват от напрежение, което да е стабилно и независимо от колебанията на входното.

Обикновено за поддържане и управление на яркостта се ползват импулсни преобразуватели. Когато броят на използваните светодиоди е голям, трябва да се осигури равномерно разпределение на яркостта сред всички тях, т.е. всички да светят еднакво ярко – за да изглежда хомогенен светлинният източник, а така също и поради особеностите на оптиката пред светлините.

Като цяло,управлението на яркостта е основно изискване за светлините на автомобила. Чрез него се реализират основните им функции. Например светлините през деня се постигат чрез димиране на обичайните нощни светлини. И накрая, високата надеждност на светлините е задължителна, тъй като е свързана с безопасността. Заради всички тези причини, LED драйверите трябва да бъдат оптимизирани, така че да отговарят на специфичните изисквания към автомобилните светлини.

Тежките експлоатационни условия в превозните средства, с вибрациите и резките натоварвания, утежняват и изискванията към системата на LED светлините. Освен това, светодиодите и компонентите на драйверите им са изложени на температурни колебания в широк диапазон – от -40°C до +80°C (дори и до +120°C в особени случаи), а това изисква поддържането на оптимален температурен режим, така че стойностите на компонентите да не преминават критични граници. Топлината, която отделят мощните светодиоди, повишава температурата в светлинните тела над околната. Затова компонентите на електрическата част на системата на светлините трябва да са оразмерени и подбрани така, че да работят с колкото се може по-малки загуби.

Новият брой 2/2018

брой 2-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top