Półprzewodnikowe źródła światła LED a światła konwencjonalne stosowane w pojazdach do jazdy dziennej

Transkrypt

1 RÓŻOWICZ Sebastian 1 GAD Radosław 2 DELĄG Mariusz 3 Półprzewodnikowe źródła światła LED a światła konwencjonalne stosowane w pojazdach do jazdy dziennej WSTĘP W latach sześćdziesiątych XX wieku pojawiły się w produkcji seryjnej diody świecące, LED (ang. Light Emitting Diode). Technologia produkcji diod elektroluminescencyjnych wysokich mocy umożliwiła zastosowanie tego typu źródeł światła do jazdy dziennej w pojazdach samochodowych. Rozwój technologiczny diod cechuje się stałą tendencją wzrostu ich skuteczności świetlnej. Szacuje się, że w ciągu najbliższych kilkunastu lat, skuteczność świetlna może dojść nawet do 200 lm/w (czyli około 20 krotnie więcej niż skuteczność świetlna żarówek konwencjonalnych). Większa skuteczność świetlna źródła światła pozwala na zmniejszenie mocy pobieranej przez oświetlenie pojazdu. Już w chwili obecnej pobór mocy lampy diodowej w porównaniu do jej klasycznego odpowiednika jest kilkakrotnie mniejszy. Czynnik ten nabrał dodatkowego znaczenia z powodu konieczności stosowania ciągłego oświetlenia pojazdów samochodowych będących w ruchu [3,4]. Nieodłącznym zagadnieniem przy omawianiu tematu źródeł światła jest temat reflektorów samochodowych. Jeszcze nie tak dawno możliwości projektantów lamp były bardzo ograniczone jeżeli chodzi o kształt reflektora. Było to spowodowane koniecznością zastosowania lamp żarowych. Teraz gdy nastąpił rozwój źródeł światła, styliści mogą tworzyć reflektory o niemal dowolnych kształtach nadając przez to oryginalnego charakteru bryle każdego nadwozia. Coraz bardziej powszechne pojawianie się diody, jako źródła światła w oświetleniu samochodowym, wynika z jej szczególnych cech, które w wielu aspektach takich jak: trwałość, szybkość załączania, czy niewielkie rozmiary przewyższają tradycyjne źródła światła [9]. Celem niniejszej pracy jest analiza porównawcza półprzewodnikowych źródeł światła ze źródłami konwencjonalnymi we współczesnych samochodach. Badania laboratoryjne świateł do jazdy dziennej reflektora firmy Valeo oraz analiza porównawcza konwencjonalnych źródeł światła ze źródłami LED stosowanymi w reflektorach. 1. REGULAMINY EKG ONZ DOTYCZĄCE OŚWIETLENIA SAMOCHODOWEGO Światła do jazdy w dzień mają moc kilku watów (w odróżnieniu od świateł mijania, w których pojedyncza żarówka ma moc od 40 do 55 W a razem z tylnymi światłami pobór mocy wynosi nawet 200 W). Obowiązujący w Unii Europejskiej i wielu krajach poza nią Regulamin nr 48 Europejskiej Komisji Gospodarczej ONZ (ECE) pozwala na montowanie takich świateł bez potrzeby ich współdziałania z tylnymi światłami pozycyjnymi (w odróżnieniu od pozostałych świateł samochodowych - drogowych, mijania, przeciwmgielnych, postojowych i przednich pozycyjnych). Do roku 2009 polskie przepisy wymagały, by podczas jazdy na światłach dziennych paliły się światła pozycyjne. Było to sprzeczne z prawodawstwem unijnym (Regulamin 48 Europejskiej Komisji Gospodarczej ONZ). Stan rzeczy zmieniło rozporządzenie ministra infrastruktury z 4 maja 2009 r. opublikowane w Dzienniku Ustaw z 20 maja, które zmieniło obowiązujące dotychczas normy, dostosowując je do europejskich przepisów prawnych [4]. 1 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki; Kielce; al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7. Tel: , , s.rozowicz@tu.kielce.pl 2 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki; Kielce; al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7. Tel: , , 3 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki; Kielce; al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7. Tel: , , m.delag@tu.kielce.pl 5477

2 W Polsce zamiast świateł mijania można używać świateł do jazdy dziennej. Można ich używać przez cały rok, ale tylko w dzień i tylko w warunkach normalnej przejrzystości powietrza. Zamiast świateł mijania nie można używać świateł pozycyjnych, drogowych ani innych. Ustawa z dnia 20 czerwca 1997 r. Prawo o ruchu drogowym (t.j. Dz.U. nr 108 z 2005 r. poz. 908 ze zm.) w art. 51 ust. 1 i 2 stanowi: Art Kierujący pojazdem jest obowiązany używać świateł mijania podczas jazdy w warunkach normalnej przejrzystości powietrza. 2. W czasie od świtu do zmierzchu w warunkach normalnej przejrzystości powietrza, zamiast świateł mijania, kierujący pojazdem może używać świateł do jazdy dziennej. W ustępie 1 prawodawca ustanowił zasadę, zgodnie z którą obowiązek używania świateł mijania trwa cały rok i przez całą dobę. W ustępie 2 ustanowiono wyjątek od tej zasady, z którego wynika że świateł do jazdy dziennej można używać przez cały rok w czasie od świtu do zmroku, ale tylko w warunkach normalnej przejrzystości powietrza. Nigdy nie można jeździć tylko na światłach pozycyjnych. Zamiast świateł mijania nie można też używać świateł drogowych ani innych świateł. Decyzja o użyciu świateł do jazdy dziennej zamiast świateł mijania należy do kierującego pojazdem. Po zmroku, a w warunkach zmniejszonej przejrzystości powietrza przez całą dobę, należy używać świateł mijania. Zgodnie z 12 Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 31 grudnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych pojazdów oraz zakresu ich niezbędnego wyposażenia (Dz.U. nr 32 z 2003 r. poz. 262) światła do jazdy dziennej nie są wyposażeniem obowiązkowym, ale są dopuszczalne. Obecnie większość samochodów osobowych nie ma takich świateł. Zasada, że przez cały rok i przez całą dobę należy używać świateł mijania obowiązuje od dnia 17 kwietnia 2007 r. Przedtem używanie świateł mijania w dzień było obowiązkowe tylko w okresie od dnia 1 października do końca lutego, a jeszcze wcześniej w ogóle nie było obowiązku używania świateł mijania za dnia. Regulaminy EKG ONZ, dotyczące oświetlenia pojazdów drogowych można podzielić na następujące grupy: regulaminy dotyczące reflektorów pojazdów drogowych Regulaminy 5, 19, 31, 98, 112, 113, 119, 123, regulaminy dotyczące lamp sygnałowych Regulaminy 6, 7, 23, 38, 50, 77, 87, 91, regulaminy dotyczące urządzeń odblaskowych Regulaminy 3, 27, 69, 70, 104, regulaminy dotyczące świateł rozpoznawczych Regulaminy 4, 65, 121, regulaminy dotyczące rozmieszczenia urządzeń świetlnych na pojeździe Regulaminy 48, 53, 74, 86, regulaminy dotyczące samochodowych źródeł światła Regulaminy 37, 99. Regulamin 112 określa dwie kategorie świateł mijania A i B z rozróżnieniem opierającym się na odmiennych wymaganiach fotometrycznych (praktycznie: kategoria A powinna spełniać wymagania wycofanych regulaminów, dotyczące stosowania nie halogenowych żarówek, a kategoria B wymagania dla reflektorów wyposażanych w żarówki halogenowe). Regulaminy 113 i 123 dotyczą wymagań fotometrycznych reflektorów pojazdów drogowych. W regulaminie 113 określono wymagania dla czterech kategorii: A, B C i D (różniących się wymaganiami fotometrycznymi w określonych punktach pomiarowych), a w regulaminie 123 wyróżniono następujące kategorie: C, V, E i W oraz dwa tryby pracy świateł z ruchomą granicą światła i cienia. Istnieje stała tendencja do zastępowania tradycyjnych metod pomiarowych, gdzie główną rolę w procesie pomiarowym odgrywał człowiek, metodami zautomatyzowanymi opierającymi się na zastosowaniu komputerowej analizy obrazu plamy świetlnej [6, 7]. 5478

3 2. ANALIZA PORÓWNAWCZA ŚWIATEŁ LED I KONWENCJONALNYCH Z punktu widzenia fizyki światło widzialne jest falą elektromagnetyczną a jednocześnie zbiorem porcji (kwantów) energii, biegnących w kierunku rozchodzenia się fali. Kwanty światła nazywamy fotonami. Wielkości charakteryzujące promieniowanie elektromagnetyczne to długość fali λ, częstość fali ν oraz jej energia E. Wielkości te wiążą się ze sobą następującymi zależnościami: (2.1) gdzie: c - to prędkość rozchodzenia się światła w próżni h - stała Plancka. W ośrodku materialnym prędkość rozchodzenia się światła v jest mniejsza niż w próżni. Stosunek prędkości w próżni do prędkości w ośrodku materialnym równy jest współczynnikowi załamania n ośrodka (2.2) W ośrodku materialnym, w przeciwieństwie do próżni, fale o różnych częstościach (energiach) rozchodzą się z różnymi prędkościami im większa częstość ν, tym mniejsza prędkość v, a zarazem większy współczynnik załamania n. Zjawisko to nosi nazwę dyspersji. Światło na ogół jest mieszaniną fal o różnych barwach, czyli o różnych długościach fali. Informację o tym, jaka jest zawartość w świetle składowych o poszczególnych długościach fali nazywamy widmem światła [1]. Wrażliwa na światło warstwa oka, siatkówka, składa się z dwóch rodzajów komórek: pręcików i czopków. Pręciki pracują dobrze przy słabym świetle, ale rozróżniają jedynie odcienie szarości. Natomiast czopki, które widzą kolory, potrzebują silnego światła. W oku znajdują się trzy rodzaje czopków, wrażliwych na trzy zakresy światła odpowiadające barwom czerwonej, zielonej i niebieskiej. Z tych trzech barw nasz mózg odtwarza wszystkie pozostałe kolory. Przedmiotem badań był zespolony reflektor firmy Valeo stosowany w samochodach Audi A5 model 8T0, w którym światła do jazdy dziennej zostały zrealizowane w technice LED owej. Badany reflektor został przedstawiony na rysunku 1. Rys. 1. Badany reflektor firmy Valeo. Badania przeprowadzono w komorze klimatycznej ESPEC w zakresie temperatur od -30 o C do +40 o C. Wykonano pomiary widma w zakresie widzialnym oraz określono zależność zmiany temperatury barwowej lampy LED dla różnych temperatur otoczenia. Na rysunku 2 przedstawiono widmo badanej lampy dla granicznych wartości ustalonych temperatur otoczenia. 5479

4 Rys. 2. Wykres widma badanej lampy LED przy zmianie temperatury otoczenia. Zmiana temperatury otoczenia powoduje zmianę widma emitowanego przez reflektor, co przedstawiono na rysunku. Badany reflektor w temperaturze otoczenia +25 o C emituje światło o temperaturze barwowej około 5600K. Przeprowadzone badania pokazuję, że temperatura barwowa nie jest stała. Ulega ona zmianie wraz ze zmianą temperatury otoczenia. Zmianę temperatury barwowej w zależności od temperatury otoczenia przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Zmiana temperatury barwowej w zależności od temperatury otoczenia. W dalszym kroku badano zmianę strumienia świetlnego. Wraz ze wzrostem temperatury otoczenia odnotowano spadek całkowitego strumienia świetlnego emitowanego przez oprawę. Wyniki przedstawiono na rysunku 4. Rys. 4. Zależność całkowitego strumienia świetlnego od temperatury otoczenia. Analizując powyższe zależności temperatury barwowej oraz całkowitego strumienia świetlnego od temperatury otoczenia można stwierdzić, iż możemy wykreślić niemal liniową zależność temperatury barwowej emitowanego światła od całkowitego strumienia świetlnego emitowanego przez reflektor, co przedstawia rysunek

5 Całkowity strumień świetlny [lm] Temperatura barwowa [K] Rys. 5. Zależność temperatury barwowej od całkowitego strumienia świetlnego emitowanego przez reflektor. Badania przeprowadzono również w pojeździe Audi A4, który wyposażony jest w tradycyjne światła. Badany reflektor został przedstawiony na rysunku 4. Rys. 4. Badany reflektor w pojeździe Audi A4. Badania przeprowadzono także dla reflektora Audi A4 wyposażonego w konwencjonalne źródła światła typu H4 również w zakresie temperatur od -30 o C do +40 o C. Wykonano pomiary widma w zakresie widzialnym dla różnych temperatur otoczenia. Na rysunku 5 przedstawiono uzyskany wynik badania dla granicznych wartości ustalonych temperatur otoczenia. Rys.5. Wykres widma badanej lampy przy zmianie temperatury otoczenia. Diody LED zdecydowanie wyróżniają się spośród pozostałych źródeł światła długością życia. Określa się ją jako 50 tyś. godzin pracy, która określa średni czas, po którym dioda LED przestanie świecić. Prognozuje się, że w przyszłości wielkość emitowanego strumienia świetlnego z jednego chipu LED wyniesie 1500 lm przy sprawności lm/w. Żarówka halogenowa H4 ma tylko 18 lm/w. WNIOSKI Technologia diod LED umożliwia wykonywanie emiterów o szerokim zakresie wartości strumienia świetlnego. Od pojedynczych mili lumenów po setki lumenów emitowanych przez pojedynczy chip. Oczywiście wraz ze wzrostem wartości strumienia świetlnego rosną wymagania, co do technologii produkcji, wymiarów struktury półprzewodnikowej diody oraz dostarczanej do niej odpowiedniej ilości mocy. 5481

6 Przedstawione wyliczenia wskazują, że w porównaniu z rocznymi kosztami użytkowania pojazdu koszt dodatkowego używania świateł mijania jest niewielki. Diody LED w porównaniu z klasycznymi źródłami światła mają bardzo niewielkie rozmiary. Od ledwie dających się zauważyć gołym okiem diod typu SMD stosowanych w telefonach komórkowych po diody na radiatorach o średnicy kilku centymetrów. Wszystkie jednak zapewniają projektantom opraw oświetleniowych nie osiągalną do tej pory dowolność i elastyczność przy projektowaniu opraw. Lampy z diodami LED są przez to mniejsze, lżejsze i prostsze w budowie. Od poprzednich generacji źródeł światła różnią się diody LED bardzo krótkim czasem włączenia i wyłączenia. Czas włączenia diod LED nie przekracza 100ns, a czas wyłączenia 200ns. W porównani z żarówkami są to czasy 1x10-6 razy krótsze! Typowa żarówka osiąga 90% swej światłości po czasie 200ms. Streszczenie W pracy porównano półprzewodnikowe źródła światła "LED" ze światłami konwencjonalnymi współczesnych samochodów. Dokonano badań wpływu parametrów konstrukcyjnych lamp samochodowych na wartość natężenia oświetlenia pasa drogowego. W artykule przedstawiono weryfikację parametrów lamp w aspekcie toksyczności spalin. Analizę przeprowadzono na reflektorze firmy Valeo montowanej w pojazdach marki audi A5 natomiast weryfikacji dokonano na reflektorze pochodzącym z starszego modelu audi A4. Dokonano porównania wyników uzyskanych na obiektach rzeczywistych z wynikami otrzymanymi w laboratorium. LED lights comparison against conventional lights used in vehicles Abstract A comparative analysis of semiconductor light sources "LED" with the conventional car lights is showed in this paper. Analysis of influence of design parameters on the illumination value is showed together with verification of exhaust emissions. The analysis is performed using Valeo audi A5 manufacturer reflector and audi A4 manufacturer reflector. A experimental comparison is made and showed in the paper. BIBLIOGRAFIA 1. Halliday D., Resnick R., Walker J., Podstawy Fizyki, Tom 5, PWN Chwaleba A., Moeschke B., Płoszajski G., Elektronika; WSiP 1998r. 3. PN-90/E Technika Świetlna 4. Bogdański J. R., Oświetlenie pojazdów, Poradnik Motoryzacyjny nr 3/ Mazur J., Żagan W., Samochodowa technika świetlna, OWPW 1997r 6. E/ECE/324/ECE/TRANS/505 - Rev.2/Add.112/Rev.1 - Regulation No E/ECE/324/ECE/TRANS/505 - Rev.2/Add Regulation No Łukasik M., Regulaminy homologacyjne, Instytut Transportu Samochodowego Chrzanowicz M., Mazur j., Symulacyjna analiza jakości oświetlenia samochodowego Przegląd Elektryczny nr 7-8/