Документация
Нашли ошибку? Сообщите нам ...Комментировать: Методика расчета автомобильных светосигнальных приборов на основе сверхъярких светодиодовРаспечатать: Методика расчета автомобильных светосигнальных приборов на основе сверхъярких светодиодов

Методика расчета автомобильных светосигнальных приборов на основе сверхъярких светодиодов


"Документация" - техническая информация по применению электронных компонентов, особенностях построения различных радиотехнических и электронных схем, а также документация по особенностям работы с инженерным программным обеспечением и нормативные документы (ГОСТ).


В этой статье автор дает методику определения количества светодиодов, необходимых для реализации автомобильных светосигнальных фонарей, удовлетворяющих требованиям международных стандартов.

Светодиоды - это полупроводниковые устройства, преобразующие электроэнергию в электромагнитное излучение видимого, ультрафиолетового или инфракрасного спектров. Светодиоды видимого спектра выпускаются серийно, они имеют различные цвета и мощность от 0,05 Вт для индикаторов до сотен ватт для прожекторов. По сравнению с лампами накаливания светодиоды обладают большими быстродействием, сроком службы, экономичностью, естественно, что их начали применять в автомобильных светосигнальных и осветительных приборах.

В автомобильных светосигнальных приборах сегодня применяют светодиоды небольшой мощности, как правило, 0,2...0,6 Вт, и устанавливают по несколько штук в блоке. Рассмотрим методику определения количества светодиодов, необходимых для реализации автомобильных светосигнальных фонарей, удовлетворяющих требованиям международных стандартов.

Световые потоки, создаваемые автомобильными светосигнальными приборами, нормируются в соответствии с правилами SAE (Международное общество автомобильных инженеров) в США и правилами ЕЭК (ЕСЕ) в Европе и России. В таблице 1 приведены требования к световым потокам, создаваемым светосигнальными фонарями европейских автомобилей [1].

Таблица 1. Светотехнические характеристики автомобильных светосигнальных приборов

Назначение фонаря

Цвет

Сила света на оптической оси, кд

Минимальный световой поток, лм

Макс.

Мин.

Передние указатели поворота в зависимости от расстояния до лампы ближнего света L (мм):

L > 40

20 < L < 40

L < 20

Оранжевый

600

700

800

175

250

400

15,9

22,6

36,3

Передний габаритный фонарь

Белый

60

4

0.41

Стоп-сигнал:

днем

ночью

Красный

520

185

130

60

11.8

5,5

Фонарь заднего хода

Белый

300

80

15,2

Центральные повторители стоп-сигнала

Красный

80

25

3,1

Фонари дневного света

Белый

800

400

37,8

Применяемые в данном светосигнальном приборе светодиоды должны обеспечить требуемый минимальный световой поток. При этом учитываются потери светового потока в оптической системе фонаря и тепловой режим светодиодов. Опыт показывает, что в автомобильных светосигнальных фонарях со светодиодами используется только 12-25% создаваемого светового потока, для ламп накаливания ситуация еще хуже [1]. При нагреве светодиоды уменьшают световую отдачу.

Для определения минимального числа N светодиодов выбранного типа в световом приборе следует знать световой поток источника света ФREAL в фонаре, достаточный для его нормальной работы с учетом потерь в элементах оптики и световой поток светодиода в конкретных условиях светового прибора ФLED. Тогда зависимость выражается следующей формулой:

N = ФREAL / ФLED (1)

Такая методика определения минимального числа светодиодов для реализации светосигнальных автомобильных приборов наглядна и изложена, например, в [1, 2]. Сначала рассчитывают световой поток источника света ФREAL по эмпирической формуле из [1]:

ФREAL = 1.25 · (ФSPEC / KΣ) (2)

где ФSPEC - световой поток, создаваемый фонарем согласно спецификации (см. таблицу 1), KΣ - суммарный коэффициент пропускания оптической системы, который выражается формулой:

KΣ = KLENS · KGLASS · (1 - KFLUX) (3)

где KLENS - коэффициент пропускания светового потока в пластиковых линзах и рассеивателях фонаря. Коэффициент KGLASS учитывает дополнительное поглощение светового потока, если фонарь размещен за стеклом, например, повторитель стоп-сигнала в салоне. Величина KGLASS зависит от угла наклона стекла и уменьшается от значения 0,93 для вертикального стекла до 0,65, когда заднее стекло имеет наклон 20°. Коэффициент KFLUX учитывает уменьшение фактического светового потока из-за неточности его распределения.

Численные значения коэффициентов KFLUX, KGLASS, KLENS получаются путем обобщения экспериментальных данных и приводятся, например, в документации одного из разработчиков светодиодных автомобильных световых приборов фирмы Lumileds Lighting из США [1].

Определим в качестве примера световой поток источника света в двухрежимном сигнале торможения. По таблице 1 ФSPEC = 11,8 лм днем и ФSPEC = 5,5 лм ночью. Коэффициент пропускания пластиковых линз для красного света KLENS = 0,9. Это не дополнительный стоп-сигнал, размещаемый в салоне за стеклом, поэтому KGLASS = 1, KFLUX = 0.3 [1]. Имеем для варианта днем:

ФREAL = (11.8 · 1.25) / (0.9 · 1 · (1 - 0.3 )) = 23 лм (4)

В темное время суток расчет по (2) дает значение ФREAL = 10,9 лм.

Для сравнения, в фонарях стоп-сигнала и передних указателей поворота обычно используется лампа накаливания А12-21 (P21W), создающая гораздо больший световой поток (около 300 лм [3]). Объясняется это тем, что лампа накаливания генерирует световой поток в более широком оптическом спектре, чем светодиод, часть этого потока задерживается цветным рассеивателем фонаря.

При определении светового потока ФLED, создаваемого светодиодом в конкретных условиях светового прибора, учитывается тепловой режим диода, сильно влияющий на его характеристики. Генерируемый светодиодом световой поток уменьшается при увеличении температуры p-n-перехода (кристалла). Для современных светодиодов на основе сложных композитных полупроводников - соединений галлия (Ga), мышьяка (As), фосфора (Р), индия (In), алюминия (Al) и других элементов зависимости светового потока от температуры кристалла примерно экспоненциальные, они приводятся в технических характеристиках. В качестве примера на рис. 1 приведены зависимости нормированного светового потока от температуры кристалла для светодиодов XLamp XP-E LED фирмы Cree [4].

Создаваемый светодиодом световой поток производители указывают для температуры кристалла 25°С. Рабочая температура обычно выше, например, при температуре кристалла 100°С световой поток красного светодиода уменьшается на 35% (рис. 1).

Зависимость светового потока от температуры кристалла

Рис. 1. Зависимость светового потока от температуры кристалла

Допустимая температура кристалла ограничивается значением 125...150°С, так как при большей температуре меняются механические и оптические свойства прозрачного компаунда, которым залит кристалл в светодиоде. На практике светодиоды в изделиях должны работать при температурах p-n перехода не более 80...90°С, в противном случае ускоряется деградация светодиода и сокращается его срок службы [5].

При нагреве кристалла рост температуры на каждые 10°С приводит к увеличению длины волны излучаемого света примерно на 1 нм [5]. Для красных автомобильных фонарей допустим разброс доминантной длины волны спектра в пределах 90 нм, поэтому тепловой сдвиг спектра будет незаметен. В желтых фонарях допустим сдвиг доминантной длины волны спектра на 5...10 нм, и тепловое влияние на излучаемый спектр может быть заметно.

Таким образом, если основная задача теплового расчета световых приборов с лампами накаливания заключается в недопущении перегрева пластиковых арматуры и оптики интенсивным тепловым потоком от лампы, то в световом светодиодном приборе в защите от перегрева нуждается, прежде всего, светодиод.

Методы расчета теплового режима полупроводниковых приборов создаются в соответствии с закономерностями теории теплообмена. Тепло распространяется в пространстве тремя способами: за счет конвекции,теплопроводности и излучения. В инженерном расчете все эти три вида теплообмена учитываются в тепловом сопротивлении кристалл-среда Rja, которое связывает между собой температуры внешней среды Та и кристалла Tj, а также преобразуемую светодиодом в тепло мощность Р.

Tj = Та + Rja · P (5)

Светодиод преобразует в излучение только 10-15% своей электрической мощности, остальное - в тепло, поэтому:

P ≈ I·U, (6)

где U и I - рабочие ток и напряжение на светодиоде.

Современные светодиоды ведущих производителей имеют схожую конструкцию [5]. Кристалл крепится токопроводящим клеем к медной подложке относительно больших размеров, имеющей высокую теплопроводность. Полимерная линза защищает светодиод от внешних воздействий и формирует световой поток. Светодиод в фонаре припаивается на печатную плату из фольгированного алюминия, керамики или стеклотекстолита. При необходимости печатные платы светодиодов монтируются на дюралюминиевые или медные охладители (радиаторы). Охладитель делает теплообмен между кристаллом диода и внешней средой более интенсивным. В некоторых вариантах светодиод крепится непосредственно к радиатору.

На рис. 2 упрощенно показано размещение светодиода в автомобильном светосигнальном приборе.

Светодиод в светосигнальном приборе

Рис. 2. Светодиод в светосигнальном приборе, где 1 - светодиод, 2 - печатная плата, 3 - радиатор, 4 - корпус фонаря, 5 - рассеиватель

Тепло, вырабатываемое p-n-переходом светодиода, распространяется по цепи: кристалл - подложка светодиода - припой или токопроводящий клей между подложкой светодиода и печатной платой - печатная плата - соединение печатной платы с радиатором - радиатор - окружающая среда за пределами фонаря. Каждый этап характеризуется своим тепловым сопротивлением, на схеме замещения они, в данном случае, включаются последовательно.

В светосигнальных фонарях используются относительно маломощные светодиоды, для которых тепловые сопротивления соединений "подложка - печатная плата" и "плата - радиатор" гораздо меньше теплового сопротивления "кристалл - подложка". Это позволяет использовать более простые модели теплового сопротивления (рис. 3) [5].

Схемы замещения теплового сопротивления

Рис. 3. Схемы замещения теплового сопротивления "светодиод - внешняя среда" с радиатором (а) и без радиатора (б), где Tj - температура p-n-перехода, Tc - температура соединения "подложка-печатная плата", Ta - температура внешней среды, Ts - температура соединения "печатная плата - радиатор"; Rjc, Rcs, Rsa, Rca - тепловые сопротивления соответственно "кристалл - подложка" (корпус), "печатная плата - радиатор", "радиатор - среда", "печатная плата - среда"

Результирующее тепловое сопротивление "кристалл - среда" для варианта с радиатором:

Rjа = Rjc + Rcs + Rsa (7)

Без радиатора:

Rjа = Rjc + Rса (8)

Величина теплового сопротивления Rjc "кристалл - подложка" (корпус) светодиода обычно приводится в технических характеристиках диода. Тепловое сопротивление Rjа "кристалл - среда" для конкретной конструкции осветительного прибора может быть определено экспериментально по следующей методике:

  • К катоду светодиода, соединенному с печатной платой в фонаре, припаивают компактную термопару диаметром до 0,25 мм. Если в фонаре несколько светодиодов, выбирают нагревающийся наиболее сильно, обычно он находится в середине платы.
  • Термопарой измеряют температуру корпуса светодиода Tc, а также температуру окружающей среды Ta через 30 минут после включения фонаря, когда тепловой режим стабилизируется.
  • По формуле (5) определяют тепловое сопротивление "корпус (подложка) светодиода - среда"

Rса = (Tc - Ta) / P ,

где Р - мощность светодиода.

  • По выражению (5) вычисляют Rjа.

Температуру p-n перехода светодиода можно также определять по величине прямого напряжения на диоде при постоянном токе.

На начальном этапе проектирования светодиодного фонаря, когда еще нет макета, используют оценки теплового сопротивления, полученные в результате обобщения имеющейся экспериментальной информации и моделирование на компьютере. В таблице 2 приведены оценки теплового сопротивления "кристалл - среда" для типовых конструкций автомобильных светосигнальных приборов на базе маломощных светодиодов [5].

Таблица 2. Тепловое сопротивление "кристалл - среда"

Конструкция фонаря

Rjа, °С/Вт

Светодиоды расположены в один ряд, токоограничивающий резистор или драйвер размещены вне печатной платы

325

Светодиоды расположены в один ряд, токоограничивающий резистор или драйвер размещены на той же печатной плате

400

Светодиоды образуют массив, токоограничивающий резистор или драйвер размещены вне печатной платы

500

Светодиоды образуют массив, токоограничивающий резистор или драйвер размещены на той же печатной плате

650

Светодиоды располагают в один ряд, например, в повторителях стоп-сигнала, массивы используются в фонарях сигнала торможения.

В таблице 3 приведены характеристики некоторых маломощных светодиодов, применяемых в автомобильных светосигнальных приборах, они взяты с сайтов ведущих производителей www.lumileds.com и www.сree.com.

Таблица 3. Характеристики маломощных светодиодов

Параметр

Тип светодиода,производитель

CLM4B-PKW, Cree

HPWT-MH00, Lumileds Lighting

HPWT-ML00, Lumileds Lighting

CP42T-RKS, Cree

CLM1B-RKW/ AKW, Cree

LAT68B-T2V1- 24, OSRAM

CLP6C-RKW/AKW, Cree, 3 светодиода

Световой поток, лм

6,3

5,0

2,5

4,4

2,0

1,9

15

Излучаемый цвет

красный

красный

оранжевый

красный

красный

оранжевый

красный, оранжевый

Тепловое сопротивление

Rjc, °С/Вт

150

125

125

125

300

180

3х150

Рабочий ток, мА

70

70

70

70

50

50

3х80

Рабочее напряжение, В

2,4

2,6

2,6

2,6

2,1

2,1

2,4

Tj макс., °С

110

125

125

125

110

125

110

Габариты, мм

3,2х2,7

7,6х7,6

7,6х7,6

7,6х7,6

3,2х2,7

3,4х3,0

5,0х6,0

Тип корпуса

BLCC

Р4

Р4

Р4

BLCC

BLCC

BLCC

Световой поток, создаваемый светодиодом в фонаре ФLED определяется по выражению:

ФLED = ФLEDCPEC · KT · KI · KUTIL, (9)

где ФLEDCPEC - типовое значение светового потока для данного светодиода при температуре p-n-пе-рехода 25 °С и номинальном токе, коэффициенты KT и KI учитывают отличие температуры кристалла Tj, и тока светодиода I от номинальных значений, коэффициент KUTIL ≈ 0,75 учитывает недоиспользование части светового потока конструкцией фонаря [5].

Для маломощных светодиодов в технических характеристиках иногда вместо светового потока приводятся плоский угол охвата δ и сила света J. В этом случае сначала определяется телесный угол Ω ≈ 2р · (1 - cos δ), затем световой поток ФLEDCPEC = J·Ω.

Например, определим световой поток ФLED светодиода HPWT-MH00 в фонаре сигнала торможения, ФLEDCPEC = 5 лм (таблица 3). В стоп-сигнале используется массив светодиодов, поэтому Rjа = 500 °С/Вт (таблица 2), положим Tj = 90 °С для обеспечения умеренной деградации светодиодов, тогда KT = 0,6. Величина KT определена по графику зависимости светового потока от температуры кристалла (рис.1). Допустимый рабочий ток диода:

I = (Tj - Ta) / (Rjа - U) = (90 - 65) / (500 · 2.6) = 20 мА (10)

Предельную температуру окружающей среды Ta для стоп-сигнала выбираем равной 65°С, как для электрооборудования автомобилей, устанавливаемого в кабине или снаружи [3]. Для ориентировочного расчета зависимость нормированного светового потока диода от нормированного тока можно считать линейной [5], поэтому

KI ≈ I / Imax ≈ 20мА / 70мА ≈ 0.3.

Таким образом ФLED = 5 · 0,6 · 0,3 · 0,75 = 0,675 лм, в фонарь стоп-сигнала для обеспечения работы днем необходимо поместить в соответствии с выражением (1)

N = 23 / 0.675 = 34

светодиода. Если использовать в расчете предельно допустимое значение температуры Tj = 125 °С, как это сделано в [5], с учетом повторно-кратковременного режима работы светосигнального прибора, N = 23.

В таблице 4 приведено расчетное количество маломощных светодиодов, необходимых для реализации фонаря сигнала торможения. Аналогичные результаты для светодиодов фирмы Lumileds Lighting приведены в [1].

Таблица 4. Количество светодиодов для стоп-сигнала

Параметр

Тип светодиода, производитель

CLM4B-PKW, Cree

HPWT-MH00, Lumileds Lighting

HPWT-ML00, Lumileds Lighting

CP42T- RKS, Cree

CLM1B-RKW/ AKW, Cree

LAT68B-T2V1-24, OSRAM

CLP6C- RKW/AKW, Cree, 3 светодиода

Кол-во диодов при Tj = 125 °С

15

23

31

17

25

23

7

Кол-во диодов при Tj = 90 °С

23

34

63

36

46

42

11

Мощность фонаря при Tj = 125 °С, Вт

1.4

2.8

3.7

2.1

2.5

2.7

1.9

В настоящее время производится большое число типов светодиодных ламп для автомобильных световых приборов для вторичного рынка. Автовладелец заменяет светодиодной лампой лампу накаливания в уже имеющейся арматуре, хотя это и незаконная операция, т.к. в соответствии с правилами ЕЭК световые приборы транспортного средства должны иметь тот тип и мощность ламп, которые установил завод-изготовитель. Например, на сайте www.netuning.ru приведено описание светодиодных аналогов А12-21. Лампа P21W-27s50 обеспечивает световой поток 162 лм, собрана на 27 светодиодах SMD5050, лампа P21W-60s35 имеет световой поток 200 лм и состоит из 60 светодиодов SMD3028.

Отметим, что SMD5050 и SMD3028 - это не типы светодиодов, а размеры посадочных мест 5,0х5,0 мм и 3,0х2,8 мм в технологии поверхностного монтажа. Заявленные высокие значения светового потока эти лампы смогут выдать в идеальных условиях при Tj = 25 °С. В реальных условиях автомобильных светосигнальных фонарей световой поток будет гораздо меньше. Число светодиодов в P21W-27s50 и P21W-60s35 не противоречит расчетам в таблице 4, следовательно, и режимы работы диодов примерно совпадают. Светодиодная лампа для замены А12-21 и не должна создавать световой поток 200 лм.

Тепловое сопротивление "кристалл-среда" Rjа определяется конструкцией фонаря. Для уменьшения Rjа на печатной плате сохраняют максимум металлизации, под основанием светодиода высверливают отверстия диаметром 0,4 мм и заполняют их припоем, материалом платы может являться алюминий вместо стеклотекстолита.

Корпуса маломощных светодиодов

Рис. 4. Корпуса маломощных светодиодов: а - Р4, Пиранья, для монтажа в отверстия,
б - РLCC для поверхностного монтажа

Светодиоды размещают на максимально возможном расстоянии друг от друга, в фонаре дополнительного стоп-сигнала светодиоды размещают в один ряд на расстоянии ≈ 15 мм. В сигналах указателей поворота и торможения, где используются массивы светодиодов, расстояния между диодами ≈ 10 мм.

Представленные материалы подтверждают, что для применения светодиодов в автомобильных светосигнальных приборах на первичном и вторичном рынках уже нет нерешенных технических проблем.

Литература и интернет-источники

1. Using SuperFlux LEDs in automotive signal lamps. Application brief AB20-1, Lumileds Lighting (www.lumileds.com), 2004. - 16 pp.

2. LED luminaries design guide. Application note CLD-AP15.000, Cree Inc. (www.cree.com), 2007. - 16 pp.

3. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей: Учеб. Для студентов вузов. - 2-е изд., пере-раб. и доп. - М.: Транспорт, 2007. 320 с.

4. Cree XLamp ХРЕ LED Data Sheet CLD-DS18 Rev 11, Cree Inc. (www.cree.com), 2008. - 16 pp.

5. Thermal management considerations for SuperFlux LEDs. Application brief AB20-4, Lumileds Lighting (www.lumileds.com), 2004. - 14 pp.

Автор: Владимир Яковлев (г. Самара)

Источник: Ремонт и сервис


Дата публикации: 30.01.2016
Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.


Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному вышематериалу:








 



RadioRadar.net - datasheet, service manuals, схемы, электроника, компоненты, semiconductor,САПР, CAD, electronics