Basisprincipes van LED – definitie, opbouw en werkwijze
LED koplampen
Hier vindt u nuttige kennis en belangrijke tips over LED-koplampen bij voertuigen.
LED's zijn momenteel bezig om de klassieke gloeilampen in moderne auto's te vervangen. Ze bieden niet alleen een hoog lichtrendement en meer veiligheid, maar ook veel vrijheid in de vormgeving en een hoog energiebesparingspotentieel. Mensen die geïnteresseerd zijn in techniek kunnen op deze pagina kennis vergaren over de basisprincipes van LED-techniek in auto's. Bovendien ontdekt u waarop er bij de instelling van moderne LED-koplampen moet worden gelet.
Belangrijke veiligheidsinstructie
De volgende technische informatie en praktische tips zijn door HELLA ontwikkeld om autogarages bij hun werkzaamheden professioneel te ondersteunen. De op deze website beschikbare informatie mag alleen worden gebruikt door vakmensen die in de desbetreffende materie zijn opgeleid.
INHOUDSOPGAVE
BASISPRINCIPES VAN LED – DEFINITIE, OPBOUW EN WERKWIJZE: BASISPRINCIPES
De lichtdiode wordt ook als luminescentiediode aangeduid of afgekort LED genoemd. LED staat voor "Light Emitting Diode" (licht uitstralende diode), aangezien ze elektrische energie in licht omzet. Vanuit fysisch standpunt is dit een koudlichtbron en een elektronisch halfgeleiderbouwelement van de opto-elektronica, waarvan de geleidbaarheid tussen die van geleiders (bijv. metalen, water, grafiet) en niet-geleiders (bijv. niet-metalen, glas, hout) ligt.
Opbouw
Lichtdioden zijn er, afhankelijk van de behoefte, in verschillende groottes, vormen en kleuren. De klassieke variant (standaard LED) heeft een cilinderachtige vorm en is op het punt, waaruit licht naar buiten treedt, door een halve kogel afgesloten.
Eenvoudige lichtdioden bestaan uit de volgende componenten
- LED-chip
- Reflectorwanden (met contact tot de kathode)
- Gouddraad (contact tot de anode)
- Kunststoflens (verenigt en fixeert componenten)
Klein en robuust – de hoogvermogensdiode
Hoogvermogensdioden beschikken over een groot metalen stuk dat voor een betere warmteregulering zorgt. Aangezien de warmte eenvoudiger wordt afgevoerd, kan er meer stroom door de diode stromen, ontstaat er een uitgestrektere lichtstraling en is het lichtvermogen hoger. In vergelijking met een eenvoudige 5-mm-LED is de warmteweerstand tien keer zo laag. In de praktijk betekent dit dat een hoogvermogensdiode, zoals de Luxeon Rebel, bij benadering een 1 mm groot vierkant emissievlak en een rendement van ongeveer 40-100 lumen heeft. Het vermogen van een normale 5-mm-LED verbleekt daartegen. Met een grootte van 0,25 mm en een vermogen van minder dan 0,1 W en 20-30 mA bereikt ze slechts een rendement van 1-2 lumen.
De kleine, vlakke vorm van de LED's biedt een grote ontwerpvrijheid voor een toekomstgericht productdesign: bijvoorbeeld de "LEDayFlex"-dagrijlichtmodule voor personenwagens, trucks en caravans.
Vormen
Lichtdioden zijn beschikbaar in verschillende types en vormen. Afhankelijk van het gebruik onderscheiden ze zich in opbouw, vermogen en levensduur. Tot de belangrijkste LED's behoren:
Bekabelde lichtdioden
De voorlopers van alle LED's zijn de bekabelde lichtdioden die vooral voor controledoeleinden werden gebruikt. Tegenwoordig worden ze in combinatie met meerdere LED's s gebruikt als LED spots, tl-buizen, lichtmodules en -buizen. Ze zijn verkrijgbaar in 3, 5 en 10 mm. De kathode, de minpool van een bekabelde LED, is herkenbaar aan het feit dat ze korter is dan de anode (pluspool) en het kunststofomhulsel is afgevlakt. De uitgangshoek van het licht wordt door de lensvorm van de behuizing bepaald.
SuperFlux
De SuperFlux-LED's zijn sterker dan eenvoudig bekabelde LED's. Ze hebben tot vier chips (halfgeleiderkristallen). "Piranha" en "Spider" behoren tot de vaakst gebruikte modellen. Ze worden gekenmerkt door een grote straalhoek en worden vooral in de verlichting van vlakten gebruikt aangezien het licht vlakvormig wordt uitgestraald. De goede warmteafleiding gebeurt via vier contacten die afzonderlijk kunnen worden aangestuurd. De opbouw van de High Flux verzekert een lange levensduur. Het is dus een efficiënt verlichtingsmiddel dat universeel kan worden gebruikt.
SMD
SMD staat voor "Surface Mounted Device" en betekent dat deze diode in het bereik van de oppervlaktemontage wordt gebruikt. SMD-LED's bestaan minstens uit drie tot vier chips en hebben soldeercontacten die op de betreffende printplaat of aansluitvlak worden gesoldeerd. Ze zijn relatief ongevoelig als het gaat om stroomdichtheid en kunnen dus intensief verlichten. De uitvoeringen van de SMD-LED zijn zeer veelzijdig. De grootte, de behuizingsvorm en de lichtstroomsterkte kunnen variabel worden gekozen. Ze worden in combinatie met andere SMD-lichtdiodes gebruikt in lLED-lichtbuizen of -modules. In de automotive sector worden ze vooral gebruikt voor knipper-, rem- of dagrijlicht.
High Power
High-Power-LED's zijn krachtige en robuuste lichtdioden die bij optimale werkingsomstandigheden met 1000 mA kunnen worden gebruikt. Ze worden meestal bij metaalkernprintplaten gebruikt. Hun ongewone vorm stelt hoge eisen aan het thermomanagement.
COB
De "Chip On Board"-lLED(COB) is de best ontwikkelde lichtdiode. Het heeft deze naam gekregen aangezien ze onmiddellijk op de plaat wordt bevestigd. Dit gebeurt met behulp van de zogenaamde "bundeling" waarbij de chips volledig automatisch op de vergulde printplaat worden bevestigd. Het contact met de tegenpool gebeurt via een draad van goud of aluminium. Aangezien er bij COB-LED's geen reflectoren of lensoptiek worden gebruikt, is de uitstraalhoek van het licht zeer groot. De grootste voordelen van de COB-technologie liggen in de sterke verlichtingskracht, de homogene verlichting en de talrijke toepassingsgebieden.
Waaruit bestaat een LED?
In essentie bestaat een LED uit meerdere lagen van halfgeleiderverbindingen. Halfgeleiders, zoals silicium, zijn stoffen die met hun elektrische geleidbaarheid liggen tussen de geleiders, zoals de metalen zilver en koper, en de niet-geleiders (isolatoren), zoals teflon en kwartsglas. Door een gerichte inbouw van elektrisch werkzame vreemde stoffen (doteren) kunnen halfgeleiders sterk in hun geleidbaarheid worden beïnvloed. De diverse halfgeleiderlagen vormen samen de LED-chip. Het lichtvermogen (efficiëntie) van de LED en de kleur van het licht hangen in grote mate af van de soort en de wijze van samenhang van deze lagen (diverse halfgeleiders).
Wanneer in de LED een stroom in de doorstromingsrichting (van anode + naar kathode –) stroomt, wordt er licht gegenereerd (geëmitteerd).
De n-gedoteerde laag is door de inbouw van vreemde atomen zodanig geprepareerd dat er een overvloed van elektronen is. In de p-gedoteerde laag zijn maar weinig van deze ladingsdragers voorhanden. Daardoor ontstaan de zogenaamde elektronetekorten (gaten). Bij het aanbrengen van een elektrische spanning (+) aan de p-gedoteerde laag en (–) aan de n-gedoteerde laag bewegen de ladingsdragers naar elkaar toe. Bij de pn-overgang komt het tot een hercombinatie (hereniging van tegengesteld geladen delen in een neutraal geheel). Bij dit proces komt energie in de vorm van licht vrij.
Elektrische eigenschappen – waarom te hoge stroom schadelijk is
Als er op een lichtdiode spanning wordt gezet, dan daalt de weerstand naar nul. Lichtdioden zijn uiterst gevoelige onderdelen waarbij zelfs de kleinste overschrijding van de toegelaten stroomsterkte ervoor zorgt dat ze worden vernietigd. Daarom moet er absoluut op worden gelet dat de lichtdioden niet direct aan een spanningsbron worden aangesloten. Pas wanneer er een stroombegrenzer of een voorweerstand in het stroomcircuit is ingebouwd, mogen ze worden aangesloten. Bij hoogvermogens-LED's gebeurt de aansturing via een voorschakelelektronica die een constante stroom levert.
Het nevenstaande diagram toont een stroomcircuit dat nodig is voor een optimale werking van de LED. In dit geval wordt een voorweerstand als begrenzer gebruikt, die de doorlaatstroom IF, die door de lichtdiode stroomt, controleert. Om een geschikte keuze te maken voor de weerstand, moet eerst de doorlaatspanning UF worden bepaald.
Om de voorweerstand RV te berekenen, is de totale spanning, de doorlaatspanning en de doorlaatstroom nodig.
Stroomcircuit
Formule voorweerstand RV
LED-aansturing
Omdat LED's weinig stroom nodig hebben, lichten ze reeds op als ze slechts een fractie (enkele mA) van de toegelaten doorlaatstroom krijgen. Veelal is dit genoeg om voor voldoende licht te zorgen. Zoals reeds vermeld, zijn er afhankelijk van de toepassing verschillende mogelijkheden om LED's te gebruiken.
Aansturingsmogelijkheden van leds
De toekomst van de LED – optimale lichtcondities voor het voertuig
De LED is vanwege hogere aankoopprijs in de automotove sector tot nu toe alleen in het premium-segment doorgedrongen, maar op lange termijn zal de LED standaard worden. Want naast economische voordelen zijn er ook talloze technische redenen om LED´s standaard in te bouwen.
Lichtdioden bieden hoge functionaliteit, technische prestaties en optimale lichtresultaten. Ze ondersteunen het behoud van energiebronnen en zorgen voor meer veiligheid in het wegverkeer. Bovendien maakt de op het daglicht lijkende lichtkleur een aangename en verbeterde subjectieve lichtwaarneming mogelijk.
De LED-markt voor lampen en koplampen zal zich permanent in twee richtingen ontwikkelen: Aan de ene kant zal het premium-segment belangrijker worden, wat een hoge functionaliteit met een perfect verlichtingsvermogen vereist. Aan de andere kant wordt het economisch en ecologisch gemotiveerde bereik bevorderd, dat naast een laag energieverbruik ook kostenbesparende oplossingen vooropstelt. Optimaal ontwikkeld, functioneel, economisch – LED's bieden vele mogelijkheden.
LED-optica in de auto
Er zijn verschillende methodes om licht in een bepaalde richting te sturen. De belangrijkste processen voor de lichtrichting in de autoverlichting zijn reflectie, breking en hybride (combinatie van reflectie en breking).
Voorbeelden voor technieken van de lichtrichting
Het licht wordt door gecombineerde lichtmodules gegenereerd
Omdat LED's weinig stroom nodig hebben, lichten ze reeds op als ze slechts een fractie (enkele mA) van de toegelaten doorlaatstroom krijgen. Veelal is dit genoeg om voor voldoende licht te zorgen. Zoals reeds vermeld, zijn er afhankelijk van de toepassing verschillende mogelijkheden om LED's te gebruiken. Hiernaast zijn drie van deze mogelijkheden weergegeven.
THERMOMANAGEMENT: BASISPRINCIPES
Het thermomanagement speelt een beslissende rol bij de toepassing van lichtdioden, omdat deze onderdelen heel gevoelig op warmte reageren.
Lichtdioden zijn koudlichtbronnen aangezien ze wel licht maar bijna geen uv- of IR-stralen uitzenden. Het uitgestraalde licht werkt koud en verwarmt de aangestraalde objecten niet. De LED wordt echter verwarmd door het ontstaan van het licht . Tot 85 % van de energie wordt in warmte omgezet. Hoe lager de temperatuur, hoe helderder en hoe langer de LED brandt. Daardoor moet er absoluut passende koeling worden toegepast. Naast de zelf geproduceerde warmte moet er bij koplampen of lampen ook rekening worden gehouden met andere warmtebronnen, zoals de warmte van de motor, zonnestralen, etc. Daarom worden tegenwoordig, afhankelijk van de LED´s en hun doeleinde, verschillende technieken voor de toename van de warmteoverdracht of -afleiding gebruikt.
Voorbeelden:
a) Ribben-koellichamen
b) Pen-koellichamen
c) Koellichamen met "hittepijp"
Bovendien bestaat meestal de mogelijkheid om de stroom voor de LED´s te regelen. Onder extreme omstandigheden kan het vermogen van de LED´s in een bepaalde mate worden verminderd om zo de warmteproductie te verminderen. Om ervoor te zorgen dat de koeling nog meer toeneemt, wordt de luchtcirculatie door axiale of radiale ventilatoren tussen de koelelementen verhoogd.
Ribben-koellichamen
Axiale ventilator Audi A8
VOORDELEN VAN LED: VERGELIJKING
Lichtdioden overtuigen in meerdere opzichten. Ze zijn misschien duurder in aankoop dan normale gloeilampen of halogeenlampen, maar hun gebruik betaalt zich al snel terug. Juist de automotive sector maakt gebruik van de positieve eigenschappen van de LED en zet deze in toenemende mate in nieuwe voertuigen vanwege de volgende voordelen :
| Lichtbron | Lichtstroom [lm] | Efficiëntie [lm/W] | Kleurtemperatuur [K] | Luminantie [Mcd/m²] |
|---|---|---|---|---|
| Conventionele gloeilamp W5W | ~ 50 | ~ 8 | ~ 2700 | ~ 5 |
| Halogeenlamp H7 | ~ 1100 | ~ 25 | ~ 3200 | ~ 30 |
| Gasontlading D2S | ~ 3200 | ~ 90 | ~ 4000 | ~ 90 |
| Led 2,5 Watt | ~ 120 (2010) ~ 175 (2013) | ~ 50 (2010) ~ 70 (2013) | ~ 6500 | ~ 45 (2010) ~ 70 (2013) |
Belangrijkste voordelen
- Laag energieverbruik
- Lange levensduur
- Beschermd tegen stoten en trillingen
- Beperkte warmteontwikkeling
- Geen onderhouds- of reinigingskosten
- Vrij van kwik
- Goede verblindingsbegrenzing
- Zonder vertraging schakel- en moduleerbaar
- Hoogwaardige lichtweergave
- Veelvoudige vormen (vrijwel overal inzetbaar)
- Individuele lay-out van de lichtbron
- Lichttemperatuur blijft behouden bij dimmen
- Regelbare lichtkleur
- Lage productiekosten
- Verhoogde lichthoeveelheid per chip
- Zeer weinig gevallen van vroegtijdige uitval
- Zeer compacte afmetingen
- Geen UV- of IR- straling
- Laag opgenomen vermogen
- Gericht licht – Lambert-straler met 120°-stralingshoek
- Hoge kleurverzadiging
Energieverbruik en besparingsmogelijkheden optimaliseren dankzij LED´s
Milieubescherming en stijgende brandstofprijzen zijn de twee doorslaggevende argumenten waarom het thema energiebesparen actueler is dan ooit. Het grootste aandachtspunt bij de aankoop van een nieuw voertuig ligt tegenwoordig is vaak het brandstofverbruik. Het besparingspotentieel gerelateerd aan de energiebehoefte van de voertuigverlichting wordt vaak niet opgemerkt.
De bovenstaande grafiek stelt de 100 % energiebehoefte van een voertuig voor dat met een combinatie van gloeilampen (achterlichten) en halogeenlampen (koplampen) is uitgerust. Het is heel duidelijk wie de grootste stroomverbruiker is. Alleen het dimlicht heeft al 60 % van de vereiste enerige nodig.
Alleen het gebruik van een combinatie van xenonlampen en LED's leidt ertoe dat de energiebehoefte ongeveer met 39 % kan worden verlaagd.
Indien men alleen LED-verlichting gebruikt, dan wordt het energieverbruik tot 60 % verminderd.
Brandstofbesparing bij de combinatie van diverse verlichtingsmiddelen
| Voertuigconfiguratie (kopklamp/hoeklicht) | Brandstofverbruik [l/100 km] | CO2-emissie [kg/100 km] | Vermindering |
|---|---|---|---|
| Halogeen/conventioneel | ~ 0,126 | ~ 0,297 | - |
| Xenon/LED | ~ 0,077 | ~ 0,182 | 39 % |
| LED/LED (potentieel voor 2015) | ~ 0,051 | ~ 0,120 | 60 % |
Brandstofverbruik en CO2-emissie bij gemiddelde werkingsduur van de verlichting
| DRL-systeem | Brandstofverbruik [l/100 km] | CO2-emissie [kg/100 km] | Vermindering |
|---|---|---|---|
| Halogeenkoplampen | ~ 0,138 | ~ 0,326 | - |
| LED (afzonderlijke DRL-functie) | ~ 0,013 | ~ 0,031 | 91 % |
Extra brandstofverbruik en CO2-emissie voor dagrijlicht (DRL)
| Vergelijking verlichtingsmiddelen | Brandstofverbruik |
|---|---|
| Halogeen-/gloeilampconfiguratie | 0,10 – 0,25 l /100 km |
| Xenon-/LED-configuratie | 0,05 – 0,15 l /100 km |
| Volledige LED-configuratie (potentieel 2015) | 0,03 – 0,09 l /100 km |
Brandstofverbruik volgens verlichtingsconfiguratie (OE-personenwagen)
Remwegverkorting – met LED-verlichting veilig op weg
Wereldwijd stijgt het aantal voertuigen. Door de grotere verkeersdrukte ontstaan er steeds meer aanrijdingen. Om dit te vermijden, moet de bestuurder snel lichtsignalen kunnen waarnemen. Terwijl een normale gloeilamp tot 0,2 seconden nodig heeft om op te lichten, reageert een LED onmiddellijk. Het heeft ook geen opwarmingsfase en brandt direct als het rempedaal wordt ingedrukt. Zo kan een achterliggend voertuig sneller op de remactie van de voorligger reageren.
Voorbeeld
Twee auto's rijden met een snelheid van 100 km/u (veiligheidsafstand 50 m) achter elkaar. Het voorste voertuig remt, de bestuurder van het achterste voertuig kan door het direct oplichten van de LED's nagenoeg op hetzelfde moment reageren en remmen. Zo wordt de remweg met ongeveer 5 meter verkort. Een enorme verbetering van de veiligheid.
LICHTINSTELLING VAN DE LEDKOPLAMP OP DE AUDI A8 BIJVOORBEELD: INSTRUCTIE
Over het algemeen kunnen alle LED-koplampen met een normaal koplampafstelapparaat worden afgesteld. LED-koplampen met slechts één optische lens (dimlicht) worden bij de controle en de instelling van de lichtverdeling behandeld zoals alle andere koplampen met slechts één lichtbron. Bij bepaalde koplampen met meerdere lichtbronnen moet er op een bijzonderheid worden gelet. Door de vorm van sommige koplampen is de verzamellens van het afstelapparaat eenvoudigweg te klein om het uitgaande licht (dimlicht) van alle LED's te vatten. In dergelijke gevallen is het belangrijk om te weten welke LED voor welke lichtfunctie verantwoordelijk is.
Koplamp Audi A8 - dimlicht
Bij de voorbereiding van het voertuig moeten de instructies van de fabrikant in acht worden genomen! We tonen dit met als voorbeeld de Audi A8. Zoals vooraf reeds is aangegeven, genereren drie verticaal geplaatste LED's zowel een symmetrisch als een asymmetrisch aandeel van het dimlicht.
Lichtverdeling instellen
Daarom moet het afstelapparaat op deze lenzen worden uitgelijnd. Indien het koplampafstelapparaat volgens de specificaties is uitgelijnd, kan de lichtverdeling zoals gewoonlijk worden ingesteld.
Hoe nuttig is dit artikel voor jou?
Helemaal niet nuttig
Zeer nuttig