LED’in temel ilkeleri - Tanımı, yapısı ve çalışma prensibi
LED farlar
Araçlardaki LED farlar konusunda faydalı bilgileri ve önemli ipuçlarını burada bulabilirsiniz.
LED’ler şu anda modern motorlu taşıtlarda klasik akkor ampullerin yerini almaktadır. Sadece yüksek bir ışık verimliliği ve daha fazla güvenlik sunmakla kalmaz, aynı zamanda daha fazla tasarım özgürlüğü ve yüksek bir enerji tasarrufu potansiyeli sunar. Teknolojiye ilgi duyanlar, motorlu taşıtlarda LED teknolojisinin temelleri hakkındaki bilgiye olan açlıklarını bu sayfadan giderebilirler. Ayrıca, modern LED farları ayarlarken nelere dikkat etmeniz gerektiğini de öğrenebilirsiniz.
Önemli güvenlik uyarısı
Çalışmalarında araç servislerine profesyonel destek sağlamak için, aşağıdaki teknik bilgiler ve uygulamaya yönelik ipuçları HELLA tarafından hazırlanmıştır. Bu web sitesinde sağlanan bilgiler, yalnızca uygun şekilde eğitilmiş uzman personel tarafından kullanılmalıdır.
İÇİNDEKİLER
LED’İN TEMEL İLKELERİ - TANIMI, YAPISI VE ÇALIŞMA PRENSİBİ: TEMEL İLKELER
Işık yayan diyot, lüminesans diyot veya kısaca LED olarak adlandırılır. LED, elektrik enerjisini ışığa dönüştürdüğü için “Light Emitting Diode” (ışık yayan diyot) anlamına gelir. Fiziksel açıdan, iletkenlik değeri iletken olan (örneğin metaller, su, grafit) ve iletken olmayan (örneğin metaller, cam, ahşap) malzemeler arasında bulunan bir soğuk ışık kaynağı ve optoelektronik alanının elektronik bir yarı iletken bileşenidir.
Yapısı
Işık yayan diyotlar, gereksinimlere bağlı olarak çok çeşitli boyutlarda, tasarımlarda ve renklerde mevcuttur. Klasik varyant (standart LED), silindirik bir şekle sahiptir ve ışığın yayıldığı noktada bir yarım küre ile kapatılmıştır.
Basit ışık yayan diyotlar, aşağıdaki bileşenlerden oluşur:
- LED çipi
- Reflektör oluğu (katot ile temas halinde)
- Altın tel (anot ile temas halinde)
- Plastik mercek (bileşenleri birleştirir ve sabitler)
Küçük ve dayanıklı - Yüksek performanslı diyot
Yüksek performanslı diyotlar, daha iyi bir ısı ayarlaması sağlayan büyük bir metal boşluğa sahiptir. Isı daha kolay dağıldığından, diyottan daha fazla akım geçebilir, ışık emisyonu daha büyük bir alan üzerinde gerçekleşir ve ışık çıkışı daha yüksektir. Basit bir 5 mm LED ile karşılaştırıldığında, ısı direnci on kat azalır. Uygulamada bu, örneğin Luxeon Rebel gibi yüksek performanslı bir diyotun yaklaşık 1 mm’lik bir kare emisyon alanına ve yaklaşık 40 - 100 lümenlik bir verimliliğe sahip olduğu anlamına gelir. Normal bir 5 mm standart LED’in gücü, buna kıyasla sönük kalır. 0,25 mm’lik bir boyut ve 0,1 W ve 20 - 30 mA’dan daha az bir çıkış ile sadece 1 - 2 lümenlik bir verime ulaşır.
LED’lerin küçük, düz tasarımı, çığır açan ürün tasarımları için önemli bir yaratıcı hareket alanı sunar: örneğin, otomobiller, kamyonlar ve karavanlar için “LEDayFlex” gündüz farı modülleri gibi.
Tasarımlar
Işık yayan diyotların farklı tipleri ve tasarımları vardır. Uygulama alanına göre yapı, güç ve kullanım ömrü açısından farklılık gösterirler. En önemli LED’ler şunlardır:
Bacaklı ışık yayan diyotlar
Bacaklı ışık yayan diyotlar, tüm LED’lerin öncüsüdür ve çoğunlukla kontrol amaçlı kullanılırlar. Günümüzde, birkaç LED’in bir kombinasyonu olarak LED spot ışıklarında, floresan tüplerde veya modüllerde kullanılmaktadırlar. 3, 5 ve 10 mm boyutlarında mevcuttur. Bacaklı bir LED’in negatif kutbu olan katot, anottan (pozitif kutup) daha kısa olması ve plastik kaplamanın düzleştirilmiş olması ile ayırt edilebilir. Işığın çıkış açısı, gövdenin mercek şekli ile tanımlanır.
SuperFlux
Basit bacaklı LED’lerden daha güçlü olan SuperFlux LED’ler, dört adede kadar çipe (yarı iletken kristaller) sahiptir. Yaygın olarak kullanılan modeller arasında “Piranha” ve “Spider” bulunmaktadır. Geniş bir hüzme açısıyla ayırt edilirler ve ışık geniş bir alana yayıldığı için, özellikle alan aydınlatması için kullanılırlar. Ayrı ayrı kontrol edilebilen dört kontak sayesinde iyi bir ısı dağılımı sağlanır. High Flux’un yapısı uzun bir kullanım ömrü sağlar ve onları evrensel olarak kullanılabilen verimli bir ışık kaynağı yapar.
SMD
SMD, “Surface Mounted Device” (yüzeye monteli cihaz) demektir ve bu diyotun yüzeye monte edilen alanda kullanıldığı anlamına gelir. SMD LED’ler genellikle üç ila dört çipten oluşur ve ilgili baskılı devre kartına veya bağlantı yüzeyine lehimlenmiş lehim kontaklarına sahiptir. Akım yoğunluğu açısından nispeten duyarsızdırlar ve bu nedenle yoğun bir şekilde parlayabilirler. SMD LED’lerin sayısız versiyonu vardır. Boyut, gövde şekli ve ışık akısı şiddeti değişken olarak seçilebilir. LED floresan tüplerde veya modüllerde diğer SMD ışık yayan diyotlarla birlikte kullanılırlar. Otomotiv endüstrisinde, öncelikle sinyal, fren veya gündüz sürüş farları için kullanılırlar.
Yüksek güç
Yüksek güçlü LED’ler, optimum çalışma koşullarında 1000 mA’lık akımlarla çalıştırılabilen güçlü ve sağlam ışık yayan diyotlardır. Genellikle metal çekirdekli baskılı devre kartlarında kullanılırlar. Sıra dışı tasarımları, termal yönetim konusunda artan talepleri beraberinde getirmektedir.
COB
Chip On Board (COB) LED, en gelişmiş ışık yayan diyottur. Doğrudan devre kartına bağlı olduğu için bu ismi almıştır. Bu, çiplerin tamamen otomatik olarak altın kaplama baskılı devre kartına sabitlendiği “demetleme” yardımıyla elde edilir. Karşı kutba temas, altın veya alüminyumdan yapılmış bir tel aracılığıyla yapılır. COB LED’lerde reflektör veya lens optiği kullanılmadığından, yayılan ışığın hüzme açısı çok büyüktür. COB teknolojisinin en büyük avantajları, yüksek aydınlatma gücü, homojen aydınlatma ve geniş uygulama alanlarıdır.
Peki, LED gerçekte nelerden oluşur?
Temel olarak bir LED, birkaç kat yarı iletken bileşikten oluşur. Silisyum gibi yarı iletkenler, elektrik iletkenlikleri gümüş ve bakır gibi iletken metaller ile PTFE veya kuvars cam gibi iletken olmayan malzemeler (yalıtkanlar) arasında bulunan malzemelerdir. Yarı iletkenlerin iletkenliği, elektriksel olarak etkili harici maddelerin (doping olarak bilinen bir işlem aracılığıyla) özel olarak eklenmesinden büyük ölçüde etkilenebilir. Çeşitli yarı iletken katmanlar birlikte LED çipini oluşturur. Bu katmanların yapı tipi (çeşitli yarı iletkenler), LED’in ışık verimi (verimliliği) ve ışık rengi üzerinde çok önemli bir etkiye sahiptir.
LED’den akış yönüne doğru bir akım geçerse (+ anottan - katoda) ışık üretilir (yayılır).
N katkılı katman, elektron bolluğu olacak şekilde yabancı atomların dahil edilmesiyle hazırlanır. P katkılı katmanda, bu yük taşıyıcılardan çok az sayıda bulunur. Sonuç olarak, elektron boşlukları (delikler) oluşur. P katkılı katmana (+) ve n katkılı katmana (-) bir voltaj uygulandığında, yük taşıyıcılar birbirine doğru hareket eder. Pn geçişinde rekombinasyon meydana gelir (zıt yüklü parçalar nötr bir yapı oluşturmak için tekrar birleşir). Bu süreçte enerji ışık şeklinde açığa çıkar.
Elektriksel özellikler - çok fazla akım neden zararlıdır
Işık yayan bir diyota bir voltaj uygulanırsa, direnç sıfıra düşer. Işık yayan diyotlar, son derece hassas bileşenlerdir ve izin verilen akım küçük bir miktar bile aşılırsa bozulabilirler. Bu nedenle, ışık yayan diyotları asla doğrudan bir voltaj kaynağına bağlamamak önemlidir. Yalnızca devreye bir akım sınırlayıcı veya seri direnç yerleştirilmişse bağlanabilirler. Yüksek performanslı LED’ler, sabit bir akım sağlayan bir elektronik balast aracılığıyla kontrol edilir.
Yandaki grafik, LED’in optimum işlevsel performansı için gerekli bir elektrik devresini göstermektedir. Bu durumda, LED’den akan ileri akımı IF’yi kontrol eden bir sınırlayıcı olarak bir seri direnç kullanılır. Uygun direnci seçmek için, UF ileri voltajı önceden belirlenmelidir.
Seri direnç RV’yi hesaplamak için toplam voltajı, ileri voltajı ve ileri akımı bilmeniz gerekir.
Akım devresi
Seri direnç RV formülü
LED kontrolü
LED’ler yalnızca çok az akım gerektirdiğinden, izin verilen ileri akımın yalnızca bir kısmını (birkaç mA) aldıklarında zaten yanarlar. Bu genellikle yeterli ışık sağlamak için yeterlidir. Daha önce de belirtildiği gibi, uygulama alanına bağlı olarak LED’leri çalıştırmanın farklı yolları vardır.
LED’leri kontrol etme seçenekleri
LED’in geleceği - araçtaki optimum aydınlatma koşulları
LED, yüksek satın alma maliyetleri nedeniyle şimdiye kadar otomotiv sektöründe sadece premium segmentte kullanılsa da uzun vadede standart hale gelecektir. Ekonomik yönlere ek olarak, standart olarak LED’lerin takılması için teknik nedenler vardır.
Işık yayan diyotlar, işlevsellikleri, teknik performansları ve optimum aydınlatma sonuçlarıyla etkileyicidir. Enerji kaynaklarının korunmasını destekler ve trafikte daha fazla güvenlik sağlarlar. Ayrıca, gün ışığına benzer ışık rengi, hoş ve subjektif olarak arttırılmış bir ışık algısı sağlar.
Aydınlatmalar ve farlar için LED pazarı uzun vadede iki yönde gelişmeye devam edecektir: Bir yandan, premium segment daha fazla önem kazanacak ve bu da mükemmel ışık çıkışı ile yüksek işlevsellik gerektirecektir. Öte yandan, ekonomik ve ekolojik olarak motive olan sektör daha fazla teşvik edilecektir, bu da sadece düşük enerji tüketimi değil, aynı zamanda uygun maliyetli çözümler gerektirmektedir. Çok gelişmiş, işlevsel, ekonomik - LED’ler birçok seçenek sunar.
Otomobildeki LED optikler
Işığı belirli bir yöne yönlendirmenin farklı yöntemleri vardır. Otomotiv aydınlatmasında ışığı yönlendirmenin en önemli yöntemleri yansıma, kırılma ve hibrittir (yansıma ve kırılma kombinasyonu).
Işık yönlendirme tekniklerine örnekler
Kombine ışık modülleri ışığı üretir
LED’ler yalnızca çok az akım gerektirdiğinden, izin verilen ileri akımın yalnızca bir kısmını (birkaç mA) aldıklarında zaten yanarlar. Bu genellikle yeterli ışık sağlamak için yeterlidir. Daha önce de belirtildiği gibi, uygulama alanına bağlı olarak LED’leri çalıştırmanın farklı yolları vardır. Bu olasılıklardan üçü aşağıda listelenmiştir.
TERMAL YÖNETİM: TEMEL İLKELER
Termal yönetim, ışık yayan diyotların kullanımında belirleyici bir rol oynar, çünkü bu bileşenler ısıya çok hassas tepki verirler.
Işık yayan diyotlar, ışık yayarken neredeyse hiç UV veya IR radyasyonu yaymadıkları için, soğuk ışık kaynaklarıdır. Yayılan ışık soğuktur ve aydınlatılan nesneleri ısıtmaz. Bununla birlikte LED, ışık oluşturma süreci boyunca ısınır. Enerjinin %85’e kadar olan kısmı ısıya dönüştürülür. Sıcaklık ne kadar düşük olursa, LED o kadar parlak ve uzun süre yanar. Bu nedenle, uygun bir soğutmanın sağlanmasına mutlaka dikkat edilmelidir. Farlar veya lambalar için LED tarafından üretilen ısıya ek olarak, motordan gelen ısı veya güneş ışığı gibi diğer ısı kaynakları da dikkate alınmalıdır. Bu nedenle, LED’e ve kullanım amacına bağlı olarak, günümüzde ısı transferini veya dağılımını artırmak için farklı teknikler kullanılmaktadır.
Örnekler
a) Kanatçıklı soğutucu
b) Pin soğutucu
c) “Isı borulu” soğutucu
Buna ek olarak, genellikle LED’lerin akımını düzenlemek mümkündür. Aşırı koşullar altında, ısı üretimini azaltmak için LED’lerin gücü belirli bir seviyeye düşürülebilir. Soğutmayı daha da arttırmak için, soğutma elemanları arasındaki hava sirkülasyonu eksenel veya radyal fanlar tarafından artırılır.
Kanatçıklı soğutucu
Eksenel fan Audi A8
LED’İN AVANTAJLARI: KARŞILAŞTIRMA
Işık yayan diyotlar birçok açıdan ikna edicidir. Satın alma maliyetleri normal akkor ampullerden veya halojen ampullerden daha pahalıdır, ancak kullanımları kısa sürede kendini amorti eder. Özellikle otomotiv endüstrisi LED’in olumlu özelliklerini kullanmakta ve aşağıdaki avantajlarından dolayı LED'i yeni araçlarda giderek daha fazla kullanmaktadır:
| Işık kaynağı | Işık akısı [lm] | Verimlilik [lm/W] | Renk sıcaklığı [K] | Işık yayan diyot [Mcd/m2] |
|---|---|---|---|---|
| geleneksel akkor ampul W5W | ~ 50 | ~ 8 | ~ 2700 | ~ 5 |
| Halojen ampul H7 | ~ 1100 | ~ 25 | ~ 3200 | ~ 30 |
| Gaz deşarjı D2S | ~ 3200 | ~ 90 | ~ 4000 | ~ 90 |
| LED 2,5 Watt | ~ 120 (2010) ~ 175 (2013) | ~ 50 (2010) ~ 70 (2013) | ~ 6500 | ~ 45 (2010) ~ 70 (2013) |
Önemli avantajlar
- Düşük enerji tüketimi
- Yüksek kullanım ömrü
- Darbe ve titreşime dayanıklı
- Azaltılmış ısı üretimi
- Bakım veya temizlik maliyeti yoktur
- Cıva içermez
- İyi göz kamaştırma sınırlaması
- Atalet olmadan değiştirilebilir ve modüle edilebilir
- Yüksek kaliteli ışık projeksiyonu
- Çok yönlü tasarımlar (hemen hemen her yerde kullanılabilir)
- Bireysel ışık kaynağı yapılandırması
- Karartma sırasında ışık sıcaklığı korunur
- Ayarlanabilir ışık rengi
- Düşük üretim maliyetleri
- Çip başına artan ışık çıkışı
- Son derece az erken arıza
- En küçük ebatlar
- UV veya IR radyasyonu yoktur
- Düşük güç tüketimi
- Yönlendirilmiş ışık - 120° hüzme açılı Lambert projektör
- Yüksek renk doygunluğu
Enerji tüketimi ve tasarruf potansiyellerinin LED kullanımı ile optimize edilmesi
Çevre koruma ve artan yakıt fiyatları, enerji tasarrufu konusunun günümüzde hiç olmadığı kadar önemli olduğunu gösteren en güçlü iki argümandır. Günümüzde, yeni araç alımlarının ana odağı net bir şekilde yakıt tüketimidir. Bununla birlikte, çoğu zaman, araç aydınlatmasının enerji tüketimi açısından tasarruf potansiyeli göz ardı edilir.
Yukarıdaki grafik, akkor ampuller (arka lambalar) ve halojen ampullerin (farlar) kombinasyonu ile donatılmış bir aracın enerji gereksinimlerinin %100’ünü temsil etmektedir. En büyük elektrik tüketicisinin kim olduğunu görmek kolaydır. Gerekli enerjinin %60’ı tek başına kısa hüzme için gereklidir.
Sadece Xenon lambalar ve LED’lerin bir kombinasyonunu kullanmak, enerji gereksinimlerinin %39 oranında azaltılmasını sağlar.
Sadece LED aydınlatma kullanılırsa enerji tüketimi %60 oranında azalır.
Çeşitli ışık kaynaklarının kombinasyonu sayesinde yakıt tasarrufu
| Araç konfigürasyonu (Far/Arka lamba) | Yakıt tüketimi [l/100 km] | CO2 emisyonları [kg/100 km] | Azalma |
|---|---|---|---|
| Halojen/geleneksel | ~ 0,126 | ~ 0,297 | - |
| Xenon/LED | ~ 0,077 | ~ 0,182 | %39 |
| LED/LED (2015 için potansiyel) | ~ 0,051 | ~ 0,120 | %60 |
Aydınlatma sisteminin ortalama çalışma süresinde yakıt tüketimi ve CO2 emisyonu
| TFL sistemi | Yakıt tüketimi [l/100 km] | CO2 emisyonları [kg/100 km] | Azalma |
|---|---|---|---|
| Halojen farlar | ~ 0,138 | ~ 0,326 | - |
| LED (ayrı TFL işlevi) | ~ 0,013 | ~ 0,031 | %91 |
Gündüz sürüş farları için ek yakıt tüketimi ve CO2 emisyonları (DRL)
| Lambaların karşılaştırılması | Yakıt tüketimi |
|---|---|
| Halojen/akkor ampul konfigürasyonu | 0,10 - 0,25 l /100 km |
| Xenon/LED konfigürasyonu | 0,05 - 0,15 l /100 km |
| Tam LED konfigürasyonu (potansiyel 2015) | 0,03 - 0,09 l /100 km |
Aydınlatma konfigürasyonuna göre yakıt tüketimi (OE araç)
Azaltılmış fren mesafesi - LED ile güvenli taraftasınız
Dünya genelinde trafiğe kayıtlı araç sayısı artıyor. Yollarda artan trafik yoğunluğu, daha sık arkadan çarpmalara neden oluyor. Bunun önüne geçmek için, ışık sinyallerinin sürücü tarafından hızlı bir şekilde algılanması önemlidir. Geleneksel bir akkor ampulün yanması için 0,2 saniye kadar süreye ihtiyaç varken, bir LED hemen tepki verir. Isınma aşaması gerektirmez ve fren pedalına basıldığı anda hemen yanar. Böylece arkadaki araç, öndeki aracın frenleme hareketine daha hızlı tepki verebilir.
Örnek
İki otomobil birbiri ardına 100 km/s hızla (güvenlik mesafesi 50 m) gidiyor. Öndeki araç fren yapar, arkadaki aracın sürücüsü de LED’lerin anında yanması sayesinde neredeyse aynı anda tepki verebilir ve aynı şekilde fren yapar. Bu şekilde, frenleme mesafesi neredeyse 5 m kısalır. Bu, güvenlikte büyük bir artış anlamına gelir.
AUDI A8 ÖRNEĞİNDE LED FARLARIN IŞIK AYARI: KILAVUZ
Genel olarak, tüm LED farlar normal bir far ayar cihazı ile ayarlanabilir. Sadece bir optik lensli (kısa hüzmeli) LED farlar, ışık dağılımı test edilirken ve ayarlanırken tek bir ışık kaynağına sahip diğer tüm farlarla aynı şekilde ele alınır. Birden fazla ışık kaynağına sahip bazı farlar söz konusu olduğunda, önemli bir özelliğin dikkate alınması gerekir. Bazı farların tasarımı nedeniyle, ayar cihazının odaklama merceği, tüm LED’lerden yayılan ışığı (kısa hüzme) algılayamayacak kadar küçüktür. Bu gibi durumlarda hangi LED’in hangi aydınlatma işlevinden sorumlu olduğunu bilmek önemlidir.
Audi A8 farları - Kısa hüzme
Aracın hazırlanması sırasında üreticinin talimatları mutlaka dikkate alınmalıdır! Bu, Audi A8’in kısa hüzmeli farı ile gösterilmiştir. Daha önce bahsedildiği gibi, dikey olarak yerleştirilmiş üç LED, kısa hüzmenin hem simetrik hem de asimetrik bir kısmını oluşturur.
Işık dağılımının ayarlanması
Bu nedenle, far ayar cihazı bu merceklerle hizalanmalıdır. Far ayar cihazı teknik değerlere göre ayarlanırsa, ışık dağılımı her zamanki gibi ayarlanabilir.