Rozdział III.doc

Rozdział III

Analiza tendencji rozwojowych w konstrukcji samochodowych lamp sygnałowych i źródeł światła.

Oświetlenie pojazdów drogowych nie kończy się na światłach oświetlających przestrzeń przed pojazdem. Obowiązującymi światłami są w samochodach światła sygnalizacyjne, które mają za zadanie informować innych użytkowników drogi o:

- rodzaju  pojazdu

- wielkości pojazdu ( wysokość, szerokość, długość )

- aktualnych zamiarach kierowcy

- oświetlać pojazd w czasie postoju

- sygnalizować o awarii pojazdu

Do świateł sygnałowych zaliczamy oświetlenie zewnętrzne pojazdu poza reflektorami głównymi, przeciwmgielnymi, i innymi oświetlającymi przedpole pojazdu. Czyli do świateł sygnałowych zaliczamy:

- lampy obrysowe

- lampy postojowe

- lampy przeciwmgłowe tylne

- lampy kierunkowskazów

- lampy świateł awaryjnych

- lampy świateł hamowania

- lampy światła włączonego wstecznego biegu

Niektóre z tych świateł wykorzystują te same lampy i obwody np. lampy obrysowe informują nas o kształcie pojazdu poruszającego się po drodze, jednocześnie na postoju informują kierowców o zaparkowanym samochodzie i jego rozmiarach. Tak samo wykorzystuje się lampy świateł kierunku jady, na drodze informują nas o planowanych zamiarach kierowcy, a w wypadku awaryjnego postoju błyskające żółte światła po obu stronach pojazdu informują innych kierowców o potrzebie zachowania odpowiedniej ostrożności.

Budowa

Lampy sygnałowe podobnie jak reflektory składają się z:

- źródła światła

- obudowy

- odbłyśnika

- szyby ochronno-rozpraszającej

- układów zasilania i sterowania

I podobnie jak światła główne mogą być zamontowane w pojeździe jako osobne klosze lub w konstrukcjach modułowych np. z urządzeniami odblaskowymi.

3.1 Źródła światła lamp sygnałowych.

Pojazdy samochodowe do oświetlenia drogi przed pojazdem sygnałowych do lamp sygnałowych potrzebują elementów wytwarzających światło lub, przetwarzających inny rodzaj energii na promieniowanie świetlne. W czasach gdy pojazdy przypominały jeszcze karoce jako źródło światła do oświetlenia służył płomień lampy naftowej. Gdy opracowano prądnice prądu stałego i w pojazdach wystarczało energii elektrycznej nie tylko do zasilenia cewki zapłonowej, ale i do naładowania baterii w pojazdach znalazły zastosowanie żarówki. Na początku zwykłe żarówki z włóknami ze skrętki wolframowej.

Po II wojnie światowej gwałtowny rozwój motoryzacji spowodował że powstała żarówka halogenowa znacznie sprawniejsza i trwalsza od poprzedniczki. W latach osiemdziesiątych przeżywała ona gwałtowny rozkwit i  powstało jej wiele odmian różniących się parametrami elektrycznymi, świetlnymi i gabarytowymi. Równocześnie powstało konkurencyjne źródło światła lampa-wyładowcza.

Bardzo wydajne źródło światła które niestety napotkało wiele trudności technologicznych zanim zagościło na stałe w samochodach wyższej klasy.

Następna fazą rozwoju będą prawdopodobnie lampy z zastosowaniem modułów diodowych. W przypadku lamp sygnałowych jest to już rzeczywistość stosowana w wielu fabrycznych pojazdach. Z diodami skutecznie konkurują na razie inne rozwiązania, oświetlenie z wykorzystaniem światłowodów, niskoprężne lampy wyładowcze itp.

3.2 Żarówki lamp sygnałowych

Elementem świecącym w żarówce jest żarnik wykonany w postaci skrętki jedno- lub dwuskrętnej z drutu wolframowego. Wolfram jest metalem o najwyższej temperaturze topnienia, wynoszącej ok. 3380°C. Żarnik umieszczony jest w bańce szklanej, z której zostało wypompowane powietrze. Żarówki o małej mocy wykonane się zwykle jako próżniowe, a o mocach większych – jako gazowe. Bańka żarówki jest wtedy wypełniona gazem – argonem lub kryptonem. Zastosowanie gazu w bańce zmniejsza intensywność rozpylania wolframu żarnika. Poprawia to trwałość żarówki i umożliwia zastosowanie wyższej temperatury żarnika. Wolfram rozpylony osiada na bańce powodując jej czernienie i zwiększając pochłanianie światła przez bańkę.

Bańki żarówek mogą być przezroczyste, matowe, mleczne lub barwione na różne kolory. Zastosowanie bańki innej niż przeźroczysta zmniejsza znacznie luminację żarówki.

Trwałość żarówek jest to czas, po którym żarnik ulega przepaleniu, lub, po którym strumień świetlny żarówki zmaleje do 80% strumienia początkowego.

Praca żarówki zależy szczególnie od napięcia zasilania. Podwyższenie napięcia bardzo znacznie zmniejsza trwałość żarówki, zwiększa się jednak jej strumień świetlny. Przy obniżeniu napięcia zmniejsza się znacznie strumień świetlny, ale wzrasta trwałość żarówki.

Można w przybliżeniu przyjąć, że wzrost napięcia o 5% powyżej napięcia znamionowego powoduje obniżenie trwałości żarówek do połowy i zwiększenia strumienia świetlnego o ok. 20%. Obniżenie napięcia o 5% poniżej znamionowego zwiększa trwałość żarówek dwukrotnie i zmniejsza strumień świetlny o ok. 20%.

Doprowadzenie energii elektrycznej do żarówek odbywa się między innymi za pośrednictwem trzonków. Stosowane są głównie dwa rodzaje trzonków.

- Trzonki gwintowe (edisonowskie) z gwintem E27 dla żarówek głównego szeregu o mocy do 200 W oraz E40  dla żarówek 300, 500 i 1000 W;

- Trzonki bagnetowe są stosowane w żarówkach narażonych na drgania (np. w  wagonach kolejowych, pojazdach samochodowych, łodziach itp.).

Stosuje się również żarówki beztrzonkowe tzn. całoszklane z wyprowadzeniam drutowymi,o niewielkich mocach do 5 W.

Tab. 3.1 Wybrane typy samochodowych źródeł światła  [9] [20] [23] [26]

Rys. 3.1  Rodzaje żarówek sygnałowych montowanych z tyłu samochodu [29]

Rys.3.2 Rodzaje żarówek (lamp) reflektorów głównych i żarówek lamp sygnałowych montowanych z przodu samochodu [29]

3.3  Diody

Dioda jest to element elektroniczny z dwiema elektrodami mający niesymetryczną charakterystykę prądu płynącego na wyjściu w funkcji napięcia na wejściu.

Rys.3.3 Symbole graficzne diody, półprzewodnikowej (a) i próżniowej (b) oraz charakterystyka diody (c) [32]

Dzięki takiej charakterystyce diody można stosować w wielu układach jako element, który przepuszcza prąd w jednym kierunku i nie przepuszcza go w kierunku przeciwnym.

Dioda elektroluminescencyjna (LED).

            Dioda elektroluminescencyjna składa się z wielu warstw materiału półprzewodnikowego. Przy przepływie przez diodę prądu w kierunku przewodzenia wytwarzane jest światło w cienkiej warstwie, tzn. warstwie aktywnej. W przeciwieństwie do żarówek, które emitują pełne spektrum, dioda elektroluminescencyjna wysyła światło o określonej barwie. Barwa światła zależy od zastosowanego materiału. Do produkcji diod elektroluminescencyjnych o dużej jasności we wszelkich barwach, od niebieskiej do czerwonej, a nawet białej (konwersja luminescencyjna), używane są dwa systemy materiałowe (AllGAP i InGaN).

           Skuteczność świetlna diod elektroluminescencyjnych bardzo wzrosła i wynosi obecnie   w zależności od barwy - ponad 20 lm/W. Osiągnięto to w wyniku zastosowania nowoczesnej technologii i zachowania wysokiej jakości produkcji.

Rys. 3.4 Dioda luminescencyjna: a) budowa, b) symbol graficzny, c) charakterystyka napięciowo­-prądowa, d) zależność mocy promienistej od prądu  [32]

Formy korpusów LED

              Typowe wymiary diody elektroluminescencyjnej wynoszą kilkaset mikrometrów. Aby ułatwić podłączenie elektryczne i zabezpieczenie diod LED przed wpływem środowiska wbudowane są one w korpus. Istnieją dwie podstawowe klasy korpusów:

korpus THT (through-hole technology)

korpus SMT (surface mount technology)

Rys. 3.5 Korpus THT i korpus SMT  [33]

Korpus THT.

              Te formy korpusu lutowane są techniką "through-hole" na płycie okablowanej. Najczęściej stosowany jest 5-mm korpus radialny. Chip LED znajduje się w reflektorze połączonym z przewodem katody. Drucik metalowy stanowi połączenie elektryczne z anodą. Światło przechodzi przez soczewkę wbudowaną w korpus. Charakterystyka emisji światła zależy od odległości między chipem a soczewką oraz od kształtu soczewki.

Korpus SMT.

              Ten nowoczesny typ korpusu zbudowany jest z tworzywa sztucznego i służy jednocześnie jako reflektor. Chip LED znajduje się w zagłębieniu. W celu poprawy rozsyłu światła i zabezpieczenia chipu LED przed wpływami środowiska, zagłębienie wypełnione jest żywicą epoksydową. Elementy SMT mogą być montowane jako wysokiej jakości korpusy w formie "through-hole".

Parametry elektryczne.

Najwyższa jasność uzyskiwana jest przy zasilaniu prądem stałym. Wymagane napięcie w kierunku przewodzenia zależy od barwy światła diody świecącej i wynosi od 2 do 4V przy prądzie dochodzącym do 70 mA.

Jak diody wytwarzają białe światło.

            Do wytworzenia białego światła użyte jest promieniowanie niebieskiej diody. Dzięki odpowiedniemu doborowi luminoforu, niebieskie światło wytwarzane przez diodę zmieszane z żółtym światłem wytwarzanym przez luminofor, wytwarza promieniowanie o rozkładzie widmowym odbieranym przez oko ludzkie jako białe światło. Wskaźnik oddawania barw osiąga wartość ok. 80.

Rys.3.6 Budowa diody świecącej LED [32]

Zalety stosowania diod elektroluminescencyjnych.

Wysoka skuteczność świetlna.

Pierwsze diody świecące osiągały sprawność rzędu 10%. Obecnie kształtuje się już ona na poziomie 20% i przewiduje się, że w niedługim czasie dojdzie do 30%. Jest to znaczne różnica w porównaniu do lamp żarowych, których sprawność kształtuje się w zakresie 3-4 % i świetlówek osiągających 20%. Diody LED są przyrządami półprzewodnikowymi dokonującymi bezpośredniej zamiany energii elektrycznej na promieniowanie świetlne. Sprawność tej przemiany jest bardzo wysoka dzięki temu, że większość energii jest wypromieniowywana w widzialnym zakresie widma.

Wysoka trwałość

Konwencjonalne źródła światła mogą działać dostarczając promieniowania świetlnego przez określony czas, po czym ulegają zniszczeniu. Inaczej jest z diodami LED. Nie ulegają one raptownemu wygaśnięciu, zmniejszają tylko stopnio...