Světelné zdroje na bázi LED pro motorová vozidla

Světelné zdroje na bázi LED pro motorová vozidla

doc. Ing. Martin Libra, CSc.,
Česká zemědělská univerzita Praha a Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích,
Ing. Vladislav Poulek, CSc.,
Poulek Solar, s. r. o., Praha

Nové světelné zdroje pro automobily a motocykly využívající elektroluminiscenční diody (LED) se vyrábějí teprve krátkou dobu. U nás doposud nejsou schváleny k použití v provozu. Ale vzhledem k četným výhodám, i přesto, že jejich cena je oproti klasickým typům světelných zdrojů vyšší, se očekává jejich skvělá budoucnost. V poslední době byly prezentovány i na výstavách a veletrzích, např. v březnu t. r. na výstavě Pragoregula a v dubnu na veletrhu AMPER.

Charakteristika elektroluminiscenčních diod

Co se týče principu emise záření, klasické elektroluminiscenční diody vyzařují monochromatické světlo v důsledku zářivé rekombinace elektronů a děr v polovodiči v oblasti přechodu PN při průchodu elektrického proudu diodou. Vlnová délka je dána pásovou strukturou rozdělení energetických hladin použitého polovodiče, zvláště šířkou zakázaného pásu a polohou hladin od příměsí. Pro světla automobilů jsou vhodné zejména červené a žluté diody. Novinkou jsou polovodičové světelné zdroje svítící složeným bílým světlem. Ty jsou vhodné k použití např. v obrysových světlech. Jejich základem je dioda emitující fotony v modré oblasti spektra. S využitím luminoforu je emisní spektrum obohaceno spektrálníni čarami v zelené, žluté a červené oblasti. Luminofory totiž umožňují absorpci fotonu s vyšší energií a následnou emisi fotonu s nižší energií, tedy s větší vlnovou délkou. Emisní spektra některých elektroluminiscenčních diod jsou na obr. 1 (byla měřena jen orientačně jednoduchým školním spektrofotometrem SPECOL). Ve spektru bílého světla jednotlivé spektrální čáry splývají, neboť fotometr má dosti dlouhý krok a spektrální čáry jsou vlivem disperze rozšířeny.

Vlatnosti

Několik vzorků těchto světelných zdrojů pro motorová vozidla je ukázáno na obr. 2. K hlavním výhodám polovodičových světelných zdrojů patří především dlouhý život – minimálně 50 000 h a vysoká účinnost přeměny elektrické energie na viditelné záření. Ta dosahuje hodnot až h = 40 %. Pro porovnání uveďme: účinnost přeměny je u klasické žárovky asi h = 3 %, u halogenové žárovky přibližně h = 6 %, u výbojových zdrojů zhruba h = 18 %. Jsou-li světelné zdroje napájeny z akumulátorů elektrické energie (to je u motorových vozidel běžné), akumulátory se vybíjejí díky vysoké účinnosti světelných zdrojů mnohem pomaleji. Co se týče světelné účinnosti, např. u žlutých diod výrobce udává jejich svítivost 10 cd na jednu diodu. Světelný zdroj na obr. 2 vpravo dole obsahuje devatenáct žlutě svítících diod o celkovém příkonu P = 1 W. Je určen pro světla signalizující změnu směru jízdy (tzv. blinkry) – světelná účinnost zjištěná přepočtem má hodnotu asi 160 lm/W. Výrobci světelných zdrojů uvádějí světelnou účinnost u klasických žárovek kolem 10 lm/W, u halogenových žárovek asi 20 lm/W, u výbojových zdrojů v rozmezí 60 až 100 lm/W. Je zřejmé, že tyto hodnoty odpovídají zmíněným účinnostem přeměny elektrické energie na viditelné záření. Již uvedený zdroj o příkonu P = 1 W tak nahradí klasickou žárovku o příkonu asi P = 13 W.

Použití

Při použití ve světlech automobilů či motocyklů vykazují tyto polovodičové zdroje světla ještě další výhody. Například časté zapínání je nepoškozuje. To je výhodné pro aplikaci žlutých diod ve směrových svítidlech či červených diod v brzdových světlech. Mohou být konstruovány na napájení U = 12 V (DC) pro osobní automobily a velké motocykly, popř. U = 24 V (DC) pro nákladní automobily a autobusy. Běžné typy automobilových bajonetových patic BA 15 s, BA 15 D, BA 9 s jsou na obr. 3.

Obr. 4. Zdroj červeného záření s devatenácti LED o celkovém příkonu P = 1 W s paticí BA 15 D

Světelné zdroje s LED se vyznačují mnohem větší odolností proti otřesům než klasické žárovky s vinutým wolframovým vláknem. Tato skutečnost je významná především při provozu terénních automobilů a motocyklů. Nízká spotřeba elektrické energie je důležitá hlavně u malých motocyklů, které nejsou vybaveny akumulátorem. Zde zvláště při chodu na volnoběh je výkon motoru nízký (desítky wattů ušetřené úsporným světelným zdrojem se znatelně projeví).

Elektroluminiscenční diody vyzařují směrované záření, jejich vyzařovací úhel je dán tvarem zaoblení zalévací hmoty. Svítidlo tedy nepotřebuje reflexní parabolu (ta z velké části ovlivňuje cenu svítidla, navíc časem „slepne„). Cena svítidla je tedy nižší a může částečně kompenzovat použití dražšího světelného zdroje.

Nelze opominout ani přispění polovodičových světelných zdrojů k větší bezpečnosti silničního provozu. Reakční doba elektroluminiscenčních diod je kratší, LED se tedy rozsvítí dříve než žárovka o asi Dt = 0,1 s. Při jejich instalaci v brzdových světlech i v tzv. blinkrech je výhodné to, že řidič jedoucí za vozidlem opatřeným polovodičovými světelnými zdroji může začít dříve brzdit. Například při rychlosti v = 100 km·h^–1 činí rozdíl dráhy Ds = 2,8 m, v městském provozu při rychlosti v = 50 km·h^–1 je to Ds = 1,4 m.

Obr. 6. Rozsvícený zdroj červeného záření se 30 LED o celkovém příkonu P = 1,5 W vhodný pro koncová či brzdová světla
Obr. 7. Zdroj bílého záření se třemi LED o celkovém příkonu P = 0,15 W s paticí BA 9 s vhodný pro obrysová světla

Umístit tyto světelné zdroje s bíle svítícími diodami do hlavních světlometů zatím není vhodné (zde jsou z hlediska technické dokonalosti dosud nejlepším zdrojem záření xenonové výbojky). Lze je však osadit jako přídavná čelní světla, neboť vysoká barevná teplota záření snižuje pravděpodobnost přehlédnutí vozidla na silnici ostatními řidiči.

S ohledem na uvedené skutečnosti se předpokládá, že použití polovodičových zdrojů světla je pro motorová vozidla velmi perspektivní (i přes jejich vyšší cenu). Jejich život je zpravidla několikanásobně delší než životnost vozidla, které jimi bylo vybaveno. Na obr. 4 je zdroj červeného záření s devatenácti diodami LED o celkovém příkonu P = 1 W, na obr. 5 zdroj červeného záření se 48 LED o celkovém příkonu P = 2,5 W. Obr. 6 ukazuje rozsvícený zdroj červeného záření s 30 LED o celkovém příkonu P = 1,5 W, který je vhodný pro brzdová či koncová světla, a na obr. 7 je zdroj bílého záření se třemi diodami LED o celkovém příkonu P = 0,15 W (je možné ho použít pro obrysová světla).