Izzó-evolúció – Gépjárművekben használatos fényforrások típusai

A gépjárművekben használatos fényforrásokkal szembeni követelmények és a felhasználói igények egyre inkább késztetik fejlesztésre, innovációra a fényforrás gyártó cégeket. 20-25 évvel ezelőtt még ritkaságszámba menő halogén fényszórók, ma már alig felelnek meg az elváráskanok, talán egyetlen előnyük, hogy viszonylag olcsón hozzájuthat bárki.

Az alábbi cikkben megpróbáljuk körbejárni az elmúlt évtizedekben használt fényforrások típusait, külön kiemelve azok előnyeit és hátrányait.

A gyakorlatban alkalmazott fényforrásokat működési elvüket tekintve az alábbiak szerint lehet csoportosítani:

fenyforras_tipusok
Fényforrások csoportosítása

A kékkel jelölt típusok azok, amik megtalálhatóak a gépjárművek esetében is.

Hagyományos izzólámpás és halogén fényforrások

A gépjárművekben is alkalmazott legősibb, és napjainkban is leginkább elterjedt fényforrások termikus elven működnek, vagyis a fénykibocsátás egy adott volfram izzószál elektromos árammal történő hevítésének következtében jön létre. Geometriája és felépítése alapján felhasználása széleskörű lehet. Ezen fényforrások működési elvüket tekintve – a burában található töltőgázok minőségének függvényében – két csoportba sorolhatók:

  • hagyományos izzók
  • halogén izzók

A halogén típusok megjelenése óta a fényszórókban a hagyományos izzók „kihaltak”, amit a kisebb fényáram és fényhasznosítás, rövidebb élettartam, a nagyobb méret valamint a rosszabb kezelhetőség eredményezett. Azonban belső téri kiszolgáló világítás vagy indexlámpák esetén még találkozhatunk kisméretű hagyományos izzókkal is.

A termikus fényforrások legnagyobb hátránya a gazdaságtalan üzemeltetés, vagyis a rossz fényhasznosítás (10-15 lm/W) és a rövid élettartam (kb. 1000-2000 óra). Ez annak tudható be, hogy a hevítés hatására bekövetkező sugárzás legnagyobb része az infravörös tartományba esik, amit nem fényként, hanem hőként érzékelünk. Így a sugárzás nagy része „pocsékba megy”, és a befektetett energiának mindössze 2 %-a hasznosul fényként, amely magyarázatot ad a rossz fényhasznosításra.

fenyhasznositas
A hagyományos izzólámpa energiafolyama

Hagyományos izzószálas fényforrás esetén többletfeszültséggel magasabb hőmérsékletre hevítve az izzószálat, ugyan némileg nő a kilépő fényáram, és ezzel valamelyest javul az amúgy is alacsony fényhasznosítás, azonban  ezt büntetlenül nem tehetjük meg, hiszen az élettartam karakterisztika alapján a névlegesnél magasabb izzószál hőmérséklet a lámpa élettartamát radikálisan lecsökkenti, hiszen a túlhevített izzószál hamarabb degradálódik.

A névleges értékek precíz betartása tehát még egy – nem gazdaságossági – korlátot is eredményez, ugyanis a fényforrás színhőmérsékletét befolyásolja. A működési elvből adódóan az izzószál hőmérséklete nem lehet magasabb a megengedettnél, ezért a hagyományos izzók színhőmérséklete általában 2500-3300 K körüli lehet, vagyis meleg, sárgás spektrumú. Mivel nem hevíthető tovább a szál, így a kékesebb, semleges vagy hideg színhőmérséklet csak egy színtechnológiai „trükkel”, a bura kékre színezésével érhető el. Ekkor a spektrális teljesítmény eloszlás a kék szűrő hatására a sárgás-vörös tartományokon veszít intenzitásából, így kékesebb színérzetet kelt, és akár a 4300 K színhőmérséklet is elérhető. Ezzel a halogénizzók fénye a xenon fényforrások színképéhez közelebb kerül. Ez a technológiai megoldás azonban a fényáram csökkenését is jelenti – hiszen a kék szűrő tulajdonképpen elnyeli a kéknél hosszabb hullámhosszúságú fotonok jelentős részét –, vagyis a fényhasznosítás még rosszabb lesz.

image_V_5
Kék színszűrővel ellátott halogén izzó

Azonban látáskomfort szempontjából a magasabb színhőmérséklet előnyösebb, hiszen közelebb áll a Nap fényéhez, így szemünk számára világosabb, kontrasztosabb látást biztosít. Ez a körülmény a vezető szemét kevésbé fárasztja.

A másik gazdaságossági tényezőt, az élettartamot az izzószál degradáció határozza meg. Fokozott hevítés hatására a levegőnek kitett volfrám szál gyorsan eloxidálódna, és a fényforrás tönkremenne. Ezért a szálat a kezdetekben vákuum alá helyezett burával vették körül. A szálból kivándorló volfrám atomoknak azonban így semmi sem állta útját, az élettartam ezért roppant rövid volt. Ennek meghosszabbításáért – a későbbi fejlesztések eredményeként – egyrészt a hagyományos izzók burájában található argon nemesgáz (~93 %) és nitrogén (~7%) gázok molekulái felelnek, melyek mérsékelni tudják a hevítés hatására a volfrám szálból kidiffundáló atomok mennyiségét. Ezt a folyamatot azonban visszafordítani nem képesek, így a kivándorolt volfrám atomok idővel elérik az izzószálhoz képest alacsonyabb hőmérsékletű burát, melyen végleg lecsapódva feketedést okoznak. Ez egyrészt csökkenti a potenciálisan kijutni képes fényáram mennyiségét, hiszen a fotonok a lerakódott fekete rétegben elnyelődnek, másrészt e folyamat hatására az izzó spirál fokozatosan elvékonyodik. Ez végül a volfrám szál szakadásához és a fényforrás tönkremeneteléhez vezet.

Ezeket a fizikai problémákat hivatottak bizonyos mértékben orvosolni a halogén izzók, melyek az hagyományos izzólámpák „testvérei”. A különbséget a semleges töltőgázok mellett a keményüveg burába juttatott kis mennyiségű halogén elemek (bróm vagy jód) jelenléte jelenti. Ezzel a hagyományos izzólámpák gazdaságossági faktorai – vagyis a fényhasznosítás és élettartam – javíthatók. A halogén elemek ugyanis képesek kémiai reakcióba lépni a kipárolgott volfrám atomokkal (volfrám-oxijodidot alkotnak), és visszafordítani a folyamatot, amivel létrejön az úgynevezett halogén körfolyamat, vagy ciklus.

Ez a körfolyamat szignifikánsan magasabb izzószál hőmérsékletet tesz lehetővé, ami nagyobb fényáramot és optimális fényhasznosítást (20-30 lm/W), magasabb (kékesebb) színhőmérsékletet, valamint kisebb méretet eredményez. A kisméretű keményüveg bura magasabb nyomást is megenged, amely szintén csökkenti a volfrám atomok kipárolgását.

A halogén lámpák kvarcüvegje a magas üzemi hőmérséklet miatt fokozottan érzékeny a szennyeződésekre, főképp a zsírra. A szennyező részecskék idővel képesek az üvegbe diffundálni, melynek következtében szerkezeti károsodások jelenhetnek meg és a bura szétreped, ami a fényforrás tönkremeneteléhez vezet, hiszen a bejutó levegő hatására az izzószál eloxidálódik. Ezért fényforrás csere közben mindig használjunk kesztyűt, vagy a folyamat végén töröljük tisztára a bura felszínét.

A termikus működési elvnek – a felsorolt hátrányos jellemzőkön kívül – az alternatív fényforrásokkal szemben egy napjainkig behozhatatlan előnye is van, a Naphoz hasonló folytonos spektrum. Ez színhőmérséklettől és teljesítménytől függően páratlan, akár 100 %-os színvisszaadást jelent, vagyis közel valamennyi színt képes visszaadni. Szintén fontos jellemző a gyors felfutási és újragyújtási idő. Felhasználásuk spektrumát ezen előnyös tulajdonságok nagyban segítik és indokolják.

Fémhalogén fényforrások

A fémhalogén fényforrások történelme a hatvanas évekre nyúlik vissza, amikor az addig széles körben alkalmazott higanylámpák gyenge és előnytelen fotometriai jellemzőit (elsősorban színvisszaadását és fényhasznosítását) próbálták javítani. A gépjármű világításban való megjelenésük pedig azzal a könnyen belátható jelenséggel magyarázható, hogy reflektorok hatásfoka úgy növelhető, ha az izzószálnál nagyobb fényáramú fényforrást alkalmaznak.

A fémhalogén lámpa (MHMetal Halide) a HID (High Intensity Discharge) magyarul nagy intenzitású gázkisüléses (GDL – Gas-Discharge-Lamp) fényforrások családjához tartozik. Működési elvét tekintve a fény emissziót (a higanylámpákhoz hasonlóan) ívkisüléses gerjesztés hozza létre egy nagynyomású gázokkal és fémsókkal töltött kerámia vagy kvarcüveg kisülő csőben. A kerámia cső előnyösebb, hiszen magasabb hőmérsékletet képes elviselni, amely a fényhasznosítás javulását eredményezi. A nagy teljesítményű (>150 W) lámpákban azonban kvarc csövet alkalmaznak. A kisülő térben a higany és az argon (Ar) vagy xenon (Xe) töltőgáz mellett különböző halogének (jód vagy ritkábban bróm) és fémsók vagy ritka földfémek vegyületei, azaz fémhalogének találhatók. A leggyakoribb alkalmazott fémek a nátrium (Na), az indium (In), a tallium (Tl), ón (Sn) és lítium (Li), ritka földfémek a szkandium (Sc), diszprózium (Dy) és a holmium (Ho). Ez azért fontos, mert inertgázok és a fémhalogén vegyületek összetétele határozza meg az emittált spektrum összetevőit, vagyis közvetlen hatással van a fényforrás színére és korrelált színhőmérsékletére valamint a fényerősségre egyaránt.

A kisüléses fényforrások és izzólámpák inert gázaként leggyakrabban alkalmazott argon Földünkön a leggyakoribb nemesgáz, az atmoszféra körülbelül 1 %-a, olcsósága és kémiai közömbössége mellett mérsékelt hővezető képessége miatt is alkalmazzák. Mivel gerjesztés hatására viszonylag könnyen kerül ionizált állapotba, így elősegíti az elektródák közötti ívkisülést. Ezért az ív indulásakor az argon miatt 1-2 másodpercig lilás színű. Az ívkisülés által generált hő miatt a csőben lévő nyomás és a hőmérséklet fokozatosan megnövekszik, amelynek hatására a higany és fémhalogén vegyületek különböző hőmérsékleteken elpárolognak és szétválnak. A lámpa színe ezért csak percek múlva (5-10 perc) éri el üzemi színképét és fényáramát.

A lassú felfutási idő gátat szabott az olyan alkalmazásoknak, melyek gyors vagy azonnali fényteljesítményt követelnek meg, ezért a hagyományos fémhalogén fényforrások járművilágításhoz is alkalmatlannak bizonyultak. Ezért a későbbi fejlesztések eredményeként a töltőgázt argon helyett xenonra cserélték, innen ered a köznyelvben gyakran előforduló – helytelenül alkalmazott!xenon-lámpa kifejezés. Az első gépjárművekben alkalmazott lámpák 1991-ben jelentek meg – a 7-es BMW családban, míg Amerikában csak 4 évvel később, a Lincoln Mark VIII luxusautó 1995-ös típusba építették be elsőként.

xenon
Az első HID fényszórók Európában és Amerikában

A felfutási idő a xenon használatával jelentősen lecsökkent, a bekapcsolás pillanatában a névleges fényáram 5%-a, 3 mp-el később 90%-a áll rendelkezésre. A névleges fényáramot mintegy fél perc alatt képes produkálni. Mindezek mellett a xenon rossz hővezető képessége, valamint a megnövekedett fényáram szintén indokolja alkalmazásukat a hagyományos halogén lámpákkal szemben. A gerjesztett összetett spektrum fehér, a Napéhoz hasonló.

A fémhalogén lámpák előnyös tulajdonságaik miatt széles körben elterjedtek, de alkalmazásuk ott célszerű, ahol a jó színvisszaadás és a nagy fényáram fontos követelmény, például közvilágítási és mennyezeti lámpatestek, gépjármű fényszórók (xenon változat), csarnokvilágítás, fényvetők, színpad és stúdióvilágítás. Beltéri szobavilágításhoz – ahol a gyors felfutási és újragyújtási idő alapvető igény – nem alkalmasak.

Gazdaságossági szempontból vizsgálva a fémhalogén lámpák kiváló mutatókkal büszkélkednek, hiszen fényhasznosításuk kiváló, 65-120 lm/W körüli. Xenon fényforrások esetén visszafogottabb 90 lm/W körüli értékek a jellemzőek, amely sokkal kedvezőbb a halogénizzóénál, amely által felvett teljesítmény körülbelül 90 %-a nem hasznosul, és javarészt hővé alakul. Xenon lámpák esetén az arány jelentősen javul, a nem hasznosuló energia aránya nagyjából 70 % körül alakul – 55 % hősugárzás, 15 % UV-sugárzás. Például egy 38 wattos HID lámpa 3500 lm fényerőt képes produkálni, amely egy 250 W-os izzólámpa fényének felel meg. Fénysűrűségük ennél fogva meglehetősen nagy. Élettartamuk nagyságrendileg 6000-16000 óra, de előfordul ennél magasabb is, akár 20000 óra is. Gépjárművekben alkalmazott xenon lámpáknál ez a szám egy nagyságrenddel kevesebb, mindössze 2-3000 óra, ami a járművilágításnál alkalmazott alternatív halogén fényforráshoz képest így is öt-hatszoros időtartam.

A Xenon lámpa fénye összehatásban közelebb áll a természetes nappali fényhez, mint a halogén izzóké. Mivel ehhez a színhőmérséklethez szokott hozzá az emberi szem, Xenon lámpa használata esetén sokkal kontrasztosabb, élesebb képet kapunk és ez által éjjel jobb látási viszonyok érhetők el. A színvisszaadás javul.

A színhőmérséklete az adalékanyagok széles palettájának köszönhetően változó, 3500 és 20000 K közötti. Xenon lámpáknál a felhasználáshoz előnyösen igazodva általában 4300 K körüli (de akár 6-8000 K lehet).

Előnyök

  • Fényszóró világítás esetén a jó fényhasznosítás miatt a kisebb fogyasztás csökkenti a generátor igénybevételét, ezáltal csökken az üzemanyag felhasználás, és a CO2 kibocsátás.
  • Az izzólámpáknál jobban ellenállnak a fizikai behatásoknak, elsősorban a rázkódásnak, amely gépjárművek esetén fokozott igénybevételt jelent.
  • Halogén fényszórókhoz képest a magasabb – Napfényhez közelebb álló – színhőmérséklet miatt kontrasztosabb képet kapunk, ami előnyösebb az éjszakai vezetéshez. Több tanulmány is bizonyította, hogy egy jó HID lámpával a vezetők gyorsabban és jobban reagálnak az akadályokra, mint halogén lámpával.
  • Xenon lámpának sokkal nagyobb, és kiegyenlítettebb a fényterítése, így például az útszéli gyalogos, kerékpáros észlelése sokkal könnyebben, korábban történhet. A közel 3x-os fényerő lehetővé teszi, hogy messzebbre világítsunk, hamarabb és jobban belássuk az autó előtti területet, illetve a forgalom többi résztvevője is előbb észreveszi a közeledő autókat. Ráadásul esős, ködös időben is jóval biztonságosabbá teszi a vezetést.
image_V_25
Különbség a fényterítésben a halogén és a xenon között

Hátrányok

Fémhalogén lámpák esetén gyakran felléphet a vakítás jelensége. A nagyobb fényerejű, apró kisülőcső sokkal jobban vakít (kb. 3000 cd/m2 fénysűrűség), mint például egy hagyományos halogén izzó, annak ellenére, hogy a kisülőtér nagyjából akkora (kb. 4 mm), mint egy halogén izzószál (kb. 1500 cd/m2 fénysűrűség). Ezért a xenon HID lámpákat fényszóró mosó rendszerrel és automata magasságállítással kell szerelni. A piszkos fényszórónak nemcsak a fényereje csökken, hanem jobban is vakít. Általánosságban a HID lámpa 40%-al jobban vakít bármilyen intenzitás mellett, mint a halogén társai.

  • A fémhalogén lámpák meglehetősen drágák, és működésükhöz szintén költséges előtét elektronikát igényelnek.
  • A régebbi típusok környezetszennyező nehézfémeket tartalmaznak.

A fémhalogén lámpák egyik nagy hátránya (a többi nagynyomású lámpához hasonlóan) az, hogy a lekapcsolás, vagy a tápfeszültség megszakadása után az ív újragyújtása alapesetben nem lehetséges, a kisülő térben uralkodó nagy nyomás miatt. Ezért alapesetben meg kell várni azt az időtartamot (kb. 5-15 perc), amíg a lámpa lehűl. Ez a tulajdonság gátat szabhat az alkalmazhatóságuknak, például beltéri lakásvilágításra a gyakori kapcsolások miatt alkalmatlanok. Léteznek azonban melegen is újragyújtható “Hot Restrike” típusok is, melyek drágábbak, de felfutási idő használatuk 2-4 percre csökkenthető.

A fémhalogén lámpákat az élettartamuk végén ciklikus működés jellemzi. Működés során a kezdeti ívgyújtáshoz tartozó feszültség impulzus után egy kisebb szint szükséges a folyamat stabilizálásához, amely a folyamatosan növekvő nyomás hatására egyre növekszik. Azonban az élettartam folyamán az öregedő lámpának egyre nagyobb feszültségre van szüksége a kisülés fenntartásához, amely egy idő után meghaladja az előtét által biztosított szintet. Ennek hatására a lámpa kialszik, majd lehűl, a nyomás pedig visszaesik. Ekkor az előtét ismét képes a fényforrást begyújtani, és a folyamat így ismétlődik.

Bi-Xenon rendszerek

A xenon lámpa gyakorlati előnye a hagyományos halogén izzókkal szemben – a nagyobb fényerő – leginkább a tompított fény esetében mutatkozik meg. Reflektornál a halogén izzó is elegendően messzire sugároz, viszont ezen funkció gyors felfutási időt követel, ami xenon lámpák esetén körülbelül 3-30 másodperc. A hagyományos (elavult) xenon fényszórók kettő darab külön funkciót betöltő fényforrást és reflektortükröt tartalmaznak. Ezeket optimálisan az úgynevezett bi-xenon típussal lehet kiváltani. Ebben az esetben egyetlen fényforrás látja el a tompított és távolsági fény funkciót, azaz a reflektor használatakor a névleges fényerő rendelkezésre áll.

Bi-Xenon esetében egy kitakaró elemet helyeznek az ellipszoid tükör egy része elé, amely tompított fény esetén a távolsági sugarak útját állja. Reflektorfény esetén a kitakarás megszűnik, ezzel a távolsági sugarak akadálytalanul képesek kilépni. A Bi-Xenon lámpák így gondoskodnak az adott funkciónak megfelelő fényerősség eloszlásról, amely párhuzamosan is működik. Ahhoz, hogy a kitakarásból adódó éles átmenetet csökkentsék, a reflektor elé egy kondenzor lencsét helyeznek. A fénypajzsot egy elektromágneses aktuátor mozgatja, lineárisan és/vagy elforgatva. A rendszert 1999 óta alkalmazzák gépjárművekben.

A fémhalogén lámpatestek esetén kiemelten fontos a bura felületének tisztán tartása. A szennyeződött homloküvegen ugyanis a nagy fénysűrűségű fényforrás sugarai szétszóródhatnak, és így a tompított fényeloszlás is kápráztathatja a szembejövőket. Ezért az ilyen lámpatesteket célszerű fényszórómosó berendezéssel ellátni.

Az előírások alapján csak akkor lehet beszerelni ilyen rendszerű fényforrásokat, ha biztosítjuk, hogy az azt magában foglaló reflektornak a dőlésszöge függetlenül a jármű terhelésétől a vízszintessel állandó szöget zár be

LED fényforrások

A LED (Light Emitting Diode) fény kibocsátó dióda lényegében nyitó irányban működő félvezető rétegdióda.

Az első elektrolumineszcens fényforrásokkal kapcsolatos szabadalom Szigeti György és Bay Zoltán nevéhez fűződik, az általuk készített SiC alapú fényforrás a hagyományos LED-ek ősének tekinthető.

A nagy előrelépést a periódusos rendszer III. és V. oszlopában lévő elemek vegyületkristályain észlelt fényjelenség felfedezése hozta meg, a múlt század 60-as éveiben, amikor már szisztematikusan tudták keresni a jól világító félvezető rendszereket. Az első, látható (vörös) tartományban sugárzó LED-et 1962-ben a General Electric kutatója Nick Holonyak fejlesztette ki, ezért őt tekintik a “fényemittáló diódák atyjának”.

Az első piacon is kapható LED 1967-ben jelent meg.

A vörös és narancssárgás-vörös LED-ek egyre gyakrabban kezdtek megjelenni különböző elektronikus eszközökben, elsősorban jelzőfényként és digitális kijelzőként. A hetvenes évek elején megjelentek az első LED-es hétszegmensű digitális karórák, melyek új technológiaként igen nagy szenzációnak örvendtek.

A LED-ek folyamatos fejlesztésének betudhatóan a fényforrások fényárama és hatásfoka az évek során exponenciálisan növekedett. A hatvanas évektől kezdve minden harmadik évben körülbelül megduplázódik. Ez elsősorban a félvezető gyártástechnológiák fejlődésével, valamint az optikai és anyagtechnológiai újítások alkalmazásával magyarázható.

A LED-ek alkalmazási területei az állandó fejlesztések és újítások miatt folyamatosan bővültek. Napjainkban már nem csak különféle kijelzőkben és jelzőlámpákban alkalmaznak világító diódás fényforrásokat, hanem megtalálhatók számtalan általános világítási alkalmazásban is (lámpák, dísz és kiemelő világítások, panel háttérvilágítások, járművilágítások, stb.), valamint járművek fényforrásaiként is.

image_V_38
Személygépkocsik LED-es jelzőlámpái és fényszórói

LED-es fényforrások megjelenése személygépjárművekben

A modern személygépjárművekben egyre gyakrabban találkozhatunk LED-es fényforrásokkal, melyek napjainkban már valamennyi funkciót betöltő lámpatípusban megtalálhatók. Beltéri világítási funkciók közül a műszerfal és kijelző elemek, gombok, kesztyűtartó világítás, és beltéri segédfények jelentős hányada fényemittáló diódás. Ennek oka a LED-ek számos előnyös tulajdonsága volt, melyeket a közlekedésben kiválóan ki lehet használni. Ezek közül a fontosabbak a kiváló fényhasznosítás, a hosszú élettartam, nagy fényáram és fénysűrűség, a kis méret, a változatos szín és színhőmérséklet paletta, a rendkívül gyors felfutási és újragyújtási idő, és a fizikai behatásoknak való jó ellenálló képesség. Féklámpáknál kifejezetten előnyös a milliszekundumos felfutási idő, hiszen így átlagosan 0.2 másodperccel gyorsabb, mint a hagyományos izzólámpák. A különbség szemmel is jól észrevehető olyan járművek esetén, melyeknél hagyományos féklámpa mellett LED-es pót féklámpával vannak felszerelve. Habár a 0.2 s nem tűnik jelentős különbségnek, azonban 100 km/h-s sebességnél a gyorsabb reakció akár 6,5 méterrel rövidebb fékutat eredményezhet, ami elég lehet egy baleset elkerüléséhez is.

Azonban a megfelelő minőséghez és egyáltalán az alkalmazhatósághoz hosszadalmas fejlesztések szükségeltettek. Például a nagy teljesítményű LED-ek komoly hűtést igényelnek, ami egy zárt lámpatest és karosszéria esetén komoly kihívást jelent. Másik hátráltató tényező a nehézkes és drága fényforrás csere, amit sokszor csak szakszervizek képesek elvégezni, és csak panelenként lehetségesek, amennyiben a felépítés moduláris. Így amennyiben csak egy darab, vagy mindössze néhány dióda romlik el, úgy sokszor a teljes panelt ki kell cserélni. Ezért napjainkban még sok gyártó ódzkodik attól, hogy alsó-középkategóriás járműveiket LED-es fényszóróval vagy féklámpával szerelje fel.

Az újfajta LED-es fényforrások alkalmazása a luxus járművekben kezdődött, és az összes jelentősebb lámpafejlesztést és újítást felsőkategóriás modellekben mutatták be. Ez egyrészt piaci szempontból is fontos volt, a presztízst hivatott erősíteni, másrészt újfajta „futurisztikus” dizájnt is kölcsönzött. Majd a tömeggyártásnak köszönhetően – ahogy lenni szokott – a közép és alsókategóriás típusokban is fokozatosan megjelentek.

Az első LED-es féklámpát 2000-ben a Cadillac mutatta be a DeVille modellben. Mindemellett a hátsó szélvédőn található pót féklámpa is LED diódasort alkalmazott.

image_V_39
Az első LED-es féklámpa – Cadillac DeVille

A féklámpák után sokan várták a LED-es fényszórók bemutatását, azonban ez 2007-ig nem történt meg. Ez főként a kék és UV LED-ek késői megjelenésének és az azt követő hosszadalmas technológiai fejlesztéseknek volt köszönhető, amelyek 2004-től ugyan felgyorsultak, de sokáig nem tették lehetővé a nagy teljesítményű fehér LED-ek napjainkban tapasztalható széleskörű alkalmazhatóságát. Ezért az első, tömeggyártásba kerülő világítódiódás fényszórólámpát csak 2007-ben mutatta be a Lexus, az LS600-as modellben. A lámpatestben a LED-ek ekkor még csak a tompított fényt valamint a helyzetjelzőt szolgáltatták, a távolsági és az index fényt halogén fényforrások biztosították.

image_V_40
Az első LED-es fényszóró – Lexus LS600

A világon az első, teljes mértékben LED világítást alkalmazó („all-LED Technology”) gépkocsi pedig az AUDI R8 2009-es modellje volt, melyben a tompított és távolsági fény mellett a helyzetjelzőlámpa, tolatólámpa és az összes index lámpa is fényemittáló diódás volt.

image_V_41
AUDI R8 2009 – Az első össz-LED technológiás személygépjármű

A LED-ek működési elve

A világító diódák működési elvét a bekezdés alatti ábra szemlélteti. Nyitóirányú előfeszítés hatására áram folyik az anódtól (p réteg) a katód felé (n réteg), ezért az n adalékolású rétegből gerjesztett elektronok lépnek át a p rétegbe, miközben a p adalékolású rétegben lyukak haladnak az n réteg felé. Az egymás felé mozgó töltéshordozók találkozáskor kiszámítható valószínűséggel rekombinálódnak, és alacsonyabb energia szintre kerülnek vissza. Ez az energia felszabadulás adott százalékban foton emisszió formájában megy végbe.

image_V_42
Világító diódás rekombináció sávképe

A hagyományos, fénypor nélküli diódák keskeny, kvázi monokromatikus spektrumban sugároznak, amely széles határok között változhat. Az emittált sugárzás spektrumát és az emissziós maximum hullámhosszát, a félvezető p-n átmenetét alkotó anyagok vegyülete és adalékolása, vagyis a sávszerkezete (tiltott sáv szélessége) határozza meg.

A világító diódák színképe tehát az anyagjellemzők függvénye. A folyamatos fejlesztések eredményeképpen napjainkban gyakorlatilag a teljes látható színkép tartományban készítenek LED fényforrásokat.

A fehér LED-ek

A gyakorlatban különösen fontos szerepet töltenek be a kék színképtartományban, és közeli UV-ben emittáló LED-ek, hiszen a rövid hullámhosszúságú fotonok elegendően nagy energiájúak ahhoz, hogy a sárga fényport gerjesztve, folyamatos spektrumú, kék és sárga tartományban hullámhossz csúcsokkal rendelkező fehér fényt állítsanak elő. Ez azért lehetséges, mert a kék és a sárga komplementer színek, ezért a fehérnek valamilyen árnyalatát szolgáltatják. A fénykeltéshez alkalmazott fénypor általában foszfor alapú és kémiai folyamatok útján állítja elő a kívánt spektrumot mindezt jelentős energia veszteség mellett.

Léteznek két fényporos LED-ek is, melyek kék tartományú fénnyel gerjesztve nem sárga, hanem zöld illetve vörös tartományban emittálnak fotonokat.

A fehér fény előállítása történhet egy harmadik módon is, úgynevezett RGB LED-ek segítségével is. Ekkor a szorosan egymás mellett lévő, különálló diszkrét vörös, kék és zöld hullámhosszakon sugárzó LED chipek azonos intenzitással üzemeltetve az emberi szemben additív módon fehér színérzetet eredményeznek, azaz spektrálisan összeadódnak. Az RGB LED-ek színvisszaadása elmarad a fényporos változattól, viszont fényhasznosításuk magasabb, és a chipeket külön-külön szabályozva számos szín produkálhat.

LED fényforrások kialakítása, jellegzetes LED típusok

Hagyományos furatszerelt LED-ek (THD)

image_V_51
THD LED

A legrégebben alkalmazott és legelterjedtebb LED-ek hagyományos furatszerelt (THD – Throug Hole Technology) kialakításúak. Ezek között is a legnépszerűbb az 5 mm-es átmérőjű ovális műanyaglencsés kialakítás, de gyakran találkozhatunk 3 és 8 mm-es és szögletes típusokkal is. A furatszerelt LED-ek sokáig egyedül uralták a piacot, és elsősorban indikátor fényként és pontkijelzőkben alkalmazzák, hiszen villamos teljesítményük és ezzel párhuzamosan fényáramuk lényegesen kisebb, mint a felületszerelt, világítástechnikában is alkalmazott teljesítmény LED-eké. Külön hűtést így nem igényelnek. Felvett áramuk néhány mA-től 100 mA-ig terjed.

Felületszerelt LED-ek (SMD)

image_V_52
SMD LED

Az SMD (Surface Mount Device) LED külső kontaktus kivezetéseit a nyomtatott áramkörök felületén kialakított kontaktus felületekhez elektromosan, az esetek döntő többségében forrasztással, ritkán vezető ragasztással kötik. A felületszerelt technológiából adódóan a LED-ek mérete jóval kisebb lehet (akár néhány mm), hiszen beültetésük miniatűr méret esetén is lehetséges. A szilikon lencsének köszönhetően képesek igen széles szögben sugározni.

Teljesítmény LED-ek (HPLED)

image_V_53
HPLED

A teljesítmény LED-ek (High Power HPLED) legtöbbször SMD fényforrások, melyeket elsősorban megvilágítási alkalmazásokra terveztek. Nagyobb teljesítményűek, és nagy fényárammal rendelkeznek. Méretük változó, néhány mm-től 1-2 cm-ig terjed, de a bennük lévő chip nagyobb méretű. Felvett teljesítményük 1 W-tól akár a 25 W-ot is elérheti! Ebből adódóan nem ritka, hogy egyetlen LED több mint 1 A áramot is felvesz. Fényáramuk 50 lm-től akár 1400 lm is lehet, ezért világítási célokra kiválóak. Fényszórók fényforrásaként ideálisak. Nem szabad elfeledkezni a teljesítmény LED-ek hűtéséről, hiszen a felvett teljesítmény jelentős része hő veszteségként jelenik meg, ezért a félvezető chip hőmérséklete könnyen meghaladhatja az előírt értéket. Ez teljesítményromláshoz, és a dióda élettartamának lerövidüléséhez vezet. Az ilyen világító diódák a nagy teljesítményt sokszor úgy érik el, hogy egyszerre több, akár 24 apró diódát kötnek sorba illetve párhuzamosan egyetlen tokozáson belül. Az ilyen fényforrásokat Multi-chip LED-eknek is szokás nevezni.

LED modulok (COB)

image_V_54
COB LED

A piacon előfordulnak úgynevezett Chip on Board (COB) LED modulok, melyeknél gyárilag egy vagy több különálló világító diódát ültetnek egy nyomtatott áramkörre vagy hordozóra, így azokat használat előtt beforrasztani nem szükséges. A bekötés általában egyszerű, sokszor forrasztást sem igényel. Ez a kiszerelési forma kisméretű, esetenként bonyolult felépítésű, nagy teljesítményű termékeket tesz lehetővé, így költséghatékony lehet bizonyos világítási alkalmazásoknál. A hordozó gyakran úgy van kialakítva, hogy a LED hűtését is képes megfelelően biztosítani.

LED-ek világítástechnikai jellemzői, alkalmazásuk jellegzetességei

A fehér LED-ek színhőmérséklete széles skálán elérhető, 2700 K-es meleg-fehértől egészen a 8000 K-es hideg-fehérig.

A világító diódák kis méretükből fakadóan általában igen nagy fénysűrűséggel rendelkeznek, amely előtétoptikákkal szabályozható, helytelen alkalmazással azonban kápráztathatnak. A modern teljesítmény LED-ek névleges fényárama meghaladhatja az 1500 lm-t.

A széles spektrumon váltakozó fénytechnikai jellemzőkön túl, melyek a világítás minőségét jellemzik, a LED-ek a leginkább gazdaságossági szempontok alapján szárnyalják túl vetélytársaikat. Ilyen a kiváló fényhasznosítás és az egyedülállóan hosszú élettartam.

Az első, világítástechnikai alkalmazásokra szánt világítódiódák azzal robbantak be a köztudatba, hogy élettartamuk elérheti akár a 100.000 órát is, mely messze túlszárnyalja az összes alternatív fényforrás jellemző értékeit. A gyakorlatban azonban fenntartással kell kezelni az ilyen nagyságrendű értékeket. Egy fényforrás élettartamának ugyanis gátat szabhat a vezérlő elektronika működési ideje, üzemelési hőmérséklete és a tápellátás jellemzői (stabil áram és feszültség, üzemelési körülmények, stb.). Ezen kívül a kis felületű chipben az átfolyó névlegesnél nagyobb áramok miatti nagy áramsűrűség hatására szerkezeti változások történhetnek. Ez egyben a fényteljesítmény csökkenéshez is vezet. Ezért a LED-ek sem üzemelnek 100.000 órát, de névleges értékek, stabil tápegység és megfelelő hűtés mellett üzemeltetve általában teljesítik a 30-60.000 órát, ami így is kimagasló

A világító diódák másik meggyőző mutatókkal rendelkező paramétere a kiemelkedően jó fényhasznosítás. Napjainkban az ilyen fényforrások jóval meghaladhatják az általános világítási célokra használt, izzólámpákat helyettesítő, energiatakarékosnak mondott fénycsövek által produkált értékeket.

A LED-ek ismertetett jellemzői magyarázatot adnak rohamos elterjedésükre. Ezeken kívül számos előnyös tulajdonságuk megemlíthető. Ilyen a rendkívül kis méret (akár < 2 mm2), a tetszőleges gyakoriságú ki és bekapcsolhatóság, az egyszerű fényerő szabályzás, azaz dimmelhetőség, és a fizikai behatásokkal szembeni nagy ellenállóság. Ezek alkalmazásuk határait jelentősen kiterjesztik. Hátrányként említhető a jellemzők működési hőmérséklettől való függése és a tápfeszültség érzékenység.

Forrás: BME Jármű optika (jegyzet) – Dr. Ábrahám György, Dr. Kovács Gábor, Dr. Antal Ákos, Németh Zoltán, Veres Ádám László

Vélemény, hozzászólás?

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöljük.