Az Audi R8 LED-fényszórója

A 2007-es modellévű Audi R8-as volt a világon az első képviselője az újgenerációs autófényszóróknak, melyben fényforrásként kizárólag világítódiódákat (LED-eket) alkalmaztak. Az Automotive Lighting és az Audi igazi úttörőmunkát végeztek a design, a technika, a beépítés és a hatósági engedélyezés területén. A LED-ek a gépjárművekben is a jövő fényforrásai az alacsony energiafogyasztásuk, a hosszú élettartamuk és az egyszerű elektromos modulációjuk miatt.

1. BEVEZETÉS

A LED-ek legelső alkalmazása fényszórókban jelzőfényként történt, amikor az első hibrid modellek, pont 10 évvel ezelőtt, 2004-ben megjelentek (Audi A8L W12 stb.). Előtte egy évszázadon keresztül minden funkciót az izzólámpákkal valósítottak meg, egészen a késő ’80-as évekig, amikor megjelentek a gázkisüléses ívlámpák, az úgynevezett xenonlámpák, melyek a tompított és a távfényt valósították meg.

A LED-fényforrások tulajdonságai alapvetően különböznek az izzólámpákban alkalmazott volfrámszáltól, és a xenonlámpákban létrejövő plazmától, mint fényforrásoktól. A nyitóirányú feszültség rákapcsolása után a félvezetőből fényt emittál a LED. A fényszínt a valencia- és a vezetési sáv távolsága egyértelműen meghatározza. A sárga fényt az Alumínium-Indium-Galliumfoszfid (AlInGaP) félvezető közvetlenül állítja elő. A leghatásosabb út a fehér fény létrehozására, mely fényszóróban alkalmazhatóvá teszi a LED-et, az a foszforkonverzió: a kéken világító dióda, melyet Indium-Gallium-Nitrit (InGaN) félvezető állít elő, tokozásába foszfort kevernek. Így a sárga és a kék fény keverékéből áll elő a fehér fény. Ez az ➊. a ábrán is jól látszódik, ahol is a fehér fényű LED spektrális eloszlása látható. Ebben az ábrában fel van tüntetve a gázkisüléses („xenon”) és a halogén fényforrások spektrális eloszlása is. A b ábrán a különböző hullámhosszokhoz tartozó színek láthatóak az emberi szem érzékenységével, az úgynevezett láthatósági függvénnyel együtt (ez a függvény adja a magyarázatot a láthatósági mellény színének megválasztásához is).

➊a A jelenleg használatos fényforrások spektrális eloszlása, a hullámhossz függvényében

➊b Az emberi szem érzékenységét megadó láthatósági függvény az adott hullámhosszokhoz tartozó színekkel

2. LED ÉS ÚJ KIALAKÍTÁSI LEHETŐSÉGEK

Az autógyártók vágyát egy összetéveszthetetlen gépjármű- és éjszakai megjelenést támogatják a kicsi félvezető-fényforrások pozitív tulajdonságai. A félvezetőknél nem tapasztalható mechanikus elhasználódás: a gépjármű élettartamához viszonyítva korlátlan élettartam az eredmény. Ez ismét csak új lehetőségeket nyújtott és nyújt a gépjármű orrkialakításában és motorterében, mivel nem szükséges szerviznyílásokat kialakítani, pl. az izzócseréhez.

Új technológiákat csak akkor lehet sikeresen bevezetni, ha azt a piac elfogadja. A LED-ek vonzóvá teszik a gépjármű megjelenését, és egy igen jó felismerhetőséget kölcsönöznek. Az Automotive Lighting-nek és az Audinak sikerült közösen egy olyan technikai koncepciót kifejleszteni, mellyel az R8-as a teljes LED-világítás által egy újszerű, addig még nem látott érdekes megjelenést kapott ➋.

➋ A LED új lehetőségeket nyitott a gépjármű- és márkaimázs kifejezésére

➌ A külső világítás relatív használattartama per átlagos vezetett kilométer

3. A GÉPJÁRMŰ-VILÁGÍTÁS TELJESÍTMÉNY- ÉS ENERGIAIGÉNYE

3.1. Teljesítményfelvétel

A LED-ekkel egy addig nem látott potenciál jelent meg a teljesítményfelvétel csökkentésében. A gépjárműgyártóknak nem elhanyagolható teljesítményeket kell biztosítaniuk a világító és fényjelző berendezéseik számára. Különösképpen a hagyományosan kialakított gépjárművekben a megkívánt áramerősség akár az 50 A-t is elérheti. Ez nagy ráfordítást követel meg az egyes fényfunkciókat ellátó vezérlők alkatrészeitől. Az ➊. táblázat képet ad az átlagos teljesítményfelvételről és az azokból származó maximális teljesítményfelvételről, melyet egy vezérlőegységnek ki kell adnia. Mint ahogy az 1. táblázatban látható, LED-del kb. 480 W-ot lehet megspórolni, ami kb. 36 A-t jelent 13,2 V-nál. Ez a fedélzeti vezérlőegységek kb. 75%-os teljesítményfelvétel-csökkenését jelenti.

➊. táblázat: a gépjármű külső megvilágítás villamos fogyasztóinak vizsgálata, a maximális teljesítményfelvétel alapján: a teljesítményfelvétel gépjárműtípusonként változhat; hatása van az izzótípusnak, a kialakításnak, az áramfelvételnek, a LED-ek számának

Nemcsak a vezérlőegységeknek kell ezt a teljesítményt bírniuk, hanem a generátort is a halogénrendszerhez kell kialakítani. A rézben kialakuló veszteségek, valamint demagnetizálás miatt a hatásfok η<0,7, ami a generátornál sem elhanyagolható megtakarítási potenciálhoz vezet.

3.2. A gépjármű-világítás használattartama

Függetlenül a beépítési ráfordításoktól, a fényfunkciók kétségtelenül erősen különböző mértékben vannak használva. Az 1. táblázatban szereplő teljesítményfelvételek és a ➌. ábrában szereplő átlagos használattartam alapján megállapítható a statisztikus átlagos energiafogyasztás per vezetett kilométer. A statisztikus kiértékelésnél látható, hogy a vezetett kilométerek 33%-a éjszakai, 67%-a nappali vezetéshez tartozik.

A ➋. táblázatban látható adatok az átlagos energiafogyasztást mutatja per vezetett kilométer, ahol egy hagyományos technikájú gépjármű átlagos energiafogyasztása 130 W. Ezzel szemben egy LED-technikát alkalmazó gépjármű átlagos energiafogyasztása csupán 38 W/km, és így 92 W/km energiát takarít meg. Ez átszámítva 2,4 g/km CO2, vagy kb. 70%-kal kevesebb primerenergia-ráfordítást jelent egy átlagos gépjárműnél és sebességnél. Egyedül ezzel a technológiával Európában 5,8x108 l tüzelőanyag takarítható meg 6,3x1011 éves szinten levezetett kilométer mellett.

➋. táblázat: a fényfunkciók fogyasztásának kiértékelése, figyelembe véve a használattartamot és a megadott teljesítményeket

3.3. LED-hatásfok

A LED-ek ezen a téren nem összehasonlíthatók a hagyományos fényforrásokkal. A hatásfok erősen függ a környezeti hőmérséklettől, illetve a chip-re megengedett áramerősségtől és melegedéstől. Ezen túlmenően az egyes LED-ek különböznek gyártmányban és a meghajtó áramerősségben is. Így adható meg alkalmazásonként 2 vagy több különböző érték hatásfok szempontjából. Azonban a hatásfok további növelése garantált, ami a LED-technológiát még érdekesebbé teszi ➍.

➍ LED-ek hatásfokának fejlődése az elmúlt években

4. NAPPALI MENETJELZŐ FÉNY

4.1. Közlekedésbiztonság és költség-haszon arány

Sok országban nappal is kötelező a fényszórót bekapcsolni (pl. Skandináviában, Csehországban, lakott területen kívül Olaszországban, Magyarországon). Alternatívaként alkalmazni lehet külön jelző fényeket, ún. nappali menetjelző fényeket (Tagfahrlicht, Daytime Running Lamp: DRL) az ECE 87-es szabályozásban foglaltaknak megfelelően (ECE: Economic Comission for Europe, Európai Gazdasági Bizottság).

Több tanulmányt hoztak nyilvánosságra a közlekedésbiztonság növelése érdekében, és hoznak nyilvánosságra ma is. Egyes tanulmányok arról értekeztek a 2000-es évek közepén, hogy a kötelezően bevezetendő nappali menetjelző fény (DRL) 5 és 15%-kal csökkentené a súlyos balesetek, és 40%-kal a több résztvevős balesetek számát.

Az egyik releváns hátránya a nappali menetjelző fény kötelezővé tételének az volt, hogy ezzel növekszik a tüzelőanyag-fogyasztás, és ezáltal a CO2-kibocsátás is nő. Egy EU-s tanulmány szerint azonban az összköltsége a károsanyag-kibocsátásnak, a tüzelőanyagnak és az izzóelhasználódásnak 17 és 30 millió euró közé tehető. Ezzel szemben a balesetekből kifolyó költségek 40–50 millió euróval csökkenthetők. LED alkalmazásával tehát a költség-haszon arányt jelentősen lehetett javítani. Emiatt is 2011. február 7-e óta kötelező újonnan forgalomba helyezett gépjárművet nappali menetjelzővel ellátni (természetesen a törvény nem írja elő, hogy ezt milyen fényforrással kell biztosítani).

A tisztán gazdasági érveken túlmenően a LED-es nappali menetjelző fénnyel a gépjárműnek új stilisztikai megkülönböztetést lehetett adni. Azaz, ha a nappali menetjelző fényt éjszaka csökkentett fényerővel helyzetjelzőként alkalmazzák, akkor a gyártónak először nyílik lehetősége egy olyan specifikus jelzés kialakítására, mely éjjel és nappal egyformán megkülönbözteti a gépjárművet a többi gépjárműtől ➎.

➎ Audi R8 menetjelző fényei bi-xenon (bal) és LED- (jobb) fényszóróval

4.2. Nappali menetjelző fény optikai kialakítása

A nappali menetjelző fény LED-jeit a fényszóró alsó részén helyezték el, követi annak formáját, melyet „szárnykontúrnak” hívnak. Az R8-as a megjelenésekor bi-xenon fényszórókat kapott, de a nappali menetjelző fényeket már 12 db LED oldotta meg. A LED-fényszóróban is ugyanígy helyezték el a fényforrásokat, de ott már 24 darabot. Nyitóirányú feszültségük 3,6 V, meghajtó áramerősségük 140 mA. Az egymáshoz lényegesen közelebb került fehér Osram Advanced Power TopLED-ek egy műanyag optikás szabadtérformájú lencsén keresztül világítanak a vastag fényvezetőbe, így hozva létre a kívánt fényeloszlást ➏. Az optika hatásfoka megközelítőleg 85%, így majdnem párhuzamos fény jut a fényvezetőbe ➐. Ezt a nagy értéket azért tudták elérni, mert a LED-ek csak a féltérbe világítanak, így az egész kisugárzott fényt hasznosítani tudják. A bi-xenon fényszórónál csak a LED-ek és az optikák vannak beépítve. Ez nem a teljes hatásfoka a rendszernek, mert nincs figyelembe véve a fényszóróbura és egyéb tényezők. Ennek ellenére egy olyan nagy értéket kaptak a fejlesztők, melyet izzóval nem lehet elérni.

➏ A fényeloszlás létrehozásának elve az optikában

➐ Nappali menetjelző fény optikai kialakítása: a vastag fényvezető és a vékony kontúrvonal 24 LED-ből 3D-effekttel

A részletes kialakításban ez azt jelenti, hogy közelebb vannak az egyes LED-ek és az optikák egymáshoz. Összesen 216 fénypont keletkezik a megfigyelő számára. A megfigyelési távolság növekedésével egyre több fénypont olvad össze, és így jön létre a fényvonal. A „szárnykontúr” éjszaka is világít a tompított világítással együtt. Ilyenkor helyzetjelző fényként működik, csökkentett teljesítménnyel.

5. IRÁNYJELZŐ

Az irányjelző is hasonlóan van kialakítva. Itt 8 darab sárga Luxeon K2 LED-et használtak fel, melyeknek nyitóirányú feszültsége 3,2 V, meghajtó áramerőssége 350 mA. A fényszóró belső, felső részén helyezték el. Az optika hatásfoka 70% ➑.

➑ Az irányjelző az R8-ban és a fényeloszlás létrehozásának elve

6. A FŐFÉNY FUNKCIÓK OPTIKAI KIALAKÍTÁSA

6.1. Tompított fény létrehozása

Bármely kialakításnak követnie kell a peremfeltételeket, melyeket egy már meglévő fényszóró méretei, illetve perifériái határoznak meg. Ezért nem nézhet ki máshogy, valamint a megadott helyre be is kell, hogy férjen.

Hagyományos fényszórók esetében a fénynyalábot vagy vetítő vagy tükröző rendszerrel hozzák létre. Az R8-ban e két rendszert együtt alkalmazzák a tompított fény előállításához, melyben egy egységbe van ágyazva a tartó- és a hűtőmodul. Az alsó és felső rész tükröző rendszerű, a középső rész vetítő rendszerű ➒. Alkalmazásra a Lumileds Automotive Front Lighting Source (LAFLS) LED-ek kerülnek, melyek nagy teljesítményű komplex fényforrások a Philips Lumileds-től.

➑ A tompított fény előállítására szolgáló három modul: két tükröző, egy vetítő modul

Egy további innovációs kihívást adott maga a tény, hogy a 3 különálló fényforrás egységes fényeloszlást hozzon létre. Ez további kiegészítő műveleteket jelent a készre szerelésnél. Az alsó és a felső rész tükröző rendszerű, melyek mint ködfényszórók a fényt szimmetrikusan nagy területen terítik szét a gépjármű előtt (40°, 10 lux). Ezekben az egységekben 2 Multichip-LED-et alkalmaznak 4 világítódiódával. A középső rész vetítő rendszerű, melyben 3 Multichip-LED van 2 világítódiódával. Ez a rész felel a sötét-világos határvonalért, melyet blendével állítanak elő, valamint azért, hogy a fény a gépjármű előtt a távolban világítsa meg az utat (10 °, 40 lux) ➒. Az összeszereléskor az egyes elemeket úgy állítják be a világos-sötét határvonalnak megfelelően, hogy ezek után az összeszerelő cellát egy ellenőrzött készre szerelt egység hagyja el.

➒ A fényeloszlás elvi vázlata az útfelületen – a tükröző rendszer által létrehozott eloszlás a bal oldalon alul, a vetítő rendszer által létrehozott eloszlás a jobb oldalon alul látható

Hatásfoka a rendszernek 45%, szemben a bi-xenon rendszer 33%-ával, villamosteljesítmény-felvétele 44 W. Ez a hatásfokkülönbség is abból a tényből adódik, hogy a LED-ek csak a féltérbe világítanak, nem úgy, mint a hagyományos fényforrások, melyek az egész teret világítják be. Ez azt jelenti, hogy míg egy xenonlámpás tompított fényszóróval az útfelületen 800–1000 lm fényintenzitás létrehozásához a fényforrásnak 3300 lm fényintenzitást kell produkálnia, addig a LED esetében az útfelületen azonos fényintenzitás létrehozásához 1750–2200 lm fényintenzitás szükséges. Így a LED-fényszóró képességei megegyeznek a xenon-fényszóróéval.

6.2. Távolsági fény létrehozása

A távolsági fényt két darab tükörcsésze állítja elő, mely az irányjelző és a tompított modul között található. Itt is Multichip-LED-eket alkalmaznak, 4 világítódiódával. A fényerő meghaladja egy bi-xenon modul fényerejét ➓.

➓ A távolsági és a tompított fényszóró

7. TERMIKUS KIALAKÍTÁS

7.1. Termikus ellenállás

A LED-ek a halogénlámpákhoz, illetve xenonlámpákhoz képest úgynevezett hideg fényt bocsátanak ki. Ez azt jelenti, hogy a befektetett energia nagyobb hányadát kapjuk vissza látható fény formájában. Számszerűleg ez 20%-ot jelent, szemben az izzók 4%-os hatásfokával. A maradék energia hővé alakul. A színhelyesség, a fényáram és a nyitóirányú feszültség értékei azonban hőmérsékletfüggők. A megengedett maximális chiphőmérséklet gyártótól és típustól függően 125 ºC és 185 ºC közötti. Ha ezt a hőmérsékletet átlépjük, a LED tönkremegy.

A chip a legmelegebb rész az egész rendszerben. A termikus ellenállás a chip és a LED-foglalat között nagy teljesítményű fényforrások esetén 2–4 K/W. A többi termikus ellenállás a platina, a hűtőtest és a levegő hőáramlásából tevődik össze. Ezek összegéből adódik a rendszer teljes termikus ellenállása. A hideg fény ellenére tetemes járulékos hő keletkezik. Ezeket a termikus ellenállásnál figyelembe véve kell jó hatásfokkal a LED-ről elvezetni a keletkező hőt. Egy 7 K/W-os termikus ellenállású rendszernél egy 15 W-os LED 105 ºC-os hőmérséklet-növekedést hoz létre, melynél az egyes LED-ek már szobahőmérsékleten tönkremennének. Ezért szükséges egy megfelelő hőcserélő és szellőztető rendszer létrehozása, beépített hűtőventilátorokkal.

7.2. Párátlanítás, tervezett légáramvezetéssel

A mai fényszórók problémáját a tervezett légáramvezetéssel lehet csökkenteni a LED-fényszóróban. A fényszóró üzem közben felmelegszik, a levegő kiáramlik, kikapcsolás után viszont kihűl, és a levegő beáramlik. Nagy nedvességtartalmú levegő esetén ez azt eredményezi, hogy a levegő nedvességtartalma kicsapódik a fényszóróburára. Ez a természetes folyamat nem vezet semmilyen technikai problémához, de ez könnyen észrevehető, és az üzemben lévő fényszórónál ezt hamar meg kell szüntetni. A szabályozott légáramvezetés által a bura belseje hamar felszárad, valamint a burán is történik hőcsere a menetszél felé ⓫.

⓫ Tervezett légáramvezetés a fényszóróban (az ábra jobb oldalán beépített hűtőventilátor látható)

8. INTEGRÁLÁS A GÉPJÁRMŰ-ELEKTRONIKÁBA

Egy diódás fényszóró integrálása egy autóba igazi úttörőmunka volt. A karosszéria-fényvezérlő (LCU – Light Control Unit) a diagnosztikai lekérdezéskor még mindig ugyanazt a választ várja, amit egy lámpa ad. A használt LED-meghajtók (LED Driver) több-kevesebb villamos tulajdonságát szimulálják egy izzónak. A teljes LED-fényszóróban az összes funkciót vezérlőegységek látják el, melyek a beépített hűtőventilátort is vezérlik.

Alternatív koncepciók, mint például a passzív hűtés vagy hőcsövek (heat pipes), kiválthatják a ventilátort. De az eredendően nagyobb tömeg, mely akár 1,6 kg is lehet, egy modern gépjárműben nem tolerálható. Ezért a ventilátort a következő generációkban is megtalálhatjuk majd és megtaláljuk azóta is.

⓬ LED-vezérlőegységek kapcsolási elve és topológiája

A fényfunkciókat a fedélzeti hálózatról, mint például LIN- (Local Interconnected Network), CAN- (Controller Area Network), vagy PWM-egységről (Puls Width Modulation) vezérlik ⓬. A vezérlőegységekben a PWM-mel a túlfeszültséget felfogják, mellyel az izzót 13,5 V-nál nagyobb feszültségcsúcstól megvédik. Ugyanerre a célra a PWM jelét a LED-nél is fel lehet használni. A lüktető nagy áramerősségtől az elektromágneses összeférhetőséget szem előtt tartva, a különálló PWM-csatornákat részesítik előnyben. A gépjármű feszültségváltozásait a LED-vezérlés kiegyenlíti. Egyúttal a kiadott villamos teljesítményt a LED hőmérsékletével is össze lehet egyeztetni. A hőmérsékletet érzékelőkkel közvetlenül a LED-ről le lehet venni (erre általában LED-re szerelt NTC-ellenállást használnak a gyártók, a szerk.). Extrém magas hőmérsékleti körülmények között a LED teljesítményfelvételét úgy felügyelik, hogy a tönkremenetelt elkerüljék. A normál követelmények 120%-ról 130%-osra növelésével keletkező biztonsággal a hőmérséklet-ingadozások lereagálhatók. 

Felhasznált irodalom: 
Hamm, M.: LED im Audi R8 – was ist die technische Herausforderung? http://www.al-lighting.com/neu/products_technology/headlamps/led/AL_LED_R8_Hamm.pdf (2006)
Ackermann, R.: Die Lichttechnik im Audi R8 LED Scheinwerfer. http://www.al-lighting.com/neu/products_technology/headlamps/led/AL_Lichttechnik_AudiR8_Ackermann.pdf (2007)
Hamm, M. - Ackermann, R.: Weltweit erster Voll-LED-Scheinwerfer im Audi R8. In: ATZ, Oktober 2008. 895-900.p.
Dr. Michael Kleinkes, Dipl.-Phys.-Ing. Christian Schmidt, Dipl.-Ing. Franz-Josef Kalze: Nächste Schritte in der Entwicklung von LED-Scheinwerfern. In: ATZ, November 2012. 862-867.p.
Schanda J. - Muray, K.: White LEDs: Characterization and measurement. In: Tutorial at the Intertech Phosphor Conference, Miami 2003.