Мощные светодиоды в автомобильных осветительных и светосигнальных приборах

В последние годы светодиоды начали интенсивно применяться на автомобилях вместо традиционных ламп накаливания. Это объясняется большей надежностью, быстродействием и световой отдачей светодиодов.

Серийно производятся светодиодные лампы на основе нескольких маломощных светодиодов со встроенным стабилизатором тока для применения в габаритных огнях, сигналах торможения, указателях поворота, для освещения салона, багажника, номерного знака и т.д. (см. [1]). В табл. 1 приведены характеристики нескольких светодиодных ламп в сравнении с лампами накаливания для напряжения бортовой сети автомобиля 12 В [2].

Таблица 1. Сравнительные характеристики автомобильных ламп

На рис. 1 показаны светодиодные автомобильные лампы, заменяющие штатную лампу А12-21-3.

Рис. 1. Автомобильные светодиодные лампы

В этих светодиодных приборах применены группы относительно маломощных светодиодов. Например, в лампе W5W-15s35 установлены светодиоды SMD3528 (Южная Корея) белого света с рабочим током 30 мА и прямым напряжением 3,4...3,8 В. В лампе PY21W-27s50 использованы 27 сборок SMD5050 по 3 светодиода в каждой [3]. Параметры светодиодов аналогичны SMD3528.

Световые потоки, создаваемые лампами накаливания, определены по электрической мощности и световой отдаче 15 лм/Вт (см. [2]). Из данных табл. 1 следует, что светодиодные лампы PY21W-27s50 и 13426 создают меньший световой поток по сравнению с аналогичными лампами накаливания и будут светить хуже со штатными отражателем и рассеивателем,чем А12-21-3.

Прерыватели указателей поворота и аварийной сигнализации, предназначенные для работы с лампами накаливания, такие как 493.3747, 6422.3747, ТВВ-53, ТВ-64, 111953227D, 491.3747, выполнены на базе специализированных микросхем типа U2043B, КР1055ГП3, УР1101ХП23, УР1101ХП27, МС33193 и т.д. На рис. 2 приведена схема прерывателя указателей поворота на базе микросхемы U2043B [4]. На схеме HL1-HL4 - лампы указателей поворота мощностью 21 Вт, а HL5 и HL6 - лампы боковых повторителей указателей поворота, HL7 - контрольная лампа (последние три лампы мощностью 5 Вт).

Рис. 2. Типовая схема прерывателя указателей поворота

Когда переключатель П находится в нейтральном положении, компаратор К2 не позволяет включиться генератору, тем самым экономится относительно небольшой рабочий ресурс электромеханического реле.

При установке переключателя П в одно из рабочих положений на компаратор К2 поступает напряжение с делителя, образованного лампами, внешним резистором R2 и внутренним резистором микросхемы номиналом 3,8 кОм. Когда лампы исправны, это напряжение ниже 5 В, поэтому включается генератор U2043B. Его рабочая частота (частота миганий ламп указателей поворотов) определяется внешней времязадающей цепью R1C1. При перегорании одной из ламп мощностью 21 Вт напряжение с шунта R3 становится менее порогового значения 81 мВ на компараторе К1, и рабочая частота генератора удваивается, сигнализируя о неисправности ламп.

Светодиодные лампы, установленные на место обычных, детектируются схемой прерывателя в качестве нагрузки, т.е. компаратор К2 срабатывает правильно. Но светодиодные лампы потребляют меньший ток по сравнению со штатными лампами, поэтому при их применении указатели поворотов будут мигать в два раза чаще.

Для решения этой проблемы можно шунтировать светодиодные лампы внешними резисторами (рис. 3).

Рис. 3. Подключение внешнего резистора

Это не лучшее решение, так как резистор греется и уменьшает КПД светодиодной лампы, сводя на нет ее эффективность. Разумнее увеличить сопротивление проволочного шунта R3 примерно в два раза. Оптимальное решение - применить серийно выпускаемый прерыватель указателей поворотов и аварийной сигнализации для светодиодных ламп, например, типов 71.3777-001, 711.3777-001, 712.3777-001, 71.3777-004, 711.3777-004 и т.д. (выпускает ЗАО "Энергомаш").

Промышленность уже освоила выпуск мощных светодиодов. Теперь есть возможность использовать в автомобильных световых приборах точечные источники света, а не группы маломощных светодиодов, как, например, в лампе PY21W-27s50. В табл. 2 приведены характеристики некоторых мощных светодиодов фирмы LedEngin [5].

Таблица 2. Характеристики мощных светодиодов

Ситуация быстро меняется и на рынке уже появились светодиоды мощностью 100 Вт, например, HPR40E-19K100BW с рабочим током 2,8 А, прямым напряжением 35 В и световым потоком 6500 лм.

В мощных светодиодах, начиная от 10 Вт, используются матрицы последовательно соединенных диодов, например, в LZC-00CW40 применены две цепочки по шесть диодов каждая (всего двенадцать последовательно включенных светодиодов). Мощные светодиоды (рис. 4) при эксплуатации для охлаждения помещаются на теплопроводящее основание и радиатор. При установках их на автомобили используется и принудительная вентиляция.

Рис. 4. Светодиод LZC-00CW40

На рис. 5 приведена вольт-амперная характеристика для мощных светодиодов [6]. Дифференциальное сопротивление du/di уменьшается с 0,75 Ом (при токе 0,35 А) до величины 0,2 Ом (при токе 1,5 А). При питании светодиода с такой вольт-амперной характеристикой от источника напряжения даже его небольшое увеличение приведет к недопустимому росту тока, поэтому светодиоды питаются от стабилизаторов тока. Для обеспечения высокого КПД источник питания светодиода, называемый также драйвером, должен быть импульсным. Какая именно схема для реализации драйвера должна быть применена, зависит от соотношения прямого напряжения на светодиоде U₀ и напряжения бортовой сети автомобиля U_nm.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика мощных светодиодов LZ

Электронная промышленность производит широкую номенклатуру специализированных интегральных микросхем драйверов для электропитания светодиодов. На сайтах известных производителей National Semiconductors, International Rectifier, Zetex Semiconductors и т.д. необходимую информацию можно найти в технических характеристиках драйверов светодиодов (Datasheet) и рекомендациях по применению (Annotation note) (см. [7]).

Допустим, необходимо заменить лампу А24-21-3 в фонаре заднего хода светодиодной с мощным точечным светодиодом. Лампа создает световой поток около 300 лм, ее можно заменить светодиодом типа LZ4-00WW10 (табл. 2).

В данном случае U_пит > U₀, поэтому требуется импульсный источник питания понижающего типа (Buck), подойдет, например, драйвер LM3404 производства National Semiconductors [8] со входным напряжением 6...42 В и выходным током до 1,2 А.

Типовая схема включения драйвера LM3404 приведена на рис. 6, а назначение его выводов - в табл. 3.

Таблица 3. Назначение выводов микросхемы LM3404

Рис. 6. Типовая схема включения драйвера LM3404

Микросхема LM3404 реализует гистерезисный способ управления импульсным стабилизатором. Силовой ключ микросхемы подключает светодиод VD2 через дроссель L1 к источнику питания Vin на время t_on, определяемое сопротивлением резистора R_on. Затем светодиод отключается от Vin на время t_off, пока напряжение с датчика тока на входе Cs не будет менее 200 мВ (на время не менее чем на 300 нс). Если ток через светодиод превысит 1,5 А, силовой ключ отключается на время 75 циклов установившегося режима. Затем система запускается вновь и рабочий цикл повторяется.

В установившемся режиме в системе происходят колебания на стабильной частоте, устанавливаемой компромиссно подбором величины t_on. На низкой частоте шире диапазон регулируемых напряжений, выше КПД. На высокой частоте меньше габариты и стоимость источника, но больше электромагнитное излучение.

Производители светодиодов допускают пульсацию рабочего тока до 5-20%. Реализация источника питания с большей пульсацией приведет к уменьшению габаритов фильтра. Расчет драйвера по методике из [6] на частоте 400 кГц определяет сопротивление R_on = 270 кОм, индуктивность дросселя 100 мкГн, сопротивление шунта 0,28 Ом.

Если светодиод должен заменить лампу в фаре головного освещения, например АКГ12-60+55, создаваемый им световой поток должен быть не менее 1650 лм в режиме дальнего света [2]. В этом случае подойдет светодиод типа LZC-00CW40 (табл. 2) или его аналоги. Рабочее напряжение светодиода превышает напряжение в бортовой сети автомобиля, т.е. U_пит < U₀, следовательно, необходимо применить импульсный стабилизатор повышающего типа (Boost). На рис. 7 представлена упрощенная реализация такого стабилизатора на основе драйвера LM3421 [9].

Рис. 7. Упрощенная схема подключения мощного светодиода к драйверу повышающего типа на базе LM3421

Когда регулирующий транзистор VT1 открыт, ток от источника питания протекает через дроссель L, запасая в нем энергию. Диод VD2 при этом отсекает (блокирует) нагрузку и не позволяет конденсатору C_f разрядиться через открытый транзистор. Ток в нагрузку в этот промежуток времени поступает только от конденсатора C_f. В следующий момент, когда регулирующий транзистор закрыт, ЭДС самоиндукции дросселя L суммируется со входным напряжением и энергия дросселя отдается в нагрузку. При этом выходное напряжение оказывается больше входного напряжения питания на величину, определяемую индуктивностью дросселя L и скважностью работы регулирующего транзистора.

Допустим, необходимо заменить лампу А12-21-3 в фонаре заднего хода светодиодной с мощным точечным светодиодом LZ4-00WW10 (табл. 1, 2). В данном случае рабочее напряжение светодиода U₀ попадает в зону изменения напряжения бортовой сети автомобиля (8...15 В), поэтому требуется комбинированный преобразователь типа Buck-Boost. На рис. 8 представлена упрощенная реализация такого стабилизатора на основе драйвера LM3421.

Рис. 8. Упрощенная схема подключения мощного светодиода к драйверу комбинированного типа на базе LM3421

Схема аналогична представленной на рис. 7, но катод светодиода минусовый вывод конденсатора фильтра теперь подключены к плюсовой шине бортовой сети. ЭДС самоиндукции дросселя L более не суммируется со входным напряжением. Энергия дросселя отдается в нагрузку, при этом выходное напряжение оказывается больше или меньше входного напряжения питания. Параметры стабилизатора определяются индуктивностью дросселя L и скважностью работы регулирующего транзистора.

Когда светодиодными лампами на автомобиле заменяют лампы накаливания, их включают в ту же электрическую цепь и ими управляют по шине питания (two wire dimming). Имеются драйверы для светодиодов, например LM3406 [10], специально приспособленные для управления по цепи питания. Схема включения такого драйвера приведена на рис. 9.

Рис. 9. Драйвер LM3406 с диммингом по цепи питания

Эта схема аналогична представленной на рис. 6. При отключении питания диод VD3 блокирует разряд входного конденсатора Cin по цепи питания, низкий уровень напряжения на входе Vins блокирует работу силового транзистора микросхемы, цепи управления остаются работоспособны. При подаче питания микросхема запускается быстрее, чем из холодного состояния.

При работе в стоп-сигнале светодиодная лампа включается не регулярно, драйвер запускается из холодного состояния. Для экспериментального определения времени выхода на рабочий режим светодиодной лампы при холодном включении нужно быстродействующее регистрирующее устройство, записывающее напряжение на входе драйвера и рабочий ток светодиода с шунта. Подойдет например, компактная плата сбора данных Personal Daq/3000 lOtech Inc, размещаемая вне корпуса компьютера, с частотой дискретизации до 1 МГц, использующая шину USB, с простым программным обеспечением.

Графики (см. рис. 10) тока и входного напряжения при холодном включении драйвера MBI6651 со светодиодом мощностью 10 Вт приведены в [11]. От момента подачи напряжения Vin на вход драйвера до выхода тока светодиода lout на рабочий режим проходит 280 мкс.

Рис. 10. Кривые тока и напряжения при холодном включении мощного светодиода

Для сравнения автор проводил аналогичный эксперимент с лампой накаливания А12-21-3 (рис. 11). Лампа начинает светиться, когда нить накала разогревается, ее сопротивление увеличивается и стабилизируется через 200 мс.

Рис. 11. График тока при включении лампы стоп-сигнала А12-21-3

При движении по автостраде со скоростью 100 км/час за счет повышения быстродействия светодиодной лампы водитель получает дополнительные 5-6 метров для экстренного торможения или маневра.

Литература и интернет-источники

1. http://www.netuning.ru, http://www.chinawebshop.ru

2. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. -М. Транспорт 2000. - 320 с.

3. SMD5050 Technical Data Sheet YETDA INDUSTRY LTD, 2007. - 8 рр.

4. U2043B Technical Data Sheet TELEFUNKEN Semiconductors, 1997.-6 рр.

5. http://www.ledengin.com

6. Van N. Tran, An Dang. LED operation guidelines for LZ LED products на сайте www.ledengin.com

7. http://www.nsc.com, http://www.irf.com, http://www.zetex.com

8. LM3404/04HV 1.0A Constant Current Buck Regulator for Driving High Power LEDs. Technical Data Sheet National Semiconductor Corporation, 2007, 23рр.

9. LM3421/23 N-channel controllers for constant current LED drivers. Technical Data Sheet National Semiconductor Corporation, 2009, 25 рр.

10. LM3406/06HV 1.5 A constant current buck regulator for driving high power LEDs. Technical Data Sheet National Semiconductor Corporation, 2009, 25рр.

11. MBI6651 step-down 1 A LED driver. Technical Data Sheet Macrobloc Corporation, 2009, 24 pp

Автор: Вадим Яковлев (г. Самара)

Источник: Ремонт и сервис