Automotív ledvilágítási rendszerek megvalósítási stratégiái

A ledek és vezérlésük fejlődésével az automotív gyártók egyre inkább „leválnak” a hagyományos halogén izzók és más izzószálas világítóeszközök alkalmazásáról. A háttérvilágítás, az irányjelző, a fényszóró, a ködlámpa, a hátsó világítás és féklámpa, sőt a vezetéstámogató rendszerek infravörös fényforrásai is ledes megoldásokra találnak. A jobb fényvezérlés, a nagyobb megbízhatóság, a kisebb fogyasztás, a sajátos új formavilág is a ledek fokozott alkalmazására csábít. Az új fényforrások azonban az előnyök teljes kiaknázásához új szabályozási és áramköri megvalósításokat igényelnek.

Az új járműformatervek több fényforrást tartalmaznak, mint bármikor valaha. A belső világítás, a kijelzők háttér-megvilágítása, az irányjelzők (1. ábra), a tompított fény és a fényszóró, a ködlámpák, a helyzetjelzők, a hátsó világítás és a féklámpák, a körvonalakat hangsúlyozó, dizájnelemként használt fény, de még az automatizált vezetéstámogató rendszerek (Automatic Drive Assistance System – ADAS) infravörös fényforrásai is az alkalmazott fényforrások számát növelik.

1. ábra A visszapillantó tükör házába épített ledes irányjelző javítja a láthatóságot

Az utastérben a ledes világítás felváltja az izzólámpákat, és mindez a méret, az ár, a hatások és a tartósság szempontjából előnyökkel jár. A legújabb ledtechnológiai fejlesztések és a nagy fényességű ledek modern meghajtó áramkörei egyaránt ezt a trendet gyorsítják, biztonságosabbá, megbízhatóbbá és esztétikusabbá téve ezzel a gépjármű-világítást. Az utastér belső világítását és a kijelzők háttérvilágítását ledesre átalakítani aránylag egyszerűen végrehajtható döntés volt, de a kritikus, hatóságilag kötelező, szigorúan specifikált külső világítás csak a diódák és vezérlő áramköreik jelentős technológiai fejlődésével vált lehetségessé (sőt, néhány esetben magát a hatósági szabályozást is meg kellett változtatni, hogy a ledvilágítás alkalmazhatóvá váljon). Az újszerű, intelligens vezérlőrendszerekkel teljesen új ledes megoldásokra nyílik lehetőség, amely gyors ütemben forradalmasítja az autók külső világítását. Ez a trend a 2004-es Audi A8 nappali helyzetjelzőivel kezdődött. A 2007-es Audi R8-ban már teljesen ledes megoldású első lámpatest jelent meg. Jelenleg pedig, hogy csak néhányat említsünk – számos autómárkánál (Cadillac, Audi, BMW, Mercedes Benz, Toyota Jaguar és Volkswagen) már a teljes első világításnál ledes fényforrásokat alkalmaznak. (2. ábra). Az Osram nemrég publikálta azt a piaci előrejelzést, hogy 2020-ig minden öt autóból egynek az első világítása ledes megoldású lesz, amely a gépjárműipari szabványok nagyon gyors alkalmazkodását követeli meg. Jelentős előnyöket kínál a ledek alkalmazása a halogén- és a nagy fényerejű gázkisüléses (High Intensity Discharge – HID) fényforrásokkal szemben, a nagy fényességű ledek ára gyorsan csökken, megbízhatóságuk pedig összehasonlíthatatlanul jobb. Mindezeken túl a ledek elfogadottságának egyik legfontosabb hajtóereje a vezérelhetőség, amelyhez viszont intelligens ledvezérlő áramkörökre van szükség.

2. ábra A ledes kialakítású első lámpatest függetlenül vezérelhető fényfüzérei számos világítási funkció megvalósítására alkalmasak

Végére hagytuk a sok autóvásárló számára legfontosabb szempontot, hogy a világítás ne csak jó, hanem esztétikus is legyen. A világítás egyfelől az autó fontos dizájneleme, másfelől azonban a fogyasztó érdeklődését jelentősen csökkenti a gyenge világítás, és növeli, ha az jó színvonalon van megoldva. Ez a vásárlók kifejezett elvárása, ami abban is lemérhető, hogy sokszor hajlandók felárat fizetni a jobb világítást adó „extrákért”. A különleges minőségű (premium) első világítás ma egy szokásos, „kategóriajavító” opció az új autók vásárlásakor és a már használatba vett autó későbbi módosításai területén egyaránt. Ez a jármű megjelenésén kívül az észlelhetőségére, a vezethetőségére és biztonságára is kihat. Az autógyártók felismerték ezt, és a világítási megoldásokra helyeződik az autógyártók és az alkatrészgyártók fejlesztési erőfeszítéseinek súlypontja is. A Hella, az Automotive Lighting (Magneti Marelli), a Koito és a Valeo cégeknek az utóbbi fél évben kiadott sajtótájékoztatói szinte kivétel nélkül az autóvilágításra koncentrálnak. A biztonság, a megbízhatóság és az esztétikai vonzerő növekedése egyaránt azt jelzi, hogy a ledes járművilágítás alkalmazása jelentős „hozzáadott értéket” képvisel, egyaránt növeli az eladási számokat és az értékesítési átlagárat.
A hatósági szabályozás és a törvényhozás egyaránt különös érdeklődést mutat a járművek külső világítása iránt. A világ legtöbb részén a külső világítóeszközök számát, fényességét és színét jogszabállyal határozzák meg. Az út- és megvilágítási viszonyokhoz mérten túl fényes fényforrások káprázási problémákat okozhatnak, a halvány vagy hibás külső fényforrások a közlekedésbiztonsági kockázatot növelik. Általánosságban az érvényes jogszabályok megjelölik azokat a fényességtartományokat, amelyek határai közt kell tartani a nappali helyzetjelző, a tompítottfény, a fényszóró, az irányjelző, helyzetjelző és ködlámpák, valamint a hátsó világítás és a féklámpa fényességét. Jogszabályok határozzák meg azt is, melyik világítási módot milyen körülmények között szabad (illetve kell) használni, beleértve azt is, hogy a fényekkel a szembejövő forgalomhoz kell alkalmazkodni, valamint azt a sebességet, amely felett a helyzetjelző fényeket be kell kapcsolni. Ez a tervezési követelmények olyan szövevényét jelenti, amelyet hagyományos halogén vagy HID-lámpatestekkel gyakran csak úgy lehet kielégíteni, ha az egyes funkciókhoz külön lámpatestet rendelünk, esetleg motorokkal mozgatjuk a világítótestet, vagy vezérelhető árnyékolókkal változtatjuk a fénykibocsátás irányát. Ezzel szemben a ledes fényforrások rendszere ezeknek a követelményeknek egyszerűbben tud megfelelni, ha jól tervezett, intelligens funkciókra is alkalmas, állandó áramú vezérlő áramkörökkel hajtjuk meg azokat. A jó ledmeghajtó áramkörök „újrahasznosíthatók”, azaz elektronikus megoldásuk több termékben is alkalmazható. Az első lámpatestbe épített mikrokontroller a led-meghajtóáram kompenzációjához információt adhat a fény- és a hőmérséklet-érzékelők által mért adatokról, gondoskodhat az állandó áramú meghajtás kompenzációjáról, állandó értéken tarthatja a fénykibocsátást, vagy szükség szerint módosíthatja a sugár fókuszálását vagy a fényforrás fényességét a változó vezetési feltételekhez alkalmazkodva.
Az első lámpatestbe épített, egymástól függetlenül vezérelhető ledek szükség szerint be- és kikapcsolhatók, vagy fényességük változtatható annak érdekében, hogy a kanyarodó jármű pályájához igazítsa a világítást, továbbá megelőzze a szembe jövő jármű vezetőjének elvakítását – és mindezt egyetlen mozgó alkatrész nélkül. Ezenkívül a féklámpa, a vészvillogó és az irányjelző időzítését vagy a villanások idősorrendjét úgy tudja módosítani, hogy a jelzés feltűnőbb, felismerhetőbb legyen. És végül, de nem utolsósorban a helyesen tervezett ledvilágítás gyakorlatilag késleltetés nélkül kapcsolható be és ki (összehasonlítva azzal a 250 ms-os késleltetéssel, amíg egy hagyományos izzólámpa fényessége növekszik a maximumra). Kétségtelen, hogy ma még várat magára annak pontos értékelése, hogy ezek a változások hosszú távon milyen mértékben csökkentik a járműbalesetek kockázatát, de az eddigi tapasztalatok biztatóak. Mindezek a változások kivétel nélkül arra a következtetésre vezetnek, hogy a járműiparnak jó minőségű ledekből álló, célszerű elrendezésekre és nagy pontosságú, „címezhető”, intelligens meghajtó áramkörökre van szüksége. A Microchip dsPIC^® digitális jelfeldolgozó mikrovezérlője (Digital Signal Controller – DSC) negyon jól megfelel ezeknek a követelményeknek. Az áramköri megvalósítás minősége, az alkalmazott algoritmusok és az alkatrészválasztás különbözteti meg a „nyertes” világítástechnikai termékeket a többiektől.

A ledek „veleszületett” megbízhatósága is jelentős előny a korábbi generációs világítástechnikai megoldásokhoz képest. Mivel néhány ledgyártó azt garantálja, hogy termékeinek átlagos élettartama meghaladja a 20 évet, feltételezhető, hogy a belőlük felépített járművilágítási eszközöket nem kell cserélni a jármű teljes élettartama alatt. A gyárilag beépített fényforrások élettartama hasonló lehet a hajtásláncéhoz, és ez idő alatt nem igényelnek karbantartást. A ledalapú világítási rendszerek megbízhatósága ráadásul tervezett módon tovább növelhető. Ha például egy féklámpába vagy hátsólámpába több, egymástól független ledfüzért építünk be, ez költséghatékonyan valósítja meg a redundanciát egyetlen lámpatesten belül. Ugyanis ha az egyik ledfüzér megsérül vagy meghibásodik, az csak a kibocsátott fénymennyiség csökkenését okozza, de a lámpatest továbbra is ellátja fontos biztonsági funkcióját (3 ábra). Ráadásul egy korszerű meghajtó-elektronikának lehetnek hibajelentő funkciói is, tehát a fényforrás állapotáról visszajelzés jeleníthető meg a műszerfalon, és/vagy a hibaállapot beíródhat a járműszervizben kiolvasható diagnosztikai naplófájljába. Ha a fényrendszer részegységei CAN, LIN vagy hasonló fedélzeti kommunikációs buszrendszerre csatlakoznak, a jármű vezérlése figyelmeztetheti a vezetőt, ha valamelyik világítótest nem működik megfelelően. (A Microchip a CAN- és a LIN-adóvevők és az ilyen buszokon kommunikálni képes mikrovezérlők széles választékát kínálja). Ez nem új ötlet, mivel a „CAN-busz kompatibilis” világítótestek már jó ideje elérhetők bizonyos autótípusokhoz. Ám a régebbi rendszerek csak a funkcionalitás jelentősebb változásainak felismerésére képesek, ezért a hatékony, kis fogyasztású csereégők gyakran okoznak hamis hibajelzéseket. Ezzel ellentétben az intelligens ledvezérlőkkel lehetséges a durva hibák egyszerű felismerésénél „tartalmasabb” diagnosztikai jelentésekhez jutni. 

3. ábra Ledes hátsó lámpatest, a megnövelt megbízhatóság érdekében alkalmazott redundáns fényforrásokkal

A világítási rendszer alkalmas arra is, hogy költséghatékonyan adjon részletes telemetriai adatokat az áram- és feszültségértékeknek a névlegestől való eltéréseiről. Ezeket a diagnosztikai adatokat értékelve meghibásodások jelezhetők előre azok tényleges bekövetkezése előtt. Még olyan kis változás kimutatására is lehetőség van, amit egy hosszú ledfüzér egyetlen ledjének zárlata okoz.
Az említett diagnosztikai képességek helyes tervezése érdekében a ledmeghajtó és felügyeleti áramköröknek (legalább) ugyanolyan megbízhatóknak kell lenniük, mint amilyenek az általuk vezérelt ledek. Gyakran a ledes világítási rendszer több alkatrészből áll, mint az az izzólámpás megoldás, amit helyettesít. Ahhoz, hogy a ledvilágítás kiszolgálhassa a led teljes élettartamát, helyesen tervezett meghajtó áramkörrel kell vezérelni – olyannal, amely mindenféle működési körülmények között jó minőségű áramszabályozást biztosít. A kiemelkedően jó fényminőség és megbízható működés érdekében a meghajtó áramkörnek kompenzálnia kell a hőmérséklet, a bemeneti feszültség és a terhelő-ellenállás változásainak hatását, minden körülmények között fenntartva az állandó kimeneti áramot. Minden újabb alkatrész, amit a rendszerbe beépítünk, újabb meghibásodási lehetőséget visz a rendszerbe. Annak érdekében, hogy egy hátsólámpa 20 évig működőképes maradjon, a ledeken kívül a ledmeghajtónak is 20 évig működnie kell. Az ilyen szintű szabályozási minőség és tartósság nem érhető el egyszerű előtét-ellenállások használatával. A világítási rendszerek hosszú élettartama érdekében pontosan szabályozott DC/DC-konvertereket kell felhasználni olyan gyártóktól, amelyek bizonyítottan automotív minőségű termékeket gyártanak. A Microchip termékei közt megtalálható néhány digitálisan feljavított analóg impulzusszélesség-modulátor (Pulse Width Modulator – PWM), például az MCP19115, amely ipari minőségű áramszabályozásra alkalmas, és beépített, digitális kommunikációs interfésszel is rendelkezik. Megfelelő tervezés esetén a világítási rendszer minden eleme teljesíti a hosszú termék-élettartamra vonatkozó következő követelményeket: magas megbízhatóságú alkatrészek, redundancia és felügyelhetőség.

A biztonság és megbízhatóság bizonyára nagyon kívánatos jellemzők, és ha az autóvásárlók hiányosságokat látnak e területeken, az gyakran ok arra, hogy ne vásároljanak meg egy autót. Kerülik az olyan márkákat vagy modelleket, amelyeknek a biztonságát vagy megbízhatóságát nem ítélik megfelelőnek, és a többi, „elfogadhatónak” tekintett járművek közül választanak. Azonban egy szép tervezésű világítási rendszer megkülönböztetett esztétikai megjelenést adhat egy autónak, és ez megragadhatja a kényes ízlésű vásárló figyelmét. A jól tervezett első lámpatest jelentős vonzerőt adhat egy felső és egy alsó kategóriás autónak is. És ami a legfontosabb: a vásárlók fizetni is hajlandóak az ilyen tulajdonságokért. Az utólag felszerelhető lámpatestek a leggyakoribb kiegészítők, akár mint fényszórók egy terepjárón (amely talán sosem hagyja el a szilárd burkolatú utat), vagy mint ködlámpák egy luxuskocsin (amelyet talán sohasem fognak ködben vezetni). Akárhogy is, a külső világítás vizuális vonzereje legalább olyan fontos, mint a belső kialakításé. Függetlenül minden biztonsági, megbízhatósági, ár és tartóssági szemponttól, a sok autótulajdonos számára az autó legalább annyira az egyéniségük visszatükröződésére szolgál, mint amennyire betölti a biztonságos szállítóeszköz szerepét. Az érzelmekre ható vonzerő „eladja” az autót, és a jól vezérelt ledek látványosan elhelyezett füzérei (még sötétben is) képesek felkelteni ezeket az érzelmeket. Manapság még vannak autógyártók és első szintű beszállítók, akiket aggaszt járműveik megnövelt „félvezető-tartalmának” járulékos költsége, de a valóság az, hogy a legtöbb elektronikusan megvalósított szolgáltatás sokkal nagyobb értéknövelő tényező, mint amibe a megvalósítása kerül. 

Az automotív külső világítás különösen jól illeszkedik a led-technológia alkalmazásához. A régebbi halogén és HÍD-rendszerek nem képesek a ledekéhez hasonló flexibilitásra, hogy támogathassák a korszerű formatervezési elgondolásokat, vagy eleget tegyenek a jövőbeli biztonsági elvárásoknak. A precízen szabályozott, állandó áramú DC/DC-átalakítók – néha mikrokontrolleres intelligenciával is kombinálva – jól felhasználhatók bármilyen járműfény megvalósítására az egyszerű hátsólámpától a legfejlettebb, szegmentált első fényszóróig. A jövőbeli világítási megoldások – a most feljövőben levő ledalapú kialakításoktól az új, lézeralapú rendszerekig egyben a jövő intelligens járművei felé vezető út állomásai is. Az akadályok azonosítása, amelyet ezek a világítási megoldások is támogatnak, újabb lépések az automatizált járművek megvalósításában. De fontos lehetőség is egyben az autóipar számára, hogy növelje a járművek biztonságát és megbízhatóságát, javítsa esztétikai megjelenését, és végeredményben emelje termékeinek használati értékét.

(Megjegyzés: a dsPIC a Microchip Technology cégnek az Amerikai Egyesült Államokban és más országokban bejegyzett védjegye. Minden más – e cikkben említett – védjegy az említett cégek tulajdona.)

Fionn Sheerin, vezető termékmenedzser – Microchip Technology Inc., Analog & Interface Products Division

www.microchip.com

Még több Microchip