Τα πάντα για την τεχνολογία φωτιστικών σωμάτων!

AT110230

Ας ρίξουμε… λίγο φως στα σύγχρονα συστήματα φωτισμού, από τους λαμπτήρες αλογόνου μέχρι τα τεχνολογίας LED!

Ένα από τα σημαντικότερα συστήματα στο αυτοκίνητο είναι το ηλεκτρικό. Ειδικά στο σύγχρονο αυτοκίνητο αισθητήρες και ενεργοποιητές απαιτούν ηλεκτρική ενέργεια για να λειτουργήσουν η οποία όταν ο κινητήρας λειτουργεί προέρχεται από την γεννήτρια (δυναμό) φορτίζοντας παράλληλα την μπαταρία. Τα επιμέρους κυκλώματα που περιλαμβάνει το ηλεκτρικό σύστημα είναι:

α) το κύκλωμα ανάφλεξης (για τους σπινθηριστές, το κύκλωμα αυτό δεν υπάρχει στα πετρελαιοκίνητα)
β) το κύκλωμα φόρτισης (ρυθμίζει την τάση και την φόρτιση της μπαταρίας)
γ) το κύκλωμα εκκίνησης (την μίζα ή τα συστήματα start/stop)
δ) το κύκλωμα βοηθητικών συστημάτων (κλιματισμός, υαλοκαθαριστήρες, πίνακας οργάνων, ηχοσύστημα, βεντιλαντέρ κ.α.)
ε) το κύκλωμα φωτισμού (φωτιστικά σώματα, φλας κ.α.). Σε αυτό το άρθρο θα αναφερθούμε στην  τεχνολογία των φωτιστικών σωμάτων…

Λίγο πριν ξεκινήσουμε, λίγο φυσική…

colour-temperature-mercedes-for-ledΦωτεινές πηγές => Είναι σώματα εκπομπής θερμοκρασίας που παράγουν φως μέσω της θερμότητας. Αυτό σημαίνει πως όσο περισσότερο θερμαίνεται μία φωτεινή πηγή τόσο αυξάνεται η ένταση της φωτεινότητας.

Φωτεινή ροή [Φ] => Μονάδα μέτρησης: Lumen [lm] => Εκφράζει την φωτεινότητα που εκπέμπει μία πηγή.

Ένταση φωτεινότητας [Ι]  => Μονάδα μέτρησης: Candela [cd] => Εκφράζει την ένταση της φωτεινής ροής προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση.

opel-meriva-headlightΕπιφανειακή ένταση [Ε] => Μονάδα μέτρησης: Lux [lx] => Εκφράζει την επιφανειακή αναλογία της προσπίπτουσας σε μία επιφάνεια. Για παράδειγμα 1 lx αντιστοιχεί σε 1 lm όταν φωτίζει επιφάνεια 1 m2.

Φωτεινότητα [L] => Μονάδα μέτρησης: Candela ανά m2 [cd/ m2] => Εκφράζει την λάμψη με την οποία αντιλαμβάνεται το ανθρώπινο μάτι από μία αυτόφωτη ή ετερόφωτη επιφάνεια.

Φωτεινή απόδοση [h] => Μονάδα μέτρησης: Lumen ανά Watt [lm/W] => Εκφράζει τον βαθμό απόδοσης όπου μας δείχνει πόση ηλεκτρική ενέργεια μετασχηματίζεται σε φως.

color-temperature-scaleΘερμοκρασία χρώματος [Κ] => Μονάδα μέτρησης: Kelvin [K] => Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία της φωτεινής πηγής τόσο μεγαλύτερο είναι το ποσοστό μπλε στο φάσμα χρωμάτων και τόσο μικρότερο το κόκκινο. Μία λυχνία με ζεστό λευκό χρώμα έχει θερμοκρασία περίπου 2.000 – 2.700 K ενώ μία λυχνία εκκένωσης αερίου με 4.250 Κ παράγει ψυχρό λευκό το οποίο είναι πιο κοντά στην θερμοκρασία του φωτός ημέρας (περίπου 5.600 K).

Τύποι λαμπτήρων…

lights-typesΑπλός λαμπτήρες πυρακτώσεως =>Είναι ο πιο απλός τύπος λαμπτήρα με την χαμηλότερη απόδοση και διάρκεια ζωής. Αποτελείται από ένα εξαιρετικά λεπτό μεταλλικό στοιχείο (συνήθως από βολφράμιο) το οποίο εκπέμπει φως όταν στα άκρα του υπάρχει ηλεκτρική τάση. Επειδή το στοιχείο φθείρεται από την θερμότητα (φανταστείτε μια μικρή αντίσταση που δεν υπερθερμαίνεται επειδή την ψύχει το αέριο αργό) όσο μεγαλύτερη είναι η ισχύς μία λάμπας πυρακτώσεως τόσο μικρότερη είναι η διάρκεια ζωής.

Λόγω της υπερβολικής κατανάλωσης ο συγκεκριμένος τύπος λαμπτήρα αποσύρεται βάση ευρωπαϊκής οδηγίας και θα έχει καταργηθεί εντελώς μέσα στο 2012 (στα νοικοκυριά αντικαθίσταται από λάμπες φθορίου που έχουν μικρότερη κατανάλωση, μεγαλύτερη αντοχή, ζεσταίνονται λιγότερο. Περιέχουν μίγμα αερίου υδράργυρου και neon το οποίο όταν διεγείρεται ηλεκτρικά παράγει φως).

comparison-halogen-bulb-vs-xenonΛαμπτήρες αλογόνου => Αποτελούν την εξέλιξη των απλών λαμπτήρων πυράκτωσης. Είναι ιδανικές λόγω απλότητας, κόστους και διάρκειας ζωής η οποία είναι περίπου διπλάσια από αυτή των απλών πυράκτωσης (περίπου 500-700 h συνεχούς λειτουργίας). Ονομάζονται και λαμπτήρες ιωδίου-χαλαζία επειδή στο εσωτερικό τους υπάρχει αδρανές αέριο και ατμοί ιωδίου ή βρωμίου (το νήμα είναι και εδώ από βολφράμιο).

Επειδή παράγουν υψηλή θερμοκρασία το κρύσταλλο του λαμπτήρα είναι από χαλαζία. Και εδώ όμως ισχύει πως ότι κερδίζουμε σε φωτεινότητα το χάνουμε σε διάρκεια ζωής. Επίσης, υπάρχουν και οι αλογόνου με γαλάζια επικάλυψη οι οποίες παράγουν ακόμη καλύτερο φως (έως 4.000 K) σε σχέση με τις απλές αλογόνου.

bi-xenon-moduleΛαμπτήρες Xenon => Ονομάζονται και HID (High Intensity Discharge), διαθέτουν πολύ καλύτερα χαρακτηριστικά από τις αλογόνου αλλά είναι ακριβότερες σαν λύση. Η αρχή λειτουργίας των λαμπτήρων υψηλής εκκένωσης βασίζεται στο γνωστό «φωτοβολταϊκό» τόξο (ηλεκτρική εκκένωση). Συγκεκριμένα, το σύστημα αποτελείται από ένα κύκλωμα υψηλής τάσης (έως 23 kV) όπου οι ειδικές λυχνίες περιέχουν αέριο ξένον (Xenon). Η εκκένωση και μεταφορά του ρεύματος ανάμεσα στις ακίδες βολφραμίου παράγει φως στο ιονισμένο περιβάλλον από ξένον.

xenon-ballastΓια την αρχική εκκένωση δημιουργείται διαφορά τάσης περίπου 20.000-23.000 V (μέσω πολλαπλασιαστή, γνωστό ως ballast, παράγει μέσα σε 0,2 sec στιγμιαία τάση έως 30 kV, προσοχή στην αποσύνδεσή του κατά την επισκευή) η οποία μετέπειτα μειώνεται στα 85 V με την κατανάλωση να κυμαίνεται περίπου στο μισό των λαμπτήρων αλογόνου. Χαρακτηριστικό είναι η καλή ένταση φωτεινότητας, το μεγάλος εύρος δέσμης και η εξαιρετική θερμοκρασία χρώματος που προσομοιώνει το φως της ημέρας (εξού και το χαρακτηριστικό διαυγές λευκό φως).

CLSΤα φώτα Xenon συνοδεύονται από ειδικό κιτ που περιλαμβάνει ανορθωτή τάσης ώστε να δημιουργηθεί η εκκένωση (που δεν είναι εφικτή με τα απλά φωτιστικά σώματα των 12V). Στο εμπόριο κυκλοφορούν και ψευδό-Xenon λαμπτήρες που δεν είναι αλογόνου με προσθήκη ευγενών υλικών για καλύτερη φωτεινότητα. Λόγω της μεγαλύτερης έντασης φωτεινότητας η ευρωπαϊκή νομοθεσία προβλέπει αυτόματο σύστημα ρύθμισης της δέσμης των σωμάτων. Στους Bi-Xenon λαμπτήρες η μεσαία και μεγάλη σκάλα προβάλλονται από μία μονάδα και απαιτείται μία μονάδα ballast με αποτέλεσμα την συνδυασμένη απλωμένη φωτεινότητα της δέσμης και καλύτερο οπτικό πεδίο.

Διαβάζοντας ένα λαμπτήρα…

automotive-light-bulb-standartsΒάση των προδιαγραφών ECE-R37 ή R99 οι λαμπτήρες φέρουν στην βάση τους διάφορους κωδικούς και στοιχεία:

=> To όνομα του κατασκευαστή

=> Η προβλεπόμενη τάση λειτουργίας βάση κανονισμού 37 φαίνεται με 6, 12 ή 24 V (η μονάδα μπορεί και να απουσιάζει).

=> Η1, Η4, Η7, P21, W αντιπροσωπεύει την κατηγορία ισχύος π.χ. 55 W.

=> Ε1 αντιπροσωπεύει την χώρα κατασκευής και έκδοσης έγκρισης π.χ. το «1» αντιστοιχεί στην Γερμανία.

=> DOT σημαίνει πως ο λαμπτήρας είναι συμβατός και για την αμερικάνική αγορά.

=> U αντιστοιχεί στις UV λάμπες που χρησιμοποιούνται σε σώματα με πλαστικά καλύμματα.

Αξίζει να σημειωθεί πως κατά την αλλαγή ενός λαμπτήρα ποτέ δεν πρέπει να τον πιάνουμε από το κρύσταλλο καθώς υπάρχει περίπτωση τα δακτυλικά αποτυπώματα να καούν και να αφήσουν στίγματα μειώνοντας την φωτεινότητα. Επίσης, αν ένα στοιχείο Xenon σπάσει σε κλειστό χώρο απαιτείται εξαερισμός λόγω των επιβλαβών αερίων (εκτός από τους D3 και D4 που δεν περιέχουν μόλυβδο).

Φωτιστικά σώματα, η αρχιτεκτονική…

automotive-rear-lights

automotive-headlights-module-reflectorsΈνα από τα βασικότερα στοιχεία σε ένα φωτιστικό σώμα είναι ο ανακλαστήρας (reflector) ο οποίος συγκεντρώνει την φωτεινότητα και την κατευθύνει προς τον δρόμο. Υπάρχουν διάφοροι τύποι ανακλαστήρων ανάλογα με τις απαιτήσεις και τις προδιαγραφές του κατασκευαστή. Παλαιότερα το υλικό κατασκευής ήταν φύλλα από χάλυβα αλλά σήμερα η ανάγκη για μικρότερο βάρος, νέα σχεδίαση, ποιότητα κ.α. έχει καθιερώσει τα θερμοπλαστικά ενώ σε ακριβότερα σώματα συναντάμε επίστρωση αλουμινίου ή μαγνησίου. Τα διάφανα καλύμματα των σωμάτων που προστατεύουν το λαμπτήρα από το περιβάλλον είναι κατασκευασμένα συνήθως από κρύσταλλο αν και η χρήση καθαρού πολυμερούς υιοθετείται όλο και περισσότερο.

LED*, η αρχή λειτουργίας…

led-technology-1LED, η αρχή λειτουργίας => Τα αρχικά L.E.D. προέρχονται από τις λέξεις Light Emitting Diode (Δίοδος Εκπομπής Φωτός ή Φωτοδίοδος). Η αρχή λειτουργίας βασίζεται στην παραγωγή φωτός  από μια επαφή P-N όταν αυτή διαρρέεται από ρεύμα.  Για να δούμε τι είναι η επαφή P-N θα πρέπει να ξεκινήσουμε από τη διάκριση των υλικών σε σχέση με την αντίσταση που εμφανίζουν στη ροή του ρεύματος.

Τα υλικά διακρίνονται σε αγωγούς ( γενικά τα μέταλλα,  ο υδράργυρος) τα οποία και επιτρέπουν την διέλευση του ρεύματος, τους μονωτές (γενικά τα πλαστικά, το ξύλο) που δεν επιτρέπουν τη διέλευση του ρεύματος, και τους ημιαγωγούς οι οποίοι και επιτρέπουν υπό προϋποθέσεις τη διέλευση του ρεύματος.

Οι  καθαροί ημιαγωγοί είναι στοιχεία της 4ης ομάδας του περιοδικού συστήματος με κυριότερους εκπροσώπους το πυρίτιο (Si) και το γερμάνιο (Ge). Τα στοιχεία αυτά δεν χρησιμοποιούνται στην καθαρή τους μορφή αλλά υπόκεινται σε «εμπλουτισμό» με τρισθενή στοιχεία σχηματίζοντας τους ημιαγωγούς τύπου P ή πεντασθενή στοιχεία σχηματίζοντας τους ημιαγωγούς τύπου Ν.

Η επαφή P-N προκύπτει από τον συνδυασμό των προαναφερθέντων ημιαγωγών και πρόκειται για την γνωστή «δίοδο»,  ή αλλιώς «κρυσταλλοδίοδο» ή «δίοδο στερεάς κατάστασης». Συνδυασμός τριών στρωμάτων P-N-P  ή N-P-N δίνει τα «τρανζίστορ».  Χαρακτηριστικό της διόδου είναι ότι έχει «πολικότητα» δηλαδή επιτρέπει τη διέλευση του ρεύματος μόνο κατά τη μία φορά. Η LED είναι και αυτή μία δίοδος κατασκευασμένη από  ημιαγωγούς P και N ειδικής σύστασης  (τα στοιχεία που χρησιμοποιούνται είναι μεταξύ άλλων το Ίνδιο, το Αρσενικό, το Γάλλιο κ.λ.π.) από την οποία και εξαρτάται η απόδοση και το χρώμα της.

led-optics-automotiveΤα LED διατίθενται σε διαφορετικά σχήματα, μεγέθη και χρώματα. Η κλασική εκδοχή είναι κυλινδρική και ημισφαιρική στο άκρο της. Ένα τυπικό LED αποτελείται από το τσιπ, τον ανακλαστήρα (θετική επαφή, ανόδιο),  το επιχρυσωμένο νήμα (αρνητική επαφή, καθόδιο) και το πολυμερές σώμα που συνδυάζει και συγκρατεί τα παραπάνω στοιχεία.

Όταν μία LED πολώθεί «ορθά» δηλαδή θετική τάση εφαρμόζεται στην άνοδο (P) τότε επιτρέπεται η διέλευση ρεύματος και  απελευθερώνεται ενέργεια στην μορφή φωτεινής ακτινοβολίας. Να σημειωθεί πως τα LED έχουν τάση λειτουργίας μεταξύ περίπου 1,7 volt και 4 volt η οποία και εξαρτάται από τα υλικά κατασκευής. Μια απευθείας σύνδεσή τους στο ηλεκτρικό σύστημα του αυτοκινήτου που λειτουργεί στα 12 volts θα τα κατάστρεφε άμεσα γιατό και η συνήθης πρακτική σύνδεσης είναι να συνδέοντα σε σειρά πολλαπλασιάζοντας την τάση λειτουργίας της συστοιχίας και  σε κάθε περίπτωση να γίνεται περιορισμός του ρεύματος, στην απλή περίπτωση μέσω μιας αντίστασης.

led-advantagesΗ διάρκεια ζωής των LED υπολογίζεται στις 100.000 h. Πέρα από την μεγάλη διάρκεια ζωής στα πλεονεκτήματα των LED περιλαμβάνονται η μικρή κατανάλωση, η αντοχή τους σε κραδασμούς, δεν έχουν υδράργυρο ή άλλα επιβλαβή στοιχεία, προσαρμόζονται εύκολα, είναι μικρά σε μέγεθος, έχουν χαμηλό κόστος παραγωγής κ.α. Σημειώστε πως ένα από τα μεγάλα πλεονεκτήματα της LED είναι η άμεση παραγωγή φωτός.

Οι υψηλής ισχύoς LED δυστυχώς χάνουν κάποια από τα πλεονεκτήματά τους για χάρη της υψηλής υσχύως. Η διάρκεια ζωής τους μειώνεται όσο αυξάνει η ισχύς και σε κάποιες περιπτώσεις πέφτει ακόμα και στις 50.00 h. Επίσης σημαντική παρενέργεια είναι η αύξηση της θερμοκρασίας τους που κάνει επιτακτικούς τους μηχανισμούς ψύξης συνήθως στη μορφή των αλουμινένιων ψυκτών. Η αντικατάσταση των απλών λαμπών από λάμπες με LED. δεν είναι  πάντα απλή υπόθεση. Η ένταση του φωτός που παράγουν οι LED. δεν είναι πάντα όσο και αυτή των απλών λαμπών πυράκτωσης ενώ υπάρχει περίπτωση δυσλειτουργιών λόγω της χαμηλής κατανάλωσης ρεύματος των LED.

* Το caroto.gr ευχαριστεί θερμά το μέλος Komitis για την ανάλυση στις LED

Ιστορικό LED…

audi-a8-led-lightning-combination

  • 1907 O Henry Joseph Round ανακαλύπτει το φυσικό φαινόμενο της ηλεκτροφωτοβολίας
  • 1921 Ο Ρώσος επιστήμονας Oleg Vladimirovich Losev πειραματίζεται με το ίδιο φαινόμενο
  • 1935 Ο George Destriau τυχαία ανακαλύπτει εκπομπή φωτός σε θειώδη ψευδάργυρο και το φαινόμενο το αποκαλεί «Losev light».
  • 1951 Η πρόοδος στους ημιαγωγούς σε συνδυασμό με την εξέλιξη των τρανζίστορ βελτιώνει την φωτεινότητα
  • 1957 Όταν το αρσενίδιο του γαλλίου (GaAS) και το φωσφορούχο γάλλιο (GaP) τα διαπερνά ρεύμα εκπέμπεται κόκκινο φως.
  • 1962 To πρώτο φωτεινό στοιχείο τύπου GaAsP είναι διαθέσιμο.
  • 1971 Tα LED είναι πλέον διαθέσιμα σε πράσινο, πορτοκαλί και κίτρινο φως.
  • 1992 O Shuji Nakamura χρησιμοποιεί καρβίδιο σιλικόνης  (SiC) για να δημιουργήσει γαλάζιο φως. Το φάσμα χρωμάτων διευρύνεται.
  • 1992 To πρώτο LED σε αυτοκίνητο τοποθετείται στο 3ο στοπ.
  • 1993 Δίοδοι InGaN με γαλάζιο και πράσινο χρώμα είναι διαθέσιμοι.
  • 1995 To πρώτο LED με λευκό χρώμα με μετασχηματισμό της φωτοβολίας.
  • 2000 Πίσω φωτιστικά LED σε Cadillac DeVille.
  • 2004 Εμπρός προβολείς LED σε Audi A8 W12.
  • 2006 To Audi R8 και το Lexus LS 600h είναι από τα πρώτα μοντέλα παραγωγής με πλήρως φωτιστικά LED.
Ετικέτες

Nίκος Ι. Mαρινόπουλος

Πρόκειται για τον δημιουργό και συντονιστή του καρότου με τις περισσότερες τεχνολογικές βιταμίνες σε όλον τον κόσμο!

Σχόλια

    1. Καλησπέρα Μάνο, στην συγκεκριμένη περίπτωση ο ορισμός «φωτοβολταϊκού» χρησιμοποιείται για να δώσουμε έμφαση πως παράγεται φωτεινότητα. Εννοειται πως δεν σχετίζεται με την τεχνολογία των φωτοβολταικών συστημάτων P/V. Ευχαριστούμε για την παρατήρηση και για μην υπάρχουν παρερμηνεύσεις θα θέσω τον χαρακτηρισμό εντός εισαγωγικών 🙂

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *

Back to top button
Close
Close