Расчет светодиодов для автомобильных светосигнальных приборов: методика и рекомендации

Как правильно рассчитать количество светодиодов для автомобильных фонарей. Какие факторы влияют на световой поток светодиодов в фонарях. Как учесть тепловой режим при расчете светодиодного освещения. Какие нормативные требования предъявляются к автомобильным светосигнальным приборам.

Нормативные требования к световому потоку автомобильных светосигнальных приборов

При проектировании светодиодных автомобильных фонарей необходимо учитывать нормативные требования к их световому потоку. Основные параметры регламентируются правилами SAE в США и правилами ЕЭК в Европе и России.

Рассмотрим минимальные требования к световому потоку для основных типов светосигнальных приборов европейских автомобилей:

• Передние указатели поворота: 15,9-36,3 лм (в зависимости от расположения)
• Передний габаритный фонарь: 0,4 лм
• Стоп-сигнал: 11,8 лм (днем), 5,5 лм (ночью)
• Фонарь заднего хода: 15,2 лм
• Центральный повторитель стоп-сигнала: 3,1 лм
• Фонари дневного света: 37,8 лм

Как видим, требования существенно различаются для разных типов фонарей. Поэтому при расчете необходимо четко понимать назначение проектируемого светового прибора.

Факторы, влияющие на световой поток светодиодов в фонарях

При расчете количества светодиодов для автомобильного фонаря необходимо учитывать следующие ключевые факторы:

1. Потери светового потока в оптической системе фонаря. Как правило, используется только 12-25% создаваемого светодиодами потока.
2. Тепловой режим работы светодиодов. При нагреве кристалла светодиода его световая отдача снижается.
3. Рабочий ток светодиодов. От него зависит создаваемый световой поток.
4. Конструкция фонаря и способ размещения светодиодов. Влияет на тепловой режим.

Рассмотрим подробнее, как учесть эти факторы при проектировании.

Учет потерь светового потока в оптической системе

Для расчета реального светового потока источника света в фонаре ФREAL используется эмпирическая формула:

ФREAL = 1.25 * (ФSPEC / KΣ)

Где:

• ФSPEC — требуемый по спецификации световой поток фонаря
• KΣ — суммарный коэффициент пропускания оптической системы

Коэффициент KΣ рассчитывается как:

KΣ = KLENS * KGLASS * (1 — KFLUX)

Где:

• KLENS — коэффициент пропускания линз и рассеивателей (≈0,9 для красного света)
• KGLASS — коэффициент пропускания стекла (≈0,93 для вертикального)
• KFLUX — коэффициент потерь из-за неточности распределения потока (≈0,3)

Таким образом учитываются основные потери светового потока в оптической системе фонаря.

Влияние теплового режима на световой поток светодиодов

Температура p-n перехода (кристалла) светодиода оказывает значительное влияние на его световую отдачу. При повышении температуры световой поток снижается.

Для современных автомобильных светодиодов зависимость примерно экспоненциальная. Например, при нагреве кристалла до 100°C световой поток красного светодиода может снизиться на 35% относительно номинального значения при 25°C.

Поэтому крайне важно обеспечить эффективный теплоотвод от кристаллов светодиодов. Рекомендуется не допускать нагрева выше 80-90°C для обеспечения долговечности.

Тепловой режим светодиода описывается уравнением:

Tj = Ta + Rja * P

Где:

• Tj — температура перехода
• Ta — температура окружающей среды
• Rja — тепловое сопротивление «кристалл-среда»
• P — рассеиваемая мощность (≈ I*U)

Расчет теплового сопротивления конструкции фонаря

Тепловое сопротивление «кристалл-среда» Rja зависит от конструкции фонаря и способа монтажа светодиодов. Оно складывается из нескольких составляющих:

Rja = Rjc + Rcs + Rsa

Где:

• Rjc — сопротивление «кристалл-корпус» (указывается производителем)
• Rcs — сопротивление «корпус-радиатор»
• Rsa — сопротивление «радиатор-среда»

Для типовых конструкций автомобильных фонарей можно ориентироваться на следующие оценочные значения Rja:

• 325°C/Вт — светодиоды в один ряд, драйвер отдельно
• 400°C/Вт — светодиоды в один ряд, драйвер на плате
• 500°C/Вт — массив светодиодов, драйвер отдельно
• 650°C/Вт — массив светодиодов, драйвер на плате

Определение допустимого рабочего тока светодиодов

Зная тепловое сопротивление конструкции, можно рассчитать допустимый рабочий ток светодиода:

I = (Tj — Ta) / (Rja * U)

Где:

• Tj — максимально допустимая температура перехода (≈90°C)
• Ta — температура окружающей среды (≈65°C для наружных фонарей)
• U — рабочее напряжение светодиода

Полученное значение тока необходимо сравнить с максимально допустимым током светодиода по даташиту и выбрать меньшее из них.

Расчет реального светового потока светодиода в фонаре

Световой поток, создаваемый светодиодом в условиях фонаря, можно рассчитать по формуле:

ФLED = ФLEDSPEC * KT * KI * KUTIL

Где:

• ФLEDSPEC — номинальный световой поток светодиода при 25°C
• KT — коэффициент снижения потока из-за нагрева (определяется по графику)
• KI — коэффициент снижения потока из-за уменьшения тока
• KUTIL ≈ 0,75 — коэффициент использования светового потока конструкцией

Определение необходимого количества светодиодов

Минимальное количество светодиодов в фонаре рассчитывается как:

N = ФREAL / ФLED

Где ФREAL — требуемый световой поток источника в фонаре, ФLED — реальный поток одного светодиода.

При этом важно учитывать следующие рекомендации:

• В фонарях дополнительного стоп-сигнала светодиоды размещают в один ряд с шагом ≈15 мм
• В основных стоп-сигналах и указателях поворота используют массивы с шагом ≈10 мм
• Для улучшения теплоотвода используют алюминиевые платы вместо текстолита
• Под основанием светодиодов делают металлизированные отверстия

Практический пример расчета стоп-сигнала

Рассмотрим пример расчета количества светодиодов для фонаря стоп-сигнала:

1. Требуемый световой поток по нормам: 11,8 лм (днем)
2. Расчетный поток источника в фонаре: ФREAL = 23 лм
3. Выбираем светодиод HPWT-MH00 с номинальным потоком 5 лм
4. Тепловое сопротивление конструкции: Rja = 500°C/Вт
5. Допустимый ток при Tj=90°C: I = 20 мА
6. Реальный поток светодиода: ФLED = 0,675 лм
7. Необходимое количество: N = 23 / 0,675 = 34 шт

Таким образом, для реализации стоп-сигнала потребуется 34 светодиода HPWT-MH00 при температуре перехода 90°C.

Особенности применения светодиодных ламп для замены ламп накаливания

На вторичном рынке широко представлены светодиодные лампы для замены штатных ламп накаливания в автомобильных фонарях. При их выборе следует учитывать:

• Заявленный высокий световой поток (200+ лм) достижим только в идеальных условиях
• В реальном фонаре поток будет существенно ниже из-за нагрева
• Количество светодиодов в лампах (20-60 шт) соответствует расчетным значениям
• Замена ламп накаливания на светодиодные незаконна по правилам ЕЭК

Поэтому при проектировании штатных светодиодных фонарей необходимо учитывать реальные условия эксплуатации и проводить полный тепловой расчет конструкции.

Расчет светодиодного освещения : Методика

При обустройстве практически любого помещения одним из главных задач является организация грамотного освещения. Правильно подобрав необходимую мощность и количество светильников, можно обеспечить не только приятную успокаивающую атмосферу жилых помещений, но и повысить продуктивность в офисах и рабочих кабинетах.

В случаях когда в качестве источников искусственного света используются обыкновенные традиционные лампочки накалывания, подобрать их в нужном количестве и мощностях довольно легко. Однако, если речь идет о более современном и экономичном светодиодном освещении, то привычные способы расчета становятся непригодными.

Но, несмотря на характерные особенности и совершенно новые алгоритмы методика светодиодного освещения на практике не так сложна как это может показаться на первый взгляд.

Следуя нескольким простым правилам можно самостоятельно рассчитать необходимую мощность и количество светодиодных ламп и светильником для каждого помещения.

Светодиодные лампы – светодиодные лампы расчет освещенности

Сегодня каждый интернет магазин светотехники в Москве предлагает покупателям довольно широкий ассортимент светодиодных устройств – от простых лампочек со стандартным типом цоколя, до декоративных светильников и ультратонких панелей.

Наибольшим спросом пользуются светодиодные лампочки, которыми все чаще заменяются как обыкновенные лампы накалывания, так и более передовые люминесцентные и галогенные аналоги, что, впрочем, неудивительно, ведь наименьшую потребляемую мощность при одинаковой силе света имеют именно светодиодные устройства.

Так, например, на замену ламе накалывания мощностью в 100Вт идеально подойдет светодиодная модель в 12-13ВТ, тогда как при выборе люминесцентной лампе мощность должна составлять как минимум 30ВТ. Однако, выбирать светодиодные лампы ориентируясь лишь на такой расчет не совсем верно.

Для организации освещения помещений стандартного типа (квадратные, прямоугольные) можно ориентировать на классическую таблицу расчета мощности (см.

табл.1):

Тип помещения	Мощность светодиодных ламп (ВТ) на 10 м2
Гостиная, ванная	30
Спальня, прихожая, коридор	20
Кухня	40
Детская	50
Подсобные помещения	10

Ну а для более точного расчета необходимого уровня освещенности в помещениях с нестандартными формами и разной высотой потолка целесообразно использовать систему двухэтапного расчета:

Этап 1

Величину светового потока для освещения конкретного помещения можно рассчитать по довольно простой формуле X*Y*Z где:

X – стандартно принятая норма освещенности в Люксах (Лк)
Y – площадь помещения (м2)
Z – коэффициента на высоту потолков, который при высоте
до 2.7м =1
от 2.7 до 3м = 1.2
от 3 до 3. 5 = 1.5
от 3.5 до 5.5 = 2

Что же касается норм освещенности, то данные показатели можно взять из таблицы. 2:

Таким образом, например, для освещения жилой комнаты площадью в 20 м2 и высотой потолков в 3 м понадобится световой поток в 150 * 20 * 1.5 = 4500 Лм.

Этап 2

Зная необходимую величину светового потока можно с легкостью определить количество необходимых светодиодных ламп. Световой поток каждой лампочки указан в ее технических характеристиках.

Для примера можно выбрать лампочки мощностью в 12 и 14 Вт величина светового потока которых равна 1100 и 1250 Лм. Таким образом в нашем примере понадобятся 3 лампочки в 12 и одна в 14 ВТ.

При желании конечно же можно подобрать и множество других комплектаций с номинальной мощностью в 4500 Лм, тем более, что сегодня вопрос какой мощности могут быть лед лампы уже не актуален, ведь на рынке можно найти устройства любых мощностей.

Однако следует учесть, что выбирая устройства с более низкой мощностью и, как следствие, с низкими световым потоком, номинальную величину следует увеличить.

Такова основная методика основного светодиодного освещения. Однако, зачастую, помимо основных устройств в освещении используются также и декоративные элементы, для которых используются уже иные расчеты.

Среди таких элементов особое место занимают светодиодные ленты, использование которых является одним из самых популярных методов организации декоративного освещения.

Светодиодная лента – выбираем по величине светоотдачи

В отличие от светодиодных ламп, светильников, панелей и прочих устройств обеспечивающих основное освещение, диодные ленты предназначены для декоративной подсветки.

Именно по этой причине методика расчета светодиодного освещения для светодиодных лент существенно отличается от стандартных способов расчета необходимой мощности и количества основных устройств освещения.

Норма освещения на 1 кв м в квартире для светодиодной ленты определяется исходя их нескольких ее характеристик.

Во-первых, количество необходимых устройств определяется в метрах. При этом, при одинаковой длине диодные ленты могут иметь различную интенсивность светового потока, которая и является решающим параметром при выборе конкретного устройства.

Зная сколько светодиодов определенного типа установлены на протяжении 1 метра ленты можно самостоятельно определить интенсивность светового потока (Лм), и выбрать модель нужной яркости.

Впрочем, тратить время на расчеты вряд ли придется, ведь данный параметр всегда указывается самим производителем.

Во-вторых, светодиодная лента чаще используется для дополнительной декоративной подсветки, а значит ее мощность должна быть значительно ниже основных устройств освещения, во избежание “конкуренции”.

Конечно же, в продаже можно найти и сверхъяркие устройства с мощными светодиодами, которые вполне могут обеспечить основное освещение, однако используются они уже для подсветки фасадов, рекламных щитов и витрин.

В закрытых же жилых помещениях с подсветкой вполне справятся и модели мощностью от 6.5 до 20-24Вт.

Таким образом, можно отметить, что методика расчета светодиодного освещения хоть и существенно отличается от привычных способов и имеет ряд специфических особенностей, она все же не так сложна как может показаться новым пользователям светодиодных устройств.

Ну а единожды подсчитав необходимую мощность и количество диодных устройств можно получить надежную систему освещения на долгие годы.

А выбрать и купить светодиодные лампы и ленты в Москве можно прямо сейчас. Наш интернет магазин светодиодного освещения предлагает своим покупателям самую качественную светодиодную продукцию по самым выгодным в Москве ценам.

[date-today]

Методика расчета автомобильных светосигнальных приборов на основе сверхъярких светодиодов

В этой статье автор дает методику определения количества светодиодов, необходимых для реализации автомобильных светосигнальных фонарей, удовлетворяющих требованиям международных стандартов.

Светодиоды — это полупроводниковые устройства, преобразующие электроэнергию в электромагнитное излучение видимого, ультрафиолетового или инфракрасного спектров. Светодиоды видимого спектра выпускаются серийно, они имеют различные цвета и мощность от 0,05 Вт для индикаторов до сотен ватт для прожекторов. По сравнению с лампами накаливания светодиоды обладают большими быстродействием, сроком службы, экономичностью, естественно, что их начали применять в автомобильных светосигнальных и осветительных приборах.

В автомобильных светосигнальных приборах сегодня применяют светодиоды небольшой мощности, как правило, 0,2…0,6 Вт, и устанавливают по несколько штук в блоке. Рассмотрим методику определения количества светодиодов, необходимых для реализации автомобильных светосигнальных фонарей, удовлетворяющих требованиям международных стандартов.

Световые потоки, создаваемые автомобильными светосигнальными приборами, нормируются в соответствии с правилами SAE (Международное общество автомобильных инженеров) в США и правилами ЕЭК (ЕСЕ) в Европе и России. В таблице 1 приведены требования к световым потокам, создаваемым светосигнальными фонарями европейских автомобилей [1].

Таблица 1. Светотехнические характеристики автомобильных светосигнальных приборов

Назначение фонаря	Цвет	Сила света на оптической оси, кд		Минимальный  световой поток, лм
		Макс.	Мин.
Передние указатели поворота в зависимости от расстояния до лампы ближнего света L (мм):   L > 40 20 < L < 40 L < 20	Оранжевый	600 700 800	175 250 400	15,9 22,6 36,3
Передний габаритный фонарь	Белый	60	4	0.41
Стоп-сигнал: днем ночью	Красный	520 185	130 60	11. 8 5,5
Фонарь заднего хода	Белый	300	80	15,2
Центральные повторители стоп-сигнала	Красный	80	25	3,1
Фонари дневного света	Белый	800	400	37,8

Применяемые в данном светосигнальном приборе светодиоды должны обеспечить требуемый минимальный световой поток. При этом учитываются потери светового потока в оптической системе фонаря и тепловой режим светодиодов. Опыт показывает, что в автомобильных светосигнальных фонарях со светодиодами используется только 12-25% создаваемого светового потока, для ламп накаливания ситуация еще хуже [1]. При нагреве светодиоды уменьшают световую отдачу.

Для определения минимального числа N светодиодов выбранного типа в световом приборе следует знать световой поток источника света Ф_REAL в фонаре, достаточный для его нормальной работы с учетом потерь в элементах оптики и световой поток светодиода в конкретных условиях светового прибора Ф_LED. Тогда зависимость выражается следующей формулой:

N = Ф_REAL / Ф_LED                                                 (1)

Такая методика определения минимального числа светодиодов для реализации светосигнальных автомобильных приборов наглядна и изложена, например, в [1, 2]. Сначала рассчитывают световой поток источника света Ф_REAL по эмпирической формуле из [1]:

Ф_REAL = 1.25 · (Ф_SPEC / K_Σ)                             (2)

 

где Ф_SPEC — световой поток, создаваемый фонарем согласно спецификации (см. таблицу 1), K_Σ — суммарный коэффициент пропускания оптической системы, который выражается формулой:

K_Σ = K_LENS · K_GLASS · (1 — K_FLUX)                   (3)

где K_LENS — коэффициент пропускания светового потока в пластиковых линзах и рассеивателях фонаря. Коэффициент K_GLASS учитывает дополнительное поглощение светового потока, если фонарь размещен за стеклом, например, повторитель стоп-сигнала в салоне. Величина K_GLASS зависит от угла наклона стекла и уменьшается от значения 0,93 для вертикального стекла до 0,65, когда заднее стекло имеет наклон 20°. Коэффициент K_FLUX учитывает уменьшение фактического светового потока из-за неточности его распределения.

Численные значения коэффициентов K_FLUX, K_GLASS, K_LENS получаются путем обобщения экспериментальных данных и приводятся, например, в документации одного из разработчиков светодиодных автомобильных световых приборов фирмы Lumileds Lighting из США [1].

Определим в качестве примера световой поток источника света в двухрежимном сигнале торможения. По таблице 1 Ф_SPEC = 11,8 лм днем и Ф_SPEC = 5,5 лм ночью. Коэффициент пропускания пластиковых линз для красного света K_LENS = 0,9. Это не дополнительный стоп-сигнал, размещаемый в салоне за стеклом, поэтому K_GLASS = 1, K_FLUX = 0.3 [1]. Имеем для варианта днем:

Ф_REAL = (11. 8 · 1.25) / (0.9 · 1 · (1 — 0.3 )) = 23 лм                    (4)

В темное время суток расчет по (2) дает значение Ф_REAL = 10,9 лм.

Для сравнения, в фонарях стоп-сигнала и передних указателей поворота обычно используется лампа накаливания А12-21 (P21W), создающая гораздо больший световой поток (около 300 лм [3]). Объясняется это тем, что лампа накаливания генерирует световой поток в более широком оптическом спектре, чем светодиод, часть этого потока задерживается цветным рассеивателем фонаря.

При определении светового потока Ф_LED, создаваемого светодиодом в конкретных условиях светового прибора, учитывается тепловой режим диода, сильно влияющий на его характеристики. Генерируемый светодиодом световой поток уменьшается при увеличении температуры p-n-перехода (кристалла). Для современных светодиодов на основе сложных композитных полупроводников — соединений галлия (Ga), мышьяка (As), фосфора (Р), индия (In), алюминия (Al) и других элементов зависимости светового потока от температуры кристалла примерно экспоненциальные, они приводятся в технических характеристиках. В качестве примера на рис. 1 приведены зависимости нормированного светового потока от температуры кристалла для светодиодов XLamp XP-E LED фирмы Cree [4].

Создаваемый светодиодом световой поток производители указывают для температуры кристалла 25°С. Рабочая температура обычно выше, например, при температуре кристалла 100°С световой поток красного светодиода уменьшается на 35% (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость светового потока от температуры кристалла

 

Допустимая температура кристалла ограничивается значением 125…150°С, так как при большей температуре меняются механические и оптические свойства прозрачного компаунда, которым залит кристалл в светодиоде. На практике светодиоды в изделиях должны работать при температурах p-n перехода не более 80…90°С, в противном случае ускоряется деградация светодиода и сокращается его срок службы [5].

При нагреве кристалла рост температуры на каждые 10°С приводит к увеличению длины волны излучаемого света примерно на 1 нм [5]. Для красных автомобильных фонарей допустим разброс доминантной длины волны спектра в пределах 90 нм, поэтому тепловой сдвиг спектра будет незаметен. В желтых фонарях допустим сдвиг доминантной длины волны спектра на 5…10 нм, и тепловое влияние на излучаемый спектр может быть заметно.

Таким образом, если основная задача теплового расчета световых приборов с лампами накаливания заключается в недопущении перегрева пластиковых арматуры и оптики интенсивным тепловым потоком от лампы, то в световом светодиодном приборе в защите от перегрева нуждается, прежде всего, светодиод.

Методы расчета теплового режима полупроводниковых приборов создаются в соответствии с закономерностями теории теплообмена. Тепло распространяется в пространстве тремя способами: за счет конвекции,теплопроводности и излучения. В инженерном расчете все эти три вида теплообмена учитываются в тепловом сопротивлении кристалл-среда Rja, которое связывает между собой температуры внешней среды Та и кристалла Tj, а также преобразуемую светодиодом в тепло мощность Р.

Tj = Та + Rja · P                        (5)

Светодиод преобразует в излучение только 10-15% своей электрической мощности, остальное — в тепло, поэтому:

P ≈ I·U,                                   (6)

где U и I — рабочие ток и напряжение на светодиоде.

Современные светодиоды ведущих производителей имеют схожую конструкцию [5]. Кристалл крепится токопроводящим клеем к медной подложке относительно больших размеров, имеющей высокую теплопроводность. Полимерная линза защищает светодиод от внешних воздействий и формирует световой поток. Светодиод в фонаре припаивается на печатную плату из фольгированного алюминия, керамики или стеклотекстолита. При необходимости печатные платы светодиодов монтируются на дюралюминиевые или медные охладители (радиаторы). Охладитель делает теплообмен между кристаллом диода и внешней средой более интенсивным. В некоторых вариантах светодиод крепится непосредственно к радиатору.

На рис. 2 упрощенно показано размещение светодиода в автомобильном светосигнальном приборе.

Рис. 2. Светодиод в светосигнальном приборе, где 1 — светодиод, 2 — печатная плата, 3 — радиатор, 4 — корпус фонаря, 5 — рассеиватель

 

Тепло, вырабатываемое p-n-переходом светодиода, распространяется по цепи: кристалл — подложка светодиода — припой или токопроводящий клей между подложкой светодиода и печатной платой — печатная плата — соединение печатной платы с радиатором — радиатор — окружающая среда за пределами фонаря. Каждый этап характеризуется своим тепловым сопротивлением, на схеме замещения они, в данном случае, включаются последовательно.

В светосигнальных фонарях используются относительно маломощные светодиоды, для которых тепловые сопротивления соединений «подложка — печатная плата» и «плата — радиатор» гораздо меньше теплового сопротивления «кристалл — подложка». Это позволяет использовать более простые модели теплового сопротивления (рис. 3) [5].

Рис. 3. Схемы замещения теплового сопротивления «светодиод — внешняя среда» с радиатором (а) и без радиатора (б), где Tj — температура p-n-перехода, Tc — температура соединения «подложка-печатная плата», Ta — температура внешней среды, Ts — температура соединения «печатная плата — радиатор»; Rjc, Rcs, Rsa, Rca — тепловые сопротивления соответственно «кристалл — подложка» (корпус), «печатная плата — радиатор», «радиатор — среда», «печатная плата — среда»

 

Результирующее тепловое сопротивление «кристалл — среда» для варианта с радиатором:

Rjа = Rjc + Rcs + Rsa           (7)

Без радиатора:

Rjа = Rjc + Rса                    (8)

Величина теплового сопротивления Rjc «кристалл — подложка» (корпус) светодиода обычно приводится в технических характеристиках диода. Тепловое сопротивление Rjа «кристалл — среда» для конкретной конструкции осветительного прибора может быть определено экспериментально по следующей методике:

• К катоду светодиода, соединенному с печатной платой в фонаре, припаивают компактную термопару диаметром до 0,25 мм. Если в фонаре несколько светодиодов, выбирают нагревающийся наиболее сильно, обычно он находится в середине платы.
• Термопарой измеряют температуру корпуса светодиода Tc, а также температуру окружающей среды Ta через 30 минут после включения фонаря, когда тепловой режим стабилизируется.
• По формуле (5) определяют тепловое сопротивление «корпус (подложка) светодиода — среда»

Rса = (Tc — Ta) / P ,

где Р — мощность светодиода.

• По выражению (5) вычисляют Rjа.

Температуру p-n перехода светодиода можно также определять по величине прямого напряжения на диоде при постоянном токе.

На начальном этапе проектирования светодиодного фонаря, когда еще нет макета, используют оценки теплового сопротивления, полученные в результате обобщения имеющейся экспериментальной информации и моделирование на компьютере. В таблице 2 приведены оценки теплового сопротивления «кристалл — среда» для типовых конструкций автомобильных светосигнальных приборов на базе маломощных светодиодов [5].

Таблица 2. Тепловое сопротивление «кристалл — среда»

Конструкция фонаря	Rjа,    °С/Вт
Светодиоды расположены в один ряд, токоограничивающий резистор или драйвер размещены вне печатной платы	325
Светодиоды расположены в один ряд, токоограничивающий резистор или драйвер размещены на той же печатной плате	400
Светодиоды образуют массив, токоограничивающий резистор или драйвер размещены вне печатной платы	500
Светодиоды образуют массив, токоограничивающий резистор или драйвер размещены на той же печатной плате	650

Светодиоды располагают в один ряд, например, в повторителях стоп-сигнала, массивы используются в фонарях сигнала торможения.

В таблице 3 приведены характеристики некоторых маломощных светодиодов, применяемых в автомобильных светосигнальных приборах, они взяты с сайтов ведущих производителей www.lumileds.com и www.сree.com.

Таблица 3. Характеристики маломощных светодиодов

Параметр	Тип светодиода,производитель
	CLM4B-PKW, Cree	HPWT-MH00, Lumileds Lighting	HPWT-ML00, Lumileds Lighting	CP42T-RKS, Cree	CLM1B-RKW/ AKW,  Cree	LAT68B-T2V1- 24, OSRAM	CLP6C-RKW/AKW,  Cree, 3 светодиода
Световой поток, лм	6,3	5,0	2,5	4,4	2,0	1,9	15
Излучаемый цвет	красный	красный	оранжевый	красный	красный	оранжевый	красный,  оранжевый
Тепловое сопротивление Rjc, °С/Вт	150	125	125	125	300	180	3х150
Рабочий ток, мА	70	70	70	70	50	50	3х80
Рабочее напряжение, В	2,4	2,6	2,6	2,6	2,1	2,1	2,4
Tj макс. , °С	110	125	125	125	110	125	110
Габариты, мм	3,2х2,7	7,6х7,6	7,6х7,6	7,6х7,6	3,2х2,7	3,4х3,0	5,0х6,0
Тип корпуса	BLCC	Р4	Р4	Р4	BLCC	BLCC	BLCC

Световой поток, создаваемый светодиодом в фонаре Ф_LED определяется по выражению:

Ф_LED = Ф_LEDCPEC · K_T · K_I · K_UTIL,                                (9)

где Ф_LEDCPEC — типовое значение светового потока для данного светодиода при температуре p-n-пе-рехода 25 °С и номинальном токе, коэффициенты K_T и K_I учитывают отличие температуры кристалла T_j, и тока светодиода I от номинальных значений, коэффициент K_UTIL ≈ 0,75 учитывает недоиспользование части светового потока конструкцией фонаря [5].

Для маломощных светодиодов в технических характеристиках иногда вместо светового потока приводятся плоский угол охвата δ и сила света J. В этом случае сначала определяется телесный угол Ω ≈ 2р · (1 — cos δ), затем световой поток Ф_LEDCPEC = J·Ω.

Например, определим световой поток Ф_LED светодиода HPWT-MH00 в фонаре сигнала торможения, Ф_LEDCPEC = 5 лм (таблица 3). В стоп-сигнале используется массив светодиодов, поэтому Rjа = 500 °С/Вт (таблица 2), положим T_j = 90 °С для обеспечения умеренной деградации светодиодов, тогда K_T = 0,6. Величина K_T определена по графику зависимости светового потока от температуры кристалла (рис.1). Допустимый рабочий ток диода:

I = (T_j — T_a) / (Rjа — U) = (90 — 65) / (500 · 2.6) = 20 мА               (10)

Предельную температуру окружающей среды Ta для стоп-сигнала выбираем равной 65°С, как для электрооборудования автомобилей, устанавливаемого в кабине или снаружи [3]. Для ориентировочного расчета зависимость нормированного светового потока диода от нормированного тока можно считать линейной [5], поэтому

K_I ≈ I / Imax ≈ 20мА / 70мА ≈ 0.3.

Таким образом Ф_LED = 5 · 0,6 · 0,3 · 0,75 = 0,675 лм, в фонарь стоп-сигнала для обеспечения работы днем необходимо поместить в соответствии с выражением (1)

N = 23 / 0.675 = 34

светодиода. Если использовать в расчете предельно допустимое значение температуры T_j = 125 °С, как это сделано в [5], с учетом повторно-кратковременного режима работы светосигнального прибора, N = 23.

В таблице 4 приведено расчетное количество маломощных светодиодов, необходимых для реализации фонаря сигнала торможения. Аналогичные результаты для светодиодов фирмы Lumileds Lighting приведены в [1].

Таблица 4. Количество светодиодов для стоп-сигнала

Параметр	Тип светодиода, производитель
	CLM4B-PKW, Cree	HPWT-MH00, Lumileds Lighting	HPWT-ML00, Lumileds Lighting	CP42T- RKS, Cree	CLM1B-RKW/ AKW, Cree	LAT68B-T2V1-24, OSRAM	CLP6C- RKW/AKW, Cree, 3 светодиода
Кол-во диодов при Tj = 125 °С	15	23	31	17	25	23	7
Кол-во диодов при Tj = 90 °С	23	34	63	36	46	42	11
Мощность фонаря при Tj = 125 °С, Вт	1. 4	2.8	3.7	2.1	2.5	2.7	1.9

В настоящее время производится большое число типов светодиодных ламп для автомобильных световых приборов для вторичного рынка. Автовладелец заменяет светодиодной лампой лампу накаливания в уже имеющейся арматуре, хотя это и незаконная операция, т.к. в соответствии с правилами ЕЭК световые приборы транспортного средства должны иметь тот тип и мощность ламп, которые установил завод-изготовитель. Например, на сайте www.netuning.ru приведено описание светодиодных аналогов А12-21. Лампа P21W-27s50 обеспечивает световой поток 162 лм, собрана на 27 светодиодах SMD5050, лампа P21W-60s35 имеет световой поток 200 лм и состоит из 60 светодиодов SMD3028.

Отметим, что SMD5050 и SMD3028 — это не типы светодиодов, а размеры посадочных мест 5,0х5,0 мм и 3,0х2,8 мм в технологии поверхностного монтажа. Заявленные высокие значения светового потока эти лампы смогут выдать в идеальных условиях при T_j = 25 °С. В реальных условиях автомобильных светосигнальных фонарей световой поток будет гораздо меньше. Число светодиодов в P21W-27s50 и P21W-60s35 не противоречит расчетам в таблице 4, следовательно, и режимы работы диодов примерно совпадают. Светодиодная лампа для замены А12-21 и не должна создавать световой поток 200 лм.

Тепловое сопротивление «кристалл-среда» Rjа определяется конструкцией фонаря. Для уменьшения Rjа на печатной плате сохраняют максимум металлизации, под основанием светодиода высверливают отверстия диаметром 0,4 мм и заполняют их припоем, материалом платы может являться алюминий вместо стеклотекстолита.

Рис. 4. Корпуса маломощных светодиодов: а — Р4, Пиранья, для монтажа в отверстия,
б — РLCC для поверхностного монтажа

 

Светодиоды размещают на максимально возможном расстоянии друг от друга, в фонаре дополнительного стоп-сигнала светодиоды размещают в один ряд на расстоянии ≈ 15 мм. В сигналах указателей поворота и торможения, где используются массивы светодиодов, расстояния между диодами ≈ 10 мм.

Представленные материалы подтверждают, что для применения светодиодов в автомобильных светосигнальных приборах на первичном и вторичном рынках уже нет нерешенных технических проблем.

Литература и интернет-источники

1. Using SuperFlux LEDs in automotive signal lamps. Application brief AB20-1, Lumileds Lighting (www.lumileds.com), 2004. — 16 pp.

2. LED luminaries design guide. Application note CLD-AP15.000, Cree Inc. (www.cree.com), 2007. — 16 pp.

3. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей: Учеб. Для студентов вузов. — 2-е изд., пере-раб. и доп. — М.: Транспорт, 2007. 320 с.

4. Cree XLamp ХРЕ LED Data Sheet CLD-DS18 Rev 11, Cree Inc. (www.cree.com), 2008. — 16 pp.

5. Thermal management considerations for SuperFlux LEDs. Application brief AB20-4, Lumileds Lighting (www.lumileds.com), 2004. — 14 pp.

Автор: Владимир Яковлев (г. Самара)

Источник: Ремонт и сервис

Расчеты светодиодов

— специальные статьи

w3.org/1999/xhtml» cellspacing=»0″>

Грэм Митчелл из Digital-DIY внес свой вклад в эту статью, и его комментарии улучшили содержание. Автор также признателен за отзывы Давиде Андреа по улучшению содержания этой статьи. Для светодиодов требуется резистор для ограничения тока через светодиод. Расчет необходимого резистора может показаться загадкой, но это очень просто, даже со светодиодами неизвестных типов. Ниже показана базовая схема светодиода. Он может питаться от батареи или контакта порта микроконтроллера. Резистор управляет током, протекающим через светодиод; ток во всей цепи одинаков, как показано красной линией. Светодиоды выполняют множество функций: от индикаторов на панели до мощных массивов, освещающих ночь. В этой статье рассматриваются маленькие светодиоды, которые можно использовать в качестве индикаторов в схеме микроконтроллера или мигающих элементов в фантастическом арт-проекте. Как правило, светодиоды в этом диапазоне обычно потребляют до 25 мА. Для мощных светодиодов обычно используются специализированные схемы драйверов. Светодиоды бывают самых разных форм и размеров — здесь показаны некоторые распространенные варианты. Светодиоды этого типа обычно рассчитаны на ток от 10 мА до 20 мА. Требуемое последовательное сопротивление будет зависеть от напряжения питания, падения напряжения на светодиоде и желаемого тока. Падение напряжения (V вперед ) на светодиоде зависит от химического состава светодиода, тока через светодиод и температуры. Для стандартных красных, желтых и зеленых светодиодов V f обычно составляет около 2 вольт, что служит хорошей отправной точкой для этих расчетов. Для расчета требуемого сопротивления базовый анализ цепи приводит к следующим соотношениям: Напряжение источника — это напряжение, подаваемое аккумулятором или портом микроконтроллера. Используя закон Ома, V R можно рассчитать: Объединение уравнений 1 и 2: Преобразование уравнения 3 дает: Предположим, что стандартный красный светодиод должен работать от вывода порта микроконтроллера, работающего от напряжения 5 вольт, а номинальный ток светодиода составляет 10 мА. Для типичного красного светодиода достаточно предположить, что V f = 2 вольта. Из уравнения 4: Ближайшее стандартное значение сопротивления можно выбрать из таблицы сопротивлений. См. раздел «Расчеты светодиодов — лаборатория» для реальных испытаний следующих методов. Приведенные выше расчеты основаны на знании V f . Для красных, желтых и зеленых светодиодов стандартной яркости допустимым является напряжение 2 вольта V f . Для светодиодов высокой яркости и светодиодов других цветов напряжение V f может варьироваться от 1,8 до 3,5 В или выше, как показано в таблице ниже. Обратите внимание, что каждый цвет может иметь более одного возможного V f — всецело зависит от химии светодиода. Цвет Материал Длина волны (нм) V-форвард Супер красный ГаАИИ 660 1,8 Зеленый ГаП 565 2 Красный GaAsP 635 2 Красный АлИнГаП 636 2 Оранжевый АлИнГаП 610 2 Желтый АлИнГаП 590 2 Янтарный GaAsP 605 2. 1 Красный ГаП 700 2.1 Зеленый ГаП 555 2.1 Зеленый АлИнГаП 574 2,2 Синий Карбид кремния 430 3,5 Зеленый InGaN 505 3,5 Синий InGaN 470 3,5 Белый InGaN   3,5 Зеленый InGaN- 525 3,7 Зеленый InGaN 525 4 Синий Карбид кремния 430 4,5 Если светодиод известного типа, V f можно определить из таблицы данных для требуемого рабочего тока и необходимого последовательного резистора, рассчитанного с использованием приведенных выше уравнений. Ниже приведена типичная кривая IV для семейства цветов светодиодов. Требуемый резистор затем можно рассчитать, используя приведенное выше уравнение 4. (нажмите, чтобы увеличить) Если мы хотим, чтобы светодиод работал на 10 мА, чтобы получить умеренную яркость, V f для различных цветов этого семейства светодиодов можно прочитать на графике. Цвет Красный Высокий Эфф. Красный Желтый Зеленый Синий ВФ 1,8 1,9 2 2,25 3,6 Когда характеристики светодиода неизвестны, например, если светодиод взят из сумки, ситуация немного сложнее. Как видно из таблицы выше, цвет не является надежным индикатором V f . Поскольку V f является функцией тока, как показано на графике выше, вычисление необходимого последовательного сопротивления для достижения желаемого рабочего тока может оказаться сложной задачей. Ниже представлены три варианта определения характеристик светодиода, от «достаточно близкого» до высокоточного. Приближенный подход «достаточно близко» Если характеристики светодиода неизвестны, несколько быстрых измерений могут дать приблизительные результаты. Настройте схему, показанную выше, с номиналом резистора, рассчитанным для V f в 2 вольта. Это хорошее приближение для красного светодиода, но оно будет низким (и безопасным допущением) для светодиодов разных цветов. Зажгите светодиод и измерьте V s (если оно неизвестно) и V R . Рассчитайте Vf, переставив уравнение 1: Рассчитайте ток через резистор (и, следовательно, светодиод), используя основные соотношения закона Ома: Если I не близко к желаемому значению, рассчитайте пересмотренное значение R, используя уравнение 4 и измеренное значение V f . Возможно, это придется повторить пару раз, чтобы получить приемлемый результат, но измерения и расчеты просты. Этот повторяющийся подход может потребоваться повторить несколько раз в зависимости от наклона кривой V-I для светодиода в рабочей точке. Эмпирический подход Предоставлено Graham Mitchell из Digital-DIY Используя приведенную ниже базовую схему, ток можно легко измерить с помощью цифрового вольтметра, включенного последовательно со светодиодом. Уменьшайте значение резистора до тех пор, пока не будет измерен желаемый ток. Отключите питание от цепи и измерьте сопротивление на потенциометре. Используйте ближайшее стандартное значение резистора. Альтернативный эмпирический подход показан во второй части этой статьи, включая детали регулируемого источника постоянного тока для быстрого и простого измерения характеристик светодиода при любом рабочем токе. Это самый прямой путь к определению характеристик светодиодов. Рассеиваемая мощность резистора Токоограничивающий резистор для светодиода должен быть рассчитан на рассеиваемую мощность, которая зависит от напряжения на резисторе и тока через резистор. Мощность равна вольтамперам: Используя закон Ома и подставив напряжение на резисторе: Возьмем первый пример сверху: Например, даже резистор на 1/16 Вт справится с рассеиваемой мощностью.{/слайд} Полярность светодиода В девяти случаях из десяти следующая диаграмма будет точной для определения полярности светодиода. Есть вероятность, что производитель не соблюдает требования.

Расчет нагрузки в амперах для светодиодных ламп и анализ мощности нагрузки и автоматических выключателей светильники. Если вы планируете добавить новое освещение, то задача планирования нагрузки весьма важна.

Для замены светодиодного светильника «один к одному» задача довольно проста, поскольку вы знаете, что ваш AMP и мощность нагрузки снизятся. (если только вы не используете светодиодные светильники с более высокой мощностью, чем потребляемый ток) 

 Понимание потребностей вашего здания в нагрузке позволит вам выбрать электрическую установку соответствующего размера. Для старых домов и предприятий очень характерно, что трансформаторы малогабаритные и плохие. Однако, прежде чем погрузиться в мельчайшие детали расчета амперной нагрузки или электрической нагрузки, давайте попробуем понять, что такое автоматический выключатель и амперная нагрузка!

АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ И НАГРУЗКА АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ – КРАТКИЙ ОБЗОР 

Теперь давайте перейдем к характеристикам автоматического выключателя и его нагрузки. Автоматический выключатель — это устройство, которое срабатывает при ненормальном или неисправном токе. Другими словами, это устройство, прерывающее протекание тока большой величины и выполняющее функцию выключателя. Автоматический выключатель предназначен для замыкания или размыкания электрической цепи и защиты электрической системы от повреждений. Неудивительно, что, как и другие электроприборы, автоматический выключатель также может выйти из строя и вызвать многочисленные проблемы в случае перегрузки. Таким образом, питание вашего дома может быть отключено на несколько часов. Поэтому крайне важно понимать, что нагрузка, с которой будет работать автоматический выключатель, является управляемой и выполнимой. Итак, нам нужно понять нагрузку усилителя и убедиться, что она сбалансирована.

НАГРУЗКА В АМПЕРАХ – КРАТКИЙ ОБЗОР 

Термин «нагрузка в амперах» используется для обозначения мощности, которую вы получаете от основного источника электроэнергии или трансформатора.

Сила тока — официальный термин, используемый для измерения общей электрической мощности, как таковое название — амперная нагрузка. В бывших домах электричество обычно давало 30 ампер. Последние дома, построенные после 1960-х годов, известны тем, что имеют ток 60 ампер. Но следует отметить, что в большинстве современных и просторных домов установлено как минимум 200 ампер, которое может быть увеличено до 400 ампер.

Если вы хотите рассчитать, достаточно ли ваших электрических услуг, вы должны рассчитать нагрузку в амперах. Нужны математические расчеты и много усердия.

РАСЧЕТ НАГРУЗКИ В АМПЕРАХ – ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МОЩНОСТЬ

 

Прежде всего, важно понимать, что расчет мощности, которую вы можете использовать, зависит от силы тока нагрузки различных светильников и электроприборов. Это зависит от напряжения. 

• Ампер = Ватт/Вольт (амперы равны мощности освещения, разделенной на напряжение переменного тока в доме, например, 120 В переменного тока, 240 и т. д.).
• Вольт x Ампер = Ватт

Пример. светильники мощностью 300 Вт / 120 вольт = 2,4. Итак, мы знаем, что ему нужна емкость 2,4 ампера. В установке на 240 ватт делитель удваивается, поэтому мы знаем его половину или 1,2. это выглядит так: 300/240=1,2

Вы можете видеть, что даже 10 из этих 300-ваттных светильников имеют мощность 3000 ватт и при этом всего 12 -24 ампер. на выключателе на 30 или 50 ампер у вас еще много места.

СОВЕТ ДЛЯ ПРОФЕССИОНАЛОВ: Нагрузка не должна превышать 80% от общей электрической мощности.

ПОНИМАНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ, МИНИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ И ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Приведенные выше формулы могут помочь вам определить мощность электроснабжения.

Мы также можем использовать формулу «Ампер x Вольт», чтобы рассчитать электроснабжение жилых и коммерческих зданий. Учитывая, что первичная электрическая сеть дома составляет 120 вольт, тогда общая сумма составит:,600 макс. мощность

Защита от перенапряжения; одной из задач выключателя является «отключение», чтобы предотвратить повреждение устройств, возгорание или другие проблемы. Проблема со снижением процента использования заключается в том, что на выключателе может остаться СЛИШКОМ МНОГО места.

Мин. мощность; Если у вас используется только 20% ваших усилителей, может потребоваться много времени, чтобы этот выключатель сработал в случае шторма, грязного питания или чего-то еще. Вот почему защита от перенапряжения имеет решающее значение. Для наружного освещения мы рекомендуем добавить защиту от перенапряжения. Для наружного освещения на опорах практически требуется полная защита от перенапряжений. При цене 200-500 долларов это дешевая страховка от серьезных поломок, которые часто не покрываются гарантией.

К этому моменту большинство пользователей, использующих модернизацию светодиодных светильников, закончили установку и могут приступить к установке, но для тех, кому нужно больше, мы рассмотрим электрическую нагрузку.

РАСЧЕТ НАГРУЗКИ В АМПЕРАХ – НАГРУЗКА НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПАНЕЛЬ

Теперь вы знаете, как рассчитать мощность отдельных цепей, поэтому теперь мы рассмотрим систему электроснабжения всего здания. На первый взгляд может показаться, что расчет нагрузки заключается в суммировании электрической нагрузки лампочек, вентиляторов, обогревателей и других приборов в вашем доме, а затем в сравнении их с общей мощностью вашей электросети. Ну, это совсем не легко. Вы можете измерить нагрузку, просто сложив номинальные мощности различных приборов и приборов в вашем доме, которые одновременно потребляют энергию. Но мы склонны забывать, что мы не используем все наши проводные устройства одновременно. Маловероятно, что все лампочки, вентиляторы, духовки, тостеры, обогреватели и охладители в вашем доме будут работать одновременно. Таким образом, профессиональные электрики выбирают альтернативные методы расчета нагрузки. Мы составили каталог нескольких популярных способов определения нагрузки экспертами.

1. Получение общей мощности светильников и отдельных ответвленных цепей

2. Суммирование номинальной мощности всех постоянных приборов, таких как сушилки, водонагреватели и т. д.

3. Вычитание 10000

4. Умножение любого значения цифру вы получите на 0,40

5. Добавьте 10000

6. Получите номинальную мощность кондиционеров, а также отопительных приборов. Добавьте большее число из двух.