Технология производства фар с волоконно-оптическим преобразователем изображения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Конструкторская часть

1.1 Источники света

1.1.1 Лампы накаливания

1.1.2 Галогеновые лампы

1.1.3 Газоразрядные лампы

1.1.4 Перспективные источники освещения

1.2 Характеристики светодиодов

1.2.1 Яркость

1.2.2 Эффективность

1.2.3 Световой поток

1.3 Методы формирования светового потока

1.4 Основа проекта

1.4.1 Предлагаемая конструкция

1.4.2 Вывод

1.4.3 Преимущества фары предложенной конструкции

1.4.3.1 Возможность исключить в картине светораспределения предлагаемой конструкции последствий хроматической аберрации

1.4.3.2. Возможность использования в качестве материала линз пластмассы

1.4.3.3. Возможность выполнения просторных фар с любой конфигурацией светового отверстия

1.4.3.4 Возможность использования в качестве основного конструкционного материала для некоторых типов фар нетермостойкой пластмассы

1.4.4 Недостатки светооптической схемы

1.5 Общий алгоритм проектирования световых приборов с волоконно-оптическим преобразователем с применением светодиода

1.5.1 Методика формирования светового пучка на входе ВОП

1.5.2 Методика определения максимальных апертурных углов и показателей преломления вещества световода

1.5.3 Методика расчета конфигурации выходного торца волоконно-оптического преобразователя

1.5.4 Методика расчета проецирующей оптики рассеивателя

1.5.5 Методика светотехнического расчета системы

1.5.6 Методика теплового расчета

1.5.7 Методика расчета схемы питания

1.6 Расчет системы

2. Технология производства фар с волоконно-оптическим преобразователем изображения (ВОПИ)

2.1 Изготовление радиатора

2.1.1 Изготовление заготовки

2.1.2 Нанесение порошкового покрытия

2.1.2.1 Подготовка поверхности

2.1.2.2 Нанесение порошковой эмали

2.1.2.3 Полимеризация

2.2 Изготовление ВОПИ

2.2.1 Растяжка фокона

2.2.2.Формовка преобразователей изображения

2.2.3 Механическая обработка плоскости входного торца

2.2.4 Механическая обработка сферы выходного торца

2.3 Изготовление корпуса фары

2.4 Изготовление оправы волоконно-оптического преобразователя изображения

2.4.1 Объемное выдавливание оправы ВОПИ

2.4.2 Покрытие оправы ВОПИ

2.4.2.1 Подготовка поверхности детали к покрытию

2.4.2.2 Покрытие

2.5 Изготовление оправы линзы

2.6 Сборка оптического элемента

2.7 Контроль

2.8. Расчёт трудоёмкости изготовления радиатора из сплава алюминия АЛ9 фары ВАЗ 2172

3. Организационно-экономическая часть

3.1 Организация опытно-конструкторских работ (ОКР) проектируемой противотуманной фары с плоским светодиодом для автомобилей ВАЗ 2172

3.1.1 Анализ работ выполняемых при ОКР

3.1.2 Метод сетевого планирования и управления ОКР

3.1.3 Основные правила построения сетевых моделей

3.1.4 Оптимизация сетевого графика

3.1.4.1 Оптимизация сетевого графика первым способом

3.1.4.2 Оптимизация сетевого графика вторым способом

3.2 Расчет себестоимости проектируемой противотуманной фары

3.3 Расчет экономической эффективности проектируемого изделия

3.4 Вывод

4. Безопасность жизнедеятельности и окружающей среды

4.1. Актуальность вопросов безопасности и защиты окружающей среды

4.2 Анализ обеспечения безопасности технологического процесса изготовления фар

4.3 Мероприятия по обеспечению безопасной воздушной среды в производственном помещении при изготовлении фар

4.4 Светильники, устанавливаемые в производственных помещениях

4.4.1 Расчет искусственного освещения участка сборки

4.5. Мероприятия по снижению шума

4.6 Выполнение требований по нормированию вибрации

4.7 Средства пожаротушения применяемые в помещениях по производству фар

4.8 Нормирование качества воды

4.9 Вывод

Список используемой литературы



Введение

Анализ тенденций развития систем освещения авто и мототранспортных средств и сельскохозяйственных машин свидетельствует о том, что основные усилия фирм-изготовителей осветительных приборов направлены на уменьшение габаритов и, соответственно, массы приборов, т.е. параметров, обеспечивающих за счет улучшения аэродинамических и весовых характеристик повышение топливной экономичности транспортного средства (до 0,15 л на 100км за счет аэродинамики и до 0,08 л на 100км пробега при снижении массы на 0,35 кг). При этом отмечаются лишь незначительные улучшения светотехнических характеристик осветительных приборов, о чем свидетельствуют практически неизменные на протяжении 30 лет нормативы.

Отмеченные тенденции обычно реализуются за счет использования более эффективных светооптических схем (фары со свободной поверхностью отражателя, проекторные фары) и увеличения мощности традиционных источников света, либо за счет использования металлогалогенных источников света, потребляющих меньшую мощность, но обладающих повышенной световой отдачей, а также широким использованием в конструкции осветительных приборов пластмассовых деталей.

Реализация перечисленных путей совершенствования приборов системы освещения привела к появлению на рынке нового поколения фар, однако, наряду с несомненными достоинствами, для этого поколения характерны и существенные недостатки.

В первую очередь, это возрастание мощности источников света, что, в свою очередь, влечет за собой увеличение мощности генератора, и, как следствие, рост его массы, стоимости и расхода горючего при критических режимах эксплуатации транспортного средства (холостой ход).

Во-вторых, часто наблюдается рост стоимости приборов систем освещения. Так, применение металлогалогенных источников света, дорогих из-за необходимости использования в схеме ее питания пускорегулирующей аппаратуры, влечет за собой необходимость оснащения фар ближнего света автоматическим корректором светового пучка, вследствие предельно высокого градиента освещенности в вертикальной плоскости, что, в свою очередь, приводит к увеличению потребляемой мощности.

В-третьих, уменьшение рабочего объема фар при относительно высоком значении мощности источника света приводит к необходимости использования конструкционных термостойких пластмасс, которые не только дорогие сами по себе, но и обладают худшими технологическими свойствами по сравнению с обычными пластмассами.

Наконец, разнородность конкурирующих решений привела к полной разунификации конструкций фар не только по габаритным и присоединительным размерам, но и по типу используемых фар даже в пределах системы освещения для одного транспортного средства. Так, например, весьма часто совмещение в одном блоке фар легкового автомобиля и мотоцикла проекторной фары ближнего света и прожекторной - дальнего.

Подводя итог сказанному, можно утверждать, что ни один из известных вариантов исполнения приборов системы освещения не решает всего комплекса проблем внешних осветительных приборов транспортных средств, при относительно невысокой стоимости изделий этого класса.

Последним словом техники в развитии осветительных устройств автомобилей стало применение принципиально новых источников света - светодиодов.

История создания светодиодов.

В 1907 году английский инженер Х.Д. Раунд, трудившийся во всемирно известной лаборатории Маркони, случайно заметил, что у работающего детектора вокруг точечного контакта возникает свечение. Всерьез же заинтересовался этим физическим явлением и попытался найти ему практическое применение Олег Владимирович Лосев.

Обнаружив в 1922 году, во время своих ночных радиовахт, свечение кристаллического детектора, этот тогда ещё 18-летний радиолюбитель не ограничился констатацией факта, а незамедлительно перешёл к оригинальным экспериментам. Стремясь получить устойчивую генерацию кристалла, он пропускал через точечный контакт диодного детектора ток от батарейки. Лосев писал: «У кристаллов карборунда (полупрозрачных) можно наблюдать (в месте контакта) зеленоватое свечение, при токе через контакт всего 0,4 мА... Светящийся детектор может быть пригоден в качестве светового реле как безинертный источник света».

Весь мир заговорил об «эффекте Лосева», на практическое применение которого, изобретатель успел получить, до своей гибели в 1942 г., четыре патента.

В 1951 г. центр по разработке «полупроводниковых лампочек», действующих на основе «эффекта Лосева», был создан в Америке, где его возглавил К. Леховец. В исследовании проблем, связанных со светодиодами, принял самое деятельное участие и «отец транзисторов» физик В. Шокли.

Вскоре выяснилось, что германий (Ge) и кремний (Si), на основе которых делаются полупроводниковые триоды (транзисторы), бесперспективны для светодиодов из-за слишком большой «работы выхода» и, соответственно, слабого испускания фотонов на p-n-переходе. Успех же сопутствовал монокристаллам из сложных композитных полупроводников - соединений галлия (Ga), мышьяка (As), фосфора (Р), индия (In), алюминия (Аl) и других элементов.

Однако реализованы на практике эти идеи были лишь в 60...70-е годы, после обнаружения эффективной люминесценции полупроводниковых соединений фосфида (GaP) и арсенида (GaAs) галлия и их твёрдых растворов. В итоге на их основе были созданы светодиоды и таким образом заложен фундамент новой отрасли техники - оптоэлектроники.

Первые, имеющие промышленное значение, светодиоды с красным и жёлто-зелёным свечением были созданы в 60-е годы на основе структур GaAsP/GaP Ником Холоньяком (США). Внешний квантовый выход был не более 0,1%. Длина волны излучения этих приборов находилась в пределах 500...600 нм - области наивысшей чувствительности человеческого глаза, - поэтому яркость их жёлто-зелёного излучения была достаточной для целей индикации. Световая отдача светодиодов при этом составляла приблизительно 1...2 лм/Вт.

Дальнейшее совершенствование светодиодов проходило по двум направлениям - увеличение внешнего квантового выхода и расширение спектра излучения.

Долгое время развитие светодиодов сдерживалось отсутствием приборов, излучающих в синем диапазоне. Попытки реализовать синие и зелёные светодиоды и лазеры были связаны с использованием кристаллов нитрида галлия GaN и селенида цинка ZnSe.

Исследования свойств нитридов элементов группы III (A1N, GaN, InN) и их сплавов, представляющих собой широкозонные полупроводники с прямыми оптическими переходами, позволили заключить, что они являются наиболее перспективными материалами для изготовления свето- и лазерных диодов, излучающих во всей видимой и ультрафиолетовой (240...620 нм) областях спектра.

Основной причиной, препятствовавшей получению высококачественных пленок GaN, было отсутствие подходящих подложек, параметры решётки и коэффициент теплового расширения которых соответствовали бы GaN. Долгое время такие плёнки выращивали на сапфире, достоинствами которого являются лишь термическая стойкость и возможность очистки перед началом роста. Другая проблема - получение кристаллов р-типа. Первые работы в этом направлении были начаты ещё в 60-е годы XX века, однако все попытки надёжно внедрить элементы группы II (Mg, Zn, Be) как примеси замещения, которые бы действовали как акцепторы, завершились неудачей.

В 1986 году И. Акасаки получил пленки GaN высокого качества. А в 1989 году изучая под электронным микроскопом легированную Mg плёнку GaN, Акасаки и Амано обнаружили свечение образца после бомбардировки электронами. Завершив электронно-микроскопические исследования, они установили, что образец приобрёл проводимость р-типа, и связали это с воздействием электронного пучка на плёнку, способствовавшим замещению атомов Ga атомами Mg.

К тому времени большинство исследователей прекратили работать с GaN. Но эти работы не оставил без внимания Шуджи Накамура (Shuji Nakamura) из фирмы Nichia Chemical, который и совершил прорыв в изготовлении голубых светодиодов. Узнав о важном достижении Акасаки по получению материала р-типа, Накамура быстро воспроизвел этот результат, но при этом заметил, что облучение образца электронным потоком приводило к небольшому его нагреву, и предположил, что наблюдавшийся эффект мог быть просто результатом влияния температуры. Подвергнув образец отжигу в атмосфере азота, он обнаружил, что его сопротивление понизилось, и таким образом выяснил, что эффект был не следствием обработки пучком электронов, а результатом прогрева.

Свой первый синий светодиод Накамура изготовил 28 марта 1991 года. Он оставил диод включённым, когда уходил домой, а после бессонной ночи, придя рано утром в лабораторию, увидел, что диод ещё светит. И хотя излучение было не очень ярким, это была победа.

Два с половиной года спустя, после многочисленных улучшений, Накамура изготовил диоды, излучавшие с силой света 1000 мккд, а ещё через шесть месяцев компания объявила о выпуске 2000-мккд диода, который излучал настолько ярко, что на него больно было смотреть. 29 ноября 1993 года компания Nichia Chemical Industries объявила, что завершила разработку голубых светодиодов на основе GaN и планирует приступить к их массовому производству.

Вскоре после этого за счёт увеличения концентрации In в активном слое был изготовлен зелёный светодиод, излучавший с силой света 2 кд. Он состоит из 3-нм активного слоя InGaN, заключённого между слоями p-AlGaN и n-GaN, выращенными на сапфире. Такой тонкий слой InGaN сводит к минимуму влияние рассогласования решёток: упругое напряжение в слое может быть снято без образования дислокаций и качество кристалла остаётся высоким.

В 1995 году при ещё меньшей толщине слоя InGaN и более высоком содержании In удалось повысить силу света до 10 кд на длине волны 520 нм, а квантовую эффективность до 6,3%, причём измеренное время жизни светодиодов составляло 50 000 ч, а по теоретическим оценкам - более 150 лет.

На сегодняшний день внешний квантовый выход излучения светодиодов на основе GaN и его твёрдых растворов (InGaN, AlGaN) достиг значений 29/15/12% соответственно для фиолетовых/голубых/зелёных светодиодов; их светоотдача достигла значений 30...50 лм/Вт. Внутренний квантовый выход для «хороших» кристаллов с мощным теплоотводом достигает почти 100%, рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих 35%. Внешний квантовый выход излучения жёлтых и красных светодиодов на основе твёрдых растворов AlInGaP достиг значений 25...55%, а светоотдача соответственно достигла 100 лм/Вт, т.е. сравнялась со светоотдачей лучших современных люминесцентных ламп.

Устройство и работа светодиода.

Светодиод -- полупроводниковый прибор с электронно-дырочным p-n-переходом или контактом «металл -- полупроводник», генерирующий (при прохождении через него электрического тока) оптическое (видимое) излучение. Напомним, что p-n-переход -- это «кирпичик» полупроводниковой электронной техники, представляющий соединенные вместе два куска полупроводника с разными типами проводимости (один с избытком электронов -- «n-тип», второй с избытком дырок -- «p-тип»). Если к p-n-переходу приложить «прямое смещение», то есть подсоединить источник электрического тока плюсом к p-части, то через него потечет ток.

Интересно то, что происходит после того, как через прямо смещенный p-n-переход пошел ток, а именно момент рекомбинации (соединение) носителей электрического заряда -- электронов и дырок, когда имеющие отрицательный заряд электроны размещаются в положительно заряженных ионах кристаллической решетки полупроводника. Оказывается, что такая рекомбинация может быть излучательной, при этом в момент встречи электрона и дырки выделяется энергия в виде излучения кванта света -- фотона.

Но не всякий p-n-переход излучает свет. Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.

Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-перехода в кристалле оказывается недостаточно и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры.

Самая распространенная конструкция светодиода -- традиционный 5-миллиметровый корпус (см. рисунок 1). Это не единственный вариант «упаковки» кристалла. На рисунке 2 показан сверхмощный светодиод.



Рисунок 1. Конструкция 5-миллиметрового светодиода

Рисунок 2. Конструкция сверхмощного светодиода

Светодиод имеет два вывода -- анод и катод. На катоде расположен алюминиевый параболический рефлектор (отражатель). Внешне он выглядит, как чашеобразное углубление, на дно которого помещен светоизлучающий кристалл. Активный элемент -- полупроводниковый монокристалл -- в большинстве современных светодиодов используется в виде кубика (чипа) размерами 0,3x0,3x0,25 мм, содержащего р-n или гетеропереход и омические контакты. Кристалл (рисунок 3) соединен с анодом при помощи перемычки из золотой проволоки. Оптически прозрачный полимерный корпус, являющийся одновременно фокусирующей линзой вместе с рефлектором, определяет угол излучения (диаграмму направленности) светодиода.

Что касается яркости светодиода, то для нее далеко не безразлична и оптическая прозрачность n-области (сверхтонкие пленки полупроводников вполне прозрачны). Ну а цвет (частота) излучения, имея четкую функциональную связь с энергией испускаемых фотонов, зависит от материалов полупроводниковых р-n-переходов. В частности, чистый монокристалл GaAs дает инфракрасный луч, небольшая добавка А1 и/или Р меняет цвет излучения на красный. Зеленый свет испускает GaP. Использование же р-n-перехода на основе композиции AlInGaP позволяет получать желтое или оранжевое излучение.

Рисунок. 3. Конструкция кристалла сверхмощного светодиода

Работая, одиночный светодиод потребляет очень небольшую энергию: при напряжении 2-4 В и токе 10-30 мА электрическая мощность варьируется от 20 до 120 мВт. При КПД в 5-25% в виде света излучается 1-30 мВт (сила света 1-30 кд). Для сравнения -- миниатюрная лампа накаливания работает при напряжении около 12 В и токе 50-100 мА.

В отличие от ламп накаливания, светодиоды излучают свет в относительно узкой полосе спектра, ширина которой составляет 20-50 нм. Они занимают промежуточное положение между лазерами, свет которых монохроматичен (излучение со строго определенной длиной волны), и лампами различных типов, излучающих белый свет (смесь излучений различных спектров). Иногда такое «узкополосное» излучение называют «квазимонохроматическим». Как источники «цветного» света светодиоды давно обогнали лампы накаливания со светофильтрами. Так, световая отдача лампы накаливания с красным светофильтром составляет всего 3 лм/Вт, в то время как красные светодиоды сегодня дают 30 лм/Вт и более. Например, новейшие приборы Luxeon производства американской компании Lumileds (совместное предприятие Agilent Technologies и Philips Lighting) обеспечивают 50 лм/Вт для красной и даже 65 лм/Вт для оранжево-красной части спектра. Впрочем, и это не рекорд -- для желто-оранжевых светодиодов планка 100 лм/Вт уже взята.

Долгое время развитие светодиодов сдерживалось отсутствием приборов, излучающих в синем диапазоне.

Белые светодиоды.

Изобретение синих светодиодов замкнуло «RGB-круг» и дало возможность получения СИД белого света.

Рисунок 4. Схема получения белого света с помощью кристалла синего светодиода и нанесенного на него слоя желтого люминофора.

На сегодняшний момент существует три способа получение белого света с помощью светодиодов: смешивание в определенной пропорции излучения красного, зеленого и синего светодиодов. При этом могут быть использованы как отдельные светодиоды разных цветов, так и 3-кристальные светодиоды, объединяющие кристаллы красного, синего и зеленого свечения в одном корпусе.

На рисунке 4 показано получение белого света с помощью кристалла синего светодиода и нанесенного на него слоя желтого люминофора.

Основой более дешевого и распространенного способа получения светодиода белого света является полупроводниковый кристалл структуры InGaN, излучающий на длине волны 460-470 нм (синий цвет) и нанесенный сверху на поверхность кристалла люминофор на основе YAG (иттрий-гадолиниевых гранатов, активизированный Се3+), излучающий в широком диапазоне видимого спектра и имеющий максимум в его желтой части спектра.

Человеческий глаз комбинацию такого рода воспринимает как белый цвет. Такие светодиоды намного дешевле 3-кристальных, обладают хорошей цветопередачей, а по светоотдаче (до 30 лм/Вт) они уже обогнали лампы накаливания (7-10 лм/Вт).

Рисунок 5. Конструкция белого 5-миллиметрового светодиода

На рисунке 5 показано строение 5-миллиметрового светодиода, излучающего белый свет.

Еще один метод получения белого света -- возбуждение 3-слойного люминофора светодиодом ультрафиолетового спектра (УФ-СИД).



Рисунок 6. Схема получение белого света с помощью ультрафиолетового светодиода и RGB-люминофора

На рисунке 6 показано получение белого света с помощью ультрафиолетового светодиода и RGB-люминофора.

У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. Технология RGB в принципе позволяет не только получить белый цвет, но и перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные светодиоды. Этим процессом можно управлять вручную или посредством программы, можно также получать различные цветовые температуры. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических системах. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое пятно из-за аберраций оптической системы имеет неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, из-за неравномерного отвода тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и, соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения -- суммарные цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать.

Белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле, чем светодиодные RGB-матрицы (в пересчете на единицу светового потока), и позволяют получить хороший белый цвет. Недостатки таких светодиодов таковы: во-первых, у них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое люминофора; во-вторых, достаточно трудно точно проконтролировать равномерность нанесения люминофора в технологическом процессе и, следовательно, цветовую температуру; и, наконец, в-третьих -- люминофор тоже стареет, причем быстрее, чем сам светодиод.

Промышленность на данный момент выпускает как светодиоды с люминофором, так и RGB-матрицы -- у них разные области применения.

Как уже упоминалось, строение светодиода не ограничивается стандартным 5-мм корпусом и определяется мощностью излучения и прямым током, проходящим через диод. Световой поток, излучаемый светодиодом, напрямую зависит от прямого тока, протекающего через светодиод. Чем больше ток, тем ярче светит светодиод. Это связано с тем, что чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Но ток нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод перегреется и выйдет из строя.

Сверхяркие светодиоды.

С момента своего появления, светодиоды проделали длинный путь технологического развития. В последние годы, были разработаны яркие светодиоды в широком диапазоне цветов, который теперь включает белый. Это в свою очередь, открыло массу новых применений для светодиодов в качестве источника света со своей собственной нишей рынка, известной как «светодиоды высокой яркости» (HB LEDs). Существует два типа сверхярких светодиодов с использованием определенных полупроводниковых материалов. На основе AlInGaP (фосфидов галлия-индия-алюминия) создают красные, оранжевые, желтые и зеленые светодиоды высокой яркости. Другой материал -- InGaN , позволяет создать синий, сине-зеленый, чистый зеленый и, совместно с желтым фосфором, белый цвет.

Преимущества светодиодов использования светодиодов.

Большой срок использования. Отсутствие нити накала благодаря нетепловой природе излучения светодиодов обусловливает огромный срок службы. Средний срок службы светодиодов составляет до 100 тысяч часов, или 11 лет непрерывной работы, - срок, сравнимый с жизненным циклом многих осветительных установок.

Прочность. Отсутствие стеклянной колбы определяет очень высокую механическую прочность и надежность.

Безопасность. Малое тепловыделение и низкое питающее напряжение гарантируют высокий уровень безопасности.

Быстродействие. Безынерционность делает светодиоды незаменимыми, когда нужно высокое быстродействие.

Сверхминиатюрность и встроенное светораспределение определяют другие, не менее важные достоинства. Световые приборы на основе светодиодов оказываются неожиданно компактными, плоскими и удобными в установке.

Электрические характеристики.

Электрические характеристики светодиодов очень важны по двум причинам. Во-первых, светодиод должен работать в правильном режиме, чтобы полностью реализовать свой ресурс; во-вторых, яркостью светодиодов можно легко управлять, а если применять смешение цветов, таким же легким становится управление цветом прибора, в состав которого входят светодиоды разных цветов.

Вольтамперная характеристика. Полную информацию о поведении светодиода дает его вольтамперная характеристика. В случае обратного включения светодиода через него протекает малый ток утечки Ioбр, светодиод при этом не излучает света. Обратное напряжение, приложенное к светодиоду, не должно превышать предельно допустимого обратного напряжения Uобр, иначе возможен пробой p-n перехода. Очень важно, чтобы ток, протекающий через светодиод, не превышал предельно допустимый прямой ток Iпр п.д., в противном случае светодиод выйдет из строя.

Параметры светодиодов.



Рисунок 7. Зависимость относительной интенсивности излучения от длины волны светодиода

Светодиоды, выпускаемые различными фирмами в весьма широком ассортименте, изготавливаются на основе твердых растворов арсенидов галлия-алюминия AlGaAs (светоотдача промышленных образцов 10 лм/Вт, отношение излучаемой мощности к потребляемой -- КПД ~ 10%), фосфидов галлия-индия-алюминия Al-InGaP (светоотдача - 20 лм/Вт, КПД-3%), нитрида галлия GaN (светоотдача - 3...8 лм/Вт, КПД 3…4%).

На графике приведена зависимость относительной интенсивности излучения от длины волны для светодиодов красного, зеленого и синего цветов ( см. рисунок 7).

Следует отметить, что данные приведены не в полном объеме: производятся светодиоды различных модификаций по длине волны излучения или координатам цветности (Rank, Bin или Color Coordinates), излучающие вблизи основной длины волны. Так» фирма Nichia выпускает сине-зеленые светодиоды типа NSPE четырех модификаций, пиковая длина излучения которых меняется от 490 до 510 нм.

С учётом этого, можно утверждать, что современная номенклатура светодиодов полностью перекрывает видимый диапазон спектра излучения.

Основные светотехнические характеристики светодиодов: осевая сила света, пространственное распределение излучения (см. рисунок 8).



Рисунок 8. Пространственное светораспределение светодиодов в зависимости от угла излучения светодиода

К электрическим параметрам светодиодов, в первую очередь, относится: прямой ток и напряжение зависимость между которыми для некоторых типов светодиодов приведена на графиках (см. рисунок 9).

Рисунок. 9. Вольт-амперная характеристика светодиода

Высокая надежность -- одно из основных достоинств светодиодов. В настоящее время подробно изучены причины, виды и механизмы отказов светодиодов, разработаны методы расчетов надежности и ускоренных испытаний. Расчеты показали, что вероятность безотказной работы светодиодов после 10 0000 часов эксплуатации составляет при температуре +45 °С 98,91 %.

Расчетное время безотказной работы светодиодов при +30°С составляет 42 года, ускоренные испытания дали результат 36 лет.

Изучение ухудшения светового потока светодиодов в процессе эксплуатации показало, что при токе 30 мА в течение 8000 часов произошло уменьшение светового потока на 8,5% при температуре +55°С и на 13,3% при температуре -40°С, при эксплуатации светодиодов уменьшение силы света при повышенной температуре +55°С и токе 50 мА составило 20% через 15 000 часов, при этом прогнозируемое уменьшение силы света в таких экстремальных условия не превысит 25% через 10 000 часов.

Стоимость аппаратуры на светодиодах в среднем больше в 2...4 раза стоимости аппаратуры на традиционных источниках света, однако за счет уменьшения эксплуатационных расходов на обслуживание, увеличения долговечности (100 000 часов), срока службы (15-25 лет), полной совместимости с любыми пер-вичными источниками электропитания применение светодиодов экономически оправдано.

В связи с выше сказанным, применение, в перспективе, светодиодов в светосигнальной аппаратуре для автомобилей, получит широкое распространение: это габаритные огни, сигналы поворота, заднего хода, т.е. все световые сигналы красного (оранжевого), желтого и белого цвета для наружного освещения и приборы внутреннего освещения. Светодиоды в настоящее время уже применяются практически во всех типах фонарей дополнительного сигнала торможения.

По этой причине снижение аварийности и повышение безопасности может быть достигнуто, в частности, путем коренного совершенствования этой аппаратуры.

В применяемой в настоящее время автомобильной системе освещения используются традиционные источники света. Они имеют долговечность до 3000 часов (в зависимости от режимов нагрузки) и характеризуются светоотдачей (неотфильтрованное излучение) от 8 -15 лм на 1 Вт потребляемой электрической мощности.

Низкая надежность и большое энергопотребление системы освещения, используемой в настоящее время, требуют разработки и организации производства аппаратуры нового поколения с существенно лучшими технико-экономическими характеристиками.

Преимущество СИД состоит в их надежности, низкой энергоемкости, быстрорастущей эффективности, малых габаритах и хороших световых характеристиках. Исходя из всего этого, можно говорить об идеальном источнике света, у которого всего один недостаток - его высокая стоимость по сравнению с традиционными источниками. Но цена постоянно снижается и, вполне возможно, что уже в ближайшем будущем СИД станут основными источниками света в автомобильной светотехнике.

Применение светодиодов в автомобилях.

Сегодня одна из самых перспективных сфер применения светодиодов -- это автомобилестроение. Впервые об использовании светодиодов в автомобилях задумались в конце 1980-х. Но только в 90-х годах автомобили со светодиодным наружным и внутренним освещением стали сходить с конвейеров крупнейших автомобильных концернов. Первый шаг в этом направлении сделала компания Hewlett-Packard, создав светодиодную лампу для освещения салона автомобиля. С тех пор в мировом автомобилестроении начался настоящий светодиодный бум. Сначала, правда, эти источники света использовались лишь на самых дорогих машинах представительского класса -- таких как Mercedes-Benz, BMW, Audi. Но сегодня светодиоды проникли и в массовые классы машин -- Volkswagen, Mitsubishi, Toyota активно оснащают светодиодами свои модели.

Задние фонари получили светодиоды одними из первых. Преимущества диодных источников света в этом качестве очевидны -- они светят ярче, чем обычные лампы накаливания, и потому их использование серьезно повышает безопасность передвижения. Кроме того, светодиоды более долговечны, надежны и потребляют меньше энергии. А в стоп-сигналах светодиоды реагируют на нажатие тормозной педали раньше, чем лампочки накаливания, что может помочь предотвратить удар сзади на высокой скорости.

Светодиоды начинают активно использовать и в передних фарах автомобилей. Уже многие концепт-кары могут похвастаться тем, что дорогу спереди им освещают мощные диодные источники. Например, на концепт-каре Audi Le Mans головной свет обеспечивают 34 светодиодных модуля. Причем в повороте и при маневрировании электроника активирует дополнительные светодиоды на внешней границе фары, и прежде «слепые» участки дороги оперативно освещаются. Наконец, светодиоды в автомобилях -- это новые возможности для автомобильных дизайнеров. Маленькие, легко помещаемые в любое место, лампочки уже сейчас позволят создавать автомобильные фары в виде причудливых линий и форм. Так, на том же концепт-каре Audi Le Mans габаритные огни и стоп-сигналы представляют собой стильную и оригинальную комбинацию из светодиодных кругов и колец.

1. Конструкторская часть

Противотуманные фары, создают освещение для езды в тумане, снегопаде, облаках пыли и других тяжелых условиях. Они характеризуются низким расположением и специальным светораспределением: световой пучок этих фар имеет весьма широкий угол рассеяния - от 70 до 90 градусов, и резко ограничен горизонтальной плоскостью проходящей через центр фары, чтобы избежать освещения частицы тумана выше этой плоскости. Противотуманные фары часто снабжаются желтым рассеивателем, срезающим фиолетовую и голубую части спектра, в очень легких влажных или пылевых туманах, диаметр частиц которых соизмерим с длиной световых волн, обнаруживается селективное поглощение и лучи с большей длиной волны лучше проникают через туман. В обычных влажных туманах, диаметр капелек значительно больше длины световых волн и доходит до 10 мкм, поэтому в странах, в которых преобладают средние и густые туманы, применяются, как правило, белый свет противотуманных фар.

Применение противотуманных фар полезно и при нормальной прозрачности атмосферы для освещения крутых поворотов, например на горных дорогах, магистралях и трассах с плохой освещенностью, или при въезде в ворота.

1.1 Источники света

Рис . 1.1 Вакуумная лампа накаливания



1.1.1 Лампы накаливания

Самые простые из всех существующих ныне приборов автомобильного освещения - это классические лампы накаливания (см. рисунок 1.1), сменившие на автомобиле в начале прошлого века пропановые горелки. Свой нынешний вид их и с тех пор сохраняется сложившийся стандарт. Прежде всего это неизменная для всех ламп накаливания заполненная вакуумом герметичная стеклянная колба, где располагается вольфрамовая нить.

1.1.2 Галогеновые лампы

Рисунок 1.2 Двухнитевая галогеновая лампа стандарта H4

Галогеновые лампы (см. рисунок 1.2) - это, в сущности, все та же классическая лампа накаливания, а точнее ее усовершенствованная разновидность. При сохранении общей конструкции (колба, нити, экран) наполнение у этой лампы немного другое: вместе с инертным газом в изготовленную из тугоплавкого прочного стекла колбу под давлением вводятся дополнительные химические элементы - галогены (отсюда и название), как правило, пары брома или йода. Такое наполнение позволило, прежде всего, повысить температуру нити накаливания, отчего появилась возможность существенно увеличить светоотдачу - если у обычных ламп она составляет порядка 15 лм/Вт, то для галогенных ее уровень более 25 лм/Вт, что выше на 66%, причем спектр галогенных ламп оказался ближе к спектру дневного света. Последнее позволяет разработчикам без ущерба для яркости создавать путем напыления на стекло колбы специальных составов лампы различных цветовых решений. И таким образом сегодня производятся галогеновые лампы в самой широкой гамме оттенков света: золотисто-желтые, бело-желтые, белые, бело-голубые, бело-зеленые - на любой вкус. При этом, по сравнению с обычной лампой, у галогеновой лампы в среднем в 1.5-2.5 раза повысился ресурс, поскольку испаряющийся вольфрам спирали вступает в соединение с галогенами, которое в свою очередь распадается таким образом, что вольфрам частично возвращается на спираль. И наконец, на галогеновых лампах проявилась и забота об окружающих - лампы для современных фар с пластиковым рассеивателем, через который проходит вредный ультрафиолет. По требованию европейских стандартов они изготавливаются из стекла, не пропускающего часть спектра излучения (маркировка "UV-Blоck" или "UV-Stop").

Повышение температуры нити вместе с увеличенной светоотдачей привело и к непосредственному увеличению температуры прибора, что отнюдь не полезно для рассеивателя и отражателя фары. Это напрямую ставит галогенную лампу в зависимость от качества изготовления, когда даже небольшая технологическая оплошность сильно влияет на ее надежность. Имея повышенную яркость, ГЛ лампы требуют правильной установки экрана и фокусировки нитей, иначе даже при ближнем свете встречные водители могут быть ослеплены.

Рисунок 1.3 Газоразрядная ксеноновая лампа

1.1.3 Газоразрядные лампы

Сейчас на современный автомобиль пришла газоразрядная лампа - "ксеноновая лампа" (см. рисунок 1.3). В ней, в отличие от лампы накаливания, свет образуется совершенно по-иному: его получают не путем разогрева электротоком нити, которая, раскаляясь, начинает светиться, а принципиально другим способом - электрическим разрядом между электродами. Отсюда и техническое название ксеноновой лампы - газоразрядная, английская аббревиатура "HID" (High Intensity Discharge). Конструктивно HID-лампа представляет собой герметичную колбу из термостойкого стекла, заполненную под давлением смесью инертных газов, включающих ксенон, где на расстоянии помещаются два электрода, через искровой промежуток. К бортовой сети каждая лампа подключается через специальный "запальный" блок - контроллер, поскольку, чтобы инициировать между электродами электрический разряд, испускающий свет, необходимы "стартовые" импульсы высокого (до 25 000 В) напряжения, и, соответственно, устройство, способное генерировать эти импульсы. Для устойчивой работы используют генератор импульсов с частотой 600Гц. Поскольку HID-лампа может иметь только один разрядный промежуток, то для разделения потока на "ближний" и "дальний" свет в современных системах, получивших название "биксеноновых", каждая фара снабжается также специальным подвижным экраном с шаговым сервоприводом. Он, занимая определенное положение, управляет формой светового потока. Либо подвижной делается сама лампа, поочередно занимающая фокус ближнего или дальнего света внутри отражателя. Новый метод получения света дал возможность сделать фары гораздо более яркими и вместе с тем снизить энергопотребление: светоотдача газоразрядной лампы составляет порядка 65 лм/Вт против 25 лм/Вт у ГЛ лампы накаливания при потребляемой мощности в 35 Вт против 55 Вт у галогеновой лампы. Отсутствие у газоразрядных ламп перегорающих спиралей приводит к значительнейшему росту срока их службы, составляющему около 4000 часов, что в среднем в 10 раз больше срока службы галогеновой лампы.

Рисунок 1.4 Сравнительная характеристика освещенности

На рисунке 1.4 показаны сравнительные характеристики фар ближнего света с применением ксеноновой лампы и стандартной галогеновой лампы. Основными недостатком "ксенонового света" можно отметить следующее: сложность его устройства и высокая цена. Вообще, принцип "чем проще - тем лучше" более приложим к механизмам, нежели к электронике, все прогрессивное развитие которой в целом идет по пути усложнения ее устройств и алгоритмов работы. Это, как правило, способствует повышению ее надежности при условии точного соблюдения технологии изготовления. В отличие от галогеновых ламп накаливания, которые можно выбрать и поставить самому, сложный "ксеноновый свет” необходимо ставить в сервис-центре или на станции специализированной фирмы, поскольку для "ксенона", как для особо яркого и способного сильно слепить встречных, нужна тщательная регулировка фар, которую сразу на СТО и сделают. На ряду с выше перечисленным, ГЛ имеют еще один существенный недостаток - спекр излучения(470Нм),несоответствующий максимальной чувствительности человеческого глаза (555 Нм).По закону Релея интенсивность рассеиваемого света определяется по формуле 1.1:



Iрасс ~ 1/? 4 1.1

Из этого видно, что уменьшение длинны волны увеличивает рассеяние на микронеровностях - это является весомым недостатком так как приводит к повышенному ослеплению и рассеянию.

1.1.4 Перспективные источники освещения

В течение последнего десятилетия научные достижения в области полупроводниковых технологий дали возможность использовать светоизлучающие диоды (СИД) во многих отраслях промышленности, в том числе и автомобильной светотехнике. Они стали главными конкурентами для традиционных источников света в автомобиле (ламп накаливания, галогенной лампы и т.д.) Первые СИД излучали лишь почти монохромный красный, зеленый или желтый свет, что способствовало постепенной монополизации ими рынка индикаторов. В середине 1990-х годов появились белые и синие светодиоды, и лишь тогда впервые зашла речь об использовании светодиодов как вероятной альтернативы существующим источникам света. Благодаря этому их светоотдача очень высока. Для получения аналогичного по яркости света светодиод затрачивает на 80 с лишним процентов меньше мощности, чем лампа накаливания. Немаловажно, что светодиоды имеют светоотдачу (отношение яркости к затраченной мощности) - до 300 люмен/Вт, а так же способны достигать большой цветовой температуры, сравнимой с характеристиками газоразрядных ксеноновых HID-ламп, что делает их потенциальными источниками света и для головной оптики автомобилей. Светодиоды не имеют изнашиваемых элементов конструкции. Они влаго- и пыленепроницаемые, не подвержены вибрации. Все это делает их весьма долговечными ( 20- 50 тыс. часов). Но это не в пример выше других ламп. В отличие от электроразрядных источников света, светодиоды не требуют для своей работы никаких дополнительных пусковых устройств, что весомо облегчает работу с ними, но стоит отметить, что для устойчивой работы светодиодов ток необходимо стабилизировать. Для этого применяют стабилизаторы. Но эти устройства куда проще балластов газоразрядных ламп. Миниатюрный их размер позволяет воплощать практически любые дизайнерские идеи. А тот факт, что светодиоды - это низковольтный электроприбор (до 15 В, до5 А), делает работу с ними безопасной. Еще один важный момент. Газоразрядные лампы для начала работы требуют некоторое время. Даже обычным лампам накаливания для того, чтобы нить накалилась и стала выдавать необходимый свет, требуется время. Светодиоды же срабатывают на 0,2 секунды быстрее. Преимущество СИД состоит в их надежности, низкой энергоемкости, быстрорастущей эффективности, малых габаритах и хороших световых характеристиках. Исходя из всего этого, можно говорить о высокоэффективном источнике света, у которого весомый недостаток - его высокая стоимость по сравнению с традиционными источниками. Уже сегодня предлагается несколько типов построения оптической схемы фар на светодиодах.

1.2 Характеристики светодиодов

1.2.1 Яркость

Первые поколения белых светодиодов имели очень низкую яркость (0,8 кд/мм при температуре перехода 25 °С). Если сравнивать с традиционными источниками света, то световой поток галогенной лампы Н7 - 21 кд/мм газоразрядной лампы 62 кд/мм . Яркость это слабое место светодиодов. Для получения хорошего значения ближнего света, необходимо максимальное значение интенсивности 22 000 кд. Для соответствия требованиям, минимальная площадь освещаемой поверхности должна быть 130 см. Последние новинки полупроводниковой технологии показывают существенное увеличение этой характеристики (от 3 до 9 кд/мм), поэтому уже вполне возможно использовать их для головного света.

1.2.2 Эффективность

При использовании светодиодных фар энергопотребление уменьшается. В 2005 г. эффективность 1Вт светодиода достигает 60 лм/Вт, а 2 ВтW приблизительно 50 лм/Вт (см. рисунок 1.5). Сейчас эффективность белого светодиода по данным на 2009 год составляет 130 Лм/Вт. Эффективность галогенной лампы Н7 - 20 лм/Вт, а газоразрядной DXS 90 лм/Вт. Таким образом, эффективность светодиодов превышает эффективность галогенных ламп, газоразрядных ламп, что непосредственно говорит о целесообразности их применения.

Рисунок 1.5 Диаграмма роста эффективности белых светодиодов в период 1990-2010 гг.

1.2.3 Световой поток

В течение нескольких лет, целью производителей светодиодов было увеличение светового потока. Из-за длинного цикла развития, величина светового потока еще только достигла необходимого значения для применения их в фарах головного освещения.

Суть проекта заключается в подготовке и освоении серийного производства нового поколения фар транспортных средств и сельскохозяйственных машин, представляющего собой типовые унифицированные ряды фар уменьшенных габаритов, светотехнические характеристики которых соответствуют принятым международным стандартам (Правилам № 19 ЕЭК ООН) при использовании принципиально нового типа источников света минимальной мощности

1.3 Методы формирования светового потока

В современной автомобильной промышленности остается нерешенной проблема формирования и перераспределения светового потока, полученного от источника света. Порой потери на преобразование и перенаправление достигают 38% от общей мощности излучателя.

Рис 1.6 Нормы для света противотуманных фар по Правилу 19 ЕЭК

Нормы светораспределения противотуманных фар. Светораспределение противотуманных фар различных фирм разнообразно. Общим является низкое расположение этих фар и резкое ограничение лучей, проходящих выше горизонтальной плоскости, проведенной через центр фары. Поэтому нормы светораспределения противотуманных фар, установленные Правилом 19 ЕЭК и приведенные на рис., представляют собой, по-видимому, компромисс, охватывающий характеристики различных существующих конструкций противотуманных фар. Они устанавливают весьма малую силу света в направлениях выше горизонтальной плоскости проходящей через центр фазы; а также регламентируют лишь центральную часть светового пучка в пределах приблизительно ±3° по горизонтали, тогда как световой пучок противотуманных фар имеет широкий угол горизонтального рассеяния до ±45°.

Световой пучок фары может быть сформирован прожекторным или же проекторным способом. Более известный прожекторный способ обеспечивает концентрацию светового потока источника отражателем и его перераспределение в соответствии с заданным режимом освещения рассеивателем. Для концентрации светового пучка при таком методе формирования применяется параболоидный отражатель с круглым или же прямоугольным (усеченным) отверстием.

В качестве преломляющих элементов применяются цилиндрические, сферические и эллипсоидные линзы, призмы и линзы-призмы. В зависимости от преломляющей структуры рассеивателя добиваются как перемены формы светового пучка, так и силы света во всевозможных направлениях светораспределения.

Формирование важной структуры светового пучка обеспечивается тоже изменением положения тела накала сравнительно фокальной точки отражателя.

Отраженные от параболоида лучи идут узким пучком параллельно оптической оси, в случае если в фокусе F отражателя помещен точечный источник света. Нить накала лампы имеет конечные размеры. Технологически нельзя обеспечить точную геометрическую форму параболоида отражателя и у него вместо фокуса имеет место фокальная область. В следствии этого в фарах отраженные лучи представляют собой слабо расходящийся пучок света.

Но нельзя забывать о том, что при формировании светового пучка в современных проекторных системах освещения часто используют экран, с помощью которого лишнюю часть светового потока усекают, что в свою очередь позволяет добиться требуемой картины светораспределения, однако этот способ имеет существенный недостаток - часть светового потока не используется, этим и обусловлен большой процент потерь.

Технологии идут вперед, российскими учеными разработана принципиально новая система формирования светораспределения. Ее основу составляет применение в качестве сегмента системы светопреобразования фокона - волоконнооптического конвертора.

Оптическое волокно состоит из световедущей сердцевины, окруженной оболочкой, у которых разные показатели преломления.

Оба элемента производятся из кварцевого стекла с высокой степенью очистки. Полученное в процессе вытяжки оптическое волокно затем покрывается одним или двумя слоями защитного пластикового покрытия, распространенным материалом для которого является акрилат. От покрытия зависит прочность волокна. В основе распространения света по сердечнику лежит принцип полного внутреннего отражения, который реализуется за счет того, что коэффициент преломления сердечника выше коэффициента преломления оболочки.

Оптическое волокно представляет собой цилиндр из легированного кварцевого стекла. Для передачи сигналов используются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. Название волокна получили от способа распространения излучения в них. В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8-10мкм, то есть сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч - одна мода (см. рисунок 1.7)

Рисунок 1.7

Рисунок 1.8



В многомодовом волокне размер световодной жиды порядка 50-60мкм, что делает возможным распространение большого числа лучей (много мод) (см. рисунок 1.8).

Оба типа волокна характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, а на рассеяние - от неоднородностей показателя преломления материала (см. рисунок 1.9).

Рисунок 1.9 Зависимость затухания от длины волны

Другой важнейший параметр оптического волокна - дисперсия. Дисперсия - это рассеяние во времени спекртальных и модовых составляющих оптического сигнала. Существует три типа дисперсии:

модовая дисперсия - присуща многомодовому волокну и обусловлена наличиембольшого числа мод, время распространения которых различно.

материальная дисперсия - обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны.

волноводная дисперсия - обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.

Среди геометрических параметров ОВ выделяют параметры кварцевого световода и параметры покрытия. Первые являются наиболее существенными и определяют тип световода. Наиболее важный параметр ОВ - диаметр сердцевины, поскольку геометрические размеры и профиль показателя преломления сердцевины определяют модовый состав ОВ. Под диаметром сердцевины понимают диаметр центральной области ОВ с высоким значением показателя преломления. Под диаметром сердцевины понимают диаметр по уровню 0.1 от максимального значения коэффициента преломления (на оси ОВ). Структура ОВ с указанием типичных параметров показана на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10 Структура оптического волокна

К оптическим параметрам ОВ отнесем следующие характеристики:

- коэффициент (показатель) преломления сердцевины и оболочки

- разность показателей преломления

- относительная разность показателей преломления

- групповой показатель преломления, эффективный групповой показатель преломления

...