Dioda LED w motoryzacji

Od zasady działania po współpracę z CANBus

Dioda LED (Light Emitting Diode) to półprzewodnik, który emituje światło, gdy przepływa przez niego prąd w odpowiednim kierunku. Światło powstaje na skutek rekombinacji elektronów i dziur w półprzewodniku – to tzw. luminescencja elektroluminescencyjna.

W dużym uproszczeniu dioda LED zbudowana jest z dwóch warstw półprzewodnika. Jedna warstwa ma nadmiar elektronów, natomiast druga ich niedobór, czyli tzw. dziury. Kiedy do diody LED zostanie podłączone napięcie, elektrony z pierwszej warstwy przeskakują na drugą i gdy napotkają dziurę łączą się z nią w wyniku czego wydziela się energia w postaci fotonu czyli światło. To właśnie jest zjawisko elektroluminescencji.

Obecnie jednym z najciekawszych i najbardziej zaawansowanych rozwiązań stosowanych w retrofitach LED są chipy wykonane w technologii CSP. CSP to skrót od Chip Scale Package – oznacza diodę LED, której rozmiar niemal odpowiada samemu chipowi świecącemu. Dzięki temu rozwiązaniu dioda jest wyjątkowo mała i lekka. Dlaczego właśnie CSP, a nie na przykład SMD (Surface Mounted Device) czy COB (Chip on Board)?

Odpowiedź jest stosunkowo prosta: CSP to nowoczesna, ultrakompaktowa technologia, która łączy w sobie wysoką wydajność, oszczędność miejsca oraz niezawodność. To właśnie te cechy stanowią jej przewagę nad innymi rozwiązaniami.

Mimo bardzo małych rozmiarów potrafi świecić bardzo jasno (np. z CSP LED 1860 można uzyskać strumień świetlny do 1800 lumenów). Pozwala uzyskać szeroki kąt świecenia, jak również dzięki swojej konstrukcji (nie ma plastikowej obudowy, która mogłaby się uszkodzić – to sprawia, że dioda jest bardziej odporna na wstrząsy i długotrwałą pracę). Dodatkowo CSP wyróżnia specjalna konstrukcja, gdzie chip jest połączony bezpośrednio z anodą i katodą, dzięki czemu prąd rozpływa się równo w strukturze. Pozwala to na lepsze oddawanie ciepła i zwiększa odporność termiczną oraz dzięki zastosowaniu cienkiej warstwy luminoforu uzyskujemy światło, które jest jednolite i nie ma przebarwień.

Czym różni się światło z LED’a od światła z żarówki?

Światło LED od światła z tradycyjnej żarówki różni w zasadzie wszystko. Zacznijmy od sposobu w jaki powstaje strumień świetlny. W tradycyjnej żarówce światło powstaje przez rozgrzanie cienkiego drucika (żarnika wolframowego) do bardzo wysokiej temperatury (ok. 2000–3000°C). W żarówce LED (dioda elektroluminescencyjna) strumień świetlny powstaje w wyniku zjawiska elektroluminescencji – przepływający prąd powoduje świecenie półprzewodnika bez konieczności wysokiej temperatury.

Drugą rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę to wydajność energetyczna. Tradycyjna żarówka ma bardzo niską wydajność co wynika przede wszystkim z faktu, iż większość zużywanej energii zamienia się na ciepło, a nie na światło. Z kolei źródło światła jakim jest LED ma zdecydowanie większą wydajność energetyczną dzięki czemu zużywa mniej energii przy tej samej ilości emitowanego światła.

Kolejną cechą, która różni standardową żarówkę od żarówki LED jest żywotność. W tym przypadku warto podkreślić, iż różnica jest ogromna. Trwałość tradycyjnego halogenowego źródła światła szacuje się zwykle od 300 – 600 godzin, natomiast żywotność diody LED to od 3000 – 30000 godzin.

Widoczną różnicą między światłem żarówki halogenowej, a LED to temperatura barwowa nazywana potocznie barwą światła. Tradycyjne żarówki mają żółtawą barwę światła a ich temperatura barwowa oscyluje w okolicy 3000 Kelvinów. Światło LED może mieć dowolną barwę światła od bardzo ciepłej (2000K) do bardzo zimnej (6500K) w zależności od zastosowania.

Warto w tym miejscu wspomnieć o ekologii, czyli bardzo modnym w ostatnim czasie temacie. W tym kontekście bardziej przyjazne środowisku są rozwiązania LED-owe, gdyż zużywają mniej energii a po zużyciu pozostawiają mniej odpadów.

Co to jest i jak działa CAN bus - jaka jest jego rola w sieci CAN?

Magistrala CAN to mówiąc w skrócie skaner instalacji pojazdu. Została opracowana przez firmę Bosch w latach 80. XX wieku, aby umożliwić komunikację między różnymi modułami elektronicznymi bez konieczności korzystania z centralnego komputera. Jej głównym zadaniem jest poszukiwanie błędów i sprawdzanie poprawności działania poszczególnych elementów instalacji w czasie rzeczywistym.

CAN bus (Controller Area Network bus) to zaawansowany system komunikacji sieciowej stosowany w motoryzacji, który umożliwia wymianę danych między różnymi modułami elektronicznymi w pojeździe bez konieczności stosowania centralnego komputera. Jego główną zaletą jest to, że pozwala na bezpośrednią komunikację między wieloma sterownikami (ECU - Electronic Control Units) co oznacza, iż każdy moduł może przesyłać i odbierać dane przy jej wykorzystaniu. Dzięki temu CAN bus pozwala na redukcję okablowania ponieważ zamiast prowadzenia oddzielnych przewodów do każdego modułu, jeden przewód magistrali może obsługiwać wiele sygnałów. Dodatkowymi zaletami są również szybkość i niezawodność (jest to system odporny na zakłócenia elektromagnetyczne i może działać w trudnych warunkach, jak również zapewnia szybki transfer danych, co jest kluczowe dla funkcjonowania nowoczesnych systemów w pojazdach).

Jego główne zastosowania w motoryzacji to silnik i układ napędowy (m.in. moduły sterujące silnikiem, skrzynią biegów), systemy bezpieczeństwa (np. ABS, ESP czy system kontroli trakcji) oraz możliwość kompleksowej diagnostyki pojazdu.

Współpraca z instalacją CAN?

Retrofit LED w kontekście oświetlenia samochodowego często spotyka się z problemami współpracy z instalacjami CAN bus. Istnieją dwa główne problemy z kompatybilnością retrofitów z magistralą CAN bus. Pierwszym jest ich niskie zużycie energii w porównaniu z tradycyjnymi żarówkami halogenowymi co może zostać zinterpretowane jako uszkodzenie żarówki lub jej brak. Skutkuje to wyświetleniem błędów na desce rozdzielczej co może być irytujące dla kierowcy. Drugi to nieprawidłowe działanie instalacji oświetleniowej po zamontowaniu retrofitu LED, co w niektórych przypadkach może powodować migotanie lub nieprawidłowe działanie świateł (system CAN bus nie jest w stanie prawidłowo rozpoznać LED jako odpowiedniego źródła światła). Samochody z systemem CAN bus często monitorują i kontrolują wszystkie podzespoły, w tym oświetlenie i jeśli retrofit LED nie jest kompatybilny, system może wyświetlać błędy.

Co z innymi żarówkami?

Retrofity to nie tylko zamienniki żarówek w światłach mijania i drogowych. Czy w pozostałych żarówkach także mamy do czynienia z takimi zagadnieniami Na początku warto doprecyzować co tak naprawdę kryje się pod nazwą retrofit. W motoryzacji retrofit oznacza modernizację lub doposażenie pojazdu w nowe technologie, które nie były dostępne w momencie jego produkcji. Chodzi o wprowadzenie zmian technicznych w istniejącym pojeździe, aby spełniał nowe wymagania, normy lub oferował nowe funkcje.

W kontekście samego oświetlenia, retrofit oznacza modernizację istniejących opraw oświetleniowych przez wymianę źródła światła (np. żarówki) na nowocześniejsze i bardziej energooszczędne – najczęściej LED – bez konieczności wymiany całej oprawy. Słowo retrofit w motoryzacji najczęściej kojarzone jest oświetleniem głównym czyli światłami mijania czy drogowymi. Pojęcie to jednak jest znacznie szersze i dotyczy wszystkich żarówek, które możemy znaleźć w każdym samochodzie, zarówno wewnątrz i jak i na zewnątrz pojazdu.

Problemy związane z retrofitami LED nie ograniczają się tylko do świateł mijania czy drogowych – dotyczą także innych żarówek w samochodzie, szczególnie tam, gdzie instalacja elektryczna jest kontrolowana przez system CAN bus (najczęściej dotyczy oświetlenia zewnętrznego).
Problemy związane ze zmianą oświetlenia na LED objawiają się różnie w zależności od funkcji pełnionej w oświetleniu zewnętrznym samochodu. I tak w przypadku kierunkowskazów i wymiany tradycyjnej żarówki na retrofit głównym i najczęściej występującym problemem jest zbyt szybkie miganie tzw. hyperflash. Często również na desce rozdzielczej może pojawić się komunikat o spalonej żarówce. Podobny błąd możliwy jest również w odniesieniu do świateł postojowych/pozycyjnych (dodatkowo retrofit może mrugać po włączeniu), oświetlenia tablicy rejestracyjnej, jak również świateł stopu. Dodatkowo w tym ostatnim przypadku możemy się spotkać z brakiem ostrzeżenia o przepalonej żarówce. W normalnych warunkach, jeśli jedna żarówka stopu się spali, komputer powinien ostrzec kierowcę. W przypadku jeśli jednak jedna z użytych żarówek to retrofit LED, a druga halogen – system może nie wykryć problemu w ogóle. W przypadku świateł cofania poza wspomnianym już wyświetleniu komunikatu na desce rozdzielczej mogą pojawić się także problemy z zakłóceniami w kamerze cofania
(LED generuje szumy elektromagnetyczne).

Zgoła inaczej wygląda sytuacja w kontekście oświetlenia wnętrza pojazdu jak np. podsufitka czy schowki. W tym przypadku zastosowanie retrofitów  jest znacznie mniej uciążliwe pod względem występujących problemów. Wynika to z faktu, iż oświetlenie wnętrz pojazdu nie jest zazwyczaj podłączone do systemu monitorującego żarówki, więc jego awaria nie wywołuje błędu spalonej żarówki na desce rozdzielczej (wyjątek mogą stanowić nowoczesne lub luksusowe pojazdy)