Światła do jazdy dziennej LED

Światła do jazdy dziennej z diodami świecącymi LED
 

Całodobowe używanie świateł mijania, choć ważne ze względu na bezpieczeństwo, oznacza rocznie w skali kraju dziesiątki milionów litrów dodatkowo spalonej benzyny. Głównie ze względów ekologicznych, należałoby zatem stosować światła do jazdy dziennej, które mogą pobierać nawet 95% mniej mocy niż światła mijania. W pracy, na podstawie wymaganej bryły fotometrycznej światłości świateł do jazdy dziennej, wyznaczono wymaganą wartość strumienia świetlnego oprawy. W oparciu o wyniki obliczeniowe oraz pomiarowe parametrów diod świecących LED o małej mocy i wąskim kącie świecenia zaprojektowano i skonstruowano model oprawy świateł do jazdy dziennej.

Wprowadzenie

Od 17 kwietnia 2007 r., zgodnie z Ustawą z dnia 7 marca 2007 r. o zmianie ustawy - Prawo o ruchu drogowym (Dz. U. 2007 r., Nr 57, poz. 381), "kierujący pojazdem jest obowiązany używać świateł mijania podczas jazdy w warunkach normalnej przejrzystości powietrza." Dopuszczone jest rozwiązanie alternatywne: "w czasie od świtu do zmierzchu w warunkach normalnej przejrzystości powietrza zamiast świateł mijania kierujący pojazdem może używać świateł do jazdy dziennej." Problem celowości używania świateł w dzień jest szeroko poruszany i w zasadzie nikt nie powinien mieć wątpliwości, że światła do jazdy dziennej poprawiają bezpieczeństwo na drogach [1]. Zagadnienie dodatkowych kosztów paliwa i aspektów ekologicznych jest już poruszane w różny sposób w zależności od tego, czy chce się udowodnić tezę, że przepis ten praktycznie nie wpływa na zużycie benzyny, czy też tezę odwrotną [2]. Używane powszechnie światła mijania z żarówkami o mocy 55 W to dodatkowa moc 110 W, która w porównaniu z mocą silników nawet małych samochodów rzeczywiście wydaje się niewielka. Chcąc oszacować dodatkowe roczne koszty dziennego używania świateł mijania należy przyjąć wiele założeń wstępnych.

Zakładając, że roczny przebieg pojazdu wynosi 15 000 km, 4/5 czasu jazdy odbywa się w dzień, średnia prędkość poruszania się 60 km/h, otrzymuje się dodatkowy czas używania świateł mijania wynoszący 200 godzin i dodatkową energię 22 kWh. Energia ta musi zostać wytworzona przez alternator napędzany przez silnik. Zakładając 25% sprawność przetwarzania energii spalania benzyny w energię elektryczną otrzymuje się 88 kWh energii otrzymane ze spalonej benzyny. Przy cieple spalania benzyny wynoszącym 500 MJ/kg (13,9 kWh/kg) zużyta energia odpowiada 6,3 kg benzyny, czyli ok. 8,5 l (ciężar właściwy benzyny - 0,75 kg/l). Przeciętny użytkownik samochodu, przy koszcie benzyny wynoszącym 4,5 zł/l, poniesie rocznie dodatkowe koszty benzyny wynoszące tylko 38 zł. Nawet przy zwiększeniu zakładanego dodatkowego czasu używania świateł mijania (np. przy ruchu w zatłoczonym mieście), doliczeniu kosztów używania świateł pozycyjnych, które również muszą się świecić i kosztów żarówek, które muszą być częściej wymieniane, dodatkowe koszty wyniosą 100÷200 zł rocznie [2].

Przedstawione wyliczenia wskazują, że w porównaniu z rocznymi kosztami użytkowania pojazdu koszt dodatkowego używania świateł mijania jest niewielki. Czy zatem instalowanie świateł do jazdy dziennej może się opłacać? Zanim dokona się dalszych obliczeń dla pojedynczego pojazdu, należy naświetlić problem całodobowego używania świateł mijania z innego punktu widzenia. W skali gospodarki narodowej, w której na koniec 2005 roku zarejestrowanych było ok. 12,3 mln samochodów osobowych [3], i w której rocznie przybywa ponad 1 mln pojazdów, ilość spalanej dodatkowo benzyny wyniesie ponad 100 mln litrów. Pomijając dodatkowy koszt benzyny wynoszący rocznie ok. 500 mln złotych, to w takim stopniu wzrośnie również zanieczyszczenie powietrza.

Z przedstawionych rozważań wynika, że zagadnienie używania świateł do jazdy dziennej powinno być szerzej naświetlone zarówno ze strony ekonomicznej, jak i ekologicznej. Na rynku dostępne są światła do jazdy dziennej z żarówkami 2x21W, co już daje 60% oszczędności zużytej energii, czyli również spalonej benzyny. Oprawy te choć tanie, nie rozwiązują np. problemów z częstszą wymianą żarówek. Dostępne są również światła do jazdy dziennej z diodami świecącymi LED (Light Emitting Diode) o dużej mocy, które zużywają 5,5W, oszczędzając 95% energii. Niestety są one bardzo drogie (kilkaset złotych) i przez to, zgodnie z przedstawioną skalą potencjalnych oszczędności, nieopłacalne.

W pracy, na podstawie wymaganej bryły fotometrycznej światłości świateł do jazdy dziennej [4,5], wyznaczono wymaganą wartość strumienia świetlnego oprawy. W oparciu o wyniki obliczeniowe oraz pomiarowe parametrów diod świecących LED o małej mocy i wąskim kącie świecenia zaprojektowano i skonstruowano model oprawy świateł do jazdy dziennej.

Wymagania fotometryczne stawiane światłom do jazdy dziennej

Wszelkie wymagania dotyczące świateł do jazdy dziennej zawarte są w Regulaminie 87 Porozumienia ONZ dotyczącego pojazdów samochodowych [4,5]. Większość dostępnych obecnie świateł do jazdy dziennej spełnia wymagania, które obowiązywały do 7.08.2007 [4] (rys. 1). W osi świecenia (na przecięciu płaszczyzny poziomej H i pionowej V) wymagana wartość światłości wynosiła od 400 cd do 800 cd. Rozsył światłości w innych kierunkach określony jest w postaci minimalnych procentowych wartości światłości osiowej. Oprawa taka powinna charakteryzować się polem powierzchni nie mniejszym niż 40 cm2.

Wprowadzone od 7.08.2007 w Załączniku 5 [5] zmiany potwierdzają, że światła jazdy do dziennej mają raczej charakter sygnałowy niż oświetlający. Ich głównym celem jest bowiem to, aby były widziane, a nie aby oświetlały drogę. W nowych wymaganiach:

 zwiększono dopuszczalny przedział światłości osiowej od 400 cd do 1200 cd;

 z bryły fotometrycznej usunięto wymagania w płaszczyźnie poziomej 10° w kierunku drogi (w innych kierunkach procentowe wartości pozostały niezmienione);

 wprowadzono wymóg minimalnej wartości światłości (1 cd) w zakresie kątów H-V poza obszarem określonym procentowo;

 zmniejszono dopuszczalną minimalną powierzchnię oprawy do 25 cm2, ale wprowadzono też ograniczenie górne do 200 cm2.

Wymagany strumień świetlny oprawy do świateł dziennych

Wymagania fotometryczne dotyczące świateł do jazdy dziennej przedstawiane są w układzie HV, któremu odpowiada układ kątowy αβ (rys. 3). Chcąc określić minimalną wartość strumienia świetlnego Φmin
, który wymagany jest do spełnienia wymagań fotometrycznych, należy posłużyć się, wyprowadzanym bezpośrednio z definicji światłości [6], wzorem:

gdzie: ΔΦαβ
- elementarny strumień świetlny (w lumenach - [lm]) wysyłany w elementarny kąt bryłowy Δ ώαβ
(w steradianach - [sr]) wyznaczany kątami płaskimi α1 -
α2
i β1

• β2, Iαβ
  - średnia wartość światłości (w kandelach - [cd]) w elementarnym kącie bryłowym Δ ώαβ

W przedstawionym układzie αβ wartość elementarnego kąta bryłowego Δ ώαβ
wyznacza się na podstawie wzoru [7]:

Na podstawie wzorów (1) i (2) wyznaczono niezbędne do spełnienia wymagań fotometrycznych wartości elementarnych strumieni świetlnych ΔΦ w poszczególnych obszarach. Na rysunku 4 przedstawiono czwartą część przestrzeni z przyjętymi do obliczeń wartościami światłości I przy założonej minimalnej dopuszczalnej wartości światłości osiowej wynoszącej 400 cd. W kierunku H = 5°; V = 5° uzupełniono procentowe wymaganie średnią arytmetyczną zawartych w regulaminie wartości występujących najbliżej w płaszczyźnie poziomej i pionowej. Pola zacieniowane dotyczą wymagań, które obowiązywały wcześniej [4], a dodatkowe pola wyznaczono w oparciu o obowiązujące obecnie wymagania rozszerzone [5]. Wprawdzie w wymaganiach rozszerzonych w obszarach dodatkowych wartość światłości ma być nie mniejsza niż 1 cd, to w obliczeniach wartości światłości wyznaczano tak, jak dla pozostałych pól (średnia arytmetyczna z wartości światłości w narożnikach). Wynika to z faktu, że wykonanie oprawy o tak ostrej zmianie krzywej światłości jest praktycznie niemożliwe.

Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że wymagany strumień świetlny, pozwalający spełnić stare wymagania wynosi tylko 28,5 lm (poczwórna suma elementarnych strumieni świetlnych ΔΦ w zacieniowanych polach na rysunku 4). Wartość strumienia świetlnego według nowych wymagań niewiele się różni, gdyż wynosi 28,3 lm. Pozytywną stroną nowych wymagań jest natomiast ograniczenie szerokości wiązki w płaszczyźnie pionowej.

Parametry diod LED użytych do budowy modelu oprawy i projekt oprawy

Celem pracy było zbudowanie modelu oprawy z wykorzystaniem diod świecących LED o małej mocy i wąskim kącie świecenia. Do badań, a następnie budowy modelu, wybrano typowe diody LED barwy białej o małej mocy i średnicy 5 mm. Jedynym deklarowanym (w sklepie elektronicznym) parametrem świetlnym tych diod była ich światłość osiowa, która powinna wynosić 28 cd przy prądzie zasilania 30 mA. Wstępne badania miały na celu wyznaczenie krzywych światłości diod, który to parametr świetlny był podstawą do dalszych prac projektowych. Mierzono 3 diody połączone szeregowo i zasilane prądem 30 mA. Jednoczesne pomiary 3 diod były spowodowane chęcią uśrednienia ich parametrów i odzwierciedlały jedną gałąź docelowej oprawy świateł do jazdy dziennej. Na rysunku 5 przedstawiono względne krzywe światłości badanych diod w 4 położonych co 90° płaszczyznach oraz średnią krzywą światłości uwzględnianą w dalszych obliczeniach. Światłość osiowa 3 diod wynosiła 73,5 cd, czyli jedna dioda miała 24,5 cd, co było wartością o 12,5% mniejszą niż deklarowana. Na postawie zmierzonych krzywych światłości wyznaczono strumień świetlny diod, który wynosił 3,0 lm. Napięcie na 3 diodach wynosiło 9,78 V, z czego wynika, że każda dioda pobierała średnio moc 97,8 mW i miała skuteczność świetlną 30,7 lm/W. Pomimo ciągłej poprawy parametrów świetlnej diod świecących, w przypadku diod LED o małej mocy, ich zmierzona skuteczność świetlna jest niewiele większa niż żarówek halogenowych. Zaletą diod LED jest ich skupiony strumień świetlny, mała moc pozwalająca na kształtowanie bryły fotometrycznej przez ukierunkowanie poszczególnych diod i duża trwałość.

Zmierzona średnia względna krzywa światłości diod LED charakteryzuje się: dla kąta 5° wartością 73,6%, a dla kąta 10° wartością 31,5%. Wynika z tego, że krzywa światłości zastosowanych diod LED spełnia z zapasem wymagania świateł jazdy dziennej w płaszczyźnie pionowej, które wynoszą odpowiednio 70% i 25%. Nie spełnione są jednak wymagania w osi poziomej. Przed przystąpieniem do doboru kątów skręcenia osi diod LED w płaszczyźnie poziomej należało przeprowadzić pomiary pozwalające na ustalenie punktu pracy diod przy jak największym natężeniu prądu. Umożliwiło to użycie jak najmniejszej ilości diod w oprawie. Porównując obliczony poprzednio wymagany strumień świetlny oprawy (28,6 lm) ze strumieniem świetlny jednej diody (3,0 lm) można by dojść do wniosku, że 10 diod LED mogłoby spełnić wymagania. Rozumowanie takie byłoby jednak błędne, gdyż krzywa światłości diod LED jest różna od wymaganej. Biorąc pod uwagę uzyskanie minimalnej światłości osiowej oprawy (400 cd) i zmierzoną wartość światłości osiowej jednej diody (24,5 cd) minimalna ilość diod rośnie do ok. 17 szt.. Ilość ta musi być w praktyce jeszcze większa, gdyż w płaszczyźnie poziomej krzywa światłości oprawy jest szersza niż diod LED. Odpowiednie ukształtowanie krzywej światłości można osiągnąć przez odpowiednie skręcenie osi świecenia diod LED w płaszczyźnie poziomej. W wyniku tego zmniejsza się jednak wartość światłości osiowej. Ustalenie punktu pracy diod dokonano mierząc ich wartość światłości osiowej przy rosnących wartościach natężenia prądu zasilania (rys. 6). Zależność ta przy większych wartościach prądów nie jest liniowa, co związane jest z procesami termicznymi, występującymi w diodzie przy większych mocach. Przy prądzie 55 mA zauważono powolny i nieodwracalny spadek wartości światłości, co oznaczało, że przy takim prądzie pracy czas życia diody wynosiłby tylko kilka godzin. Biorąc pod uwagę uzyskane wyniki (rys. 6) punkt pracy diod ustalono na 40 mA, kiedy to nieliniowość charakterystyki była jeszcze mała i wynosiła 6,1%. Wartość światłości osiowej diody przy tym natężeniu prądu wynosiła 29,54 cd. 

Wyniki symulacji doprowadziły do opracowania dwóch rodzajów opraw o różnych położeniach osi diod LED (rys. 7), których krzywe światłości w płaszczyźnie poziomej  przedstawiono na rysunku 8. Rozwiązanie A, wykorzystujące 8 gałęzi równoległych po 3 diody, cechuje zarówno graniczna wartość światłości osiowej, jak i bliska granicznej wartość światłości w kierunku 20° (23,5%). Rozwiązanie B posiada o jedną gałąź więcej, ale gwarantuje pewniejsze osiągnięcie parametrów normatywnych oprawy.

Model oprawy świateł do jazdy dziennej z diodami LED małej mocy

W modelu oprawy zastosowano, zgodnie z projektem przedstawionym na rys. 7B, 27 diod LED o małej mocy (fot. 1). Zgodnie z pomiarami charakterystyki prądowo-napięciowej, aby otrzymać w diodach LED prąd o natężeniu 40 mA przy zasilaniu napięciem 13,5 V, które jest normatywne w badaniach homologacyjnych, należało łączyć szeregowo 3 diody LED i zastosować opornik o wartości 86 Ω. W praktyce zastosowano 9 gałęzi równoległych po 3 diody LED (fot. 1 - rzędy pionowe) i najbliższy standardowy opornik o wartości 91 Ω.

Podczas pomiarów przez całą oprawę płynął prąd o natężeniu 340 mA, czyli średnio 37,8 mA w każdej z gałęzi. Wartość ta była mniejsza niż założone 40 mA, co spowodowane było zastosowaniem opornika o większym oporze. Mniejsza wartość prądu wpływała na mniejsze wartości światłości. Ponieważ jednak diody zamocowano na płytce drukowanej pokrytej białą folią odbijającą spodziewano się, że odbity strumień świetlny uzupełni braki strumienia świetlnego. Tak też się stało, czego potwierdzeniem są uzyskane wyniki pomiarowe (tabela 1). Wykonany model oprawy spełnia wymagania fotometryczne świateł jazdy dziennej zarówno te wcześniejsze (rys. 1) jak i obowiązujące obecnie (rys. 2). Oprawa pobiera moc 4,59 W

Tabela 1. Wyniki pomiarowe światłości [cd] modelowej oprawy świateł do jazdy dziennej

Wnioski

Celem pracy było zaprojektowanie i wykonanie modelu oprawy świateł jazdy dziennej z diodami LED małej mocy. Cel ten został osiągnięty poprzez zastosowanie w oprawie 27 diod LED o małej mocy i wąskim kącie świecenia. Bryła fotometryczna zastosowanych diod LED spełniała wymagania normatywne w płaszczyźnie pionowej. W płaszczyźnie poziomej bryłę fotometryczną oprawy kształtowano zmieniając symetrycznie osie świecenia poszczególnych grup diody LED. Zmierzona bryła fotometryczna modelowej oprawy, choć charakteryzuje się nieznaczną asymetrią, to spełnia wymagania normatywne. Oprawa pobiera moc 4,6 W, co jest wprawdzie wartością większą niż spodziewana, ale porównywalną z produktami najlepszych firm oferujących drogie oprawy z diodami LED o dużej mocy.

Literatura:

[1]   Raport Komisji Europejskiej ds. Energii i Transportu (DG TREN) - "Daytime Running Lights, Final Report" TNO Human Factor 2003

[2]   Targosiński T.: Światła w dzień przez cały rok, Instytut Transportu Samochodowego, konferencja prasowa 17 kwietnia 2007 r.

[3]   GUS - "Transport - Wyniki działalności w 2005r."

[4]   E/ECE/TRANS/505 - Rev. 1/Add.86/Rev.1 - 3 December 2003 - Regulation No. 87 Uniform provisions concerning the approval of daytime running lamps for power-driven vehicles

[5]   E/ECE/TRANS/505 - Rev. 1/Add.86/Rev.1/Amend.5 - 7 August 2007 - Regulation No. 87 - Revision 1 - Amendment 5 - Uniform provisions concerning the approval of daytime running lamps for power-driven vehicles

[6]   PN-90/E-01005 - Technika Świetlna - Terminologia

Turek L., Zaremba K.: Podstawowy problem stosowania metody strumieniowej do obliczeń świetlnych samochodowych opraw sygnałowych, Biuletyn Informacyjny Instytutu Transportu Samochodowego