Светодиоды в светосигнальном оборудовании транспортных средств.
( 2003, 2004 г.г. )

Многие слышали о светодиодных стоп-сигналах, поворотниках, огнях расцвечивания и даже фарах. Впечатляющее зрелище "фирменных" световых приборов вызывает восхищение и пробуждает интерес к самостоятельному изготовлению подобных устройств. Эта статья призвана помочь разобраться в некоторых, далеко не очевидных особенностях светодиодов и фонарей с ними.

1. Сравнительные характеристики светодиодов

Первый вопрос, которым задается конструктор - как выбрать достаточно мощные и недорогие светодиоды, и сколько их нужно? Казалось бы, выбор несложен - открываем справочник или фирменный каталог, кладем рядом прайс-листы и выбираем наиболее яркие и недорогие светодиоды в соответствующем количестве... Но при внимательном рассмотрении все не так просто.

Во всех справочниках вы найдете следующую информацию о светодиодах:

Параметр,обозначение	единицы измерения	рус.обознач.	иностр. обознач.
Сила света I, Iv	кандела (свеча)	кд	cd
Угол, Viewing angle	градус
Длина волны излучения	нанометр	нм	nm
Рабочий ток	миллиампер	мА	mA
Рабочее напряжение	вольт	В	V

Сила света ни в коей мере не свидетельствует о величине полного светового потока, излучаемого прибором! Дело в том, что различные светодиоды излучают пучок света разной ширины (раскрыва). Так, прибор без линзы, с одним лишь кристаллом, излучает свет в конусе с углом раскрыва 120 градусов. Прибор, снабженный пластиковой линзой - "пеньком", может собирать свет в меньшем угле - 60, 30, 10 градусов. И тогда сила света в пучке существенно возрастает за счет концентрации светового потока в узком пространстве.

Нас же интересует прежде всего полный СВЕТОВОЙ ПОТОК, создаваемый светодиодом, вне зависимости от того, собран ли свет в узкий или широкий пучок.

Как же в таком случае сравнить светодиоды? В справочных данных у всех них разные углы излучения и разная сила света. Хотелось бы привести светодиоды к некоему "общему знаменателю".

Не вдаваясь в сферическую тригонометрию с ее телесными углами и площадями сферических сегментов, приведу лишь простые КОЭФФИЦИЕНТЫ ПЕРЕСЧЕТА силы света. Умножив теперь силу света светодиода на коэффициент из таблицы, выбранный по углу излучения, мы получим, в сущности, силу света его кристалла без линзы (120 градусов).

Угол	10	15	20	30	40	50	60	70	90	100	120	180	360
Коэффициент	0,008	0,016	0,030	0,07	0,12	0,20	0,26	0,40	0,60	0,72	1	2	4

А теперь сравним для примера светодиоды фирмы "KingBright": популярные L-53SRC-F, менее известные L-934SEC-H и очень интересные L-7676CSEC-H:

Тип	Угол	Сила света, мкд (1000 мкд= 1 кд)	Приведенная сила света (ПСС)	Цена, руб.	ПСС/цена
L-53SRC-F	30	4000	280	5,60	50
L-934SEC-H	50	3500	700	9,50	74
L-7676CSEC-H	70	1800	720	15,28	52
повторно- кратковременно		7000	2800		190

Цифры говорят сами за себя.

(Заметим в скобках, что качество светодиода зависит от материала кристалла-излучателя. Светодиоды на материале GaAlP очевидно следует считать устаревшими, в сравнении с современными InGaAlP).

Светодиоды L-7676CSEC-H способны выдерживать большой ток (70 мА против обычных 20 мА), излучая при этом очень много света. Правда, этот режим не рекомендуется для постоянной длительной работы. Очевидно, именно эти светодиоды были созданы фирмой KingBright для стоп-сигналов.

Ориентировочно, количество светодиодов для яркого стоп-сигнала берется из расчета приведенной силы света в 14000 единиц. L-7676CSEC-H понадобилось бы всего 5 штук, L-934SEC-H - 20 штук, L-53SRC-F - 50 штук.

2. Сравнительные характеристики ламп накаливания и светодиодов

Световой поток ламп накаливания измеряется в люменах (лм), что соответствует сила света в канделах (свечах) при угле излучения в 65,6 градусов, а поскольку лампы накаливания (кроме специальных конструкций) излучают в угле практически в 360 градусов, то приведенная сила света равна:

ПСС (мкд в 120град) = 1000*<световой поток лампы, лм>/3,14

Ниже приведены известные данные по световому потоку и мощности ламп разных типов: светоотдача (удельный световой поток) составляет: обычная лампа с вольфрамовой нитью в колбе из силикатного стекла - не более 20 лм/Вт, галогеновая - до 35 лм/Вт, ксеноновая газоразрядная - до 90 лм/Вт.

лампа	мощность, Вт	световой поток, лм	приведенная сила света, ПСС (см. табл.), мкд в 120 гр.
стоп-сигнал	25	150	46000
поворотник	10	60	19000
зад. габарит	5	30	9800
галогеновая	35	900	280000
галогеновая	65	2000	620000
ксенон	35	3150	1000000

В последней колонке - шокирующие цифры, очень большая приведенная сила света. Казалось бы, светодиодами трудно заменить столь яркие источники света... Однако у светодиодов есть еще одна особенность.

Спектр излучения красных светодиодов довольно узок. Они не испускают, в отличие от ламп накаливания, ни зеленого, ни синего, ни желтого света, их световой поток сосредоточен весь в красной области спектра. А свет обычной лампы - бело-желтый, и бОльшая его часть "отрезается" красным светофильтром стекла фонаря. Именно поэтому немного раньше упомянута потребная приведенная сила света для стоп-сигнала в 14000 (мкд*120 град.), в то время как 25- ваттная лампа имеет уровень в 46000 (мкд*120 град.). Значительная часть этих 46000 просто отсекается красным светофильтром.

3. Размещение светодиодов в фонаре. Переделка фонаря.

Обычно стоп-сигнал имеет вогнутый зеркальный отражатель сзади лампы и рельефное стекло -"рассеиватель" перед ней. Да не обманет вас название "рассеиватель". Это стекло вовсе не рассеивает свет, а тщательно собирает и направляет его каждым своим бугорком в нужную сторону, формируя правильный и эффективный световой поток вместе с отражателем. При большом количестве светодиодов их обычно размещают на одной пластине, в несколько рядов. И это правильно. Но еще одно обстоятельство вызывает сомнения у конструктора, собравшегося переделать фонарь или применить стекло от обычного. Как добиться правильности светового пучка и равномерности свечения поверхности фонаря, не потеряв при этом много света на рассеивание вверх и вниз? Лучшее решение - отдать формирование потока света тем самым рельефным бугоркам на внутренней поверхности стекла фонаря. Они обычно образуют правильную решетку линз с определенной геометрией и как нельзя лучше справляются со своей задачей.

Итак, линзовая система стекла фонаря. Рассмотрим на примере фонарей для "Курьера", "Пилота", "Восхода" и т.п. В этом фонаре каждая линза имеет фокусное расстояние F=12 мм. Наилучшее размещение излучателя (светодиода) - на расстоянии 2F, то есть 24 мм. Следует учесть, что фокус (центр излучения) светодиода находится на поверхности кристалла для безлинзовых светодиодов, а в случае направленных (линзовых) светодиодов - фокус размещается вне корпуса прибора и называется "мнимым" (при взгляде на такой светодиод кажется, что его кристалл находится где-то ниже основания корпуса). Уточнить фокусное расстояние можно простыми опытами и измерениями с одним светодиодом, а проще сделать все это приблизительно, подобрав потом получше расстояние до стекла фонаря.

Не забудьте направить 2-4 светодиода в боковые стороны.

Не забудьте, что в середине фонаря, как правило, находится непрозрачный световозвращатель (катафот) - не размещайте светодиоды в его зоне.

Нижняя часть фонаря с дугами-бороздками линзы Френеля предназначена для лампы заднего габарита. Если хотите разместить там несколько светодиодов - ставьте как можно теснее, в центре, немного развернув их веером в стороны.

Есть ли смысл применять остронаправленные светодиоды, с углом излучения в 30, 20 и даже 10 градусов? - Лишь в том случае, если вы используете гладкое (самодельное) стекло фонаря. Автор предпочитает светодиоды с углом 60..120 градусов, применяя в одних конструкциях штатное рельефное стекло, а иногда вырезая в самодельном стеклянном фонаре так называемые "линзы Френеля". К тому же остронаправленные светодиоды как правило дороже и уступают при этом слабонаправленным по приведенной силе света. И еще: бывают миниатюрные безлинзовые светодиоды для монтажа на поверхность, угол излучения 120 градусов. Они малы (песчинка 1-2 мм), под них не надо сверлить отверстия в монтажной плате, они дешевле.

4. Особенности электропитания от бортовой сети переменного тока.

Речь идет в первую очередь о российских мотоциклах "Минск", "Курьер", "Сова", "Восход", и мопедах "Пилот", "Карпаты", и им подобных в части электропитания. Для краткости подразумевается 12- вольтовая сеть.

Нерегулируемый генератор бортовой сети переменного тока вырабатывает напряжение в широком диапазоне - от 12 до 30 вольт, а на форсированных высокооборотных двигателях и выше. При этом речь идет о так называемом "действующем напряжении", реальное ("амплитудное") напряжение в бортовой сети в 1,47 раза больше "действующего" напряжения в случае обычной синусоидальной формы тока.

Для "ограничения" (стабилизации) напряжения применяются блоки стабилизаторов, коммутатор-стабилизаторов, ограничителей. Как правило во всех них в качестве регулирующего элемента применяется короткозамыкающий симистор. При превышении средним напряжением в бортсети заданного уровня симистор начинает все чаще "открываться", замыкая накоротко на "массу" провод подачи питания с генератора. Это происходит до десятков и сотен раз в секунду, по мере необходимости.

При конструировании электронных бортовых приборов эти схемотехнические особенности надо учитывать. В такой бортовой сети присутствуют мощные короткие импульсы - "пики" напряжения с амплитудой до 1,47 от действующего напряжения генератора без стабилизатора. При этом среднее (точнее, "действующее") напряжение нормальное, лампы освещения и сигнализации горят как положено. Проверить, каково пиковое напряжение в бортсети, довольно просто. Подключите через диод конденсатор емкостью в несколько микрофарад к любой точке бортсети, соблюдая полярность конденсатора и диода. Другой конец конденсатора - на "массу". Далее при работающем в разных режимах генераторе с блоком "коммутатор-стабилизатор" измерьте постоянное напряжение на конденсаторе... Вам будет интересно.

Итак, примем за основу: выпрямленное напряжение бортовой сети (на том самом конденсаторе) - от 18 до 35 вольт, несмотря на наличие штатного исправного блока стабилизатора.

Как же питать в таких условиях светодиодный фонарь?

Задачу несколько облегчает то, что мощность фонаря невысока - 1,8 ватта. Нужен простейший выпрямитель на одном диоде, накопительный конденсатор (470 мкФ 50 В) и стабилизатор напряжения (или стабилизатор тока).

Стабилизатор напряжения прост, буквально одна деталь "о трех ножках" за 5 рублей. Однако помните о максимальном напряжении на его входе - у типового 12-вольтового стабилизатора К142ЕН8Б входное напряжение не должно превышать 35 вольт. Убедитесь сначала в этом описанным выше способом! Стабилизатор тока более сложен, состоит из пары транзисторов и двух-четырех резисторов, однако при должном выборе элементов работает в более широком диапазоне напряжений - как снизу, так и сверху. Кроме того, не так высоки будут требования к точности поддержания заданного тока, в отличие от стабилизатора напряжения, который обязан с очень малой погрешностью регулировать напряжение питания светодиодов (из-за особенностей питания светодиодов вообще). Стабилизатор тока легко обеспечивает "бустерный" режим - повышенный на 50% в течении 0,2 секунды ток питания фонаря при включении стоп-сигнала. Наконец, питание светодиодов через стабилизатор тока - наиболее естественное схемотехническое решение, учитывающее особенности светодиодов как электронных приборов.

(Ниже приведена простая и надежная схема стабилизатора тока на интегральной схеме КР142ЕН12А)

5. Схемы.

Схема электропитания светодиодного фонаря состоит из следующих частей:

Выпрямитель c накопительным конденсатором. Пример схемы. Накопительный конденсатор С устраняет недопустимое мерцание светодиодного фонаря при питании его от сети переменного тока. Мерцание, назаметное при неподвижном взгляде, резко проявляется при движении транспорного средства относительно наблюдателя (других участников дорожного движения) в виде фантомных эффектов, "штриховых трасс", что категорически недопустимо. Фонари с такими "эффектами" могут быть отнесены к неумелым кустарным поделкам, которым не место на дороге. Резистор R и диод VD2 служит для ограничения броска тока через диод VD1 в момент подачи напряжения на вход, тем самым устраняется "подсадка" напряжения бортовой сети и "подмаргивание" других фонарей в момент включения этого, а также перегрузка диода VD1. Конденсатор C - 470 мкФ 50 В, резистор R - проволочный, 20 Ом 2...10 ватт. Диод VD1 - на ток до 5 ампер, 100 вольт или более. VD2 - на ток питания фонаря, как правило не более 1 ампера, 50 вольт. При наличии в бортовой сети аккумулятора элементы VD2, R, C можно не устанавливать.

Стабилизатор тока. Стабилизатор тока по данной схеме прост, надежен и может считаться эталоном. Стабилизатор построен на основе интегральной схемы КР142ЕН12А или КР142ЕН18Б (обратной полярности), включенной в режиме стабилизации тока, а не напряжения. Ток через стабилизатор задается резистором R, из расчета напряжения на нем 1,2 вольт. Например: требуется ток 0,12 ампер, тогда R=10 ом. Минимальное напряжение, при котором стабилизатор еще работает, составляет 2,5 вольт. Максимальное рабочее напряжение - 40 вольт. Ток нагрузки - до 0,8 ампер. Мощность рассеяния без теплоотвода - до 1 ватта. С теплоотводом - до 10 ватт. В качестве простейшего теплоотвода может выступать фольгированная поверхность печатной платы, к которой плашмя крепится стабилизатор (не забудьте положить немного теплопроводной пасты). (Дополнительно об интегральных стабилизаторах )

Пример соединения светодиодов фонаря. За образец взят фонарь для сети переменного тока мотоцикла ЗИД-200 "Курьер". Светодиоды фирмы KingBright типа L-934SEC-H (материал излучателя InGaAlP), напряжение по паспорту 2,4 вольт ( на деле - 2,2 В ), ток 0,02 ампера. В фонаре размещены 6..8 гирлянд по 4 светодиода в каждой, дополнительные выравнивающие резисторы - 6..12 ом, мощностью 0,125 ватт. Ток питания фонаря - от 0,12 до 0,16 ампер соответственно количеству гирлянд. Напряжение питания гирлянд - 8,8 вольт. При монтаже светодиодов будьте внимательны! Ошибка соединения плюса - минуса фатальна! Светодиод выдерживает обратное напряжение не более 5 вольт, а некоторые - 1,6 вольт. Для определения полярности подключайте маленькую трехвольтовую батарейку, поочередно, лишь к ОДНОМУ светодиоду из гирлянды. Кроме того, не пытайтесь подавать на светодиоды и гирлянды из них напряжение без дополнительного ограничивающего ток резистора!

Выпрямитель, стабилизатор и комплект светодиодов соединяются последовательно, по схеме "плюс выпрямителя - плюс стабилизатора, минус стабилизатора - плюс светодиодного блока, минус светодиодного блока - минус выпрямителя. Отдельные части схемы могут размещаться на борту как порознь, так и в единой конструкции. Так, в заднем фонаре мотоцикла "Курьер" все элементы легко разместились на одной пластине размером 110х55 мм. (Лампа заднего габарита и подсветки номерного знака осталась на месте, зеркало-отражатель стоп-сигнала лучше снять.)

Такой фонарь с выпрямителем и стабилизатором отлично работает при входном напряжении (измерялось с источником постоянного напряжения) от 11,5 до 30 вольт. При длительной работе на повышенном напряжении наблюдается значительный разогрев стабилизатора (мощность рассеяния 2 ватта), поэтому теплоотвод в таких условиях эксплуатации обязателен.

В случае применения светодиодов устаревших типов, с рабочим напряжением 1,8 вольт и тому подобных, изменений в схеме не требуется. Общее правило, однако, заключается в том, что количество светодиодов в гирлянде (цепочке) желательно делать как можно больше, уменьшая при этом количество гирлянд. Это снижает потери мощности на стабилизаторе тока, уменьшает нагрузку на элементы схемы и бортовую сеть в целом. Во всяком случае, напряжение, потребное для питания гирлянд, должно быть ниже напряжения в бортовой сети (или выпрямленного напряжения для сетей переменного тока, смотри пункт 4), на 2,5 вольта.

6. Практические конструкции.

Изготовлены и испытаны несколько образцов фонарей для различной мототехники. Подробные описания конструкций:

7 . Какие светодиоды не следует покупать.

8 . Для более подробного изучения:

Физика:

Геометрическая оптика (отражение, преломление света, линзы, зеркала, линзы Френеля, параболическое зеркало).

Фотометрия (сила света, яркость, световой поток, спектральная видность).

Математика:

Сферическая тригонометрия.