Figura 1: Semnalizare direcţie cu LED – montare pe oglindă pentru vizibilitate crescută.
Totuşi, aceste sisteme diverse au un număr de cerinţe de control la fel de divers şi necesită implementări diferite de circuite pentru a câştiga din avantajele cheie ale aplicaţiilor.
Noul design al vehiculelor conţine mai multe sisteme de iluminare ca niciodată: iluminare de interior, iluminare de fond a ecranelor, semnalizare direcţie (Figura 1), fază lungă, fază scurtă, lumini de ceaţă, iluminare în curbă, stopuri, lumini de accentuare şi chiar şi iluminare IR pentru asistenţă automată şofer. În interiorul cabinei, iluminarea cu LED-uri a înlocuit becurile cu incandescenţă în primul rând datorită dimensiunii, costului, eficienţei şi duratei de viaţă.
Avantajele tehnologice recente în ceea ce priveşte LED-urile şi circuitele de comandă pentru LED-uri de înaltă strălucire au accelerat această tendinţă, conducând la înlocuirea iluminării exterioare din motive de siguranţă îmbunătăţită şi estetică. Înlocuirea becurilor cu incandescenţă din habitaclu şi a iluminării de fond pentru ecrane cu LED-uri este o trecere uşoară, ce durează de mulţi ani, dar înlocuirea iluminării de exterior, critice şi cu implicaţii legislative a necesitat un progres tehnologic semnificativ, atât în domeniul diodelor, cât şi în cel al circuitelor de control (iar în unele cazuri încă necesită schimbări legislative). Noile scheme de control inteligent sunt capabile să facă lucruri complet noi cu LED-urile, iar acest lucru revoluţionează rapid iluminarea auto de exterior.
Această tendinţă a început cu becurile cu LED-uri cu funcţionare pe timpul zilei pe Audi A8 în 2004, care s-a extins la faruri complete cu LED-uri pe Audi R8 în 2007, iar astăzi, pe plan mondial, sunt disponibile sisteme de iluminare de exterior pentru o plajă mare de vehicule (incluzând printre altele Cadillac, Audi, BMW, Mercedes-Benz, Toyota, Jaguar şi Volkswagen) (Figura 2). OSRAM a anunţat recent că în 2020 se aşteaptă ca unul din 5 faruri să fie bazat pe LED-uri, ceea ce reprezintă o schimbare industrială foarte rapidă de standarde auto. Există avantaje în ceea ce priveşte randamentul şi consumul energetic al iluminării cu LED-uri prin comparaţie cu iluminarea cu halogen şi HID, preţul LED-urilor de înaltă strălucire scade rapid, iar siguranţa în funcţionare a diodelor este de neatins. Cu toate acestea, principalul motor al adoptării LED-urilor este controlabilitatea; iar acest lucru necesită circuite inteligente de comandă a acestora. În cele din urmă, şi probabil cel mai important element pentru mulţi utilizatori, este efectul estetic al unei bune iluminări. Iluminarea este un element de proiectare important pentru un vehicul; utilizatorii sunt cu uşurinţă frustraţi de o iluminare proastă, şi pot aprecia în mod direct o bună iluminare. Şoferii o cer, iar în multe situaţii sunt dispuşi să plătească suplimentar pentru ea.
Figura 2: Design de far bazat pe LED-uri, cu şiruri independente pentru multiple funcţii de iluminare.
Farurile premium sunt o opţiune uzuală a pieţei de nivel superior pentru maşini noi şi pentru modificări aftermarket. Ele afectează stilul vehiculului, percepţia, uşurinţa de conducere şi siguranţa. Producătorii de maşini recunosc acest lucru, iar sistemele de iluminare sunt în centrul atenţiei producătorilor auto şi de componente. HELLA, Automotive Lighting (Magneti Marelli), Koito şi Valeo au dat în ultimele 6 luni comunicate de presă referitoare la sisteme de iluminare, dovedind astfel interesul în această zonă. Prin siguranţă şi aspect, o bună iluminare bazată pe LED-uri poate adăuga valoare semnificativă vehiculului, îmbunătăţind volumul de vânzări şi preţurile de vânzare.
Administratorii şi legislatorii sunt în mod particular interesaţi de iluminarea exterioară a vehiculelor. În majoritatea țărilor, numărul, culoarea şi strălucirea luminilor de exterior sunt stabilite. Luminile prea strălucitoare pentru condiţiile de drum pot cauza probleme de orbire a partenerilor din trafic, în vreme ce lumina exterioară slabă sau probleme legate de aceasta determină pericole legate de siguranţă. În mod uzual, autorităţile au legiferat domenii de strălucire acceptabile pentru iluminarea de zi, fază scurtă, fază lungă, semnal de direcţie, iluminarea de cotire şi ceaţă pentru faţa vehiculului; cerinţe similare şi pentru iluminarea din spate. În unele cazuri există de asemenea reguli cu privire la ce lumini pot fi utilizate şi în ce condiţii; aici se includ lumini ce au nevoie de nivel automat pentru compensarea unghiurilor de drum, şi viteze la care iluminarea la virare a roților se poate aprinde. Aceste reguli sunt un coşmar pentru cerinţele de proiectare, care ar necesita o multitudine de dispozitive tradiţionale cu halogen şi HID, dar şi adăugarea de motoare mecanice şi obturatoare. Faţă de acestea, matricele de LED-uri pot răspunde multora dintre cerinţe, dacă sunt implicate stabilizatoare de curent constant bine proiectate şi arhitecturi inteligente. Circuitele de comandă pentru LED-uri sunt reutilizabile, iar electronica poate fi replicată în multiple proiecte.
Microcontrolerele capsulate în faruri pot utiliza informaţia de la senzorii de lumină şi temperatură pentru a compensa curentul de comandă, pentru a menţine o lumină de ieşire consistentă, sau pentru a refocusa raza luminoasă sau pentru a regla strălucirea la schimbarea condiţiilor de conducere. Diferite diode individuale din cadrul farului pot fi aprinse şi stinse sau variate, pentru a ilumina la curbă sau pentru a evita orbirea maşinilor ce vin din faţă, fără vreo componentă mecanică.
Suplimentar, luminile de frânare, pericol şi schimbare de direcţie se pot aprinde în diferite modele sau secvenţe pentru a le face mai uşor de remarcat. Şi în cele din urmă, iluminarea corespunzătoare cu LED-uri poate fi oprită/pornită aproape instantaneu (prin comparaţie cu întârzierea de 250 ms la becurile standard cu incandescenţă). Rămâne de văzut pe termen lung cât de eficiente vor fi aceste adaptări pentru reducerea accidentelor de circulaţie, dar începuturile arată foarte promiţător. Trucul este acela că toate aceste caracteristici necesită atât matrice de LED-uri de înaltă calitate, cât şi circuite inteligente de comandă cu adresabilitate de înaltă precizie. Cipurile controlere de semnal digital (DSC) dsPIC® de la Microchip răspund foarte bine acestor cerinţe.
Calitatea circuitelor implementate, selecţia algoritmilor şi a componentelor vor separa produsele de iluminare câştigătoare de celelalte.
Siguranţa în funcţionare a LED-urilor este de asemenea un avantaj major faţă de generaţiile anterioare de sisteme de iluminare. Datorită faptului că unii producători de LED-uri asigură durate de viaţă ale dispozitivelor de peste 20 de ani, se poate concepe că în viitor iluminarea vehiculelor nu va necesita înlocuire.
Figura 3: Stop bazat pe LED-uri, cu surse de iluminare redundante pentru o siguranţă sporită în funcţionare.
Luminile instalate din fabrică pot dura atât cât durează trenul de putere, fără a necesita întreţinere. Sistemele de iluminare bazate pe LED-uri pot fi de asemenea proiectate cu siguranţă intrinsecă în funcţionare. Plasarea mai multor şiruri de iluminare independente în sistemul de iluminare de frână, poate crea în mod economic redundanţă, astfel încât deteriorarea sau problemele de funcţionare să reducă doar lumina, fără a o stinge complet (Figura 3). Suplimentar, cu o electronică mai avansată se pot adăuga capabilităţi de raportare a erorilor, astfel încât starea luminării să fie afişată pe panoul de bord sau raportată prin cititorul de diagnosticare. Cu sistemul de iluminare ataşat unei magistrale de comunicaţii CAN, LIN sau similar, automobilul poate atenţiona şoferul dacă luminile nu funcţionează corect. (Microchip produce o varietate de transceivere CAN şi LIN şi microcontrolere ce pot fi utilizate pentru această aplicaţie). Nu este vorba despre un concept nou, devreme ce iluminarea “compatibilă CANBUS” a fost disponibilă în anumite vehicule de mult timp. Dar sistemele mai vechi sunt capabile de a detecta numai schimbări majore de funcţionalitate; becurile înlocuitoare eficiente şi de joasă putere cauzează uzual erori false. În orice caz, cu circuite de comandă LED inteligente, este posibilă raportarea mult mai detaliată faţă de erorile grosiere.
Sistemele de iluminare pot raporta în mod economic date telemetrice detaliate pentru variaţii de curent/tensiune, schimbări de temperatură şi chiar şi schimbări ale tensiunii de intrare. Datele de diagnosticare pot indica viitoare probleme înainte ca ele să apară, chiar şi o schimbare minoră precum un LED scurtcircuitat dintr-un şir lung.
Pentru a proiecta corespunzător aceste caracteristici de diagnosticare, driverul pentru LED şi circuitul de monitorizare trebuie să fie la fel de sigure în funcţionare precum diodele pe care le controlează. Adesea, sistemele de iluminare bazate pe LED-uri conţin mai multe componente decât vechile becuri pe care le înlocuiesc.
Obţinerea unei durate de viaţă complete pentru un LED necesită un circuit de comandă corespunzător – unul cu o bună stabilizare a curentului pe toate condiţiile de operare. Pentru o calitate superbă a iluminării şi o operare sigură, circuitul de comandă trebuie să compenseze schimbările de temperatură, tensiunea de intrare şi rezistenţa de sarcină, menţinând un curent de ieşire constant în orice circumstanţă.
Fiecare componentă suplimentară în sistem introduce alte puncte posibile de eroare. Pentru ca un far să funcţioneze timp de 20 de ani, atât LED-urile, cât şi circuitele de comandă LED trebuie să dureze timp de 20 de ani. Acest tip de stabilizare şi longevitate nu sunt posibile utilizând rezistenţe de polarizare. Sistemele de iluminare trebuie să utilizeze stabilizatoare CC-CC controlate strâns, de la furnizori cu referinţe bune asupra calităţii în domeniul auto, pentru asigurarea unei siguranţe în funcţionare pe termen lung. Microchip produce câteva controlere PWM analogice de putere cu îmbunătăţire digitală, printre care şi MCP19115, care sunt capabile de o stabilizare de curent lider industrial şi care au integrată o interfaţă de comunicare digitală. Proiectat corespunzător, sistemul de iluminare va avea toate elementele necesare pentru un produs cu durată mare de viaţă: dispozitive cu siguranţă mare de funcţionare, combinate cu redundanţă şi monitorizare.
Siguranţa utilizatorilor şi siguranţa în funcţionare sunt caracteristici dorite în mod cert, iar clienţii din industria auto văd adesea deficienţele în această zonă ca motive pentru a nu cumpăra un vehicul.
Ei vor evita cu siguranţă mărcile sau modelele pe care le percep ca nesigure, selectând apoi din vehiculele “acceptabile” rămase, pe cele care le plac. Din fericire, sistemele de iluminare bine proiectate adaugă acea estetică ce face diferenţa, care poate atrage preferinţele clienţilor. Din ce în ce mai adesea reclamele maşinilor se prezintă sub forma unor filme cu farurile maşinii aprinzându-se brusc, iar apoi maşina deplasându-se în întuneric.
Farurile bine proiectate reprezintă un factor de atracţie pentru vehiculele din toate clasele. Cel mai important, clienţii sunt dispuşi să plătească pentru aceste caracteristici. Iluminarea pentru aftermarket este printre cele mai solicitate elemente adăugate unui vehicul, fie că sunt lumini de conducere pentru un vehicul off-road (care probabil că nu va părăsi niciodată asfaltul) sau lumini de ceaţă pentru un sedan de lux (care s-ar putea ca niciodată să nu meargă în ceaţă); atracţia vizuală a iluminării exterioare este la fel de importantă precum corpul maşinii sau interiorul. În ciuda tuturor grijilor legate de siguranţă, cost şi longevitate, pentru mulţi şoferi vehiculul este o reflexie a personalităţii lor, după cum este o unealtă pentru un transport sigur.
Mesajul emoţional vinde maşini, iar un şir bine plasat de LED-uri controlate cu grijă poate evoca acest mesaj (chiar şi în întuneric). Astăzi, unii fabricanţi auto şi furnizori de cauciucuri pot fi îngrijoraţi de costul adăugat de numărul crescut de semiconductoare din vehicul; dar realitatea arată însă că majoritatea acestor caracteristici electronice aduc înapoi o valoare mai mare decât costul implementării.
Iluminarea auto exterioară este în mod special potrivită pentru aplicaţii utilizând tehnologie LED. Vechile sisteme cu halogen şi HID nu oferă aceeaşi flexibilitate pentru a suporta un design modern şi aşteptările legate de siguranţă.
Convertoarele precise CC-CC de curent constant, uneori combinate cu inteligenţa unui microcontroler, pot fi utilizate pentru a implementa totul, de la lumini de stop de bază, până la cele mai avansate faruri segmentate. Proiectele de iluminare de viitor, împreună cu proiectele viitoare bazate pe LED-uri şi noile sisteme bazate pe laser, pavează calea către sisteme inteligente pentru vehicule în viitor.
Identificarea obstacolelor în implementarea acestor sisteme este încă un pas pe calea automatizării vehiculelor, şi o oportunitate importantă pentru industria auto să demonstreze că poate adăuga siguranţă pentru utilizatori şi în funcţionare, precum şi că poate creşte valoarea globală a vehiculului.
Microchip Technology
www.microchip.com
Autor: Fionn Sheerin, Senior Product Marketing Engineer, Analog & Interface Products Division, Microchip Technology Inc.
Fionn Sheerin este Senior Product Marketing Engineer pentru Microchip Technologies, ajutând la alinierea proiectelor de dezvoltare de produse noi la cerinţele clienţilor în zona tehnologiilor de vârf de conversie de putere. El a absolvit două specializări universitare de masterat, unul la W.P. Carey School of Business din Arizona State University, cu specializarea Administrarea Afacerilor şi Ira A. Fulton School of Engineering cu specializarea în Ştiinţă şi Inginerie.
dsPIC este marcă înregistrată a Microchip Technology Inc. în USA şi alte ţări. Toate celelalte mărci menţionate aici sunt proprietatea companiilor deţinătoare.