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ELECTRICIDAD DEL AUTOMÓVIL

Iluminación con LEDs en el automóvil

La luz incandescente se produce al calentar eléctricamente un filamento resistivo o al quemar ciertos materiales combustibles. Una gran parte de la energía emitida se encuentra tanto en el espectro infrarrojo como en el espectro visible.

Las fuentes de tipo atómico cubren los dispositivos de descarga de gas, como las luces de neón y fluorescentes.

Las emisiones láser se obtienen por excitación de los átomos de ciertos elementos.

Los diodos semiconductores (LED) son las fuentes de luz disponibles comercialmente más comunes utilizadas en la industria. Cuando están polarizados directamente, los diodos emiten luz en la región visible o infrarrojo. Ciertos diodos semiconductores emiten una banda estrecha de longitud de onda de rayos visibles; el color está determinado por el material y el dopaje.

Tabla : Características de colores de diodos LED, según el material dopante

Los diodos emisores de luz (LED) se están convirtiendo cada vez más importantes en la iluminación  interior y exterior del automóvil. La larga vida útil, el ahorro de energía y espacio, la resistencia al choque y a la vibración y el nuevo potencial de estilo son las principales ventajas de utilizar los LED en aplicaciones de automotores.

El triunfo revolucionario de los LEDs en la iluminación del automóvil comenzó a finales de los  1980s y comienzos de la década de 1990 con las primeras lámparas centrales de freno de montaje superior, o tercera luz de freno. El hecho de que hoy en día, más del 95% de las funciones de estas lámparas ya están siendo generado con la ayuda de LEDs, subraya la dinámica avanzada del desarrollo y la penetración de esta tecnología.

La aplicación de LEDs en luces traseras se inició una década después. En un comienzo, las luces de frenado individuales y las funciones indicadoras de dirección fueron desarrolladas sobre una base de LED para complementar la tecnología del filamento convencional de bombilla. En 2005, la primera lámpara combinada trasera hecha completamente de LEDs se lanzó al mercado. Todas las funcionalidades, incluyendo la luz de marcha atrás se realizaron sobre la base de LEDs. Esto  claramente demostró la combinación única de ventajas de una solución completa de  lámparas LED: vida útil de servicio del vehículo, reducido espacio de diseño gracias al diseño de muy bajo perfil y al alto nivel de ahorro de energía.

Fig. 2-58a. Luces LED de automóvil

El drástico aumento en el rendimiento de los LEDs blancos, en particular, en los últimos años ha hecho también la tecnología LED interesante para aplicaciones de faros. Ya en 2002, la primera luz de posición en usar LED blanco de alta potencia y ser integrado en el faro se presentó en el mercado. Sólo un año más tarde, las luces de circulación diurna (DRL) se volvieron un estándar en  vehículos de serie. La combinación luz de posición / luz de marcha diurna en particular resulta en una solución funcional predestinada para la tecnología LED. Aquí, las ventajas de los LEDs en términos de eficiencia, capacidad de ser atenuados y la vida de servicio pueden ser explotadas al máximo.

El LED en los faros del automóvil

Un faro bien diseñado para un sistema de iluminación del vehículo es muy importante, ya que proporciona a los conductores las condiciones de manejo seguro y cómodo en la noche o en lugares oscuros. Con los avances de la tecnología de semiconductores, el LED se ha convertido en la fuente de iluminación de cuarta generación en la industria automotriz.

En las luces traseras, las aplicaciones con LED rojos y amarillos ya son lo último en tecnología de iluminación. En los faros delanteros, los LED blancos son especialmente necesarios para que las funciones principales puedan proporcionar un mejor rendimiento de luz. Los LED blancos ya se han utilizado para las funciones de señal como la posición o la luz diurna en algunos proyectos en serie. Con el desarrollo del primer faro delantero de LED completo del Audi R8,  la iluminación del automotor estableció un estreno mundial. Por primera vez, todas las funciones de luz de un faro de serie se desarrollaron con la tecnología LED, comprendiendo las luces bajas y la luz de carretera, luz de conducción diurna, indicador de giro y la luz de posición.

Este producto cuenta con más de 20 conceptos innovadores.

La distribución de la luz básica es producida por dos reflectores de forma libre en forma de una concha, provistos de matrices de LED (módulos formados por varios diodos emisores de luz), con cuatro LED blancos cada uno. El punto luminoso se coloca en el centro de estos LEDs blancos.

El rayo de la luz de cruce se genera por medio del sistema de lentes de alto rendimiento, con tres módulos adicionales con 2 LEDs.

Al lado, la luz alta disponiendo de dos módulos con cuatro LED irradia su luz desde las cámaras de luz alta de los faros en forma de concha.

La mayor ventaja ofrecida por los LED blancos se encuentra en el color de su luz, que también se conoce como la temperatura de color. Alcanzando aproximadamente 6.000° Kelvin, la intensidad de su luz es casi la misma que la calidad de la luz del día. El ojo humano percibe la carretera y el borde de la misma por la noche en su color natural, y puede distinguir contrastes mucho más fácilmente.

Además, la vida media útil de los LED en todas las funciones excede a la de los vehículos. Por un lado, esto disminuye la posibilidad de averías en la noche y, por el otro, se elimina la necesidad de complicados cambios de bombillas.

El primer faro completamente de LED también establece el camino para el futuro en relación con la reducción del consumo de combustible y las emisiones.

El uso de luces de circulación diurna a LED también hace una importante contribución a un equilibrio adecuado de la energía, ya que el 75% de la distancia total de conducción en el mundo está cubierto durante el día.

En términos específicos, las luces de circulación diurna con tecnología LED ofrecen un consumo de energía de 14 W (con 0,36 g de CO₂/km) por vehículo. Cuando se utilizan las luces cortas regulares en cambio, el consumo de energía es de aproximadamente 300 W (con 7,86 g de CO₂/km). Esto significa que el consumo sea 20 veces mayor en comparación con las luces diurnas LED.

También en relación con la reducción del consumo, los vehículos que adoptan sistemas de iluminación basados ​​en la tecnología Xenón para las funciones de luz de cruce /carretera y LED para todas las otras funciones de iluminación trasera y frontal, se podrían garantizar potencialmente un ahorro de hasta 80 vatios y 2 gramos de emisiones de CO₂ por kilómetro.

Además de los aspectos vinculados a la tecnología avanzada, la seguridad y el consumo, los LED se abren nuevas posibilidades para los diseñadores, ya que se pueden llevar a cabo contornos inusuales. Lo que es más, los LED lucen bellos y distintivos, tanto de día como de noche.

La tecnología LED ofrece nuevas oportunidades para el futuro del automóvil, en relación con el estilo, la tecnología y el consumo energético.

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Ventajas del uso del LED en el vehículo

Los LEDs se destacan especialmente  por las siguientes características:

• La temperatura de la luz de los LED está cerca de lograr la calidad de la luz del día
• Una vida útil extremadamente alta que dura más que la vida del vehículo completo
• Un consumo de energía significativamente más bajo
• Oportunidades más efectivas para el aprovechamiento del espacio en la instalación de los faros
• Libertad única y variedad en el estilo para el desarrollo de elementos de estilo característico de la marca dentro de los faros

Figura : Libertad de estilo para aplicaciones LED en los faros que permite un aspecto característico de la marca de cada faro.

Una nueva tecnología de iluminación para el vehículo, que parpadea, apunta e ilumina charcos.

Los espejos intermitentes son sólo una parte de un esfuerzo más amplio de esta tecnología que está cambiando el aspecto y la función de las luces de un coche. Los fabricantes de automóviles buscan a  estas ópticas y luces como joyas, y los coches están adornados con cada vez más con ellas a medida que  nuevos métodos de fabricación, de electrónica y de plásticos cambian las estructuras necesarias, pero sin brillo en puntos de venta brillantes y atractivos para el cliente.

Lo más destacado pueden ser los faros de descarga de alta intensidad o HID, cuyo resplandor azul-blanco contrasta marcadamente con la luz amarilla de los faros ordinarios de filamento de tungsteno. Las  luces  H.I.D.  basadas en la incandescencia del gas xenón generan un espectro que es mucho más cercano a la luz solar, por lo que parecen más brillantes, dando a los conductores que las utilizan una ventaja visual después del anochecer.

Funcionamiento de los LED

Los LED se basan en la tecnología de los semiconductores. La luz es emitida directamente fuera del sustrato semiconductor cuando se aplica una tensión directa. El color depende del salto energético (band gap) entre la banda de valencia y la de conducción del semiconductor para los materiales que forman el semiconductor. El color ámbar se genera directamente por el LED de material semiconductor fosfuro de aluminio-galio-indio (AlInGaP). A través del proceso de conversión de luminiscencia, se genera luz blanca. Un diodo azul combinado con un material convertidor aplicado, el color azul y amarillo, produce una combinación que se percibe como luz blanca.

Implementación técnica de los faros

Para lograr los patrones de luz específicas con aplicaciones LED en los faros, dos posibilidades convencionales están disponibles, que ya se aplican en las lámparas de filamento y también de descarga de gas. O bien la luz del LED se redirige a través de un reflector con el fin de lograr la iluminación de la carretera, o, alternativamente, se pueden aplicar sistemas compactos que proyecten la luz en la calle utilizando un lente.

Debido a su pequeño tamaño, los LED ofrecen la oportunidad de combinar ambos sistemas de luz por primera vez.

Manejo de la temperatura

En contraste con los sistemas halógenos o de xenón, los diodos LED emiten luz "fría", lo que significa que se no se produce ninguna radiación infrarroja. Debido a la alta eficiencia, el 20% de la energía de entrada se transforma en luz visible (en comparación una bombilla de filamento que sólo transforma 5%),  el resto de la energía genera calor dentro del chip de semiconductores. El flujo luminoso, el color y la tensión directa son dependientes de la temperatura. Tan pronto como se supera la temperatura permitida, la vida útil del LED será gravemente afectada o en el peor de los casos será destruido.

Para proteger a la parte más caliente, o sea el chip, se han desarrollado elementos de refrigeración con un sistema de aireación controlado. La dirección sistemática del aire caliente hacia el bisel del faro es por lo tanto utilizada al mismo tiempo para el deshielo y descondensación del mismo.

Reducción del consumo de energía

La aplicación de la tecnología LED contribuye significativamente a evitar las emisiones de CO₂ y a la reducción del consumo de combustible.

Este aspecto adquiere especial importancia con la aplicación de la luz de conducción diurna (DRL). La DRL con LED necesita 14W de energía, mientras que el uso de la iluminación de un vehículo convencional durante el día (luz de cruce, luces traseras, luces de posición) consume unos 300W.

Estructura de un sistema de automoción LED

A fin de equipar con iluminación al vehículo sobre la base de LEDs, otros componentes además de la fuente luz en sí son de gran importancia para asegurar la función.

Figura. Componentes de un sistema LED de automóvil

Un diseño térmico adecuado mantiene el LED dentro del rango de temperaturas específico del componente. Al mismo tiempo, se asegura que las lentes de cubierta del sistema de faros no se congelen en invierno. Típicamente, disipadores de calor especialmente diseñados se utilizan, los que opcionalmente puede ser complementados por  ventiladores.

Las diversas tecnologías estructurales y de conexión utilizadas para conectar la fuente de luz con los otros componentes son relevantes para los procesos de fabricación y por lo tanto pertinentes para la cuestión de los costes.

Por último, pero no menos importante, también se requieren los componentes ópticos. Típicamente, puede ser utilizada la óptica tanto de reflexión como de  transmisión. Dado que las características especiales de los LEDs implican que no se emite radiación IR en la dirección de salida de luz, las ópticas sólida son particularmente adecuadas para esta aplicación. Estas capturan la luz del LED directamente en el emisor y guían y dan forma extremadamente eficiente, en particular mediante la técnica de la reflexión interna total.

Combinaciones, tales como proyectores clásicos por ejemplo, también se pueden utilizar así como los llamados sistemas híbridos.

Figura: Ejemplos de óptica reflexiva, transmisiva e híbrida.

Figura : Iluminación del vehículo con faro HID

El faro H.I.D. requiere un diseño diferente. De alguna forma, se asemeja a una lente redonda bulbosa en el interior de un módulo del faro brillante. Esto se conoce como un faro proyector, y funciona en forma muy parecida a un proyector de diapositivas. En lugar de una luz para la conducción ordinaria y una luz de carretera independiente para visión más lejana, la lente del proyector utiliza una sola bombilla y mueve el escudo reflector que lo rodea para cambiar el foco de luz.

LEDs en uso

Los equipos de iluminación automotriz se dividen generalmente en aplicaciones interiores y exteriores. En el caso de las aplicaciones en exteriores, se hace una distinción entre las funciones de señal y las funciones principales de iluminación. Las funciones de señal se utilizan principalmente para el marcado de posición del vehículo, así como para indicar los cambios de dirección. Se encuentran en la parte frontal, trasera y lateral del vehículo. LEDs de todos los colores, capacidades y formas ya están siendo utilizados para tales aplicaciones. En estos casos, los costos más altos del LED en comparación con las bombillas convencionales determinan la penetración del mercado.

La tarea de las funciones principales de alumbrado del faro es iluminar el camino para que el conductor vea en la oscuridad. Esto demanda exigencias de ingeniería significativamente más altas en la fuente de luz LED. Luminancias y flujo luminoso bajos por LED en particular, han hecho hasta ahora las aplicaciones en serie en los vehículos imposibles. Una comparación de los parámetros fotométricos de los LEDs con las fuentes de luz utilizadas convencionalmente ilustra claramente este hecho.

Figura. Comparación de parámetros fotométricos de varias fuentes de luz usadas en bombillas de automóviles

Sin embargo, el rendimiento cada vez mayor de los LEDs y su futuro desarrollo en el campo de las aplicaciones en automóviles ha puesto las primeras aplicaciones para las funciones principales de alumbrado dentro de alcance.

Los primeros prototipos ya han demostrado su viabilidad inicial con salida de luz aceptable y espacios de diseño. Un puñado de LEDs multi-chip se utilizan para producir un flujo luminoso de varios cientos de lúmenes, y reflectores especialmente diseñados de forma libre llevan a cabo todas las funciones de iluminación de faros.

Los LEDs ofrecen un potencial especial para funciones de iluminación adaptativa dinámica, tales como iluminación en curvas o  futuras funciones "activas" de iluminación. Con ellas, el LED libremente controlado proporciona flexibilidad innovadora en conmutación y modulación de la luz. En el futuro, en particular, este aspecto distinguirá los LEDs de las fuentes de luz utilizadas actualmente.