Модернізація системи освітлення автомобілів з використанням світлодіодів

Беручи до уваги, що застосування лазерних нормативів до світлодіодів розглядалося фахівцями як ультраконсервативне, а також враховуючи прогрес в області продуктивності світлодіодів і супутнє йому розширення областей практичного їх застосування, МЕК прийняла рішення прибрати світлодіоди з лазерних стандартів, змінивши в 2007 р. IEC 60825. Винятком стали застосування світлодіодів в волоконній оптиці та зв'язку на відкритому просторі. Ця зміна зажадала створення альтернативних правил для світлодіодів.

У 2006 р. МЕК використовувала існуючі нормативи міжнародної комісії з висвітлення CIE S009/E-2002, щоб видати документ «Фотобіологічна безпеку ламп та лампових систем», що має подвійний логотип, у співпраці з МКО.

Завданням даного документа було забезпечення нормативів оцінки фітобіологічної безпеки ламп та лампових систем, виключаючи лазери, що випромінюють світло в діапазоні 200...3000 нм.

Таким чином, виходячи з усього вище сказаного, можна зробити висновок, що хоча стандартами утилізація світлодіодів не регламентується, але її впровадження бачиться доцільним, зважаючи на невеликий вміст важких металів у світлодіодах та їх широке застосування в техніці.

6. ВИЗНАЧЕННЯ ЕКОНОМІЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ МОДЕРНІЗАЦІЇ ОСВІТЛЕННЯ АВТОМОБІЛЯ

6.1 Техніко-економічне обґрунтування доцільності модернізації

В роботі виконується модернізація світлового електрообладнання легкового автомобіля за допомогою світлодіодів. Суть виконуваних досліджень полягає в розробці схем стабілізації протікаючого струму через світлодіод для різних елементів системи освітлення (освітлення салону, сигналів гальмування, покажчиків повороту, підсвітки панелі приладів), вибору світлодіода з необхідною силою світла та достатнім прямим струмом. Данні схеми розраховуються на основі мікросхем HV9910, NUD4001 (спеціалізовані світлодіодні мікросхеми), MC34063 (DC-DC перетворювач) та обмеження струму протікаючого через світлодіод за допомогою резистора. Регулювання сили світла освітлення салону та панелі приладів виконується за допомогою ШІМ-сигналу, що не знижує ККД лампи.

Економічний ефект від модернізації очікується в підвищенні світлової віддачі при зниженні споживання енергії, значного підвищення терміну служби світлодіодів в порівнянні зі стандартними лампами. Виробники оцінюють строк служби світлодіодів в 50000 год. або 6 років безперервної роботи. Це пояснюється нетепловий природою випромінювання і, відповідно, відсутністю нитки (як в лампах розжарювання). А завдяки відсутності скляної колби, світлодіоди дуже надійні і механічно міцні.

Для живлення світлодіодів розроблені спеціальні схеми, що забезпечують їх тривалий термін служби, шляхом стабілізування саме протікаючого через них струму, а не напруги. Це пояснюється тим, що незначні зміни прямої напруги на світлодіоді викликають різкі скачки струму через світлодіод. Крім того, падіння напруги на світлодіодах різних кольорів досить сильно відрізняються. Цей фактор враховується при послідовному включенні світлодіодів.

Такі схеми стабілізації струму світлодіодів бувають імпульсними та лінійними. В даній роботі розглядаються лише лінійні світлодіодні стабілізатори, зважаючи на їх низьку ціну та малу кількість зовнішніх компонентів.

Щоб визначити ефективність запропонованої модернізації системи освітлення, виконаємо порівняння витрат часу та коштів на подібну модернізацію та експлуатацію системи освітлення з світлодіодами та з стандартними лампами розжарювання.

6.2 Розрахунок вартості модернізації

Вартість модернізації системи освітлення складається з вартості матеріальних затрат, вартості електроенергії, заробітної плати електромеханіка та адміністративних затрат. Проведемо аналіз собівартості матеріальних затрат для створення світлодіодних ламп.

Для створення високоефективного освітлення салону використано мікросхему HV9910 (рис. 2.4). Вартість запропонованої схеми управління світлодіодами зведено у таблицю 6.1.

Таблиця 6.1 - Собівартість компонентів схеми на основі HV9910

Собівартість розробленої схеми для освітлення приладів на панелі перед водієм (рис. 2.12) поелементно представлена в табл. 6.2.

Таблиця 6.2 - Вартість схеми освітлення панелі приладів

Вартість створення світлодіодних сигналів гальмування на основі мікросхеми DC-DC конвертера MC34063 представлена в табл. 6.3.

Таблиця 6.3 - Собівартість схеми управління на основі MC34063

Для розробленої схеми підключення денних ходових вогнів на основі мікросхеми MAX16820 собівартість представлена у табл. 6.4.

Таблиця 6.4 - Собівартість денних ходових вогнів

Світові прилади покажчиків поворотів працюють короткий час тому створення спеціальної схеми управління їх роботою не є доцільним. Вони складаються з вивідного резистора вартістю 0,2 грн. та світлодіоду ASMT-AR00 вартістю 15,9 грн. Таким чином загальна вартість становить 16,1 грн.

Розрахуємо загальну собівартість матеріальних затрат на виготовлення світлодіодних ламп врахувавши що на автомобілі встановлюється по 2 сигнали гальмування та ходових вогню та 6 покажчиків повороту

де - загальна вартість матеріальних затрат;

- вартість освітлення салону;

- вартість освітлення панелі приладів;

- вартість освітлення сигналу гальмування;

- вартість сигналу денних ходових вогнів;

- вартість освітлення покажчиків повороту.

Для того щоб електромеханік запаяв одну плату йому потрібна година. Для встановлення її на автомобіль йому потрібно ще півгодини. Тоді витрати на заробітну платню, враховуючи єдиний соціальний внесок (36,7 %) будуть становити

де - заробітна платня електромеханіка за модернізацію одного автомобіля, грн.;

- кількість покажчиків повороту;

- кількість печатних плат для одного автомобіля;

- вартість однієї години роботи електромеханіка, грн.

Затрати на електроенергію розраховуємо приймаючи потужність паяльника електромонтера 45 Вт, тоді

де - вартість спожитої електроенергії, грн.;

- вартість 1 кВт електроенергії, грн.

Загальна вартість виробництва складає, грн.

Адміністративні затрати умовно приймемо 15 % від вартості виробництва, грн.

Загальна собівартість модернізації, грн.

Далі розрахуємо вартість аналогічних рішень.

Аналог 1. Лампи розжарювання для стоп-сигналів та покажчиків повороту типу P21W 8 шт. по 12,63 грн., тоді разом їх вартість 101,04 грн. Для освітлення салону можна використати лампу Festoon Lamps Halogen HMB51 12V 10W вартістю 30,69 грн. Для денних ходових вогнів - лампа P21W 2шт. по 16,37 грн., тобто 32,74 грн. за дві штуки. Загальна вартість аналогу 1 становить 164,47 грн.

Аналог 2. Галогенні лампи для стоп-сигналів та покажчиків повороту типу H1 8 шт. 37,67 грн., тоді разом їх вартість 301,36 грн. Лампу H4 вартістю 38,10 грн. можна використати для денних ходових вогнів 2 шт. 76,20 грн. Лампа H3 вартістю 48,10 грн. придатна для освітлення салону. Загальна вартість аналогу 2 становить 425,66 грн.

Далі розрахуємо за допомогою табл. 6.5 порівняльний коефіцієнт функціональності по кожному з аналогічних виробів.

Функціональна ціна розробки становить 586,83/2=293,42 грн. Функціональна ціна аналога 1 та аналога 2 відповідно складає 164,47/0,296=555,64 грн. та 425,66/0,442=963 грн.

Таблиця 6.5 - Розрахунок функціональної ціни

6.3 Розрахунок експлуатаційних затрат

Розрахуємо зниження використання палива за рахунок зменшення споживаного струму світлодіодами порівняно з лампами розжарювання. Приймемо середній пробіг автомобіля на рівні 50000 км/рік, середню швидкість у міському циклі руху 20 км/год., тоді час руху становить 50000/20=2500 год. Найбільший вклад в економію палива будуть вносити денні ходові вогні. Розрахуємо струм споживання світлодіодних ходових вогнів, враховуючи що один світлодіод споживає 0,015 А, а їх в двох вогнях 32 шт., тоді струм 0,015·32=0,48 А. Двоє денних вогнів з нитками розжарювання по 55 Вт кожний споживають 2·55/13,8=7,8 А. Припустимо, що на протязі кожних 24 год. руху, денні вогні працюють 16 год., тоді за рік вони будуть працювати 2500·16/24=1667 год. Зменшення споживання струму світлодіодними денними вогнями порівняно з лампами розжарювання складає 7,8-0,48=7,32 А.

Кількість зекономленого палива розрахуємо шляхом порівняння виробленої двигуном енергії. Розрахуємо економію енергії, котру міг би виробити генератор. Вона становить 7,32·13,8/1000=0,101 кВт·год. Приймаючи середній ККД генератора на рівні 60 %, знаходимо енергію, котру повинен виробити з пального двигун внутрішнього згоряння 0,101·100/60=0,1683 кВт·год. З іншого боку відомо що на подолання одного 1 км. автомобіль у середньому витрачає 0,15 кВт·год. Приймемо ККД двигуна внутрішнього згоряння на рівні 30 %, а трансмісії - 95 %. Тоді двигун на подолання 1 км. виробляє 0,15·100/30·100/95=0,53 кВт·год енергії. Приймаючи витрату палива 10 л. на 100 км., знаходимо що автомобіль на подолання одного 1 км. витрачає 10/100=0,1 л. Приймаємо зекономлене паливо на протязі 1 год. за х та складаємо пропорцію

звідки

Приймаючи вартість палива на рівні 10 грн. за 1 л., знаходимо що економія від встановлення світлодіодних денних ходивих вогнів за 1 год. становить 0,03175·10=0,3175 грн. Тоді економія за рік становитеме 0,3175·1667=529,27 грн.

Припустимо що всі інші модернізовані освітлюючі прилади на кожні 24 год. руху автомобіля працюють 1 год. Тоді за рік вони будуть працювати 2500·1/24=104,2 год. Нехай зменшення споживання струму при цьому становить 4 А. Значить буде економитись 4·13,8·100/60=92 Вт·год. або 0,092 кВт·год. За 1 год. буде зекономлено 0,092·0,1/0,53=0,017 л. пального. За 1 рік буде зекономлено 0,017·104,2=1,77 л., або в грошовому еквіваленті 1,77·10=17,7 грн.

Загальна економія світлодіодного освітлення автомобіля порівняно з лампами розжарювання протягом 1 року становитеме 529,27+17,7=546,97 грн.

Нехай автомобіль експлуатувався на протязі 3 років, тоді економія становить 546,97·3=1640,91 грн.

Відносний економічний ефект знайдемо як відношення економії при експлуатації до вартості модернізації, тобто

Виконана заміна ламп розжарювання на світлодіодні є актуальною, оскільки світлодіоди мають на багато довший термін служби, не мають великого пускового струму (який є частою причиною виходу з ладу ламп розжарювання), стійкі до вібрацій, мають менший час спрацьовування, що особливо актуально на високих швидкостях руху. Як показав розрахунок, світлодіодні лампи мають найбільшу ціну, але в тойже час завдяки високій функціональності, їх функціональна ціна нижче в 2 рази ніж у найближчого аналога. Економія палива від використання світлодіодних ламп є такою, що майже повністю окупає вартість заміни звичайних ламп на світлодіодні вже за рік експлуатації автомобіля в міському циклі руху.

ВИСНОВКИ

У роботі здійснено теоретичне розв'язання актуальної науково-технічної задачі конвертування світлового електрообладнання легкового автомобіля за допомогою світлодіодів. Для прикладу було обрано достатньо сучасний автомобіль ВАЗ2115 але в той же час на ньому встановлено система освітлення з використанням звичайних ламп. Суть виконаних досліджень полягає в розробці схем стабілізації протікаючого струму через світлодіод для різних елементів системи освітлення (освітлення салону, сигналів гальмування, покажчиків повороту, підсвітки дошки приладів), вибору світлодіода з необхідною силою світла та достатнім прямим струмом.

Для створення високоефективного освітлення салону використано мікросхему HV9910 - високоефективний ШІМ-контролер для світлодіодів. Розраховані номінали всіх елементів схеми стабілізації струму, виконана печатна плата, а для наглядності також представлена її 3D модель.

Розроблена схема для освітлення приладів на панелі перед водієм за допомогою мікросхеми NUD4001 - лінійного драйвера компанії ON Semiconductor. Особливістю цього рішення є мала кількість елементів в схемі та відносна простота розрахунку їх номіналів. Це стало можливим завдяки тому, що NUD4001 розроблена спеціально для автомобільних застосувань.

Показано декілька варіантів можливості регулювання сили світла освітлення салону та панелі приладів за допомогою ШІМ-сигналу. Аналоговий таймер NE555 є своєрідний генератор, де можна комбінацією резисторів і конденсатором задавати частоту, а також тривалість імпульсу і паузи. Таким чином, на нім достатньо легко збирається генератор ШИМ-сигнала. Генератор ШИМ-сигнала на операційних підсилювачах працює шляхом порівняння пилкоподібної напруги з постійним по амплітуді сигналом. TL494 є спеціалізованим ШИМ-контроллером і побудова ШИМ-генератора на нім бачиться найбільш оптимальною.

Розглянута можливість створення світлодіодних сигналів гальмування на основі мікросхеми MС34063. Оскільки MС34063 - це інтегральна мікросхема управління для DC-DC конвертерів то за її допомогою виконана схема обмеження струму, протікаючого через світлодіод.

Покажчики поворотів працюють короткий час в повторно-короткочасному режимі, тому створення спеціальної схеми управління їх роботою не було доцільним. Оскільки на автомобілі зазвичай встановлюється шість покажчиків повороту, світлодіоди просто включаються паралельно кожен зі своїм струмообмежувальним резистором.

Розглянута процедура заміни ламп накалювання штатної системи освітлення автомобіля на світлодіоди. Запропоновані рішення для відключення вузла контролю цілісності ламп зі світлодіодами.

СПИСОК ПОСИЛАНЬ

1. Галущак В.С., Сошинов А.Г., Артюхов И.И., Угаров Г.Г, Стратегия развития энергосбережения в уличном освещении// Научный журнал «Современные проблемы науки и образования». - 2009. - №5.

2. Коган Л.М. Светодиодные осветительные приборы. Светотехника. 2002. № 5. c. 16...20.

3. Басов В.Б., Светодиоды - преимущества и недостатки// Электро. - 2010. - №6. - с.35 - 37.

4. Срок службы светодиодных светильников: рекомендации по тестированию//Современная светотехника. -2010. - №5.

5. А.Т. Овчаров, Б.В. Акимов. Деградация излучательных характеристик люминесцентных ламп с позиции фотостойкости люминофоров. / Материалы доклада IV Всероссийского н.-т. семинара: Энергетика: экономия, надёжность, безопасность. Томск, 1998. - с. 34-35.

6. А.Т. Овчаров, А.А. Вилисов, Е.В. Широкова. Фотоиндуцированная коррекция характеристик излучающих диодов. / жур.: Известия вузов. Физика, 1997, вып. 8. - с. 109-114.

7. А. Полищук, А. Туркин. Деградация полупроводниковых светодиодов на основе нитрида галлия и его твердых растворов. / жур.: Компоненты и технологии, 2008, №2. - с. 18-22.

8. С. Никифоров. Повесть о «вечной» молодости светодиодов. / жур.: Полупроводниковая светотехника, 2010, №4. - с. 32-36.

9. www.bright-leds.ru/page-degradation.html

10. http://www.premier-electric.com/files/supertex/pdf/hv9910.pdf

11. http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/166742/ONSEMI/NUD4001. html

12. http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/stmicroelectronics/2182.pdf

13. http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nationalsemiconductor/DS009299.PDF

14. http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/2300/501448_DS.pdf

15. ВАЗ 2115. Руководство по ремонту (+ каталог запчастей). М.: «Третий Рим», 2005, 304 с.

16. Косарев С.Н., Мельникова Л.А. и др. ВАЗ 2115-14. Руководство по ремонту, эксплуатации и техническому обслуживанию, М.: «Третий Рим», 2004, 138 с.

17. Устройство, техническое обслуживание и ремонт автомобилей: Учеб. / Ю.И. Боровских, Ю.В. Буралев, К.А. Морозов, В.М. Никифоров, А.И. Фешенко - М.: Высшая школа; Издательский центр «Академия», 1997.-528с.

18. http://www.d-geniral.org.ua/ekolohyya-y-svetodyodyi

19. http://it-master.biz/svetodiody-vytesnyayut -lampochki-vsex

20. http://rnd.cnews.ru/tech/news/line/index_science.shtml?2011/02/16/428077

21. http://leds-magazine.ru/fotobiologiya1.html

Размещено на Allbest.ru