Illuminando il cammino – L’optoelettronica avanzata mostra i propri vantaggi per il settore automotive

Numerosi studi di ricerca condotti in tutto il mondo hanno dimostrato che una percentuale di gran lunga superiore di incidenti stradali si verificano durante la notte. Si tratta di una conseguenza delle condizioni di scarsa illuminazione ai quali i conducenti si trovano soggetti in tali periodi.

Introduzione

Se il conducente è in grado di vedere meglio, la probabilità che si verifichi un incidente si riduce, avendo quest’ultimo più tempo per reagire alla situazione che gli si presenta di fronte, riducendo così la possibilità che si verifichi una collisione e che qualcuno riporti lesioni. I miglioramenti delle prestazioni operative dei sistemi di illuminazione frontale in campo automobilistico offrono pertanto ai produttori di autovetture la possibilità rendere i propri modelli notevolmente più sicuri. Di conseguenza, questo è diventato negli ultimi anni uno degli obiettivi principali dei loro team di ingegneri.

Metodi di illuminazione obsoleti

Le lampade alogene e a scarica ad alta densità (HID) allo xeno sono state usate per molti anni per i fari anteriori delle automobili. I dati di test compilati dall’organismo riconosciuto di normazione International Electrotechnical Commission (IEC), mostrano che le lampade HID allo xeno sono in grado di fornire una potenza luminosa di intensità pari a 3.000 lumen con un consumo di potenza di 35W, mentre le lampade alogene richiedono circa 55W di potenza per produrre 1.450 lumen. Le lampade HID allo xeno offrono una vita operativa media più lunga rispetto a quelle di tipo alogeno (2.500 ore contro 500 ore) e non si inclinano nel corso del tempo. Per contro, è consigliabile che le lampade alogene siano sostituite ogni tre anni a causa del rischio di scostamento rispetto all'angolo di inclinazione ottimale degli anabbaglianti.

I fari anteriori HID allo xeno presentano lo svantaggio di richiedere una fonte di energia più elevata rispetto a quelli alogeni, e di conseguenza sono richiesti sia un controllore, sia un trasformatore. Le normative nei diversi Paesi potrebbero inoltre implicare la necessità di ulteriori accessori (ad esempio una rondella per le lenti e un regolatore automatico dell’altezza del faro). Si deve ammettere che la tecnologia allo xeno contribuisce ad assicurare un’illuminazione migliore della strada antistante rispetto a quella alogena, anche se i test hanno confermato che questo effetto cala notevolmente all’aumentare della distanza (con scarsa illuminazione residua oltre i 75m). Le limitazioni nelle rispettive capacità dei fari anteriori HID allo xeno e in quelli alogeni spiegano il fatto che essi ora cominciano ad essere sostituiti da alternative che si basano sull'uso di diodi emettitori di luce (LED).

Fari anteriori in tecnologia allo stato solido

I LED sono usati da molto tempo per l’illuminazione degli interni nelle autovetture, e forniscono agli occupanti del veicolo una vasta gamma di opzioni di colori per adattarsi all'umore degli occupanti del veicolo e per rendere l'ambiente più confortevole durante il viaggio. Questi dispositivi sono stati impiegati anche nelle luci posteriori, negli indicatori di direzione, ecc. Ora questa tecnologia sta anche diventando sempre più di frequente la base delle luci anteriori. Ciò è particolarmente evidente nei modelli di fascia alta, anche se con l’aumento continuo dei volumi di produzione i loro vantaggi stanno cominciando ad essere più evidenti anche per i veicoli di fascia inferiore.

Come ci si aspetterebbe, i fari anteriori per automobili basati su LED sono in grado di superare entrambe le tecnologie precedenti appena discusse. Innanzitutto la loro efficienza energetica è notevolmente migliore - utilizzando essi in media l’80% in meno di energia rispetto ad una lampada alogena e il 60% in meno di energia rispetto a una lampada HID allo xeno per produrre livelli equivalenti di illuminazione. Questo, ovviamente, ha un effetto positivo sul consumo di elettricità del veicolo e permette di ottenere un maggiore risparmio di carburante.

Sono presenti numerosi altri vantaggi offerti dai LED in un contesto automobilistico. Essi sono molto più stabili e hanno una vita operativa media di circa 10.000 ore (durando così fino a 20 volte di più rispetto alle lampade tradizionali). La potenza luminosa che producono è altamente direzionale e il fascio luminoso è stretto, per cui l'illuminazione ottenuta può essere estremamente precisa. Questi dispositivi consentono inoltre di ottenere un miglioramento del tempo di risposta di 200 ms rispetto alle lampade ad incandescenza. Ciò può fornire agli automobilisti un’ulteriore frazione di secondo per reagire - per esempio alla luce del freno che si accende davanti a loro.

Altri aspetti

Non sono solo le prestazioni operative e i vantaggi di in termini di vita operativa che rendono vantaggiosi i fari anteriori allo stato solido. Questa tecnologia è anche in grado di supportare una gamma molto più ampia di caratteristiche e di funzionalità di quanto non possano fare le lampade ad incandescenza.

Un primo esempio di ciò è il fatto che le matrici di LED possono essere controllate di modo da bloccare parti del fascio luminoso anteriore. Di conseguenza, i conducenti dei veicoli che viaggiano in direzione opposta (oltre ai pedoni e agli animali selvatici) non sono abbagliati, contribuendo così a ridurre le possibili cause di gravi incidenti. Alcuni veicoli, come la Audi A8, utilizzano una matrice di minuscoli micro-specchi digitali per raggiungere questo obiettivo.

È anche possibile modificare la forma del fascio prodotto dalle luci anteriori basate su tecnologia LED allo scopo interagire meglio con l'ambiente circostante - tenendo in considerazione le pendenze e le curve della strada, e assicurando l’applicazione dell'illuminazione ottimale nell’area in cui è più necessario. Questa tecnologia di illuminazione frontale adattativa (AFL), a volte anche indicata come tecnologia a fascio di luce abbagliante adattivo (ADB), elimina la necessità di motori e simili e si basa esclusivamente sull'elettronica per apportare le modifiche necessarie al fascio luminoso.

Un'altra caratteristica importante è la capacità di estendere la portata del fascio quando aumenta la velocità del veicolo. Ciò significa che il conducente avrà più tempo per individuare e per rispondere a qualsiasi problema che gli si presenta di fronte.

Va da sé che è essenziale utilizzare LED che siano conformi a rigorosi test standard. Il guasto improvviso e imprevisto dei LED potrebbe compromettere notevolmente la sicurezza degli utenti della strada. L’IEC ha attualmente pubblicato lo standard definitivo sui LED per automotive. Sviluppato a partire da precedenti lavori di normazione svolti dall’Automotive Electronics Council (AEC) generalmente su dispositivi al silicio, lo standard IEC 60810:2017 affronta gli aspetti che si riferiscono nello specifico ai LED incorporati all’interno di qualsiasi veicolo su strada.

Leading manufacturers are of course cognisant of the need to comply with standards. The  LUXEON F di Lumileds è costituita da LED ad alta potenza, con formato 1,9mm x 2,3 mm che, oltre ad essere completamente qualificati in base allo standard AEC-Q101, soddisfano anche le specifiche della Commissione Economica Europea (ECE) per quanto riguarda i colori. Essi sono progettati per supportare sistemi automotive di intelligenza funzionale, compresi gli AFL, oltre che per soddisfare requisiti rigorosi in termini di affidabilità, di prestazioni e di durata relativi all'illuminazione esterna. Il loro ingombro contenuto permette di installarli in contesti applicativi con i più forti vincoli di spazio, e le loro proprietà termiche all’avanguardia sul mercato semplificano significativamente il relativo sistema di dissipazione del calore. Con una produzione di 1650 lumen, la serie Oslon Black Flat S  di Osram è composta da LED a montaggio superficiale che presentano fino a 5 elementi emettitori regolabili individualmente in ciascun package. Non solo essi consentono di modellare il fascio di luce frontale, ma anche di bloccare aree specifiche quando necessario.

 

Figura 1: La famiglia di dispositivi LUXEON F di Lumileds

 

I LED utilizzati per le funzioni di adattamento del fascio descritte precedentemente devono offrire una maggiore intensità luminosa rispetto a quella che sarebbe stata necessaria in precedenza. Un ulteriore incremento è quindi necessario in presenza di circuiti di azionamento di supporto, di modo che possano essere fornite correnti sufficientemente elevate agli emettitori. Il TPS92515-Q1  di Texas Instruments è un IC controllore high-side multicanale lineare che può essere configurato per mantenere un ripple costante picco-picco durante i periodi di accensione e di spegnimento di un ciclo di attenuazione dei FET di shunt - permettendo in questo modo di mantenere una risposta lineare lungo l’intero campo di attenuazione di questi ultimi. Esso incorpora su chip un generatore a modulazione a larghezza di impulso (PWM) ad alta precisione che supporta la riduzione della corrente. Questo protegge i MOSFET in presenza di tensioni di ingresso elevate per assicurare l'affidabilità del sistema.

Nella fascia di lusso del mercato automobilistico, le innovazioni nel campo dell'optoelettronica stanno rendendo possibile la messa a punto dei meccanismi di sicurezza su strada di prossima generazione, come i sistemi ADB/AFL. Tuttavia, tutto ciò ha un prezzo - che è dovuto in larga misura ai circuiti elettronici aggiuntivi che le accompagnano. Il segreto consisterà ora nel produrre soluzioni più economiche che possano rivolgersi ad una vasta gamma di veicoli. Come sempre, si tratta di raggiungere un punto in cui le economie di scala interessate permetteranno che ciò accada.

 

A cura di Mark Patrick, Mouser Electronics - Distributore Autorizzato

 

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