Передача данных с помощью светодиодов

Светодиоды передают данные

Передние и задние фары автомобилей со светодиодами служат не только для освещения. Модулированный свет позволяет передавать данные другим автомобилям.

Светодиоды уже давно используют для внутреннего и наружного освещения. И это не просто альтернатива лампам накаливания и газоразрядным лампам для автомобилей среднего и бизнес-класса. История полупроводникового освещения началась еще 1935 году, когда французский физик-исследователь Жорж Дестрио (Georges Destriau) открыл явление электролюминесценции сульфида цинка. Но только спустя 30 лет, в 1962 году, Ник Холоньяк (Nick Holonyak) вывел на рынок первый красный светодиод.

С помощью полупроводника из арсенид-фосфид галлия (GaAsP) был изготовлен первый светодиод, излучавший видимый красный свет. В 1970-х начали появляться светодиоды и других цветов. Зеленые, желтые и оранжевые светодиоды начали использоваться в качестве сигнального освещения в автомобильной промышленности.

Производители автомобилей в то время с трудом добились разрешения использовать желтые светодиоды для изготовления фар дальнего света. Только ближе к середине 1990-х японскому ученому Сюдзи Накамура (Shuji Nakamura) удалось изготовить синий светодиод с высокой яркостью на базе нитрида галлия. Это открытие легло в основу разработки белого светодиода и в 2014 году было отмечено Нобелевской премией.

10-летний юбилей эффективного использования светодиодов

После первых испытаний по освещению помещений с помощью желтых светодиодов стало ясно, что отказаться от ламп накаливания в пользу этих светодиодов не получится. Световая отдача светодиодов стала достаточно эффективной только в последние 10 лет. Благодаря этому стало возможно использовать светодиоды не только для сигнализации, но и для освещения.

По данным ведущих производителей светодиодов, благодаря исследованиям и разработкам эффективность светодиодов растет на 12% в год. Сейчас световая отдача составляет более 200 люмен/Ватт, а соотношение тепловыделения к световой отдаче составляет 70:30. Для сравнения: в лампах накаливания это соотношение составляет 95:5.

При основном и служебном освещении – например, подсветке дисплея – мощность освещения должна соответствовать освещенности окружающего пространства: это не только обеспечивает определенный комфорт для пользователя, но и влияет на уровень безопасности. Поскольку в автомобильной промышленности дизайн играет очень важную роль, одним из основных требований к диодной матрице является упорядоченность передачи сигнала: все светодиоды в определенный момент времени должны иметь одинаковую яркость и одинаковый спектр.

Исследования отдельных светодиодов показали, что непрерывное переключение влечет за собой расхождение сигнала, особенно на доминантных длинах волн. Для отдельных светодиодов эти расхождения показаны на Рисунках 2 и 3. Отклонения значительно отличаются для различных светодиодов.

Затемнение и эффективность светодиодов в автомобиле

Затемнение светодиодного освещения до менее 20% номинального тока ведет к различной эффективности светодиодов, а ниже 5% некоторые светодиоды вообще не светят. Такое расхождение доминантных длин волн или мощности различимо для человеческого глаза, поэтому система не подходит для использования в автомобилях. Однако светодиоды обладают большей цветовой стабильностью, чем лампы накаливания. Если снижать интенсивность свечения галогеновой лампы, то ее свет становится красным. Для обычных ламп накаливания необходимо около 200 мс для достижения яркого свечения. Светодиод начинает светиться сразу, как только к нему поступает электрический ток – заданная интенсивность достигается очень быстро. Благодаря этому внимательный водитель получает 200 мс запаса для экстренного торможения в случае необходимости. При скорости 100 км/ч за 200 мс водитель проезжает 5,5 метров.

Регулирование яркости светодиодов в автомобильной промышленности рассматривать сложно – здесь работают с постоянным напряжением. Поэтому эффективное фазовое регулирование не принимается в расчет. Благодаря удобной широтно-импульсной модуляции для управления светодиодами используются именно ШИМ.

Управление ШИМ и рабочим циклом

Важно, чтобы осветительные приборы работали с частотой более 100 Гц – тогда глаза пользователя не замечают мигания. Частоты более 500 Гц могут привести к сложностям из-за особенностей электромагнитного излучения. Основой служат сигналы прямоугольной формы, в которых доминируют нечетные гармоники с частотами выше основной частоты. Наряду с частотой измеряется и ширина импульса. Эти значения могут быть представлены на осциллографе Yokogawa DLM 4000 наряду еще с 30 параметрами. Данные можно отображать в двух различных форматах на двух дисплеях.

На Рисунке 4 показано состояние задней фары автомобиля, которой управляют с помощью ШИМ. Первая часть соответствует 24% нагрузки (нижняя левая четверть дисплея), вторая часть – почти 94% нагрузки. Так разные нагрузка позволяет включать задний габаритный свет (Положение 1) и стоп-сигнал (Положение 2) с помощью одной и той же диодной матрицы.

Вычисление интеграла для заданного промежутка времени, который также можно вывести на дисплей, позволяет получить сведения о достигнутой яркости – например, в формате процентов.  Светодиодами обычно управляет ШИМ-регулятор с MOSFET.

Та же процедура применяется для снижения яркости фар и улучшения видимости поворотных сигналов при включенных фарах дневного света. Современные автомобили уже оснащены светодиодами с модулированным излучением и соответствующими системами управления, которые могут применяться не только для освещения, но и для передачи сигнала.

Передача сигнала автомобиль-автомобиль

Производители автомобилей применяют различные решения для установления связи между автомобилями. К этим решениям принадлежит в первую очередь протокол WLAN и мобильная связь; также в ограниченных объемах применяется спутниковая связь. Светодиоды впервые рассматриваются в качестве средства связи между автомобилями. Поскольку при подведении питающего тока светодиоды реагируют очень быстро, они подходят для передачи данных со скоростью несколько мегабит в секунду.

Простая передача сигнала требует всего несколько килобит в секунду. Данные для передачи должны содержать скорость, расстояние до передвигающегося впереди транспортного средства или интервал скорости потока автомобилей. Преимущество перед системами WLAN или мобильной передачи данных состоит в том, что возможна идентификация отправителя сигнала в пространстве. Это касается автомобилей, находящихся как впереди, так и сбоку и сзади. Здесь нет необходимости обмениваться данными о положении или входить в какую-либо сеть. Передаются данные только о движении.

Уже установленные на современных автомобилях системы позволяют передавать данные, повышающие безопасность водителей и пассажиров: при необходимости создается тормозное давление, натягиваются ремни безопасности и т.д. Система камер позволяет точно отслеживать позицию автомобилей, движущихся впереди и сзади. Для повышения эффективности камер применяют датчики оптической связи, которые передают сигнал быстрее, чем применяемые в настоящее время камеры.

Импульсная модуляция для связи автомобиль-автомобиль

На Рисунке 3 представлена конфигурация системы коммуникации автомобиль-автомобиль на основе видимого света. Светодиодные передние и задние фары служат для передачи сигнала, а передняя и задняя камеры служат для получения сигнала. Если рассматривать существующие системы импульсного регулирования, то выбор, скорее всего, падет на фазово-импульсную модуляцию.

Однако не будем уходить от типа кодирования, рассматриваемого в данной статье. Широтно-импульсная модуляция все же может применяться довольно эффективно. При этом имеющиеся ШИМ с MOSFET могут управлять как шириной импульсов для регулирования яркости, так и фазами. И если использовать частоты от 100 до 500 кГц, то скорость передачи данных при простом кодировании составит до 500 кбит/с. Этого достаточно для передачи важной информации.

  

Возврат к списку

Хотите подписаться на статьи электронного журнала "Электрорешения"?