Источники света

Самые известные и распространенные источники светового потока автомобильных фар – лампы накаливания.

Самый большой недостаток ламп нака­ливания – их неэффективность. Эти лампы слишком затратные, так как более 90 % всей энергии превращается в тепло и менее 10% непосредственно в свет.

Автомобильная лампа накаливания состоит из колбы 1 (рис. 15.6, а), одной или двух нитей накала 2 и 3, цоколя 7 с фокусирующим фланцем 5 или без него и выводов 6. Стеклянная вакуумная колба лампы из которой выкачан воздух может иметь шаровидную, каплевидную, грушевидную или цилиндрическую форму. Нити накала в двухнитевых лампах имеют различное функциональное назначение, например, дальнего или ближнего света. Цоколь лампы служит для крепления лампы в патроне светового прибора и подведения тока от источника электроснабжения к электродам, соединяющим контакты цоколя с нитями накала.

При прохождении электрического тока нить накала лампы нагревается и при определенной температуре начинает излучать свет. Энергия светового излучения, воспринимаемого человеческим глазом, составляет только небольшую часть потребляемой лампой электрической энергии. Большая часть электрической энергии выделяется в виде теплового излучения. Нить накала должна выдерживать высокие температуры, иметь малые размеры. Ее изготовляют из тонкой вольфрамовой проволоки, свитой в цилиндрическую спираль. Спираль крепится к электродам и обычно имеет форму прямой линии или дуги окружности. Тугоплавкий вольфрам имеет температуру плавления 3380°С. С повышением температуры спирали увеличиваются яркость и световая отдача лампы. Однако при температуре нити накала 2500°С, что соответствует рабочему режиму лампы, вольфрам интенсивно испаряется и, оседая на стенках стеклянной колбы, образует темный налет, уменьшающий световой поток лампы.

В связи с этим вакуумные лампы в современных автомобилях практически не используются.

Галогенные лампы. Эти лампы также являются лам­пами накаливания (рис. 15.6, б), но в них используется еще один наполнитель – галогенид (йод или бром).

Обычно они имеют двойной корпус, что несколько снижает внешнюю температуру лампы и одновременно повышает эффек­тивность галогенного цикла. При включении лампы температура повышается (на поверх­ности нити она составляет около 2000°С) и при достижении температуры 1450°С начинается разложение соли вольфрама на вольфрам и галоген (рис. 15.6, в). Некоторые атомы вольфрама оседают на нити накаливания, другие образуют вокруг нее облако, препятст­вующее испарению вольфрама.

Поскольку испарение вольфрама уменьшается появляется возможность для увеличения температуры нити накаливания и, соответственно, яркости свечения. Кроме того, поскольку испаренные атомы вольфрама возвращаются обратно к нити (эффект регенерации), срок службы лампы увеличивается, а в связи с тем, что атомы вольфрама не оседают на стекле, не происходит потемнения пампы и уменьшения яркости свечения в процессе эксплуатации.

В современных лампах в качестве галогена используется йод, который переходит в газообразное состояние только при температуре свыше 250°С. Для обеспечения этого условия иодновольфрамовые лампы накаливания изготавливаются маленького размера. Колбы этих ламп изготавливаются из термостойкого кварцевого стекла. Поскольку кварцевое стекло более прочное, чем обыкновенное, это позволило увеличить давление газе внутри лампы, что привело к уменьшению испарения вольфраме.

Галогенные лампы накаливания нельзя касаться руками, поскольку соль с пальцев может окрасить кварцевое стекло. Если это прои­зошло, колбу холодной лампы необходимо протереть метиловым спиртом.

У галогенных ламп накаливания есть и еще один не­достаток – тонкая спираль, состоящей из довольно хруп­кого вольфрама, которая чувствительна к вибрациям в автомобиле.

Ксеноновые лампы. Существуют ксеноновые газоразрядные и ксенон-наполненные лампы. После­дние – это классический представитель ламп накаливания. Эти лампы отличаются от га­логенных только наполнителем колбы.

Ксенон (xenon, Xe) – бесцветный благо­родный газ, не имеющий запаха. Имея атом большего размера (больше, чем у криптона и, тем более, аргона), ксенон лучше замед­ляет испарение вольфрама. Тем самым мож­но повысить температуру нити накаливания, что сделает лампу более яркой.

У ксеноновой газоразрядной лампы (HID High Intensity Discharge — раз­ряд высокой интенсивности) нет нити накаливания и световой поток создается высоким напряжением. (рис. 15.6, г). В капсуле в среде пара из инертных газов, ртути и галогенидов (в дан­ном случае ксенона) между двух электродов 14 пропускается электрическая дуга и за счет нагрева газа образу­ется световое излучение.

HID-лампа обязательно комплектуется балластом — пускорегулирующим устройством. Он должен генерировать напряжение до 25000 В для розжига дуги разряда и затем поддер­живать ее горение уже примерно при 85 В. В нем есть ещё и специальные нагреватели ксенона, состоящие из блока розжига и электронной системы управления температурой и мощностью. Эти механизмы повышают цену на фару в несколько раз.

Для автомобиля ксеноновые лампы вы­годны в силу ряда факторов. В сравнении с галогенными лампами, ксеноновые HID-лампы значительно ярче и потребляют при этом значительно меньше энергии, а срок службы в два-три раза больше. Свет ксеноновой фары более точно сфокусирован, не слепит так, как свет галогенных ламп и ос­вещает большее пространство. Кроме того, применение ксеноновых HID-ламп облегчает передвижение автомобиля в дождливую погоду, поскольку световой пучок не рассеивается в дождевых каплях.

Светодиодные лампы. Такой тип электроразрядных люминес­центных ламп LED (Light Emitting Diodes — светоизлучающий диод) необходимо выделить в от­дельный класс. Принцип действия этого источника све­та основан на способности полупроводнико­вых кристаллов к люминесценции при про­хождении через них электрического тока. Необходимый цвет излучения получается путем применения различного химического состава полупроводников. Фары, работающие на светодиодных лампах, называют матричными.

Все светодиоды можно поделить на два основных типа:

Индикаторные – маломощные светодиоды используются как индикаторы в различных приборах.

Осветительные – более мощные светодиоды, используются в осветительных приборах.

В настоящее время светодиоды широко используются в качестве источников света внутреннего (подсветка приборов, индикаторные лампы) и внешнего (задние фары, дополнительные стоп-сигналы, дневные ходовые огни) освещения. С 2007 года светодиоды белого спектра свечения начали использоваться в качестве источников ближнего и дальнего света.

Светодиодная лампа и принцип работы светодиода показан на рис. 15.7. Внутри пластикового корпуса лампы 6 (рис. 15.7, а) находится светоизлучающий диод 4, представляющий из себя две полупро­водниковые пластины (рис. 15.7, б), одна с положитель­ным, а другая с отрицательным зарядом (рис. 15.7, а). Светодиод соединяется тонкой проволокой 2 с анодом 8. Между пластинами находится нейтральная зона. В светоизлучающем диоде используется принцип p-n-перехода (рис. 15.7, б). Полупроводник n-типа имеет избыток электронов (отрицательный заряд), p-тип – избыток дырок (положительный заряд). При их соединении и приложении электрического поля к диоду электроны и дырки стремятся друг к другу через «зону покоя» к p-n-переходу, при этом выделяется энергия в виде фотонов, то есть свет. Так как при этом диод сильно греется, поэтому температуру p-n-перехода в диодных лампах ограничивают с помощью радиаторов-теплоотводов (рис. 15.7, в).

Одна из по­лупроводниковых пластин имеет форму от­ражателя 5 (рис. 15.7, а), направляя поток фотонов в нуж­ное направление. От формы линзы зависит угол рассеивания светового потока, чем более плоская линза, тем шире угол рассеивания и наоборот, чем выпуклей линза, тем уже световой поток.

Световой поток светодиодной фары дальнего света формируется путем сложения световых потоков отдельных светодиодов (рис. 15.8)

Если этого требует режим езды, перераспределение светового потока такой фары (к примеру, переход из режима дальнего света в режим ближнего) легко осуществляется путем включения и выключения отдельных светодиодов. Например, в фарах головного света фирмы «Хелла» в режиме ближнего света поток формируют четыре светодиода, расположенные за шестиугольными линзами-коллекторами. В режиме дальнего света дополнительно подключаются еще три светодиода.

Электронный блок управления обрабатывает данные о скорости, погодных условиях, угле поворота рулевого колеса и определяет необходимую освещенность дороги.

Нить накала светодиода набирает свою мощность за 0,3 секунды, а светодиод за 50 нано секунд. На скорости более 100 км/ч такая разница дает выигрыш в 5 метров для маневрирования или резкого торможения. А ведь именно это и играет важнейшую роль в предотвращении многих ДТП.

Светодиоды не имеют спиралей, элект­родов и других изнашиваемых элементов. Они влаго- и пыленепроницаемые, не подвержены вибрации. Все это делает их весьма дол­говечными до 100 тыс. часов, что сравнимо с жизненным циклом автомобиля. В отличие от электрораз­рядных источников света, светодиоды не требуют для своей работы никаких дополни­тельных пусковых устройств, что облегчает работу с ними. Однако для устой­чивой работы светодиодов ток необходимо стабилизировать. Для этого применяют кон­верторы или драйверы. Но эти устройства значительно проще баллас­тов электроразрядных ламп.

Светодиодная фара достаточно сложная и состоит из отдельных сложных блоков (рис. 15.9).

Модуль, блоков дальнего света фар 3 состоит из 25 светодиодов, объединенных в группы по 5 штук и в совокупности образующих матрицу. Каждая группа имеет свой отражатель и металлический радиатор для охлаждения. С помощью матрицы из светодиодов реализовано около одного миллиарда различных комбинаций распределения света.

Модуль ближнего света фар 2 расположен под модулем дальнего света фар. Он также состоит из светодиодов, поделенных на несколько сегментов. В самом низу фары размещен модуль дневных ходовых огней, габаритных огней и указателя поворота 7. Конструктивно модуль включает 30 последовательных светодиодов. В фаре расположен и электронный блок управления 6. Для принудительного охлаждения светодиодов фара оснащена воздуховодом с вентилятором 5.

Все конструктивные элементы матричной фары помещены в пластмассовый корпус 4, который служит основой для размещения элементов и защищает их от внешних воздействий. С лицевой части корпус закрыт наружной крышкой 1с прозрачным рассеивателем.

Лазерные светодиодные лампы. Такие лампы впервые применены на автомобилях BMWi8. Для превращения лазерного луча в обычный белый свет, свет направляется не прямо на дорогу, а на специальный люминофор.

В корпусе каждой фары расположены три-четыре источника лазерного излучения мощностью около 1 Вт каждый (рис. 15.10). Всего в автомобиле может быть до 12 лазеров по 3 в каждой из 2 секций фары.

Лучи 2 (рис. 15.11, а) направляют при помощи системы зеркал 3 на элемент из флуоресцентного материала 4. При поглощении последним энергии выделяется белое свечение, из которого формируется световой пучок. Световой поток попадает в линзу 5, которая формирует и направляет световой поток на зеркало 6, формирующее световой поток, освещающий дорогу (рис. 5.8, б).

Внутри линзы 5 находится желтый фосфор, который под воздействием синего лазера излучает яркий белый свет. Этот свет излучаемый фосфором, перенаправляется линзой на зеркало 6, которое отбрасывает свет на 180 градусов на дорогу перед автомобилем. Внутренности фары созданы специальным образом так, что весь созданный свет отражается на поверхность перед автомобилем.

Одним из основных достоинств фар, произведенных по новой технологии, является то, что энергопотребление лазерных светодиодов в два раза меньше, чем диодных. Это сделает модели, оснащенные таким видом освещения, более экономичными. Номинальная дальность освещения составит до 600 м, что примерно в 2 раза больше, чем у самых современных светодиодных фар.

Второе преимущество такого инновационного решения в светотехнике – компактность лазерных диодов. Они примерно в 100 раз меньше, чем размеры используемых сегодня обычных диодов, что позволяет без потери эффективности освещения уменьшить размеры головной оптики.