Як працюють різні типи ламп в автомобільних фарах?

За останні 15 років фари перетворилися на складні високотехнологічні продукти. Варто ближче познайомитися з різними технологіями, починаючи від простої лампочки і закінчуючи сучасним матричним світлодіодним світлом.

На відміну від багатьох тварин, людина не створена для того, щоб добре бачити вночі. Без допоміжних засобів, таких як штучне світло, Homo Sapiens вночі сліпий, як кажан.

І незважаючи на нічне освітлення, в темряві трапляється набагато більше нещасних випадків, ніж вдень. Ризик загинути в аварії вночі приблизно на 130 відсотків вищий, ніж вдень. І це при тому, що лише 28% всіх аварій трапляються в темний час доби.

Чим краще фари освітлюють темряву, тим менший ризик аварії. Однак навіть найкращі фари не приносять користі, якщо вони не працюють і не відрегульовані належним чином. Щороку майже 1000 людей потрапляють в аварії тільки через несправності освітлення автомобіля, такі як неправильно відрегульовані фари або несправні лампи.

Однак не тільки неправильно відрегульовані фари, але й неправильні джерела світла можуть стати причиною засліплення. Особливо це часто трапляється зі старими автомобілями. У сучасних автомобілях зі світлодіодною технологією неправильне регулювання або маніпуляції в принципі неможливі, оскільки технологія і лампи занадто складні для цього. Поки що.

Більше потужності з галогенними лампами

Незважаючи на зростаючу присутність світлодіодів, галогенні лампи все ще мають своє місце в фарах завдяки підвищеній потужності та вигідній ціні. Ретельно спроектований великий рефлектор FF у поєднанні з потужною лампою H4 або H7 може забезпечити дуже хороше світло, яке, звичайно, не може зрівнятися з ксеноном або хорошими світлодіодними фарами, але, безумовно, є достатнім для багатьох застосувань.

Як працює галогенна лампа? Додавання невеликої кількості атомів галогену, таких як йод або бром, зменшує потемніння лампи. Вольфрам у нитці розжарювання під час взаємодії з галогеном утворює газоподібну сполуку, яка циркулює в лампі, а не осідає на скляній колбі.

Температура нитки розжарення підвищується до температури плавлення вольфраму, яка становить 3420 °C.

Випарений вольфрам з’єднується з наповнювальним газом у безпосередній близькості до стінки гарячої лампи, утворюючи газ (галогенід вольфраму), який є напівпрозорим. Коли цей газ знову наближається до нитки розжарення, він розкладається, і металевий вольфрам знову осідає на нитці розжарення. Цей цикл дозволяє галогенній лампі працювати при вищих температурах, що відповідно підвищує її ефективність.

Найпоширенішими типами для фар є H1, H3, H4, H7, H9, H11 і HB3, які використовуються для ближнього, дальнього і протитуманного світла. Лампа H4 є винятком, оскільки вона виробляє дальнє і ближнє світло як двониткова лампа розжарювання і тому вимагає лише одного відбивача на лампу. Лампи з однією ниткою розжарювання, такі як H7, потребують загалом чотири відбивачі на автомобіль для ближнього та дальнього світла. Лампа розжарювання H4 для ближнього світла оснащена захисним ковпачком. Він закриває компонент сліпучого світла і створює лінію відсікання.

На ринку є більш потужні галогенні лампи зі значно вищою світловіддачею, наприклад, Osram Nightbreaker, Bosch Gigalight Plus 150 % або Philips RacingVision +150 %. Хоча ці лампи не забезпечують обіцяних 150% яскравішого світла, світловий конус значно яскравіший і світить на 20 метрів далі, ніж стандартна лампа. Це доведено випробуваннями ламп у лабораторії світла.

Відмінності між лампами H4 у фарах Mini можна чітко побачити під час лабораторного тесту.  

Стандартна лампа (зверху) і лампа Philips RacingVision (знизу) зі значно яскравішим світлом і ширшим світловим конусом

Виникає питання, к ці лампи створюють яскравіше світло? Окрім того, що вони виготовлені з високою точністю, вони також мають наповнення з інертного газу і тоншу нитку розжарення, тому їх можна використовувати при вищих температурах.

Також доступні сині галогенні лампи, які дають біліше світло. Однак повне синє покриття скляної колби завжди йде на шкоду яскравості, незалежно від того, що обіцяє виробник. Дешеві азійські лампи, які можна купити в інтернеті, особливо жалюгідні в цьому відношенні. Мало того, що вони зазвичай не дуже яскраві, так ще й неякісне виготовлення та точність призводять до небезпечного, сліпучого розсіяного світла.

Розробники змогли не тільки підвищити яскравість, але й збільшити термін служби. Лампи Ultra Life від Osram обіцяють в чотири рази довший термін служби, ніж стандартні лампи. Однак, лампи з тривалим терміном служби світять не дуже яскраво. Як правило, чим яскравіше світить лампочка, тим коротший термін її служби. Лампи з тривалим терміном служби добре підходять для їзди по місту, але не для нічних подорожей поза містом.

Фари – основні принципи та юридична інформація

Зараз існує велика кількість різноманітних фар і лампових систем. Основним завданням автомобільних фар є забезпечення оптимального освітлення дороги для безпечного водіння без втоми. Таким чином, фари та їхні джерела світла є частиною активної безпеки автомобіля. Але тільки якщо вони працюють належним чином. Саме тому вони також потребують офіційного дозволу. Несанкціоновані модифікації, тобто маніпуляції, не допускаються.

Які фари можуть бути встановлені на транспортному засобі, де саме, їхня конструкція, джерела світла, кольори та технічні показники освітлення чітко регламентовані законодавством.

Допоміжні фари в ЄС регулюються регламентом StVZO в §§ 49a-54 і § 60. В межах ЄС також діють гармонізовані правила, які можна знайти в ЄЕК (Європейська економічна комісія).

Будова фари

Фара складається щонайменше з корпусу, відбивача, ламп і розсіювача або розсіювальної лінзи. Сучасні фари також містять силові модулі, електродвигуни для управління дальнім світлом, проекційні модулі, блоки управління ксеноновими або світлодіодними технологіями та радіатори для світлодіодних фар.

Корпус фари з усіма її компонентами з’єднаний з кузовом автомобіля через передню частину і слугує захистом від вологи, тепла, ударів тощо. Сьогодні в якості матеріалів використовуються лише термопласти. Як правило, інтегровані два регулювальні гвинти, що дозволяють регулювати фару по горизонталі та вертикалі.

Найважливішим компонентом фари є рефлектор, який повинен спрямовувати якомога більше світлового потоку лампи на дорогу. Існують різні системи фар, які максимально ефективно виконують цю вимогу. Однак на зміну звичайним параболоїдним відбивачам все частіше приходять проекційні системи. Про це ми поговоримо пізніше.

У минулому рефлектори зазвичай виготовлялися з листової сталі. Сьогодні через такі вимоги, як вага і дизайн, майже виключно використовуються термопласти. Вони можуть бути виготовлені з високим ступенем точності з точки зору відтворення форми. Завдяки цьому можна створювати особливо ступінчасті рефлектори FF і багатокамерні системи. Потім рефлектори фарбуються для досягнення необхідної якості поверхні.

Рефлектори з алюмінію або магнію також використовуються для систем фар, що піддаються високим тепловим навантаженням. На наступному етапі методом парового осадження наноситься відбиваючий шар алюмінію, а потім захисний шар кремнію.

Розсіювальний диск, який використовується в простій системі рефлектора, за допомогою своїх оптичних елементів розподіляє світло, забезпечуючи краще освітлення правого боку дороги. Світло відхиляється призмами і розсіюється циліндричною оптикою. Циліндричні вертикальні профілі використовуються для розподілу світла по горизонталі, а призматичні структури на висоті оптичної осі – для розподілу світла так, щоб більше світла потрапляло в найважливіші точки світлового конуса.

Для проекційних систем або прожекторів вільної форми використовуються розсіювачі без оптичних елементів. Вони виготовляються або зі скла, або з пластику, наприклад, полікарбонату (ПК). Вони слугують лише захистом від забруднення та впливу погодних умов.

Відбиття та проекція

В основному, існує чотири типові системи прожекторів: параболоїдні прожектори, прожектори вільної форми (FF), прожектори DE (проекційна система) і суперпрожектори DE (з FF).

Параболоїдні – вільної форми – проекційні

Десятиліттями рефлектор параболоїдної форми використовувався для максимального фокусування світлових променів на дорозі. Джерело світла розташоване таким чином, що його світло світить вгору, збирається рефлектором і відбивається на дорогу розсіювальним диском. Саме тому її ще називають системою відбиття. Розсіювальний диск розподіляє світло таким чином, щоб були дотримані вимоги законодавства. Однак світловіддача при цьому низька. Фари Bilux і H4, а також водійські фари в основному спроектовані (або були спроектовані) як параболоїдні системи. Сьогодні, однак, часто використовуються проекційні системи, рефлектори вільної форми та їхні комбінації. Наступний огляд має на меті показати різні типи.

Система вільної форми або рефлектор вільної форми

Поверхня рефлектора розраховується на комп’ютері та вільно формується в просторі. У системі FF нижня половина рефлектора також може використовуватися для ближнього світла, що значно покращує світловіддачу.

Це означає, що прожектор може бути дуже маленьким, але при цьому забезпечувати високу світловіддачу.

Вид збоку проекційного прожектора показує сильно вигнутий еліпсоїдний рефлектор і проекційну лінзу.

Еліпсоїдний рефлектор відбиває світло від лампи і концентрує його в 2-й фокальній точці. Лінія відсікання (HDG) створюється діафрагмою (3).

Лінза (4) бере на себе функцію об’єктива і проектує розподіл світла на дорогу. Корисне світло: 36 %. 1 – рефлектор, 2 – джерело світла, 3 – променева діафрагма, 4 – лінза, 5 – захисна лінза.

Фара Super-DE, еліпсоїдна в поєднанні з FF (проекційною системою): 52% корисного світла та більша дальність завдяки оптиці з прозорого скла. Світло концентрується в камері згоряння. Завдяки технології FF світло краще розсіюється і краще освітлює край проїжджої частини. 1 рефлектор, 2 джерело світла, 3 діафрагма, 4 лінза, 5 захисна лінза.

Практично всі нові проекційні системи для фар ближнього світла оснащені відбивачами FF; часто в поєднанні з ксеноновими лампами, оскільки вони випромінюють вдвічі більше світла, ніж галогенні лампи, при цьому споживають на третину менше електроенергії.

Ксенонові фари

У звичайних ксенонових фарах газорозрядна лампа використовується як джерело світла для ближнього світла. З іншого боку, дальнє світло залишається галогенним. Така комбінація гарантувала найкраще світло протягом багатьох років. Навіть перші повністю світлодіодні фари не змогли впоратися з цим. Однак існують також біксенонові проекційні системи.

Вони генерують ближнє і дальнє світло за допомогою лише одного проекційного модуля. Дві функції світла перемикаються механічно за допомогою рухомої діафрагми. У піднятому положенні діафрагма формує лінію відсікання, передбачену для ближнього світла. В опущеному положенні вона розчищає шлях для дальнього світла.

Ксенонові фари з інтегрованим освітленням поворотів – ще одна розробка. Вони мають горизонтально рухомі лінзи, які забезпечують хороше освітлення при проходженні поворотів.

Головною перевагою ксенону, окрім значно більшої світловіддачі порівняно з галогенними лампами, є біло-блакитний колір світла, що нагадує денне світло. Під час прямого порівняльного тесту у водіїв автомобілів з галогенними лампами виникає відчуття, що колір, яскравість і дальність світла обмежені. Яскравість, але не дальність світла ксенону приблизно вдвічі більша, ніж у галогенних фар. В цілому, світловий потік, світлова віддача, яскравість і термін служби значно кращі, ніж у галогенних ламп. В умовах гарної видимості ксенонове світло також має ефект підвищення контрастності.

Будова фари

Ксенонові фари генерують світло за принципом газового розряду. У фарі використовується газорозрядна лампа, наповнена газом ксеноном, яка може бути виконана у формі параболоїда, еліпсоїда або вільної форми. Замість нитки розжарення в ксеноновій лампі газ світиться під дією електричної дуги. Для створення дуги потрібен високовольтний імпульс 10-24 кВ. Його генерує Його генерує електронний пускорегулювальний апарат (ЕПРА).

Система ксенонового освітлення зазвичай складається з описаних фар, ламп (пальників), електронних баластів і запалювачів, системи автоматичного вирівнювання фар (ALWR) і системи очищення фар.

Типи ламп

Різні типи ламп зазвичай маркуються як «D1S», «D1R», «D2S», «D3S» або «D4S».

Літера D позначає англійське слово «discharge», що означає «розрядка». Цифра після D вказує на версію. Літера S в кінці означає, що це ліхтар з колбою з прозорого скла для використання в прожекторі з проекційними системами. Літера R в кінці, з іншого боку, вказує на лампи з непрозорим покриттям скляної колби, які підходять для використання в системах відбиття.

Лампи версій D1 і D3 мають вбудований блок запуску. Лампи D1 є найбільш ранніми моделями, які ще не мали захисної скляної колби для розрядної трубки. Всі наступні версії ламп були оснащені колбою із захистом від ультрафіолетового випромінювання, тому вони набагато стабільніші і менш чутливі. Всі лампи D2 і D4 мають у своєму складі тільки лампу з цоколем.

Лампи D3 і D4 є безртутними версіями попередніх моделей. Однак старі лампи D1 і D2 не можна просто замінити новими, більш екологічними лампами D3 або D4, оскільки для них потрібна інша робоча напруга. Також не слід плутати старі лампи D1 з сучасними лампами D1S або D1R. Коли сьогодні говорять про лампу D1, зазвичай мають на увазі сучасну конструкцію.

Регулювання та очищення фар

Ксенонові системи, як правило, повинні мати автоматичне вирівнювання фар і систему очищення фар через підвищений ризик засліплення. Ця вимога не поширюється на 25-ватну систему. Їхні ксенонові лампи розвивають лише 2000 замість 3000 люменів (лм) світлового потоку і тому звільняються від вимоги щодо вирівнювання фар та системи очищення фар. Тут використовується лампа D5.

Світлодіодні фари

Незважаючи на свої переваги, ксенонові фари швидко стають вимираючим видом. Адже, як відомо, краще – ворог хорошого. Тому системи освітлення зі світлодіодами витісняють газорозрядні лампи з ринку. Найкращі світлодіодні системи створюють дуже гнучкий світловий промінь і мають дальність дії до 600 метрів.

Це означає значно кращу видимість для водія в будь-яких дорожніх ситуаціях. Однак дальність світла – далеко не єдина причина, чому фари зі світлодіодами стають все більш популярними і незабаром замінять ксенонове світло.

Світлодіоди ефективні

Світлодіоди, або скорочено LED, засновані на напівпровідникових сполуках, які можуть перетворювати електрику безпосередньо у світло. На практиці світлова віддача світлодіодів зараз становить від 150 до 200 лм/Вт, що відповідає ефективності понад 40 %. (Примітка: Люмен (лм) – одиниця світлового потоку. Він описує загальний світловий потік, що випромінюється джерелом світла). Для порівняння, світловіддача ксенону становить близько 90 лм/Вт, тоді як галогенного світла – лише близько 20 лм/Вт.

Ефективність і можливості керування світлом світлодіодних фар зараз настільки високі, що майже всі виробники замінюють ксенонові системи на світлодіодні. 

Окрім високої ефективності та продуктивності, ще однією перевагою для водіїв є довговічність світлодіодних модулів. Термін служби автомобільної фари становить близько 20 000 годин, порівняно з 300-1000 годинами для галогенної лампи. Модулі генерують порівняно мало тепла і, перш за все, економно використовують електроенергію.

На відміну від ниток розжарювання, світлодіоди нечутливі до механічних ударів, оскільки не мають порожнистого корпусу, який може вибухнути. Світлодіодні фари випромінюють світло денної білої колірної температури. Це полегшує сприйняття для очей і робить водіння більш спокійним, менш втомливим і безпечним.

Крім того, енергоспоживання світлодіодів нижче, ніж у галогенних або ксенонових технологій. Якщо в автомобілі використовується лише світлодіодне освітлення, потреба в енергії зменшується приблизно на 60 відсотків порівняно з галогенними лампами та лампами розжарювання.

Однак для виробництва двограмового світлодіодного чіпа потрібно 32 літри води, 1,6 кг палива і 72 грами сировини та хімікатів. Аналогічна ситуація і з іншими електронними компонентами. Однак вплив на навколишнє середовище можна значно зменшити, якщо використовувати воду та хімікати в замкнутих системах.

Світлодіодні модулі

Оскільки для ближнього і дальнього світла потрібні високі світлові потоки, фахівці з освітлення, такі як Hella, покладаються на так звані багаточипові світлодіоди в фарах.

Спеціальне розташування чіпів і геометрія корпусу забезпечують бажаний розподіл світла без необхідності додаткового механічного затінення. В результаті можна реалізувати компактні системи прожекторів.

Розподіл світла практично модульний. Симетричний основний світлорозподіл з широким розподілом променя забезпечує рівномірне освітлення ближньої зони перед транспортним засобом. У центральній частині біля лінії відсікання поле з високою яскравістю накладається на цей основний світловий розподіл і створює дальність ближнього світла на лівій стороні дороги (зустрічний рух). Асиметричний «світловий палець» з великим радіусом дії з правого боку дороги забезпечує водієві необхідну дальність освітлення.

Якщо кілька світлодіодів об’єднані в групи так, щоб кожним з них можна було керувати окремо або щоб діодами можна було керувати групами, їх також називають світлодіодними матрицями. Вони складаються з декількох індивідуально адресованих світлодіодних чіпів, які розташовані на підкладці відповідно до попередньо визначеного шаблону. Вільно адресовані світлодіодні матриці керуються за допомогою широтно-імпульсної модуляції. Це дозволяє вмикати і вимикати окремі світлодіоди, створюючи таким чином різні геометрії світла/темряви, а також модулювати інтенсивність розподілу світла. На додаток до безмеханічної реалізації функцій освітлення, світлодіодні матриці в поєднанні з предиктивними автомобільними датчиками та інтелектуальною керуючою електронікою дозволяють реалізувати активні функції освітлення, що не засліплює інших учасників дорожнього руху.

Дизайн світлодіодних фар

Дедалі більша мініатюризація електроніки, в тому числі й світлодіодних технологій, дає змогу створювати менші та яскравіші фари. Оскільки світлодіоди виділяють значно менше тепла, ніж традиційні технології освітлення, можна використовувати нові компоненти світлодіодних фар, виготовлені з пластику, який легко піддається формуванню, що не може не радувати дизайнерів. Для них світлодіодна фара відкриває абсолютно нові можливості дизайну, наприклад, для створення зовнішності, характерної для бренду.

Навіть вночі деякі автомобілі можна віднести до певного бренду завдяки світлодіодній графіці.