Системы освещения и световой сигнализации

Рис. 1. Автомобильные лампы накаливания:

а — фар головного освещения с европейской асимметрической системой светораспре-деления;б—галогенная категория Н1; в—галогенная категория НЗ; г—галогенная категория Н4; д — двухнитевая штифтовая; е — однонитевая штифтовая; ж — пальчиковая; з — софитная; 1 — колба; 2 — нить дальнего света; 3 — нить ближнего света; 4 — экран; 5 — фокусирующий фланец; 6 — выводы; 7 — цоколь

или цилиндрической формы. Нити накала в двухнитевых лампах имеют различное функциональное назначение.

Цоколь лампы служит для крепления лампы в патроне светового прибора и подведения тока от источника электроснабжения к электродам, соединяющим контакты цоколя с нитями накала. Автомобильные лампы имеют штифтовые и фланцевые цоколи различной конструкции. В лампе со штифтовым цоколем трудно обеспечить точное расположение нити накала относительно штифтов. Поэтому лампы со штифтовыми цоколями применяются в основном в световых приборах, к которым не предъявляются жесткие требования в отношении светотехнических характеристик.

Для точной фиксации нитей накала относительно фокуса параболоидного отражателя лампы автомобильных фар головного освещения снабжают фокусирующим фланцевым цоколем. Конструкция фланца позволяет устанавливать лампу в оптический элемент лишь в одном определенном положении.

Размеры и расположение нити накала в лампе нормируются отечественными и международными стандартами для того, чтобы при замене лампы характеристики светового прибора существенно не изменились.

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 обегано имеет форму прямой линии или дуги окружности.

Галогенные лампы

Повышение температуры нити накала до 2700—2900 °С достигается в лампах с галогенным циклом. Это обеспечивает на 50—60 % большую световую отдачу лампы. Колба галогенной лампы также заполняется инертным газом (аргон, ксенон, криптон и другие) и, дополнительно, небольшим количеством паров йода или брома. В лампах с йодным циклом частицы вольфрама, осевшие на стенках колбы после испарения нити накала, соединяются с парами йода и образуют йодистый вольфрам. При температуре колбы из жаростойкого кварцевого стекла 600—700 °С йодистый вольфрам испаряется, диффундирует в зону высокой температуры вокруг нити накала и распадается на вольфрам и йод. Вольфрам оседает на нити накала, а пары йода остаются в газовом пространстве колбы, участвуя в дальнейшей реализации йодного цикла.

Вольфрам испаряется быстрее с более нагретых участков нити накала. Так как температура выше у дефектных участков, испарение вольфрама с таких участков происходит интенсивнее. С другой стороны, возвращаясь к телу накала, вольфрам оседает на более холодных его участках, поэтому йодно-вольфрамовый цикл не компенсирует усиленное испарение вольфрама с дефектных участков и не способствует существенному увеличению срока службы лампы.

Световая отдача галогенных ламп составляет 22—25 лм/Вт, что в 1,5 раза превышает световую отдачу обычных ламп. Для реализации галогенного цикла необходима высокая температура стенок колбы — до 600—700 °С. Поэтому колбу галогенной лампы изготовляют из кварцевого стекла. Колба имеет небольшие размеры. Для обеспечения более равномерного отложения вольфрама на спиральной нити накала, она должна быть выполнена в виде прямого цилиндра. Выводы галогенной лампы сделаны из молибдена, температурный коэффициент расширения которого близок к коэффициенту расширения кварцевого стекла.

Однонитевые галогенные лампы категорий HI, H2 и НЗ применяются в противотуманных фарах, фарах-прожекторах и фарах рабочего освещения. Кроме того, они могут быть использованы в четырехфарных системах головного освещения. Лампы HI и Н2 имеют нить, расположенную вдоль оси колбы и отличаются конструкцией цоколя. Нить накала в лампе НЗ расположена перпендикулярно оси колбы.

Двухнитевая галогенная лампа категории Н4 устанавливается в фарах головного освещения. Специальный цоколь P43t/38 исключает ус тановку лампы в оптический элемент, непредназначенный для нее. Нити дальнего и ближнего света лампы категории Н4 имеют форму цилиндров и расположены вдоль оптической оси.

Параметры ламп накаливания

Сила тока, потребляемого лампой от источника электроэнергии, световой поток и световая отдача зависят от напряжения. Отечественная промышленность выпускает лампы с номинальным напряжением 6, 12 и 24 В. Расчетное напряжение ламп выше и составляет соответственно 6,3—6,75, 12,6—13,5 и 28 В. При повышении напряжения относительно расчетного значения увеличиваются сила тока, температура спирали, световой поток и световая отдача, но резко сокращается срок службы лампы. При понижении напряжения нить накала нагревателя меньше, поэтому световой поток и световая отдача уменьшаются. При снижении напряжения на 50—60 % лампа практически не излучает света.

Напряжение питания ламп накаливания на автомобиле зависит от настройки регулятора напряжения, состояния источников электроэнергии в цепях питания световых приборов, от числа включенных потребителей, сечения и протяженности соединительных проводов. Лампы должны выдерживать возможные в системе электрооборудования автомобиля колебания напряжения.

Автомобильные лампы работают в условиях вибрации и тряски, поэтому должны быть механически прочными. Крепление колбы к цоколю должно выдерживать усилие, прилагаемое к лампе, когда она вставляется в патрон или вынимается из него. Лампы должны надежно удерживаться в патронах при значительной вибрации, характерной для эксплуатации автомобиля. Снижение вибрационных нагрузок на нить накала и устройство для закрепления лампы в патроне достигается за счет эластичной подвески патрона в световом приборе или светового прибора на автомобиле.

Лампы накаливания отличаются по назначению, конструкции, по электрическим и светотехническим параметрам.

Обозначение автомобильных ламп накаливания

Отечественные автомобильные лампы имеют обозначение (например, А12-45+40), в которое входит буква А (автомобильная), указание на величину номинального напряжения (6, 12 и 24 В) и потребляемую мощность в ваттах нитей накала дальнего и ближнего света. Значения мощности двухнитевых ламп пишутся одно за другим через знак +. К перечисленным составляющим обозначения типа лампы может быть через знак — добавлена цифра для указания модификации типа. В обозначение типа галогенных ламп (например, АКГ12-60+55) дополнительно введены буквы К (кварцевая) и Г (галогенная). Буквенные обозначения МН и С относятся к миниатюрным и софитным лампам соответственно.

Отечественная промышленность выпускает двухнитевые галогенные лампы АКГ12-60+55 и АКГ24-75+70 (категория Н4) для головных фар с европейским светораспределением и однонитевые лампы АКГ12-55, АКГ24-70 (категория HI) и АКГ12-5 5-1, АКГ24-70-1 (категория НЗ) для прожекторов и противотуманных фар.

Для сигна лов торможения и указателей поворота выпускают лампы А12-21-3 и А24-21-2. Двухнитевая лампа А12-21+5 предназначена для фонарей, совмещающих функции габаритного огня и сигнала торможения. В габаритные фонари устанавливают однонитевые лампы А12-5-2 и А24-5-2. Выпускают также софитные лампы АС 12-5-1, а для освещения салона приборов, блоков контрольных ламп и световых ламп и световых табло — лампы А12-1, А24-1, А12-1,2, А24-2, АМН 12-3-1 и АМН24-3.

Автомобильные светодиоды

Светодиоды применяются в щитках приборов на передней панели, в отдельных узлах для подсветки кнопок и ручек управления вместо миниатюрных ламп накаливания. Светодиодные линейки используются в сигналах торможения и световых индикаторах для построения шкал и цифр.

Светодиоды обладают значительно большей надежностью. Их срок службы превышает срок службы автомобиля. Изделие, выполненное на светодиодных материалах, сохраняет функциональное назначение при выходе из строя одного или нескольких светодиодов, в то время как при перегорании нити накала лампы изделие полностью прекращает выполнять свои функции.

Цвет излучения светодиода, сила света и световой поток зависят от силы потребляемого тока. Длина волны и интенсивность излучаемого света зависят от температуры.

В связи с тем, что температура полупроводникового перехода в первую очередь определяется силой тока, то особое внимание необходимо уделять правильному выбору силы тока при конструировании светодиодного прибора и поддержанию заданной силы тока при эксплуатации. Номинальная сила тока в прямом направлении указывается в технической характеристике светодиода. Схемотехническое решение по стабилизации силы тока определяется качеством напряжения питания. Не рекомендуется параллельное или смешанное соединение группы светодиодов, так как из-за разброса параметров, несмотря на то, что светодиоды разбиты по классам, сила тока в них не будет одинаковой и, следовательно,  интенсивность их излучения будет различной. Для большинства групп светодиодов целесообразно использование стабилизированных источников тока.

Диоды могут иметь сферическую, куполообразную форму или плоский верх. Частью корпуса может быть линза как бесцветная, так и окрашенная в цвет излучения светодиода.

Ксеноновые лампы

На автомобилях находят применение новые источники света — ксеноновые лампы, спектр излучения которых близок к солнечному свету. Светоизлучение ксеноновой лампы обеспечивает дуговой разряд между электродами, которые расположены в колбе, заполненной инертным газом. Ксеноновые лампы не перегорают, устойчивы к вибрации, их светоотдача достигает 80 лм/Вт.

Однако, чтобы ионизировать инертный газ, необходимо обеспечить пробой междуэлектродного промежутка начальным импульсом напряжения 20 кВ. Кроме того, рабочий режим лампы обеспечивается при подаче на электроды переменного тока напряжением 330 В и частотой 300 Гц. Эти проблемы в настоящее время решаются с помощью полупроводниковых преобразователей путем трехступенчатого преобразования напряжения.

Ксеноновая лампа D1 массой 15 г благодаря большей светоотдаче имеет мощность 35 Вт. В то же время масса преобразователя составляет примерно 0,5 кг. Для установки на автомобиле системы освещения с ксеноновой лампой необходимо использовать как минимум два комплекта таких преобразователей, чтобы обеспечить требуемое светораспределение фар дальнего и ближнего света. Все это делает систему головного освещения достаточно сложной и дорогостоящей.

Фары головного освещения

Формирование светового пучка в фарах прожекторного типа

В темное время суток при высоких скоростях движения необходимо освещать дорогу и обочину перед автомобилем на расстоянии 50—250 м. Это позволяет водителю своевременно оценивать дорожную обстановку и избегать столкновений с препятствиями. Для освещения дороги на автомобили и другие автотранспортные средства устанавливают фары и прожекторы. Распределение света фары на дороге зависит от конструкции оптического элемента и установленной в нем лампы.

Световой пучок фары может быть сформирован прожекторным или проекторным методом. Наиболее распространенный прожекторный метод обеспечивает концентрацию светового потока источника тока отражателем и его перераспределение в соответствии с заданным режимом освещения рассеивателем. Для концентрации светового пучка при таком методе его формирования используется параболоидный отражатель с круглым или прямоугольным (усеченным) отверстием.

В качестве преломляющих элементов используются цилиндрические, сферические и эллипсоидные линзы, призмы и линзы-призмы. В зависимости от преломляющей структуры рассеивателя добиваются изменения как формы светового пучка, так и силы света в различных направлениях светораспределения.

Поверхность отражателей, штампуемых из стали, покрывают слоем лака (для создания более гладкой поверхности) и алюминируют. Коэффициент отражения алюминиевого покрытия достигает 0,9. Качество отражающего слоя, так же как и точность геометрической формы отражателя, существенно влияет на характеристики светораспределения фары.

Отражатели в оптических элементах автомобильных фар и прожекторов предохраняют от воздействия окружающей среды защитными стеклами. В фарах головного освещения защитные стекла — рассеиватели осуществляют вторичное распределение светового потока в вертикальной и горизонтальной плоскостях, обеспечивая требуемый уровень освещенности на различных участках дорожного полотна. При изготовлении в пресс-формах на внутренней поверхности рассеивателя формируют линзы и призмы. Вертикальные цилиндрические линзы рассеивают световой пучок в стороны. Сферические линзы позволяют получить световой пучок, одинаково рассеянный в обеих плоскостях. При эллипсоидных линзах получают различные углы рассеяния светового пучка во взаимно перпендикулярных плоскостях. В случае использования призм добиваются изменения распространения части светового потока в результате соответствующей ориентации ее преломляющей грани.

Системы светораспределения

Автомобильные фары должны удовлетворять двум противоречивым требованиям: хорошо освещать дорогу перед автомобилем и не ослеплять водителей автотранспортных средств при встречном разъезде. Ослепление светом фар водителей встречных автомобилей является серьезной проблемой, непосредственно связанной с обеспечением безопасности движения. В настоящее время она решается применением двухрежимных систем головного освещения с дальним и ближним светом.

Дальний свет фар предназначен для освещения дорожного полотна перед автомобилем при отсутствии встречного транспорта. Ближний свет фар обеспечивает освещение дороги перед автомобилем при движении в населенных пунктах или при разъезде с встречным автотранспортным средством на шоссе. Ближний свет фар значительно снижает ослепление участников дорожного движения при достаточном уровне освещенности дороги и правой стороны обочины. Фары головного освещения должны обеспечивать необходимую видимость дороги и объектов на ней при дальнем и ближнем свете. Переключение с дальнего света на ближний при встречном разъезде должно осуществляться водителями обоих автотранспортных средств одновременно при расстоянии между машинами не менее 150 м.