Автомобильные фары
Ни для кого не секрет, что системы освещения и световой сигнализации в таком виде, в каком мы привыкли их видеть на современных автомобилях, появились не сразу, а относительно недавно. Автомобильная оптика прошла долгий путь развития с момента ее появления на транспортных средствах. Если не брать во внимание фонари, работавшие на керосине, которые не освещали дорогу, а, скорее, служили для обозначения движущегося экипажа, то датой рождения автомобильных осветительных приборов можно считать 1896 год — именно тогда авиаконструктор Луи Блерио предложил использовать на автомобилях ацетиленовые светильники.
Чтобы «включить» такую несложную по конструкции фару требовалось время и некоторые навыки. Для начала требовалось засыпать карбид кальция F (Рис. 1) в отведенную для этого емкость, затем через пробку H залить воду. С помощью клапана G можно регулировать количество подаваемой воды в реакторную трубку. В процессе реакции карбида с водой выделялся горючий газ ацетилен, который по шлангу D подавался к горелке A в фаре. Через некоторое время после начала реакции можно было зажечь горелку спичкой. Пламя горелки отражалось от зеркала B и фокусировалось на дороге.
Рис. 1. Устройство ацетиленовой фары
Свет от ацетиленовой фары был теплого спектра (Рис. 2) и, благодаря параболическому отражателю, изобретенному Иваном Кулибиным, освещал дорогу перед автомобилем на сотню метров. Основным недостатком такого типа фар было малое время работы из-за необходимости пополнять запас карбида и воды, а также удалять с горелки и отражателя сажу и копоть.
Рис. 2. Ацетиленовая фара
Дальнейшей эволюцией автомобильных фар стали фары с лампами накаливания. Первая фара такого типа была изготовлена в 1899 году французской фирмой «Bassee & Michel». Ее сделали по модели Эдисона с угольной нитью (Рис. 3), однако, такая конструкция оказалось неудачной и малопригодной для автомобиля — большой расход электроэнергии требовал наличия на автомобиле тяжелых аккумуляторных батарей, которые, в свою очередь, нуждались в частых зарядках — генераторы на тот момент в автомобилях не применялись. К тому же, угольные нити ламп накаливания были очень чувствительны к тряске на неровностях и быстро выходили из строя.
Рис. 3. Лампа накаливания с угольной нитью (слева) и первая накаливания с вольфрамовой нитью
Они оказались намного экономичней ламп с угольными нитями и почти не боялись тряски автомобиля на неровностях, к тому же, тугоплавкость вольфрама позволяла намного увеличить срок службы нити, которая не выгорала. В 1906 году американская компания «General Electric» покупает у Лодыгина патент на вольфрамовую нить и начинает производство подобных ламп. Однако массовая установка таких источников света на автомобили стала возможна после появления в 1911 году автомобильного генератора. Первым автомобилем, который серийно комплектовался фарами с лампами накаливания с вольфрамовой нитью и генератором стал Cadillac Model 30 Self Starter (Рис. 4), причем генератор был одновременно еще и стартером. То есть генератор запускал двигатель, используя энергию аккумуляторных батарей, а после пуска двигателя заряжал аккумуляторы. Чуть позже на основе этой схемы немецкая фирма «Bosch» рекламировала набор «Bosch-Light», который позволил системе освещения работать по замкнутому циклу вне зависимости от зарядных станций. «Bosch-Light» состоял из фар, генератора, аккумуляторной батареи и реле-регулятора для управления подзарядкой батареи. Система оказалась настолько удачной, что всего за год было продано более 3 тысяч комплектов для установки на автомобили.
Рис. 4. Cadillac Model 30 Self Starter
Фары с лампами накаливания породили другую проблему — они слепили ярким светом встречных водителей. Поначалу с этим пытались бороться механическим способом — установкой с внешней стороны фар различных задвижек и шторок. Так, фирма «Zeiss» предлагала оптику, в которой с помощью электромагнитов перед лампочкой выдвигался фильтр из желтого стекла. Потом яркость света стали уменьшать, включая в систему добавочное сопротивление, снижавшее накал нити. А в 1919 году «Bosch» нашла оптимальное решение — это была лампочка с двумя нитями накаливания, для дальнего и ближнего света. Тогда уже вместо обычного стекла применялся рассеиватель с призматическими линзами, отклоняющими свет вниз, на дорогу. С тех пор перед конструкторами стоят две противоположные задачи: максимально осветить дорогу и не допустить ослепления встречных водителей. Примерно в то же время лампы накаливания стали заполнять смесью аргона и азота, который препятствовал испарению вольфрама с нити, что благоприятно сказывалось на долговечности ламп. В 50-е годы срок их службы стали продлевать с помощью галогенидов — газообразных соединений йода или брома. В такой лампе галогенный газ вступал в соединение с испарившимся вольфрамом, затем при высоких температурах это соединение распадалось на составляющие вещества, и атомы вольфрама оседали на спирали. Первую галогеновую лампу в 1962 году на автомобильном рынке представила фирма «Hella». Технология заполнения колбы галогенами позволила поднять рабочую температуру с 2500К до 3200К. Это увеличило светоотдачу в полтора раза — с 15 лм/Вт до 25 лм/Вт. При этом ресурс ламп вырос вдвое, теплоотдача снизилась с 90% до 40%, а размеры стали меньше (галогенный цикл требует близости нити и стеклянной колбы). Главный шаг в решении проблемы ослепления был сделан в 1955 году — французская фирма «Cibie» предложила идею асимметричного распределения ближнего света для того, чтобы правая обочина освещалась дальше левой. И через два года асимметричный свет в Европе был узаконен. Вплоть до 1961 года фары автомобиля были круглой формы — впервые прямоугольные фары стали устанавливаться на Citroen AMI 6 (Рис. 5). Такие фары были сложнее в производстве, требовали большего подкапотного пространства, но вместе с меньшими вертикальными габаритами имели большую площадь отражателя и увеличенный светопоток.
Рис. 5. Citroen AMI 6
Чтобы заставить такую фару ярко светить при меньших габаритах, следовало придать параболическому отражателю (в прямоугольных фарах — усеченный параболоид) еще большую глубину. Это было трудоемко, поэтому привычные оптические схемы для дальнейшего развития не годились. Тогда английская фирма «Lucas» предложила использовать гомофокальный отражатель — комбинацию двух усеченных параболоидов с разными фокусными расстояниями, но с общим фокусом. Одним из первых новинку примерил Austin-Rover Maestro в 1983 году. В том же году фирма «Hella» представила концептуальную разработку — «трехосные» фары с отражателем эллипсоидной формы (DE, DreiachsEllipsoid). Дело в том, что у эллипсоидного отражателя сразу два фокуса. Лучи, выпущенные галогенной лампой из первого фокуса, собираются во втором, откуда направляются в собирающую линзу. Такой тип фар называют прожекторным. Эффективность эллипсоидной фары в режиме ближнего света превосходила параболическую на 9% (обычные фары отправляли по назначению лишь 27% света) при диаметре всего в 60 миллиметров. Эти фары предназначались для противотуманного и ближнего света (во втором фокусе размещался экран, создающий асимметричную светотеневую границу). А первым серийным автомобилем с «трехосными» фарами стала BMW седьмой серии в конце 1986 года (Рис. 6). Еще через два года «Hella» представила эллипсоидные фары Super DE. На этот раз профиль отражателя отличался от чисто эллипсоидной формы — он был «свободным», рассчитанным таким образом, чтобы основная часть света проходила над экраном, отвечающим за ближний свет. Эффективность фар возросла до 52%.
Рис. 6. BMW 7 серии Е32
Дальнейшее развитие отражателей было бы невозможно без математического моделирования — компьютеры позволяют создавать самые сложные комбинированные рефлекторы. Отражатели современных фар поделены на сегменты, каждый из которых имеет свой фокус и фокусное расстояние. Каждая «долька» многофокусного отражателя отвечает за освещение «своего» участка дороги. Свет лампы используется почти полностью — за исключением разве что торца лампы, прикрытого колпачком. А рассеиватель, то есть стекло с множеством «встроенных» линз, теперь не нужен — отражатель сам отлично справляется с распределением света и созданием светотеневой границы. Эффективность таких фар, называемых отражающими, близка к прожекторным. Современные отражатели «формируют» из термопластика, алюминия, магния и термосета (металлизированного пластика), а накрывают фары не стеклами, а поликарбонатом. Впервые пластиковый рассеиватель появился в 1993 году на седане Opel Omega. Это позволило снизить массу фары почти на килограмм. Но зато поликарбонатные «стекла» гораздо хуже сопротивляются истиранию, нежели стекла настоящие. Поэтому щеточных очистителей фар, которые еще в 1971 году предложил Saab, больше не делают. Новым витком в развитии автосвета стала установка на автомобиль фар с газоразрядным источником света (Рис. 7), попросту «ксенона». Принципиальное отличие таких ламп от галогеновых в том, что в них свет излучает электрическая дуга, возникающая между двумя электродами в среде инертного газа при подаче высоковольтного напряжения. Впервые такие лампы серийно устанавливались на BMW 7 серии в кузове E38 с 1991 года.
Рис. 7. Газоразрядная лампа
Газоразрядные лампы на голову эффективнее самых совершенных ламп накаливания — на бесполезный нагрев здесь расходуется не 40% электроэнергии, а всего 7—8%. Соответственно, газоразрядные лампы потребляют меньше энергии (35 Вт против 55 Вт у галогенных) и светят при этом вдвое ярче (3200 лм против 1500 лм). А поскольку нити нет, то и перегорать нечему — ксеноновые газоразрядные лампы служат гораздо дольше обычных. Но устроены газоразрядные лампы сложнее. Главная задача — зажечь газовый разряд. Для этого нужен короткий импульс из 25 киловольт — причем переменного тока, с частотой до 400 Гц! Для этого служит специальный блок розжига. Когда лампа зажглась (для разогрева требуется некоторое время), электроника снижает напряжение до 85 вольт, достаточных для поддержания разряда. Высокая светоотдача газоразрядных источников света потребовала внедрение автоматического корректора наклона пучка света, а так же омывателя фар высокого давления (Рис. 8). Без всего этого возможно сильное ослепление встречных водителей.
Рис. 8. Омыватель фары
Сложность конструкции и инерция при зажигании ограничили первоначальное применение газоразрядных ламп режимом ближнего света. Дальний свет использовал галогенную лампу. Объединить ближний и дальний свет в одной фаре конструкторы смогли через шесть лет, причем существует два способа получить «биксенон». Если используется прожекторная фара (как та, что придумала «Hella»), то переключение режимов света осуществляется экраном, находящимся во втором фокусе эллипсоидного отражателя: в режиме ближнего света он отсекает часть лучей. При включении дальнего света экран прячется и не препятствует световому потоку. А в отражающем типе фар «двойное действие» газоразрядной лампы обеспечивается взаимным перемещением рефлектора и источника света. В итоге, вслед за фокусным расстоянием изменяется и светораспределение. Но по данным французской фирмы «Valeo», применив отдельные газоразрядные лампы для ближнего и дальнего света, можно достичь на 40% лучшей освещенности, чем у «биксенона». Правда, модулей зажигания требуется уже не два, а четыре — такие фары имеет Volkswagen Phaeton W12, например (Рис. 9).
Рис. 9. Фара Volkswagen Phaeton W12
Несмотря на многочисленные преимущества газоразрядных ламп над всеми остальными, они постепенно утрачивают популярность, уступая светодиодам. До недавнего времени их светоотдача была слишком мала, чтобы использовать их в качестве основного света, поэтому поначалу им нашли применение в дневных ходовых огнях. Но технологии стремительно развивались, и вот впервые полностью светодиодный ближний свет появился на Audi A8. Новые светодиодные фары Matrix LED – одна из самых заметных инноваций на модернизированном Audi А8, причем заметных не только внешне. Главное – их начинка: матрица из 25 мощных светодиодов (Рис. 10), независимое включение и отключение которых позволяет изменять форму светового пучка фар и тем самым предотвращать ослепление встречных водителей и обеспечивать подсветку поворотов.
Рис. 10. Фара Matrix LED Audi A8
Несмотря на сложность конструкции, подобные технологии уже начинают внедрять в свои автомобили некоторые производители премиум-сегмента. Например, новый KIA Quoris щеголяет двумя матрицами из четырех светодиодов (Рис. 11). Еще у светодиодов есть большой недостаток — они очень чувствительны к температуре окружающей среды и требуют охлаждения при работе.
Рис. 11. Светодиодные матрицы KIA Quoris
Среди последних новинок — лазерные фары BMW i8. Под лазерным светом баварцы подразумевают люминофорные фары с лазерным возбуждением. В каждой фаре три микроскопических лазерных диода (они компактнее традиционных в десять раз) с синим излучением (длина волны 450–480 нм). Оно направлено на люминесцирующий полупроводник – люминофор. Это фосфорная точка диаметром 0,4 мм, которую лазерные лучи разогревают до 200ºС! Синие лучи проходят через фосфор, тысячекратно усиливаются и преобразуются в пучок белого света, который бьет в отражатель. Он тоже сверхкомпактный: высота всего 30 мм против привычных девяноста. Темноту такие фары прорезают приятным глазу ярким белым светом, причем освещают дорогу намного эффективнее газоразрядных фар (они на фото слева). Дальний свет эффективен на дистанции до 600 м (Рис. 12)! Поскольку лазерный свет монохромный, пучок получается очень четкий. Его можно настроить предельно точно. За это отвечает High Beam Assistant, который следит за тем, чтобы дальний свет не слепил как встречных водителей, так и попутных.
Рис. 12. Лазерно-люминофорные фары BMW i8 в режиме ближнего (слева) и дальнего света
Можно бесконечно совершенствовать источники света в автомобильных фарах, но улучшить эффективность головного света можно и другими способами! Уже во второй половине прошлого века инженеры пытались адаптировать свет фар под условия движения. Так в 1967 году на Citroën DS23 появились сдвоенные фары, располагавшиеся под общим рассеивателем. При этом внутренняя поворачивалась вместе с поворотом руля, а внешняя меняла свой наклон в зависимости от загрузки автомобиля (Рис. 13).
Рис. 13. Поворотные фары Citroën DS23
Большее распространение получил принцип подсветки поворота соответствующей противотуманной фарой или дополнительной секцией в фаре (Рис. 14).
Рис. 14. Дополнительная секция освещения поворота в фаре (показана стрелкой)
С появлением газоразрядных источников света в фарах возникла необходимость динамически корректировать угол наклона пучка света, чтобы исключить ослепление других водителей. Система состоит из датчика положения кузова, который, как правило, связан с задней осью автомобиля, управляющего модуля и сервопривода наклона линзы в фаре. Вслед за этим фару «научили» поворачивать линзу не только в вертикальной плоскости, но и в горизонтальной. Это позволило динамически корректировать угол поворота света фар в зависимости от поворота руля. Современная же оптика умеет изменять пучок света перед автомобиля в зависимости от скорости автомобиля, погодных условий (дождь, туман). Например, фары Skoda A7 имеют следующие режимы работы фар: город, трасса, магистраль, поворот и перекресток (Рис. 15).
Рис. 15. Режимы работы головного освещения Skoda A7: 1-режим «перекресток»; 2-городской режим; 3-режим «трасса»; 4-режим поворота; 5-режим «магистраль»
Ведущие мировые автопроизводители пошли еще дальше - они «научили» оптику изменять направление светового пучка в зависимости от движения встречных или попутных автомобилей, пешеходов, связали модуль управления светом с навигационной системой, чтобы заранее подсвечивать повороты.
Пионером в гонке технологий стала BMW со своей системой BMW Intelligent Headlight Technology. Камера, расположенная около зеркала заднего вида на ветровом стекле следит за положением объектов на дороге, а специальная шторка в блок-фаре, повинуясь командам блока управления, «отрезает» часть светового потока (Видео 1).
Видео 1. BMW Intelligent Headlight Technology
Mercedes пошел принципиально иным путем - за линзой имеется матрица светодиодов, каждый из которых управляется отдельно (Видео 2).
Видео 2. Mercedes Benz Multibeam LED headlights
Наконец, самой совершенной на сегодняшний день системой располагает Audi c Matrix LED (Видео 3). В отличие от Mercedes, используется пять матриц, в каждой из которых по пять светодиодов.
Видео 3. Matrix LED system by HELLA
Технологии не стоят на месте. Не так давно появились лазерно-люминофорные фары, но и они когда-то канут в лету и на автомобили придут принципиально новые источники света.
Дмитрий Никольский.
Источники: