Источники света в автомобиле. Виды автомобильных ламп

Лампы накаливания

Самые известные и распространенные источники светового потока автомобильных фар – лампы накаливания. В лампах накаливания источником света является вольфрамовая нить, которая под воздействием проходящего через него элек­трического тока нагревается и начинает ис­пускать свет. Вольфрам используется в качестве исходного материала для нити накаливания вследствие высокой температуры плавления 3410°С (для сравнения железо плавится при температуре 1535°С), в то время как рабочая температура нити накаливания составляет около 2500°С.

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

Галогенные лампы

Галогенные лампы также являются лам­пами накаливания, но в них используется еще один наполнитель – галогенид (йод или бром), который и связывает испарившийся вольфрам, не давая ему осесть на стенки колбы. Соединение воль­фрам-галогенид при попадании на горячую спираль разделяется. Таким образом, воль­фрам возвращается на нить накаливания, а галогенид – в газовый наполнитель колбы. При этом про­исходит своеобразное восстановление нити лампы, называемое галогенным циклом. Этот процесс требует температуры порядка 200°С.

Рис. Принципиальная схема галогенной лампы:
1 – нить дальнего света; 2 – нить ближнего света; 3 – колба

Обычно они имеют двойной корпус, что несколько снижает внешнюю температуру лампы и одновременно повышает эффек­тивность галогенного цикла. Простые лам­пы имеют цветовую температуру (характе­ристика излучаемого светового спектра, из­меряемая в Кельвинах) порядка 2700К, а га­логенные – 3000К.

Галогенные лампы хотя и более сложны и дороги, но и более эф­фективны. Они на 25…30% более яркие, чем обычные лампы накалива­ния. Даже в конце своей «жизни» галоген­ная лампа выдает до 95% своей изначаль­ной яркости (простые лампы — около 75%).

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

Несмотря на появление новых, более качественных и надежных источников све­та, лампы накаливания, будучи более деше­выми, не сдают своих позиций и появляются и новые их типы. Основная работа в этом направлении ведется по снижению скорости испарения вольфрама с нити нака­ливания. В дешевых лампах колбу наполня­ют смесью азота и аргона. В более дорогих вместо аргона используют криптон, имею­щий более низкую теплопроводность, может использоваться также ксенон, у которо­го этот показатель еще ниже. Использова­ние этих газов позволяет повысить яркость лампы на 10% (криптон) или почти в 2 раза (ксенон).

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.

Рис. Газоразрядная лампа

Два электрода, между которыми происходит дуговой разряд, который и горит в ксеноновом наполнителе колбы. Эти лампы относятся к классу электроразрядных, или, как иногда их еще называют, газоразрядных, ламп. В капсуле в среде пара из инертных газов, ртути и галогенидов (в дан­ном случае ксенона) между двух электродов пропускается электрическая дуга и образу­ется световое излучение.

HID-лампа обязательно комплектуется балластом — пускорегулирующим устройством. Балласт – это самая дорогая и ответ­ственная часть ксенонового комплекта. Он должен генерировать напряжение до 25000 В для розжига дуги разряда и затем поддер­живать ее горение уже примерно при 85 В.

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 (табл.). Свет ксеноновой фары более точно сфокусирован, не слепит так, как свет галогенных ламп и ос­вещает большее пространство. Кроме того применение ксеноновых HID-ламп облегчит передвижение автомобиля в дождливую погоду, поскольку световой пучок не рассеивается в дождевых каплях.

Таблица. Сравнение галогенового и ксенонового освещения

ПАРАМЕТРЫ	ГАЛОГЕН	КСЕНОН
Потребляемая мощность	12 В,   55 Вт	12 В (24 B),   35 Вт
Сила света	67500 кд	202500 кд
Световой поток *	1550 лм	3200 лм
Цветовая температура	3200 К	4500 — 8000 К
Световая отдача **	28 лм/Вт	91 лм/Вт

* Световой поток – мощность видимого излучения, оцениваемого по световому ощущению, которое оно производит на нормальный человеческий глаз.
** Световая отдача – показывает, с каким КПД полученная электрическая мощность преобразуется в свет (лм/Вт). Для галогена 1550/55=28, для ксенона 3200/35=91.

Классический цвет газоразрядных ксено­новых HID-ламп – иссиня-белый, но, несмот­ря на кажущуюся видимость, синего в нем не так много. Основной оттенок чисто белый, близкий к солнечному. В таком свете все вид­но яснее и четче, нежели в другом. Белый свет, излучаемый ксеноновой лампой по спектру очень близок к дневному. Результаты исследований показали, что свет ксеноновых ламп отражает разметку на дороге, дорожные знаки и обстановку на дороге лучше, чем традиционное освещение. Водитель при этом оценивает дорожную обстановку быстрее и предпринимает необходимые действия раньше, чем при освещении дороги обычными лампами в случае внезапного возникновения препятствий. На рисунке показана одна и та же дорожная ситуация при разных системах освещения.

Рис. Освещение дороги обычными (а) и ксеноновыми (б) лампами:
L­ – остановочный путь

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. Твердое тело идет на смену газовому разряду.

Внутри пластикового кокона находится диод, представляющий из себя две полупро­водниковые пластины, одна с положитель­ным, а другая с отрицательным зарядом. Между пластинами находится нейтральная зона. Подсоединив к диоду источник элект­рического тока аналогично простым диодам через светодиод поток электронов проходит лишь в одну сторону.

Накапливаясь на каждой пластине, по­ложительные и отрицательные частицы («дырки» и электроны) устремляются друг к другу через «зону покоя» и, соединяясь, на­чинают выделять энергию в виде особых ча­стиц – фотонов, что и составляет свет. Одна из по­лупроводниковых пластин имеет форму от­ражателя, направляя поток фотонов в нуж­ное направление. Чем выше ток, тем ярче свет, но лишь до определенных пределов, потому что светодиод просто сгорит, как и обычная лампочка.

Рис. Принцип действия светодиодной лампы

Цвет свечения светодиода зависит от свойств вещества, из которого состоят пла­стины полупроводников. Комбинируя разные материалы и легирующие вещества, удает­ся получать различные цвета. Первые LED-лампы излучали лишь почти монохромный красный, зеленый или желтый свет, что способство­вало постепенной монополизации ими рынка индикаторов. В середине 1990-х годов по­явились белые и синие светодиоды, и лишь тогда впервые зашла речь о светодиодных лампах как вероятной альтернативе суще­ствующим источникам света.

Преимущества светодиодных ламп в том, что они практически не выделяют посторон­них излучений несветового характера и теп­ла (хотя теплоотвод самому полупроводни­ковому элементу все же требуется). Благо­даря этому их светоотдача очень высока. Для получения аналогичного по яркости света светодиод затрачивает на 80 с лишним про­центов меньше мощности, что снижает нагрузку на генератор. Теоретически, поскольку в светодиоде электрический ток преобразуется в световое излучение напрямую, светодиод может иметь почти 100%-ный КПД, а свето­отдачу (отношение яркости к затраченной мощности) – до 300 люмен/Вт.

Немаловажно, что светодиоды способ­ны достигать большой температуры светоизлучения, сравнимой с характеристиками газоразрядных ксеноновых HID-ламп, что делает их по­тенциальными источниками света и для го­ловной оптики автомобилей.

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.

У светодиодов есть один, но весьма су­щественный минус – цена. Пока стоимость одного его люмена (единица измерения све­тового потока ламп) значительно выше, чем у галогенной лампы. Но это задача техничес­кого прогресса и уже сегодня фирма «Хелла» создала прототип лампы нового поколения для «Фольксвагена-Гольф» на основе светодиодов, общий вид которой показан на.

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.

Рис. Общий вид светодиодной лампы