4.9. Источники света

Конструкция современных автомобильных ламп представляет собой установленные в стеклянной колбе одно или два тела нака­ла, смонтированные на токоподводящих электродах, соединенных с контактами цоколя. Тело накала изготовляют из вольфрама с присадками окиси кремния, окиси алюминия и др. Электроды вы­полняют из никеля, а стеклянные детали изготовляют из силикатно­го стекла. Для получения возможно большей концентрации тела накала вольфрамовую проволоку свивают в спираль и биспираль. Учитывая массовый характер производства и весьма жесткие требования по светораспределению, предъявляемые к световым при­борам автомобиля, в особенности к фарам, монтаж тел накала от­носительно элементов фиксации цоколя обеспечивают с высокой степенью точности.

Источники света характеризуются рядом параметров, опреде­ляющих их основные электрические, световые и эксплуатационные свойства. Основными электрическими параметрами автомобиль­ных ламп являются:

- номинальное напряжение (6, 12, 24 В);

- электрическая мощность (по ГОСТ 2023 - 90 автомобильные лампы маркируются так же, как и в Европе, по мощности в ваттах);

- расчетное напряжение, при котором лампа будет работать в течение ее срока службы (для указанных выше номинальных зна­чений напряжений соответствующие расчетные напряжения со­ставляют 6,7; 13,5; 28 В).

К основным световым параметрам источников света относятся:

номинальный световой поток лампы, измеряемый в люменах; мак­симальная сила света, измеряемая в канделах (ранее в свечах); яркость тела накала, измеряемая в нитах.

В отечественной промышленности маркировка автомобильных ламп указывает на тип лампы, номинальное напряжение и номи­нальную мощность. Например, А24-5 - однонитевая, 24 В, 5 Вт; А12-45+40 - двухнитевая 12 В, 45 Вт - нить дальнего света и 40 Вт -нить ближнего света. Стоящая впереди буква А означает «автомо­бильная».

Мощность ламп накаливания, применяемых в автомобильных сигнальных фонарях, не превышает 21 Вт. Это связано с тем, что сигнальные фонари в соответствии с назначением и характеристи­ками отличаются сравнительно малой силой света.

Общий вид автомобильных ламп накаливания показан на рис. 4.18. А именно: а - для фар головного освещения с европейской асимметричной системой светораспределения; б- галогенная категория Н1; в - галогенная катего­рия НЗ; г - галогенная категория Н4; д - двухнитевая штифтовая; е - од-нонитевая штифтовая; ж - пальчиковая; з - софитная; 1 - колба; 2- нить дальнего света; 3 - нить ближнего света; 4 - экран; 5 - фокусирующий фланец; 6 - выводы; 7 –цоколь.

Рис. 4.18.

Одним из существенных недостатков ламп накаливания являет­ся осаждение на колбе частиц вольфрама, что приводит к увеличе­нию коэффициента поглощения колбы и снижению световой отдачи лампы. При введении в лампу галогенов или некоторых их соеди­нений в ней устанавливается цикл возврата частиц вольфрама с колбы на тело накала, механизм которого следующий. Если в рабо­тающей лампе имеются пары йода и температура колбы 250°С < Т_к < 1200°С, то пары йода образуют с осевшим на колбе вольфрамом йодистый вольфрам WI₂, который испаряется и, попадая в область тела накала, разлагается на йод и вольфрам, если температура в этой области выше 1400°С. Пары йода возвращаются к колбе лампы, образуют опять WI₂, и цикл повторяется. Вольфрам испаря­ется тем быстрее, чем выше температура участка тела накала. Так как температура дефектных участков выше, испарение с этих уча­стков происходит интенсивнее, чем с бездефектных. Возвращаясь на тело накала, вольфрам оседает на более холодных его участ­ках, образуя наросты. Таким образом, йодно-вольфрамовый цикл не компенсирует усиленное испарение вольфрама с дефектных участков и не позволяет существенно увеличить срок службы.

Кроме йода, для очистки колбы лампы от осевшего вольфрама, применяют другие галогены и их соединения. Особенно эффектив­ными показали себя соединения брома, бромистый метилен СН₂Вr₂ и бромистый метил СН₃Вr.

Наличие возвратного цикла позволило увеличить рабочую тем­пературу нити до 3000...3200°С, а следовательно, и ее световую отдачу до 22...25 лм/Вт, что в 1,5 раза выше светоотдачи обычных ламп. Для реализации цикла необходима высокая температура стенок колбы - около 600...700°С, поэтому колба галогенной лампы изготавливается из кварцевого стекла и имеет малые размеры, а спиральная нить накала для обеспечения более равномерного от­ложения на ней частиц вольфрама должна иметь форму прямого цилиндра. Для автомобильных фар разработаны и вошли в Прави­ло № 37 ЕЭК ООН три типа однонитевых галогенных ламп - Н1, Н2, НЗ и двухнитевая лампа Н4.

Лампы Н1 и Н2 имеют нить, расположенную вдоль оси цоколя, и отличаются конструкцией последнего. Лампа НЗ, имеющая нить накала, перпендикулярную оси, и свой цоколь, получила наиболь­шее распространение. В лампе Н4 нить дальнего света также име­ет форму прямого цилиндра и расположена параллельно оптиче­ской оси, лампа оснащена специальным цоколем. Лампы Н1 и НЗ применяются в противотуманных фарах, фарах дальнего света и в четырехфарных системах, дополнительных фарах дальнего света.;

Лампа Н2 почти не применяется как очень сложная в производстве. Лампа Н4 применяется в головных фарах двух- и четырехфарной систем освещения. Отечественная промышленность также освоила выпуск фарных галогенных ламп типов Н1, НЗ и Н4, имеющих в маркировке обозначение АКГ (автомобильная кварцевая галоген­ная). Изготовляются двухнитевые лампы категории Н4 типов АКГ12-60+55 и АКГ24-75+70 и однонитевые лампы для прожекторов и противотуманных фар категории Н1 типов АКГ12-55 и АКГ24-70 и НЗ типов АКГ12-55-1 ИАКГ24-70-1.

Появление в последние годы термостойких пластмасс предо­пределило возможность использования галогенных ламп и в светооптических схемах фонарей. Для этих целей в настоящее время как за рубежом, так и в России проводятся разработки галогенных ламп пониженной мощности 5, 10, 15, 20 Вт, использование которых по­зволит создавать более эффективные приборы системы освеще­ния и сигнализации.

Уже появились и достаточно широко применяются новые источ­ники света - ксеноновые лампы. В отличие от автопромышленно­сти в бытовой технике эти лампы уже давно являются не новостью и широко применяются в кинопроекционной аппаратуре и фото­вспышках, так как их спектр излучения близок к солнечному свету. В колбе этих ламп светится дуговой разряд между электродами, по­мещенными в специальную среду, представляющую собой инерт­ный газ. К основным из достоинств данных источников следует от­нести то, что они не перегорают, не боятся вибраций, а светоотда­ча достигает 80 лм/Вт.

Но за это приходится платить сложностью самого устройства. Чтобы ионизировать инертный газ, необходимо пробить промежуток между электродами импульсом напряжением 20 кВ, что на автомо­биле не является недостижимой задачей. Помимо этого, также не­обходимо приложить к этим же электродам переменный ток часто­той 300 Гц и напряжением 330 В. Это и является основной сложно­стью. С появлением силовых полупроводниковых приборов данная проблема была решена и в ящике массой примерно 0,5 кг размести­ли необходимый преобразователь энергии.

На первом этапе из постоянного тока напряжением 10-17 В полу­чают постоянное напряжение в 300 В. На втором этапе данное на­пряжение преобразуют в переменное нужной частоты. На третьем этапе переменное напряжение пропускают через устройство запуска, позволяющее достичь высоковольтного импульса, необходимого для поджига лампы. Сама же лампа D1 мощностью 35 Вт имеет массу всего 15 г и немногим больше по своим геометрическим размерам галогенной.

Все выше перечисленное и объясняет достаточно высокую стоимость преобразователя энергии для ксеноновой лампы. Для установки на автомобиле данной системы освещения необходимо как минимум два комплекта, а то и большее количество таких пре­образователей, так как светораспределение фар дальнего и ближ­него света совершенно разное. На рис. 4.19 продемонстрирован освещенный участок дороги при включении фар ближнего света: а - с обычными галогенными лампами; б - с ксеноновыми лампами; L и В - соответственно длина и ширина участка . В традиционных лампах накаливания эту задачу решили путем применения двухнитевой конструкции. Точно рассчитанные отражатель и рассеиватель обес­печивали необходимое светораспределение для каждой нити. Напрашивается вопрос: так что же, в случае применения газораз­рядных ламп потребуется устанавливать четыре фары с громозд­кими и дорогими преобразователями?

Рис. 4.19.

Известные фирмы Bosch и Hella в этой ситуации нашли, в сущности, два похожих способа решения данного вопроса. В пер­вом случае внутри фары размещают подвижный непрозрачный эк­ран, который управляется соленоидом. При включении ближнего света данный экран опускается и отсекает часть светового потока, который мог бы привести к ослеплению водителей встречных транспортных средств. Во втором - вдоль оптической оси фары с помощью опять же соленоида перемещается уже сама лампа. Ее светящийся разряд попадает в точку, где должна находиться нить либо ближнего света, либо, напротив, дальнего. Процесс переклю­чения длится всего 0,3 с, причем создается впечатление, что осве­щенное пространство перед автомобилем меняет свое очертание.

Новая блок-фара имеет совершенно непривычный вид (рис. 4.20). Серийное производство фирма Bosch начала уже в 1998 г., а фирма Hella годом позже.

К источникам света с высокой световой отдачей относятся металлогалогенные лампы (МГЛ), в которых, также как и в ксеноновых используется дуговой разряд в инертном газе (обычно применяется аргон). Внутрь колбы вводятся в небольших пропорциях галогениды, т. е. металлы в сочетании с йодом, бромом, хлором. В зависи­мости от вида галогенида изменяется и спектр излучения. При этом температура испарения галогенидов ниже, чем чистых металлов. Попадая в зону разряда с высокой температурой галогениды рас­падаются на галоген и металл. Атомы металла в зоне высоких тем­ператур, возбуждаясь излучают характерный для них спектр. Диффундируя за пределы канала разряда в зону с более низкой темпе­ратурой галогениды восстанавливаются и в таком виде находятся у стенок колбы, не вызывая ее разрушение. Вводя в лампу различ­ные галогениды, можно получать требуемый спектр разряда - от линейчатого до - практически сплошного. Благодаря конвекции газа внутри газоразрядного промежутка и диффузии, цикл, состоящий из выделения металла для участия в разряде и последующего соеди­нения в областях более низких температур, будет повторяться, обеспечивая постоянную концентрацию возбуждаемых атомов в центральной части разряда. Температура в разрядном канале дос­тигает нескольких тысяч градусов, что достаточно для полной дис­социации молекул и для интенсивного возбуждения атомов метал­ла и других элементов. Высокие значения градиента потенциала позволяют создать лампы малых размеров большой удельной мощности и высокой яркости, а также варьировать в широких пре­делах размеры колбы, ее температуру, а следовательно и давле­ние паров. Постепенный спад температуры от канала дуги к стен­кам колбы создают благоприятные условия для протекания гало­генного цикла.

Галогениды не разрушают стенок колбы, состоящей из кварце­вого стекла, даже при 1150 К и высоких давлениях. Галогениды ме­таллов вводятся в лампы в очень малой концентрации, ртутный пар играет роль буфера, создавая в разряде требуемую высокую тем­пературу, высокий градиент потенциала и снижая тепловые потери.

Спектр излучения определяется различными галогенидами. Так, добавка натрия дает желтое излучение с длиной волны 589 нм, ли­тия - красное с длиной волны 671 нм, таллия - темно-зеленое с длиной волны 535 нм, индия - фиолетовое, с длиной волны 435 и 410 нм. Другие металлы дают спектры, состоящие из большого числа близко расположенных линий, заполняя всю видимую об­ласть (скандий, титан, диспрозий и др.). Галогениды с оловом дают непрерывные спектры. В настоящее время обычным является до­бавка йодного соединения (йодид натрия, таллия, скандия, тория). Перспективным является использование редкоземельных элемен­тов, обеспечивающих почти непрерывный спектр излучения.

Параметры ламп типа МГЛ сильно зависят от колебаний напря­жения. При изменении напряжения в пределах 10-15% мощность лампы изменяется в пределах 22-33%, а световой поток на 25-37%. Температура окружающей среды влияет на напряжение зажигания МГЛ и цветность лампы.

Имеются МГЛ с керамической горелкой (поликристаллическая окись алюминия, выдерживающего температуру 1100°С.

Горелка наполнена галогенидами натрия и олова. Световая от­дача 93 лм/Вт, температура цветности лампы - Т_цв = 6000 К.

Некоторые типы МГЛ, имея габаритные размеры ГЛН, превосхо­дят последние по световой отдаче в 2-3 раза, по сроку службы в 2-3 раза (70 лм/Вт, 5000 ч). Общий вид лампы представлен на рис. 4.21. Здесь: а - модификация лампы для работы в любом положении; б — для работы преимущественно в горизонтальном положении

Рис. 4.21.

Недостатком МГЛ является повышенное напряжение зажигания, но меньшее, чем у ксеноновых ламп. Для зажигания ламп может быть использована та же аппаратура.

Структурная схема аппаратуры для включения МГЛ показана на рис. 4.22. Где: 1 - генераторная установка; 2- источник питания постоянного тока; 3 - преобразователь постоянного тока в переменный; 4- пускорегулирующее устройство; 5 – МГЛ.

Рис. 4.22. .

В настоящее время разработаны безэлектродные микроволно­вые серные лампы мгновенного включения, имеющие кварцевую колбу и, помимо серы, содержащие аргон, без добавок ртути. Спе­циальный генератор (СВЧ) создает микроволновое излучение с частотой 2,45 ГГц (1 ГГц = 10⁹ Гц). Световая отдача 86 лм/Вт, Т_цв = 6000°К.

Ряд фирм (General Electric, OSRAM и др.) приступили к разра­ботке таких дуговых разрядных ламп со стартером в виде ультра­фиолетового излучателя, расположенного в зоне разряда. Типовая конструкция таких ламп показана на рис. 4.23.

Широкие перспективы имеют в качестве источников света светоизлучающие диоды (СИД).

Светоизлучающие диоды - это миниатюрные источники света, в которых излучение возникает на полупроводниковом переходе в результате рекомбинации электронов и дырок. В СИД использу­ются полупроводниковые материалы высокой чистоты, легирован­ные малым количеством контролируемых примесей n-, либо р- ти­па. Если к р-п переходу приложить постоянное напряжение прямой проводимости в несколько вольт, то в результате рекомбинации в зоне контакта дырок и электронов частично излучаются фотоны. Размеры контакта 10^-3 – 10^-4 см² и выше. Свечение возникает на грани­це полупроводников и выходит наружу сквозь один из полупровод­никовых материалов и через зазор между двумя материалами. Главные потери излучения связаны с полным внутренним поглоще­нием. Для повышения коэффициента выхода излучения применяют специальные конфигурации СИД (фирма Hewlett Packard, компания Lumileds Lighting и др.).

В настоящее время максимальная световая отдача некоторых типов используемых в транспортных средствах светоизлучающих диодов достигает 30 лм/Вт.

Световая отдача желто-зеленого светоизлучающего диода из фосфорида галлия теоретически может превышать 100 лм/Вт, а из арсенида галлия с люминофором (красный, зеленый, голубой) свыше 200 лм/Вт, но при низком световом потоке.

По мере совершенствования технологии изготовления световая отдача светодиодов постоянно повышается. Предполагается, что в недалеком будущем она может достичь 150 лм/Вт и превысить па­раметры всех известных источников света.

Достоинствами СИД являются высокий срок службы, достигаю­щий 100 тыс. часов, что в 1000 раз превышает срок службы ламп накаливания. Температура корпуса светодиода не превышает 80°С. Они обладают высокой механической прочностью, имеют неболь­шие габаритные размеры и вес. Все это позволяет создавать ис­точники света с принципиально новой конструкцией и возможно­стями применительно к транспортным средствам. В частности, фирма General Electric приступила к разработке головных фар с источником света на основе мощных СИД со световым потоком, превышающим 120 лм. Такие фары имеют малую глубину, что по­зволит улучшить дизайн и аэродинамические свойства автомобиля.

Так, в последней модели Ауди (Audi Le Mans Quattro) все свето­вые приборы, включая подсветку салона и приборной доски, вы­полнены на светодиодах. В качестве фары дальнего света исполь­зована матрица, состоящая из 8 сверхярких светодиодов типа «Пи­ранья» (компания Lumileds Lighting), расположенных в два ряда. Фара ближнего света представляет собой светодиодную матрицу из девяти светодиодов, расположенных ближе к краю корпуса в три ряда. Наружные светодиоды в фаре установлены так, что их свето­вой поток охватывает обочину дороги. Они автоматически включа­ются при повороте, создавая световой поток, направленный под углом в сторону поворота автомобиля.