Электролампы для автомобильных фар

До недавнего времени в качестве источника света в автомобильных фарах* применялись только электролампы с нитью накаливания. Самые простые из них — лампы с одной нитью в колбе силикатного стекла, из которой откачан воздух. Нить накаливания изготавливается в виде спирали, навитой из вольфрамовой проволоки. Концы нити привариваются микросваркой к фиксирующим стойкам из никеля, которые одновременно являются электрическими выводами.

Основным светотехническим параметром любой электролампы является так называемая световая отдача, которая характеризует фотометрический КПД лампы. Светоотдача измеряется в люменах светового потока, приходящихся на один ватт электрической мощности, потребляемой лампой. Светоотдача вольфрамовой нити накаливания, помещенной в вакуумную колбу из силикатного стекла, не превышает 20 лм/Вт.

В настоящее время обычные лампы накаливания применяются в основном в сигнальных наружных фонарях мощностью не более 25 Вт. В современных универсальных фарах устанавливаются двухнитевые электролампы (рис. 1). Их принципиальное отличие от маломощных ламп для сигнальных фонарей состоит в том, что обе нити накаливания устанавливаются с очень высокой точностью по отношению к фиксатору на цоколе. Этим обеспечивается необходимое для универсальных фар строго определенное положение нитей в оптическом отражателе фары.

Самыми эффективными из ламп с нитью накаливания являются так называемые галогенные лампы. Галогенная лампа (рис. 2) — это миниатюрная кварцевая цилиндрическая колба 7 (диаметр 10...17 мм, высота 16...34 мм), наполненная инертным газом в смеси с парами галогена, в их среду помещена вольфрамовая нить (или нити 3 и 4) накаливания. В таком случае светоотдача вольфрамовой нити может быть повышена. В обычной лампе накаливания вольфрам, испаряясь с поверхности нити при высокой температуре, оседает на внутренней стенке стеклянной колбы, что делает ее менее прозрачной и нарушает теплообмен колбы с окружающим воздухом. Срок службы лампы быстро сокращается и она перегорает. В галогенной лампе имеет место возвратный цикл, за счет которого вольфрам, осевший на стенках колбы, возвращается обратно на нить накаливания. Значительного затемнения стекла не происходит на протяжении всего срока службы лампы. Для поддержания возвратного цикла температура нити должна быть не менее 1400°С, а температура колбы не ниже 700°С. При этом расстояние от нити до стенки колбы должно быть минимальным. Этим объясняются малые размеры галогенной лампы и изготовление ее колбы из кварцевого стекла. Переносчиком вольфрама в возвратном цикле может быть любой галоген, обычно йод или бром, или их соединения. Механизм переноса заключается в следующем. Сначала пары галогена, например, йода, вступают в высокотемпературную химическую реакцию с тонкопленочным вольфрамом, осевшим на колбе. Образуется йодистый вольфрам WI2, который тут же испаряется с горячей поверхности стекла. Соприкасаясь с сильно разогретой вольфрамовой нитью, йодистый вольфрам снова разлагается на пары йода и вольфрам. Пары йода возвращаются к менее нагретой поверхности колбы, а вольфрам оседает на более горячей поверхности нити накаливания. Описанный возвратный цикл защищает нить накаливания от перегорания, что позволяет повысить ее рабочую температуру до 3500°С. Светоотдача лампы увеличивается более чем в полтора раза (до 30...35 лм/Вт). В этом заключается главное преимущество галогенных ламп.

Однако галогенная лампа по продолжительности безотказной работы не превосходит обычные лампы накаливания. Это объясняется тем, что возвратный цикл в галогенной лампе используется не для продления срока ее службы, а для увеличения яркости свечения. И хотя вольфрам нити накаливания в возвратном цикле частично восстанавливается, но продолжительность наработки на отказ не увеличивается. При этом галогенная лампа стоит намного дороже обычной. Это является главным ее недостатком. Второй недостаток — высокая температура колбы, чем ограничивается использование галогенных ламп в пластмассовых фонарях.

Галогенные, как и обычные электролампы с нитью накаливания, могут быть однонитевыми или двухнитевыми. В последнем случае нити дальнего и ближнего света устанавливаются так, как показано на рис. 2. Расположением нитей формируются лучи дальнего и ближнего света в универсальной (двухлучевой) фаре [1].

Свободными от недостатков, присущих галогенным лампам, оказались электродуговые газоразрядные лампы. Конструкция газоразрядной лампы, которую выпускает фирма BOSCH, показана на рис. 3.

Электродуговая лампа не имеет нити накаливания, чем объясняется исключительно продолжительный срок ее службы (более срока службы самого автомобиля). Стержневые электроды 5 лампы помещены в продолговатую кварцевую трубку 3 с шарообразной центральной частью 4. Объем центральной части 0,7...0,9 см3. Трубка наполнена инертным газом ксеноном. Ксенон выбран не случайно — его спектр свечения белый, со слабым зелено-голубым оттенком. Такой свет наиболее эффективен, так как он близок к спектру солнечных лучей. Электродные стержни лампы покрыты специальными галогенными соединениями (галогенидами), которые защищают электроды от выгорания в электрической дуге. В данной лампе восстанавливается не металл (как вольфрам в обычной лампе), а галогенидовое покрытие на торцах электродных стержней. Такие лампы потребляют меньше электроэнергии, а значит меньше нагреваются и при этом обладают большей светоотдачей (до 90 лм/Вт). Так, газоразрядная лампа на 35 Вт светит ярче галогенной (на 55 Вт) в два раза.

Основной недостаток газоразрядной лампы — это инерционность ее возгорания, что совершенно недопустимо в автомобильных фарах. Чтобы газоразрядная лампа загоралась быстрее, на нее приходится подавать высокое (15.30 кВ) напряжение зажига ния. Происходит кратковременный высоковольтный искровой разряд при токе 2,5...3 А и между электродами лампы мгновенно возникает электрическая дуга. Далее электронный блок управления устанавливает в дуге ток 0,35...0,45 А и лампа начинает работать устойчиво от преобразователя напряжения 100 В/400 Гц при напряжении бортсети автомобиля 12 В. Газоразрядная лампа допускает импульсный режим работы, что удобно при реализации мощных световых спецсигналов. Если напряжение в бортсети резко падает, газоразрядная лампа может погаснуть, но тут же зажигается вновь от электронного устройства зажигания.

Необходимость применения высоковольтного зажигания является существенным недостатком при эксплуатации газоразрядных ламп.

Во-первых — это повышенная опасность для человека.

Внимание! При вскрытии фары с газоразрядной лампой необходимо соблюдать меры техники безопасности.

Во-вторых, электрическая дуга является интенсивным источником высокочастотных радиопомех.

В-третьих, высокое напряжение требует применения высококачественных изоляционных материалов для цоколя лампы и для ламподержателя. И хотя сама лампа как источник света достаточно надежна, но ее наружные соединения и высоковольтные контакты потенциально содержат угрозу электроискрового пробоя изоляции. Лампа при этом выходит из строя.

В-четвертых, стоимость газоразрядной лампы в комплекте с электронным устройством управления и зажигания значительная. В настоящее время газоразрядные лампы применяются в фарах только для автомобилей высокого потребительского класса.

Справочная информация по фарным 12-ти вольтовым электролампам различной конструкции сведена в таблицу, и их внешний вид показан на рис. 4.

При необходимости заменить электролампу в фаре следует иметь в виду следующее. Почти все фарные электролампы разрабатываются с ориентацией на вполне определенный тип фары. Это означает, что цоколь лампы и его установочное крепление могут быть различными даже для одинаковых по мощности и конструкции электроламп. С другой стороны, лампы с совершенно различными электрическими и размерными параметрами могут иметь одинаковое установочное крепление. Международные европейские правила и нормы ЕЭК R37 (Электролампы) не рекомендуют заменять лампы в фарах на лампы не предусмотренного типа, т.е. определенному типу фары должна соответствовать вполне конкретная категория (тип) электролампы.

В заключение следует отметить, что следующим шагом на пути совершенствования источника света для автомобильных фар может стать малогабаритный излучатель монохроматического поляризованного света.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ФАР
Известно, что когерентное излучение в инфракрасном световом диапазоне подвержено значительному рассеиванию на поверхности автомобильных стекол и особенно имеющих загрязненную поверхность. Это явление может быть использовано для построения системы автоматического контроля степени загрязнения поверхности стекол автомобиля и, в частности, стекол автомобильных светотехнических приборов, так как конструктивная совокупность двух полупроводниковых приборов — лазерного диода и светочувствительного диода — может иметь достаточно малые габариты, невысокую стоимость и достаточную надежность.

На рис.1 приведена функциональная схема фотоэлектрического устройства для определения степени загрязнения передних фар автомобиля, либо любого другого наружного светотехнического прибора. Из этой схемы видно, что устройство является приемо-передающей системой, так как содержит фотоприемник Y и излучатель световой энергии Х.

Информационной обработке подвергается лучистая энергия Рп, полученная путем рассеяния на частицах К загрязненной поверхности Т стекла С энергии Ри, излученной лазерным диодом З. Для исключения систематической погрешности системы лазерный передатчик (излучатель) работает в импульсном режиме, который задается с помощью модуляции энергии питания, подводимой к излучателю через модулятор 2. Частота следования импульсов определяется задающим генератором 1, а форма излученного светового импульса — свойствами лазерного диода 3.

Более широкое применение среди полупроводниковых лазерных диодов в настоящее время получили диоды с р-п переходом в структуре арсенида галлия. Торец кристалла из этого материала, тщательно отполированный и выведенный в оптическое окно конструкции диода, представляет собой поверхность резонатора Фабри-Перо.

Оптический квантовый генератор, выполненный на арсениде галлия, позволяет получать когерентное излучение в ИФК диапазоне мощностью до 10 Вт при импульсном режиме работы и при общем объеме конструкции диода не более 3 мм.куб.

Установка таких диодов непосредственно за стеклом проверяемого светотехнического прибора (например, фар) не представляет особых технических трудностей, а при совмещенной с чувствительным элементом фотоприемника конструкции будет наиболее эффективной.

На рис. 2 показан пример компоновки фотоэлектрического датчика степени загрязнения поверхности стекла, включающего в себя лазерный диод ЛД-102АГ и дисковый фоторезонатор.

Устройство испытано совместно с конструкцией автомобильного катафота ФП-312 модели ВАЗ-2101 (рис. 3), что позволило установить принципиальную возможность применения когерентных излучателей света в системах автоматического контроля степени загрязнения стекол светотехнического электрооборудования автомобиля.

В заключение следует отметить, что участие человека в операциях контроля за состоянием фар и наружных осветительных приборов приводит к тому, что у подавляющего большинства автомобилей в ненастную погоду вся наружная светотехника имеет недопустимо высокую степень загрязнения. Из этого вытекает необходимость и целесообразность автоматизации процессов контроля и очистки поверхностей стекол наружных светотехнических приборов.