Сайт знатоков автомобиля Ford Fusion

Устройство и технические характеристики биксеноновых источников света.

1. Область применения.

Биксеноновая автомобильная лампа представляет собой газоразрядный источник света с изменяемой геометрией светового потока. В данной статье рассматриваются особенности реализации механизма изменения геометрии и не рассматривается физика работы ксеноновой газоразрядной колбы.

Биксеноновая лампа предназначена для замены двухнитевых ламп накаливания в блок- фарах современных автомобилей.

Термин "блок-фара" означает, что дальний и ближний свет реализуется с помощью одной и той же лампы и оптической системы. В традиционной блок- фаре изменение направления и яркости света осуществляется за счет переключения нитей накаливания в двухнитевой лампе. Для того чтобы сохранить свойство блок- фары создавать ближний и дальний свет, Биксеноновая лампа должна эмулировать работу двухнитевой лампы.

Так как ксеноновая газоразрядная колба имеет фиксированное положение светящего элемента- газоразрядной дуги, изменение геометрии светового потока в биксеноновой лампе осуществляется путем механического передвижения элементов, формирующих направление светового потока. Глава 3 посвящена возможным реализациям биксенона. В блок-фарах автомобилей применяется несколько типов конструктивного исполнения двухнитевых ламп, называемых цоколями. Наиболее распространен цоколь Н4, применяемый с 70-х годов на машинах, произведенных по всему миру. Поэтому биксеноновые лампы существуют в основном под этот цоколь. Для того чтобы разобраться в работе различного рода существующих биксеноновых систем, необходимо рассмотреть физику работы блок-фары с цоколем Н4, которая приведена в следующей главе.

2. Устройство блок- фары с лампой Н4.

Блок-фара может быть выполнена по оптической схеме с параболическим отражателем и рассеивающим стеклом или же с отражателем свободной формы и прозрачным стеклом. Сначала следует рассмотреть систему c параболическим отражателем, как более доступную для изучения.

Источником света в блок-фаре является лампа Н4 с двумя спиралями накаливания. Спирали расположены параллельно по ходу движения машины. Расстояние между спиралями по продольной оси составляет 7мм, а по вертикали 1мм (рис.1).

Рис.1. Лампа Н4

Спираль ближнего света расположена дальше от цоколя чем спираль дальнего света и закрыта снизу специальным экраном, формирующим границу зоны ближнего света. Колба лампы спереди затемнена, чтобы исключить освещение прямым, не отраженным от рефлектора светом.

Составными частями блок-фары помимо лампы являются также параболический отражатель и рассеивающее стекло.

Рис.2. Блок-фара

Назначением рассеивающего стекла является формирование более равномерного, чем идущий изначально от отражателя, светового потока в горизонтальной плоскости. Поэтому рассеивающий рельеф на стекле направлен вертикально и в вертикальной плоскости эффект рассеивания значительно более слабо выражен.

При дальнейшем рассмотрении принципа работы фары эффект стекла не будет учитываться. Для представления результирующего светового потока необходимо рассеять световой поток от фары без стекла в горизонтальной плоскости.

Параболический отражатель выполняет функцию формирования слабо расходящегося светового потока. Лампа располагается в отражателе таким образом, что фокус находится между спиралями ближнего и дальнего света. Для определения направления светового потока необходимо проследить ход лучей от каждой спирали.

При работе фары в режиме дальнего света рабочая спираль находится ближе и ниже фокуса отражателя. Поэтому световой поток имеет расходящуюся форму и направлен выше осевой линии (рис.3).

Рис.3. Ход лучей в режиме дальнего света

Спираль дальнего света расположена относительно (по сравнению со спиралью ближнего света) близко к фокусу, поэтому расхождение светового потока невелико. Контур засветки на достаточно удаленном (рекомендуемое расстояние 5м) экране имеет форму круга. На дороге пятно освещения имеет форму эллипса.

Рис.4. Контур засветки на экране.

Рис.5. Пятно освещения на дороге.

При работе фары в режиме ближнего света рабочая спираль находится дальше фокуса отражателя. Поэтому лучи пересекают осевую линию фары и расходятся (рис.6).

Рис. 6. Ход лучей в режиме ближнего света.

При этом экран оптически закрывает нижнюю половину отражателя, поэтому после отражения все лучи попадают в нижнюю полуплоскость. Так как экран расположен чуть ниже спирали, угол перекрытия светового потока получается меньше 180°. При этом на достаточно удаленном экране образуется характерная «галочка» (рис. 7.).

Рис.7. Контур засветки на экране.

Положение «галочки» определяется углами перекрытия светового потока с каждой стороны экрана. Так как спираль ближнего света расположена относительно далеко от фокуса, расхождение потока является значительно большим, чем на дальнем свете, соответственно и контур засветки на экране занимает большую площадь. На дороге пятно освещения имеет форму эллиптического сектора.

Рис. 8. Пятно освещения на дороге.

Блок-фара также может быть выполнена по оптической схеме с отражателем свободной формы и прозрачным стеклом. Главное отличие такой системы от рассмотренной системы c параболическим отражателем заключается в том, что световой поток формируется расходящимся в горизонтальной плоскости за счет отличной от параболической формы отражателя. Так как требуемое расхождение светового потока весьма невелико, в целом отличие формы отражателя от параболической незначительно. Поэтому рассмотренные ранее оптические соотношения остаются в силе и для данной системы.

3. Анализ возможных реализаций биксеноновых ламп.

«Идеальная» биксеноновая лампа должна полностью соответствовать геометрии лампы накаливания Н4 для того чтобы форма светового потока была такой же. Существующие же реализации удовлетворяют этому условию лишь отчасти, поэтому форма светового потока в некоторых условиях получается отличной от расчетной, что есть недостаток. В данной главе рассматриваются наиболее распространенные реализации и их оптические свойства с упором именно на выявление подобных недостатков.

3.1. Биксеноновая лампа с двигающимся экраном.

В данной реализации биксеноновой лампы изменение формы светового потока происходит за счет движения специального экрана. Данный экран является модификацией экрана в лампе Н4 и выполняет ту же самую задачу- формирует границу зоны ближнего света. Однако в случае ксеноновой лампы экран находится снаружи колбы (рис. 9).

Рис. 9. Ксеноновая лампа с экраном.

Источником света в ксеноновой лампе является газ в межэлектродном пространстве. При этом форма источника света примерно одинакова со спиралью в лампе накаливания, что обеспечивает световой поток в основном совпадающий по форме с потоком от лампы накаливания расположенной в том же месте. Поэтому, чтобы получить расчетную форму светового потока на ближнем свете ксеноновую колбу располагают в фаре на том же месте что и спираль ближнего света. Углы перекрытия экрана также копируют с лампы накаливания чтобы получить такую же «галочку». Закрытия же колбы спереди экраном в случае ксеноновой лампы обычно не требуется так как от прямой засветки защищает электрод ксеноновой лампы.

Таким образом в биксеноновой лампе организуется работа в режиме ближнего света. В режиме же дальнего света экран полностью или частично убирается. Существуют 2 варианта реализации такого биксенона, в первом экран отодвигается, во втором поворачивается. Рассмотрим эти варианты отдельно.

Вариант 1: отодвигающийся экран. При такой реализации экран, отодвигаясь, перестает затенять нижнюю часть отражателя. Лучи света, отражаясь, пересекают оптическую ось фары и направляются вверх (рис .10) , то есть дальше по дороге от автомобиля, что и создает эффект дальнего света.

Рис. 10. Ход лучей в режиме дальнего света.

На дороге работа биксенона будет выглядеть так: при переключении c ближнего на дальний свет освещенность вблизи машины не изменится, однако добавится освещение в дальней зоне ( рис. 11).

Рис.11. Пятно освещения на дороге.

Достоинства и недостатки данного варианта:
«+»
- правильная работа в режиме ближнего света
«-»
- В режиме дальнего света недостаточная освещенность дальней границы зоны освещения. Это происходит из-за того, что ксеноновая колба находится в фаре на том же месте что и спираль ближнего света. Поэтому лучи света значительно рассеиваются, и в относительно небольшом угле излучения, который отвечает за дальний свет, мощность светового потока получается небольшой. Физически происходит следующее: в режиме дальнего света к световому потоку в режиме ближнего света, составляющему около 2/3 всего потока от лампы (определяется углом перекрытия экрана), добавляется всего около 1/3 , и этот поток распределяется по значительно большей площади дороги, поэтому и освещенность получается низкая.
- Нештатная работа рассеивающего стекла в режиме дальнего света в фарах с параболическим отражателем. Так как ксеноновая колба находится в фаре на том же месте что и спираль ближнего света, в режиме дальнего света происходит пересечение лучами света оптической оси фары. Таким образом поток света, формирующий верхнюю полуплоскость освещенности на рис. 10, проходит через нижнюю часть рассеивающего стекла, и наоборот. Обычно верхняя и нижняя части стекла обладают разными рассеивающими свойствами, а при работе фары с лампой накаливания Н4 подобного пересечения не происходит, поэтому световой поток от биксеноновой лампы еще более искажается.
- В фарах с отражателем со свободной геометрией в режиме дальнего света нижняя часть отражателя работает в нештатном режиме, свет от лампы падает под неправильным углом, и это может привести к непредсказуемой форме светового потока.

Вариант 2: поворачивающийся экран.

При такой реализации внутренняя поверхность экрана выполняется зеркальной. В режиме дальнего света экран поворачивается и лучи света отражаются от него. Данная реализация отличается от предыдущей тем, что направление отраженного светового потока определяется формой экрана, а не отражателя, поэтому появляется возможность распределить освещенность в дальней зоне более правильно, т.е. увеличить ее у дальней границы и уменьшить на ближней. Но так как все выводы насчет используемой для дальнего света части светового потока остаются в силе, данная реализация также не позволяет получить полноценный дальний свет.

3.2. Биксеноновая лампа с двигающейся колбой.

В данной реализации биксеноновой лампы изменение формы светового потока происходит за счет поступательного движения ксеноновой колбы. При этом работа лампы в положении ближнего света остается без изменений по сравнению с предыдущим вариантом, однако положение задней кромки экрана выбрано таким образом, чтобы только минимально закрыть нижнюю часть отражателя.

В положении же дальнего света ксеноновая колба сдвигается назад и занимает положение спирали дальнего света в лампе накаливания (рис.12), но только по горизонтали, а не по высоте (разница в высоте, как указывалось в главе 2, составляет 1мм). При этом экран перестает затенять нижнюю часть отражателя и полный световой поток от лампы попадает на отражатель.

Рис.12. Перемещение ксеноновой колбы.

По форме светового потока данная реализация почти полностью повторяет работу лампы накаливания Н4, единственное отличие заключается в том, что световой поток в режиме дальнего света идет ниже за счет того, что различается положение источника света в режиме дальнего. Этот недостаток устранен в варианте исполнения биксеноновой лампы с наклонной осью перемещения колбы (рис. 13).

Рис. 13. Биксеноновая лампа с наклонной осью перемещения колбы.

В такой лампе ксеноновая колба смещается как по горизонтали, так и по вертикали и занимает точно такое же положение как спирали в лампе накаливания Н4 в режиме и ближнего и дальнего света, поэтому форма светового потока от этой лампы точно повторяет форму светового потока от лампы накаливания Н4.

При рассмотрении такого биксенона важно отметить, что качество работы ламп зависит от формы задней части экрана. Важно, чтобы экран находился достаточно близко к ксеноновой колбе, для того чтобы при перемещении колбы угол, под которым экран затеняет отражатель, изменялся в достаточной степени. При этом обеспечивается полностью открытое и полностью затененное состояния отражателя. Если же форма и положение экрана отклоняется от расчетного, например из-за неточности изготовления, то возможна деградация качества работы ламп. Это проявляется в несоответствии формы светового потока с расчетной, возможны тени и нежелательные засветки. Подобные же эффекты возникают при неточности позиционирования колбы лампы в положениях ближнего и дальнего света.

Достоинства и недостатки данного варианта:
«+»
- Правильная работа в режиме ближнего и дальнего света в любых фарах с лампами Н4.
«-»
- Высокие требования к точности изготовления.

3.3. Прожекторные системы - немецкий биксенон.

Помимо рассмотренных биксеноновых ламп существует еще один вид источников света, выполняющих подобную функцию, но отличных конструктивно. Это прожекторный оптический элемент фирмы Hella.

Отличия от уже рассмотренных систем заключаются в другой - прожекторной, оптической схеме, а также в другом типе ламп. В качестве источника света используется ксеноновая лампа с цоколем D2R. Световой поток формируется с помощью эллиптического отражателя и линзы (рис. 14). Формирование границы ближнего света происходит с помощью специального подвижного экрана. Подобная схема формирования светового потока уже встречалась в главе 3.1., и некоторые сделанные в этой главе выводы справедливы и для рассматриваемой системы.

Рис. 14. Прожекторный оптический элемент.

Во-первых, надо отметить, что в режиме дальнего света, когда подвижный экран не затеняет световой поток, фара работает в оптимальном режиме. Весь световой поток лампы используется для создания освещенности, и форма светового потока оптимизирована для дальнего света (Рис.15).

Рис. 15. Форма светового потока прожекторной фары.

При переключении же в режим ближнего света экран отрезает часть светового потока на дальней границе зоны освещения. Важно отметить, что световая граница ближнего света значительно четче чем в рассмотренных выше системах с лампами Н4. Это получается за счет того, что отличие формы источника света- ксеноновой колбы от точечного источника, которое и вызывает размытие границы, в такой оптической схеме влияет на форму светового потока значительно меньше. Поэтому границу зоны освещения на ближнем свете сдвигают вдаль без нежелательных засветок.

Однако форма светового потока на ближнем свете далека от оптимальной, так как желаемая форма светового потока на ближнем и дальнем различна, а возможности менять форму ближней границы зоны освещенности и перераспределять плотность светового потока данная схема не дает. Также вследствие механизма затенения общий световой поток на ближнем свете падает примерно в 2 раза.

Достоинства и недостатки данного варианта:
«+»
- Правильная работа в режиме дальнего света.
- Большая оптическая эффективность прожекторной технологии.
- Четкая граница света в режиме ближнего света.
«-»
- Значительное ослабление силы и качества света в режиме ближнего света. Данный недостаток отчасти компенсируется большей оптической эффективностью.
- Небольшой размер оптического элемента обуславливает повышенную загрязняемость.

3.4 Биксеноновая лампа с двумя колбами.

Не давно в продаже появился новый вид биксенона – на каждом цоколе размещены 2 колбы. В таких комплектах нет движущихся частей. Ксеноновые источники света находятся в тех же местах, где спирали в лампе накаливания, что дает максимально правильное формирование пучка света.

Достоинства и недостатки данного варианта:
«+»
-Правильная работа в режиме ближнего и дальнего света в любых фарах с лампами Н4.
«-»
- Высокие требования к точности изготовления;
- на каждую фару необходимо 2 блока розжига;
- необходимо больше времени для установления правильного свечения (процесс розжига ксеноновой лампы) при переключениях режимов ближний/дальний;
- высокая цена.

4. Динамические характеристики биксеноновых ламп.

Кроме оптических свойств биксеноновых ламп важную роль в эксплуатации играет скорость переключения между режимами дальнего и ближнего света, т.е. динамические параметры. Для того, чтобы понять какие величины времен допустимы, можно рассмотреть динамические параметры лампы Н4.

При переключении лампы Н4 происходят следующие процессы разной длительности: включение холодной спирали и выключение горячей. Холодная спираль включается за время около 100 мс, а горячая остывает за время около 400 мс.

Поэтому при переключении лампы Н4 общая яркость источника света увеличивается на время около 300 мс. При переключении же биксенона подобного процесса не происходит, однако для определения допустимого времени переключения следует ориентироваться на величины порядка 300 мс.

Скорость переключения биксеноновой лампы зависит в основном от типа привода. Существует 3 типа приводов: электромагнитные, с электрическим двигателем и с сервоприводом. Рассмотрим достоинства и недостатки каждого типа приводов.

Электромагнитные приводы.
«+»
- Высокая скорость.
«-»
- Небольшое усилие. Вследствие данного недостатка такие приводы склонны к зависаниям. Жесткое ограничение крайних положений. Вследствие ударной работы упоры изнашиваются и точность позиционирования падает.
Приводы с электрическим двигателем.
«+»
- Большое усилие. Мягкое ограничение крайних положений с помощью концевых выключателей.
«-»
- Невысокая скорость.
Сервоприводы.
«+»
- Большое усилие.
- Высокая скорость.
- Мягкое ограничение крайних положений с помощью обратной связи.
«-»
- Сложность.