Назначение и классификация световых приборов
Ведение
Система освещения и световой сигнализации предназначена для освещения дороги, передачи информации о габаритных размерах автомобиля, предполагаемом или же совершаемом маневре, для освещения номерного знака, кабины, салона кузова, контрольно-измерительных приборов, багажника, подкапотного пространства и т.д. От состояния и характеристик световых приборов зависит безопасность движения автомобилей, тем более в темное время суток.
Большую часть информации о дорожной обстановке и состоянии автомобиля водитель получает через органы зрения. Безопасность движения зависит от видимости объектов на дороге, которая, определяется интенсивностью освещения, типом и состоянием дорожного покрытия, характеристиками органов зрения водителя и объектов на дороге. Автомобильные световые приборы обязаны обеспечивать неплохую иллюзию и необходимую информативность в широком диапазоне расстояний и во всевозможных погодных условиях, не вызывая ослепления водителей в темное время суток.
С наступлением темноты иллюзия дороги и предметов на ней ухудшается вследствие недостаточной или же неравномерной их освещенности. Иллюзия ухудшается тоже во время тумана, дождя, снегопада или же пылевой бури, при уменьшении прозрачности лобового стекла, а еще с увеличением расстояния до объекта различения. При движении в условиях ограниченной видимости возрастает вероятность дорожно-транспортного происшествия. От дальности видимости зависит допускаемая скорость движения автомобиля. Безопасность движения обеспечивается в том случае, в случае если дальность видимости дороги превышает путь автомобиля при торможении.
Зрительная работа водителя сложнее ночью при освещении дороги фарами. В темное время суток ограничено время обнаружения объектов на дороге, поскольку в поле зрения водителя они появляются на расстояниях, определяемых дальностью освещения дороги фарами. Поле зрения водителя ограничено углом рассеяния света фар. При попадании в глаза водителя света фар встречного автомобиля или же фонарей впереди идущего транспортного средства вполне вероятно как ослепление, так и чувство дискомфорта. Дискомфорт становится ощутимее при увеличении яркости световых отверстий фар, фонарей и их угловых размеров. Тем более увесистые условия работы глаз водителя возникают при переключении света фар и при колебаниях светового пучка фар автомобиля, движущегося по неровной дороге.
Фары прошли путь от керосиновых и ацетиленовых фонарей до современных высокоэффективных и высокоэкономичных систем освещения. В наши дни большая часть автомобилей оборудована фарами с галогеновыми лампами, которые более эффективны, чем обычные лампы накаливания. Однако появляется все больше автомобилей, в фары которых монтируются ксеноновые лампы. Источником света в такой фаре является электрический разряд, проходящий между двумя электродами, которые расположены внутри колбы из кварцевого стекла. Колба заполнена инертным газом ксеноном. Фары, в которых установлены такие лампы, называют ксеноновыми.
Назначение и классификация световых приборов
Система освещения и световой сигнализации предназначена для освещения дороги, передачи информации о габаритных размерах автомобиля, предполагаемом или совершаемом маневре, для освещения номерного знака, кабины, салона, контрольно-измерительных приборов, багажника, подкапотного пространства и т.д. От состояния и характеристик световых приборов зависит безопасность движения автомобилей, особенно в темное время суток.
Большую часть информации о дорожной обстановке и состоянии автомобиля водитель получает через органы зрения. Безопасность движения зависит от видимости объектов на дороге, которая, в свою очередь, определяется интенсивностью освещения, типом и состоянием дорожного покрытия, характеристиками органов зрения водителя и объектов на дороге. Автомобильные световые приборы должны обеспечивать хорошую видимость и необходимую информативность в широком диапазоне расстояний и в различных погодных условиях, не вызывая ослепления водителей в темное время суток. С наступлением темноты видимость дороги и предметов на ней ухудшается вследствие недостаточной или неравномерной их освещенности. Видимость ухудшается также во время тумана, дождя, снегопада или пылевой бури, при уменьшении прозрачности лобового стекла, а также с увеличением расстояния до объекта. При движении в условиях ограниченной видимости увеличивается вероятность дорожно-транспортного происшествия. От дальности видимости зависит допустимая скорость движения автомобиля. Безопасность движения обеспечивается в том случае, если дальность видимости дороги превышает путь автомобиля при торможении.
Зрительная работа водителя сложнее ночью при освещении дороги фарами. В темное время суток ограничено время обнаружения объектов на дороге, так как в поле зрения водителя они появляются на расстояниях, определяемых дальностью освещения дороги. Поле зрения водителя ограничено углом рассеяния света фар. При попадании в глаза водителя света фар встречного автомобиля или фонарей впереди идущего транспортного средства возможно как ослепление, так и ощущение дискомфорта. Дискомфорт становится ощутимее при увеличении яркости фар, фонарей и их угловых размеров. Особенно тяжелые условия работы глаз водителя возникают при переключении света фар и при колебаниях светового пучка фар автомобиля, движущегося по неровной дороге.
Работа системы освещения основана на принципах генерирования излучения, распределения и перераспределения в пространстве электромагнитных излучений оптической области спектра. Органами зрения воспринимаются видимые излучения с длиной волны к в диапазоне 380-760 нм. При совокупном воздействии излучения данного диапазона воспринимаются органом зрения как белый свет, который, в свою очередь, состоит из однородных излучений:
Цветовой спектр Длина волны, нм
| Красный | 770-620 |
| Оранжевый | 620-590 |
| Желтый | 590-560 |
| Зеленый | 560-500 |
| Голубой | 500-480 |
| Синий | 480-450 |
| Фиолетовый | 450-380 |
Органы зрения обладают избирательной способностью к отдельным диапазоном видимого спектра. Наибольшую спектральную чувствительность глаз человека проявляет к излучению с длиной волны 555 нм (желто-зеленый цвет).
На автомобилях устанавливают различные по назначению, конструкции, электрическим и светотехническим параметрам световые приборы. В обязательный комплект световых приборов для всех автомобилей входят не менее двух фар дальнего и ближнего света, по два габаритных огня и по два указателя поворота спереди и сзади, два световозвращателя и один фонарь освещения номерного знака, расположенные сзади. В качестве дополнительных светосигнальных приборов устанавливают контурные огни, боковые повторители указателей поворота, опознавательные знаки автопоезда и прицепов, боковые световозвращатели, огни преимущественного проезда. К необязательным световым приборам относят противотуманные фары, фары-прожекторы, прожекторы-искатели, задние противотуманные фонари, фонари заднего хода и увеличения габарита автомобиля, боковые габаритные и стояночные огни.
Большое количество световых приборов на автомобиле не должно вызывать трудностей при их различении участниками дорожного движения. Для этого используется система кодирования информации, поступающей от световых приборов. К кодирующим элементам относят количество одновременно работающих световых приборов, их расположение на транспортном средстве и режим работы, расстояние между одновременно работающими световыми приборами, форма светоизлучающей поверхности, цвет излучаемого света и интенсивность излучения в пределах одного цвета.
Автомобильные световые приборы делятся на осветительные и светосигнальные. Световой пучок осветительного прибора воспринимается после отражения от дороги или объекта на дороге, а световой поток светосигнального прибора наблюдатель воспринимает непосредственно. Фары и фонари заднего хода можно считать и осветительными, и светосигнальными приборами. Водитель автомобиля, на котором они установлены, воспринимает их световой пучок после отражения от дороги и наблюдаемых объектов, а другие участники дорожной обстановки - непосредственно.
Световые приборы преобразуют электрическую энергию в световой пучок определенной структуры (соответствующим образом организованную совокупность направлений излучения света) и спектра (цветность излучения). Оптическая система светового прибора, обеспечивающая необходимую структуру и спектр светового пучка, включает лампу, отражатель и рассеиватель. Лампа является источником света. Отражатель, обычно в виде параболоида вращения, концентрирует световой поток, испускаемый лампой, в требуемом телесном угле. Рассеиватель, выполненный из прозрачного материала, перераспределяет световой поток в вертикальной и горизонтальной плоскостях с помощью линз и призм на его внутренней поверхности и, при необходимости, меняет цвет излучаемого света.
Основными светотехническими параметрами световых приборов являются активная поверхность оптической системы, световое отверстие, телесный и плоский углы охвата, углы излучения и рассеивания, фокус и фокусное расстояние оптической системы, коэффициент отражения для отражателей и коэффициент пропускания и поглощения для рассеивателей.
Активной поверхностью оптической системы является зеркальная поверхность отражателя. Ее проекция на плоскость, перпендикулярную оптической оси, называется световым отверстием. Оптическая ось светового прибора - это ось его симметрии. Лучи, падающие на активную поверхность отражателя параллельно оптической оси, собираются в фокусе. В реальных оптических системах с фокусом совмещают центр тела накала источника света. Отрезок оптической оси фокуса до вершины отражателя называется фокусным расстоянием.
Телесным углом охвата активной поверхности является угол, в пределах которого поверхность оптической системы видна из фокуса. Сечение телесного угла охвата ю меридиональной плоскостью, проходящей через ось вращения параболоида, образует плоский угол охвата <р. Телесный угол, в котором сконцентрирован отраженный активной поверхностью и вышедший из системы световой поток, называют углом излучения оптической системы.
Коэффициент отражения оптической системы - это отношение отраженного светового потока к световому потоку, падающему на отражающую поверхность. Коэффициент пропускания - отношение светового потока, прошедшего через поверхность, к световому потоку, падающему на нее. Под коэффициентом поглощения понимается отношение светового потока, поглощаемого световой системой, к световому потоку, ею создаваемому.
Действие оптической системы осветительных и светосигнальных приборов заключается в том, что большая часть светового потока, падающая на отражающую поверхность в пределах телесного угла охвата, после отражения проходит в пределах сравнительно малого телесного угла излучения. Поэтому концентрация светового потока внутри угла излучения существенно возрастает.
Часть светового потока, исходящая непосредственно от источника света и излучаемая вне угла охвата оптической системы, в осветительных приборах, как правило, экранируется, чтобы непреобразованный свет не создавал дополни-тельных помех водителю.
Параметры световых приборов в значительной мере зависят от свойств мате-риалов, из которых выполняются отдельные элементы оптической системы.
В целях обеспечения наиболее благоприятных условий видимости при движении на дорогах в ночное время световые приборы постоянно совершенствуют. Разрабатывают конструкции фар с более рациональным светораспределением. Устанавливают устройства, автоматически ослабляющие слепящее действие фар при встречном разъезде автомобилей. Для управления осветительными и светосигнальными приборами широко применяют электронику.
Лампы световых приборов
В качестве источника света в автомобильных световых приборах используют электрические лампы накаливания. Требования к их параметрам и применяемости нормируются Правилом 37 ЕЭК ООН, ГОСТ 2023.1-88.
Конструкцию, применяемость и способы контроля лампы определяют следующие параметры и характеристики: категория, тип лампы, номинальное и расчетное напряжения, номинальное и предельные значения мощности и светового потока, средняя продолжительность горения, световая отдача, тип цоколя, масса, геометрические координаты положения нитевой системы относительно базовой (установочной) плоскости.
Контрольный световой поток - номинальный световой поток эталонной лампы, при котором измеряются оптические характеристики осветительного прибора.
Базовая плоскость - плоскость, по отношению к которой определяются основные размеры лампы.
Световая отдача η - отношение излучаемого источником света светового потока к потребляемой мощности.
Средняя продолжительность горения - средняя продолжительность горения отдельных ламп в испытуемой партии.
Правила 37 ЕЭК ООН и МЭК 809-85 устанавливают требования к лампам фар категорий R2, Н1, Н2, НЗ, Н4, сигнальных фонарей - P21/5W, P21W, R5W, R10W, C5W, щитков приборов и освещения салона - T4W, W3W, W5W.
Автомобильная лампа состоит из колбы 1, одной или двух нитей накала 2 и 3, цоколя 7 с фокусирующим фланцем 5 или без него и выводов 6.
Колба лампы представляет собой стеклянный сосуд шаровидной, каплевидной, грушевидной или цилиндрической формы, в котором размещены нити накала. Нити накала в двухнитевых лампах имеют различное функциональное назначение.
Рисунок. Автомобильные лампы накаливания:
а – для фар головного освящения с европейской ассиметричной системой распределения; б – галогенная категории H1; в – галогенная категории H3; г – галогенная категории H4; д – двухнитевая штифтовая; е - однонитевая штифтовая; ж – пальчиковая; з – софитная.
1 - колба; 2 - нить дальнего света; 3 - нить ближнего света; 4 - экран; 5 - фокусирующий фланец; 6 - выводы; 7 - цоколь
Цоколь лампы служит для крепления лампы в патроне светового прибора и подведения тока от источника энергии к электродам, соединяющим контакты цоколя с нитями накала. Автомобильные лампы имеют штифтовые и фланцевые цоколи различной конструкции. В лампе со штифтовым цоколем тяжело обеспечить точное расположение нити накала сравнительно штифтов. Штифтовый цоколь не разрешает надежно фиксировать лампу в патроне. В следствии этого лампы со штифтовыми цоколями применяются как правило в световых приборах, к коим не предъявляются жесткие требования в отношении светотехнических характеристик.
Для точной фиксации нитей накала сравнительно фокуса параболоидного отражателя лампы автомобильных фар снабжают фокусирующим фланцевым цоколем. Конструкция фланца разрешает устанавливать лампу в оптический элемент лишь в одном определенном положении.
Размеры и расположение нити накала в лампе нормируются отечественными и международными стандартами чтобы при замене лампы характеристики светового прибора существенно не изменялись.
При прохождении электрического тока нить накала лампы нагревается и при определенной температуре начинает излучать свет. Энергия светового излучения, воспринимаемого человеческим глазом, составляет только не очень большую часть потребляемой лампой электрической энергии. Большая часть электрической энергии выделяется в виде теплового излучения.
Нить накала обязана выдерживать высокие температуры, иметь малые размеры. Ее изготавливают из тонкой вольфрамовой проволоки, свитой в цилиндрическую спираль. Спираль крепится к электродам и обыкновенно имеет форму прямой линии или же дуги окружности. Тугоплавкий вольфрам имеет температуру плавления 3380 °С и разрешает нагревать спираль до 2300-2700°С. С повышением температуры спирали возрастает яркость и световая отдача лампы. Впрочем при температуре нити накала свыше 2400°С вольфрам интенсивно испаряется и, оседая на стенках стеклянной колбы, образует темный налет, уменьшающий световой поток лампы.
Вольфрам интенсивнее испаряется в вакуумных лампах. В следствии этого лампы мощностью свыше 2 Вт заполняют смесью инертных газов аргона и азота или же криптона и ксенона. Благодаря большему давлению инертных газов в колбе газонаполненной лампы допускается больше высокая температура нагрева спирали, что разрешает увеличить световую ответную реакцию до 14-18 лм/Вт при сроке службы 125-200 ч.
Повышение температуры нити накала до 2700-2900°С достигается в лампах с галогенным циклом. Это обеспечивает на 50-60% большую световую ответную реакцию лампы. Колба галогенной лампы тоже заполняется инертным газом (аргон, ксенон, криптон и др.) и дополнительно - не очень большим количеством паров йода или же брома. В лампах с йодным циклом частицы вольфрама, осевшие на стенках колбы в последствии испарения нити накала, соединяются с парами йода и образуют йодистый вольфрам. При температуре колбы из жаростойкого кварцевого стекла 600-700 °С йодистый вольфрам испаряется, диффундирует в зону высокой температуры вокруг нити накала и распадается на вольфрам и йод. Вольфрам оседает обратно на нить, а пары йода остаются в газовом пространстве колбы, участвуя в дальнейшей реализации йодистого цикла.
Галогенные лампы отличаются от обыкновенных ламп накаливания меньшими размерами колбы, повышенной яркостью нити накаливания. Поскольку вольфрам не оседает на поверхности колбы, она остается прозрачной на протяжении всего срока службы лампы. Галогенный цикл дает лестный эффект лишь при точной дозировке йода или же брома. Это создает определенные технологические трудности при изготовлении галогенных ламп. Почти что использование галогенов не дает немаловажного увеличения срока службы лампы, поскольку вольфрам испаряется и оседает на поверхности спирали неравномерно, что непременно приводит к уменьшению ее толщины на отдельных участках и перегоранию.
Галогенная лампа представляет собой малогабаритную цилиндрическую колбу из кварцевого стекла, внутри коей располагается тело накала. Выводы выполняются из молибдена, коэффициент расширения которого близок к коэффициенту расширения кварца.
Двухнитевая галогенная лампа категории Н4 устанавливается в фарах головного освещения. Особый цоколь P43t/38 исключает установку лампы в не предназначенный для нее оптический элемент. Нити дальнего и ближнего света лампы категории Н4 имеют форму цилиндров и расположены вдоль оптической оси.
Однонитевые галогенные лампы категорий Н1, Н2 и НЗ применяются в противотуманных фарах, фарах-прожекторах и фарах рабочего освещения. Помимо такого, они имеют все шансы быть использованы в четырехфарных системах головного освещения.
Сила тока, потребляемого лампой от источника электроэнергии, световой поток и световая отдача зависят от напряжения. Отечественная промышленность выпускает лампы с номинальным напряжением 6, 12 и 24 В. Расчетное напряжение ламп выше и составляет поэтому 6,3-6,75, 12,6-13,5 и 28 В. При повышении напряжения сравнительно расчетного значения возрастают сила тока, температура спирали, световой поток и световая отдача, но резко сокращается срок службы лампы. При понижении напряжения нить накала нагревается меньше, в следствии этого световой поток и световая отдача уменьшаются. При снижении напряжения на 50-60% лампа почти что не излучает света.
Для повышения уровня унификации, стандартизации и сокращения номенклатуры световых приборов автомобилей различного целевого назначения выпускают взаимозаменяемые лампы, независимо от их номинального напряжения. Характеристики световых приборов обыкновенно нормируют при установке в них ламп, рассчитанных на номинальное напряжение 12 В. При других номинальных напряжениях требуемые характеристики тех же световых приборов обеспечивают за счет сообразных изменений в конструкции лампы.
Напряжение питания ламп накаливания на автомобиле зависит от настройки регулятора напряжения, состояния источников электроэнергии и цепей питания световых приборов, от количества включенных потребителей, сечения и протяженности соединительных проводов. Лампы обязаны выдерживать вполне вероятные в системе электрооборудования автомобиля колебания напряжения. Автомобильные лампы работают в условиях вибрации и тряски, в следствии этого обязаны быть механически прочными. Крепление колбы к цоколю обязано выдерживать усилие, прилагаемое к лампе, когда она вставляется в патрон или же вынимается из него. Лампы обязаны надежно сдерживаться в патронах при значительных вибрациях, характерных для. эксплуатации автомобиля. Снижение вибрационных нагрузок на нить накала и приспособление для закрепления лампы в патроне достигается за счет эластичной подвески патрона или же светового прибора на автомобиле.
Лампы накаливания отличаются по назначению, конструкции, по электрическим и светотехническим параметрам. Отечественные автомобильные лампы имеют обозначение типа (например, А 12-45+40), в которое входит буква А (автомобильная), распоряжение на величину номинального напряжения (6,12 или же 24 В) и потребляемую мощность в Вт нитей накаливания дальнего и ближнего света. Значения мощности двухнитевых ламп пишутся одно за другим через символ «+» К перечисленным составляющим обозначения типа лампы может быть через символ «-» добавлена цифра для указания модификации типа. В обозначении типа галогенных ламп (например, АКГ 12-60+55) дополнительно введены буквы К. (кварцевая) и Г (галогенная) Буквенные обозначения МН и С относятся к портативным и софитным лампам соответственно.
Для фар головного освещения с европейской системой светораспределения выпускается единая двухнитевая лампа со особым унифицированным фланцевым цоколем типа P45t/41. Фланец ступенчатой формы напаян на цоколь диаметром 22 мм. Присутствие двух базовых опорных поверхностей фланца разрешает применять лампу в оптических элементах фар с фокусными расстояниями 27 и 22 мм. Лампа имеет 3 штекерных вывода под контактную колодку, вставляется в оптический элемент с задней стороны отражателя и закрепляется пружинящими защелками.
Отечественная промышленность выпускает двухнитевые галогенные лампы АКГ 12-60+55 и АКГ 24-75+70 (категория Н4) для головных фар с европейским светораспределением и одно-нитевые лампы АКГ 12-55, АКГ 24-70 (категория Н1) и АКГ 12-55-1, АКГ 24-70-1 (категория НЗ) для прожекторов и противотуманных фар.
Рисунок. Размещение лампы накаливания в отражателях
с различными фокусными расстояниями
Светосигнальные фонари обеспечивают необходимые светотехнические характеристики при силе света от единиц до 700 кд. Номинальная мощность ламп светосигнальных фонарей не превышает 21 Вт. Для сигналов торможения и указателей поворота выпускают лампы А 12-21-3 и А 24-21-2 с штифтовым цоколем BA15s/19. Двухнитевая лампа А 12-21+5 с цоколем BAY15d предназначена для фонарей, совмещающих функции габаритного огня и сигнала торможения. В габаритные фонари устанавливают однонитевые лампы А 12-5-2 и А 24-5-2 с цоколем W2,1x9,5d. Выпускают тоже софитные лампы АС 12-5-1 с цоколем SV8,5/8, а для освещения приборов, блоков контрольных ламп и световых ламп и световых табло - лампы А 12-1, А 24-1, А 12-1,2, А 24-2, АМН 12-3-1 и АМН 24-3. Портативный цоколь BA9S/14 имеют однонитевые лампы А 12-4-1 и АМН 24-4.