Фары будущего: «ксенон», «галоген» или светодиоды?

Чем «ксенон» отличается от «галогенок»? И почему светодиоды не отправили на свалку истории лампы накаливания и газоразрядную оптику? И что общего между лампами Philips и зубной пастой? Ответ на эти и другие вопросы вы найдете в нашем материале.

Как появились автомобильные фары? На первых машинах использовались примитивные фонари с восковыми свечами или керосиновыми горелками внутри, заимствованные от конных экипажей. Естественно, такие «коптилки» должным образом не освещали дорогу, а потому инженерам пришлось подыскивать примитивным фонарям более эффективную замену, коей оказалось ацетиленовое освещение: на долгое время неизменным спутником автомобилистов стала пара бочонков, один — с карбидом кальция, второй — с обычной водой. Перед ночной поездкой «шофэр» (как называли тогда водителей) устанавливал бочонки на автомобиль, открывал краником подачу воды, а последняя, попадая на карбид, способствовала выработке ацетилена — газа, который при горении дает достаточно мощный световой поток. Правда, через несколько часов бочонки приходилось перезаряжать, а фару, состоящую из зеркального отражателя и линзы, чистить от копоти...

На этих иллюстрациях приведены автомобили с ацетиленовым головным освещением, которое выдают не только большие фары, но и бочонки для карбида, установленные на подножках. А поскольку ацетилен оказался слишком мощным источником света, способным пробивать темноту на сотню метров, в качестве «габаритных огней» на машинах начала века использовались тусклые керосиновые горелки

Но почему нельзя было использовать лампы накаливания, которые появились даже раньше самого автомобиля? В 1899 году французская фирма Bassee & Michel попыталась объединить автомобильную фару и лампу накаливания, но конструкция получилась неудачной — лампы с угольной нитью на неровных дорогах быстро приходили в негодность, а большой расход энергии требовал громоздких аккумуляторных батарей, поскольку генераторы на машины тогда не ставили. И только повсеместное появление генераторов, а также начало выпуска нового типа лампочек с вольфрамовыми нитями «перевели» автомобильный транспорт на электрическое освещение. Вот только «электросвет» оказался... слишком ярким! Чтобы не слепить встречных водителей, пришлось придумывать дополнительные задвижки и шторки, уменьшать яркость лампочек, затем появилась двухнитевая лампа (с отдельными  нитями для ближнего и дальнего света). В 1955 году, наконец, внедрили асимметричное освещение — когда фара со стороны пассажира светит дальше водительской.

Обратите внимание, как форма головной оптики определяла дизайн автомобилей (для наглядности возьмём разные поколения мерседесовского Е-класса). Долгое время фары оставались исключительно круглыми, на машинах 1960-х удалось внедрить квадратную оптику, расцвет популярности которой пришелся на 1980-е, а современные фары со «свободным отражателем» и вовсе развязали руки дизайнерам

Сейчас в фарах используются три источника света: лампы галогенные и газоразрядные, а также светодиоды. Про лазеры и прочую экзотику говорить рановато — до серийных автомобилей новомодные разработки дойдут нескоро. Тем более, что отказываться от «нелинзованной» фары, куда можно установить хоть «ксенон», хоть «галоген», хоть светодиоды, инженеры не собираются. Конструкция данного устройства доведена до совершенства: свет от лампы попадает на отражатель из металла, а затем проходит через рассеиватель — наружное стекло, состоящее из множества линз. Причем, когда появился новый пластик, не дающий усадки при формовке деталей, инженеры создали отражатель со «свободной поверхностью», который состоит из множества сегментов (каждый направляет поток света на определенную точку). Это позволило заменить тяжелое стекло легким пластиком и отказаться от рассеивателя.

Так устроена «нелинзованная» фара (для фары со «свободным» отражателем и традиционной схемы не отличаются): нить ближнего света расположена выше и впереди точки фокуса, причем колпачок внутри лампы «подрезает» поток света, чтобы освещать только верхнюю поверхность отражателя (рис. слева), а вот нить дальнего света и точка фокуса совпадают и поверхность отражателя используется целиком (рис. справа)

Фара «линзованная» (которую правильно называть светотехникой проекторного типа) устроена другим образом: свет от лампы попадает на отражатель, а затем направляется на специальный экранчик и собирающую линзу, которые формируют пучок света. И хотя сейчас «линзы» можно увидеть на многих машинах, поскольку они известны компактностью и точной организацией светового потока, инженерам-светотехникам поначалу пришлось решать проблему перегрева и избавляться от... слишком резкой светотеневой границы — оказалось, что глаз человека слишком быстро устает от четкой границы между светом и тенью. На «галогенках» проблему решили дифракционными кольцами (проще говоря, рисками на линзе), а на «ксеноне» — установкой автоматического корректора, наличие которого в России и в Европе для газоразрядной светотехники обязательно.

Схема «линзованной» оптики: слева — фара конца 80-х, справа — современная фара со свободным отражателем, наличие которого выдает экранчик меньшего размера. Этот экран, расположенный во втором фокусе, подправляет световой поток и формирует светотеневую границу, а затем лучи снова фокусируются линзой. «Линзами» сегодня оснащается большинство машин, а «нелинзованные» фары стали прерогативой недорогих авто, вроде «Калины» или «Логана»

Вот, собственно, мы и добрались до самого главного. Чем принципиально отличаются «ксенон», «галоген» и диоды? Галогенная лампа состоит из герметичной стеклянной колбы, внутри которой размещены электроды и нить накаливания из вольфрама, а также закачана газовая смесь, необходимая, чтобы «ловить» испаряющийся вольфрам и регенерировать нить (именно поэтому «галогенка» компактнее и долговечнее обычной лампочки). Газоразрядная оптика (чаще именуемая «ксеноном») нити накаливания не имеет: внутри такой лампы светится не раскаленная нить, а электрическая дуга, возникающая между электродами, оттого величина светового потока ксеноновой лампы гораздо больше, 3200 против 1500 лм «галогенки»! Вот поэтому европейские эксперты постановили, что таким фарам необходим автоматический корректор и омыватель. И ограничили цветовую температуру лампы, а на территории США «ксенон» для ближнего света категорически запрещен...

Для того, чтобы «ксенон» работал, одной лампы недостаточно. Ещё нужен модуль розжига, который из «бортовых» 12 вольт выдаст короткий импульс на 25 киловольт переменного тока. Чтобы сделать «биксенон», нужно четыре таких модуля, либо применение хитрых систем: на «линзованной» оптике включить «дальний» можно, убирая экранчик при помощи соленоида, а на «нелинзованной» приходится перемещать лампу

Но если «ксенон» и «галоген» — это лампы, то светодиод — полупроводниковый прибор, который вырабатывает свет при прохождении тока. Полупроводник срабатывает быстрее традиционной лампочки, потребляет меньше энергии, отличается фактически неограниченным сроком службы и минимальными размерами. Но пока диодам поручают только второстепенные задачи (на основе светодиодных технологий делают стоп-сигналы, габаритные и дневные ходовые огни), хотя совсем недавно инженеры и дизайнеры прочили полупроводникам большое будущее. Все надеялись, что крохотный источник света обеспечит свободу компоновки и позволит избавиться от громоздких фар. Однако на примере Audi R8 и Nissan Leaf хорошо видно — существующая диодная оптика по размерам не отличается от газоразрядной.

Пока ученые бьются над созданием лазерной и волоконной оптики, источниками света остаются «галогенки», «ксенон» и светодиоды. На рис. А изображена двухнитевая галогенная лампа Н4, дающая ближний и дальний свет, на рис. Б — однонитевая лампа Н7 (которых для создания ближнего и дальнего нужно две), а на рис. В и Г схематично показаны ксеноновая газоразрядная лампа и светодиод, соответственно

Так почему светодиоды не вытеснили «ксенон» и примитивные «галогенки»? Оказалось, что полупроводниковая оптика имеет множество недостатков. Пока даже лучшие светодиоды не способны по светоотдаче догнать «ксенон» и остаются на уровне хороших «галогенок», что требует обязательного применения отражателя. Также диодные фары требуют отдельной системы охлаждения (инженеры даже пробовали охлаждать фары антифризом) и отличаются необычайной дороговизной: одна фара стоит примерно 1300 евро... Естественно, инженеры развивают данное направление, но до массового перехода автомобильного освещения на светодиоды далеко, поэтому ближайшее будущее остается за «ксеноновой» оптикой, которая становится компактнее и совершеннее, по энергопотреблению догоняя диодную.

В лаборатории Philips мы наглядно увидели, как светят современные фары. На рис. А световой поток от стандартной «галогенки», на рис. Б можно увидеть, как светят лампы Philips X-treme Vision, дающие 100-процентное усиление светового потока, на рис. В «дорогу» освещают газоразрядные ксеноновые лампы, а рис. Г — это свет новомодных светодиодных фар электромобиля Nissan Leaf

Но и списывать «галогенки» на свалку истории рановато! Как считают инженеры компании Philips, современная галогенная лампа может светить на уровне газоразрядной. Чтобы этого добиться, необходимо заменить тугоплавкое стекло колбы кварцевым, во-вторых, стекло подвергнуть оптической полировке, в-третьих, нанести на колбу колпачок из палладия... И, наконец, применить новую смесь газов, куда входит ксенон, чтобы повысить температуру нити и приблизиться к спектру солнечного свечения. На выходе получается пусть дорогая, но уникальная лампочка: её световой поток на 100% мощнее обычной галогенной лампы, а срок службы — вдвое больше. Причем на лабораторной установке мы наглядно убедились, что «галогенка» Philips X-treme Vision по светосиле действительно догоняет «ксенон».

Так выглядит одна из многочисленных лабораторий компании Philips, в которых создается автомобильная оптика будущего. На одной стене установлен экран, имитирующий дорогу, на котором нанесены ключевые точки (в них измеряется освещенность), на другой установлены разнообразные фары. Соответственно, инженер имеет возможность оценить как конкретную фару, так и характеристики источника света

Кроме лекции об автомобильном освещении, на заводе Philips мы увидели и реальное производство, на котором выпускаются лампы. И это бесчеловечно! В том смысле, что присутствие человека при выпуске «галогенок» и «ксенона» минимизировано — кругом трудятся современные роботы, обеспечивающие фактически стопроцентное отсутствие брака. Но, кроме фактически полной автоматизации, удивило и другое: зачем нужен составной цоколь и дополнительная производственная операция, чтобы выровнять нить накаливания относительно цоколя? Оказывается, данный процесс является ключевым, иначе готовая лампочка будет светить «неправильно» — слепить встречных водителей или, напротив, подсвечивать небо. Поэтому взаимное расположение «ниточки» и «основания» проверяется компьютером, а часть продукции осматривают люди.

Немецкий завод компании Philips, выпускающий галогенные и ксеноновые лампы (диоды делают по другую сторону Атлантики, на территории Силиконовой долины), снаружи выглядит довольно скромно. Увы, показать читателям оборудование, скрытое внутри, мы не можем — на предприятии действует строжайший запрет на фотосъемку... Секретом остается и количество ламп, производимых заводом

«Ксенон» производят похожим «бесчеловечным» образом: вот робот подхватывает стеклянную трубочку, вот вставил нижний электрод, а дальше начинается такая круговерть, что только успевай следить! Трубочку заполнили составом солей и вставили верхний электрод, закачали охлажденный до −190ºС ксенон и запаяли колбочку, одели металлическую юбочку и обрезали излишки стекла, проверили горелку — готово? Нет, чтобы газоразрядные лампы светили одинаково, их нужно отжечь — включить и несколько часов дожидаться, пока цветовая температура достигнет нужной величины. Вот теперь готово! Осталось только выяснить, какая связь между лампами Philips и зубной пастой. Всё просто: бракованные стеклянные трубочки для колб не выбрасываются на свалку, а перемалываются в абразивный порошок. Из которого затем делают отбеливающие пасты для стоматологических кабинетов.

Алексей Кованов
Фото автора и фирм-производителей
Рисунки Оксаны Эске

http://auto.mail.ru/article.html?id=36048