Автомобильные фары. Устройство и принцип работы.

Чем ксеноновые лампы фар отличаются от галогенных? Кто впервые применил в автомобиле лампы накаливания? Какими бывают «адаптивные» фары? Мы решили проследить весь путь эволюции автомобильных систем освещения — от ацетиленовых горелок до новейших «умных» головных систем, в которых лучи от светодиодов будут освещать дорогу по командам системы навигации.

До лампочки

До лампочки были свечи. Или масляные горелки. Но светили они настолько слабо, что ночью автомобиль было проще оставить дома, чем путешествовать «на ощупь».

Первым источником автомобильного света стал газ ацетилен — использовать его для освещения дороги в 1896 году предложил летчик и авиаконструктор Луи Блерио. Запуск ацетиленовых фар — целый ритуал. Сначала требуется открыть краник ацетиленового генератора, чтобы вода закапала на карбид кальция, который находится на дне «бочонка». При взаимодействии карбида с водой образуется ацетилен, который по резиновым трубкам поступает к керамической горелке, что находится в фокусе отражателя. Теперь шофер должен открыть стекло фары, чиркнуть спичкой — и пожалуйста, в светлый путь. Но максимум через четыре часа придется остановиться — для того, чтобы вновь открыть фару, вычистить ее от копоти и заправить генератор новой порцией карбида и воды.

Однако светили карбидные фары на славу. Например, созданные в 1908 году Вестфальской металлопромышленной компанией (так в то время называлась Hella) ацетиленовые фары освещали до 300 метров пути! Столь высокого результата удалось достичь благодаря использованию линз и параболических рефлекторов. Кстати, сам параболический отражатель еще в 1779 году изобрел Иван Петрович Кулибин — тот самый Кулибин, который создал трехколесную «самокатку» с маховиком и с прообразом коробки передач.

Первая автомобильная лампа накаливания была запатентована еще в 1899 году французской фирмой Bassee & Michel. Но вплоть до 1910 года лампы с угольной нитью накаливания были ненадежными, очень неэкономичными и требовали тяжелых батарей увеличенного размера, которые к тому же зависели от станций подзарядки: автомобильных генераторов подходящей мощности еще не существовало. И тут произошел переворот в «осветительных» технологиях — нити накаливания стали делать из тугоплавкого вольфрама (температура плавления 3410°С), который не «выгорал». Первым серийным автомобилем с электрическим светом (а еще — с электрическим стартером и зажиганием) стал Cadillac Model 30 Self Starter («самозапускающийся») 1912 года. Уже через год 37% американских автомобилей имели электроосвещение, а еще через четыре — 99%! С разработкой подходящей динамомашины исчезла и зависимость от зарядных станций.

Кстати, если вы думаете, что лампу накаливания изобрел Томас Альва Эдисон, то это не совсем так. Да, именно Эдисон всерьез занялся лампочками, когда газ в его мастерской отключили за неуплату. И именно Эдисон в 1880 году представил исчерпывающее обоснование того, что следует использовать лампы с угольной нитью накаливания, помещенной в безвоздушное пространство стеклянного шара. Эдисон придумал и цоколь. Но базовая конструкция лампы накаливания принадлежит русскому электротехнику Александру Николаевичу Лодыгину, уроженцу Тамбовской губернии. Свою разработку он представил на шесть лет раньше. Более того, исторические документы упоминают некоего немецкого часовщика Генриха Гебеля, который сумел с помощью электричества раскалить до свечения обугленное бамбуковое волокно, вставленное в стеклянную колбу, аж 150 лет назад, в 1854 году. Вот только на патент у Гебеля банально не хватило денег...

Ослепительные идеи

Впервые проблема ослепления встречных водителей возникла с появлением карбидных фар. Боролись с ней по-разному: перемещали рефлектор, выводя из его фокуса источник света, с той же целью двигали саму горелку, а также ставили на пути света различные шторки, заслонки и жалюзи. А когда в фарах засветилась лампа накаливания, в электрическую цепь при встречных разъездах даже включали добавочные сопротивления, снижавшие накал нити. Но лучшее решение предложила фирма Bosch, в 1919 году создавшая лампу с двумя нитями накаливания — для дальнего и ближнего света. К тому времени уже был придуман рассеиватель — покрытое призматическими линзами стекло фары, отклоняющее свет лампы вниз и по сторонам. С тех пор перед конструкторами стоят две противоположные задачи: максимально осветить дорогу и не допустить ослепления встречных водителей.

Увеличить яркость ламп накаливания можно, подняв температуру нити. Но при этом вольфрам начинает интенсивно испаряться. Если внутри лампы вакуум, то атомы вольфрама постепенно оседают на колбе, покрывая ее изнутри темным налетом. Решение проблемы нашли во время Первой мировой войны: с 1915 года лампы стали заполнять смесью аргона и азота. Молекулы газов образуют своебразный «барьер», препятствующий испарению вольфрама. А следующий шаг был сделан уже в конце 50-х годов: колбу стали наполнять галогенидами, газообразными соединениями йода или брома. Они «связывают» испаряющийся вольфрам и возвращают его на спираль. Первую галогенную лампу для автомобиля представила в 1962 году Hella — «регенерация» нити позволила поднять рабочую температуру с 2500 К до 3200 К, что увеличило светоотдачу в полтора раза, с 15 лм/Вт до 25 лм/Вт. При этом ресурс ламп вырос вдвое, теплоотдача снизилась с 90% до 40%, а размеры стали меньше (галогенный цикл требует близости нити и стеклянной «оболочки»).

А главный шаг в решении проблемы ослепления был сделан в середине 50-х — французская фирма Cibie в 1955 году предложила идею асимметричного распределения ближнего света для того, чтобы «пассажирская» обочина освещалась дальше «водительской». И через два года «асимметричный» свет в Европе был узаконен.

Де_формация

На протяжении многих лет фары оставались круглыми — это наиболее простая и дешевая в изготовлении форма параболического отражателя. Но порыв «аэродинамического» ветра сначала «задул» фары в крылья автомобиля (впервые интегрированные фары появились у Pierce-Arrow в 1913 году), а затем превратил круг в прямоугольник (прямоугольными фарами оснащался уже Citroen AMI 6 1961 года). Такие фары были сложнее в производстве, требовали больше подкапотного пространства, но вместе с меньшими вертикальными габаритами имели большую площадь отражателя и увеличенный светопоток.

Чтобы заставить такую фару ярко светить при меньших габаритах, следовало придать параболическому отражателю (в прямоугольных фарах — усеченный параболоид) еще большую глубину. А это было чересчур трудоемко. В общем, привычные оптические схемы для дальнейшего развития не годились. Тогда английская фирма Lucas предложила использовать «гомофокальный» отражатель — комбинацию двух усеченных параболоидов с разными фокусными расстояниями, но с общим фокусом. Одним из первых новинку примерил Austin-Rover Maestro в 1983 году. В том же году фирма Hella представила концептуальную разработку — «трехосные» фары с отражателем эллипсоидной формы (DE, DreiachsEllipsoid). Дело в том, что у эллипсоидного отражателя сразу два фокуса. Лучи, выпущенные галогенной лампой из первого фокуса, собираются во втором, откуда направляются в собирающую линзу. Такой тип фар называют прожекторным. Эффективность «эллипсоидной» фары в режиме ближнего света превосходила «параболическую» на 9% (обычные фары отправляли по назначению лишь 27% света) при диаметре всего в 60 миллиметров. Эти фары предназначались для противотуманного и ближнего света (во втором фокусе размещался экран, создающий асимметричную светотеневую границу). А первым серийным автомобилем с «трехосными» фарами стала «семерка» BMW в конце 1986 года. Еще через два года эллипсоидные фары стали просто супер! Точнее — Super DE, как называла их Hella. На этот раз профиль отражателя отличался от чисто эллипсоидной формы — он был «свободным» (Free Form), рассчитанным таким образом, чтобы основная часть света проходила над экраном, отвечающим за ближний свет. Эффективность фар возросла до 52%.

Дальнейшее развитие отражателей было бы невозможно без математического моделирования — компьютеры позволяют создавать самые сложные комбинированные рефлекторы. Взгляните, к примеру, в «глаза» таких машин, как Daewoo Matiz, Hyundai Getz или «молодая» Газель. Их отражатели поделены на сегменты, каждый из которых имеет свой фокус и фокусное расстояние. Каждая «долька» многофокусного отражателя отвечает за освещение «своего» участка дороги. Свет лампы используется почти полностью — за исключением разве что торца лампы, прикрытого колпачком. А рассеиватель, то есть стекло с множеством «встроенных» линз, теперь не нужен — отражатель сам отлично справляется с распределением света и созданием светотеневой границы. Эффективность таких фар, называемых отражающими, близка к прожекторным.

Современные отражатели «формируют» из термопластика, алюминия, магния и термосета (металлизированного пластика), а накрывают фары не стеклами, а поликарбонатом. Впервые пластиковый рассеиватель появился в 1993 году на седане Opel Omega — это позволило снизить массу фары почти на килограмм! Но зато поликарбонатные «стекла» гораздо хуже сопротивляются истиранию, нежели стекла настоящие. Поэтому щеточных очистителей фар, которые еще в 1971 году предложил Saab, больше не делают...