Автомобільні фари. Пристрій і принцип роботи.

Чим ксенонові лампи фар відрізняються від галогенних? Хто вперше застосував в автомобілі лампи розжарювання? Якими бувають «адаптивні» фари? Ми вирішили простежити весь шлях еволюції автомобільних систем освітлення — від ацетиленових пальників до новітніх «розумних» головних систем, у яких промені від світлодіодів освітлюватимуть дорогу за командами системи навігації.

До лампочки

До лампочки були свічки. Або олійні пальники. Але світили вони настільки слабко, що вночі автомобіль було простіше залишити вдома, ніж подорожувати «на дотик».

Першим джерелом автомобільного світла став газ ацетилен — використовувати його для освітлення дороги 1896 року запропонував льотчик і авіаконструктор Луї Бріліо. Запуск ацетиленових фар — цілий ритуал. Спочатку потрібно відкрити краник ацетиленового генератора, щоб вода закапала на карбід кальцію, який міститься на дні «бочонка». Під час взаємодії карбіду з водою утворюється ацетилен, який гумовими трубками надходить до керамічного пальника, що є у фокусі відбивача. Тепер шофер має відкрити скло фари, чиркнути сірником — і будь ласка, у світлий шлях. Але максимум через чотири години доведеться зупинитися — для того, щоб знову відкрити фару, вичистити її від кіптяви та заправити генератор новою порцією карбіду та води.

Однак світили карбідні фари на славу. Наприклад, створені 1908 року Вестфальською металопромисловою компанією (так у той час називалася Hella) ацетиленові фари висвітлювали до 300 метрів шляху! Такий високий результат вдалося досягти завдяки використанню лінз і параболічних рефлекторів. До речі, сам параболічний відбивач ще 1779 року винайшов Іван Петрович Кулібін — той самий Кулібін, який створив триколісну «самокатку» з маховиком і з прообразом коробки передач.

Перша автомобільна лампа розжарювання була запатентована ще 1899 року французькою фірмою Bassee&Michel. Але аж до 1910 року лампи з вугільною ниткою розжарювання були ненадійними, дуже неекономними та вимагають важких батарей збільшеного розміру, які до того ж залежали від станцій підзаряджання: автомобільних генераторів відповідної потужності ще не було. І тут стався переворот у «освітлювальних» технологіях — нитки розжарювання сталі робити з тугоплавкого вольфраму (температура плавлення 3410 °C), який не «вигорал». Першим серійним автомобілем з електричним світлом (а ще — з електричним стартером і запалюванням) став Cadillac Model 30 Self Starter («самозапускний») 1912 року. Вже за рік 37% американських автомобілів мали електроосвітлення, а ще через чотири — 99%! З розробленням відповідної динамашини зникла та залежність від зарядних станцій.

До речі, якщо ви думаєте, що лампу розжарювання винайшов Томас Альва Едісон, то це не зовсім так. Так, саме Едісон серйозно зайнявся лампочками, коли газ у його майстерні вимкнули за неуплату. І саме Едісон 1880 року представив вичерпну основу того, що треба використовувати лампи з вугільною ниткою розжарювання, поміщеною в безповітряний простір скляної кулі. Едісон придумав і цоколь. Але базова конструкція лампи розжарювання належить російському електротехніку Олександру Миколаєвичу Лодигіну, урожаю Тамбівської губернії. Свою розробку він представив на шість років раніше. До того ж історичні документи нагадують одного німецького годинникащика Карла Гебеля, який зумів за допомогою електрики розкалити до світіння обвужене бамбукове волокно, вставлене в скляну колбу, аж 150 років тому, у 1854 році. Ось тільки на патент Гебелю банально не вистачає грошей.

Сліпучі ідеї

Вперше проблема засліплення зустрічних водіїв виникла з появою карбідних фар. Боролися з нею по-різному: переміщали рефлектор, виводячи з його фокуса джерело світла, з тією ж метою рухали саму пальник, а також ставили на шляху світла різні шторки, заслінки та жалюзі. А коли в фарах засвітилася лампа розжарювання, в електричний ланцюг під час зустрічних роз'їздів навіть містять додаткові опору, що знижували нагартовування нитки. Але найкраще рішення запропонувала фірма Bosch, у 1919 році створювала лампу з двома нитками розжарювання — для дальнього та ближнього світла. На той час вже був придуманий розсіювач — покрите призматичними лінзами скло фари, що відхиляє світло лампи вниз і з боків. Відтоді перед конструкторами стоять дві протилежні завдання: максимально освітити дорогу та не допустити засліплення зустрічних водіїв.

Збільшити яскравість ламп розжарювання можна, піднявши температуру нитки. Але водночас вольфрам починає інтенсивно випаровуватися. Якщо всередині лампи вакуум, то атоми вольфраму поступово осідають на колбі, покриваючи її зсередини темним нальотом. Розв'язання проблеми знайшли під час Першої світової війни: з 1915 року лампи стали заповнювати сумішшю аргону й азоту. Молекули газів утворюють своєрідний «бар'єр», що перешкоджає випаровуванню вольфраму. А наступний крок був зроблений уже наприкінці 50-х років: колбу стали наповнювати галогенідами, газоподібними сполуками йоду або брому. Вони «зв'язують» вольфрам, що випаровуються, і повертають його на спіраль. Перву галогенну лампу для автомобіля представила 1962 року Hella — «регенерація» нитки дала змогу підняти робочу температуру з 2500 К до 3200 К, що збільшило світловидатність у півтора раза, з 15 лм/Вт до 25 лм/Вт. Водночас ресурс ламп виріс удвічі, тепловіддача знизилася з 90% до 40%, а розміри стали меншими (галоговий цикл вимагає близькості нитки та скляної «болочки»).

А головний крок у розв'язанні проблеми засліплення був зроблений усередині 50-х — французька фірма Cibie у 1955 році запропонувала ідею асиметричного розподілу ближнього світла для того, щоб «пасажирська» обочина висвітлювалася далі «водьцем». І через два роки «асимометричне» світло в Європі було встановлене.

Деформація

Упродовж багатьох років фари залишалися круглими — це найпростіша та найдешевша у виготовленні форма параболічного відбивача. Але порив «аеродинамічного» вітру спочатку «задул» фари на крила автомобіля (вперше інтегровані фари з'явилися в Pierce-Arrow у 1913 році), а потім перетворив коло на прямокутник (прямокутними фарами обладнувався вже Citroen AMI 6 1961 року). Такі фари були складнішими у виробництві, вимагаючи більше підкапотного простору, але разом із меншими вертикальними габаритами мали велику площу відбивача та збільшений світлопотік.

Щоб змусити таку фару яскраво світити за менших габаритів, треба було надати параболічному відбивачу (в прямокутних фарах — посічений параболоїд) ще більшу глибину. А це було надто трудомістко. Загалом, звичні оптичні схеми для подальшого розвитку не годилися. Тоді англійська фірма Lucas запропонувала використовувати «гомофокальний» відбивач — комбінацію двох вміщених параболоїдів із різними фокусними відстанями, але із загальним фокусом. Одним із перших новинок приміряв Austin-Rover Maestro 1983 року. У тому ж році фірма Hella представила концептуальну розробку — «тривосеві» фари з відбивачем еліпсоїдної форми (DE, DreiachsEllipsoid). Річ у тім, що в еліпсоїдного відбивача відразу два фокуси. Промені, випущені галогенною лампою з першого фокуса, збираються в другому, звідки спрямовані в лінзу, що збирається. Такий тип фар називають прожекторним. Ефективність «еліпсоїдної» фари в режимі ближнього світла перевищувала «параболічну» на 9% (звичайні фари надсилали за призначенням лише 27% світла) за діаметра всього 60 міліметрів. Ці фари призначалися для протитуманного та ближнього світла (у другому фокусі розміщувався екран, що створює асиметричну світлотієву кордон). А першим серійним автомобілем із «тривохосними» фарами стала «сімка» BMW наприкінці 1986 року. Ще через два роки еліпсоїдні фари стали просто супер! Точніше — Super DE, якзивала їх Hella. Цього разу профіль відбивача вирізнявся від суто еліпсоїдної форми — він був «вільний» (Free Form), розрахованим у такий спосіб, щоб основна частина світла проходила над екраном, що відповідає за ближнє світло. Ефективність фар зросла до 52%.

Подальший розвиток відбивачів був би неможливо без математичного моделювання — комп'ютери дають змогу створювати найскладніші комбіновані рефлектори. Погляньте, наприклад, у «очі» таких машин, як Daewoo Matiz, Hyundai Getz або «молода» Газель. Їх відбивачі поділені на сегменти, кожен із яких має свій фокус і фокусну відстань. Кожна «полиця» багатофокусного відбивача відповідає за освітлення «своєї» ділянки дороги. Світло лампи використовується майже повністю — за винятком хіба що торця лампи, прикритого ковпачком. А розсіювач, тобто скло з безліччю «вбудованих» лінз, тепер не потрібен — відбивач сам чудово справляється з розподілом світла та створенням світлотільового кордону. Ефективність таких фар, які називаються відбивними, близька до прожекторних.

Сучасні відбивачі «формують» з термопластику, алюмінію, магнію й термомережі (металевим пластиком), а накривають фари не скломи, а полікарбонатом. Вперше пластиковий розсіювач з'явився 1993 року на седані Opel Omega — це дало змогу знизити масу фари майже на кілограм! Але зате полікарбонатні «скла» набагато гірше чинять опір стиранню, ніж скла справжні. Тому щіткових очисників фар, які ще в 1971 році запропонував Saab, більше не роблять...

Світлодіод — це напівпровідниковий прилад, що випромінює світло під час проходження струму. До початку 90-х їх автомобільне застосування обмежувалося індикацією — вже занадто низькою була світловидатність. Однак уже 1992 року Hella обладнала «тришку» BMW Cabrio центральним стоп-сигналом на основі світлодіодів, і сьогодні вони все ширші в задніх ліхтарях як «габаритів» і стоп-сигналів. Світлодіоди спрацьовують на 0,2 секунди швидше традиційних лампочок, витрачають менше енергії (для стоп-сигналів — 10 Вт проти 21 Вт) і вирізняються майже необмеженим терміном експлуатації.