Jasna droga

© BMW

Udostępnij:

Z chwilą wynalezienia samochodu pojawił się problem związany z poruszaniem się po zmroku. Konstruktorzy korzystali z dostępnych rozwiązań, takich jak świeczki czy lampy naftowe umieszczone przed odbłyśnikiem i oświetlające drogę przed pojazdem. Szybko okazało się jednak, że ten sposób jest bardzo nieefektywny.

Z czasem zaczęto stosować więc lampy karbidowe, które dzięki płomieniowi acetylenowemu dawały więcej światła. Prawdziwa rewolucja nastąpiła jednak wraz z upowszechnieniem się elektrycznych źródeł światła. Początki oświetlenia elektrycznego nie były łatwe. Ówczesne żarówki nie były odporne na wibracje, co przy wysokich kosztach zakupu sprawiało, że mało kogo było na nie stać. Ponadto zastosowanie oświetlenia elektrycznego w samochodzie było uwarunkowane dostępnością akumulatorów i konstrukcją instalacji elektrycznej, która w pierwszych pojazdach ograniczała się tylko do zapewnienia zapłonu w silniku.

W XX wieku (od 1907 roku) zaczęto używać w żarówkach drucików z wolframu i wypełniać je rozrzedzonym gazem obojętnym, który chronił włókno żarnika przed utlenianiem. Z początku był to argon; później zastąpiono go kryptonem. Od momentu pierwszego wykorzystania żarówki jako źródła światła przez praktycznie całe stulecie technika oświetleniowa nie poszła zbyt daleko do przodu. Żarówki oczywiście ewoluowały, ale sam sposób pozyskania światła pozostał przez dziesiątki lat niezmieniony. Nadal świecił żarnik rozgrzany na skutek przepływu przez niego prądu elektrycznego.

Ewoluowała natomiast sama technologia wykonania żarówki i reflektora, czyli elementu odbijającego i kierującego wytworzone przez żarówkę światło. W żarówce największe zmiany dotyczyły zastosowania atmosfery ochronnej zawierającej halogenki (żarówki halogenowe). W żarówkach tych do wnętrza bańki wprowadzony jest – oprócz gazu obojętnego – halogen, najczęściej jod. Halogen tworzy związek chemiczny z wolframem (parami wolframu w bańce i na ściankach bańki). Ten krąży wraz z gazem w bańce blisko żarnika, a następnie rozpada się na wolfram i jod. Na skutek tej reakcji następuje przenoszenie cząstek wyparowanego wolframu z bańki na żarnik. Proces ten nazywa się halogenowym cyklem regeneracyjnym. Jego występowanie pozwala zwiększyć temperaturę żarnika do około 3200 K.

Kolejnymi usprawnieniami żarówek były zmiany technologii ich wykonania. Chodziło przede wszystkim o wydłużenie żywotności oraz zabezpieczenie elementów, z których wykonany był reflektor. Należy pamiętać, że żarówka oprócz cennego światła widzialnego emituje jeszcze dość szkodliwe promieniowanie ultrafioletowe (UV) działające niekorzystnie na lakiery oraz materiały, z których wykonane są odbłyśniki. Z tego powodu szklane bańki w żarówkach szanujących się producentów są wyposażone w filtry blokujące promieniowanie UV. Dalszymi zabiegami były zmiany koloru bańki żarówki wpływające na poprawę barwy światła i widoczności na drodze.


Problem z ilością prądu

Rozwój samochodów wymusił także zwiększenie możliwości obserwacji przez kierowcę drogi po zmierzchu. Aby zadanie to ułatwić konieczne okazało się zwiększenie mocy źródła światła. W przypadku żarówek halogenowych nie ma problemu ze zwiększeniem ich mocy, a co za tym idzie – zasięgu świateł. Problem powstaje jednak w przewodach zasilających i na stykach przewodów oraz w samych elementach włączających światła. Żarówka halogenowa o mocy 55 W pobiera prąd o natężeniu 4,6 A. W przypadku dwóch żarówek natężenie prądu podwaja się i wynosi już prawie 10 A. Taka wartość prądu zasilającego już stanowi wyzwanie dla urządzeń włączających (włączników) oraz dla styków w kostce żarówki. W przypadku zwiększenia mocy żarówki do 90–110 watów (na rynku ciągle się zdarzają takie niehomologowane egzemplarze) natężenie prądu przez nie pobieranego wzrasta dwukrotnie, co oznacza, że przez bezpiecznik świateł przednich płynie prąd o natężeniu 20 A. W takiej sytuacji dochodzi do niebezpiecznego nagrzewania się styków w kostce nakładanej na żarówkę, co przy dłuższym użytkowaniu świateł doprowadza do jej stopienia lub nawet spalenia. Dodatkowym niebezpieczeństwem jest obciążenie termiczne samego odbłyśnika, który w takich przypadkach ciemnieje lub zaczyna się łuszczyć.

Największym problemem jednak jest to, że reflektory przystosowane do standardowych żarówek halogenowych nie oferują regulacji granicy światłocienia, co przy tej mocy strumienia świetlnego jest już wymagane. Technologia halogenowa jest ulepszeniem tradycyjnej technologii wolframowych lamp żarowych. W porównaniu do nich żarówki halogenowe charakteryzują się dłuższą żywotnością i odpornością na utratę przejrzystości szkła żarówki. Połączenie gazu halogenowego i żarnika wolframowego skutkuje regeneracyjną reakcją, która osadza wolfram z powrotem na żarniku. Wydłuża to życie żarówki i utrzymuje jej przejrzystość, zachowując wysoką efektywność strumienia światła.


TOP w kategorii


#Technika motoryzacyjna

Oświetlenie reflektory



Siła wyładowania

Lampy wyładowcze o wysokiej intensywności stosowane w motoryzacji nazywane są reflektorami ksenonowymi. W praktyce są to jednak lampy metalowo-halogenowe zawierające mieszaninę gazów szlachetnych. Takie rozwiązanie okazało się najbardziej optymalne pod względem stosunku efektywności do kosztów produkcji. Po raz pierwszy w seryjnym samochodzie oświetlenie wyładowcze zastosowano w 1991 r. Podstawową jego zaletą jest barwa światła zbliżona do światła naturalnego. W reflektorach tego typu zachodzi reakcja zupełnie inna niż w przypadku żarówek halogenowych. Nie ma tu żarnika, a światło pochodzi z łukowego wyładowania plazmy w rurce wyładowczej znajdującej się między dwoma elektrodami. Rurka wyładowcza osadzona jest w kwarcowej żarówce wypełnionej gazami szlachetnymi i solami metalo-halogenowymi. Właściwości lamp wyładowczych zależą od ciśnienia gazu i częstotliwości impulsów elektrycznych. Lampy takie używają takich gazów szlachetnych jak argon, neon, krypton, ksenon lub ich mieszanki. Każdy gaz w zależności od jego struktury atomowej emituje specyficzne dla siebie długości fal, które generują różne barwy emitowanego światła.

Ponadto ze względu na dużą ilość emitowanego światła systemy oświetlenia wyładowczego muszą być wyposażone w układy regulacji granicy światłocienia (poziomowanie). Aby nie oślepiać jadących z naprzeciwka kierowców, światła te są wyposażone w sterowaną elektronicznie przysłonę, która dzięki zmianie swojego położenia reguluje wysokość granicy światłocienia (na przykład w przypadku przewożenia ładunku w bagażniku i skierowania z tego względu snopa świateł do góry).

System regulacji góra-dół jest podstawowym rodzajem adaptacji oświetlenia samochodowego. W systemach bardziej rozbudowanych, takich jak AFS (Adaptive Frontlighting System – Adaptacyjny System Oświetlenia przedniego dostarczany na rynek przez koncern Valeo), mamy do czynienia ze sterowaniem strumieniem świetlnym nie tylko w płaszczyźnie pionowej, ale i poziomej.

Podstawowymi funkcjami systemu AFS są stałe światła doświetlające FBL (Fixed Bending Light), które wykorzystują halogenowe lub ksenonowe źródła światła, oraz dynamiczne światła doświetlające DBL (Dynamic Bending Light) wykorzystujące najczęściej ksenonowe źródło światła. Dynamiczne światła doświetlające mogą być łączone w swoim działaniu ze stałymi światłami doświetlającymi.

Stałe światła doświetlające polegają na włączeniu dodatkowego strumienia świetlnego po jednej ze stron pojazdu. Funkcja ta jest uzależniona od kąta skrętu kół przednich, czyli od kąta obrotu kierownicy. Oświetlenie to pozwala na poszerzenie strumienia świetlnego po stronie, w którą się skręca, o dodatkowe 35–40°. Oświetlenie to jest aktywowane zależnie od prędkości jazdy. System FBL nie powinien być mylony z systemem doświetlania zakrętów, który jest dodatkowym oświetleniem pod kątem 60° aktywowanym przy niskich prędkościach samochodu oraz przy dużym kącie skrętu kół przednich.

 

W module lampy ksenonowej z doświetlaniem zakrętów można znaleźć: 1 – ksenonowe źródło światła, 2 – halogenowe doświetlanie zakrętów, 3 – sterownik oświetlenia. © Opel

 

Światła doświetlające zakręty przy małych prędkościach składają się z żarówki, której światło jest modelowane przez dodatkową czaszę zintegrowaną z odbłyśnikiem świateł głównych lub świateł przeciwmgielnych. Dynamiczne światła doświetlające zintegrowane są tylko ze światłami mijania. Ich działanie polega na obrocie całego zespołu świetlnego w płaszczyźnie poziomej za pomocą silnika sterującego (silnika krokowego). Kąt obrotu zespołu świetlnego w lampie jest uzależniony od kąta obrotu kierownicy oraz prędkości samochodu. System ten zazwyczaj zintegrowany jest z oświetleniem ksenonowym.

Architektura systemu

System DBL do swojej pracy wykorzystuje informacje z takich urządzeń jak:

  • czujnik kąta skrętu kierownicy, którego sygnał jest wartością referencyjną do określenia kąta obrotu elementu świetlnego w lampie,
  • czujniki układu ABS, których sygnały odczytują prędkość pojazdu jako wartość progową do włączenia lub wyłączenia sterowania aktywnym oświetleniem oraz do określenia kąta obrotu elementu świetlnego,
  • czujnik przyspieszeń bocznych pojazdu połączony z czujnikiem obrotu wokół osi pionowej; sygnały z tego czujnika pozwalają na korektę kąta obrotu elementu świetlnego,
  • czujniki położenia kół przednich i tylnych pojazdu; dane z nich są potrzebne do kompensacji wysokości oświetlenia w przypadku załadunku pojazdu lub jazdy z pasażerami,
  • kontroler oświetlenia, który steruje nim w zależności od życzenia kierowcy,
  • sterownik nadwozia, który odczytuje wskazania czujników i położenia przełączników; jego wskazania mają wpływ na oświetlenie pojazdu.

 

Lampa przednia wykorzystująca technologię dynamicznego oświetlenia bocznego (DBL) montowana w samochodzie Citroën C5. © Citroën

 

W przypadku poszukiwania usterek w takim układzie konieczne jest odczytanie pamięci błędów, ponieważ w większości są to systemy podlegające samodiagnozie i komunikujące się ze sterownikiem za pośrednictwem sieci CAN lub innej sieci danych. Po odczycie kodów błędu konieczne jest wywołanie funkcji testowania elementów wykonawczych, co pozwoli na zdiagnozowanie miejsca usterki.

Tryb Full AFS

Od roku 2006 dzięki zmianom legislacyjnym możliwa stała się implementacja kolejnych rozwiązań konstrukcyjnych w oświetleniu samochodowym. Korzystając ze świateł drogowych i mijania, wprowadzono cztery dodatkowe tryby kontroli strumienia światła, które są aktywowane w bardziej specyficznych warunkach jazdy.

Pierwszym z nich jest autostradowy tryb jazdy, który polega na ukształtowaniu strumienia świetlnego w taki sposób, aby oświetlał drogę na dystansie do 120 metrów przed pojazdem i przy tym nie oślepiał kierowców jadących z naprzeciwka. Tryb autostradowy aktywowany jest przy prędkości przekraczającej 115 km/h.

Kolejnym jest tryb miejski. Jest on aktywowany przy prędkości poniżej 30 km/h i polega na szerokim oświetleniu drogi przed autem, co znacznie polepsza widoczność na chodnikach i poboczach oraz eliminuje efekt czarnej dziury, czyli przestrzeni, w której nic nie widać z boku auta.

Zwiększenie widoczności po bokach pojazdu oraz likwidacja efektu odbijania się światła od mokrej nawierzchni są realizowane w kolejnym trybie – zróżnicowanej pogody. Podobnym do niego jest tryb „zamiejski”, w którym oprócz poprawy widoczności po bokach zwiększony jest także zasięg świateł samochodu.

Tryb pełnego systemu adaptacyjnego oświetlenia realizowany jest z użyciem trzech różnych świateł w lampie głównej samochodu. Aby system ten działał bez zarzutu, musi on skorzystać ze światła drogowego, światła mijania oraz światła autostradowego. Połączenie tych trzech trybów z możliwością regulacji oświetlenia w dwóch płaszczyznach pozwala na realizację wymienionych powyżej, automatycznie sterowanych trybów pracy.

System pełnego adaptacyjnego oświetlenia w samochodzie korzysta z następujących elementów:

  • czujniki układu ABS, których sygnały decydują o wyborze trybu oświetlenia (town, country, motorway – miasto, za miastem, autostrada),
  • czujnik deszczu oraz włącznik wycieraczek, których użycie uruchamia tryb zmiennej pogody,
  • czujniki położenia kół przednich i tylnych pojazdu; dane z nich są potrzebne do kompensacji wysokości oświetlenia w przypadku załadunku pojazdu lub jazdy z pasażerami,
  • kontroler oświetlenia, który steruje nim w zależności od życzenia kierowcy,
  • sterownik nadwozia, który odczytuje wskazania czujników i położenia przełączników; jego wskazania wywierają wpływ na oświetlenie pojazdu.

Jazda w nocy

Systemy sterowania światłami są zazwyczaj zintegrowane z innymi systemami wspomagającymi kierowcę podczas jazdy w nocy. Przykładem takiej integracji jest system nazywany „high-beam assistant” (asystent świateł drogowych). Kontroluje on reflektory w taki sposób, żeby strumień światła kończył się przed innymi wykrytymi pojazdami. W ten sposób zasięg strumienia światła wytwarzanego przez lampy główne może być sterowany i zmieniany w sposób płynny i ciągły w zakresie od 65 m dla świateł mijania do 300 m dla świateł drogowych. Kiedy droga jest pusta, system automatycznie włącza maksymalny zasięg oświetlenia, ale jeśli kamera wykryje innych użytkowników drogi w odległości do 800 m, zasięg lamp w ciągu milisekund zostaje odpowiednio dostosowany. System aktywuje się powyżej prędkości 55 km/h.

Światło z półprzewodnika

Kolejnym poważnym przełomem w technice oświetlenia pojazdów stało się zastosowanie oświetlenia wykorzystującego diody elektroluminescencyjne LED (Light-Emitting Diode). Już od dość dawna możemy spotkać je w tylnych lampach samochodu. Jednak ich kariera w motoryzacji rozpoczęła się od świateł „stop”. Dlaczego? Wykorzystano tu krótki czas reakcji diody na impuls elektryczny. Normalna żarówka działa z pewnym opóźnieniem – zaczyna świecić dopiero chwilę po doprowadzeniu do niej prądu. Dioda LED charakteryzuje się natomiast zwłoką na tyle krótką, że kierowca jadący za samochodem z tylnymi światłami LED widzi sygnalizację hamowania nawet o 200 ms wcześniej niż w przypadku innego rodzaju oświetlenia. A to przy prędkości 80 km/h pozwala na rozpoczęcie hamowania o cztery metry wcześniej.

 

Zasada działania elementu świetlnego LED: w warstwie aktywnej następuje wymiana ładunków między jonami dodatnimi i ujemnymi emitowanymi z warstw o ładunkach dodatnim i ujemnym. W wyniku wymiany ładunków następuje emisja światła. © archiwum „autoEXPERTA”

 

Szybki wzrost mocy diod LED sprawił, że nadają się one dziś do zastosowania także w światłach mijania i drogowych, a światło przez nie emitowane jest bardzo zbliżone barwą do oświetlenia naturalnego. Można już spotkać całkowite oświetlenie samochodu wykonane w technologii LED. Barwa światła wytwarzanego przez białe diody LED ma temperaturę około 5500 stopni Kelvina. Jest ona dużo bliższa barwie światła dziennego, które ma w przybliżeniu 6000 K, niż światło ksenonowe (około 4000 K). Taka temperatura bieli pozwala na najlepsze dostosowanie się oka ludzkiego do sztucznego oświetlenia; najbardziej bowiem odpowiada oświetleniu słonecznemu. Wpływa to na mniejsze zmęczenie oka i lepszą kondycję kierowcy podczas jazdy nocnej.

 

Dioda elektroluminescencyjna (LED) jest półprzewodnikowym elementem świetlnym. Jej popularność wynika z tego, że przy stosunkowo dużej emisji światła pobiera ona bardzo mało energii elektrycznej. © Raven Media

 

Ciekawostką jest też, że jedno źródło światła może być wykorzystywane do realizacji dwóch funkcji (np. świateł dziennych i pozycyjnych). Jest to możliwe dzięki różnym napięciom doprowadzanym do zasilania diody. Zwiększając napięcie zasilania, zwiększamy ilość emitowanego światła. Wydajność świetlna diod wynosi ponad 40 lumenów na wat (lm/W), a prototypy osiągają nawet 130 lm/W. Dla porównania: wydajność świetlna świateł ksenonowych to 90 lm/W, a halogenowych – 20 lm/W. Zaletą diod świecących jest także ich odporność mechaniczna. Pozbawione są one żarników i elementów mechanicznych. Gwarantuje to ich dużo większą żywotność, która już dzisiaj wynosi około 100 000 godzin, czyli ponad 11 lat ciągłego świecenia.

 

Modułowe włączanie i regulacja pojedynczych elementów świetlnych LED pozwalają
wykorzystać jeden panel świetlny do realizacji wielu funkcji. Źródło: Hella

 

To nie koniec

Podczas prezentacji BMW i8 okazało się, że samochód ten jest wyposażony w kolejną generację oświetlenia. I tak najnowszy krzyk mody, czyli światła LED, zanim weszły do powszechnego użycia, już na chwilę odeszły na dalszy plan. Dzieje się tak za sprawą najnowszej technologii, czyli oświetlenia laserowego. Czy jest ono lepsze? Z pewnością tak, ponieważ według zapewnień BMW po włączeniu świateł drogowych świetnie widoczny jest odcinek drogi o długości 600–700 metrów, co w przypadku tradycyjnego oświetlenia byłoby wynikiem niemożliwym. Zastosowanie tak mocnego światła miało swoje początki w sporcie, gdzie zawsze występuje zwiększone zapotrzebowanie na oświetlenie. Pierwszym sportowym pojazdem, w którym użyto lasera do oświetlania drogi, było Audi R18 e-tron Quatro przygotowane do 24-godzinnego wyścigu w Le Mans. Kolejnym samochodem wyposażonym w tę technologię jest koncepcyjne Audi Sport Quattro. Pojazd ten ma światła długie (drogowe) działające dzięki zastosowaniu technologii laserowej. Podobne rozwiązania zastosowano w oświetleniu samochodu BMW i8.

Od strony technicznej

Oświetlenie laserowe ma inną barwę od tego, które jest generowane przez znane nam halogeny, ksenony czy światła LED. Promień stosowanego w oświetleniu lasera ma kolor niebieski, który musi zostać ocieplony, co oznacza, że jego widmo barwowe musi zostać przesunięte w kierunku widma emitowanego przez oświetlenie żarowe. Dzięki temu zabiegowi oświetlane przedmioty mają ciepłą barwę, mniej męczącą dla oczu.

 

Promień z diody laserowej emitowany jest na fosforową płytkę, dzięki której nabiera odpowiedniej barwy. Dalej odbijany jest od pakietu mikrozwierciadeł i trafia na soczewki, dzięki którym propagowany jest przed samochodem. © Audi AG

 

Przy takiej ilości światła emitowanego przez przednie reflektory konieczne jest jego kontrolowanie, ponieważ w przypadku odbicia od znaku drogowego, który jest odblaskowy, istnieje możliwość oślepienia kierowcy samochodu. Aby temu zapobiec, nad siłą światła czuwa kontroler elektroniczny dopasowujący moc oświetlenia do przedmiotów znajdujących się w jego zasięgu. Gdy kamera kontrolera zauważy obiekty w polu widzenia, automatycznie zmniejsza moc lasera, aby ograniczyć odbicie promieni światła. Ten sam system przesuwa snop światła lub wyłącza reflektory, aby nie oślepiały kierowcy przed nami.

Reflektor laserowy zbudowany jest w taki sposób, że w jego tylnej części znajduje się zestaw laserów emitujący wiązki światła. Wiązki te są kierowane na lustro zmieniające jego bieg. Po odbiciu od lustra wiązki skupione w jedną trafiają na płytkę fosforu, który dzięki swoim właściwościom zmienia barwę światła na bardziej ciepłą. Po przejściu przez płytkę fosforu promień światła jest rozpraszany, a następnie kierowany na odbłyśnik w reflektorze, który rzutuje światło bezpośrednio na drogę.

 

Elementy składowe reflektora matrycowego LED ze światłem laserowym stosowanego w Audi A8. © Audi AG

 

Nie tylko lasery

Oświetlenie laserowe wykorzystuje także diody LED o wysokiej emisji. Dzięki ich rozmieszczeniu oraz skupieniu światła przez nie emitowanego możliwe jest osiągnięcie efektu bardzo intensywnego oświetlenia wynikającego z bardzo małej powierzchni elementów świetlnych.

Podstawowym problemem związanym z oświetleniem laserowym lub wysokowydajnym oświetleniem LED jest moc światła. Jest to efekt pożądany przez konstruktorów, jednak musi być on sterowany, aby nie stanowić zagrożenia dla współużytkowników drogi. Oświetlenie to jest bardzo silne i dynamicznie zmienne: zależy od prędkości pojazdu oraz odległości, w jakiej znajdują się inni użytkownicy ruchu czy przeszkody. Sterowanie takim systemem wymaga stosowania radarów określających prędkość ruchu innych użytkowników drogi, ich położenie czy gabaryty. Konieczne są także kamery przetwarzające obraz, aby system mógł rozpoznawać różne obiekty na drodze.

Dziś jest to technologia nowatorska, bardzo zaawansowana i niestety droga. Stanowi wyposażenie pojazdów „z najwyższej półki” lub takich, które są wyznacznikiem trendów technicznych w motoryzacji. Minie sporo czasu, zanim ta technologia będzie dostępna w pojazdach niższych kategorii. Do tego dochodzi obsługa serwisowa tych systemów. Prawidłowe działanie takiego oświetlenia zależy od zgrania ze sobą wielu czujników i systemów informatycznych. Ich kalibrowanie czy regulacja z początku będą dostępne jedynie w serwisach fabrycznych, ale z czasem zawitają pod strzechy warsztatów niezależnych, gdzie konieczne będzie ich kalibrowanie czy regulacja.

Udostępnij:

Drukuj





Maciej Blum



Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również