Що вибрати? Фари майбутнього: «ксенон», «галоген» або «світлодіоди»?

Ніж «ксенон» відрізняється від «галогенок»? І чому світлодіоди не відправили на звалище історії лампи розжарювання і газорозрядну оптику? І що спільного між лампами Philips і зубною пастою? Відповідь на ці та інші питання ви знайдете в нашому матеріалі.

Як з'явилися автомобільні фари? На перших машинах використовувалися примітивні ліхтарі з восковими свічками або гасовими пальниками всередині, запозичені від кінних екіпажів. Природно, такі «коптилки» належним чином не висвітлювали дорогу, а тому інженерам довелося підшукувати примітивним ліхтарям більш ефективну заміну, якій виявилося ацетиленовое освітлення: на тривалий час незмінним супутником автомобілістів стала пара діжок, один — з карбідом кальцію, другий — з звичайною водою. Перед нічною поїздкою «шофэр» (як називали тоді водіїв) встановлював барила на автомобіль, відкривав краником подачу води, а остання, потрапляючи на карбід, сприяла виробленню ацетилену — газу, який при горінні дає досить потужний світловий потік. Щоправда, через кілька годин барила доводилося перезаряджати, а фару, що складається з дзеркального відбивача і лінзи, чистити від кіптяви...

На цих ілюстраціях наведено автомобілі з ацетиленовим головним освітленням, яке видають не тільки великі фари, але й барила для карбіду, встановлені на підніжках. А оскільки ацетилен виявився надто потужним джерелом світла, здатним пробивати темряву на сотню метрів, як «габаритних вогнів» на машинах початку століття використовувалися тьмяні гасові пальника

Але чому не можна було використовувати лампи розжарювання, які з'явилися навіть раніше самого автомобіля? У 1899 році французька фірма Bassee & Michel спробувала об'єднати автомобільну фару і лампу розжарювання, але конструкція вийшла невдалою — лампи з вугільною ниткою на нерівних дорогах швидко приходили в непридатність, а велика витрата енергії вимагав громіздких акумуляторних батарей, оскільки генератори на машини тоді не ставили. І тільки повсюдне поява генераторів, а також початок випуску нового типу лампочок з вольфрамовими нитками «перевели» автомобільний транспорт на електричне освітлення. Ось тільки «електросвітло» виявився дуже яскравим! Щоб не сліпити зустрічних водіїв, довелося вигадувати додаткові засувки і шторки, зменшувати яскравість лампочок, потім з'явилася двухнитевая лампа (з окремими нитками для ближнього і дальнього світла). У 1955 році, нарешті, впровадили асиметричне освітлення — коли фара з боку пасажира світить далі водійських.

Зверніть увагу, як форма головної оптики визначала дизайн автомобілів (для наочності візьмемо різні покоління мерседесівського Е-класу). Довгий час фари залишалися виключно круглими, на машинах 1960-х вдалося впровадити квадратну оптику, розквіт популярності якої припав на 1980-ті, а сучасні фари з «вільним відбивачем» і зовсім розв'язали руки дизайнерам

Зараз у фарах використовуються три джерела світла: лампи галогенні і газорозрядні, а також світлодіоди. Про лазери та іншу екзотику говорити зарано — до серійних автомобілів новомодні розробки дійдуть нескоро. Тим більше, що відмовлятися від «нелинзованной» фари, куди можна встановити хоч «ксенон», хоч «галоген», хоч світлодіоди, інженери не збираються. Конструкція цього пристрою доведена до досконалості: світло від лампи потрапляє на відбивач з металу, а потім проходить через розсіювач — зовнішнє скло, що складається з безлічі лінз. Причому, коли з'явився новий пластик, не дає усадки при формуванні деталей, інженери створили відбивач з «вільною поверхнею», який складається з безлічі сегментів (кожен направляє потік світла на певну точку). Це дозволило замінити важке скло легким пластиком і відмовитися від розсіювача.

Так влаштована «нелинзованная» фара (для фари з «вільним» відбивачем і традиційної схеми не відрізняються): нитка ближнього світла розташована вище і попереду точки фокуса, причому ковпачок всередині лампи «підрізає» потік світла, щоб висвітлювати тільки верхню поверхню відбивача (рис. зліва), а ось нитка дальнього світла і точка фокусу збігаються і поверхня відбивача використовується повністю (рис. праворуч)

Фара «линзованная» (яку правильно називати світлотехнікою проекторного типу) влаштована іншим чином: світло від лампи потрапляє на відбивач, а потім спрямовується на спеціальний екранчик і збирає лінзу, які формують пучок світла. І хоча зараз «лінзи» можна побачити на багатьох машинах, оскільки вони відомі компактністю і точної організацією світлового потоку, інженерам-светотехникам спочатку довелося вирішувати проблему перегріву і позбавлятися від... занадто різкою світлотіньової межі — виявилося, що око людини занадто швидко втомлюється від чіткої межі між світлом і тінню. На «галогенках» проблему вирішили дифракційними кільцями (простіше кажучи, ризиками на лінзі), а на «ксенон» — установкою автоматичного коректора, наявність якого в Росії і в Європі для газорозрядної світлотехніки обов'язково.

Схема «лінзованною» оптики: зліва — фара кінця 80-х, праворуч — сучасна фара з вільним відбивачем, наявність якого видає екранчик меншого розміру. Цей екран, розташований в другому фокусі, підправляє світловий потік і формує світлотіньовий кордон, а потім промені знов фокусуються лінзою. «Лінзами» сьогодні оснащується більшість машин, а «нелинзованные» фари стали прерогативою недорогих авто, на кшталт «Калини» або «Логана»

Ось, власне, ми і дісталися до самого головного. Чим принципово відрізняються «ксенон», «галоген» і діоди? Галогенна лампа складається з герметичної скляної колби, всередині якої розміщені електроди і нитка розжарювання з вольфраму, а також закачана газова суміш, необхідна, щоб «ловити» вольфрам випаровується і регенерувати нитка (саме тому «галогенка» компактніше і довговічніше звичайної лампочки). Газорозрядна оптика (частіше іменується «ксеноном») нитки розжарювання не має: усередині такої лампи світиться не розпечена нитка, а електрична дуга, що виникає між електродами, тому величина світлового потоку ксенонової лампи набагато більше, 3200 проти 1500 лм «галогенки»! Ось тому європейські експерти постановили, що таким фарам необхідний автоматичний коректор і омивач. І обмежили колірну температуру лампи.

Для того, щоб «ксенон» працював, однієї лампи недостатньо. Ще потрібен модуль розпалювання, який з «бортових» 12 вольт видасть короткий імпульс на 25 кіловольт змінного струму. Щоб зробити «біксенон», потрібно чотири таких модуля, або застосування хитрих систем: на «лінзованною» оптиці включити «дальній» можна, прибираючи екранчик за допомогою соленоїда, а на «нелинзованной» доводиться переміщати лампу

Але якщо «ксенон» і «галоген» — це лампи, то світлодіод — напівпровідниковий прилад, який виробляє світло при проходженні струму. Напівпровідник спрацьовує швидше традиційної лампочки, споживає менше енергії, відрізняється фактично необмеженим терміном служби і мінімальними розмірами. Але поки діоди доручають лише другорядні завдання (на основі світлодіодних технологій роблять стоп-сигнали, габаритні і денні ходові вогні), хоча зовсім нещодавно інженери і дизайнери готували напівпровідників велике майбутнє. Всі сподівалися, що крихітне джерело світла забезпечить свободу компонування і дозволить позбутися громіздких фар. Однак на прикладі Audi R8 і Nissan Leaf добре видно — існуюча діодна оптика за розмірами не відрізняється від газорозрядної.

Поки вчені б'ються над створенням лазерної та волоконної оптики, джерелами світла залишаються «галогенки», «ксенон» і світлодіоди. На рис. А зображена двухнитевая галогенна лампа Н4, дає ближнє і дальнє світло, на рис. Б — однонитевая лампа Н7 (яких для створення близького і далекого потрібно дві), а на рис. В і Р схематично показано ксенонова газорозрядна лампа і світлодіод, відповідно

Так чому світлодіоди не витіснили «ксенон» примітивні «галогенки»? Виявилося, що напівпровідникова оптика має безліч недоліків. Поки навіть кращі світлодіоди не здатні за світловіддачі наздогнати «ксенон» і залишаються на рівні хороших «галогенок», що вимагає обов'язкового застосування відбивача. Також діодні фари вимагають окремої системи охолодження (інженери навіть пробували охолоджувати фари антифризом) і відрізняються надзвичайною дорожнечею: одна фара коштує приблизно 1300 євро... Природно, інженери розвивають цей напрям, але до масового переходу автомобільного освітлення на світлодіоди далеко, тому найближче майбутнє залишається за «ксеноновим» оптикою, яка стає компактнішою і досконаліше, по енергоспоживанню наздоганяючи диодную.

В лабораторії Philips ми наочно побачили, як світять сучасні фари. На рис. А світловий потік від стандартної «галогенки», на рис. Б можна побачити, як світять лампи Philips X-treme Vision, що дають 100-відсоткове посилення світлового потоку, на рис. У «дорогу» висвітлюють газорозрядні ксенонові лампи, а рис. Р — це світло новомодних світлодіодних фар електромобіля Nissan Leaf    ​Олексій Кованов Фото автора і фірм-виробників Малюнки Оксани Єске