AutoExpert
Reklama
Reklama

Nowe technologie w oświetleniu samochodowym

Preview
Audi AG
Maciej Blum
20.4.2021
Reklama
Reklama

Przez dziesięciolecia podstawowym elementem, który oświetlał drogę przed samochodem, były żarówki halogenowe. Dziś powoli odchodzą do lamusa. Ustępują pola technologii LED, która daje dodatkowe możliwości.

Żarówki halogenowe – które dziś najczęściej spotykamy jako wersje H4 i H7, różniące się kształtem i liczbą włókien żarowych oraz sposobem osadzenia w gnieździe reflektora – swoją karierę w motoryzacji zaczęły w latach 60. XX wieku. Zasada ich działania pozostała bez zmian, jednak z biegiem czasu zmieniały się detale konstrukcyjne. To one sprawiły, że żarówki te emitują więcej światła i są bardziej długowieczne.

Reklama

Wioletta Pasionek, marketing manager Central Europe z Lumileds Poland (producenta i dystrybutora oświetlenia samochodowego marki Philips) jako przykład takiej ewolucji podaje najnowsze modele do reflektorów głównych. Wszystkie wyróżniają się wydajniejszą wiązką – w przypadku Philips RacingVision GT200 nawet o 200% w porównaniu z minimum, którego wymaga prawo. Przekłada się to na do 80 m większe pole oświetlonej drogi.

Preview
Powoli wyczerpujemy możliwości rozwijania technologii żarówek halogenowych. Mając tę świadomość, już kilka lat temu rozpoczęliśmy prace nad alternatywnym rozwiązaniem. Są nim retrofity LED. Ich podstawa jest identyczna, więc wymiana w dotychczas używanych reflektorach samochodów jest 1:1. Różnicę stanowi źródło światła – tu zamiast szklanej bańki mamy układ diod LED. Co więcej, najnowsza generacja Philips Ultinon Pro5000 i Pro9000 ma już kompaktową budowę, w której zintegrowano pasywny i aktywny układ chłodzenia. W ich przypadku uzyskaliśmy wydajniejszą nawet o 250% wiązkę światła i temperaturę barwową 5800 K. Retrofity LED to bez wątpienia rynkowi następcy żarówek halogenowych. Obecnie nie wolno ich stosować na drogach publicznych, ale wiele wskazuje na to, że w najbliższym czasie zostaną wprowadzone odpowiednie zmiany w prawie.

Wioletta Pasionek, Marketing manager Central Europe,
Lumileds Poland (producent i dystrybutor oświetlenia
samochodowego marki Philips)

Do tego bańka z wysokiej jakości szkła kwarcowego i unikalna mieszanka gazów pozwalają uzyskać białe światło o temperaturze rzędu 4200 K (tak jest w przypadku Philips WhiteVision ultra). To odpowiednik parametrów niektórych lamp ksenonowych. Jednocześnie udało się zachować wysoką żywotność liczoną – np. w Philips X-tremeVision Pro150 jest to do 450 godzin ciągłego świecenia.

Coraz silniejszy strumień światła

Z czasem ilość światła generowanego przez żarówki halogenowe stała się niewystarczająca. Producenci samochodów zaproponowali więc lampy ksenonowe, które charakteryzowały się silniejszym strumieniem światła. Źródłem światła jest tu łuk elektryczny, generowany w lampie wyładowczej, którą wypełnia mieszanka gazów szlachetnych.

W żarówce źródłem światła jest żarnik – wrażliwy na wstrząsy i skoki napięcia. W lampie wyładowczej mieszanka gazów ułatwia przeskok łuku elektrycznego, emitującego światło pod wpływem wysokiego napięcia (ok. 20–40 tys. V). Zainicjowanie łuku elektrycznego wymaga zasilania lampy wysokim napięciem, dlatego tego typu oświetlenie wymaga zastosowania przetwornic, które je generują. Po zainicjowaniu łuku jego podtrzymanie wymaga już mniejszego napięcia, jednak ciągle oscyluje ono wokół kilku tysięcy woltów.

Zaletą lampy wyładowczej jest stabilność, co oznacza, że nie jest ona wrażliwa na skoki napięcia w instalacji elektrycznej samochodu. Ponadto lampa wyładowcza nie zawiera wrażliwych żarników, co czyni ją odporną na drgania. Ogólnie żywotność tego typu oświetlenia jest kilkukrotnie większa niż tradycyjnego, w którym wykorzystuje się żarowe źródła światła.

Ze względu na ilość emitowanego światła lampy ksenonowe najczęściej wymagały dodatkowego doposażenia samochodu – w układ regulacji wysokości strumienia świetlnego (poziomowanie) i w system czyszczenia kloszy lamp, aby zabrudzenia nie powodowały rozproszenia światła i oślepiania kierowców samochodów jadących z przeciwka.

Preview
Oświetlenie matrycowe pozwala na wyłączenie niektórych obszarów przed autem z oświetlania, co chroni przed oślepianiem kierowców i pieszych. Źródło: Audi AG

LED-owa rewolucja

Diody LED (Light-Emitting Diode) już od pewnego czasu możemy spotkać jako źródła światła w tylnych i przednich 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 4 m wcześniej.

Szybki wzrost mocy diod LED sprawił, że mają one dziś zastosowanie także w światłach mijania i drogowych, a światło przez nie emitowane jest bardzo zbliżone barwą do oświetlenia naturalnego. Całkowite oświetlenie samochodu wykonane w technologii LED, montowane seryjnie, można już spotkać w wielu modelach i praktycznie nie jest już szokującą nowością. Zaletą diod świecących jest jeszcze ich odporność mechaniczna. Pozbawione są żarników i elementów mechanicznych. Gwarantuje to ich dużo większą bezawaryjność, która już dzisiaj wynosi około 100 000 godzin, czyli ponad 11 lat ciągłego świecenia.

Obecnie światła wykonane w technologii LED weszły już „pod strzechy” i są dostępne w samochodach w praktycznie każdym segmencie. Dzisiejsze światła LED nie składają się z jednego źródła światła, lecz mają ich kilka, a nawet kilkadziesiąt (Mercedes klasy E ma 82 punkty świetlne w jednej lampie). Do tego segmentu samochodów już w 2022 r. planowane jest wprowadzenie lamp, które mają ponad 1000 elementów świetlnych, a do 2023 r. ta technologia ma wejść do segmentu C, czyli do samochodów średniej klasy.

Powiązane firmy

Reklama

Oświetlenie takie składa się z matrycy zbudowanej z kilkudziesięciu bądź kilkuset osobnych elementów świetlnych z indywidualnym sterowaniem. Umożliwia to kontrolowanie strumienia świetlnego przed samochodem.

Preview
Moduł LED Mercedesa klasy E posiada 82 źródła światła umiejscowione
w trzech rzędach. Źródło: Raven Media – Maciej Blum

Jak objaśnia Tomasz Kasparow, category manager lighting products w firmie Hella Polska, system oświetlenia matrycowego LED umożliwia jazdę z włączonymi na stałe światłami drogowymi, bez oślepiania przy tym kierowców pojazdów nadjeżdżających z przeciwka lub jadących z przodu. To technicznie rozwiązanie bazuje na wydzielonych modułach optycznych świateł drogowych/mijania, z których każdy zawiera diody LED z własnym sterownikiem. Dzięki temu można osobno sterować pojedynczą diodą LED na chipie i tym samym przygaszać lub rozjaśniać źródła światła w jednym reflektorze. Poszczególne funkcje oświetlenia są sterowane przez sterowniki świateł (LCU/Light Control Unit), zamontowane na obudowie reflektora.

Preview
System oświetlenia matrycowego LED umożliwia jazdę z włączonymi na stałe światłami drogowymi, nie oślepiając przy tym kierowców nadjeżdżających z przeciwka lub jadących z przodu. To techniczne rozwiązanie bazuje na wydzielonych modułach optycznych świateł drogowych/mijania, z których każdy zawiera diody LED z własnym sterownikiem. Dzięki temu można osobno sterować pojedynczą diodą LED na chipie i tym samym przygaszać lub rozjaśniać źródła światła w jednym reflektorze. Poszczególne funkcje oświetlenia są sterowane przez sterowniki świateł (LCU/Light Control Unit) zamontowane na obudowie reflektora. Komunikacja między sterownikami oświetlenia a innymi sterownikami w pojeździe odbywa się za pośrednictwem magistrali danych pojazdu. W ten sposób koordynacja pomiędzy reflektorami matrycowymi LED a systemami wspomagania w pojeździe zajmuje milisekundy.
Tomasz Kasparow
Category manager lighting products
w firmie Hella Polska

Komunikacja między sterownikami oświetlenia a innymi sterownikami w pojeździe odbywa się za pośrednictwem magistrali danych pojazdu. W ten sposób koordynacja pomiędzy reflektorami matrycowymi LED a systemami wspomagania w pojeździe zajmuje milisekundy. Rozsył światła jest dostosowywany do danej sytuacji drogowej i otoczenia za pomocą zaprogramowanych algorytmów przełączania.

Dane są pobierane przez kamerę przednią pojazdu (sterownik kamery zawiera oprogramowanie do przetwarzania obrazu), czujnik zmierzchu, czujniki ABS i czujnik kąta skrętu. Następnie są przetwarzane w czasie rzeczywistym przez ECU pojazdu. Daje to możliwość bardzo precyzyjnego sterowania wiązką światła w sposób niemechaniczny i pozwala realizować różne warianty rozkładów światła. Indywidualnie sterowane elementy matrycy zapewniają niezwykle precyzyjną i wysoce zmienną emisję światła do oświetlenia drogi. Dzięki temu zapewniają lepszą widoczność w ciemności.

Technologia matrycowa umożliwia:

  • Maskowanie pojazdów jadących z przodu i nadjeżdżających z przeciwka nawet wtedy, gdy inne pojazdy znajdują się w zasięgu ich oświetlenia. W ciągu ułamków sekundy pojazdy te zostają zamaskowane – już nigdy nie zostaną oślepione.
  • Przygaszanie źródeł światła podczas niekorzystnych warunków pogodowych – wygaszenie dolnej strefy LED znacznie redukuje światło, które odbija się od mokrej nawierzchni.
  • Lepszą widoczność znaków drogowych – przygaszanie diod LED daje mniejsze odbicie światła.
  • Dynamiczne maskowanie pojazdu, który znajduje się na tym samym pasie ruchu, a chce go zmienić.
  • Dynamiczne doświetlanie zakrętów.
  • Doświetlanie skrzyżowania – oświetlone zostają wszystkie części obszaru.
  • Oświetlenie turystyczne – wyłączenie asymetrycznej części światła z lewej i prawej strony (na czas jazdy w ruchu lewostronnym).
  • Światło autostradowe – podniesienie światła mijania i zwiększenie zasięgu poprzez regulację wiązki reflektora o ok. 0,34°.

Słów kilka o prądzie i cieple

Skutecznym sposobem na zwiększenie ilości światła przed samochodem jest zwiększenie mocy jego źródła. 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 stanowi wyzwanie dla urządzeń włączających (włączników) oraz dla styków w kostce żarówki.

W przypadku zwiększenia mocy żarówki do 90–110 W (na rynku jakiś czas temu pojawiały się takie niehomologowane egzemplarze) natężenie pobieranego przez nią prądu zwiększa się dwukrotnie. Oznacza to, 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. 

Oświetlenie dodatkowe

Wśród użytkowników pojazdów terenowych i samochodów ciężarowych bardzo popularne jest oświetlenie dodatkowe, którego także nie ominęła rewolucja. Co prawda często spotkać można jeszcze reflektory z halogenowym źródłem światła, ale na popularności zyskują te ze źródłem światła bazującym na diodach LED. Oczywiście pakiet zalet jest podobny jak w przypadku reflektorów samochodowych – niski pobór prądu i odporność na wibracje, co w zastosowaniu np. off-roadowym ma szczególne znaczenie.

Preview
Dodatkowe reflektory drogowe, zamontowane na dachu samochodu typu pickup. Źródlo: WESEM

Tomasz Hajduk – wspólnik w firmie WESEM – wyjaśnia, że na montaż oświetlenia dodatkowego decydują się przede wszystkim użytkownicy pojazdów czy właściciele firm, w których pojazd jest głównym narzędziem pracy kierowcy. Dotyczy to zatem samochodów ciężarowych, dostawczych, pojazdów użytkowych i komunalnych oraz samochodów specjalnych. Kierowcy tych pojazdów muszą wykonywać swoją pracę niezależnie od sezonu i pory dnia, często przez długie godziny i w trudnych warunkach. Na znaczeniu zyskało bezpieczeństwo i komfort pracy, które znacznie rosną dzięki dobrze dobranemu oświetleniu dodatkowemu.

Wybór takiego oświetlenia jest szeroki. W przejazdach długodystansowych czy wyprawach pomagają reflektory drogowe montowane na dachu samochodu ciężarowego lub terenowego.

Preview
W ofercie WESEM uznaniem cieszą się reflektory LED FERVOR, które nie tylko są użyteczne podczas jazdy, ale także zwracają uwagę na drodze swoimi charakterystycznymi światłami pozycyjnymi.
Drugą grupą lamp dodatkowych, które znajdują zastosowanie w samochodach, są lampy robocze LED. Użytkownicy doceniają ilość i jakość światła, jakie można uzyskać, doświetlając obszary wokół pojazdu – często niedostępne dla fabrycznie zamontowanego oświetlenia.
Lampy robocze chętnie stosują użytkownicy pojazdów ciężarowych, komunalnych i użyteczności publicznej, pomocy drogowych i samochodów pożarniczych oraz kamperów. W tym obszarze firma WESEM wprowadziła dwie nowości: lampy CRP1, przeznaczone do pojazdów specjalnych i oświetlające pole pracy wokół pojazdu, oraz lampę CRK2-AR – ekonomiczną lampę roboczą z homologacją cofania.
Tomasz Hajduk
Wspólnik w firmie WESEM

W zgodzie z przepisami

Od kiedy korzysta się z oświetlenia, istnieje problem jego niedostatecznej ilości, szczególnie w nocy. Producenci starają się stale usprawniać oświetlenie samochodu, jednak przepisy utrzymują je w pewnych granicach. Ma to ograniczyć powstawanie niebezpiecznych sytuacji na drodze, np. oślepiania kierowców samochodów nadjeżdżających z przeciwka.

Kierowcy na własną rękę zamieniali żarówki o standardowej mocy 55 W na mocniejsze, o mocy 90 W czy nawet 100 W. Zaczynało się więc tworzyć błędne koło, ponieważ włożenie do reflektora 2 razy mocniejszej żarówki wcale nie sprawia, że świeci on 2 razy lepiej. Dwa razy mocniejsza żarówka oznacza dwukrotnie większy amperaż w przewodach zasilających oświetlenie, a co za tym idzie – znacznie większe obciążenie termiczne samych przewodów i wtyczek, w których występują największe straty napięcia przez najmniejszą powierzchnię styku. Ponadto 2 razy mocniejsza żarówka generuje znacznie więcej ciepła, powodując zagrożenie uszkodzenia reflektora.

Pojawiały się nawet przypadki stosowania palników ksenonowych w reflektorach fabrycznie wyposażonych w żarówki H4. Takie rozwiązania są nie tyle, że niebezpieczne (ponieważ istnieje ryzyko pożaru pojazdu) ile nielegalne (ponieważ reflektor jest homologowany razem ze źródłem światła).

Potwierdza to Magdalena Bogusz, head of MarCom EE & MEA w OSRAM Automotive, mówiąc, że jakakolwiek zmiana – np. żarówki na zestaw ksenonowy – powoduje, że cały zespół traci homologację. Dlaczego tak się dzieje? Bo każde źródło światła – żarówka, lampa LED czy ksenonowa – ma inną konstrukcję, co może powodować niewłaściwy rozsył światła, jeśli umieścimy je w nieprzystosowanym reflektorze. Po prostu źródło światła będzie w nieco innym miejscu.

Preview
Obecnie sporo dyskutuje się o stosowaniu retrofitów LED, których nie można używać w reflektorach halogenowych w pojazdach poruszających się na drogach publicznych, bo nie istnieją normy homologacyjne. Zanim doczekamy się systemowych rozwiązań, dopuszczających stosowanie retrofitów LED w reflektorach na żarówki halogenowe, pojawiają się pierwsze „jaskółki” zmian. W Niemczech KBA (Federalny Urząd ds. Ruchu Drogowego) zezwolił na stosowanie retrofitów OSRAM Night Breaker LED H7 w kilkunastu modelach samochodów. Odbywa się to na podstawie certyfikacji lokalnej, która opiera się na zbadaniu, czy zastosowanie retrofitu w konkretnym reflektorze jest bezpieczne.
Magdalena Bogusz
Head of MarCom EE & MEA,
OSRAM Automotive

Przy tym każde źródło światła powinno spełniać wymogi norm, które określają różne parametry zapewniające prawidłowe funkcjonowanie w reflektorze. Taka zmiana (np. żarówki na lampę ksenonową) może powodować oślepianie kierowców jadących z przeciwka, a przy tym niewłaściwe oświetlenie drogi przed pojazdem. Po takiej modyfikacji reflektory mogą oświetlać bardzo mocno drogę tuż przed samochodem, co może dawać złudzenie, że są skuteczne. Tymczasem natężenie światła w miejscach, które są kluczowe dla bezpieczeństwa, jest często niewystarczające.

Obecnie sporo dyskutuje się o stosowaniu retrofitów LED, których nie można używać w reflektorach halogenowych w pojazdach poruszających się na drogach publicznych, bo nie istnieją dotyczące tego normy homologacyjne. Zanim doczekamy się systemowych rozwiązań, dopuszczających stosowanie retrofitów LED w reflektorach na żarówki halogenowe, pojawiają się pierwsze „jaskółki” zmian. W Niemczech KBA (Kraftfahrt-Bundesamt – Federalny Urząd ds. Ruchu Drogowego) zezwolił na stosowanie retrofitów OSRAM Night Breaker LED H7 w kilkunastu modelach samochodów. Odbywa się to na podstawie certyfikacji lokalnej, która opiera się na zbadaniu, czy zastosowanie retrofitu w konkretnym reflektorze jest bezpieczne.

WARTO WIEDZIEĆ
Reflektory laserowe

Reflektory, w których wykorzystuje się lasery, zajmują o 75% przestrzeni mniej niż inne, dając przy tym 10 razy więcej światła. Według danych BMW pobierają 10 W energii i emitują światło o natężeniu 340 lx. Diody potrzebują 4 razy więcej energii, aby dać światło 200 lx. Marka BMW wykorzystuje niebieski laser produkcji OSRAM Opto Semiconductors. Pojedynczy reflektor ma 3 takie lasery (każdy wielkości baterii AA), których promienie padają na płytkę fosforu o średnicy 0,4 mm. Zmienia ona długość fali na światło białe i rozprasza promień, który następnie pada na odbłyśnik, ostatecznie kształtujący snop światła.

Preview
Przekrój reflektora laserowego. Po prawej stronie widoczny jest zespół laserów,
których wiązka skupia się na płytce fosforowej. Światło, po przejściu przez nią,
się rozprasza i trafia na odbłyśnik w reflektorze. Źródło: BMW

Na podstawie informacji dostarczonych przez firmy: Hella, Lumileds, OSRAM, WESEM

Reklama

O Autorze

Maciej Blum

Redaktor naczelny miesięcznika „autoEXPERT”

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę
Reklama