Światło na wiele sposobów

Hella
Maciej Blum
30.11.2021

Kiedy okazało się, że automobilem będzie się jeździć także po zmierzchu, pojawił się pewien problem. Jak oświetlić drogę, żeby widzieć, dokąd się jedzie?

 

  • Przełomem w oświetleniu stało się oświetlenie karbidowe, w którym spalał się acetylen, zyskując z tego powodu miano gazu świetlnego. 
  • Kolejnym przełomem był wynalazek Philips z 1924 r., czyli żarówka samochodowa Philips Duplo z dwoma żarnikami.
  • Drucik wolframowy w takiej żarówce powoli się wypalał i następowało tzw. zjawisko czernienia.
  • Kolejnym zwrotem w rozwoju techniki oświetlenia były żarówki halogenowe wprowadzone w latach 60. XX w.
  • Krokiem milowym w rozwoju oświetlenia samochodowego było pojawienie się w latach 90. XX w. lamp wyładowczych.
  • Szybki wzrost mocy diod LED sprawił, że nadają się one dziś do zastosowania także w światłach mijania i drogowych.
  • Dziś spotyka isę także reflektory wykorzystujące lasery, które zajmują o 75% przestrzeni mniej niż inne, dając przy tym 10 razy więcej światła. 
Reklama

Pierwsze automobile rozwijały niewielkie prędkości, więc przy zastosowaniu odpowiednio dużego odbłyśnika możliwe było oświetlenie drogi przed pojazdem za pomocą lampy naftowej. Z czasem jednak potrzeby lepszego oświetlenia rosły.

Przełomem stało się oświetlenie karbidowe, w którym spalał się acetylen, zyskując z tego powodu miano gazu świetlnego. Po erze lamp karbidowych nastała era oświetlenia elektrycznego. Pierwsze światła samochodowe podobne do współczesnych pojawiły się w 1913 r.

Kolejnym przełomem był wynalazek Philips z 1924 r., czyli żarówka samochodowa Philips Duplo z dwoma żarnikami, która dawała możliwość emisji świateł mijania i świateł drogowych. Rozwiązanie to udoskonalono, zwiększono zasięg reflektorów, wprowadzono światła asymetryczne, jednak cały czas bazą dla emisji snopu światła była konwencjonalna żarówka. Była to bańka wypełniona obojętnym gazem z umieszczonym wewnątrz drucikiem wolframowym, który żarząc się pod wpływem przepływającej przez niego energii elektrycznej, emitował światło.

Niestety żarówka taka – podobnie jak te stosowane w domach – ma ograniczoną żywotność. Drucik wolframowy powoli się wypala i następuje tzw. zjawisko czernienia, czyli osadzanie się oparów wolframu na wewnętrznej stronie szklanej bańki żarówki.

Halogenowy skok naprzód

Kolejnym zwrotem w rozwoju techniki oświetlenia były żarówki halogenowe wprowadzone w latach 60. XX w. Mimo upływu lat są wciąż najpowszechniej wykorzystywanym źródłem światła przednich reflektorów samochodowych.

Żarówki halogenowe są pozbawione wad konwencjonalnych żarówek wolframowych. Wnętrze bańki takiej żarówki wypełnia się gazem, który zawiera związki jodu i bromu (tzw. związki halogenowe). Gaz tego typu zapobiega osadzaniu się wolframu na bańce, czyli opisanemu wcześniej czernieniu szkła. Pary wolframu osiadają więc ponownie na żarniku, co znacznie zwiększa trwałość żarówki. Można powiedzieć, że jest to pewnego typu samoregeneracja żarówki. Dzięki temu żarówka halogenowa podczas jej eksploatacji pracuje prawie z niezmienną wydajnością.

Sposób obiegu cząstek wewnątrz bańki żarówki halogenowej.
Sposób obiegu cząstek wewnątrz bańki żarówki halogenowej. Lumileds

Najczęściej spotykane są żarówki halogenowe (tzw. halogeny) typu H4 i H7. W porównaniu z lampami wolframowymi starego typu halogeny mają nie tylko większą żywotność (od 150 do 1000 godzin), ale również większy zasięg i mocniejszy strumień światła (ok. 1500 lm).

Krokiem milowym w rozwoju oświetlenia samochodowego było pojawienie się w latach 90. XX w. lamp wyładowczych, popularnie zwanych ksenonami. Choć z początku ten rodzaj oświetlenia rezerwowano dla luksusowych modeli aut, z czasem wszedł do gamy samochodów popularnych.

Istota działania lamp wyładowczych polega na wyeliminowaniu żarnika. Źródłem światła jest łuk elektryczny, który powstaje między dwiema elektrodami w atmosferze mieszaniny gazów szlachetnych (argon, ksenon) oraz soli metali (rtęć, skand, sód).

Łuk elektryczny pobudza gazy szlachetne do świecenia. Sam łuk ma 4–5 mm długości. Za zapłon łuku elektrycznego i dalszą stabilizację napięcia w lampie odpowiada generator prądu – starter. Do rozpalenia łuku potrzebne jest napięcie ok. 25 000 V (starter dostarcza właśnie takie napięcie), jednak w późniejszej fazie pracy lampy do podtrzymania łuku wystarczy 85 V. Dzięki temu samochodowa lampa ksenonowa o mocy 35 W generuje o ponad połowę więcej światła niż żarówka halogenowa o mocy 55 W.

Dodatkowo, temperatura barwowa ksenonów jest bardzo zbliżona do temperatury światła słonecznego naturalnego dla człowieka. W świetle ksenonów – z uwagi na lepszy kontrast barw i wyraźne odcięcie wiązki światła – lepiej i szybciej rozpoznamy pieszego na poboczu, znaki drogowe czy rowerzystę. Kolejną zaletą lamp ksenonowych jest ich dłuższa żywotność (w porównaniu z żarówkami halogenowymi).

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.

Reklama

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

Czy da się włożyć palnik ksenonowy zamiast żarówki?

Oczywiście, że się da, ale może się to skończyć pożarem samochodu, a w najlepszym wypadku uszkodzeniem reflektorów. Dziś skala tego procederu jest mniejsza niż jeszcze kilka lat temu, ale wciąż można kupić zestawy do „konwersji” reflektorów halogenowych na ksenonowe.

Nie powinno się tego robić z kilku powodów. Pierwszym z nich jest homologacja. Każda lampa w samochodzie jest homologowana do użytku na drogach publicznych wyłącznie z konkretnym źródłem światła o ściśle określonej mocy – żarówką halogenową lub palnikiem ksenonowym. Jakakolwiek samowolna zmiana sprawia, że reflektor czy lampa traci homologację, a policjant podczas kontroli może zatrzymać dowód rejestracyjny auta.

Warto wiedzieć też, że nawet taka pozornie nic nieznacząca modyfikacja jak zmiana żarówki świateł pozycyjnych na zamiennik oparty na źródle ledowym sprawia, że homologację traci cały reflektor. Auto wyposażone w ksenony zamiast żarówek halogenowych nie powinno przejść obowiązkowego badania technicznego. Nie tylko z powodu innego niż homologowane źródła światła, lecz także ze względu na brak wymaganych przepisami systemów samopoziomowania czy spryskiwania (układy te nie są wymagane w przypadku nowych palników ksenonowych D8S o mniejszej mocy 25 W).

Tyle w kwestii zgodności z prawem. Druga strona to technikalia, czyli najprościej rzecz ujmując – niedopasowanie palnika ksenonowego do reflektora. Podczas projektowania lampy najważniejszą rzeczą jest takie umieszczenie źródła światła (czyli w przypadku żarówki jej żarnika), aby możliwie najlepiej współpracowało ono z odbłyśnikiem. A to jest możliwe po umieszczeniu go w jednym, optymalnym z punktu widzenia danego reflektora, miejscu. Jeśli założymy inne źródło, np. palnik ksenonowy, znajdzie się on w innej pozycji względem odbłyśnika. Wówczas światło, zamiast oświetlać drogę, będzie oślepiać kierowców jadących z przeciwka lub będzie padać tuż przed samochodem.

Ponadto dostępne na rynku zestawy HID, które służą do wyżej opisanej konwersji, najczęściej nie mają filtra UV. A właśnie ultrafiolet jest tym, co najszybciej niszczy reflektor. Promienie UV powodują żółknięcie tworzyw oraz matowienie odbłyśnika i klosza. 

LED-y weszły pod strzechy

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 chwilkę 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.

Dioda elektroluminescencyjna (LED)
Dioda elektroluminescencyjna (LED) jest półprzewodnikowym elementem świetlnym. Jej popularność wynika z tego, że przy stosunkowo dużej emisji światła pobiera ona bardzo mało energii elektrycznej. Źródło: Archiwum „autoEXPERTA”

Szybki wzrost mocy diod LED sprawił, że nadają się one dziś do zastosowania także w światłach mijania i drogowych, a światło emitowane przez nie jest bardzo zbliżone barwą do oświetlenia naturalnego. Całkowite oświetlenie samochodu wykonane w technologii LED montowane seryjnie można już spotkać w Audi A8.
Barwa światła wytwarzanego przez białe diody LED ma temperaturę około 5500°K. Jest ona dużo bliższa barwie światła dziennego (które ma w przybliżeniu 6000°K) niż światło ksenonowe (ok. 4000°K). Taka temperatura bieli pozwala na najlepsze dostosowanie się oka ludzkiego do sztucznego oświetlenia, które najwierniej odpowiada oświetleniu słonecznemu. Wpływa to na mniejsze zmęczenie oka i lepszą kondycję kierowcy podczas jazdy nocnej.

Ciekawostką jest też, że jedno źródło światła może być wykorzystywane do realizacji dwóch funkcji (np. świateł dziennych i pozycyjnych). Jest to możliwe dzięki zmiennemu wypełnieniu impulsu sterującego dany element świetlny. Zwiększając wypełnienie impulsu, zwiększamy ilość emitowanego światła. Wydajność świetlna diod wynosi ponad 40 lm/W (lumenów na wat), a prototypy osiągają nawet 130 lm/W. Dla porównania: wydajność świetlna świateł ksenonowych to 90 lm/W, a halogenowych
to 20 lm/W.

W tabeli 1. podano moc diody (lub zespołu diod) konieczną do otrzymania strumienia świetlnego odpowiadającego oświetleniu ksenonowemu. Tabela 2. przedstawia natomiast wzrost strumienia świetlnego przy zachowaniu takiej samej mocy jak w oświetleniu ksenonowym.


 

Tabela 1. Moc diody lub zespołu diod potrzebna do otrzymania strumienia świetlnego odpowiadającego oświetleniu ksenonowemu
 W    lm/W   lm
Halogen    55201100
Ksenon    42903780
LED dzisiaj    95403780
LED prototyp    29    130    378029    130    378029    130    3780

 

Tabela 2. Wzrost strumienia świetlnego przy zachowaniu takiej samej mocy jak w oświetleniu ksenonowym
 Wlm/Wlm
Halogen55    20  1100
Ksenon42903780
LED dzisiaj42    40  1680
LED prototyp42305460

MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE

Zaletą diod świecących jest także ich odporność mechaniczna. Pozbawione są one żarników i elementów mechanicznych. Gwarantuje to ich dużo większą bezawaryjność, która już dzisiaj wynosi około 100 000 godzin czyli ponad 11 lat ciągłego świecenia.

O krok dalej

Kolejnym krokiem w technice oświetleniowej jest stosowane przez BMW oświetlenie laserowe, które jest wykorzystane w modelach i8 tego koncernu. Diody laserowe najnowszej technologii mają wielkość zaledwie 10 µm, czyli są nawet 100 razy mniejsze od najmniejszych obecnie stosowanych diod LED. To właśnie jest największe źródło nowych możliwości w kształtowaniu oświetlenia samochodowego.

Dodatkową zaletą tego oświetlenia jest jego moc. Podczas gdy standardowe diody LED osiągają moc na poziomie 100 lm/W, to diody laserowe mogą się poszczycić strumieniem świetlnym 170 lm/W. Te liczby pokazują jasno, że przy zachowaniu takiej samej mocy elektrycznej źródła światła będzie można osiągnąć prawie dwukrotnie silniejsze oświetlenie. Pozostając przy tej samej ilości światła, można będzie natomiast znacznie zmniejszyć zapotrzebowanie na energię elektryczną.

Reflektor laserowy zbudowany jest w taki sposób, że w jego tylnej części znajduje się zestaw diod LED, które dzięki zastosowaniu soczewek skupiających tworzą bardzo skupione światło, przypominające promień lasera. Wiązki światła są kierowane do lustra, które zmienia ich bieg. Po odbiciu od lustra wiązki skupione w jedną trafiają na płytkę fosforu, który dzięki swoim właściwościom zmienia barwę światła na cieplejszą. Po przejściu przez płytkę fosforu promień światła jest rozpraszany, a następnie kierowany na odbłyśnik w reflektorze, który kieruje światło bezpośrednio na drogę.

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, dopasowując moc oświetlenia do przedmiotów znajdujących się w zasięgu światła. Kiedy 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.

Reflektory wykorzystujące 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 o natężeniu 200 lx.

Firma BMW wykorzystuje niebieski laser produkcji Osram Optosemiconductors. Pojedynczy reflektor ma trzy takie lasery (każdy o wielkości bateryjki 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.

Moc i ciepło

Skutecznym rozwiązaniem, które pozwala zwiększyć ilość światła przed samochodem, jest 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 2 żarówek natężenie prądu podwaja się i wynosi już prawie 10 A. Taka wartość prądu zasilającego stanowi już wyzwanie dla urządzeń włączających (włączniki) i 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 nie prądu zwiększało się dwukrotnie. Oznacza to, że przez bezpiecznik świateł przednich płynął 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.

O Autorze

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę