Лекция_ Системы освещения и световой сигнализации. Лекция. Системы освещения и световой сигнализации

• Название: Лекция. Системы освещения и световой сигнализации
• Дата: 12.10.2022
• Размер: 0.79 Mb.
• Имя файла: Лекция_ Системы освещения и световой сигнализации.doc
• Тип: Лекция; #729533
• страница: 1 из 5

ЛЕКЦИЯ. Системы освещения и световой сигнализации

Требования к автомобильным системам освещения и световой сигнализации
Назначение световых приборов

Безопасность движения автомобилей, особенно в темное время су­ток, во многом зависит от состояния и характеристик приборов систе­мы освещения и световой сигнализации. Поэтому требования к автомо­бильным световым приборам и нормы на их светотехнические характе­ристики определяются требованиями безопасности и существующими условиями дорожного движения.

Световые приборы предназначены для освещения дороги, передачи информации о габаритных размерах автомобиля, предполагаемом или совершаемом маневре, для освещения номерного знака, кабины, сало­на, контрольно-измерительных приборов, багажника, подкапотного пространства и т.д.

Автомобильные световые приборы должны обеспечивать хорошую видимость и необходимую информативность в широком диа­пазоне расстояний при различных погодных условиях, не вызывая ос­лепления водителей в темное время суток.

Работа системы освещения основана на принципах генерирования, распределения и перераспределения в пространстве электромагнитно­го излучения оптической области спектра. Органами зрения восприни­маются видимые излучения с длиной волны в диапазоне 380—760 нм. При совокупном воздействии цветовых спектров излучения данного диапазона воспринимаются органом зрения как белый свет, который, в свою очередь, состоит из однородных излучений.

Органы зрения обладают избирательной способностью к отдельным диапазонам видимого спектра. Наибольшую спектральную чувстви­тельность глаз человек проявляет к излучению с длиной волны 555 нм (желто-зеленый цвет).

Классификация световых приборов

На автомобилях устанавливают различные по назначению, конст­рукции световые приборы с разными электрическими и световыми характеристиками. В обязательный комплект световых приборов для всех автомобилей входят не менее двух фар дальнего и ближнего света, по два габаритных огня и по два указателя поворота спереди и сзади, два световозвращателя, сигналы торможения, фонари заднего хода и один фонарь освещения номерного знака. В качестве дополнительных свето­сигнальных приборов устанавливают контурные огни, боковые повто­рители указателей поворота, опознавательные знаки автопоезда и при­цепов, боковые световозвращатели, огни преимущественного проезда. К необязательным световым приборам относят противотуманные фары и фонари, фонарь увеличения габарита автомобиля, боковые габарит­ные, стояночные огни, фары-прожекторы, прожекторы-искатели.

Большое число световых приборов на автомобиле не должно вызы­вать трудности при их различении участниками дорожного движения. Для этого используется система кодирования информации, поступаю­щей от световых приборов. К кодирующим элементам относят число одновременно работающих световых приборов, их расположение на автотранспортном средстве, режимы работы, расстояние между одно­временно работающими световыми приборами, форма светоизлучающей поверхности, цвет излучаемого света и интенсивность излучения в пределах одного цветового спектра.

Автомобильные световые приборы делят на осветительные и светосигнальные. Световой пучок осветительного прибора воспринимается после отражения от дороги или от объекта на дороге, а световой поток светосигнального прибора наблюдатель воспринимает непосредствен­но. Фары и фонари заднего хода можно считать и осветительными и светосигнальными приборами. Водитель автомобиля, на котором они установлены, воспринимает их световой поток после отражения от до­роги и наблюдаемых объектов, а другие участники дорожной обстанов­ки непосредственно.

Светотехнические параметры световых приборов

Световые приборы преобразуют электрическую энергию в световой пучок определенной структуры — соответствующим образом органи­зованную совокупность направлений излучения света и цвета (спектра излучения). Оптическая система светового прибора, обеспечивающая необходимую структуру и спектр светового пучка, включает лампу, от­ражатель и рассеиватель. Лампа является источником света. Отража­тель обычно в виде параболоида вращения, концентрирует световой поток, испускаемый лампой, в требуемом телесном угле. Рассеиватель из прозрачного материала перераспределяет световой поток в верти­кальной и горизонтальной плоскостях с помощью линз и призм на его внутренней поверхности и, при необходимости, меняет цвет излучае­мого света.

Основными светотехническими параметрами световых приборов являются активная поверхность оптической системы, световое отвер­стие, телесный и плоский углы охвата, углы излучения и рассеивания, фокус и фокусное расстояние оптической системы, коэффициент отра­жения для отражателей и коэффициент пропускания и поглощения для рассеивателей.

Активной поверхностью оптической системы является зеркальная поверхность отражателя. Ее проекция на плоскость, перпендикуляр­ную оптической оси, называется световым отверстием. Оптическая ось светового прибора — это ось его симметрии. Лучи, падающие на ак­тивную поверхность отражателя параллельно оптической оси, собира­ются в фокусе. В реальных оптических системах с фокусом совмещают центр тела накала источника света. Отрезок оптической оси от фокуса до вершины отражателя называется фокусным расстоянием.

Телесным углом охвата активной поверхности является угол, в пре­делах которого поверхность оптической системы видна из фокуса. Се­чение телесного угла охвата меридиональной плоскостью, проходя­щей через ось вращения параболоида, образует плоский угол охвата. Телесный угол, в котором сконцентрирован отраженный активной по­верхностью и вышедший из системы световой поток, называют углом излучения оптической системы.

Коэффициент отражения оптической системы — это отношение отраженного светового потока, к световому потоку, падающему на отражающую поверхность. Коэффициент пропускания — отношение светового потока, прошедшего через поверхность, к световому потоку, падающему на нее. Под коэффициентом поглощения понимается отно­шение светового потока, поглощаемого световой системой, к светово­му потоку, ею создаваемому.

Действие оптической системы осветительных и светосигнальных приборов заключается в том, что большая часть светового потока, па­дающего на отражающую поверхность в пределах телесного угла охва­та, после отражения проходит в пределах сравнительно малого телес­ного угла излучения. Поэтому концентрация светового потока внутри угла излучения существенно возрастает.

Часть светового потока, исходящая непосредственно от источника света и излучаемая вне угла охвата оптической системы, в осветитель­ных приборах, как правило, экранируется, чтобы непреобразованный свет не создавал дополнительных помех водителю.

Характеристики световых приборов в значительной мере зависят от свойств материалов, из которых изготовляют отдельные элементы оптической системы.

На некоторых автомобилях обеспечивается автоматическая регули­ровка светораспределения фар в зависимости от нагрузки. Устанавли­ваются устройства, автоматически ослабляющие слепящее действие фар при встречном разъезде автомобилей. Для управления осветитель­ными и светосигнальными приборами широко применяется электро­ника.

Международная система обозначений световых приборов

Большое внимание уделяется нормированию характеристик авто­мобильных приборов освещения и световой сигнализации. В 1958 г. в рамках Комитета по внутреннему транспорту Европейской экономиче­ской комиссии при ООН (ЕЭК ООН) было подписано «Соглашение о принятии единообразных условий официального утверждения обору­дования и частей механических транспортных средств». В развитие этого Соглашения разрабатываются прилагаемые к нему Правила. Оте­чественные стандарты на автомобильные световые приборы разраба­тываются с учетом требований Правил ЕЭК ООН. Разработке единых технических требований, предъявляемых к структурному составу осве­тительных и светосигнальных приборов, к их светотехническим харак­теристикам, способствовало развитие международных автомобильных перевозок.

На соответствие Правилам ЕЭК ООН световые приборы проверяют­ся в специальных светотехнических лабораториях. Автомобильные световые приборы, которые успешно прошли проверку на соответствие Правилам ЕЭК ООН, получают знак международного утверждения. Знак международного утверждения наносится на рассеиватель или основной корпус светового прибора и представляет собой окружность, в которой проставлена буква Е и отличительный номер страны, выдававшей официальное утверждение. Порядковые номера странам присвоены в хронологическом порядке ратификации ими Соглашения (например, 2 — Франция; 4 — Нидерланды; 7 — Венгрия). Под окружностью или справа от нее указывают номер официального утверждения.

Под окружностью над порядковым номером официального утвер­ждения может стоять горизонтальная стрелка. Направленная вправо стрелка на фаре головного освещения указывает на то, что фара сконструирована для эксплуатации в странах с левосторонним движением. Двухстороннюю стрелку имеют фары, которые вследствие перемещения лампы или оптического элемента могут быть использованы как при правостороннем, так и при левостороннем движении. На фарах, ис­пользуемых на дорогах с правосторонним движением, стрелка не ста­вится.

Стрелка на рассеивателях сигнальных фонарей указывает направле­ние, в котором обеспечивается геометрический угол видимости в гори­зонтальной плоскости. При установке передних и задних указателей поворота острие стрелки должно быть направлено к ближайшей боко­вой части автомобиля, а при установке боковых указателей поворота— к передней части.

Над окружностью знака официального утверждения фар головного освещения наносят квадрат, в который вписывают буквы С, R, S, Н. Единичные буквы С и R обозначают, что фара удовлетворяет междуна­родным нормам в отношении ближнего и дальнего света. Наличие в квадрате двух букв CR свидетельствует о том, что оптическая система фары рассчитана на работу как ближнего, так и дальнего света. Для обозначения цельностеклянного оптического элемента (лампы — фа­ры) в квадрат вписывают букву S. Отсутствие буквы S означает, что ис­пользован металлостеклянный элемент. Фары с дополнительной бук­вой Н в квадрате рассчитаны на применение только галогенных ламп.

Для противотуманных фар и фонарей над окружностью проставля­ют букву В. На рассеивателях задних габаритных огней в квадрате над окружностью стоит буква R. Передние габаритные огни обозначают бу­квой А. На фонарях заднего хода проставляют символ. Для фонарей освещения номерного знака дополнительные надписи над окружно­стью не предусмотрены.

Знак официального утверждения указателей поворота отличается тем, что над окружностью дано обозначение категории светового при­бора. К категории 1 относят передние указатели поворота, к категории 2а и 2б соответственно одно- и двухрежимные задние указатели пово­рота. Различные типы боковых указателей поворота разделены на кате­гории 3,4 и 5. К категории 3 относятся передние боковые указатели по­ворота, предназначенные для использования на автотранспортных средствах, не имеющих других указателей поворота. Передние боко­вые указатели поворота категории 4 устанавливаются в том случае, ес­ли на автотранспортном средстве уже установлены указатели поворота категории 2а и 2б. На автотранспортных средствах, где есть указатели поворота категории 1 и 2 (2а и 2б), могут устанавливаться дополнитель­ные боковые указатели поворота категории 5.

Одно- и двухрежимную работу сигналов торможения кодируют в квадрате над окружностью знаками S1 или S2. На световых прибо­рах, имеющих одновременно задний габаритный огонь и сигнал тор­можения, над окружностью проставляют прямоугольник, в который вписывают буквы R и знаки S1 или S2, отделенные горизонтальной чертой.

Римские цифры I, II или III, указывающие категорию и номер официального утверждения световозвращателя, должны находиться на противоположных концах диаметра ок­ружности, в которой вписана буква Е, и в любом положении по отношению к ней. Световозвращатели категории I предназначены для автотранспортных средств шириной 1,6 м и более, категории II — для автотранспортных средств шириной менее 1,6 м. Световозвраща­тели категории III устанавливаются на прицепы и полуприцепы. Знак офици­ального утверждения проставляют на освещаемой поверхности или на одной из освещаемых поверхностей световоз­вращателя. Если сигнальные огни используют­ся как одиночные или в сочетании двух огней, справа от окружности ставят букву D.

Источники света автомобильных световых приборов

Автомобильные лампы накаливания

В качестве источника света в традиционных автомобильных свето­вых приборах используют электрические лампы накаливания. Требования к их параметрам и применяемости нормируются Правилом № 37 ЕЭК ООН.

Конструкцию, применяемость и способы контроля лампы оценива­ют по следующим характеристикам: категория, тип лампы, номиналь­ное и расчетное напряжения, номинальное и предельное значения мощ­ности и светового потока, средняя продолжительность горения, свето­вая отдача, тип цоколя, масса, геометрические координаты положения нитевой системы относительно базовой (установочной) плоскости.

Контрольный световой поток — номинальный световой поток эта­лонной лампы, при котором измеряются оптические характеристики осветительного прибора.

Базовая плоскость — плоскость, по отношению к которой опреде­ляются основные размеры лампы.

Световая отдача — отношение излучаемого источником света светового потока к потребляемой мощности.

К основным световым параметрам источников света относятся: номинальный световой поток лампы, измеряемый в люменах, максималь­ная сила света, измеряемая в канделах; яркость тела накала, измеряемая в канделах на квадратный метр.

Устройство ламп накаливания

з)

ж)

Автомобильная лампа накаливания состоит из колбы 1 (рис. 1), од­ной или двух нитей накала 2 и 3, цоколя 7 с фокусирующим фланцем 5 или без него и выводов 6. Стеклянная колба лампы может быть шаровидной, каплевидной, грушевидной

Рис. 1. Автомобильные лампы накаливания:

а — фар головного освещения с европейской асимметрической системой светораспре-деления;б—галогенная категория Н1; в—галогенная категория НЗ; г—галогенная ка­тегория Н4; д — двухнитевая штифтовая; е — однонитевая штифтовая; ж — пальчико­вая; з — софитная; 1 — колба; 2 — нить дальнего света; 3 — нить ближнего света; 4 — экран; 5 — фокусирующий фланец; 6 — выводы; 7 — цоколь

или цилиндрической формы. Нити накала в двухнитевых лампах имеют различное функциональное назна­чение.

Цоколь лампы служит для крепления лампы в патроне светового прибора и подведения тока от источника электроснабжения к электро­дам, соединяющим контакты цоколя с нитями накала. Автомобильные лампы имеют штифтовые и фланцевые цоколи различной конструкции. В лампе со штифтовым цоколем трудно обеспечить точное расположе­ние нити накала относительно штифтов. Поэтому лампы со штифтовы­ми цоколями применяются в основном в световых приборах, к которым не предъявляются жесткие требования в отношении светотехнических характеристик.

Для точной фиксации нитей накала относительно фокуса параболоидного отражателя лампы автомобильных фар головного освещения снабжают фокусирующим фланцевым цоколем. Конструкция фланца позволяет устанавливать лампу в оптический элемент лишь в одном оп­ределенном положении.

Размеры и расположение нити накала в лампе нормируются отечественными и международными стандартами для того, чтобы при заме­не лампы характеристики светового прибора существенно не измени­лись.

При прохождении электрического тока нить накала лампы нагрева­ется и при определенной температуре начинает излучать свет. Энергия светового излучения, воспринимаемого человеческим глазом, состав­ляет только небольшую часть потребляемой лампой электрической энергии. Большая часть электрической энергии выделяется в виде теп­лового излучения.

Нить накала должна выдерживать высокие температуры, иметь ма­лые размеры. Ее изготовляют из тонкой вольфрамовой проволоки, сви­той в цилиндрическую спираль. Спираль крепится к электродам и обегано имеет форму прямой линии или дуги окружности.

Галогенные лампы

Повышение температуры нити накала до 2700—2900 °С достигает­ся в лампах с галогенным циклом. Это обеспечивает на 50—60 % боль­шую световую отдачу лампы. Колба галогенной лампы также заполня­ется инертным газом (аргон, ксенон, криптон и другие) и, дополнитель­но, небольшим количеством паров йода или брома. В лампах с йодным циклом частицы вольфрама, осевшие на стенках колбы после испаре­ния нити накала, соединяются с парами йода и образуют йодистый вольфрам. При температуре колбы из жаростойкого кварцевого стекла 600—700 °С йодистый вольфрам испаряется, диффундирует в зону высокой температуры вокруг нити накала и распадается на вольфрам и йод. Вольфрам оседает на нити накала, а пары йода остаются в газо­вом пространстве колбы, участвуя в дальнейшей реализации йодного цикла.

Вольфрам испаряется быстрее с более нагретых участков нити нака­ла. Так как температура выше у дефектных участков, испарение вольф­рама с таких участков происходит интенсивнее. С другой стороны, воз­вращаясь к телу накала, вольфрам оседает на более холодных его участ­ках, поэтому йодно-вольфрамовый цикл не компенсирует усиленное испарение вольфрама с дефектных участков и не способствует сущест­венному увеличению срока службы лампы.

Световая отдача галогенных ламп составляет 22—25 лм/Вт, что в 1,5 раза превышает световую отдачу обычных ламп. Для реализации га­логенного цикла необходима высокая температура стенок колбы — до 600—700 °С. Поэтому колбу галогенной лампы изготовляют из кварце­вого стекла. Колба имеет небольшие размеры. Для обеспечения более равномерного отложения вольфрама на спиральной нити накала, она должна быть выполнена в виде прямого цилиндра. Выводы галогенной лампы сделаны из молибдена, температурный коэффициент расшире­ния которого близок к коэффициенту расширения кварцевого стекла.

Однонитевые галогенные лампы категорий HI, H2 и НЗ применяют­ся в противотуманных фарах, фарах-прожекторах и фарах рабочего ос­вещения. Кроме того, они могут быть использованы в четырехфарных системах головного освещения. Лампы HI и Н2 имеют нить, располо­женную вдоль оси колбы и отличаются конструкцией цоколя. Нить на­кала в лампе НЗ расположена перпендикулярно оси колбы.

Двухнитевая галогенная лампа категории Н4 устанавливается в фа­рах головного освещения. Специальный цоколь P43t/38 исключает ус тановку лампы в оптический элемент, непредназначенный для нее. Ни­ти дальнего и ближнего света лампы категории Н4 имеют форму ци­линдров и расположены вдоль оптической оси.

Параметры ламп накаливания

Сила тока, потребляемого лампой от источника электроэнергии, световой поток и световая отдача зависят от напряжения. Отечествен­ная промышленность выпускает лампы с номинальным напряжением 6, 12 и 24 В. Расчетное напряжение ламп выше и составляет соответст­венно 6,3—6,75, 12,6—13,5 и 28 В. При повышении напряжения отно­сительно расчетного значения увеличиваются сила тока, температура спирали, световой поток и световая отдача, но резко сокращается срок службы лампы. При понижении напряжения нить накала нагревателя меньше, поэтому световой поток и световая отдача уменьшаются. При снижении напряжения на 50—60 % лампа практически не излучает света.

Напряжение питания ламп накаливания на автомобиле зависит от настройки регулятора напряжения, состояния источников электроэнер­гии в цепях питания световых приборов, от числа включенных потре­бителей, сечения и протяженности соединительных проводов. Лампы должны выдерживать возможные в системе электрооборудования авто­мобиля колебания напряжения.

Автомобильные лампы работают в условиях вибрации и тряски, по­этому должны быть механически прочными. Крепление колбы к цоко­лю должно выдерживать усилие, прилагаемое к лампе, когда она встав­ляется в патрон или вынимается из него. Лампы должны надежно удер­живаться в патронах при значительной вибрации, характерной для эксплуатации автомобиля. Снижение вибрационных нагрузок на нить накала и устройство для закрепления лампы в патроне достигается за счет эластичной подвески патрона в световом приборе или светового прибора на автомобиле.

Лампы накаливания отличаются по назначению, конструкции, по электрическим и светотехническим параметрам.

Обозначение автомобильных ламп накаливания

Отечественные автомобильные лампы имеют обозначение (напри­мер, А12-45+40), в которое входит буква А (автомобильная), указание на величину номинального напряжения (6, 12 и 24 В) и потребляемую мощность в ваттах нитей накала дальнего и ближнего света. Значения мощности двухнитевых ламп пишутся одно за другим через знак +. К перечисленным составляющим обозначения типа лампы может быть через знак — добавлена цифра для указания модификации типа. В обо­значение типа галогенных ламп (например, АКГ12-60+55) дополни­тельно введены буквы К (кварцевая) и Г (галогенная). Буквенные обо­значения МН и С относятся к миниатюрным и софитным лампам соот­ветственно.

Отечественная промышленность выпускает двухнитевые галогенные лампы АКГ12-60+55 и АКГ24-75+70 (категория Н4) для головных фар с европейским светораспределением и однонитевые лампы АКГ12-55, АКГ24-70 (категория HI) и АКГ12-5 5-1, АКГ24-70-1 (категория НЗ) для прожекторов и противотуманных фар.

Для сигна лов торможения и указателей поворота выпускают лампы А12-21-3 и А24-21-2. Двухнитевая лампа А12-21+5 предназначена для фонарей, совмещаю­щих функции габаритного огня и сигнала торможения. В габаритные фонари устанавливают однонитевые лампы А12-5-2 и А24-5-2. Выпускают также софитные лампы АС 12-5-1, а для освещения салона приборов, блоков контрольных ламп и световых ламп и световых табло — лампы А12-1, А24-1, А12-1,2, А24-2, АМН 12-3-1 и АМН24-3.

Автомобильные светодиоды

Светодиоды применяются в щитках приборов на передней панели, в отдельных узлах для подсветки кнопок и ручек управления вместо миниатюрных ламп накаливания. Светодиодные линейки используются в сигналах торможения и световых индикаторах для построения шкал и цифр.

Светодиоды обладают значительно большей надежностью. Их срок службы превышает срок службы автомобиля. Изделие, выполненное на светодиодных материалах, сохраняет функциональное назначение при выходе из строя одного или нескольких светодиодов, в то время как при перегорании нити накала лампы изделие полностью прекращает вы­полнять свои функции.

Цвет излучения светодиода, сила света и световой поток зависят от силы потребляемого тока. Длина волны и интенсивность излучаемого света зависят от температуры.

В связи с тем, что температура полупроводникового перехода в пер­вую очередь определяется силой тока, то особое внимание необходимо уделять правильному выбору силы тока при конструировании светоди­одного прибора и поддержанию заданной си­лы тока при эксплуата­ции. Номинальная сила тока в прямом направ­лении указывается в технической характери­стике светодиода. Схемотехническое ре­шение по стабилизации силы тока определяется качеством напряжения питания. Не рекоменду­ется параллельное или смешанное соединение группы светодиодов, так как из-за разброса параметров, несмотря на то, что светодиоды разбиты по классам, сила тока в них не будет одинаковой и, следова­тельно, интенсивность их излучения будет различной. Для большинства групп светодиодов целесообразно использование стабилизированных источников тока.

Диоды могут иметь сферическую, куполообразную форму или плоский верх. Частью корпуса может быть линза как бес­цветная, так и окрашенная в цвет излучения светодиода.

Ксеноновые лампы

На автомобилях находят применение новые источники света — ксеноновые лампы, спектр излучения которых близок к солнечному свету. Светоизлучение ксеноновой лампы обеспечивает дуговой разряд меж­ду электродами, которые расположены в колбе, заполненной инертным газом. Ксеноновые лампы не перегорают, устойчивы к вибрации, их светоотдача достигает 80 лм/Вт.

Однако, чтобы ионизировать инертный газ, необходимо обеспечить пробой междуэлектродного промежутка начальным импульсом напря­жения 20 кВ. Кроме того, рабочий режим лампы обеспечивается при подаче на электроды переменного тока напряжением 330 В и частотой 300 Гц. Эти проблемы в настоящее время решаются с помощью полу­проводниковых преобразователей путем трехступенчатого преобразо­вания напряжения.

Ксеноновая лампа D1 массой 15 г благодаря большей светоотдаче имеет мощность 35 Вт. В то же время масса преобразователя составляет примерно 0,5 кг. Для установки на автомобиле системы освещения с ксеноновой лампой необходимо использовать как минимум два ком­плекта таких преобразователей, чтобы обеспечить требуемое светораспределение фар дальнего и ближнего света. Все это делает систему го­ловного освещения достаточно сложной и дорогостоящей.