مهندسي روشنايي در چراغهاي جلو خودر
- توضیحات
- دسته: مجموعه شماره 2
- منتشر شده در دوشنبه, 18 دی 1391 22:48
- نوشته شده توسط Mehdi Jahanbakhsh
مهندسي روشنايي در چراغهاي جلو خودر
نويسنده : سعيد اسماعيلي، رضا افضل‌زاده،
تاريخچه
تاريخ تحول چشمه‌هاي نوري خودرويي به چند دوره تقسيم مي‌شود. از 1892 تا 1912 ميلادي، دوره‌اي است كه در ابتداي آن خودروها دستگاه روشنايي نداشتند و در انتهاي اين دوره، خودروها مجهز به نوعي چراغ به نام لامپ استيلني شدند. دوره دوم از 1912 تا 1939 ميلادي است، در اين دوره خودروها نوعي لامپ الكتريكي قابل جدا كردن داشتند كه در درون سيستم رفلكتور بعلاوه عدسي نصب مي‌شد. از 1939 تا سال 1979 ميلادي دوره سيستم‌هاي چراغ مهر و موم شده است. در اين سيستم در صورت سوختن لامپ بايد تمام سيستم تعويض مي‌شد.
تا 1902 ميلادي همه خودروها چراغ نداشتند. در اين ايام، خودروها در غياب چراغ در شب بيشتر به گاري‌هاي بي‌اسبي تبديل مي‌شدند با اين تفاوت كه شب هنگام نمي‌توانستند به خانه برگردند. در سال‌هاي بعد از نفت سفيد به عنوان سوخت چراغ خودروها استفاده مي‌شد. اين سيستم شباهت زيادي به فانوس معمولي داشت. لامپهاي روغني تا 1906 ميلادي رايج بودند، اما به دليل ناكافي بودن نور توليد شده، كم‌كم لزوم ايجاد تغيير در آنها احساس شد. در1906 ميلادي، لامپهاي قوي‌تري عرضه شدند.
اين لامپ‌ها همچنان غيرالكتريكي بودند و در آنها از استيلن به عنوان سوخت استفاده مي‌شد. اين سيستم شامل لنزي تخت و شفاف بود كه گستردگي مناسبي به نور مي‌داد. از اين زمان و با افزايش سطح نور لامپهاي جلو، ملاحظه‌هاي مربوط به خيرگي ناشي از نور زياد مورد توجه قرار گرفت. سپس بر روي خودروي شركت فورد، مدل 1909 چراغ جلو استيلني به همراه چراغهاي كناري روغني نصب شد. در حدود 1908 ميلادي، لامپهاي الكتريكي با فيلامان كربني براي كاربرد در خودروها عرضه شدند. در 1911 ميلادي برخي خودروها از لامپهاي الكتريكي استفاده مي‌كردند و در 1912 ميلادي استفاده از لامپهاي الكتريكي بر روي خودروها، البته با استثناهايي همه‌گير شد. در اين سال‌ها كاري بر روي توزيع نور توليد شده در چراغ‌ها انجام نشده بود و نور چراغ جلوي خودرو عملاً مانند نقطه‌اي نوراني بود كه روي جاده افكنده مي‌شد. در 1912 ميلادي كم‌كم عدسي‌هاي نيمه‌شفاف و لنزهاي طرح‌دار كه روي شيشه آنها شيارها و منشورك‌هايي ايجاد مي‌شد، عرضه شدند و هدف از كاربرد آنها توزيع مناسب نور بود. سال 1915 ميلادي از چند جهت در تاريخ نوردهي خودرويي مهم است. تا پيش از اين سال، لامپهاي به كار رفته لامپ‌هايي بودند كه در آنها فيلامان در محيط خلاء نسبي با عبور جريان الكتريكي به دماي التهاب رسانيده مي‌شد. در اين سال، لامپ‌هايي عرضه شدند كه با گازي خنثي (نيتروژن يا آرگون) پر شده بودند. يك فيلامان در حضور اين گاز خنثي كه با تنگستن واكنش نمي‌كرد، داغ مي‌شد. اين تغيير، عمر لامپ را افزايش مي‌داد و اين امكان را فراهم مي‌كرد كه فيلامان بدون اكسيد شدن تا دماهاي بالاتري داغ شود و نور توليد شده را افزايش مي‌داد. در سال 1915 لنزها كم‌كم تغيير كردند و به بخش فعال اپتيكي در توزيع نور لامپ تبديل شدند. اين تغيير در لنزها تا چندين سال ادامه يافت و در جست‌وجوي بهترين نقش بر روي لنز، گام‌هاي زيادي برداشته شد.
در سال 1924 ميلادي تحول ديگري رخ داد و چراغ جلويي با دو پرتو شامل نور بالا و نور پايين عرضه شد. اين كار با لامپهاي دو فيلاماني انجام مي‌شد. در 1930 ميلادي در مدل‌هاي مختلف كاديلاك، انواع چراغ جلو داراي لنزهاي طرح‌دار استفاده مي‌شد. در 1932 ميلادي چراغ جلوهايي با نور پايين غيرمتقارن عرضه شدند. تا پيش از اين زمان، الگوي پرتوي ايجاد شده توسط سيستم لامپ، رفلكتور و لنز متقارن بود و در نتيجه رانندگي شبانه همراه با نور خيره‌كننده زيادي بود كه خطرهاي زيادي ايجاد مي‌كرد. با اين پيشرفت، نور بيشتري به سمت مخالف راننده هدايت مي‌شد و در نتيجه ايمني رانندگي بهبود يافت. در 1934 ميلادي، چراغهاي پيش تمركز يافته عرضه شدند كه در آنها پوششي ويژه در محل استقرار لامپ در رفلكتور ايجاد شده بود و هنگامي كه لامپ درون آن قرار مي‌گرفت، جهت‌گيري فيلامان و همچنين فاصله آن از كانون رفلكتور به درستي تنظيم مي‌شد. اين آخرين پيشرفت عمده تا زمان ظهور لامپهاي هالوژن رايج فعلي بود.
سيستم‌هاي اپتيكي چراغ جلو
الف- پروژكتورها و رفلكتورها
هدف از سيستم اپتيكي خودرو، دستيابي به بازدهي هر چه بيشتر نور خروجي از چشمه نور، شكل‌دهي مناسب پرتوي نور و هدايت و متمركز كردن آن در مناطقي است كه براي راننده وسيله نقليه ضروري ميباشد. البته همه اين شرايط با رعايت مقررات قانوني و استانداردها انجام مي‌شود.
در طراحي سيستم اپتيكي مناسب، معمولاً از نرم‌افزارهاي بسيار پيشرفته رايانه‌اي مانندASAP به انضمام ماجول ELTM و رفلكتور CAD استفاده مي‌شود. بخشي كه در تمام سيستم‌هاي اپتيكي فعلي مشترك است رفلكتور ميباشد. وظيفه رفلكتور، گرد آوردن نور توليد شده توسط لامپ و جهت‌دهي مناسب به آن است به‌گونه‌اي كه پس از عبور از لنز، الگوي استانداردي ايجاد شود. رفلكتورها معمولاً از فلز و گاهي بامواد ترموست با تكنولوژي توليد قالب توده‌اي(BMC) ساخته مي‌شوند و سطح آنها با لايه‌اي بازتابنده (آلومينيم) پوشانده مي‌شود. لنز چراغ جلو يا بدون گذاشتن هيچ اثري اجازه مي‌دهد كه نور مستقيماً از آن بگذرد (رفلكتورهايMR). و يا در توزيع نور نقشي برعهده دارد. موادي كه براي افزايش بازتاب نور، روي سطح رفلكتورها نشانده مي‌شوند معمولاً به روش لايه نشاني در خلاء، با لايه‌اي از آلومينيم پوشانده مي‌شود و براي پيشگيري از اكسيد يا خورده شدن با لايه‌اي محافظ نظير SiO2 پوشانده مي‌شود.
ب- رفلكتور سهموي
در اين سيستم، رفلكتور تك كاسه به صورت يك سهموي است. چشمه نور در نزديكي نقطه كانوني آن قرار مي‌گيرد. لذا پرتوي توليد شده به ميزان زياد موازي است. سپس نور توسط عناصر اپتيكي ديگر كه در جلوي سيستم قرار مي‌گيرند (لنز و نقش‌هاي برجسته روي آن...) به صورت مناسبي توزيع مي‌شود. شكل 1، طرحي از عمل رفلكتور را نشان مي‌دهد.
|
|
شكل 1: چگونگي عمل رفلكتور
در اين آرايش، شعاع‌هاي نور موازي هم مي‌شوند و الگويي متقارن ايجاد مي‌شود كه مي‌توان آن را به صورت يك پرتوي فشرده در آورد. اگر چشمه نور به رفلكتور نزديك شود پرتو، پهن‌تر و گسترده‌تر مي‌شود، در حالي كه اگر چشمه نور از رفلكتور دور شود شعاع‌هاي نور همگرا مي‌شوند. اگرچه رفلكتور سهموي بيشترين كارايي را در كاربردهايي دارد كه نياز به خط قطع تيز ندارند (نظير الگوهاي نور پرتوي پايين)، اما خوبي آن در اين است كه محدوديتي براي اندازه رفلكتور و لنز در اين آرايش وجود ندارد. رفلكتورهاي سهموي بزرگ‌تر، نور را بهتر كانوني مي‌كنند و اين امر آنها را براي كاربردهايي كه محدوديت فضاي نصب در جلوي خودرو وجود نداشته باشد، ايده‌آل مي‌كند.
بيشتر لامپهاي هالوژني كه در سيستم‌هاي چراغ جلو به‌كار مي‌روند داراي دو رشته (فيلامان) هستند، همچنين اين سيستم‌ها داراي سپري سرخود براي ممانعت از گسيل نور در جهت‌هاي نامناسب مي‌باشند يعني نوار فلزي با طول و عرض مناسبي بر روي شيشه لامپ نشانده مي‌شود. فيلامان مربوط به پرتوي پايين (نور پايين) چند ميلي‌متر جلوتر و بالاتر از نقطه كانون رفلكتور قرار دارد به‌گونه‌اي كه نور پرتوي پايين به سوي جلو و پايين بازتابيده مي‌شود. رشته مربوط به نور پرتوي بالا دقيقاً در نقطه كانون رفلكتور قرار دارد و در نتيجه در اين وضعيت نور مستقيماً به جلو بازتابيده مي‌شود.
سيستم‌هاي سهموي از 1910 ميلادي استفاده شده‌اند. در اين سيستم‌ها، سطح رفلكتور يك سهموي است (يك سهمي كه حول محور خود دوران داده شده است). اگر از روبه‌رو به رفلكتور نگاه كنيم، بخش بالايي آن در نور پايين به‌كار مي‌رود كه در شكل 2 مشخص شده است. در شكل 3 نمايي جانبي از رفتار رفلكتور سهموي در توليد پرتوي پايين را مي‌بينيد.
|
|
شكل 2: سطح مؤثر رفلكتور (نماي جلو)
|
|
شكل 3: بازتاب نور بر روي سطح جاده (نماي جانبي)
چشمه نور به گونه‌اي مستقر مي‌شود كه نوري كه از آن به سوي بالا تابيده مي‌شود توسط رفلكتور به سوي پايين بازتابيده شده، از محور اپتيكي گذشته و روي جاده مي‌افتد. و لنز شيشه‌اي يا پلي‌كربناتي پلاستيكي شياردار نقش تعيين كننده در زمينه توزيع مناسب نور بر روي جاده را دارد (چراغهاي جلو پژو و 405و پرايد در اين گروه قرار دارد).
پ- رفلكتور شكل- آزاد (FF)
در اين سيستم هر بخش از سطح رفلكتور به روشن نمودن ناحيه معيني از جاده اختصاص داده مي‌شود. براي طراحي سطح اين نوع رفلكتورها از نرم‌افزارهاي متعددي استفاده مي‌شود. اين سيستم از بقيه لحاظ، شبيه سيستم رفلكتور سهموي است. شكل3، تصويري از يك رفلكتور شكل- آزاد را نشان مي‌دهد.
در فناوري FF (شكل آزاد يا سطح آزاد) با شبيه‌سازي‌هاي رايانه‌اي، سطح رفلكتور و همچنين محل استقرار لامپ بهينه مي‌شود. فناوري FF اجازه مي‌دهد كه سطح رفلكتور به صورت نقطه به نقطه محاسبه شود. چراغهاي جلوي اين گونه با لنز شفاف كاملاً قابل تشخيص هستند. فناوري FF اين امكان را فراهم مي‌كند كه سطح رفلكتور به گونه‌اي طراحي شود كه پرتو ايجاد شده شكل دلخواه و مناسب را دارا بوده و نيازي به ايفاي نقش لنز در شكل‌دهي پرتو نباشد و تنها وظيفه لنز محافظت از بخش‌هاي حساس درون كاسه رفلكتور است.
|
|
شكل 4: رفلكتور FF
ت- سيستم‌هاي پروژكتوري بيضوي
در اين سيستم‌ها، براي رفلكتور از الگوي FF به جاي هندسه معمول استفاده مي‌شود. سطح رفلكتور، سطحي بيضوي (يا تقريباً بيضوي) است. اين رفلكتور نور توليد شده توسط چشمه نور را جمع مي‌كند. چشمه نور در نزديكي كانون اصلي يا نقطه معادل آن قرار دارد. سپس نور توسط رفلكتور به صفحه كانوني ثانوي كه يك سپر فلزي در آن قرار دارد تابيده مي‌شود. اين سپر فلزي، الگوي اوليه‌اي به توزيع نور بر سطح جاده را مي‌دهد. در اين سيستم، لنز كاملاً شفاف است. شكل سپر، محل قرارگيري عمودي آن و فاصله آن تا چشمه از پارامترهاي مؤثر در چگونگي توزيع نور بر سطح ميدان ديد راننده ميباشد.
مثالي از اين وضعيت را در شكل 5 مي‌بينيد. رفلكتور، پرتوهاي نور يك چشمه نور را بر روي تصوير متمركز مي‌كند. تصوير مي‌تواند اسلايد عكس باشد. يك عدسي محدب – تخت ، تصوير را بزرگ كرده و در فاصله‌اي مناسب به‌طور واضح بر پرده‌اي مي‌اندازد. نام‌هاي ديگر «لنز بيضوي» يا «لنز جمع‌كننده» نيز ميباشد. در سيستم پروژكتور خودرويي رفلكتوري كه پشت چشمه نور قرار گرفته، مقدار هر چه بيشتري از نور را جمع‌آوري مي‌كند و از بالاي سپر قطع‌كننده عبور مي‌دهد. سپس اين نور توسط عدسي محدب - تخت به‌طور مناسبي توزيع مي‌شود. اين سيستم از بخش‌هاي زير تشكيل شده است:
1. چشمه نور
2. رفلكتور
3. سپر قطع‌كننده(كات آف)
4. عدسي محدب - تخت
|
|
شكل 5: چگونگي عمل سيستم پروژكتوري بيضوي
سازندگان چراغ جلوي خودرو معمولاً علاقه‌مندند كه از يك سيستم پروژكتور واحد در چراغ جلوي وسايل نقليه متفاوت استفاده كنند. اين كار در بسياري مواقع ممكن شده است، اما نكته مهم اين است كه بيشتر پروژكتورهاي خودرويي، ظاهري تقريباً مشابه دارند. تنها تفاوت آنها در قطر و عمق است كه هميشه متناسب است. هر چه عدسي محدب – تخت، بزرگ‌تر باشد پروژكتور داراي عمق بيشتري است.
چراغهاي جلو خودرو سمند از اين تكنولوژي براي نور پايين استفاده مي‌كنند و نوربالا از نوع رفلكتورهاي شكل آزاد- قطعه قطعه (MR) ميباشد.
عدسي‌هاي محدب - تخت از نظر شكل ظاهر به سه گروه تقسيم مي‌شوند:
1. شفاف: بهترين روشنايي براي نورپايين را مطابق با استانداردهاي ECE ، EEC (استانداردهاي اروپا) فراهم مي‌كند.
2. شياردار: به نام Fresnel نيز شناخته مي‌شوند. كمترين روشنايي سوي پايين را دارد. نور كمي بيشتر از بالاي سپر قطع‌كننده عبور مي‌كند و عموماً نور را به‌گونه‌اي بهتر مي‌گستراند. معمولاً در پروژكتورهاي DOT (استاندارد امريكاي شمالي) استفاده مي‌شود.
3. نرم: مانند مورد بالا است، اما مقداري از نور را به سمت عقب به سوي رفلكتور باز مي‌تاباند كه به معناي بازدهي كمتر است. بر روي پروژكتورهاي(DOT)اAcura Integra به كار مي‌رود.
شكل 6، تصوير سه نوع عدسي محدب - تخت را نشان مي‌دهد.
نكاتي كه در بالا گفته شد به اين معنا نيست كه يكي از اين طرح‌ها بهتر از ديگري است. يك پروژكتور به صورت واحدي كامل طراحي مي‌شود و كيفيت كلي و سطح خروجي نور از آن به عوامل ديگري نيز بستگي دارد.
براي هر نوع رفلكتور، انتخاب نوع لامپ اهميت زيادي دارد و بستگي به نوع لامپ، ميزان نور توليد شده متفاوت است. در ضمن شكل هندسي لامپ و فيلامان در طراحي بسيار اهميت دارد.
|
|
شكل6: تصويري از 3 نوع عدسي محدب - تخت
از راست به چپ: نوع نرم، نوع شياردار يا فرنل و نوع شفاف
ث- رفلكتورهاي شكل آزاد-قطعه قطعهMR
در سال‌هاي اخير براي چراغهاي جلو پرتوي پايين با لامپهاي هالوژني از رفلكتورهاي با شكل آزاد (قطعه قطعه) يا MR استفاده شده است. پيشرفت‌هاي حاصل شده در ساخت سطوح اپتيكي با شكل آزاد در كنار توسعه رايانه‌هاي قدرتمند لازم براي شبيه‌سازي‌هاي رايانه‌اي نورسنجي مورد نياز، امكان طراحي‌هاي بهينه را فراهم كرده است. اين طراحي‌ها به‌گونه‌اي است كه شكل بهينه هر قطعه از رفلكتورها محاسبه مي‌شود. سپس اين قطعات در كنار هم قرار گرفته و رفلكتور كامل را تشكيل مي‌دهند. اين تكنولوژي در چراغهاي جلو تك كاسه با لامپ H4 براي خودرو لوگان و همچنين در چراغهاي جلو دو كاسه خودرو پژو پارس استفاده شده است. در چراغهاي جلو دو كاسه براي نورپايين از لامپ هالوژني H7 و براي نور بالا از لامپ هالوژني H1 و H7 استفاده مي‌شود. تكنيكي جديد كه توسط OEC AG براي طراحي اين سطوح آزاد توسعه داده شده است هر گونه نياز به تكه‌تكه كردن سطح را حذف كرده و اجازه مي‌دهد كه هر توزيع، روشنايي دلخواهي را با سطحي آزاد، يكپارچه و هموار به‌دست آورد.
در اين روش روشنايي در يك ناحيه ويژه از منطقه هدف، با انحناي سطح اپتيكي رفلكتور مربوط مي‌شود. سپس از حل معادله‌هاي ديفرانسيل با مشتقات جزيي حاصله، شكل سطح محاسبه مي‌شود. اين روش طراحي اين امكان را پديد مي‌آورد كه توزيع‌هاي نوري بي‌تلف توليد شود كه به‌طور شگفت‌آوري دقيق هستند. (شكل 7)
|
|
شكل 7: رفلكتور قطعه‌قطعه
ج- سيستم تطبيقي پيشرفته (AFS)
سيستم تطبيق پيشرفته چراغ جلو ساخت شركت Visteon، شامل بخش كنترلي الكترونيك است كه الگوي نور چراغ جلو را در جهتي كه شرايط رانندگي نياز دارد مانند سرعت و در جهت وسيله نقليه تنظيم مي‌كند. در هر يك از شرايط رانندگي، توزيع الگوي نور در جهت بهينه كه بستگي به شرايط رانندگي دارد تنظيم مي‌شود تا راننده بهترين ديد را داشته باشد. اين برتري ديد در شب، ايمني رانندگي را بيشتر و احتمال تصادفات را كاهش مي‌دهد. در شكل 8، نمونه الگوي نور چراغ تطبيقي نشان داده شده است. گردش چند درجه‌اي الگوي نور لامپ به سمت پيچ جاده توسط سيستم گردنده براي افزايش ديد راننده در شكل 8 و چراغ جانبي در هنگام پيچيدن ناگهاني نشان داده شده است.
|
|
شكل 8: الف) سيستم گردنده الگوي چراغ
|
|
ب) الگوي چراغ جانبي
فناوري‌هاي لامپهاي چراغهاي جلو خودرويي
الف – لامپهاي هالوژن- تنگستن
لامپ تنگستن – هالوژن به لامپ التهابي غيرهالوژني شباهت زيادي دارد و در آن از يك فيلامان تنگستني واقع در يك حباب شيشه‌اي شفاف و پر از نوعي گاز استفاده مي‌شود. تفاوت‌هاي عمده عبارتند از: وجود مقداري اندك از بخار يك هالوژن (يد يا برم) كه به گاز خنثاي درون حباب اضافه شده است و همچنين فشار گاز و دماي كار اين لامپ‌ها كه بسيار بالاتر از لامپهاي غيرهالوژني است. حباب لامپ هالوژن از (Fused Quartz، سيليكا، SiO2)، شيشه با سيليكاي بالا (High Silica Glass) يا شيشه آلومينو سيليكات سخت ساخته مي‌شود تا فشارها و دماهاي بالاي كار را تحمل كند. (Hard glass) در نمونه‌هاي اوليه اين لامپ‌ها از جنس Fused Quartz و بخار يد استفاده مي‌شد و به همين دليل به آنها «لامپهاي كواترز- يد» گفته مي‌شد. اكنون به خاطر اينكه هم از هالوژن‌هاي ديگر و هم مواد ديگر در ساخت حباب استفاده مي‌شود از نام عمومي‌تر تنگستن- هالوژن استفاده مي‌شود. لامپهاي هالوژن- تنگستن در چرخه بازتوليد هالوژن كار مي‌كنند و اين چرخه باعث مي‌شود كه در سراسر عمر لامپ، خروجي نور و دماي رنگ آن ثابت باشد. مهم‌ترين مشخصه لامپ هالوژن- تنگستن، چرخه هالوژن است.
در لامپهاي رشته‌اي تنگستن- هالوژن، اندكي از مولكول‌هاي تنگستن از روي فيلامان داغ تبخير مي‌شوند و توسط جريان‌هاي همرفتي موجود در گاز خنثاي موجود در حباب لامپ، به نواحي نسبتاً سردتر مجاور ديواره داخلي حباب لامپ برده مي‌شوند و از آنجا بر روي شيشه مي‌نشينند. ضخامت اين لايه رفته رفته زيادتر مي‌شود. اين پديده از دو جهت باعث كاهش خروجي لومن و بازدهي لامپ مي‌شود. اول، نشست تنگستن بر روي ديواره حباب لامپ باعث ايجاد لايه‌اي كدر مي‌شود كه لايه كدر بخشي از نور لامپ را جذب مي‌كند. بنابراين نور خروجي كلي را كاهش مي‌دهد. دوم آنكه تبخير شدن تنگستن از روي فيلامان باعث نازك شدن آن و افزايش مقاومت الكتريكي و در نتيجه (در ولتاژ ثابت) باعث كاهش جريان، ولتاژ ، سطح لومن، لومن بر وات و دماي رنگ نور مي‌شود. در لامپهاي تنگستن- هالوژن، اثرهاي توصيف شده در بالا، به دليل وقوع چرخه هالوژن كاهش يافته يا به تأخير انداخته مي‌شوند. اين پديده، همچنان كه پيش از اين نيز گفته شده است به وسيله اختلاف دما بين فيلامان و حباب رخ مي‌دهد. به‌طور كلي در طي اين چرخه:
1. فيلامان، گاز درون حباب و حباب شيشه‌اي در ابتدا هم دما هستند و دماي آنها در حالت شروع سرد، برابر با دماي محيط است.
2. وقتي كه توان الكتريكي به سيستم داده مي‌شود، فيلامان به سرعت به دماي كار رسانده مي‌شود (بسته به نوع كاربرد بين 2800 تا 3400 درجه كلوين) و باعث گرم شدن گاز مي‌شود. در شرايط كار لامپ، دماي پوشش شيشه‌اي بين 400 تا 1000 درجه سلسيوس است. در نتيجه دماي گاز درون لامپ بين دو حد دمايي بالا خواهد بود يعني بين دماي فيلامان و دماي شيشه. اختلاف دما در گاز باعث اختلاف چگالي گاز در نواحي مختلف لامپ مي‌شود. در نتيجه مي‌توان گفت كه وجود اين اختلاف دما باعث حركت همرفتي گاز مي‌شود.
3. پس از شروع به‌كار لامپ، دماي ديواره شيشه‌اي افزايش مي‌يابد و هنگامي كه دماي آن به حدود 200 تا 250 درجه سلسيوس رسيد چرخه هالوژن آغاز مي‌شود. دماي دقيق آغاز اين چرخه به نوع و مقدار بخار هالوژن بستگي دارد. مولكول‌هاي تنگستن تبخير شده از روي فيلامان با بخار هالوژن تركيب شده و يك هاليد تنگستن (يديد- تنگستن يا برميد- تنگستن) تشكيل مي‌دهند. اين هاليد بر روي ديواره داغ حباب نمي‌نشيند بلكه همراه با جريان همرفتي گاز به ناحيه مجاور فيلامان برمي‌گردد.
4. در مجاورت فيلامان، دما در حدود 2500 درجه سلسيوس است. در اينجا هاليد تنگستن تجزيه شده و به اتم‌هاي تنگستن و يون‌هاي هاليد تجزيه مي‌شود. بنابراين اتم‌هاي تنگستن بر روي فيلامان مي‌نشينند.
5. پس از تجزيه هاليد تنگستن، بخار هالوژن به جريان همرفتي گاز پيوسته و به ادامه يافتن اين چرخه كمك مي‌كند.
اين دو واكنش، چرخه‌اي به شكل زير را تشكيل مي‌دهند.
|
|
بنابراين، اين چرخه با پيشگيري از نشستن و رسوب تنگستن بر روي شيشه لامپ، باعث ثابت ماندن نسبي بهتر سطح لومن لامپ با گذشت زمان مي‌شود.
|
|
شكل 1 : نمونه‌اي از لامپهاي هالوژني H7-H4-H3-H1 استفاده شده در چراغهاي جلو خودرو
ب- لامپ تخليه شدت بالا يا HID
اساس كار اين لامپ‌ها، تشكيل قوس الكتريكي بين دو الكترود با فاصله مشخص، واقع در محيط گازي است. در اين محيط همچنين تركيبات هاليد، فلز خاصي قرار داده مي‌شود كه طيف رنگ توليد شده را هر چه بيشتر به نور سفيد نزديك مي‌كند. به همين دليل به لامپهاي HID، لامپ هاليد فلز هم گفته مي‌شود. اغلب از لامپهاي مورد استفاده در چراغ جلوهاي HID خودرويي با عبارت لامپهاي زنوني ياد مي‌شود. اين لامپ‌ها نوع ويژه‌اي از لامپهاي هاليد فلز هستند. بنابراين در ادامه اين بحث منظور از لامپ HID خودرويي يا لامپ زنوني، لامپ HID هاليد فلز است.
در اين نوع لامپ، دو حباب شيشه‌اي وجود دارد. حباب بيروني لوله شكل و به قطر حدود 10 ميلي‌متر است. درون اين حباب، حباب ديگري قرار دارد كه محل تشكيل قوس است و به آن لوله تخليه گفته مي‌شود. حباب بيروني از جنس كوارتز خاص نظير كوارتز آلاييده با سريم (se) ساخته مي‌شود كه جلوي عبور بيشتر UV توليد شده در قوس به خصوص طول موج‌هاي كوتاه و متوسط اين باند را مي‌گيرد. همچنين جلوي عبور خط طيفي UV پرشدت جيوه با طول موجب 365-366 نانومتر را مي‌گيرد. لوله تخليه يا حباب داخلي از Plain Fused Quartz يا به عبارت ديگر شيشه بسيار خالص SiO2 با خلوص بالاي 99درصد ساخته مي‌شود. در اين حباب دو يا سه الكترود تنگستني به فاصله (نوك تا نوك) حدود 2/4 يا 5 ميلي‌متر (تقريباً كمي كمتر از 2/0 اينچ) قرار مي‌گيرند. ساختار اين لوله تخليه شبيه لامپهاي قوس كوتاه مينياتوري، اما با قوس بسيار بزرگ است.
لوله تخليه حاوي گاز زنون، جيوه و هاليدهاي فلز ميباشد. فشار گاز زنون در هنگامي كه لامپ سرد است حدود 2 اتمسفر و هنگامي كه لامپ گرم مي‌شود به چند اتمسفر مي‌رسد. هنگامي كه جيوه تبخير مي‌شود فشاري برابر حداقل 20 اتمسفر به سيستم مي‌افزايد. با اين حساب، فشار كل 30 اتمسفر و بيشتر خواهد بود. هاليدهاي فلز مورد استفاده، معمولاً هاليدهاي سديم و اسكانديم (اغلب يدهاي اين مواد) و احتمالاً مقادير اندكي از هاليدهاي ليتيم و تاليم مي‌باشند. شكل2، نمايي از لامپ HID نوع D1 را نشان مي‌دهد.
|
|
شكل 2: طرحي از لامپ HID از نوع D1
در لامپهاي هاليد فلز معمولي‌تر به جاي زنون با فشار بالا از آرگون در فشار پايين استفاده مي‌شود. استفاده از زنون فشار بالا اين مزيت را دارد كه در خلال مرحله گرم شدن كه رشته تنگستني در حال گرم شدن است و پيش از آن كه ديگر اجزاي توليد كننده نور (جيوه و هاليدهاي فلز) تبخير شده و نور توليد كنند مقداري نور توسط زنون توليد مي‌شود. دو نوع رايج لامپ HID خودرويي، لامپ D1 و لامپ D2 هستند. در لامپ D1 بخش جرقه‌زن در پايه لامپ مستقر شده و در نوع D2 جرقه‌زن به كمك كابل ولتاژ بالا به لامپ متصل مي‌شود. لامپ HID با 35 وات مصرف داراي حدود 3000 لومن يعني دو برابر لامپهاي هالوژني بوده و طول عمر آن حدود6 برابر يعني حدود 3000 ساعت است.
پ- چراغ جلوي خودرويي با لامپ ديودي(LED)
از هنگامي كه كاديلاك، اولين لامپ عقب كاملاً ديودي را روي مدل Deville- 2000 خود نصب كرد تاكنون، پيشرفت‌هاي فناوري LED در حدي بوده كه از آنها در لامپهاي ترمز نيز استفاده مي‌شود، اما مفهوم چراغ جلوهاي ديودي نيز خيالي نيست.
اكنون، تقريباً همه سازندگان خودرو در نمايشگاه‌ها، خودروهاي مجهز به چراغ جلوهاي LED را در معرض نمايش قرار مي‌دهند و به سوي كسب آمادگي‌هاي لازم براي توليد انبوه اين محصولات حركت مي‌كنند. اين هدف، با توجه به رشد سريع ميزان نور قابل دستيابي با LEDهاي سفيد، ممكن شده است. هم‌اكنون LEDهاي سفيد با شار نوري تا 60 لومن و درخشندگي حدود cd/m2ا9 در دسترس قرار دارند. خوب است نگاهي به همين پارامترها براي لامپهاي چراغ جلوي خودرويي كنوني بيندازيم، يك لامپ هالوژن H7 يعني همان نوعي كه اكنون در چراغ جلوهاي پروژكتوري پژوپارس به‌كار مي‌رود 1500 لومن تأمين مي‌كند و روشنايي آن حول و حوش cd/mm2ا30 است، البته همين پارامترها براي لامپهاي زنوني (HID) بسيار بيشتر است. اين مقايسه، نشان مي‌دهد كه چالش پيش‌روي طرح‌هاي اپتيكي براي قابل كاربرد كردن چراغ جلوهاي خودرويي ديودي، در دستيابي به سطوح بالاي بازدهي و همچنين استفاده خوب از مساحت روزنه‌اي است كه در دسترس قرار دارد. در شكل 3، تعدادي از انواع LEDهاي رايج را مشاهده مي‌كنيد.
|
|
شكل 3: انواع رايج LEDها
در سيستم‌هاي چراغ جلوي پرتوي پايين فعلي تنها يك سوم نور در دسترس بر نواحي مناسب روي جاده تابانده مي‌شود. باقيمانده نور موجود يا در سيستم چراغ جلو تلف شده يا به سمت‌هاي جانبي هدايت مي‌شود. بنابراين حتي اگر فرض كنيم اين بازدهي (يعني يك سوم) در چراغ جلوهاي ديودي دو برابر شود، با اين حقيقت روبه‌رو مي‌شويم كه حدود 15 عدد از اين LEDهاي گران‌قيمت به علاوه اجزاي اپتيكي مربوطه مورد نياز است تا به سطحي قابل قبول براي نور پرتوي پايين خودرو برسيم. با اين فرض ممكن است بتوانيم تلف‌هاي حين انتقال را كه حدود 25 تا 30 درصد هستند كاهش دهيم كه كار بسيار مشكلي است، زيرا تلف‌هاي بازتابي در چراغ جلو به تنهايي حدود 10 درصد مي‌شوند.
حوزه اجراي اپتيكي ويژه روشن‌سازي سطوح، تا مدت‌هاي طولاني در تسلط المان‌هاي اپتيكي تصويري كلاسيك بوده است، يعني سطوح كروي، مقاطع مخروطي، بيضوي‌ها و سهموي‌ها. اين المان‌ها براي توليد توزيع‌هاي نوري كه دقيق و با شدت مناسب باشند (براي مثال الگوهاي نور پرتوي پايين كه بايد چنين باشند) داراي درجه‌هاي آزادي كافي نيستند. در چراغ جلوهاي پروژكتوري اين مشكل با استفاده از سپري با شكل ويژه حل مي‌شود. نور توليد شده توسط لامپ بر روي اين سپر تابانده مي‌شود. سپس نواحي سايه و روشن حاصله مانند تصويري بر روي جاده انداخته مي‌شود. در اين حالت، به قيمت كسب الگوهاي دقيق و با جزئيات مناسب، مقداري از بازدهي سيستم فدا مي‌شود. با استفاده از محصولات اين روش طراحي، براي توليد يك الگوي خاص پرتو، ديگر از تصوير نمودن مرز يك سپر چنانكه در سيستم‌هاي پروژكتوري انجام مي‌شود خبري نيست بلكه نور به‌طور دقيق به جايي كه بايد، هدايت مي‌شود. در شكل 4 نمونه‌اي از يك سطح آزاد سه بعدي، ارائه مي‌شود.
|
|
شكل 4: نمونه‌اي از يك سطح آزاد سه بعدي با چشمه نور LED
اين سطح قادر است هر توزيع نور دلخواهي را ايجاد كند. براي مثال در اين شكل، آينه‌اي مدور با شكل آزاد توسط يك LED ساده از بالا روشن شده است. مي‌بينيد كه اين آينه تمام نور را به‌گونه‌اي يكنواخت روي پرده يك مربع روشن به جلو بازتابانده است. در حالي كه هيچ عمل تصويرگري انجام نشده است. انحناي سطح آينه به‌گونه‌اي محاسبه شده كه يك ناحيه كاملاً مربعي به‌طور يكنواخت روي پرده روشن شود. اين آينه توسط IPTا در آخن آلمان ساخته شده و طراحي آن توسط OEC AG بوده است.
ت – لامپ‌ها در كنار تكنولوژي فيبر نوري
از فيبرهاي نوري براي انتقال نور از چشمه نور به نواحي مختلف خودرو و به خصوص به همه نشانگرهاي روي داشبورد و چراغهاي جلو ، استفاده مي‌شود. در يك سيستم نور توزيعي، چشمه توليد نور را در ناحيه‌اي مناسب از فضاهاي در دسترس در خودرو قرار داده و به وسيله لوله‌هاي نوري با ضريب انتقال بالا و اتلاف پايين و همچنين اجزاي اپتيكي مناسب، نور در نواحي مختلف درون و بيرون خودرو توزيع مي‌شود (شكل 5).
|
|
شكل 5: نمايي از سيستم نوردهي توزيعي و لامپ مربوطه براي نوردهي بيرون خودرو
يك سيستم نوردهي توزيعي براي نوردهي فضاي خارجي خودرو از يك منبع نور HID، ابزار نوري كه نور توليد شده را به فيبر نوري وارد مي‌كنند و يك لوله نوري (از جنس فيبر نوري) با هسته‌اي بزرگ تشكيل شده است.
در پايان مقاله نمونه‌اي از لامپهاي تيپ استفاده شده در خودرو به همراه محل مصرف آنها مطابق با تقسيم‌بندي كمپاني اسرام در شكل 6 آورده است.
شكل 6: نمونه‌اي از لامپهاي تيپ استفاده شده به همراه محل مصرف آنها مطابق با دسته‌بندي كمپاني اسرام
