Газоразрядные лампы высокой интенсивности

 

Введение

 

Освещение и видимость

Фары освещают дорогу перед автомобилем. Необходимо, чтобы они удовлетворяли требованиям всех участников дорожного движения. Особые требования предъявляются к фарам ближнего света, так как они не должны ослеплять водителей встречных автомобилей.

Наиболее качественное и яркое освещение обеспечивают системы с ксеноновыми лампами. Оптимальное распределение светового потока в любых условиях эксплуатации обеспечивается вспомогательными системами, наличие которых требуется в соответствии с законодательством.

 

Преимущества

На сегодняшний день наиболее совершенными являются автомобильные фары с ксеноновыми лампами. Ксеноновые лампы имеют два главных преимущества перед традиционными лампами накаливания: ксеноновые лампы создают вдвое больший световой поток, по сравнению с современной лампой H7, потребляя при этом лишь 2/3 мощности. Улучшенный световыход обеспечивает более яркое освещение дороги и позволяет осветить более широкий участок, при этом спектр излучения ксеноновой лампы, близкий к дневному свету, благоприятно воспринимается глазом. Водитель меньше устает, и управление автомобилем становится менее напряженным. Этим достигается существенное повышение уровня безопасности и комфортабельности управления автомобилем.

 

 

 

По сравнению с галогенными, ксеноновые лампы обладают следующими преимуществами:

– почти в 3 раза больший световой поток (количество света/световыход);

– высокая эффективность освещения (фотометрическая эффективность);

– значительно меньшая потребляемая мощность — всего 35 Вт;

– меньшая тепловая нагрузка на систему;

– значительно больший срок эксплуатации;

– спектр излучаемого света близок к спектру дневного света.

 

Примечание

В зависимости от модели ксеноновые лампы могут быть установлены только в качестве ламп ближнего света. В этих случаях в качестве ламп дальнего света устанавливается лампа H1 (55 Вт).

В зависимости от страны эксплуатации транспортного средства установка автоматического корректора света фар (AHLS) может быть обязательным условием (например, в Европе)!

 

Меры предосторожности

 

 

Конструкция системы

 

Основными компонентами системы HID являются балластный блок, лампа (типа D2S или D2R) и фара (проекционная или рефлекторная).

 

Проекционные фары

В таких фарах используется отражатель свободной, а не правильной формы. Он собирает свет от источника вблизи первичной фокальной плоскости. Свет проецируется на вторичную фокальную плоскость, на которой имеется экран. Контур экрана проецируется на дорогу за счет линзы.

 

Рефлекторные фары

Форма поверхности отражателя обеспечивает необходимое направление и распределение светового потока. Большинство отражателей изготовлены из теплостойкой пластмассы. На поверхность отражателя нанесено металлическое покрытие, придающее ему необходимые отражающие свойства. Внутри отражателя установлен экран лампы, который предотвращает выход из лампы нежелательного света (ослепляющего света).

 

Оба типа фар, как рефлекторные, так и проекционные, могут относиться к так называемым фарам с отражателем произвольной формы (FF). В фарах FF используется отражатель с поверхностями свободной пространственной формы. Их можно рассчитать и оптимизировать только с помощью компьютера. Для определения формы поверхностей отражателя используются различные способы расчета. Почти во всех современных фарах ближнего света рефлекторного типа используются отражатели FF.

 

Типы ламп

 

На сегодняшний день выпускаются ксеноновые лампы четырех типов:

D2S — используются в проекционных фарах;

D2R — используются в рефлекторных фарах (экран выполнен краской на колбе);

D1S — используются в проекционных фарах (со встроенным блоком высокого напряжения); D1R — используются в рефлекторных фарах (со встроенным блоком высокого напряжения/экран выполнен краской на колбе).

 

Лампы типа D2R используются только в рефлекторных фарах, причем для противодействия ослеплению на днище их колбы краской нанесен экран. Лампы типа D2S используются только в проекционных фарах. Ксеноновые фары имеют срок эксплуатации около 2500 часов и создают световой поток 2800 люменов.

Лампа состоит из наружной колбы в виде трубки диаметром около 10 мм (4 дюйма), в которой расположена газоразрядная трубка (внутренняя колба). Наружная колба изготовлена из специального кварца, такого как церийсодержащий кварц, блокирующего большую часть ультрафиолетового излучения, особенно наиболее опасного коротковолнового и средневолнового, а также излучение ртути с длиной волны 365-366 нм. Газоразрядная трубка или внутренняя колба изготовлена из чистого плавленого кварца. В ней имеются вольфрамовые электроды, расстояние между наконечниками которых составляет около 4,2-5 мм (около 0,2 дюйма или чуть меньше).

 

Состав газа в колбе

В газоразрядной трубке содержится газ ксенон, находящийся под давлением в пару атмосфер. В колбе также содержится ртуть, и при ее испарении давление увеличивается как минимум на 20 атмосфер. При этом суммарное давление достигает около 30 атмосфер. В газоразрядной трубке присутствуют также галоиды металлов, соли. В состав наполнения автомобильных HID ламп входят галоиды натрия и скандия и, возможно, минимальные количества других веществ, таких как галоиды лития и таллия.

Ксенон высокого давления используется для получения некоторого полезного светового потока во время прогрева, пока не начали испаряться прочие ингредиенты.

 

Балластный блок

 

Ксеноновые лампы представляют собой газоразрядные лампы, в которых используется электрическая дуга, а не нить, как в галогенных лампах. Дуга поджигается, а затем поддерживается между двумя точно расположенными электродами. Для этого необходим электронный балластный блок. Для ламп, относящихся к типу D2, требуется пусковой импульс. Средним значением напряжения искры может служить 7 кВ, однако для надежной работы требуется напряжение от 10 до 12 кВ. В автомобилях требуется возможность повторного включения горячей лампы с высоким давлением паров ртути, а для этого требуется еще большее напряжение — от 12 до 15 киловольт и даже выше. Только так можно обеспечить достаточную надежность. Стандартные балластные блоки обеспечивают пусковое напряжение не менее 18 киловольт, при этом обычное значение составляет 20 киловольт. После формирования электрической дуги балластный блок должен ограничить подачу тока. В противном случае по дуге будет протекать крайне сильный ток, что отрицательно скажется на лампе и на других узлах. Напряжение на прогретой лампе обычно составляет 80-90 вольт, однако во время прогрева оно ниже. Балластный блок на начальной стадии прогрева должен поддерживать на лампе напряжение около 16 вольт, хотя обычно это напряжение бывает несколько выше, по крайней мере 20 вольт. Если напряжение на лампе составляет от 70 до 110 вольт, балластный блок должен обеспечить подачу мощности в 35 ватт. Если напряжение ниже, балластный блок должен обеспечить ток не менее 0,5 А, но обычно не более 2 А, при этом мощность должна быть как можно ближе к 35 Вт. Большая сила тока является предпочтительной — частично прогретая лампа с галоидами металла иногда образует неустойчивую дугу при слабом токе. Автомобильные балластные блоки часто обеспечивают более высокую мощность (более 35 Вт) во время прогрева, чтобы обеспечить световой поток, близкий к рабочему. Следует отметить, что ксеноновая дуга или дуга паров ртути не создает видимого света с той эффективностью, с которой это делает дуга галоидов металлов. Автомобильные балластные блоки с увеличенной мощностью этапа прогрева имеют цепь, моделирующую тепловые характеристики лампы.

Во время подачи повышенной мощности на этапе прогрева сила тока не должна превышать максимального значения, безопасного для электродов лампы. Напряжение на лампе превышает 110 В только на ранней стадии формирования дуги или если лампа неисправна. Балластный блок должен обеспечивать мощность, достаточную для прогрева электродов до формирования дуги — чем больше, тем лучше, при этом мощность более 35 Вт приемлема, если ток не превышает допустимого значения. Однако избыточная мощность, поданная на старую лампу, может привести к ее взрыву. Для ламп D2 и для большинства других ламп с галоидами металлов требуется переменный ток. Подача постоянного тока допускается лишь на короткое время и желательно только на холодную лампу.

Электрическое поле постоянного тока, горячий кварц или горячее стекло, соли или спирты являются не самым лучшим сочетанием — могут возникнуть эффекты электролиза, которые приведут к образованию темных пятен или трещин на газоразрядной трубке. Переменный ток, подаваемый на лампу типа D2, обычно имеет частоту от пары сотен до нескольких сотен герц. На лампу типа D2 обычно подается переменный ток прямоугольной формы или близкой к ней. Импульс высокого напряжения, необходимый для поджига лампы, обычно формируется цепью высокого напряжения, состоящей из трансформатора высокого напряжения, конденсатора и коммутируемого искрового зазора (SSG), который накладывается на рабочее напряжение лампы. С точки зрения начального значения поджига SSG, напряжение в разомкнутой цепи обычно выбирается так, чтобы превышать номинальное значение SSG на 30%. Это напряжение следует рассматривать как максимальное напряжение зарядки конденсатора. Энергия импульса напряжения должна быть достаточна для поджига лампы с первой попытки — как можно сильнее — даже несмотря на то, что свойства лампы и SSG изменяются в зависимости от температуры и срока эксплуатации. Накапливаемой в конденсаторе энергии от 20 до 50 мДж обычно бывает достаточно для надежного поджига. И конденсатор, и коммутируемый искровой зазор должны быть рассчитаны на эксплуатацию при температуре от -40 до +125°C (часто до +150°C), а также в условиях повышенной вибрации.