Системы освещения: от эволюции к революции

Как развивались автомобильные системы освещения, наглядно свидетельствует история компании Hella – ведущего разработчика и производителя в области светотехники и электроники.

Первую электрическую фару Hella представила в 1908 году. В следующие полвека, несмотря на то, что за это время дизайн автомобилей кардинально изменился, конструкция фар существенно не менялась.

Однако в середине прошлого века резкий рост аварийности, связанный с массовой автомобилизацией в развитых странах, заставил обратить пристальное внимание на повышение безопасности транспортных средств. В результате появились новые технические решения, многие из которых нашли широкое применение на серийных автомобилях. В 1957 году Hella начала использовать в системах освещения несимметричное светораспределение, что позволило снизить вероятность ослепления водителей встречных автомобилей и улучшить освещение обочины.   

Революционной разработкой того времени стали галогенные фары, которые начали массово применяться на рубеже 1960–1970-х годов, а спустя двадцать лет почти полностью заменили обычные лампы накаливания. Несмотря на то что сейчас есть более совершенные системы освещения, галогенные фары на сегодняшний день наиболее широко распространены. Их конструкция до сих пор продолжает развиваться, и, скорее всего, они сохранят в ближайшие годы доминирующее положение, особенно в бюджетном и массовом сегментах. В 1990-х годах при изготовлении покрывных стекол галогенных фар стали широко использовать поликарбонат вместо стекла, данный материал более прочный и легкий. Также в этот период появились фары с направленными линзами. Основные преимущества галогенных фар – достаточно высокая эффективность, низкая стоимость, широкая распространенность, лампочки можно купить в любом магазине запчастей. Основных недостатков у галогенных фар три. Первый – это низкий КПД, только 30–60% преобразуется в световую энергию, остальное идет на выделение тепла. В условиях жестких экологических норм, когда автопроизводители экономят буквально каждый грамм топлива, это имеет большое значение. Второй – небольшой срок службы галогенных ламп, который не превышает 1000 часов. Хотя сами лампы дешевые и их замена, как правило, не представляет сложности, из-за плотной компоновки современных автомобилей доступ к фаре может быть сильно затруднен. Также следует помнить, что установка галогенной лампы требует аккуратности, нельзя повреждать поверхностный кварцевый слой. Третий недостаток – несмотря на то, что конструкция галогенных фар постоянно совершенствуется, они уступают по яркости света более современным системам головного света.

Все эти недостатки не устраивали производителей, прежде всего, скоростных автомобилей премиального класса, и с середины 1990-х годов стали применяться газоразрядные ксеноновые (так называется газ, который закачивается в данный тип ламп) системы головного света. Hella представила первую серийную ксеноновую фару в 1992 году. Сначала газоразрядные лампы использовались только для ближнего света фар, а затем и для дальнего (так называемый биксенон). Hella производит такие фары с 1999 года. Поскольку в конструкции таких систем освещения нет хрупкой нити, то их ресурс в 2–3 раза выше, чем у галогенных. Также у них более высокий КПД, при работе они почти не нагреваются и потребляют меньше энергии. Но самое главное преимущество – более высокая яркость света. Ксеноновые фары светят примерно в два раза ярче галогенных. Но это преимущество имеет обратную сторону медали – ксеноновые фары слепят встречных водителей. Производители с этим недостатком пытаются бороться, в частности, установка газоразрядных фар допускается только при наличии автокорректора и омывателя фар. Для работы самой ксеноновой системы освещения требуется дополнительный блок розжига. Все это ведет к увеличению сложности конструкции и к росту стоимости. Также следует учесть, что газоразрядные лампы головного света можно менять только парами. Высокая стоимость и сложность ксеноновых фар привели к тому, что широко они распространены только на машинах премиального сегмента, а на массовых автомобилях они, как правило, предлагаются только в качестве опции.

Одним из существенных изобретений в целях повышения безопасности стали фары с системой адаптивного переднего освещения (AFS), обеспечивающие водителю лучшую видимость в конкретной дорожной ситуации. Hella в 2006 году начала первой производить такие системы освещения для Mercedes-Benz E-Class. А уже в 2008 году компания предложила фары AFS для автомобиля массового сегмента – Opel Insignia.  

В настоящее время наиболее перспективными в компании Hella считают светодиодные фары. Hella c 2008 года стала устанавливать такие системы освещения на Cadillac Escalade Platinum. Дебютировавший в 2010 году седан премиального класса Audi A8 стал первым на рынке автомобилем, для которого Hella предложила светодиодные фары с ближним и дальним светом и AFS-системой.  

 Светодиодная оптика – компактная, благодаря этому она пользуется популярностью у дизайнеров, поскольку фарам можно придать различную форму. Они очень долговечные (срок службы составляет 10 000–15 000 часов работы) и обладают высокой вибростойкостью. В наше время, когда автопроизводители борются за снижение вредных выбросов, большое значение имеет то, что у светодиодных фар самый высокий КПД среди всех источников света. Еще одно преимущество – светодиоды моментально достигают максимальной яркости, поэтому изначально их стали использовать в стоп-сигналах. Также у светодиодных фар цвет приближенный к дневному и почти монохроматический, по сравнению с другими источниками света глаза меньше устают.

Недостатков у светодиодных систем освещения немного. Первый – это высокая стоимость, но она постепенно снижается в процессе развития производства. Второй – для эффективной работы светодиодных систем освещения требуется сложная интеллектуальная электроника. Необходимо обеспечить защиту от перенапряжения, от неправильной полярности и падения напряжения, создать оптимальную терморегуляцию.

По прогнозам, уже через пять лет светодиодные фары значительно потеснят ксеноновые и станут самыми массовыми среди всех источников света, галогенные лампы останутся в основном только на бюджетных автомобилях.

Конструкция светодиодных фар постоянно развивается, и такие системы освещения обладают большим потенциалом для развития. В частности, на автомобилях премиального сегмента получили распространение так называемые матричные фары, в которых используется модуль, состоящий из нескольких десятков отдельных светодиодов. В зависимости от ситуации на дороге, электронный блок управления может включать и отключать отдельные элементы. Благодаря этому удается добиться эффективного освещения для каждой дорожной ситуации, не ослепляя при этом встречных водителей. Например, в дождь система автоматически затемняет светодиоды ближнего света. Фактически матричные фары позволяют постоянно ездить при дальнем свете, не ослепляя при этом встречных водителей. Hella первой начала устанавливать такие фары на Audi A8 в 2013 году.

Еще более совершенная система освещения – светодиодные фары с лазерной технологией. Основное преимущество – равномерное освещение дороги и большая дальность пучка света. Дальность действия таких фар до 600 м, это вдвое больше, чем у обычных светодиодных. Такие фары Hella дебютировали на автомобиле Audi A8 в 2017 году. Данная оптика не ослепляет других участников дорожного движения. Лазерный дальний свет, доступный для этого автомобиля в качестве опции, включается автоматически при достижении скорости в 70 км/ч. Впервые лазерный пучок дальнего света способен адаптироваться в соответствии с поворотами дороги, обеспечивая улучшенное освещение на изогнутых участках пути. Компактный лазерный модуль, встроенный в каждую фару, проецирует луч света на расстояние нескольких сотен метров.

В 2018 году Hella совместно с Volkswagen представила новую революционную разработку. На новом гибридном Volkswagen Touareg установлена инновационная система освещения IQ.LIGHT – LED Matrix Headlamps. Благодаря индивидуальному управлению диодами световой матрицы обеспечивается не только мощный световой поток, но и высокая точность его распределения и регулирования. Количество индивидуально управляемых светодиодов достигает 128 штук. По сравнению с традиционными системами автомобильного освещения светодиодная система IQ.LIGHT позволяет значительно повысить безопасность и комфорт вождения. Ведь с системой фар на базе светодиодной матрицы водители имеют гораздо более четкую картину дорожной обстановки и намного раньше видят возможные препятствия. Светодиодные фары состоят из индивидуально управляемых светодиодов, образующих адаптивную световую матрицу с модулями ближнего и дальнего света, которые входят в единую электрическую цепь. При необходимости применяется режим индивидуального управления светодиодами. Модуль ближнего света состоит из 48 светодиодов. Количество светодиодов в модуле дальнего света – 27. Именно эти 75 светодиодных модулей ближнего и дальнего света формируют адаптивный световой поток системы освещения. Дополнительные 53 светодиода обеспечивают такие функции, как освещение непосредственно перед автомобилем, поворотный свет, дневной ходовой и позиционный свет, а также индикацию поворота. В целом конструкция фары головного света нового Touareg включает 256 светодиодов. Каждый из светодиодов активируется соответствующим блоком управления, который анализирует сигналы, поступающие от передней камеры, а также данные цифровой карты и координаты от блока GPS. Кроме того, учитываются такие параметры, как угол поворота автомобиля и скорость движения. За счет анализа всех этих данных система за доли секунды идеально адаптирует характеристики освещения дороги и прилегающей местности. В новом Touareg все функции адаптируемого освещения работают в автоматическом режиме при активации опции «Динамическая адаптация освещения» (Dynamic Light Assist). Динамическая адаптация освещения не только обеспечивает индивидуальное управление светодиодными фарами, каждая из которых может включаться и выключаться независимо от других, но и позволяет регулировать параметры освещения в зависимости от конкретной местности, окружающей обстановки и дорожной ситуации. Система освещения автомобиля получает множество различных сигналов от устройств и систем. Это позволяет автомобилю «узнавать», где он находится: в городе, на грунтовой дороге за городом, на шоссе или на пересеченной местности, а также определять примерные координаты других участников дорожного движения. Благодаря точной адаптации светового потока и его компонентов система фар со светодиодной матрицей позволяет никогда не ослеплять других водителей и участников движения. Поэтому при максимально высоком качестве освещения и комфорте для водителя автомобиль не мешает другим водителям и пешеходам. Адаптируемая система защищает от ослепления и самих водителей новых «Туарегов». Перед попаданием света фар на дорожные знаки видеокамера автомобиля посылает в систему освещения сигнал о временном снижении яркости света от светодиодов. Высокоточная система позволяет нивелировать даже свет, отражаемый от мокрой поверхности дороги. Кроме того, водители обязательно оценят более высокую мощность освещения, которую обеспечивает новое световое решение.

Еще одна революционная система Hella – автомобильные фары на базе жидкокристаллического дисплея. Хотя данная технология широко применяется при производстве бытовой электроники, в автомобильной отрасли ничего похожего ранее не было. Жидкокристаллическая фара Hella формирует проекцию плотностью 30 000 пикселей, которая направляется на дорогу. Эта передовая технология позволяет непрерывно регулировать весь набор параметров освещения в реальном времени с учетом конкретных параметров дорожной ситуации. Это означает, что регулировка режима освещения все в большей мере будет обеспечиваться программным обеспечением, а водители получат возможность наилучшего обзора дороги. При этом отдельные участки или зоны, например те, где находятся другие транспортные средства или дорожные знаки с высокими характеристиками светоотражения, могут не освещаться вообще или освещаться в менее ярком (по сравнению с освещением других зон) режиме. Благодаря такому решению также появляются возможности для реализации новых высокотехнологичных функций: например, на дорогу могут проецироваться указатели идеальной траектории движения в виде стрелок или линий. Использование жидкокристаллических фар позволит сам процесс управления автомобилем вывести на качественно новый уровень. Например, можно будет подсвечивать идеальную траекторию движения, как на гоночном треке, водителю остается лишь направлять автомобиль в соответствии с лучом света фар.

Как можно заметить, сегодня практически каждый год происходят революционные изменения в конструкции систем освещения, что позволило существенно повысить безопасность. Но сейчас мы находимся на пороге новой технической революции. В настоящее время ведутся работы по интеграции систем освещения в автомобили с автономным управлением, и, возможно, фары скоро станут совсем другими.