فناوريهاي لامپهاي چراغهاي جلو در خودروها

واضح آرشیو وب فارسی:فان پاتوق: 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 D1در 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 پژو 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 LEDاين 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.