Головная масляная лампа (фирмы «Dietz Ideal»), все на том же «форде».

Карбидная (ацетиленовая) лампа на велосипедном руле.

На фотографии изображена отреставрированная фара с автомобиля «Cadillac Model 30 Self-Starter» 1912 года.

Модель лампы накаливания, разработанная Николаем Лодыгиным в 1874 году.

Так работают наиболее распространенные ранее фары с параболическим отражателем и двухнитевой лампой Н4. Для предотвращения ослепления встречных водителей нить ближнего света располагают чуть впереди и выше фокальной точки и экранируют специальным колпачком внутри колбы, используя только верхнюю половину отражателя (вверху). А нить дальнего света расположена в фокусе и освещает всю поверхность отражателя (внизу).

Отражатель «свободной» формы отличается от параболического. Это отличие не заметно на глаз, но поверхность рассчитана таким образом, что направляет весь свет от однонитевой лампы в заданном направлении — чуть вниз, чтобы избежать ослепления.

Впервые «прожекторная» фара ближнего света с эллипсоидным отражателем появилась в 1986 году на «семерке» BMW. Лучи, собираясь во втором фокусе отражателя, «подрезаются» экраном, который обеспечивает заданную светотеневую границу, а затем еще раз фокусируются линзой.

В 1988 году с помощью компьютера отражателю эллипсоидной фары удалось придать «свободную» форму — основная часть лучей проходит над экраном, чем обеспечивается лучшая эффективность.

Каждая «частичка» многофокусного рефлектора современных фар отражающего типа (Kia Cerato) освещает конкретный участок дороги. Благодаря компьютерному моделированию возможно увеличить число сегментов до бесконечности так, что они сливаются в единую поверхность «свободной» формы. Такие отражатели, например, имеет пострестайлинговый «Peugeot 406».

В задних фонарях Seat Ibiza так же применены отражатели «свободной» формы.

Прожекторный тип фары. Здесь показан вариант «биксенон» — переключение с дальнего света на ближний осуществляется перемещением экрана, управляемого соленоидом. Если экрана нет, то прожектор, как правило, работает в режиме ближнего света. Место газоразрядной лампы может занимать «галогенка».

Так устроена газоразрядная ксеноновая фара. Поскольку «ксенон» светит очень ярко, таким фарам положено обязательно иметь механизм автоматической регулировки угла наклона и омыватели.

Слева — свет галогенных ламп, справа — газоразрядных ксеноновых. В отличие от желтоватого оттенка «галогенок», спектр свечения «ксенона» приближен к солнечному свету.

Фара фирмы Hella для Audi A8 W12. Пять светодиодов обеспечивают постоянный дневной свет.

Принципиальная схема светодиода.

Одно из перспективных направлений развития автомобильного освещения — волоконная оптика. С ней головное освещение обеспечивает единственная лампа, свет которой передается по световодам. Такое решение Hella применила для концепт-кара Volvo SCC, установив «на выходе» линзы Френеля (на фото). А в задних фонарях световоды позволяют выполнять каждую функцию всего одним светодиодом.

Перспективная фара фирмы Valeo на основе светодиодов. Компактность источников света обеспечивает свободу компоновки.

Комбинированный «адаптивный» свет (Opel Signum)
1) Поворотный «биксеноновый» модуль
2) Статический боковой свет
3) Модуль, управляющий поворотом прожектора

С 1968 года Citroen DS оснащался поворотными фарами дальнего света. Несложный механизм поворота (наподобие рулевой трапеции) все же не нашел широкого распространения у автопроизводителей

Перспективная система VarioX от фирмы Hella работает в пяти режимах. Для этого экран, обеспечивающий ближний свет, заменен цилиндром «свободной» формы. Каждая его образующая (на рисунке показаны разными цветами) соответствует конкретной схеме светораспределения. Автоматическим переключением режимов света заведует шаговый электромотор. Справа — пример городского освещения (б) в сравнении с традиционным (а).

Так выглядят схемы европейского (сверху) и американского (снизу) светораспределения на измерительном экране, установленном на расстоянии 25 метров от фар.

Предыстория.

Поскольку любое транспортное средство оснащается осветительными приборами, то современному человеку трудно представить, как обходились без них ранее. Скорее всего, создатели первых автомобилей даже и не предусматривали ночные поездки на своих изобретениях. Однако прогресс не стоит на месте, и со временем, машины из диковинных игрушек, стали превращаться в практичные средства передвижения.

До изобретения лампочки главным источником света являлись свечи или масляные горелки, но свет от них был слабым и рассеянным, так что на машинах они могли использоваться только в качестве габаритных огней.

В 1896 году, летчик и авиаконструктор, Луи Блерио предложил использовать для освещения дороги газ ацетилен. Ацетиленовые фары представляют собой сложную конструкцию, а их включение – это целый ритуал. Однако они нашли широкое распространение в качестве паровозных прожекторов, а затем и на автомобилях, в уменьшенном варианте. Для включения прожектора, механику необходимо было вручную открыть кран подачи ацетилена, а затем открыть фары и поджечь в них горелки.

Первая попытка оснастить автомобиль электрическими источниками света закончилась безуспешно, динамо-машины, установленные в 1899 году на автомобиль фирмы «Columbia Automobile Company», не зарекомендовали себя. Французские лампы накаливания с угольной нитью накаливания, запатентованные фирмой «Bassee & Michel», были очень ненадежными, неэкономичными и требовали тяжелых батарей, которые можно было подзарядить только на определенных станциях подзарядки: автомобильные генераторы подходящей мощности еще не изобрели.

Переворот в технологиях освещения произошел после изобретения вольфрамовых нитей накаливания, температура плавления которых составляет 3410°С. Первым «электризованным» автомобилем (с электрической системой освещения, электрическим стартером и зажиганием) стал «Cadillac Model 30 Self-Starter» 1912 года. Через год на электрическую систему освещения перешло треть американских автомобилей, а спустя еще четыре года почти все машины были оснащены ей. А после разработки адаптированной динамо-машины отпала необходимость и в зарядных станциях, поэтому можно судить, что использование электрического освещения технически и экономически целесообразно.

Немного про изобретение лампочки.

Впервые идея использовать в качестве источника света раскаленный материал возникла у немецкого часовщика Генриха Гебеля в 1854 году, который при помощи электричества раскалил до свечения обугленное бамбуковое волокно, вставленное в стеклянную колбу. Однако изобретателю попросту не хватило денег на патент. Немного позднее (когда в его мастерской отключили газ за неуплату) Томас Альва Эдисон принялся разрабатывать электрическую лампу накаливания. Уже к 1880 году он представил исчерпывающие обоснования того, что оптимальным будет использование лампы с угольной нитью накаливания, которая помещена в безвоздушное пространство стеклянного шара. Эдисон придумал и цоколь, но основная конструкция лампы накаливания принадлежит Александру Николаевичу Лодыгину – электротехнику из Тамбовской губернии, который представил свою разработку на шесть лет раньше, чем Эдисон.

Ослепительные идеи.

С появлением электрических и карбидных фар перед автоконструкторами возникла новая проблема – проблема ослепления встречных водителей. Варианты решения предлагались разные: выводили источник света из фокуса линзы, делая его более тусклым, ставили на пути света всяческие шторки, жалюзи и заслонки, включали в электрическую цепь добавочное сопротивление, которое снижало накал нити. Но лучший вариант решения проблемы был предложен фирмой «Bosch», в 1919 году компания разработала фары с двумя нитями накаливания – для ближнего и дальнего света. Первые переключатели располагались недалеко от самих фар, поэтому водители должны были останавливаться и выходить из автомобиля для смены режима свечения. К тому времени уже изобрели рассеиватель – стекло фары, которое покрыто призматическими линзами для отклонения света лампы по сторонам и вниз.

К 1955 году французской фирмой «Cibie» была предложена идея ассиметричного распределения ближнего света, согласно которой «водительская» обочина освещалась слабее, чем «пассажирская». Через два года идея «ассиметричного» света была официально узаконена в Европе.

С 1957 года в США стала активно применяться четырехфарная система освещения с раздельными фарами для ближнего и дальнего света. В данной конструкции две фары имеют одну нить накаливания и используются в качестве дальнего света, другие две (расположенные ближе к боковым габаритам) – двухнитевые, в которых основная нить выполняет функцию ближнего света, а вторая включается только вместе с фарами дальнего света для большей подсветки ближних участков дороги.

Помимо проблемы ослепления встречных водителей, конструкторы испытывали и другую сложность – вольфрамовые нити при чрезмерном нагревании интенсивно испаряются, образуя на стекле фары темный налет. Решение проблемы пришло только во время Первой мировой войны: начиная с 1915 года, лампы стали заполнять смесью азота и аргона. Молекулы смеси газов образуют «барьер», благодаря которому вольфрамовая нить не испаряется. Следующий шаг к усовершенствованию автомобильной светотехники был проведен ближе к середине 20-го столетия. К аргону и азоту стали добавлять другие газообразные соединения брома или йода. Они восстанавливали нить накаливания, возвращая испаренные молекулы вольфрама обратно на спираль. Такая «регенерация» позволила повысить рабочую температуру с 2200 до 2900 градусов, светопередачу с 15 лм/Вт до 25 лм/Вт. Срок службы лампы увеличился в два раза, а теплоотдача снизилась с 90% до 40%, притом размеры стали поменьше.

Эволюция формы.

В течение долгих лет фары оставались круглыми, поскольку это самая дешевая и простая в изготовлении форма параболического отражателя. По соображениям аэродинамики фары стали интегрировать в кузов автомобиля (самые первые интегрированные фары были у «Pierce-Arrow» в 1913 году). Потом на смену круглым фарам пришли прямоугольные (такими был оснащен «Citroen AMI 6» 1961 года). Прямоугольные фары требовали больше места под капотом, они были сложнее в производстве, но в тоже время имели большую площадь отражателя и увеличенный поток света.

Глубину параболического необходимо увеличивать с целью получения более яркого отраженного светового потока. Однако сделать это чересчур трудоемко. Привычные для всех оптические схемы не подходили для дальнейшего развития. Английская фирма «Lucas» предложила использовать в качестве отражателя комбинацию из двух усеченных параболоидов с общим фокусом, но разными фокусными расстояниями. Новинка была применена на автомобиле «Rover Maestro» в 1983 году. В этом же году фирмой «Hella» была представлена концептуальная разработка – «трехосные» фары с эллипсоидным отражателем (Dreiachs Ellipsoid, DE). У эллипсоидного отражателя два фокуса. Лучи, которые выпущены галогенной лампой из первого фокуса, собираются во втором, откуда направляются в собирающую линзу. Лампы такого типа называются прожекторными. Эллипсоидная лампа в режиме ближнего света превосходит параболическую на 9%. Поэтому эти фары хорошо подходят в качестве противотуманок и ближнего света. Первый серийный автомобиль с «трехосными» фарами – BMW седьмой серии 1986 года. Через пару лет эллипсоидные фары получили приставку «Super DE» именно так их назвала фирма «Hella». Теперь профиль отражателя отличался от чисто эллипсоидной формы – он был «свободным» (Free form), причем рассчитан таким образом, чтобы большая часть света проходила над экраном, который отвечает за ближний свет. Благодаря этому нововведению эффективность фар возросла до 52%.

Последующее развитие отражателей без задействования математического моделирования, потому что только компьютер способен создать сложные комбинированные рефлекторы. Если внимательно рассмотреть фары Daewoo Matiz, Hyundai Getz то можно заметить, что отражатели поделены на сегменты, причем у каждого свое фокусное расстояние. Каждая часть многофокусного отражателя отвечает за освещение своего участка дороги. Свет от лампы используется почти в полном объеме, кроме прикрытого колпачком торца лампы. В отражающих фарах нет рассеивателя, поскольку с распределением света и созданием светотеневой границы отлично справляется сам отражатель. Эффективность данных фар сравнима с прожекторными.

Современные отражатели делают из магния, алюминия, термопластика и металлизированного пластика, а закрывают фары поликарбонатом, а не стеклами. Благодаря применению новых материалов удалось снизить массу фары почти на целый килограмм, а впервые пластиковый рассеиватель был установлен на седан «Opel Omega» в 1993 году. Щеточные фары, которые в 1971 году предложила выпускать фирма «Saab», вышли из производства, поскольку поликарбонатные стекла гораздо хуже сопротивляются истиранию, нежели стекла настоящие.

«В новом свете».

Почти век прослужила лампа накаливания на пользу автомобилистам и вот ее время подходит к концу. Достойно «сойти с дистанции» ей помогают благородные газы ксенон и криптон. Первый является одним из лучших наполнителей для ламп накаливания – ксенон позволяет поднять температуру нити накаливания почти до точки плавления вольфрама и приблизить спектр свечения лампы к солнечному.

Правда, нужно различать обычные лампы накаливания, наполненные ксеноном и «ксенон» с ярким голубым свечением, которые устанавливают на дорогие автомобили – это совершенно разные вещи. Ксеноновые газоразрядные фары работают совершенно по другому принципу: вместо нити накаливания, в них светится электрическая дуга, возникающая между электродами при газовом разряде. Впервые лампы с такой системой («Bosch Litronic») были установлены в 1991 году на серийный автомобиль «BMW 750iL». Газоразрядный «ксенон» по эффективности на голову выше самых совершенных ламп накаливания. КПД таких ламп составляет около 90%, против 60% у галогенных (по потребляемой мощности: 35 Вт против 55 Вт) и светят при этом почти вдвое ярче (3200 лм против 1500 лм). А так как нет нити накаливания, то и перегорать нечему, следовательно и служат такие лампы значительно дольше обычных.

Газоразрядные лампы устроены значительно сложнее, чем кажется на первый взгляд. Необходимо зажечь газовый разряд. Для этого требуется из 12 вольт бортовой сети получить короткий импульс на 25 киловольт переменного тока с частотой до 400 Гц. С этой функцией справляется специальный модуль зажигания. Когда лампа зажглась, напряжение снижается электроникой до 85 вольт, которых достаточно для поддержания разряда.

Из-за сложности конструкции и инерции при зажигании газоразрядные лампы использовались исключительно в качестве ближнего света. Роль «дальнего» по-прежнему выполняли галогенные лампы. Только спустя шесть лет конструкторам удалось объединить дальний и ближний свет в одной лампе. Существует два способа получить «биксенон»: 1. При использовании прожекторной фары (наподобие тех, что разработала «Hella») режимы света переключаются экраном, который находится во втором фокусе эллипсоидного отражателя: в режиме ближнего света он отсекает часть лучей. При дальнем свете экран не препятствует световому потоку. 2. В отражающем типе фар «двойное действие» газоразрядной лампы происходит за счет взаимного перемещения рефлектора и источника света. За счет изменения фокусного расстояния меняется и светораспределение.

Интересен тот факт, что фирма «Valeo» опытным путем доказала эффективность раздельного применения газоразрядных ламп для дальнего и ближнего света. По освещенности такой вариант выигрывает до 40%, однако и требует не два модуля зажигания, а четыре. Такими фарами оснащен «Volkswagen Phaeton W12».

Несмотря на все преимущества газоразрядных ламп, у них нет перспектив в развитии. Наибольший успех специалисты пророчат светодиодам.

Светодиод – это полупроводниковый прибор, который излучает свет при прохождении тока. Первоначальное применение светодиодов ограничивалось индикацией – уж слишком тусклыми они были. Но уже в 1992 году фирма «Hella» установила на «BMW Cabrio» центральные стоп-сигналы на основе светодиодов, а сегодня все чаще можно увидеть светодиодные задние фонари, «габариты», стоп-сигналы. Светодиоды срабатывают на 0,2 секунды быстрее обычных ламп накаливания, затрачивают меньше энергии (на примере стоп-сигналов – 10 Вт против 21 Вт) и отличаются почти неограниченным сроком эксплуатации.

Вот только целый ряд препятствий не позволяет светодиодам вытеснить своих конкурентов. Во-первых, даже самые качественные светодиоды можно сопоставить по эффективности только с галогенными лампами (светоотдача – около 25 лм/Вт), но при этом они дороже и требуют специальной системы охлаждения, как и остальные полупроводниковые приборы (компьютерный процессор…). По заверениям конструкторов светодиодные лампы достаточной мощности появятся уже в ближайшее время, а пока им отводят второстепенные функции – дневной свет «Audi A8 W12» (по 5 светодиодов в каждой фаре).

Вслед за рулем.

Сразу после изобретения фар у многих конструкторов возникла идея поворотного механизма, что и логично: освещается только та часть дороги, куда едет машина. По первым попыткам реализации этой идеи сложно было что-нибудь сказать: дельного механизма синхронизации руля и фар сделать не удалось, а правила того времени не позволяли использовать адаптивный свет. Спустя время, фирма «Cibie» попыталась возродить давнюю идею. В 1967 году французами был представлен первый механизм динамической регулировки угла наклона фар, а еще через год поворотные фары дальнего света стали устанавливать на «Citroen DS».

В настоящее время идея поворотного освещения возрождается на новом, «электронном» уровне. Наиболее простое решение – это использование дополнительной боковой лампочки, которая включается при повороте руля или включенном «поворотнике» на скорости до 70 км/ч. На «Porsche Cayenne» и «Audi A8» установлены подобные фары. Следующей ступенью является использование действительно поворотных фар. В них биксеоновый прожектор с учетом угла поворота руля, угловой скорости автомобиля вокруг вертикальной оси («датчик поворота») и скорости движения поворачивается вслед за рулем в диапазоне 22° — на 7° внутрь и на 15° наружу. Такие фары можно увидеть на «Lexus», «Mercedes», «BMW» и даже «Opel Astra». Третий вариант «адаптивного» света – комбинированный. Статическое освещение работает на небольших скоростях и медленном маневрировании, а на высокой скорости включается только поворотный прожектор. Комбинированными фарами оснащен «Opel Signum».

Но самая интересная из разработок – это «Varilis» (Variable Intelligent lighting system): над этой системой работает фирма «Hella» совместно с другими автопроизводителями. Как вариант существует еще и другая система – «VarioX», позволяющая фарам работать в пяти режимах света. Для этого в «ксеноновом» прожектора вместо экрана, который включает ближний свет, находится цилиндр сложной формы. Режимы свечения переключаются при вращении цилиндра. На скоростных трассах форма светового пучка сужается для большей дальнобойности, а в городе фары светят близко, но широко.

В дальнейшем возможна связь навигационной системы GPS с работой фар автомобиля, объединение головного света и систем ночного видения, но это – тема отдельного разговора.

Европа – Америка.

Европейский подход к системам освещения кардинально отличается от Американского: в Америке вплоть до 1975 года под запретом находились фары некруглой формы и галогенные лампы. Причем в Штатах лампы и фары были объединены в одно целое, и использовались с 1939 года. Герметичность таких приборов позволяла покрывать поверхность рефлектора серебром, отражающая поверхность которого составляет 90% (против 60% у хромированных рефлекторов, которые были распространены в те времена), но в случае поломки менять лампу-фару приходилось целиком.

В Европе с 1957 года принято ассиметричное распределение света с лучшим освещением «пассажирской» обочины и четкой светотеневой границей. На американских дорогах такое нововведение стало появляться лишь с 1997 года, но по-прежнему у большинства машин свет от фар распределялся симметрично, вовсю ослепляя встречных водителей. К тому же в Канаде и США отсутствует единый порядок сертификации осветительных приборов. Производители лишь гарантируют соответствие своего продукта федеральному стандарту по безопасности движения транспортных средств (FMVSS), а подтверждать это приходится, к примеру, в случае аварии по вине приборов освещения.

Предполагается, что официально импортируемые из США машины проверяются на соответствие европейским нормам. «Американские» фары маркируются аббревиатурой DOT (Department of Transport, Министерство транспорта), а «европейские» – буквой «Е» в кружочке с цифрой-кодом страны, где лицензировали фару.

Маркировка фар.

Основные отличия, по которым различают автомобильные фары – это светоотдача и конструкция цоколя. В двухфарных системах чаще всего используют лампы h5 – с двумя нитями накаливания, для ближнего и дальнего света. Их световой поток – 1000/1650 лм. В качестве «противотуманок» используются лампы H8 – с одной нитью и световым потоком в 800 лм. Другие однонитевые лампы H9 – HB3 способны обеспечить только дальний свет (световой поток 2100 и 1860 лм. соответственно). А «универсальные» однонитевые лампы H7 и h21 могут использоваться и для дальнего, и для ближнего света в зависимости от того, в каком отражателе они установлены.

Газоразрядный «ксенон» маркируется иначе. Первые ксеноновые приборы имеют индексы D1R и D1S – они объединены с модулем зажигания. За индексами D2S и D2R подразумеваются газоразрядные лампы второго поколения (S – для прожекторной оптической схемы, а R – для «отражающей»).

В этой статье мы детально рассмотрели принцип и устройство автомобильной фары, что же касается фары для мотоциклов, то приобрести их можно — тут.