Да будет свет: подробно о галогене, ксеноне и светодиодах

Как остры и лучины в век автомобиля и электрификации не менее странны, чем счеты в современной бухгалтерии. Однако в первых автомобилях годы именно живой огонь освещал путь в ночное время. Использовались керосиновые и даже свечные горелки. Карбидные (или ацетиленовые) фонари были лучше, но лишь с появлением лампочки накаливания автомобильный свет стал действительно удобным и практичным. Как и в быту, в современном автомобиле можно встретить чуть ли не все известные типы электрических ламп. И в настоящее время именно в автомобильном свете происходят крайне серьезные изменения. Новые разработки, подталкиваемые как инженерной мыслью, так и модными тенденциями, меняют существующие взгляды на свет в машине.   

Лампы накаливания  

Самые известные и распространенные – так называемые лампы накаливания. В них источником света является некое волокно (в основном вольфрамовая нить), которое под воздействием проходящего через него электрического тока нагревается и начинает испускать свет. Форма колбы может быть различной для получения нужной яркости и рассеивания. Пара слов о вольфраме. Если железо плавится при 1535 ОС, то вольфрам – при 3410 ОС. Если учесть, что температура нити накаливания порядка 2500 ОС и выше, заслуга вольфрама просто неоценима. Но и предел развития таких ламп явно очевиден и понятен. Самый большой недостаток ламп накаливания – их неэффективность. Эти лампы слишком затратные. Они производят меньше света, чем потребляют энергии. Более 90 процентов всей энергии уходит в тепло и менее 10% непосредственно в свет. Их эффективность возрастает пропорционально затрачиваемой мощности. Так, например, одна лампочка на 100 Вт будет светить значительно ярче, чем две по 50 Вт. Со временем, поскольку вольфрам постепенно испаряется, его сконденсированные пары покрывают стенки колбы изнутри, и свет лампы со временем тускнеет.  

Многие автомобилисты встречались с такими случаями, когда, меняя старую лампу, отмечали ее потемневшее стекло. Наполнение колбы азотом и инертным газом (чаще аргоном) несколько снижает эту проблему.  



Галогенные лампы также являются лампами накаливания, но в них используется еще один наполнитель – галогенид (йод или бром), который и связывает испарившийся вольфрам, не давая ему осесть на стенки колбы. Но самое интересное то, что далее это соединение при попадании на горячую спираль разделяется. Таким образом вольфрам возвращается на нить накаливания, а галогенид – в атмосферу колбы. То есть происходит своеобразное восстановление нити лампы, называемое галогенным циклом. Этот процесс требует температуры порядка 200 ОС. Вот почему эти лампы столь горячи и не любят влажность и отпечатки пальцев на стекле. Обычно они имеют двойной корпус, что несколько снижает внешнюю температуру лампы и одновременно повышает эффективность галогенного цикла.  


 

Простые лампы имеют цветовую температуру (характеристика излучаемого светового спектра, измеряемая в кельвинах) порядка 2700К, а галогенные – 3000К. Галогенные лампы хотя и более сложны и дороги (раз эдак в 5–10), но и более эффективны. Начать с того, что они на 25–30% более яркие, чем обычные лампы накаливания. Даже в конце своей «жизни» галогенная лампа выдает до 95% своей изначальной яркости (простые лампы – около 75%). Простые лампы «живут» приблизительно 1000 часов, тогда как галогенные примерно в 2 раза дольше. Правда, Книга рекордов Гиннесса рассказывает о лампе накаливания, которая горела более 70 лет. Но стоит сразу сказать, что за это время ее ни разу не выключали, а это важно. Именно процесс включения (как и во многих электрических устройствах) – самая изнашивающая и тяжелая для лампы процедура. Лучше, если это происходит постепенно. Галогенные же лампы живут ровно столько, сколько им отмерено, без чудес.  

 

Очень важно для срока службы ламп накаливания постоянство напряжения. Превышение напряжения на 4% может снизить срок ее службы на 40%. Эта зависимость работает и обратно. На 4% более низкое напряжение способно также существенно увеличить жизнь лампы. Правда, и яркость ее при этом будет ниже. У ламп накаливания есть и еще один недостаток, куда более значительный в свете их автомобильного применения. Речь идет о тонкой спирали, состоящей из довольно хрупкого вольфрама. Тряска и вибрации в автомобиле отнюдь не способствуют комфортной работе лампы. Хотя особые конструктивные решения позволили в значительной степени исключить риск подобных поломок. Несмотря на появление новых, более качественных и надежных источников света, лампы накаливания, будучи более дешевыми, не сдают своих позиций так просто. Появляются и новые их типы. Основная работа инженеров направлена на снижение скорости испарения вольфрама с нити накаливания. В дешевых лампах колбу наполняют смесью азота и аргона. В более дорогих вместо аргона используют криптон, имеющий более низкую теплопроводность. Также может использоваться ксенон, у которого этот показатель еще ниже. Использование этих газов позволяет повысить яркость лампы на 10% (криптон) или почти в 2 раза (ксенон).  

 

Ксенон  

Ксенон заслуживает отдельного упоминания. Уж очень много вокруг него существует слухов, сплетен и надувательства. Начнем с того, что существуют ксеноновые и ксенон-наполненные лампы. Последние – это классический представитель ламп накаливания. Эти лампы отличаются от галогенных только наполнителем колбы. Ксенон (xenon, Xe) – бесцветный благородный газ, не имеющий запаха. Имея атом большего размера (больше, чем у криптона и, тем более, аргона), ксенон лучше замедляет испарение вольфрама. Тем самым можно повысить температуру нити накаливания, что сделает лампу более яркой. Правда, лишь до определенной степени. Все остальное работает так же, как и в обычной галогенной лампе.  

 

Ксенон-наполненные лампы выпускаются многими производителями. Например, известные типоразмеры H7, H9 и H13. Кстати, после неплохих результатов с H7 ряд производителей и более старые традиционные виды галогенных ламп начали изготавливать с наполнением ксеноном. Ксеноновая газоразрядная лампа это нечто другое. Здесь нет нити накаливания. Два электрода, между которыми происходит дуговой разряд, который и горит в ксеноновой атмосфере. Это классическая газоразрядная металл-галогенная HID-лампа. Это и есть настоящий ксенон. HID-лампы (High Intensity Discharge – разряд высокой интенсивности). Эти лампы относятся к классу электроразрядных, или, как иногда их еще называют, газоразрядных, ламп. Кстати, к данному классу относятся лампы дневного света и всевозможные неоновые подсветки. В капсуле в среде пара из инертных газов, ртути и галогенидов (в данном случае ксенона) между двух электродов пропускается электрическая дуга и образуется световое излучение.
HID-лампа обязательно комплектуется балластом – пускорегулирующим устройством. Балласт – это самая дорогая и ответственная часть ксенонового комплекта. Он должен генерировать напряжение до 25000 В для розжига дуги разряда и затем поддерживать ее горение уже примерно при 85 В.   


Для автомобиля ксеноновые лампы выгодны в силу ряда факторов. В сравнении с галогенными лампами, которые все еще занимают львиную долю в автомобильном мире, ксеноновые HID-лампы значительно ярче и потребляют при этом куда меньше энергии. Ксенон более «дальнобойный» и освещает большее пространство. Свет ксеноновой фары более точно сфокусирован и, несмотря на все предубеждения, не слепит так, как свет галогенных ламп. Отличить настоящий ксенон от поддельного можно. Попробуйте найти обычный галоген (именно эти лампы чаще всего маскируются под ксенон) и настоящий ксенон. Разница будет вполне очевидной. Подделку выдает наличие спирали накаливания. Здесь нужно высказать небезынтересное мнение именитых производителей оптики для серийных производителей. Они считают, и кое в чем не без причины, что установка в штатные фары, рассчитанные на стандартные галогенные лампы, ксенона незаконна и опасна.  

 

Самый сильный довод против установки нештатного ксенона – это то, что, заменив лишь саму лампу, отражатели, рассеиватели и устройства, регулирующие уровень фары и омыватели фар, останутся прежними. Это может привести к неправильному распределению светового потока, образованию бликов и т. п. Так, например, лабораторные испытания в компании Hella показали, что ксенон в галогенной фаре не вписывается в установленные параметры. Стандартные бликовые характеристики были превышены в 100 раз. Такие фары не имели линии отсечки и не могли быть правильно скорректированы. Полноценные сертифицированные наборы этих проблем лишены. Но, к сожалению, их не так много, и делаются они пока не на все машины. По этой причине желающие, несмотря ни на что, установить у себя на автомобиль ксеноновый свет должны крайне внимательно подойти к настройке и подгонке своих новых фар. Это необходимо и для самого владельца, и еще больше для окружающих. Раздражать других участников движения слепящим светом – не что иное, как хамство.  

 

Синий ксенон  

Синий ксенон – результат укоренившегося заблуждения. Дело в том, что со временем колба настоящей ксеноновой лампы изнутри покрывается тонким слоем своего рода окалины. Он-то и придает свечению синеватый оттенок. Это не настоящий свет ксенона, это просто старый ксенон. Но разрушить заблуждение не так просто. В магазинах, на рынках продается довольно много ламп всевозможных форм и размеров, имеющих синюю или пурпурно-синюю колбу. Практически повсеместно их выдают за ксенон, иногда говоря магическую фразу, типа «под ксенон» или «дешевый ксенон». В действительности такие лампочки ничего, кроме малой эффективности, граничащей с реальной опасностью для участников движения, не имеют. Это обычные галогенные лампы, окрашенные в синий цвет. Обычная лампа накаливания (в том числе и галогенная) производит свет, включающий в себя много красного, оранжевого, желтого и зеленого оттенков, но крайне мало синего и фиолетового. Лампы с синим стеклом или имеющие синий светофильтр пропускают только синий цвет, а поскольку его не так много в общем спектре, то и толку от такой лампы немного. Синий и фиолетовый цвета имеют самую короткую длину волны и рассеиваются очень легко. Вот почему небо синее, а не другого цвета. В глаза они попадают также легко, и им очень трудно на них сфокусироваться и обработать. Потому синие лампочки вызывают больше бликов, в особенности в дождливую, снежную погоду, туман и т. д. Для человека наиболее близкий для восприятия цвет – желтый. В отличие от синего света, желтый более сильно стимулирует человеческий глаз, заставляя зрачок сужаться. Например, лампочка на 10 Вт желтого света для человека покажется ярче 10 Вт синего. Классический цвет газоразрядных ксеноновых HID-ламп – иссиня-белый, но, несмотря на кажущуюся видимость, синего в нем не так много. Основной оттенок чисто белый, близкий к солнечному. В таком свете все видно яснее и четче, нежели в другом. По нормам безопасности Европы, США, Канады и Японии свет должен быть белым. Видимые оттенки также разрешены, но, как говорится, без перегибов. Не существует разрешенных «синих ламп». По существу эти вмешательства так же незаконны, как и тонированные задние фонари (кстати, не менее опасная штука).  

Светодиоды  

Этот тип электроразрядных люминесцентных ламп необходимо выделить в отдельный класс. Хотя бы по причине потребительского интереса и тенденций автомобильных производителей. Первые светодиоды, или LED (Light Emitting Diodes – светоизлучающий диод), появились еще в 60–70-е годы прошлого века.  


Принцип действия этого источника света основан на способности полупроводниковых кристаллов к люминесценции при прохождении через них электрического тока. Внутри пластикового кокона находится диод, представляющий из себя две полупроводниковые пластины, одна с положительным, а другая с отрицательным зарядом. Между пластинами находится нейтральная зона. Подсоединив к диоду источник электрического тока (соответственно плюс к плюсу, минус к минусу; если подключиться наоборот, то в лучшем случае ничего не произойдет, а в худшем он выйдет из строя), аналогично простым диодам через светодиод ток проходит лишь в одну сторону. Накапливаясь на каждой пластине, положительные и отрицательные частицы («дырки» и электроны) устремляются друг к другу через «зону покоя» и, соединяясь, начинают выделять энергию в виде особых частиц – фотонов. Это и есть свет. Одна из полупроводниковых пластин имеет форму отражателя, направляя поток фотонов в нужное направление. Чем выше ток, тем ярче свет, но лишь до определенных пределов. Дальше светодиод просто сгорит, как и обычная лампочка. 
Цвет свечения светодиода зависит от свойств вещества, из которого состоят пластины полупроводников.  


 

Комбинируя разные материалы и легирующие вещества, удается получать различные цвета. Первые LED излучали лишь почти монохромный красный, зеленый или желтый свет, что способствовало постепенной монополизации ими рынка индикаторов. В середине 1990-х годов появились белые и синие светодиоды, и лишь тогда впервые зашла речь о светодиодных лампах как вероятной альтернативе существующим источникам света. Преимущества этих «светлячков» в том, что они практически не выделяют посторонних излучений несветового характера и тепла (хотя теплоотвод самому полупроводниковому элементу все же требуется). Благодаря этому их светоотдача очень высока. Для получения аналогичного по яркости света светодиод затрачивает на 80 с лишним процентов меньше мощности, чем лампа накаливания. Теоретически, поскольку в светодиоде электрический ток преобразуется в световое излучение напрямую, светодиод может иметь почти 100%-ный КПД, а светоотдачу (отношение яркости к затраченной мощности) – до 300 люмен/Вт.  

Немаловажно, что светодиоды способны достигать большой температуры света, сравнимой с характеристиками газоразрядных ксеноновых HID-ламп, что делает их потенциальными источниками света и для головной оптики автомобилей. Светодиоды не имеют спиралей, электродов и т. п. изнашиваемых элементов. Они влаго- и пыленепроницаемые, не подвержены вибрации. Все это делает их весьма долговечными (до 100 тыс. часов). Хотя нужно сказать, что у мощных светодиодов «жизнь» более короткая, чем у простых индикаторных. Но и 20–50 тыс. часов это не в пример выше других ламп. В отличие от электроразрядных источников света, светодиоды не требуют для своей работы никаких дополнительных пусковых устройств, что, несомненно, здорово облегчает работу с ними. Хотя правды ради стоит отметить, что для устойчивой работы светодиодов ток необходимо стабилизировать. Для этого применяют конверторы или драйверы в английском варианте. Но эти устройства куда проще балластов электроразрядных ламп. Миниатюрный их размер позволяет воплощать практически любые дизайнерские идеи. А тот факт, что светодиоды – это низковольтный электроприбор (до 4 В, до 1 А), делает работу с ними безопасной.  

Итоги  

Зачем нужен хороший свет водителям? Более 60% всех аварий случается по причине плохой видимости. Для вождения в таких условиях мощный свет крайне важен. Но не только. По оценкам специалистов и проведенным исследованиям, использование водителями освещения в дневное время суток снижает на 25% смертельные случаи на дорогах, в особенности с участием пешеходов. По всему выходит, что качественный свет необходим всегда. Вот почему фары автомобилей с каждым годом становятся все ярче. Вот почему появляются дополнительные системы адаптивного света, поворотных фар и т. д. А что касается самого человека, то кушайте морковку. Витамин А, коим она богата, помогает эффективнее работать палочкам сетчатки, что делает зрение более острым, особенно в темное время суток. Капуста и зеленые листовые овощи также весьма полезны. Здоровье надо беречь. Как говорится, на лампы надейся, а сам не плошай.