Badanie samochodowych źródeł światła

Badanie samochodowych źródeł światła Podstawowe parametry Do podstawowych pojęć używanych w technice świetlnej źródeł światła można zaliczyć [1, 2]: 1. Strumień świetlny Φ parametr ten określa moc promieniowania świetlnego wiązki promieni świetlnych (w zakresie widzialnym dla człowieka) w danym miejscu w przestrzeni. Jednostką strumienia świetlnego jest 1lumen (1 lm) Strumień świetlny można opisać zależnością: k n m i1 i1 F V (1) e i gdzie k m fotometryczny równoważnik promieniowania jego wartość wynosi 680 lm/w, F eλ wartość mocy promieniowania odpowiadająca promieniowaniu w zakresie długości λ i-1 do λ i, wyrażona w W, V λ względna skuteczność świetlna odpowiadająca wrażeniu wzrokowemu przeciętnego człowieka wywołanego daną długością fali. 2. Światłość I będąca kątową gęstością strumienia świetlnego. Parametr ten charakteryzuje energię świetlną wypromieniowaną w kierunku danego kąta bryłowego. W przypadku reflektora samochodowego część energii jest wypromieniowana bezpośrednio, część zostaje odbita, skupiona i ukierunkowana. Taki zabieg powoduje zwiększenie kątowej wartości energii świetlnej. Jednostką światłości jest 1 kandela (1 cd). Światłość można wyrazić wzorem: I (2) gdzie ω kąt bryłowy wyrażony w steradianach. 3. Natężenie oświetlenia E wyznaczane jako ilość światła padającego na powierzchnię oświetlaną, wyrażane w luksach (lumen/powierzchnię). Fizycznie wielkość ta jest określana jako jasność widzenia na powierzchni S oświetlonej strumieniem świetlnym Φ o danej światłości I. Opisuje się ją zależnością: E (3) S cos gdzie S pole powierzchni, α kąt nachylenia powierzchni do kierunku strumienia świetlnego Φ, Jednostką natężenia jest 1 luks (1 lx). Wartość ta maleje wraz z kwadratem odległości od źródła światła. W technice samochodowej natężenie oświetlenia odnosi się do powierzchni prostopadłej, stąd tez zależność (3) można zapisać w postaci uproszczonej: E (4) S 4. Luminancję L powierzchni w danym kierunku, która jest stosunkiem światłości I do tej powierzchni S w danym kierunku do pola powierzchni prostopadłej do tego kierunku. I L (5) S cos Jednostką luminancji jest kandela na metr kwadratowy (cd/m 2 ) 1

Parametr ten jest powiązany z reakcją oka na bodziec świetlny oraz z przekazywaniem do mózgu wrażenia jaskrawości. Decyduje ona o efekcie olśnienia, który w bardzo dużym stopniu przeszkadza kierowcom podczas jazdy wieczorem bądź w nocy. 5. Skuteczność świetlna źródła η jest stosunkiem mocy promieniowania źródła świetlnego Φ do mocy dostarczanej do tego źródła P. (6) P Jednostką skuteczności świetlnej jest lumen na wat (lm/w) 6. Temperatura barwowa określonego źródła T jest to temperatura ciała doskonale czarnego, które należy rozgrzać takiej temperatury, by to źródło mogło emitować światło o barwie identycznej z barwą tego światła. Jednostką jest 1 kelwin (1 K) Wzrost temperatury ciała doskonale czarnego, to w spektrum generowanego promieniowania świetlnego wzrost udziału koloru niebieskiego. Z kolei przy zmniejszaniu temperatury całe spektrum przesuwa się w kierunku koloru czerwonego. 7. Trwałość źródła światła można tu wyróżnić dwa parametry składowe: Trwałość B 3, która jest czasem pracy źródła światła, po którym wygaszeniu ulegnie 3% wszystkich testowanych źródeł światła. Trwałość T c jest czasem pracy źródła światła, po którym wygaszeniu ulegnie 63,2% źródeł światła. Oprócz parametrów świetlnych w bardzo ważne przy porównywaniu źródeł światła są parametry elektryczne takie jak: 1. Napięcie nominalne U umowna wartość napięcia przy którym żarówka jest używana, np. 6V, 12V, 24V 2. Napięcie znamionowe U N określające napięcie maksymalne, jakie może być trwale podane na żarówkę, nie powodując jej uszkodzenia i dając optymalny w stosunku do trwałości efekt świetlny. (zgodnie z normami europejskimi jest to 13,2V dla żarówek w instalacji 12V). 3. Pobór mocy P dla żarówek 12V normy przewidują 55 60W. Podział świateł zewnętrznych pojazdów samochodowych Żarówki stanowią główne źródło światła w pojazdach samochodowych. Na rynku istnieje bardzo duży wybór żarówek samochodowych. W zależności od zastosowania dostępne żarówki różnią się budową i parametrami. W samochodach osobowych rodzaj reflektora warunkuje rodzaj i budowę zastosowanej żarówki będącej źródłem światła. Na rys. 1. Dokonano podziału świateł występujących w pojazdach samochodowych. Z kolei w tabeli 1 podano rodzaje żarówek stosowanych jako źródła światła w poszczególnych światłach samochodu. 2

Rys. 1. Podział świateł zewnętrznych pojazdu. [2] Tab. 1. Rodzaje żarówek stosowanych w światłach pojazdu samochodowego [3]: Światła mijania/ światła drogowe R2, HB3, Hb4, H1, H3, H4, H7 H11, H9, D2S, D1S, D2R, D1R Światła pozycyjne W3W, W5W, T4W, R5W, H6W Światła przeciwmgłowe HB3, Hb4, H1, H3, H4, H11, H8 Kierunkowskaz przedni W21W, P21W, Kierunkowskaz tylny W16W, W21W, P21W, Py21W, H6W Kierunkowskazy boczne W5Y, WY5W Światło stopu P21/4W, W21/5W, Światło cofania W16W, W21W, P21W, W21/5W, P21/5W Tablica rejestracyjna W5W, T4W, R5W, R10W Tylne światła przeciwmgłowe P21/4W, W21W, P21W, W21/5W W dalszej części opracowania opisane zostaną jedynie żarówki H4 oraz H7, ponieważ te żarówki są w centrum zainteresowania przy realizacji niniejszego ćwiczenia. Są one stosowane w instalacjach świateł mijania, świateł drogowych, a niekiedy i świateł przednich przeciwmgłowych. Zarówno żarówka H4 jak i H7 są żarówkami halogenowymi. Źródłem światła w nich jest żarnik umieszczony w bańce ze szkła kwarcowego wypełnionej gazem zwanym halogenem (stąd znaczenie ich symbolem H). Gaz ten jest mieszaniną jodu i bromu. Wypełnienie żarówki gazem w ogromnym stopniu zmniejsza zjawisko osadzania się wolframu na bańce szklanej (bańka szklana tak szybko nie czernieje). Pary wolframu osiadają ponownie na żarniku, co znacznie zwiększa długość okresu świecenia żarówki [4, 5]. Oprócz standardowych żarówek H4 oraz H7 na rynku można również spotkać żarówki, które dają więcej światła ( np. żarówki TUNGSRAM Megalight Ultra 120%, Osram H7 Night Breaker Plus +90%, PHILIPS Żarówki X-treme Vision +130%). Efekt ten uzyskuje się dzięki skróceniu żarnika w stosunku do żarówek standardowych. Żarówki te wyraźniej i lepiej oświetlają drogę przed pojazdem. Skrócenie żarnika jest jednak powodem zmniejszenia 3

żywotności takich żarówek. Aby temu zaradzić do halogenu wewnątrz żarówki dodaje się ksenonu [6]. W sprzedaży są również dostępne żarówki H4 oraz H7 pokryte specjalnym filtrem (np. żarówki OSRAM All Season), który powoduje emisje światła o barwie żółtej. Pozwala to na lepsze oświetlanie drogi w gorszych warunkach atmosferycznych (duże opady deszczu, mgła). Tego typu żarówki są stosowane w przednich światłach przeciwmgłowych [7]. W lampach samochodowych stosuje się również żarówki, których bańka jest pokryta niebieskim filtrem (Philips Blue Vision, Tungsram Super Blue). Taki zabieg powoduje uzyskać dużo bielsze światło niż w przypadku żarówek standardowych i lepsze oświetlenie drogi oraz poprawę komfortu jazdy. Spoglądając na reflektory widać efekt niebieskich świateł, podobnie jak w przypadku świateł ksenonowych. Zastosowanie w tych żarówkach niebieskiego filtru znacznie osłabia strumień światła wytwarzanego przez żarnik. Stąd tez aby zwiększyć generowany strumień światła odpowiednio skraca się żarnik, co w efekcie zmniejsza odpowiednio żywotność takiej żarówki [8]. Na rys. 2 oraz 3 pokazano budowę żarówek halogenowych H4 oraz H7. Rys. 2. Budowa żarówki H4: 1 trzonek mocujący żarówkę, 2 żarnik świateł drogowych, 3 żarnik świateł mijania, 4 drut doprowadzający prąd do żarnika, 5 bańka szklana wypełniona halogenem 1 2 3 4 Rys. 3. Budowa żarówki H7: 1 trzonek mocujący żarówkę, 2 drut doprowadzający prąd do żarnika, 3 żarnik żarówki, 4 bańka szklana wypełniona halogenem 4

Żarówki H4 są żarówkami dwuwłóknowymi (jedno włókno jest zasiane po włączeniu światła mijania, a drugie światła drogowego). W żarówkach tych stosuje się przesłonę włókna światła mijania, której zadaniem jest ukierunkowanie strumienia światła w dół i w prawo, co zapewnia asymetryczność świateł oraz utrzymanie odpowiedniej granicy światła i cienia. Dzięki czemu lepiej oświetlone jest pobocze po prawej stronie jezdni. Żarówki H7 są żarówkami jednowłóknowymi. Są stosowane w reflektorach do świateł mijania lub świateł drogowych. Zgodnie z przepisami europejskimi żarówki halogenowe powinny spełniać następujące wymagania [9]: Strumień świetlny ok. 1000-1650 lm Trwałość dla żarówek standardowych ok 2000 h Temperatura barwowa światła ok. 3000-3800 K Zasięg ok. 100 m W sprzedaży są również dostępne żarówki H4 oraz H7 w postaci LED. Jednakże żarówki mają dużo gorsze parametry i nie spełniają wymagań zawartych w regulaminie europejskim 37 (R37) ECE (Europejskiego Komitetu Elektrotechnicznego). Stąd też nie nadają się, aby można było stosować je zamiennie z żarówkami w światłach mijania bądź drogowych. Światła mijania i światła drogowe wiadomości wstępne Światła mijania służą do oświetlenia drogi w sposób maksymalnie ograniczający możliwość oślepiania innych kierowców. Są wytwarzane przez reflektor główny, podobnie jak światła drogowe. Światło mijania powinno być asymetryczne tj. oświetlać drogę po prawej stronie na większą odległość niż po stronie lewej i nie oślepiać kierowców jadących znad przeciwka. Światła mijania powinny oświetlać drogę przed pojazdem na odległość co najmniej 40 m przy dobrej przejrzystości powietrza. Tradycyjny układ optyczny reflektora samochodowego składa się z odbłyśnika (lustro) o kształcie paraboloidalnym, dwuwłóknowej żarówki i szyby rozpraszającej o odpowiednio ukształtowanej powierzchni. Są to reflektory refleksyjne. Żarnik światła mijania umieszczony jest przed ogniskiem paraboloidy. Od dołu jest osłaniany półwalcową przesłonką ze ścięciem pod kątem 15 z lewej strony. Przesłonka uniemożliwia odbicie promieni z dolnej części odbłyśnika, a jej ścięcie zapewnia asymetryczny rozsył światła mijania. Promienie odbite od górnej części odbłyśnika są pochylone ku jezdni. Odpowiednio ukształtowana szyba rozpraszająca ostatecznie kształtuje plamę świetlną (Rys. 4.). Układ taki zapewnia asymetryczne oświetlenie drogi, a co za tym idzie zmniejsza zjawisko wzajemnego oślepiania kierowców. 5

Rys. 4. Asymetria światła mijania: a obraz plamy świetlnej na pionowym ekranie, b obraz plamy świetlnej typu Z (odległość reflektora od ekranu wynosi 25 m), c obraz oświetlonej drogi Obecnie stosuje się odbłyśniki wykonane z tworzywa syntetycznego o odpowiednio ukształtowanej powierzchni roboczej, która kształtuje strumień świetlny dla światła mijania lub drogowego. Z tworzyw syntetycznych wykonuje się również szyby -zupełnie gładkie lub słabo ryflowane. Rozwiązanie to zwiększa powierzchnię roboczą odbłyśnika przez co poprawia oświetlenie drogi. Innym, nowszym rozwiązaniem są reflektory projekcyjne PES (Poly Elliptischer System) wykorzystujące odbłyśnik w kształcie spłaszczonej elipsoidy, przez co zyskuje się większy rozsył światła w płaszczyźnie poziomej (Rys. 5.). Układ ten złożony jest z żarówki lub lampy wyładowczej, odbłyśnika, przysłony, soczewki wypukłej i szyby gładkiej lub rozpraszającej. Odbłyśnik skupia promienie świetlne wytworzone przez źródło światła, następnie przysłona ustala granicę światła i cienia, na końcu promienie kształtowane są przez soczewkę. Rys. 5. Kształt plamy świetlnej światła mijania: a reflektor o wymiarach 235x127 mm z żarówką H4, b Reflektor PES o średnicy 60 mm Reflektory PES z lampą wyładowczą zapewniają znacznie lepsze oświetlenie drogi (Rys. 6.), niższy pobór mocy i dłuższą żywotność w porównaniu do żarówek halogenowych. 6

Rys. 6. Kształt plamy świetlnej światła mijania: a reflektor PES z żarówką H1, b Reflektor PES z lampą wyładowczą D2S Włączanie świateł mijania jest obowiązkowe łącznie lub zamienne ze światłami drogowymi zawsze od zmierzchu do świtu, a także w tunelach, w warunkach pogorszonej przejrzystości powietrza (mgła, silne opady deszczu lub śniegu, zadymienie itp.) oraz podczas holowania. W Polsce światłą mijania muszą być włączone także podczas ruchu pojazdu w dzień, jeżeli nie jest on wyposażony w światła do jazdy dziennej. [10] Światała drogowe w odróżnieniu do świateł mijania są światłami symetrycznymi. Zgodnie z przepisami kodeksu drogowego powinny oświetlać drogę na odległość co najmniej 100m przed samochodem. Używanie świateł drogowych jest dozwolone wyłącznie w czasie od zmierzchu do świtu na nieoświetlonych drogach, tylko wówczas, kiedy nie spowoduje to oślepiania innych kierujących lub kolumn pieszych. [10] Reflektory samochodowe dopuszczone do ruchu w danym kraju są odpowiednio oznaczane. Na reflektorze wybija się numer kraju (rodzaj homologacji), w jakim reflektor ten został dopuszczony do użytku. Oznaczenia umieszczane są na kloszu lampy samochodowej, na mocowaniach lub plastikowych elementach oraz na trzonku żarówki. W krajach Unii Europejskiej rozróżnia się następujące rodzaje homologacji: E1 - Niemcy E2 - Francja E3 - Włochy E4 - Holandia E5 - Szwecja E6 - Belgia E7 - Węgry E8 - Czechy E9 - Hiszpania E10 - Jugosławia E11 - Wielka Brytania E12 - Austria E13 - Luksemburg E14 - Szwajcaria E20 - Polska Na lampach samochodowych można również znaleźć oznaczenia rodzaju źródeł światła, które występują w tych lampach. Są to: 7

A - Pozycyjne B - Przeciwmgłowe C - Mijania R - Drogowe CR - Drogowe i mijania C/R - Drogowe albo mijania HC - Halogenowe mijania HR - Halogenowe drogowe HCR - Halogenowe drogowe i mijania HC/R - Halogenowe drogowe albo mijania DC - Ksenonowe mijania DR - Ksenonowe drogowe DC/R - Bi-xenon Znak ukośnika "/" oznacza, że dane lampy (źródła światła) nie mogą świecić się jednocześnie, mamy podział świateł. Przebieg ćwiczenia Tab. 2. Żarówki H4 zastosowane do realizacji ćwiczenia: Nazwa żarówki Napięcie Moc Rodzaj homologacji Sinlete 12V 60/55W E4 Unitec halogen 12V 60/55W E4 Czas świecenia podany przez producenta Tungsram Standard nowa 12V 60/55W E1 Do 2000 godz Tungsram Standard używana 12V 60/55W E1 Do 2000 godz Tungsram Megalight Ultra +120% 12V 60/55W E1 Philips X-treme Vision +130% 12V 60/55W E1 LED 18xSMD 5050 Xenon Biały 12V >30000 h LED 33xSMD 5630 Xenon Biały 12V >30000 h Tab. 3. Żarówki H7 zastosowane do realizacji ćwiczenia: Nazwa żarówki Napięcie Moc Rodzaj homologacji Sinlete 12V 55W E4 Unitec halogen ultra +30% 12V 55W E4 Czas świecenia podany przez producenta Tungsram Standard nowa 12V 55W E1 Do 2000 godz Tungsram Megalight Ultra +120% 12V 55W E1 LED 18xSMD 5050 Xenon Biały 12V >30000 h 8

UWAGA Nie należy chwytać szklanej bańki żarówki halogenowej palcami. Tłuszcz i pot który osiądzie na szkle powoduje obniżenie trwałości i skuteczności żarówki. Rys. 7. Schemat układu do badania samochodowych źródeł światła 1. Dokonanie oględzin żarówek dostępnych na laboratorium a) zwrócić uwagę na podstawowe parametry żarówki takie jak napięcie, moc, b) określić kraj homologacji żarówki, c) określić obecność filtra UV, d) porównać badane żarówki pod względem zgodności z wymogami europejskimi (odnieść do parametrów zawartych w Europejskiej homologacji ECE), 2. Wyznaczenie charakterystyk zależności I = f(u), P = f(u) oraz E = f(u) dostępnych żarówek: a) połączyć układ pomiarowy jak na schemacie na rys. 7 do realizacji pomiarów wykorzystać reflektor z żarówką H4 oraz ekran z wyciętymi otworami do pomiaru natężenia światła z wykorzystaniem luksomierza, b) zmieniając wartości napięcia U zasilania w zakresie 0 14V odczytywać wartości prądu I przepływającego przez badaną żarówkę oraz mierzyć wartości natężenia światła E w zadanych punktach ekranu pomiarowego. c) powtórzyć wszystkie pomiary dla wszystkich wskazanych przez nauczyciela prowadzącego żarówek, d) na podstawie zrealizowanych pomiarów wykreślić zależności I = f(u), P = f(u) dla wszystkich badanych żarówek dokonać porównania e) wykreślić zależności E = f(u) dla wszystkich badanych żarówek, dokonać porównania zmierzonych wartości natężenia światła we wszystkich punktach pomiarowych. f) czynności z punktów b - e powtórzyć dla wskazanych przez nauczyciela prowadzącego żarówek H7. 3. Wyznaczenie charakterystyk nagrzewania się badanych żarówek. Obserwacja plam świetlnych badanych żarówek na ekranie. a) pomiary realizować w układzie miarowym pokazanym na rys. 7, zamontować ekran do obserwacji plam świetlnych źródeł światła, b) ustawić na zasilaczu regulowanym, przy odłączonej lampie, wartość napięcia z przedziału U = 12-13V, c) dołączyć lampę do układu, 9

d) włączyć zasilanie, obserwować wskazania temperatury lampy na dołączonym mierniku. W momencie osiągnięcia wartości 40 C włączyć stoper, e) co 30s od momentu rozpoczęcia odliczania zapisywać wartości temperatury lampy z badaną żarówką - pomiar zakończyć po 330s (5min 30s), f) pomiary powtórzyć dla wszystkich wskazanych przez nauczyciela prowadzącego żarówek, przed zmianą żarówki na inną schłodzić całą lampę do temperatury co najmniej 30 C, g) w trakcie pomiaru obserwować wygląd plamy świetlnej na ekranie. h) wykreślić zależności zmierzonej temperatury od czasu T = f(t) dla wszystkich badanych żarówek, porównać ze sobą uzyskane wyniki. 4. Porównanie plam świetlnych reflektora prawostronnego i lewostronnego. a) dołączyć do układu pomiarowego reflektor lewostronny, b) porównać zaobserwowane plamy światła reflektora lewostronnego i prawostronnego. Literatura: [1] Materiały firmy OSRAM - http://www.35m.pl/media/resource/hires/543474/12233169/2015-pl.pdf [2] Dziubański M. Walusiak S., Ociszyński J, Elektrotechnika i elektronika samochodowa, Wyd. Politechniki Lubelskiej, Lublin 1998, [3] Materiały firmy TUNGSRAM - http://www.gelighting.com/lightingweb/ru/images/524-12850tungsram_automotive_lamps_catalogue_hu_pl_cz_en_.pdf [4] Materiały firmy HELLA http://www.elcamp.pl/public/content/file/o%c5%9bwietlenie/technika%20%c5%9bwiat%c 5%82a_PL.pdf, [5] Materiały firmy Bosch https://pl.boschautomotive.com/pl/parts_and_accessories/service_parts_1/bulbs/zarowki_glowna [6] Targasiński T.: Badania porównawcze samochodowych żarówek reflektorowych, PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI w Warszawie, zeszyt 256, s. 211-222, Warszawa 2012, [7] https://www.motointegrator.pl/produkty/308736-zarowka-h4-osram-all-season-30 [8] http://www.auto-swiat.pl/wiadomosci/philips-bluevision-xenon-effect-sposob-na-taniexenony/jj10k [9] Homologacja europejska ECE http://www.unece.org/fileadmin/dam/trans/main/wp29/wp29regs/r037r5e.pdf [10] Prawo o ruchu drogowym - Dz. U. z 2012 r., poz. 1137 10